一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算方法及系统与流程

1.本发明涉及柔性直流输电技术领域，更具体地，涉及一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算方法及系统。


背景技术：

2.近年来，海上风电因其具有能量效益高且适于集中开发等优势，逐渐成为可再生能源发展的重要方向。截止2019年年底，中国海上风电的新增装机量连续两年位居全球第一，达到创纪录的2.4gw，累计装机容量已达6.8gw。而随着海上风电装机容量和离岸距离的扩大和增加，柔性直流输电技术因其同时具有远距离输电损耗低、不会发生换相失败、可独立控制有功和无功等诸多优点，在海上风电领域的应用越来越广泛。
3.海上风电柔直系统的短路计算是故障分析和继电保护研究的重要基础。对此，目前相关的短路计算方法有：针对伪双极柔直系统的短路电流计算方法：通过修改故障前状态方程中的状态变量及系数矩阵,用微分方程数值解的方法求解状态方程,进而求得故障电流。但其主要集中在以架空线为输电线路的常规陆上柔性直流输电系统，未充分考虑海底直流电缆分布电容更大带来的特殊性，因此往往会忽略线路电容放电回路。针对柔直系统双极短路的故障电流计算方法：以张北柔性直流电网为研究对象,分析了输电线路双极短路的故障特性及耦合机理；分析了故障电流与二端口两侧电压的关系；得到故障线路电流的实用计算方法。但其未对柔直系统中故障发生率更高的单极接地故障问题加以探讨。针对柔直系统的单极故障短路电流计算方法：针对直流断路器应用中直流线路故障快速选择性隔离问题,研究了对称单极多端柔性直流线路故障清除策略。但其在分析单极接地故障特性时，仅考虑了单侧多电平换流器的放电回路。这种做法在双极短路故障分析中是常见的，其原因在于双极短路时故障点的两侧电路已解耦。但对于单极接地故障，故障点两侧直流系统依旧保持电气联系，因此在故障分析中需要统一纳入考虑。综上可知，目前关于海上风电柔直系统的单极短路计算方法并不完善，其中大部分未考虑海底电缆分布电容更大所带来的计算差异性。针对该问题，本发明提出了一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算方法，以为海上风电柔直系统的短路计算和继电保护研究提供支撑。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算方法及系统，本发明考虑了海底电缆分布电容更大带来的特殊性，更贴合于实际工程，短路计算的精确度更高，可以为海上风电柔直系统的短路计算和继电保护研究提供支撑。
5.本发明采用如下的技术方案。
6.本发明一方面提供了一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1，获取柔性直流输电系统的故障前直流电压和直流电流、故障位置和短路过
渡电阻，根据故障位置划分直流区内和直流区外故障，若发生直流区内故障，执行步骤2；若发生直流区外故障，执行步骤5；
8.步骤2，针对直流区内故障极的故障点两侧直流线路，分别建立一个t型等值模型，针对直流区内非故障极直流线路建立一个t型等值模型；计算非故障极线路电容至故障点的等值电感；
9.步骤3，根据步骤2故障等值模型，建立非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程，求得非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程；
10.步骤4，根据步骤3结果，建立定解条件方程，求解非故障极线路电容的短路电流，执行步骤8；
11.步骤5，针对直流区外故障极和非故障极直流线路分别建立一个t型等值模型；
12.步骤6，根据步骤5故障等值模型，建立故障极和非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程，求得故障极和非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程；
13.步骤7，根据步骤6结果，建立定解条件方程，求解故障极和非故障极线路电容的短路电流，执行步骤8；
14.步骤8，根据步骤4或步骤6得到的线路电容短路电流和故障前直流电流，计算直流线路保护安装处的短路电流。
15.优选地，步骤1中，若所述故障位置在平波电抗器线路侧，则认为发生直流区内故障，执行步骤2；若所述故障位置在平波电抗器换流器侧，则认为发生直流区外故障，执行步骤5。
16.优选地，步骤2中所述非故障极线路电容至故障点的等值电感以下式表示，
[0017][0018]
式中：
[0019]
l1和l2分别为非故障极电容至故障点的两条回路的等值电感，
[0020]
l
arm
表示换流器单相桥臂电抗，
[0021]
l
dc
表示直流平波电抗，
[0022]
l
l
表示单条直流线路的总电感，
[0023]
λ表示故障位置，取值范围为0～100％。
[0024]
优选地，步骤3中所述非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程以下式表示，
[0025][0026]
式中：
[0027]
rf为短路过渡电阻，
[0028]icn
为非故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0029]udc
