一种柔性直流电网限流电抗器的优化配置方法

摘要

本发明涉及柔性直流电网技术领域，旨在提供一种柔性直流电网限流电抗器的优化配置方法。包括：将柔性直流电网进行保护分区，建立单个保护分区的故障近似解析模型，求解每台直流断路器的最大开断电流和各个限流电抗器取值之间的函数表达式；选取直流断路器最大开断电流的优化目标，并选取限流电抗器的合理取值范围；然后求解单个保护分区内满足需求的优化取值集合；结合限流电抗器的总取值上限和直流断路器总开断容量，从各个保护分区中的优化取值集合中选取整体最优配置方案。本发明在保证限流电抗器总取值不超过上限的前提下，选择使直流断路器总容量最小的配置方案作为最优配置方案，能在提高柔直电网运行可靠性的同时，降低保护设备成本。

说明书

技术领域

本发明涉及柔性直流电网技术领域，具体涉及柔直电网中限流电抗器的优化配置方法。

背景技术

模块化多电平换流器MMC凭借谐波含量少、开关频率低、可靠性高等优势已经在柔性直流工程中广泛应用，随着柔性直流输电技术的不断成熟，构建柔性直流电网已经逐渐成为当前电力工业界新的发展方向。然而柔性直流电网具有低阻尼特性，导致直流故障发展速度快、波及范围广，严重威胁系统的安全可靠运行。保证柔性直流电网在故障下的生存能力，是当前的一个关键技术难点。

为了保证柔性直流电网在故障发生后仍具备功率送出能力，应在线路两侧配置直流断路器；当故障发生时切除故障线路，电网非故障部分可维持正常运行。然而该方案会导致直流断路器开断容量过大，成本过高，对构建柔性直流电网造成了较大的经济压力。为了抑制故障电流，降低直流断路器成本，当前柔性直流电网工程在输电线路两侧配置一定的限流电抗器，抑制故障电流。

然而在现有工程中，所配置限流电抗器并未考虑MMC换流站、输电线路等不同参数，而是采用简单的平均分配；这导致柔性直流电网中的全局限流效果并未达到最优，因此直流断路器总成本仍有优化空间。而目前关于柔性直流电网中限流电抗器的优化配置缺少可靠、有效的理论方法。仅靠基于电磁暂态仿真进行优化配置需要花费大量时间，效率过低，无法保证得到全局最优结果。因此，考虑到未来构建多端直流电网的需求，研究限流电抗器的优化配置策略具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种柔性直流电网限流电抗器的优化配置方法。

为解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：

提供一种柔性直流电网限流电抗器的优化配置方法，包括：

(1)根据换流站和输电线路空间位置，将柔性直流电网进行保护分区；每个保护分区包含单个换流站、若干个限流电抗器和直流断路器，其中限流电抗器和直流断路器的数量与该换流站所连输电线路数量相同；

(2)建立单个保护分区的故障近似解析模型，求解该分区内每台直流断路器的最大开断电流和各个限流电抗器取值之间的函数表达式；

(3)根据直流断路器所使用的IGBT通流能力，选取直流断路器最大开断电流的优化目标，并选取限流电抗器的合理取值范围；然后基于各直流断路器最大开断电流和各限流电抗之间的函数表达式，求解单个保护分区内满足需求的多个限流电抗器优化取值集合；

(4)结合柔性直流电网中限流电抗器的总取值上限和直流断路器总开断容量，从各个保护分区中的优化取值集合中选取柔直电网整体最优配置方案。

发明原理描述：

在本发明所建立的单个保护分区的故障近似解析模型中，分区内换流站等效为二阶放电电路，由等效电容、等效电感和等效电阻串联构成，分区外换流站等效为电压源串联电感模型，由于输电线路阻抗主要为电抗，因此用等效电抗代替，分区外限流电抗器取值视为定值，并基于该模型求解单个分区内每台直流断路器开断电流与分区内限流电抗器的解析数学表达式。

基于直流断路器的成本主要由IGBT器件构成，本发明提出的考虑IGBT通流能力约束的限流电抗器优化配置方法中，以IGBT通流能力的整数倍(4～6倍)作为直流断路器开断容量目标，实际开断电流应尽量贴近其开断容量，保证IGBT通流能力得到最大化利用，同时在单端换流站中根据此目标选取限流电抗器的合理取值范围作为边界条件。

