直流电网直流短路故障电流计算方法研究进展

柔性直流电网直流侧短路故障传播机理研究是保护控制与故障清除的基础。针对不断涌现的短路电流计算方法,基于其特殊性及技术要求,首先从关键设备建模的角度,分别对比了采用不同换流器模型、不同线路模型、不同故障类型建模、含限流装置的模型、附加控制模型时计算方法的特点。然后,从状态方程列写及求解的角度,将现有方法分为全网等值求解类、方程近似求解类和仿真预测类,对比各类方法的等值与简化求解过程,指出其优缺点。进一步地,在PSCAD/EMTDC中分别搭建不同直流电网模型,从精度与速度、复杂电网适性三个维度对典型方法进行详尽对比,并总结了多种方法的适用场景。最后,根据未来复杂直流电网多节点、高耦合的特点,建议该领域围绕故障特性的高效解析和计算平台研发这两个方向展开研究。

模块化多电平变流器直流短路故障电流计算

模块化多电平换流器直流侧发生短路故障后,等效放电电容计算对短路电流的计算十分重要,受控制系统的影响,等效放电电容难以确定。在一定的假设条件下,通过均值等效的方式得到等效放电电容的解析计算式,并且推导模块等效放电电容取得最大值2C/N和最小值C/N的条件。在此基础上,得到影响等效放电电容的因素：调制比和短路时刻;进一步分析调制比和短路时刻对等效放电电容的影响规律。最后,基于Matlab/Simulink搭建仿真模型,对本文得出的计算公式及结论进行仿真验证。

含主动限流控制的MMC-HVDC电网直流短路故障电流解析计算

传统的MMC-HVDC电网直流短路故障电流计算一般采用等效RLC电路方法。但是该方法没有考虑主动限流控制(ACLC)对等效电路RLC参数的影响,因此无法直接用于含ACLC的MMC-HVDC电网的直流短路故障电流的解析计算问题。该文通过将ACLC的控制效果等效为虚拟阻抗产生的压降,建立了体现ACLC的控制影响的等效RLC电路,以包含电流变化率限流环节的典型ACLC算法为例,推导了直流双极短路故障条件下ACLC的控制参数与虚拟阻抗的映射关系以及相应的直流故障电流解析表达式。最后,以基于含ACLC的半桥型四端MMC-HVDC电网为例,建立PSCAD/EMTDC仿真模型,对采用ACLC的直流双极短路故障电流解析计算结果进行了验证。结果表明:故障后10ms内直流短路故障电流的PSCAD仿真结果与所提出的含ACLC的等效RLC电路解析计算结果的平均误差在8.29%以内,最大误差在10.99%。因此,使用所提出的方法具有工程实用性。

计及控制响应的多端混合直流输电系统短路电流近似计算方法

多端混合直流输电系统故障发展迅速、短路电流水平超标问题严重,换流站高度非线性特征使现有短路电流求解忽略了控制系统的响应过程且多依赖建模仿真结果,无法得到短路电流的具体解析式,实现故障特性的定量分析计算。为此,该文提出三种兼顾准确性与计算复杂程度的系统模型简化措施,并在此基础上提出计及控制系统作用的短路电流复频域近似求解方法,利用Pade逼近以及分段线性化法对模型进行降阶处理,通过拉普拉斯逆变换求得短路电流的时域解析式。最后,基于PSCAD/EMTDC对不同故障距离、过渡电阻以及故障类型进行了仿真分析。结果表明,该方法能在故障的暂态阶段(10 ms内)对短路电流有较为准确的刻画,能为直流保护定值整定、断路器额定容量选取、直流输电控制策略切换以及系统规划设计等提供重要依据。

