一种柔性直流配电网平波电抗器电感值选择方法及系统
文献发布时间:2024-04-18 19:54:45
技术领域
本发明涉及电力系统故障分析领域,尤其涉及一种柔性直流配电网平波电抗器电感值选择方法及系统。
背景技术
随着电力电子技术的发展,柔性直流配电网正逐渐成为未来配电网形态的重要选择,其具备电能质量好、线路损耗小、易于控制等优势,并且能够友好接入光伏、风机以及储能等分布式电源。但与此同时,与交流电网相比,直流电网发生故障后,故障电流上升快,幅值大,开断难度高。开断直流故障电流通常依靠直流断路器,直流断路器造价昂贵,且价格与开断能力呈正比。考虑到柔性直流配电网的投资,只能配备有限开断容量的直流断路器,因此必须采取措施抑制故障电流,以确保系统中的任何故障电流都能被开断。换流器出口处的平波电抗器具有抑制故障电流的能力,平波电抗器电感取值越大,抑制故障电流的能力越强。理论上,平波电抗器电感取值应尽可能大,但同样考虑到投资因素,不能无限制地提升平波电抗器电感值。如何选择平波电抗器电感值是目前面临的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明的技术方案为:一种柔性直流配电网平波电抗器电感值选择方法,包括以下步骤:
1)确定MMC换流器的参数;
2)确定稳态运行时,MMC换流器出口处的参数;
3)确定故障发生到断路器开始动作的时间t
4)将步骤1)-3)中的参数代入故障电流计算公式,得出以平波电感器电感值L
5)根据断路器能够开断的最大电流值I
步骤1)中的参数包括:MMC换流器桥臂子模块数目N、MMC换流器子模块电容C
步骤2)中的参数包括:直流电压值U
步骤4)中,故障电流计算公式为:
式中,C
一种柔性直流配电网平波电抗器电感值选择系统,包括:
参数模块,用于确定MMC换流器的参数;
出口模块,用于确定稳态运行时,MMC换流器出口处的参数;
时间模块,用于确定故障发生到断路器开始动作的时间t
计算模块,用于将参数模块、出口模块和时间模块中的参数代入故障电流计算公式,得出以平波电感器电感值L
选择模块,用于根据断路器能够开断的最大电流值I
本发明在工作中,对柔性直流配电网故障电流进行电路分析,提出了直流故障电流与平波电抗器之间的表达式,结合系统中配置的断路器性能,最终确定平波电抗器的电感取值的下限。
本发明为柔性直流配电网平波电抗器的选择提供了参考,兼顾安全性与经济性,避免了对平波电抗器的过度投资,对柔性直流配电网建设具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的流程图,
图2是子模块内部结构图,
图3是MMC换流器的内部结构图,
图4是MMC换流器等效电路图,
图5是最严重故障等效电路图,
图6是平波电抗器示意图,
图7是含平波电抗器的故障等效电路图,
图8是不同L
图9是t
具体实施方式
本发明如图1所示,一种柔性直流配电网平波电抗器电感值选择方法,包括以下步骤:
1)确定MMC换流器的参数;
2)确定稳态运行时,MMC换流器出口处的参数;
3)确定故障发生到断路器开始动作的时间t
4)将步骤1)-3)中的参数代入故障电流计算公式,得出以平波电感器电感值L
5)根据断路器能够开断的最大电流值I
步骤1)中的参数包括:MMC换流器桥臂子模块数目N、MMC换流器子模块电容C
步骤2)中的参数包括:直流电压值U
本发明综合安全和经济两方面考虑,在确保在断路器能够开断最严重故障电流的前提下,选取合适的平波电抗器电感值,最大化利用平波电抗器的能力,减少过度投资,提高柔性直流配电网建设的经济性。
本发明的原理分析如下:
1.MMC工作原理介绍
MMC换流器是由一系列子模块构成,子模块的内部包括可控制导通和关断的IGBT管VT1、VT2,对应的反并联的二极管VD1、VD2,以及子模块电容C
如图2所示,为了控制子模块电容C
当控制子模块C
