基于Park变换和Teager能量算子的晶闸管逆变器保护新方法.pdf
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1、第 卷第 期东北电力大学学报.年 月 基金项目:国家重点研发计划智能电网技术与装备重点专项():./.基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法金恩淑耿梦炜(东北电力大学电气工程学院吉林 吉林)摘 要:在高压直流输电系统中晶闸管逆变器直流差动保护误动于区外故障以晶闸管逆变器作为研究对象提出了基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法 首先利用 变换分析逆变器交流侧电流建立和直流侧电流的平衡关系提出主判据其次采用逆变器交流侧接地故障的零序电流和逆变器交流侧电流的 能量算子作为辅助判据最后通过 仿真将该保护和传统直流差动保护进行比较 结果表明:该保护可有效解决传统直流差动保护误动于区外故障
2、的问题对于直流差动保护不能动作区内的相间短路故障该保护方法可正确动作关键词:晶闸管逆变器 变换零序电流 能量算子中图分类号:文献标识码:引 言随着输电技术的发展高压直流输电由于线路造价低运行损耗小能够进行远距离大容量输送的优点得到了广泛的应用 高压直流输电系统中的核心设备是换流器它具有整流和逆变的功能 作为交直流系统的换流元件其故障形式和机理同交流系统的元件有着很大的差异因而深入研究换流器保护具有重要作用 直流差动保护作为换流器的主保护在维护换流器安全方面发挥了重要作用换流器是直流输电系统最重要的区域之一在实际运行中 换流器的差动保护会发生误动事故国内外学者对于直流差动保护也做了不少的研究文献
3、对换流器典型的区内外故障电流进行了分析根据保护的电流量之间的关系与变化规律研究了差动保护的动作原理分析了直流差动保护在换流器区内接地故障的动作情况文献对逆变器的交流侧故障进行了分析并指出直流差动保护可能误动于逆变器交流侧区外接地故障 文献分析逆变器交流故障时直流系统的暂态响应中各电气量的主要特征指出逆变器的差动保护不是严格基于基尔霍夫电流定律其判据的不严格性决定了其不能保证绝对的选择性只要交流故障过程中引起其监视的电流不相等逆变器的差动保护有误动的可能性但没有提出针对该问题的解决措施 文献对换流器的交流侧区内区外接地故障进行了分析并指出直流差动保护会误动于交流侧区外的接地故障并针对此提出了辅助
4、判据 文献对换流器的直流差动保护进行动作特性分析指出保护会误动于直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障但并未解决区外短路故障误动的问题 综上所述逆变器的直流差动保护会误动作于交流侧区外接地故障和直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障但提出的解决措施只局限于单一故障不能从根本上解决直流差动保护在区外故障误动作的问题本文以高压直流输电系统的晶闸管逆变器作为研究对象针对直流差动保护的区外误动问题提出了基于 变换和 能量算子的逆变器保护新方法通过仿真验证表明本文所提的保护方法在逆变器区外故障不动作区内故障正确动作对于直流差动保护不能保护的区内相间短路故障本文所提保护可以正确动作 系统建模本文以 直
5、流输电标准系统为研究对象系统主要由换流变压器直流线路和换流器构成如图 所示采用单极大地回线的运行方式直流电压 额定容量为 频率为 短路比为.直流额定电流为 采用十二脉动换流器其换流变分别采用/接线和/接线逆变器的控制方式采用定电流控制和定关断角控制图 高压直流输电系统图.换流器的故障类型及其直流差动保护.换流器的故障类型换流器的保护范围为换流器交流侧电流互感器到换流器直流侧电流互感器之间范围 换流器常见的故障类型如图 所示换流器故障可分为直流侧故障和交流侧故障两类其中:故障、为交流侧区内故障故障、为直流侧区内故障故障、为交图 换流器常见故障类型.流侧区外故障故障、为直流侧区外故障 由于换流器的