风光电源故障暂态解析及实用化短路电流峰值计算

研究风光电源的故障暂态过程及短路电流峰值能为设备选型及保护整定提供重要依据。然而,现有的风光电源暂态短路电流计算模型过于依赖参数,计算模型难以满足工程应用需求。因此,该文首先分别对光伏电源、永磁同步风机及双馈感应风机进行故障暂态解析,继而构建形式简洁实用的短路电流峰值表达式。对于光伏电源及永磁同步风机,在恒功率控制阶段建立了基于故障期间电源出力变化的暂态短路电流计算模型;在限幅控制阶段通过分析阻尼比系数,得到短路电流峰值的实用化表达式。对于双馈感应风机,通过分析其故障后定转子磁链的耦合关系,得到Crowbar电阻投入阶段短路电流的简化条件,进而求解出短路电流峰值表达式。最后通过录波数据与仿真数据验证了理论的可行性和正确性。

计及零直流电压控制的混合型MMC-HVDC输电系统短路电流计算方法

混合型模块化多电平换流器通过零压控制限制直流侧故障电流,为准确分析计算故障后直流侧电流,考虑不同阶段控制系统作用建立其等值模型,并设计故障电流求解计算方法。在零压控制前,构建混合型MMC的串联RLC等值模型,利用受控电流源表征交流馈入能量对故障电流的影响;在零压控制后,分析上下桥臂电压动态调整对故障电流的影响,构建相应混合型MMC等值模型提高计算精度。采用状态空间方程计算2个阶段的直流短路电流,通过电容电压置零来计及零压控制后子模块投切引起直流侧电压复零的特性。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了双极混合型MMC直流输电系统,在不同工况下通过与详细电磁暂态仿真结果对比,验证了所提短路电流计算方法的准确性。

基于MMC的多端直流电网双极短路故障电流计算

直流侧故障切除能力是衡量直流输电系统的重要指标。针对子模块采用半桥拓扑的模块化多电平换流器(MMC)直流侧发生双极短路故障的机理进行分析,定量研究了影响故障电流峰值的主要因素;并将结论延伸至多端直流电网,提出了不同电网拓扑和不同位置发生故障后10 ms内各换流站出口、线路电流的计算方法;在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建三端电磁暂态仿真模型,并将故障电流计算结果与仿真结果进行对比验证,结果表明所提计算方法具有一定的精度和速度,对直流电网规划、直流断路器选型具有一定的指导意义。

计及过渡电阻影响的直流电网不同拓扑结构故障电流简化计算方法

故障电流计算是直流电网设备选型、参数设计和保护整定的基础,目前以详细电磁暂态仿真为主的故障电流分析方法难以适用于大规模直流电网,为此,研究能够适用于不同拓扑结构的直流电网故障电流通用计算方法。首先分析双端直流系统故障后各回路故障电流的耦合机理,提出依据回路电感参数指标的故障回路解耦方法;基于能量守恒的原则,提出网络元件串并联等效和多端环状网络解环的方法,将多端网络解环为开环网络,然后统一等效为双端的故障网络,利用所提出的故障回路解耦方法获得故障电流时域解析式。在RT-lab仿真平台中搭建了多种拓扑结构的仿真系统对所提出的方法进行验证,结果表明,所提出的方法对不同拓扑的直流电网均具有很好的适用性,与详细电磁暂态仿真相比,计算的电流误差基本小于5%。

基于离散模型的柔性直流电网短路电流计算方法

为计算柔性直流电网故障后的短路电流,提出基于离散模型的柔性直流电网短路电流数值计算方法。针对基于模块化多电平换流器的柔性直流电网,分析直流侧短路故障后的等效电路;建立基于后退欧拉法和梯形积分法的换流器电感、电容和线路的离散化模型,以及不同故障类型下换流站的离散化模型;在此基础上,设计直流电网不同类型故障电流数值求解算法。基于RT-lab平台搭建四端柔性直流电网仿真模型,对比分析了所提出方法的求解计算数值与详细模型仿真结果。结果表明所提算法能够准确获得故障电流值,与详细模型仿真结果相比误差小于5.5%。