本发明提出的柔性直流电网限流电抗器最优配置方法，是基于上述过程中得到的每个保护分区内的最优配置方案后，经过迭代和多分区累加得到，具体方法如下：柔性直流电网分解为若干个保护分区，每个保护分区内包括多个限流电抗器最优配置方案，则设定整个柔直电网内限流电抗器总取值上限，在每个保护分区内的方案中任选一种，并将各分区所选方案的限流电抗器总取值和直流断路器总容量相加，经过迭代共可以得到若干种柔直电网限流电抗器配置方案。在保证限流电抗器总取值不超过上限的前提下，选择使得直流断路器总容量最小的配置方案作为最终的柔性直流电网限流电抗器最优配置方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在保证限流电抗器总取值不超过上限的前提下，选择使得直流断路器总容量最小的配置方案作为最终的柔性直流电网限流电抗器最优配置方案。

2、本发明能在提高柔直电网运行可靠性的同时，降低保护设备成本。

附图说明

图1是基于MMC的四端柔性直流电网及其保护分区示意图。

图2是本发明提出的考虑IGBT通流能力约束的限流电抗器优化配置方法流程图。

图3是单个保护分区的故障近似等效模型。

图4是单个保护分区内单台直流断路器开断电流与多个限流电抗器取值之间的数学关系示意图。

图5是单个保护分区内保证各台直流断路器开断容量最大化利用下得到的分区内限流电抗器取值集合示意图。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及数据库技术，是计算机技术在信息安全技术领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：故障近似解析模型等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统的一部分及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明所提供的柔性直流电网限流电抗器的优化配置方法，包括以下步骤：

(1)根据换流站和输电线路空间位置，将柔性直流电网进行保护分区；每个保护分区包含单个换流站、若干个限流电抗器和直流断路器，其中限流电抗器和直流断路器的数量与该换流站所连输电线路数量相同；

(2)建立单个保护分区的故障近似解析模型，求解该分区内每台直流断路器的最大开断电流和各个限流电抗器取值之间的数学表达式；具体包括：

(2.1)设定柔性直流电网的系统参数，包括换流站参数、变压器参数及线路参数；

(2.2)对单个保护分区，以其中单台直流断路器为分析对象，当该直流断路器所在线路近端发生直流故障时，将分区内的换流站等效为二阶放电电路，分区外与该换流站相连的其他换流站等效为直流源串联等效电感模型；