实际上,任何一个开关器件都存在阻值非常低的导通电阻,但当一定数目的子模块串联时,整体的导通电阻不能被忽略。假设单个IGBT和反并联二极管的导通电阻都为R
多个子模块连接在一起构成了MMC换流器的主要部分,MMC换流器的内部结构如图3所示;
图3中,u
2.直流故障电流计算
直流侧发生故障后,故障电流迅速上升。故障电流主要来自子模块电容通过直流回路放电,交流侧的电流馈入几乎可以忽略不计,因此,在下列分析时忽略交流电源对故障电流的影响,单独分析直流回路。
根据MMC换流器的工作原理和内部结构,在故障发生前的稳态运行阶段,直流侧电压电流都维持在额定值,每一相上下桥臂投入子模块数量之和也等于额定值。将故障前的直流电压值记为U
可以得到等效电容C
式中,U
因此,直流侧发生故障前一瞬间,MMC换流器的等效电路如图4所示;
图4中,R
当发生最严重的换流器出口处双极金属性短路故障时:
R
式中,R
对应等效电路图如图5所示,因此,按照图5列写电路方程如下:
式中,C
对该二阶电路进行分析,其中,
式中,λ为特征根,σ为特征根实部,j为虚数单位,ω为特征根虚部。
已知,故障前的直流电压值记为U
其中,
3.平波电抗器取值方法
当系统发生直流侧故障后,依靠直流断路器开断故障电流。故障电流幅值过大、上升过快可能会导致断路器无法开断,因此需要根据系统中断路器的容量采取限制短路电流的措施。平波电抗器连接在换流器与直流线路之间,能够起到抑制故障电流上升的作用。平波电抗器所在的位置如图6所示。
理论上,平波电抗器电感值选取越大越好,但会增加系统的投资成本。因此,需要选择合适的平波电抗器电感值,在保障断路器能够开断故障电流的同时,减少系统的投资。
将平波电抗器电感值记为L
其等效电路如图7所示。
通过改变L
在其余参数都确定的情况下,以时间t和L
假设将故障发生时刻记为0时刻,保护识别故障到断路器开始动作的时间记为t
|i
在满足式(5)条件下,应尽可能做到L
因此,一种柔性直流平波电抗器电感值计算方法如下:
1)记录MMC换流器参数,包括:MMC换流器桥臂子模块数目N、MMC换流器子模块电容C
2)确定稳态运行时换流器出口处直流电压值U
3)确定故障发生到断路器开始动作的时间t
4)将1)、2)、3)中的参数代入故障电流计算公式(4),得出以平波电感器电感值为自变量的故障电流表达式i
5)根据断路器能够开断的最大电流值I
6)平波电抗器的取值应满足L
一种柔性直流配电网平波电抗器电感值选择系统,包括:
参数模块,用于确定MMC换流器的参数;
出口模块,用于确定稳态运行时,MMC换流器出口处的参数;
时间模块,用于确定故障发生到断路器开始动作的时间t
计算模块,用于将参数模块、出口模块和时间模块中的参数代入故障电流计算公式,得出以平波电感器电感值L
选择模块,用于根据断路器能够开断的最大电流值I
具体示例如下:
参考苏州同里±10kV柔性直流配电系统,在具体实施例中对发明内容进行补充说明。
1)
MMC参数以±10kv苏州同里柔性直流配电系统为例,MMC换流器参数如下表所示:
2)参考苏州同里工程,系统稳态运行时,MMC换流器出口处直流极间电压U
为在具体实施例中体现平波电抗器的电感值对故障电流的限制作用,依次取L
图8中,纵轴是故障电流的瞬时值,横轴为时间(故障发生时刻记为0时刻)。从图8中可以看出,平波电抗器取值越大,对故障电流上升的抑制作用越明显。
3)假设故障发生到直流断路器开始动作的时间为t
4)将上述参数代入故障电流计算公式(4),得到t
根据表达式(6)可以画出i
5)取断路器能够开断的最大电流值I
6)实线i
由上图可知,当L
i
i
因此,平波电抗器电感L
L
即为了满足断路器动作时间t
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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