一种基频调制电流源换流器直流短路保护的制作方法

1.本发明涉及一种基频调制电流源换流器直流短路保护算法，属于电力电子技术领域。


背景技术：

2.我国风电资源规模巨大，大规模开发海上风电能够解决我国资源和负荷中心分布不均的问题。随着海上风电输送距离和规模的不断增加，以直流形式输送风电的占比将越来越高。ffm-csc作为一种新型电流源型换流器，使用全控型器件igct，能够解决传统直流工程的换相失败及无功消耗问题，其体积小、能够保持单位功率因数运行、具有黑启动能力，在海上风电领域拥有巨大的应用潜力。
3.目前针对ffm-csc换流站的直流故障特性及保护缺乏相应研究，缺乏系统参数设计和保护整定的依据。为此本文针对ffm-csc短路特性进行研究，推导过电流数学表达式，定量描述故障电流发展过程，基于短路电流特点提出基于单端电流测量值的保护算法，为ffm-csc 直流输电系统短路故障保护提供新思路。


技术实现要素：

4.本发明解决针对现有ffm-csc输电系统保护不足，设计了一种基频调制电流源换流器直流短路保护，定量描述ffm-csc换流站直流侧短路过程，提出保护算法，可靠迅速地进行故障保护。
5.本发明针对的拓扑统采用对称双极12脉动换流器拓扑，负极拓扑与正极对称，均采用 igct作为电力电子开关器件。各桥臂开关器件在工频周期内仅开关一次，每次导通120
°
电角度，随后自主关断。12脉动ffm-csc换流器分为高低压阀，由2个6脉动换流器在交流出口并联，直流出口串联构成。本发明相应提出了上述拓扑的短路过电流计算方法和基于单端电气量检测的故障监测算法。
6.1.故障等效电路。igct换相过程极短，任意时刻换流站中6条桥臂只有1/3导通构成通路。故障发展阶段，两侧换流站均通过导通的桥臂向短路点馈入故障能量，短路电流是滤波电容cf放电电流与交流侧短路电流的叠加。忽略故障后的换相过程以及控制系统的影响，基于电流通路建立故障等效电路。
7.2.故障实用电路。基于故障等效电路动态元件过多，且具有复杂的线路拓扑，无法得到满意的解析解。针对换流站中性点不接地特点对拓扑简化，得到故障实用计算电路。新电路中动态元件个数减少，电路拓扑得到简化。
8.3.过电流时域表达式。基于故障实用电路，针对故障电气量列写微分方程组，化简时域表达式，求解得到故障电流时域表达式。
9.4.故障识别指标。基于pscad/emtdc软件仿真和过电流数学表达式，定量分析影响故障电流发展的相关因素，总结短路故障特点。基于直流输电系统区内和区外故障的参数特征，选取故障电流分量的变化率和积分值作为判断指标。
10.5.故障保护算法。基于区内外故障判断指标的区别确定保护整定值，基于电流变化率和积分值设计保护算法。首先提取单端电流测量值故障分量，计算故障分量变化率，满足整定要求后计算其积分值，2个阈值均满足后判断为区内故障。基于硬件实现故障保护识别，运算耗时小于20μs。
附图说明
11.图1是ffm-csc直流系统正极拓扑。
12.图2是故障分量等效电路。
13.图3是实用故障等效电路。
14.图4是故障等效示意图。
15.图5为直流线路单端保护流程(摘要附图)。
16.图6为区内外短路仿真结果对比。
17.图7为电流变化率仿真结果对比。
18.图8为电流累计值仿真结果对比。
具体实施方式
19.本发明提供一种基频调制电流源换流器直流短路保护；下面将对本发明做进一步详细的说明。
20.1.拓扑结构
21.本发明研究的ffm-csc直流系统采用对称双极12脉动换流器拓扑，其正极拓扑如图1 所示，负极拓扑与正极对称，均采用igct作为开关器件。各桥臂开关器件在工频周期内仅开关一次，每次导通120
°
电角度，随后自主关断。12脉动ffm-csc换流器分为高低压阀，由2个6脉动换流器在交流出口并联，直流出口串联构成。换流站交流出口首先并联滤波电容cf，接着与滤波电感lf串联，最后经过高低压阀各自的换流变压器接入交流系统。直流线路两端为测量单元r和i，基于线路电流变化实现故障检测和分区，保护本端设备。
22.2.故障电流通路
23.以直流线路正极接地短路为例进行分析，不失一般性，假设故障发生瞬间高压阀1，2桥臂导通，低压阀2，3桥臂导通，故障分量等效电路如图2所示。
24.短路故障前系统处于稳定状态，直流电压电流为已知量。将故障分量拓扑视为动态元件零状态下换流站直流线路叠加负的电压源e
dc
，其数值与故障前直流电压u
dc
相等。电气量 i
h,if
、i
ch,if
、u
ch,if
分别对应高压阀j相交流电流、电容电流以及电容电压的故障分量。i
l,if
、i
cl,if
、 u