(2.3)将分区内限流电抗器作为变量，分区外限流电抗器视为定值，求解该直流断路器的最大开断电流I

求解直流断路器的最大开断电流时，数学表达式如下所示：

其中，

在上述各式中，将位于该分区内的换流站命名为近端换流站，位于该分区外且与近端换流站经过一条线路相连的换流站命名为邻端换流站；则t表示自变量时间，U

(2.4)重复上述步骤，对第i个保护分区求得N

(3)根据直流断路器所使用的IGBT通流能力，选取直流断路器最大开断电流的优化目标，并选取限流电抗器的合理取值范围；

优化目标定义如下：设换流站和直流断路器中的IGBT器件额定电流为II

然后基于各直流断路器最大开断电流和各限流电抗之间的函数表达式，求解单个保护分区内满足需求的多个限流电抗器优化取值集合；具体包括以下步骤；

(3.1)选取第i个保护分区，根据直流断路器实际工况选取故障电流开断时间，基于该分区内N

(3.2)基于已经设定的3个优化目标，从计算结果中求得满足目标的限流电抗器取值集合，分别表示为L

(3.3)从单台断路器对应的3组集合中任选一组，共N

(3.4)基于步骤(3.3)得到的3^N

(3.5)将步骤(3.4)中3^N

(4)结合柔性直流电网中限流电抗器的总取值上限和直流断路器总开断容量，从各个保护分区中的优化取值集合中选取柔直电网整体最优配置方案；具体包括：

(4.1)设定柔性直流电网中限流电抗器的总取值上限，从每个保护分区中的2N

(4.2)重复步骤(4.1)的过程，直至对每个保护分区内的每个优化配置方案迭代完毕，得到柔性直流电网中的限流电抗器优化配置方案，共

(4.3)从所有方案中选取限流电抗器总取值不超过上限且直流断路器总开断容量最小的方案，作为当前柔性直流电网的限流电抗器最优配置方案。

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

以图1所示的基于MMC的四端柔性直流电网作为具体实施例1，结合图2所示流程图对本发明提出的考虑IGBT通流能力约束的限流电抗器优化配置方法的具体步骤。

如图1所示，基于MMC换流站和输电线路空间位置将柔直电网分为4个保护分区，其中每个分区包括1个换流站和2部分输电线路，每部分输电线路上均需要配置1个限流电抗器和1台直流断路器。

以保护分区1中求解DCCB1的开断电流为例，建立故障近似解析模型如图3所示，DCCB1的开断电流由MMC1和MMC3两个换流站共同馈入，其中保护分区1内的换流站MMC1用二阶RLC等效电路代替，保护分区1外的换流站MMC3用电压源串联等效电抗模型代替，输电线路参数用等效电抗代替。针对图3所示的近似模型，可以求得DCCB1开断电流的解析数学表达式。重复上述步骤，可以求得柔直电网中其余直流断路器开断电流的解析数学表达式。

设定柔直电网参数，包括换流站参数、输电线路参数等，如表1所示。

设柔直电网中使用了ABB公司的4.5kV3kA IGBT产品，其额定电流为3kA，则将直流断路器开断电流的优化目标为12kA、15kA和18kA。以保护分区1为例，其中包含2台直流断路器DCCB1和DCCB8、2个限流电抗器Ldc1和Ldc8，设故障电流开断时间为6ms，即故障发生后6ms时刻直流断路器开始切断故障电流，则基于已经求得的直流断路器开断电流解析表达式，为保护分区中的2个限流电抗器Ldc1和Ldc8，使得DCCB1和DCCB8开断电流恰好不超过优化目标12kA、15kA和18kA。由于采用解析表达式迭代，该过程不会花费过长时间。迭代完毕后可以得到如图4所示的示意图，其中每条曲线都代表DCCB1或DCCB8开断电流恰好不超过某个优化目标时的Ldc1和Ldc8取值集合。

如图4所示，其中不同曲线存在交点，而每个交点都代表一组能够使得保护分区1内DCCB1和DCCB8开断电流满足目标，即保护分区1内的限流电抗器优化取值集合共有9组，且这9组集合对应的直流断路器总开断容量范围是24kA～36kA，中间以3kA为单位，共5种总开断容量。对于每种总开断容量，计算对应的限流电抗器取值集合所需要用到的总电抗值，对选取所需电抗最小的一组作为最优取值，最后可以得到保护分区1内的5组限流电抗器最优取值，分别对应24kA～36kA的直流断路器总开断容量，具体取值结果如表2所示。

在得到上述9组限流电抗器优化配置集合后，根据不同集合对应的DCCB总开断容量，可以将保护分区1内的DCCB总开断容量具体分为2台18kA、1台18kA+1台15kA、2台15kA、1台18kA+1台12kA、1台15kA+1台12kA、2台12kA共5种情形，从每种情形对应的限流电抗器集合中选取需要总取值最小的一种，最后即可得到5组适用于保护分区1的限流电抗器最优配置集合，如表3所示。

对其他保护分区重复上述操作，由于在四端柔直电网中，每个保护分区均包含1个换流站、2台直流断路器和2个限流电抗器，故与保护分区1类似，其他保护分区也均存在5组最优取值。

基于4个保护分区的5组限流电抗器最优取值，从每个保护分区的最优取值集合中任选一种，计算对应的柔直电网中限流电抗器总取值和直流断路器总开断容量，并对各保护分区所选的集合进行迭代，共存在625种柔直电网限流电抗器配置方案。设定柔直电网种允许的总限流电抗器取值上限为1200mH，则由计算机从这625种方案种选出所用限流电抗器总取值不超过上限且直流断路器总开断容量最小的方案，作为柔性直流电网中的限流电抗器最优配置方案。