技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种提高双端弱系统电流差动保护灵敏度的换流器控制方法及系统。
相关背景技术
[0002] 随着电力电子技术的发展，新能源电源经柔性直流输电送出方式是未来沙戈荒新能源、深远海风电发展的趋势之一。经柔性直流输电送出的新能源电源交流送出系统两端均为电力电子设备，交流送出线路发生故障后，故障电流完全由两侧电力电子换流器提供，短路容量相对较小，该系统呈现出一种典型的双端弱馈系统特征。
[0003] 当交流送出线路发生短路故障时，线路两侧电流幅值、相位受控，可能导致线路电流差动保护差动电流较小、制动电流较大，进而造成电流差动保护灵敏度降低。双端弱系统线路区内故障时电流差动保护拒动风险增加，本质是由于两侧换流器控制之间的不配合引起的，因此亟需研究提高双端弱系统线路电流差动保护灵敏度的换流器控制方法，提升新能源电源交流送出线路故障识别能力。
具体实施方式
[0083] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0084] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0085] 经柔性直流输电送出的新能源电源交流送出线路系统图如图1所示，300MW的新能源电源通过升压变压器升压后经交流送出线路汇集至送端柔性直流换流站，然后经直流输电线路连接至受端柔性直流换流站，随后逆变并入受端交流电网。新能源并网换流器和送端柔性直流换流站故障期间采取负序电流抑制和正序电流限流策略进行故障穿越。
[0086] 如图2所示，本发明中提高双端弱系统电流差动保护灵敏度的换流器控制方法，包括以下步骤：
[0087] 步骤一、进行交流送出线路单相接地或者两相相间故障识别；
[0088] 除了永久性故障，还存在瞬时性故障，即当交流送出线路发生瞬时性单相接地或者两相相间故障时，由于线路上故障点处几乎没有明显的故障电流流过，且经过一段时间后故障消失，为提高供电可靠性，此时线路差动保护不需要动作。
[0089] 所述线路上发生永久性故障的判断依据为：
[0090] U‑≥0.1pu，且T故障≥100ms； (1)
[0091] 式中，U‑为新能源并网换流器并网点处测得负序电压；T故障为故障持续时间。
[0092] 步骤二、当交流送出线路发生永久性故障时，新能源并网换流器执行控制策略切换，将新能源电源并网换流器由抑制负序电流控制策略切换为注入负序电流控制策略；
[0093] 所述新能源并网换流器切换为注入负序电流控制策略，为了使线路两侧流过的故障电流相位近似相等，提高差动保护灵敏度，注入负序电流控制策略的设计过程为：
[0094] 新能源并网换流器通常采用双电流环解耦控制，换流器交流侧并网点的三相负序‑ ‑ ‑电压ua、ub和uc如下式所示：
[0095]
[0096] 上式中，ω为工频旋转角频率，t为时间，θu+为换流器交流侧并网点正序电压相位，‑ ‑其中，uq和ud为三相负序电压在角频率为‑ω的两相旋转坐标系下q轴和
d轴电压；
[0097] 规定电流由电网流入换流器方向为正方向(如图1所示)，则换流器交流侧输出负‑序电流iφ 如下式所示：
[0098]
[0099] 上式中，I‑为负序电流幅值， 其中，iq‑和id‑为三相负序电流在角频率为‑ω的两相旋转坐标系下q轴和d轴电流；
[0100] 此外，I‑的取值需要保证换流器输出总电流不越限，则负序电流幅值I‑按照下式取值：
[0101] I‑≤Imax‑I+ (4)
[0102] 式中，I+为正序电流幅值；Imax为换流器输出电流幅值上限，一般取额定电流的1.2倍；
[0103] 由式(2)和(3)可得换流器对外部表现出的负序阻抗ZIBS‑如下式所示：
[0104]
[0105] 则换流器对外部表现出的负序阻抗角arg(ZIBS‑)如下式所示；
[0106]
[0107] 进一步推导可得下式：
[0108]
[0109] 线路发生短路故障时，线路两侧电流相位越接近，电流差动保护的性能越好，因此为了尽可能提升电流差动保护的性能，应该使交流送出线路两侧短路电流相位尽可能接‑ ‑ ‑近，令负序阻抗角arg(ZIBS)等于线路阻抗角 可得iq 和id 如下式所示：
[0110]
[0111] 由此可得，iq‑和id‑参考值iq‑ref‑和id‑ref‑如下式所示：
[0112]