直流牵引供电系统短路电流计算与故障测距研究

作为地铁工程的重要组成部分,供电系统的正常运行是确保列车可以安全运行的基本保障。因此,探讨了直流牵引供电系统短路电流计算,分析研究了直流牵引供电系统故障测距,以期确保城市轨道交通的可持续性发展。

基于故障区域局部迭代的工程实用化新能源短路电流计算

新能源快速发展,正在由辅助电源向主力电源过渡。现有新能源工程短路电流计算存在两大问题。一是用1.2~2倍额定电流表征新能源故障特性,过度简化导致计算精度差,难以满足保护要求;二是现有短路电流整定计算软件不支持迭代,因而无法根据节点电压变化而更新新能源故障电流,体现其压控电流源特性。针对该问题,首先,基于新能源的故障特性精细化解析模型,结合现场故障录波数据,构建满足工程实用计算要求的电压电流映射关系;然后,根据电网故障后节点电压跌落程度和节点之间的连接关系划分故障区域,并在故障区域内依据新能源的工程实用化计算公式进行局部迭代计算来求解网络的节点电压和短路电流,从而避免了全局迭代可能带来的收敛性问题,同时也缩短了计算时间;最后,通过工程计算软件验证了所提方法的计算效果。

考虑线路电容的MMC-HVDC系统直流接地故障电流计算方法

研究模块化多电平换流站直流侧故障的暂态特性,对直流系统保护配置的设计、系统参数的优化等有重要的工程意义。考虑直流线路对地电容的影响,提出了一种直流侧单极接地故障电流计算方法。首先对直流线路进行π型等效处理,分析了MMC-HVDC系统在三种不同接地方式下的直流侧单极接地故障电流的产生机理。对不同接地方式下的换流站进行数学建模,基于基尔霍夫定律建立系统的微分方程,通过Matlab求解系统的故障电流。基于PSCAD/EMTDC仿真平台,建立MMC-HVDC直流系统模型。仿真结果验证了故障电流算法的精确性。

考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法

为了保证模块化多电平换流器(MMC)不闭锁退出运行,需要限制直流短路电流的上升速度。MMC的主动限流控制能够通过减少电容放电时间实现短路电流的限制,并且不产生额外成本,是一种新型限流方案。目前的直流短路电流计算方法无法体现MMC主动限流控制带来的故障电路结构和参数变化。文中提出一种考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法。通过引入电容放电状态占空比参数来体现主动限流控制对直流短路电流的影响,基于状态空间平均法建立直流短路电流的状态方程,给出直流短路电流的时域解析表达式。基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提计算方法的有效性。

含电流型潮流控制器的柔性直流电网故障电流抑制特性分析

为有效抑制多端柔性直流电网的短路电流,提出基于限流贡献度的电流型潮流控制器(CFC)故障抑制特性量化方法,以分析CFC参数对故障电流的影响。首先,分析了由全桥开关与电容器并联组成的桥式拓扑结构CFC的工作特性,提出了在故障发生时故障限流控制模式下的控制策略,以及与直流断路器协调配合的动作时序。然后,构建含CFC限流的直流电网等效电路,推导了故障发生各阶段电流的解析表达式。在此基础上,提出CFC限流贡献度的分析方法,研究CFC不同参数和动作时序下对柔性直流故障电流的抑制特性。

计及线间互感的两回输电线路交叉跨越故障的短路电流计算方法

对于计及线间互感的两回输电线路,现有故障分析方法对于不同类型故障,大多要构建不同的复合序网,工作量太大且难以排错。为此,本文提出一种计及线间互感的两回输电线路短路电流计算方法。以故障相关线路的阻抗以及两端的节点阻抗矩阵作为输入,通过添加树支或连支对原节点阻抗矩阵进行参数修正或扩维,以处理线间互感或添加故障节点,进而构建两回输电线路在故障节点处的序网络方程。针对两回输电线路,给出构建故障边界条件矩阵的通用方法,并利用相序转换变换为各序网下的故障边界条件矩阵,联立序网络方程矩阵求解故障各端口的电压和电流。最后,利用PSCAD/EMTDC构建电网故障仿真模型,仿真结果验证了该方法的正确性。

