一种含变流器电力元件的短路电流计算方法

　　摘要：从继电保护分析计算的角度，给出了一种含变流器电力元件的短路电流的计算方法。该方法分析了变流器的基本功能与控制策略，对其交流侧故障后的暂态响应过程进行了简化分析，通过定性分析和定量推导，阐述了含变流器电力元件故障响应的变化规律，推导出了变流器交流侧输出电流在故障暂态期间的近似解析表达式。仿真结果表明，短路电流近似表达式具有较高的计算精度，变流器可以等效为一个含有控制、实现交直流之间电能变换的受控元件，其控制策略以及控制参数决定了故障暂态的响应特性。研究成果从理论上揭示了控制特性对变流器故障特征的关键作用，为含变流器电力系统的故障特征分析及其继电保护整定计算奠定了基础。
　　关键词：变流器；短路电流；计算方法；继电保护
　　中图分类号：TM744 文献标志码：A 文章编号：0253-987X（2015）04-0024-08
　　通过对电力元件的控制，实现电能生产环节的自动化、智能化是电网运行者不变的追求。要想实现这一目标，必须对电力元件进行调节和控制。随着现代科学技术的不断发展和提高，为实现电力元件的可控性，电力电子器件在发电、输电、配电以及用电环节广泛使用。电力电子器件在电力系统中的应用主要有以下几个方面。
　　（1）新能源与分布式发电。随着化石能源的枯竭，新能源发电的重要性越来越突出，当前大规模并网运行的主要是风力发电和光伏发电，这两者均无法直接并网，需要经过变流器变换后方可馈入交流电网。
　　（2）直流以及交直流混合输电。无论高压直流输电、柔性直流输电还是交直流混合输电，都是通过变流器实现电能的交直与直交变换。研究变流器的动态特性，有助于提高输电线路保护的可靠性。
　　（3）柔性交流输电。输电网的柔性交流输电与配电网的柔性交流输电都大量采用电力电子器件，研究电力电子器件的调节特性，可以更好地实现对电力系统的调节与控制。
　　新能源发电以及直流输电、交直流混合输电是目前电力系统发展的重要方向，风机、光伏电源、换流器等作为一类含变流器的电力元件是其重要的组成部分，而变流器是该类电力元件中应用最广泛的电力电子设备。变流器是一类由电力电子器件及其控制驱动电路组成的电力设备，可以实现对电能的变换、调节和控制，在智能电网中具有重要应用。智能电网要更好地发展，必须对含变流器电力元件的特性进行研究分析。
　　继电保护是电网安全运行的第一道防线，对快速切除故障、迅速恢复供电、提高供电连续性、减少设备损坏等具有重要作用。故障特征分析是继电保护研究的前提和基础，其关键问题在于研究电源输出短路电流的暂态变化特性。传统电力系统是由同步机和输电线路构成的线性网络，电源的响应特性较明确，短路电流易于计算分析。随着新能源发电以及直流输电技术的发展，电力电子器件大量应用于电力系统，电网不再只含单一类型的电源。含变流器电力元件作为一种新的电源形式被引人系统，受变流器特性影响，其输出特性明显不同于同步机，使得系统表现出许多异于传统电网的故障特征。为了更好地分析含变流器系统的故障特征，给今后新型电力系统继电保护整定计算提供依据，有必要研究含变流器电力元件故障过程中输出短路电流的理论分析与计算方法。
　　由于频带宽度的限制，互感器对一次系统中的高次谐波具有一定的滤波作用，电网的二次侧一般只能获取系统电流的低频分量。虽然目前已经提出许多基于暂态量的保护新原理，但当前现场广泛应用的继电保护原理仍旧主要关注系统故障过程中工频电气量的变化规律。因此，从理论上分析含变流器电力元件输出的工频响应特性，得到其短路电流中工频分量在故障暂态的变化规律，对电力系统继电保护分析及整定计算意义重大。
　　目前，关于含变流器电力元件的研究主要集中在简化建模、控制策略、谐波分析等方面，关注其故障暂态输出特性的较少，且基本上基于仿真结果分析。文献对逆变型电源故障特征进行了简要分析，但对其故障电流暂态特性的研究不够深入；文献分析了三相电压对称跌落时直驱风机的响应特性，但其主要利用仿真结果进行分析；文献对光伏发电故障暂态特性进行了详细分析，但没有对继电保护关注的故障电流变化规律进行详细理论推导，且其主要结论均是基于仿真结果得到的；文献对直驱风机仿真模型进行了简化，提高了直驱风电系统仿真速度，但仍未给出变流器故障响应的解析表达式。
　　本文从继电保护分析计算的角度，针对含变流器电力元件输出短路电流中的工频分量，提出了一种理论分析计算方法。首先分析变流器的基本功能与控制策略，对其交流侧故障后暂态响应过程进行简化分析；其次通过定性分析和定量推导阐述含变流器电力元件的故障响应变化规律，并计算得到变流器输出的响应暂态近似解析表达式。本文从理论上分析了控制电路动态特性对含变流器电力元件故障特性的关键作用，为含变流器电力系统故障特征分析及其继电保护整定计算奠定了基础。