[0113] 首先推导出新能源并网换流器交流侧并网点的电压电流表达式，进而计算出换流器对外表现出的负序阻抗角，最后求得使换流器负序阻抗角等于线路阻抗角的输出负序电流参考值。计算出的负序电流参考值可以用于电流差动保护，提高故障检测的准确性，快速定位故障并采取保护措施。
[0114] 步骤三、判断是否满足电流差动保护动作判据，来确定故障是否发生在保护区域内部，并对确定的区内故障执行差动保护动作，对区外故障差动保护不动作。
[0115] 采用线路两侧的电流相量计算差动电流和制动电流，得到采用两折线的差动保护动作判据，以A相为例，具体为：
[0116]
[0117] 式中，Id‑A为A相差动电流；Ir‑A为A相制动电流；ICD为差动保护启动电流，Kr为比率制动系数，B相、C相差动电流和制动电流也有类似的关系。当满足上述动作判据时，差动保护就可以动作了。
[0118] 应用所提新能源电源换流器控制方法后，新能源电源经柔直送出的双端弱系统交流送出线路发生单相接地或者两相相间故障时能够形成故障回路，故障点有故障电流流过，从而提升送出线路电流差动保护差动电流、降低制动电流，保证送出线路区内故障时电流差动保护可靠动作，显著提升新能源电源交流送出线路故障识别能力。该方法克服了经柔性直流输电送出的新能源电源交流送出线路这类双端弱系统中传统电流差动保护灵敏度低、保护可能存在区内故障拒动的问题，该方法仅需修改换流器控制算法即可提高电流差动保护的性能，改造成本低，具有较强的实际工程应用价值。
[0119] 当图1中交流送出线路f1处发生A相接地故障时，如图3所示，新能源电源并网换流器采用原本的抑制负序电流控制策略的复合序网图：在图3中，α为故障位置，Rg为接地过渡电阻， 为柔直换流站的A相等效电压源， 为故障点流入地的A相正序电流， 为新+能源电源侧保护安装处的A相负序电流， 为柔直侧保护安装处的A相负序电流，ZRE‑T 、‑ 0 + ‑ 0
ZRE‑T和ZRE‑T分别为新能源电源升压变压器的正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗，ZL、ZL和ZL+ ‑ 0
分别为交流送出线路的正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗，ZM‑T、ZM‑T和ZM‑T 分别为柔直换流站升压变压器的正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗。由于负序网络两侧均为开路，因此 理论上为零，这导致电流差动保护中的差动电流Id为零，而制动电流Ir为线路两侧中任意一侧流过电流幅值的两倍，这导致区内故障时电流差动保护拒动。
[0120] 具体地，当新能源并网换流器采用原本的抑制负序电流控制策略时，电流差动保护中的A相差动电流Id‑A和A相制动电流Ir‑A随时间变化趋势如图7所示：
[0121] A相、B相和C相差动电流Id‑A和制动电流Ir‑A的计算公式为：
[0122]
[0123]
[0124]
[0125] 由图7可见，在故障后的稳态阶段，A相差动电流Id‑A的值为0.005kA，制动系数乘以A相制动电流kIr‑A的值为2.02kA，可见Id‑A小于kIr‑A。由于此时故障点不流过故障电流，因此线路两侧流过的电流为穿越性电流，导致制动电流较大，差动电流几乎为零。
[0126] 电流差动保护的A相、B相和C相灵敏度Ksen‑A、Ksen‑B和Ksen‑C计算方法如下式所示：
[0127]
[0128] 因此，电流差动保护A相灵敏度Ksen‑A为0.003，该值小于1，电流差动保护存在很大的拒动风险。
[0129] 当图1中交流送出线路f1处发生A相接地故障时，新能源并网换流器切换为注入负序电流控制策略，即按照公式(9)修改负序控制框图，复合序网图如图4所示：
[0130] 图中，α为故障位置，Rg为接地过渡电阻， 为柔直换流站的A相等效电压源，为故障点流入地的A相正序电流， 为新能源电源侧保护安装处的A相负序电流， 为+ ‑ 0柔直侧保护安装处的A相负序电流，ZRE‑T 、ZRE‑T和ZRE‑T分别为新能源电源升压变压器的正+ ‑ 0
序阻抗、负序阻抗和零序阻抗，ZL、ZL和ZL分别为交流送出线路的正序阻抗、负序阻抗和零+ ‑ 0
序阻抗，ZM‑T、ZM‑T和ZM‑T分别为柔直换流站升压变压器的正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗；