为柔性直流输电系统的故障前直流电压，
[0030]
t为时间；
[0031]cln
为非故障极线路t型等值模型的对地电容；
[0032]ucn
为非故障极线路电容的电压，参考正方向为线路指向大地；
[0033]
所述非故障极线路电容的二阶常系数微分方程以下式表示：
[0034][0035]
式中：
[0036]
rf为短路过渡电阻，
[0037]icn
为非故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0038]
t为时间，
[0039]cln
为非故障极线路t型等值模型的对地电容。
[0040]
优选地，步骤4中所述定解条件方程为：
[0041][0042]
式中：
[0043]
t0表示故障时刻；
[0044]
所述非故障极线路电容的短路电流为：
[0045][0046]
式中：
[0047][0048][0049]
优选地，步骤6中所述故障极和非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程如下式表示，
[0050][0051]
式中：
[0052]icp
表示故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0053]icn
表示非故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0054]
l
dc
表示直流平波电抗，
[0055]
t为时间，
[0056]rl
表示单条直流线路的总电阻，
[0057]
l
l
表示单条直流线路的总电感，
[0058]
rf表示短路过渡电阻，
[0059]udc
表示柔性直流输电系统的故障前直流电压，
[0060]cln
表示非故障极线路t型等值模型的对地电容。
[0061]
所述故障极和非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程以下式表示，
[0062][0063]
式中，
[0064]
l
dc
表示直流平波电抗，
[0065]icn
表示非故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0066]icp
表示故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0067]rl
表示单条直流线路的总电阻，
[0068]
rf表示短路过渡电阻，
[0069]
t为时间，
[0070]
l
l
表示单条直流线路的总电感。
[0071]
优选地，步骤7中所述定解条件方程以下式表示，
[0072][0073]
式中：
[0074]
t0表示故障时刻；
[0075]
所述故障极和非故障极线路电容的短路电流以下式表示，
[0076][0077]
式中，
[0078][0079][0080]
优选地，若为直流区内故障，步骤8中直流线路保护安装处的短路电流以下式表示，
[0081][0082]
式中：
[0083]ip1p
表示距故障点λ距离的故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路，
[0084]ip1n
表示距故障点λ距离的非故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路，
[0085]ip2p
表示距故障点(1-λ)距离的故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流
器流向线路，
[0086]ip2n
表示距故障点(1-λ)距离的非故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路，
[0087]idc
为故障前直流电流。
[0088]
优选地，若为直流区外故障，步骤8中直流线路保护安装处的短路电流以下式表示，
[0089][0090]
式中：
[0091]ip3p
表示远离故障点的故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路，
[0092]ip3n
表示远离故障点的非故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路，
[0093]ip4p
表示靠近故障点的故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路，
[0094]ip4n
表示靠近故障点的非故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路。
[0095]
本发明第二方面提供了一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算系统，包括：故障判断模块、直流区内故障等值模型建立模块、直流区内微分方程建立模块、直流区内定解条件方程建立模块、直流区外故障等值模型建立模块、直流区外微分方程建立模块、直流区外定解条件方程建立模块、短路电流计算模块，其特征在于：
[0096]
所述故障判断模块用于获取柔性直流输电系统的故障前直流电压和直流电流、故障位置和短路过渡电阻，并根据故障位置划分直流区内和直流区外故障；
[0097]
所述直流区内故障等值模型建立模块用于针对直流区内故障极的故障点两侧直流线路，分别建立一个t型等值模型，针对直流区内非故障极直流线路建立一个t型等值模型；计算非故障极线路电容至故障点的等值电感；
