一种混合多端直流系统的直流故障检测方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种混合多端直流系统的直流故障检测方法。

背景技术

随着新能源的大规模接入以及柔性直流输电技术(VSC-HVDC)的快速发展，柔性直流输电技术越来越多的集中在多端成网上。相比交流联网，直流联网有诸多优势：1)风、光等可再生新能源大多可通过直流升压的方式直接并网，提高了新能源的发电利用率；2)直流电网内部没有频率、功角稳定性等问题；3)可实现快速灵活的潮流控制，做到广域的功率调节互济。

但是在我国电力系统实现新能源多端直流馈入，交直流互联带来巨大经济利益的同时；联合电网的运行方式变化较大，交直流混连结构复杂，给多端直流系统的故障检测带来了新的挑战。例如，缺乏有效的适用于多端直流故障检测的新方法。现有的多端直流保护大都采用高速行波保护，通过检测故障线路的电流和电压变化率来实现快速故障隔离。但该方法需要极高的采样频率，容错能力较差，其耐过度电阻能力也有限。因此，针对多端直流系统的故障特征，设计适用于多端直流故障检测的新方法是十分必要的。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种混合多端直流系统的直流故障检测方法。

术语解释：

1、HVDC：High Voltage DirectCurrent，高压直流电。

2、MTDC：multi-terminal HVDC，混合多端直流系统。

3、LCC：Line Commutated Converter，电网换相换流器。

4、MMC：Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种混合多端直流系统的直流故障检测方法，包括如下步骤：

S1、建立用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型；

S2、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型，导出初始直流故障电流的时域解析表达式；

S3、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型和步骤S2中的初始直流故障电流的时域表达式，并通过计算直流电抗器电压在指定时间段T内的平均值，从而检测出混合多端直流系统的直流故障。

进一步地，用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型具体由以下方程描述：

式(1)表示LCC模型的方程式，式(2)表示MMC模型的方程式；

式(1)中，i

式(2)中，R

进一步地，式(1)中，

LCC模型的动力学方程描述如下：

LCC换流器型电源的恒流控制方程为：

式(1-2)中，

在[α

基于式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)，联立化简得到用于直流故障分析的LCC换流器简化模型：

进一步地，步骤S2中，初始直流故障电流的时域解析表达式可由以下方程描述：

式(3)表示不带有故障电阻的初始直流故障电流的时域解析表达式，式(4)表示带有故障电阻的初始直流故障电流的时域解析表达式；

上式中，故障点处参数下标记为0；故障线路rt处参数下标记为rt；pt和qt线路参数下标记为pt和qt；i

τ

进一步地，式(3)具体由以下方程式联立化简得到：

根据故障点左侧电路直接计算出故障线路电流：

式(3-1)中，C

定义pt和qt线路的分支阻抗为：

式(3-2)中，Z

由基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律得到如下方程：

式(3-3)中，u

联立式(3-1)、式(3-2)、式(3-3)并化简得到最终的时域表达式：

进一步地，公式(4)具体由以下方程式联立化简得到：

对于混合多端直流系统的拉普拉斯故障分量电路包含故障电阻R

式(4-1)中，R

通过基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，i

根据式(4-2)，k

结合式(4-2)和式(4-3)，通过忽略高频区域的电阻和电容分量来降低k

进一步地，步骤S3中，基于直流电抗器电压瞬态平均值的单端直流故障检测方案可由下式描述：

上式中，

本发明的有益效果是：

1、本发明首次提出了一种用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型，具体是基于直流故障分析的简化线路环流器模型，通过忽略高频域中的电阻和电容分量，显著简化原始网络分析，将具有控制效果的基于LCC的整流器视为等效RLC电路，并通过基于混合多端直流系统直流故障分析简化模型导出了该系统的初始直流故障电流的时域解析表达式，该方法无需高的采样频率，就能够快速准确判断混合多端直流系统的直流故障。

2、本发明基于换流器型电源常用的控制方程，推导出不同控制模式下的换流器型电源约束。

3、本发明还给出了能够快速准确判断MTDC系统直流故障的检测判据，为各类控制器的设计提供了理论指导。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种混合多端直流系统的直流故障检测方法的流程图；

图2为本发明实施例所述的用于直流故障分析的LCC模型示意图；

图3为本发明实施例所述的MMC的基本结构和直流故障模型示意图；

图4为本发明实施例所述的三端混合HVDC系统示意图；

图5为本发明实施例举例所述的三端混合HVDC系统示意图；

图6为本发明实施例所述的极间短路故障下所研究系统的故障元件网络的拉普拉斯电路示意图；

图7为本发明实施例所述的MTDC系统直流故障检测仿真结果图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