‑ ‑
ZRE 为新能源并网换流器等效负序阻抗，ZRE阻抗角设定为线路阻抗角，与其他元件的负序阻抗角相近。由于负序网络中新能源电源侧不再开路，有负序电流流过，因此 不为零，电流差动保护中的差动电流Id不再为零，而是等于 区内故障时电流差动保护可靠动作。
[0131] 具体地，当新能源并网换流器采用提高双端弱系统电流差动保护灵敏度的换流器控制方法，电流差动保护中的A相差动电流Id‑A和A相制动电流Ir‑A随时间变化趋势如图8所示。
[0132] 由图8可见，在故障后的稳态阶段，A相差动电流Id‑A的值为3.26kA，制动系数乘以A相制动电流kIr‑A的值为1.78kA，可见Id‑A大于kIr‑A。电流差动保护A相灵敏度Ksen‑A为1.83，该值大于1，因此电流差动保护能够正确动作。
[0133] 当图1中交流送出线路f1处发生BC两相短路故障时，新能源并网换流器采用原本的抑制负序电流控制策略时，复合序网图如图5所示：图中，Rph为相间过渡电阻。由于负序网络两侧均为开路，因此 理论上为零，这导致电流差动保护中的差动电流Id为零，而制动电流Ir为线路两侧中任意一侧流过电流幅值的两倍，这导致区内故障时电流差动保护拒动。
[0134] 电流差动保护中的B相差动电流Id‑B和B相制动电流Ir‑B随时间变化趋势如图9所示，在故障后的稳态阶段，B相差动电流Id‑B的值为0.008kA，制动系数乘以B相制动电流Ir‑B的值为1.98kA，可见Id‑B小于kIr‑B。电流差动保护B相灵敏度Ksen‑B为0.004，该值小于1，因此电流差动保护存在很大的拒动风险。
[0135] 当图1中交流送出线路f1处发生BC两相短路故障时，新能源并网换流器切换为注入负序电流控制策略，即按照公示(9)修改负序控制框图时，复合序网图如图6所示：由于负‑序网络中新能源侧为通路，ZRE阻抗角为线路阻抗角，与其他元件的负序阻抗角相近，因此不为零，电流差动保护中的差动电流Id不再为零，而是等于 区内故障时电流差
动保护可靠动作。
[0136] 电流差动保护中的B相差动电流Id‑B和B相制动电流Ir‑B随时间变化趋势如图10所示，在故障后的稳态阶段，B相差动电流Id‑B的值为2.39kA，制动系数乘以B相制动电流kIr‑B的值为0.87kA，可见Id‑B大于kIr‑B。电流差动保护B相灵敏度Ksen‑B为2.75，该值大于1，因此电流差动保护能够正确动作。
[0137] 本发明还提供了一种提高双端弱系统电流差动保护灵敏度的换流器控制系统，包括：
[0138] 故障识别模块：进行交流送出线路单相接地或者两相相间故障识别；
[0139] 控制策略切换模块：当交流送出线路发生永久性故障时，新能源并网换流器执行控制策略切换，将新能源电源并网换流器由抑制负序电流控制策略切换为注入负序电流控制策略；
[0140] 差动保护动作执行模块：判断是否满足电流差动保护动作判据，来确定故障是否发生在保护区域内部，并对确定的区内故障执行差动保护动作，对区外故障差动保护不动作。
[0141] 另外，在所述故障识别模块中，当交流送出线路发生瞬时性单相接地或者两相相间故障时，由于线路上故障点处几乎没有明显的故障电流流过，且经过一段时间后故障消失，为提高供电可靠性，此时不需要线路差动保护动作。
[0142] 本方案中，所述线路上发生永久性故障的判断依据为：
[0143] U‑≥0.1pu，且T故障≥100ms； (1)
[0144] 式中，U‑为新能源并网换流器并网点处测得负序电压；T故障为故障持续时间。
[0145] 在优选方案中，所述新能源并网换流器切换为注入负序电流控制策略，为了使线路两侧流过的故障电流相位近似相等，提高差动保护灵敏度，注入负序电流控制策略的设计过程为：
[0146] 新能源并网换流器通常采用双电流环解耦控制，换流器交流侧并网点的三相负序‑ ‑ ‑电压ua、ub和uc如下式所示：
[0147]
[0148] 式中，ω为工频旋转角频率，t为时间，θu+为换流器交流侧并网点正序电压相位，‑ ‑其中，uq和ud为三相负序电压在角频率为‑ω的两相旋转坐标系下q轴和
d轴电压；
[0149] 电流由电网流入换流器方向为正方向(如图1所示)，则换流器交流侧输出负序电‑流iφ 如下式所示：
[0150]‑ ‑ ‑
[0151] 式中，I 为负序电流幅值， 其中，iq 和id为三相负序电流在角频率为‑ω的两相旋转坐标系下q轴和d轴电流；
