一种柔性直流配电网平波电抗器电感值选择方法及系统

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。