[0098]
所述直流区内微分方程建立模块用于建立非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程，求得非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程；
[0099]
所述直流区内定解条件方程建立模块用于建立定解条件方程，求解非故障极线路电容的短路电流；
[0100]
所述直流区外故障等值模型建立模块，用于针对直流区外故障极和非故障极直流线路分别建立一个t型等值模型；
[0101]
所述直流区外微分方程建立模块用于建立故障极和非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程，求得故障极和非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程；
[0102]
所述直流区外定解条件方程建立模块，求解故障极和非故障极线路电容的短路电流；
[0103]
所述短路电流计算模块用于计算直流线路保护安装处的短路电流。
[0104]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明技术方案不同于现有技术主要
集中在以架空线为输电线路的常规陆上柔性直流输电系统，未充分考虑海底直流电缆分布电容更大带来的特殊性，而是在区内和区外单极短路电流计算中充分考虑了海底电缆电容的放电回路，建立了更完善的故障解析模型。本发明的技术方案更贴合于实际工程，短路计算的精确度更高，能更好地为海上风电柔直系统的短路计算和继电保护研究提供支撑。
附图说明
[0105]
图1为本发明所述单极接地短路的计算方法流程图。
具体实施方式
[0106]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0107]
如图1所示，本发明提供一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算方法，包括有以下步骤：
[0108]
步骤1，获取柔性直流输电系统的故障前直流电压和直流电流、故障位置和短路过渡电阻，根据故障位置划分直流区内和区外故障：
[0109]
若故障位置在平波电抗器线路侧，则认为发生直流区内故障，进入步骤2；
[0110]
若故障位置在平波电抗器换流器侧，则认为发生直流区外故障，进入步骤5。
[0111]
步骤2，针对直流区内故障极的故障点两侧直流线路，分别建立一个t型等值模型，针对直流区内非故障极直流线路建立一个t型等值模型；计算非故障极线路电容至故障点的等值电感。
[0112]
在本发明一个优选但非限制性的实施方式中，非故障极线路电容至故障点的等值电感为：
[0113][0114]
式中：
[0115]
l1和l2分别为非故障极电容至故障点的两条回路的等值电感；
[0116]
l
arm
为换流器单相桥臂电抗；
[0117]
l
dc
为直流平波电抗；
[0118]
l
l
为单条直流线路的总电感；
[0119]
λ代表故障位置，取值范围为0～100％。
[0120]
步骤3，根据步骤2故障等值模型，建立非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程，求得非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程；
[0121]
所述非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程为：
[0122][0123]
式中：
[0124]
rf为短路过渡电阻；
[0125]icn
为非故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路；
[0126]udc
为柔性直流输电系统的故障前直流电压；
[0127]
t为时间；
[0128]cln
为非故障极线路t型等值模型的对地电容；
[0129]ucn
为非故障极线路电容的电压，参考正方向为线路指向大地。
[0130]
所述非故障极线路电容的二阶常系数微分方程为：
[0131][0132]
rf为短路过渡电阻，
[0133]icn
为非故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0134]
t为时间，
[0135]cln
为非故障极线路t型等值模型的对地电容。
[0136]
步骤4，建立定解条件方程，求解非故障极线路电容的短路电流；进入步骤8；
[0137]
所述定解条件方程为：
[0138][0139]
式中：
[0140]
t0为故障时刻。
[0141]
所述非故障极线路电容的短路电流为：
[0142][0143]
式中：
[0144][0145][0146]
步骤5，针对直流区外故障极和非故障极直流线路分别建立一个t型等值模型。
[0147]
步骤6，根据步骤5故障等值模型，建立故障极和非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程，求得故障极和非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程；
[0148]
所述故障极和非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程：