cl,if
分别对应低压阀j相交流电流、电容电流以及电容电压的故障分量。i
dcf
直流电流故障分量。
25.考虑到换流变压器阀侧以及滤波电容中性点均不接地，可以得图2中电压满足：
26.[0027][0028]
基于图2拓扑可列高低压阀微分方程组：
[0029][0030]
由上述公式(1)、(2)、(3)可得到：
[0031][0032]
公式(4)说明，当换流阀相上下桥臂电力电子开关均关断，则该相电感、电阻和电容器串联电压为0，可用导线代替，如图3所示，拓扑得到化简。
[0033]
3.时域表达式
[0034]
基于图3所示实用故障等效电路，可列写微分方程组：
[0035][0036]
忽略线路电阻，求解公式(5)可得过电流时域表达式：
[0037][0038]
公式(6)中
[0039]
4.故障识别算法
[0040]
直流系统区内故障为直流线路短路，区外故障为交流侧短路，为避开最严重区外故障，以换流站交流出口三相金属性短路为例确定电流保护阈值。如图4所示，故障f1-f4为不同位置和过渡电阻下的直流线路故障，f5、f6为换流站交流出口金属性故障。规定测量单元的测量正方向为稳态运行时的电流方向。
[0041]
发生区内故障，整流站经过相应桥臂向故障点馈入过电流，故障电流受到单端直流线路平波电感的抑制，故障分量与正方向极性一致，电流变化规律与式(6)相同。同理逆变站馈入过电流，故障电流受到单端直流线路平波电感的抑制，故障分量与正方向极性相反，电流变化规律与公式(6)相同。
[0042]
发生区外故障。f5处故障，整流站直流母线电压迅速下跌，流经测量元件的电流随之降低，故障过程电流突变量为负，过电流受到线路两侧平波电感的抑制。故障f6发生后，逆变站直流母线电压迅速下跌，流经保护元件的电流随之增加，故障过程电流突变量为正，同时过电流受到线路两侧平波电感的抑制。对于区外短路故障，保护r和i的监测数据几乎一致。相比区内短路故障，区外发生短路故障，故障发展受到额外平波电感的阻碍，可根据电流变化量和故障电流累加值，判断是否满足阈值实现故障分区。
[0043]
由于电流突变量会受到过渡电阻和故障位置的影响并且过渡电阻值和故障点无法提前确定，出于保护可靠性考虑，根据理论值适当降低保护启动阈值。基于直流输电系统区内区外故障特点，结合公式(6)，区内故障的线路电流的变化率和积分值大于区外最严重故障，通过比较过电流指标的正负和大小可以保证区外故障时不误动。整定值设为：
[0044][0045]
本文设计了如图5所示的ffm-csc直流工程保护方法。系统稳定运行状态下直流电流基本不变，电流变化率保持在零附近。系统在功率转移情况下，电流变化率不会超过数十千安每秒，不足以触发区内保护。若实时监测数据计算电流变化率达到整定值，说明电流数据异常；首先判断变化率极性，满足后启动积分单元；对过电流到0.5ms内数据减去额定值再积分，排除噪声干扰；然后根据计算结果判断是否是区内故障，如果为区内故障，保护单元发出相关保护信号，换流站移相消耗故障能量，同时交流侧断路器跳闸。
[0046]
为了验证本技术提出的保护算法的有效性，搭建了图1所示的模块复用型电能路由器的系统仿真模型。系统参数如表1所示。
[0047]
表1仿真系统参数
[0048][0049]
图6是不同故障位置发生短路故障后整流站保护单元r测得的直流电流，故障时刻为1s，图中k表示短路点到整流站出口的距离占线路全长比例。故障f1-f4为直流线路故障、f5为整流站交流侧故障，f6为逆变站交流侧故障。
[0050]
图7为电流变化率的处理结果，由公式(6)计算得到整定值δ1为415ka/s。直流线路区内故障，电流变化率瞬间增长达到最大值，其值远大于整定值δ1，由于整流站出口平波电感作用，故障位置及过渡电阻对电流指标的影响可忽略不计。区外近端故障，故障电流变化率明显小于整定值，能够避开最严重区外故障，实现故障分区。
[0051]
满足电流变化率判定后，保护元件对故障数据累加求和，计算电流积分量，经过5个采样周期可判断是否是区内故障。由图8可以看到，即使区外近端发生短路故障，其积分值依然小于区内故障，依旧能够有效区分故障。
[0052]
鉴于直流系统保护速动性要求，使用dsp芯片实现电流变化率及积分量算法。算法数据处理仅涉及数据加减和乘法指令，其保护判断所用时间在50us之内，保护所需数据采集时长为500us，满足数据处理的实时性要求。在区内故障f1-f4发生第0.7ms，电流突变量满足整定要求，系统识别到故障，保护启动。f5-f6由于发生在区外，电流变化率始终未满足整定值δ1，不会导致保护误动。体现本文保护准确性和速动性。