[0152] 此外，I‑的取值需要保证换流器输出总电流不越限，则负序电流幅值I‑按照下式取值：
[0153] I‑≤Imax‑I+ (4)
[0154] 式中，I+为正序电流幅值；Imax为换流器输出电流幅值上限，一般取额定电流的1.2倍；
[0155] 由式(2)和(3)可得换流器对外部表现出的负序阻抗ZIBS‑如下式所示：
[0156]
[0157] 则换流器对外部表现出的负序阻抗角arg(ZIBS‑)如下式所示；
[0158]
[0159] 进一步推导可得下式：
[0160]
[0161] 线路发生短路故障时，线路两侧电流相位越接近，电流差动保护的性能越好，因此为了尽可能提升电流差动保护的性能，应该使交流送出线路两侧短路电流相位尽可能接‑ ‑ ‑近，令负序阻抗角arg(ZIBS)等于线路阻抗角 可得iq和id如下式所示：
[0162]
[0163] 由此可得，iq‑和id‑参考值iq‑ref‑和id‑ref‑如下式所示：
[0164]
[0165] 首先推导出新能源并网换流器交流侧并网点的电压电流表达式，进而计算出换流器对外表现出的负序阻抗角，最后求得使换流器负序阻抗角等于线路阻抗角的输出负序电流参考值。计算出的负序电流参考值可以用于电流差动保护，提高故障检测的准确性，快速定位故障并采取保护措施。
[0166] 采用线路两侧的电流相量计算差动电流和制动电流，得到采用两折线的差动保护动作判据，以A相为例，具体为：
[0167]
[0168] 式中，Id‑A为A相差动电流；Ir‑A为A相制动电流；ICD为差动保护启动电流，Kr为比率制动系数，B相、C相差动电流和制动电流也有类似的关系。当满足上述动作判据时，差动保护就可以动作了。
[0169] 本发明还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：处理器和存储器；所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行换流器控制方法的步骤，该步骤包括进行交流送出线路单相接地或者两相相间故障识别；当交流送出线路发生永久性故障时，新能源并网换流器执行控制策略切换，将新能源电源并网换流器由抑制负序电流控制策略切换为注入负序电流控制策略；判断是否满足电流差动保护动作判据，来确定故障是否发生在保护区域内部，并对确定的区内故障执行差动保护动作。本发明中换流器控制方法使得新能源电源交流送出线路发生短路故障时能够形成故障回路，进而使得故障点故障电流能够流通，从而提高电流差动保护差动电流、降低制动电流，保证区内故障时电流差动保护可靠动作，显著提升新能源电源送出双端弱系统下交流送出线路故障识别能力，具有较强的实际工程应用价值。
[0170] 本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令是计算机执行换流器控制方法的步骤，该步骤包括进行交流送出线路单相接地或者两相相间故障识别；当交流送出线路发生永久性故障时，新能源并网换流器执行控制策略切换，将新能源电源并网换流器由抑制负序电流控制策略切换为注入负序电流控制策略；判断是否满足电流差动保护动作判据，来确定故障是否发生在保护区域内部，并对确定的区内故障执行差动保护动作。本发明中换流器控制方法使得新能源电源交流送出线路发生短路故障时能够形成故障回路，进而使得故障点故障电流能够流通，从而提高电流差动保护差动电流、降低制动电流，保证区内故障时电流差动保护可靠动作，显著提升新能源电源送出双端弱系统下交流送出线路故障识别能力，具有较强的实际工程应用价值。
[0171] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
[0172] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0173] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0174] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0175] 尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
[0176] 本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