MMC直流输电网线路短路故障电流的近似计算方法

柔性直流电网可灵活消纳大规模可再生能源,但直流线路故障后严重的过电流问题是制约其发展的重要因素之一。短路故障电流的分析和计算对于系统参数的设计和选取具有重要意义,但是由于换流站是高度复杂的非线性系统,无法得到故障电流的精确解析表达式,因此短路故障电流往往通过仿真得到。对于故障电流近似表达式的研究也往往只能针对双端直流系统进行,对于直流电网下的线路短路故障电流则无能为力。该文根据模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)柔性直流电网系统参数的基本特点对其进行合理的简化,得到线路短路故障电流的近似解析解的求解方法,可以在故障后一段时间内较为准确的描述故障电流的整体趋势,可为直流线路保护定值和直流断路器相关参数的选取和整定提供一定的依据。

变换器短路故障时整流发电机的暂态电流计算

考虑直流变换器侧短路故障时,整流发电机带直流变换器运行可以等效为整流发电机突加RLC负载,其暂态电流计算直接关系到直流故障诊断和保护。通过将RLC负载从直流侧等效至交流侧后,将暂态电流计算等效为同步发电机串联RLC后三相短路电流计算;在得到了暂态电流的表达式后,通过类比同步发电机三相短路电流的初值、终值和时间常数计算,近似得到了暂态电流的解析表达式,并给出了电流峰值和峰值时间。通过仿真验证了该解析表达式的有效性,可以用于对直流故障诊断和保护方法的确定。

两回输电线路交叉跨越故障的短路电流计算方法

随着输电线路的分布日益密集,两回输电线路在交叉跨越点处发生交叉跨越故障的可能性剧增,现有短路计算方法仅能处理多点复杂故障类型,无法处理同一交叉跨越位置多跨接点的复杂故障类型。为此,提出了一种含多跨接点的交叉跨越故障的短路电流计算方法。首先构建交叉跨越两回输电线路在故障点处的序网络方程,并建立含多跨接点复杂故障的通用故障拓扑,然后按相构建两回线路交叉跨越故障端口的故障边界条件方程,利用相序转换变换为各序网的故障边界条件方程,再联合序网络方程求解故障电流和电压。最后,利用PSCAD/EMTDC构建电网故障仿真模型,仿真结果验证了该方法的正确性。

含直流故障限流装置动作的直流电网故障电流计算方法

模块化多电平换流器型柔性直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的有效手段,其直流故障限流和故障线路的快速隔离具有重要意义。该文提出一种含限流器投切、断路器跳开和避雷器耗能过程的直流电网故障电流计算方法。首先,根据直流电网双极短路故障后电容快速放电机理,分析电感型故障限流器投入前后故障电流的变化情况。其次,考虑故障限流器投入过程与直流断路器的切断过程,并兼顾故障限流器和直流断路器中的金属氧化物避雷器(metal-oxide arrester,MOA)特性,提出一种包含6个子阶段的柔性直流电网故障电流计算方法。通过PSCAD/EMTDC电磁仿真平台验证该算法的准确性。

低压厂用系统单相接地故障电流ETAP仿真结果与短路电流计算曲线结果的对比

低压系统单相接地故障电流是进行保护配置和设备选择的基础,但目前对单相接地故障电流的计算方法一直没有统一的标准。国内电力行业使用380 V动力中心实用算法或短路电流计算曲线进行计算,而国外采用的计算方法与国内不同,计算结果也有差距。现将国内外两种最为通用的单相接地故障电流计算方法——短路电流计算曲线法和ETAP仿真结果进行对比分析,得出二者之间的差异,并分析其原因,为单相接地故障电流的计算方法选择提供依据。