[0149][0150]
式中：
[0151]icp
表示故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0152]icn
表示非故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0153]
l
dc
表示直流平波电抗，
[0154]
t为时间，
[0155]rl
表示单条直流线路的总电阻，
[0156]
l
l
表示单条直流线路的总电感，
[0157]
rf表示短路过渡电阻，
[0158]udc
表示柔性直流输电系统的故障前直流电压，
[0159]cln
表示非故障极线路t型等值模型的对地电容。
[0160]
所述故障极和非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程为：
[0161][0162]
l
dc
表示直流平波电抗，
[0163]icn
表示非故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0164]icp
表示故障极线路电容的短路电流，参考正方向为大地流向线路，
[0165]rl
表示单条直流线路的总电阻，
[0166]
rf表示短路过渡电阻，
[0167]
t为时间，
[0168]
l
l
表示单条直流线路的总电感。
[0169]
步骤7，建立定解条件方程，求解故障极和非故障极线路电容的短路电流；
[0170]
定解条件方程为：
[0171][0172]
故障极和非故障极线路电容的短路电流为：
[0173][0174]
式中，
[0175][0176][0177]
步骤8，根据线路电容短路电流和故障前直流电流，计算直流线路保护安装处的短路电流。
[0178]
若为直流区内故障，直流线路保护安装处的短路电流为：
[0179][0180]
式中：
[0181]ip1p
和i
p1n
分别为距故障点λ距离的故障极和非故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路；
[0182]ip2p
和i
p2n
分别为距故障点(1-λ)距离的故障极和非故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路；
[0183]idc
为故障前直流电流。
[0184]
若为直流区外故障，直流线路保护安装处的短路电流为：
[0185][0186]
式中：
[0187]ip3p
和i
p3n
分别为远离故障点的故障极和非故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路；
[0188]ip4p
和i
p4n
分别为靠近故障点的故障极和非故障极保护安装处的短路电流，参考正方向为换流器流向线路。
[0189]
本发明的实施例2提供了一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算系统运行所述的一种海上风电柔直系统的单极接地短路计算方法，包括：故障判断模块、直流区内故障等值模型建立模块、直流区内微分方程建立模块、直流区内定解条件方程建立模块、直流区外故障等值模型建立模块、直流区外微分方程建立模块、直流区外定解条件方程建立模块、短路电流计算模块，其中：
[0190]
故障判断模块用于获取柔性直流输电系统的故障前直流电压和直流电流、故障位置和短路过渡电阻，并根据故障位置划分直流区内和直流区外故障；
[0191]
直流区内故障等值模型建立模块用于针对直流区内故障极的故障点两侧直流线路，分别建立一个t型等值模型，针对直流区内非故障极直流线路建立一个t型等值模型；计算非故障极线路电容至故障点的等值电感；
[0192]
直流区内微分方程建立模块用于建立非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程，求得非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程；
[0193]
直流区内定解条件方程建立模块用于建立定解条件方程，求解非故障极线路电容的短路电流；
[0194]
直流区外故障等值模型建立模块，用于针对直流区外故障极和非故障极直流线路分别建立一个t型等值模型；
[0195]
直流区外微分方程建立模块用于建立故障极和非故障极直流线路电容至故障点的放电回路方程，求得故障极和非故障极线路电容的短路电流的二阶常系数微分方程；
[0196]
直流区外定解条件方程建立模块，求解故障极和非故障极线路电容的短路电流；
[0197]
短路电流计算模块用于计算直流线路保护安装处的短路电流。
[0198]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，充分考虑海底直流电缆分布电容更大带来的特殊性，在区内和区外单极短路电流计算中充分考虑了海底电缆电容的放电回路，建立了更完善的故障解析模型。本发明的技术方案更贴合于实际工程，短路计算的精确度更高，能更好地为海上风电柔直系统的短路计算和继电保护研究提供支撑。
[0199]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为
了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。