6、直流侧中性端接地 故障和 故障属于一种故障统称为 故障.直流差动保护直流差动保护作为换流器的主保护之一利用换流器直流侧高压端电流和中性端电流的差流构成直流差动保护该保护动作于换流器的接地故障保护动作方程为 ().()公式中:为直流侧高压端电流为直流侧中性端电流为保护整定值是直流电流的额定值在 标准 模型中为 直流差动保护应该正确动作于换流器区内的接地故障实际运行中直流差动保护会误动于换流器交流侧区外接地故障、和直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障 以逆变器直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障 为例故障回路如图 所示图 故障回路图.由图 可知逆变器直流侧高压端流入的电流通过故障 进入逆变
7、器的低压桥逆变器高压桥被短路逆变器低压桥正常换相高压桥内部形成环流电流很小接近于 直流侧高压端入口的电流互感器没有线路流入的电流流过减小增大和 之间存在较大的差流直流差动保护误动第 期 金恩淑等:基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法 基于 变换和 能量算子的逆变器保护新方法.基于 变换的保护主判据 变换是将 三相电流投影到旋转的直轴交轴与垂直于 平面的零轴上 变换是分析同步电动机运行最常用的一种坐标变换这种变换也被应用于 高压直流输电系统的故障分析中它能有效检测交流量的变化 变换的等幅值变换为 ()()()()()公式中:为发电机转子直轴与定子 相绕组轴线的夹角交流电流变化为 ()(
8、)()公式中:为角速度为交流电流的幅值将公式()和公式()联立得 ()以逆变器 桥为例利用 变换将逆变器 桥交流侧电流进行等幅值转换则有 ()公式中:是将逆变器 桥交流侧电流进行 变换后的值逆变器正常稳态运行时忽略谐波的影响逆变器 桥的电流 与直流侧高压端电流 的关系为 ()当逆变器 桥发生区内故障时电流 与直流侧高压端电流 不符合式()的平衡关系晶闸管逆变器发生 桥区内故障时的保护判据为 ()公式中:为 桥交流侧电流进行 变换后的电流值为逆变器直流侧高压端电流()/为可靠系数取值.为保护整定值按照躲开 桥交流侧区外单相接地短路故障时的最大不平衡电流整定)当发生逆变器中点接地故障 或中点短路故
9、障 后逆变器两侧的电流差小于保护门槛值故障发生后 桥的交流电流变换后的电流 和 桥交流电流变换后的电流 之间存在着较大差值可得保护判据为 ()公式中:为 桥交流侧电流进行 变换后的电流值为 桥交流侧电流进行 变换后的电流值为可靠系数取值.为保护整定值按照躲开 桥交流侧区外单相接地故障时的最大不平衡电流整定由于逆变器交流侧故障会引发换相失败使得直流电流与交流电流不再相等 逆变器交流侧发生故障换流母线电压降低导致交流侧电流增大直流电压降低直流电流迅速增大 当发生逆变器交流侧区外两相短路和交流侧区外接地故障交流电流差大直流电流和交流电流有较大的差流导致保护判据无法区分需要增加新的辅助判据.基于零序电
10、流和 能量算子的辅助判据.基于零序电流的辅助判据正常情况下 桥交流侧电流互感器所测的三相电流对称即满足 当晶闸管逆变器 桥交流侧发生区内接地故障时如图()所示交流侧电流互感器所测的电流为换流变压器二次侧的电流由于换流变压器二次侧无法提供零序电流的流通回路因而交流侧电流互感器所测得的三相电流仍对称满足 当逆变器 桥交流侧发生区外接地故障时如图()所示交流侧电流不在同一回路中此时交流侧电流互感器所测的电流不再对称即交流侧电流互感器的三相电流和不再为 可得辅助判据判断交流侧区外接地故障为 ()公式中:为保护整定值取逆变器交流侧区外接地故障的最小值为可靠系数东北电力大学学报第 卷图 交流侧接地故障回路
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