本实施例所述的一种混合多端直流系统的直流故障检测方法，通过直流故障分析的混合多端直流系统简化模型，结合系统实际参数，即可快速准确判断该系统的故障问题。具体地，如图1所示，包括如下步骤：

S1、建立用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型。

具体地，用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型需要同时建立LCC模型和MMC模型两个模型。

式(1)表示LCC模型的方程式，式(2)表示MMC模型的方程式。

具体地，式(1)中，

LCC模型的动力学方程描述如下：

式(1-1)中，i

LCC换流器型电源的恒流控制方程为：

式(1-2)中，

在[α

式(1-3)中，α

基于式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)，联立化简得到用于直流故障分析的LCC换流器简化模型：

上式中，Δ表示与平衡的一般偏差；Δi

基于上述传递函数，可将LCC整流器等效表示为串联连接的RLC电路。

如图2所示，图2是用于直流故障分析的LCC模型示意图。

LCC整流器可以用等效串联连接的RLC电路表示，R

请参阅图3，图3为MMC的基本结构和直流故障模型示意图；

其终端特性等效电路图中的电感、电阻、电容仅取决于其物理参数，为常量，可描述如下：

式(2)中，R

S2、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型，导出初始直流故障电流的时域解析表达式。

如图4所示，图4为三端混合HVDC系统示意图。图中，L

如图6所示，图6为极间短路故障下所研究系统的故障元件网络的拉普拉斯电路示意图。

初始直流故障电流的时域解析表达式可由以下方程描述：

式(3)表示不带有故障电阻的初始直流故障电流的时域解析表达式，式(4)表示带有故障电阻的初始直流故障电流的时域解析表达式。故障点处参数下标记为0；故障线路rt处参数下标记为rt；pt和qt线路的参数下标记为pt和qt；i

图5中，以14号线发生直流故障为例，令r＝1，p＝2，q＝3，支路参数可描述如下：

具体地，式(3)具体由以下方程式联立化简得到：

根据故障点左侧(LHS)电路直接计算出故障线路电流：

式(3-1)中，u

定义pt和qt线路的分支阻抗为：

式(3-2)中，Z

由基尔霍夫电压定律(KVL)和基尔霍夫电流定律(KCL)得到如下方程：

式(3-3)中，u

联立式(3-1)、式(3-2)、式(3-3)并化简得到最终的时域表达式：

上式中，τ

具体地，公式(4)具体由以下方程式联立化简得到：

对于混合多端直流系统的拉普拉斯故障分量电路包含故障电阻R

式(4-1)中，R

通过基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，i

根据式(4-2)，k

结合式(4-2)和式(4-3)，通过忽略高频区域的电阻和电容分量来降低k

S3、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型和步骤S2中的初始直流故障电流的时域解析表达式，并通过计算直流电抗器电压在指定时间段T内的平均值，从而检测出混合多端直流系统的直流故障。具体地，

上式中，

下面以B

其操作准则可描述如下：

其中，

基于建立的直流故障分析的混合多端直流系统简化模型以及导出的短路电流时域表达式，依据此判断准则，并结合实际参数，即可快速准确的检测MTDC系统直流故障。

表1为图5所示系统仿真的相关参数，如下。

表1

请参阅图7，图7为MTDC系统直流故障检测仿真结果图。图7分别用详细模型、RL模型和所提模型三种模型分别描述各种故障条件下直流电抗器电压的动态变化，其中，详细模型是频变参数模型，是最准确的模型，考虑了线路的分布参数和频变特性；RL模型就是把线路用等效的电阻电感建模得到的简化模型；所提模型即为本发明所述的模型。三种模型中，详细模型是最真实的模型，考虑了很多复杂的因素，不好分析，只能数值计算；所提模型通过适当简化，能够反映详细模型的基本特性，同时降低复杂度，能够进行解析的理论分析；RL模型就是最简单的模型，只考虑等效的R和L，忽略了大量特性，也无法导出解析的保护表达式。

具体地，图7(a)比较了当L

综上所述，本发明通过基于合理简化的混合多端直流(MTDC)系统直流故障分析模型以及短路电流的时域表达式，在能够快速判断MTDC系统直流故障的同时具有较高的准确度，为控制器的设置和设计提供了参考。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。