一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法

1.本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法。

背景技术：

2.电力系统将建设更加坚强的高压、特高压网架，电源测、电网侧及用户侧将会建设大量综合能源系统，接入大量分布式新能源等电源，使电力系统中分布式电源数量大大增加。这一方面能够使能源得到更合理的配置和充分利用，但另一方面也会造成电力系统短路故障电流增大等问题，对电力系统安全稳定运行带来挑战。目前电力系统短路故障电流通常通过断路器切除，而断路器的开断电流有限，若要增大断路器的开断电流将会显著提高电力系统建设运维成本，因此研究新能源电力系统的短路电流抑制技术具有重要意义。
3.传统的电力系统短路电流抑制措施包括母线分列运行、拉停线路、线路出串运行、电网分区运行、采用高阻抗发电机和变压器、加装串联电抗器、改变变压器中性点接地数量与方式等，这些措施对电网运行的可靠性、灵活性以及经济性存在一定负面影响。近年来国内外对快速开关抑制短路电流的技术进行了广泛研究。杨勇等人(杨勇，张弛，徐华，等.采用 220kv快速开关的柔性短路电流抑制技术与工程实践[j].浙江电力，2021，40(4)：82-88.) 介绍了220kv快速开关的柔性短路电流抑制技术及其在浙江电网的应用情况。装设快速开关对电力系统可靠性的影响较小，但快速开关中需要快速灭弧装置，应用成本较高，且存在仅能装在系统的联络位置等问题。当前电力系统短路电流抑制技术尚未成熟，仍是新能源电力系统继电保护研究中的重点。

技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是解决传统电力系统的短路电流抑制能力弱的问题，设计了一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法。通过将合适大小的电抗器与电容器并联可获得远大于原电抗器阻抗值的特性，对电力系统的可靠性、经济性影响较小，可以更有效地抑制短路故障电流。
[0005]
本发明实施例中提供的一种技术方案是一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，包括如下步骤：步骤1：在电力系统发生短路故障后，通过在限流电抗器或串联电抗器上并联电容器以抑制短路电流；或通过在串联电容器上并联电抗器以抑制短路电流；步骤2：继电保护装置动作，控制电力系统中的断路器切除故障，利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使并联回路中的能量消耗、电流衰减；步骤3：当电容器与电抗器并联回路中的电流衰减至设定阈值i0后，断开步骤1接入电力系统的并联电容器或并联电抗器。
[0006]
作为优选，所述步骤1中，所述通过在限流电抗器或串联电抗器上并联电容器以抑
制短路电流，具体包括：在电力系统发生短路故障后，采用电流瞬时值过流和电流差分算法快速检测故障；在有故障电流流过的限流电抗器或串联电抗器上快速并联电容器。
[0007]
作为优选，步骤1中，所述通过在串联电容器上并联电抗器以抑制短路电流，包括：在电力系统发生短路故障后，采用电流瞬时值过流和电流差分算法快速检测故障；在有故障电流流过的串联电容器上快速并联电抗器。
[0008]
作为优选，所述步骤2具体为：实施步骤1抑制短路电流后，继电保护装置动作，控制系统中的断路器切除故障；利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使并联回路中的电流迅速衰减。
[0009]
作为优选，使得电容器与电抗器并联回路中的电流衰减至设定阈值i0的电流抑制方法包括但不限于：减小并联电容器的电容、减小并联电抗器的电感、减小并联电容器或并联电抗器的电阻。
[0010]
作为优选，所述设定阈值i0为并联电容器或并联电抗器支路中断路器的额定开断电流。
[0011]
本发明的有益效果：1)本发明采用电容器与电抗器并联的方式增大电力系统阻抗，抑制短路电流。在电力系统正常运行情况下，仅需在线路上串联很小的电容器或电抗器，相比传统短路电流抑制方法对系统的可靠性、经济性影响较小。在电力系统故障情况下，将电容器与电抗器并联后可获得远大于原电抗器的感性阻抗，相比传统短路电流抑制方法可以更有效地抑制短路故障电流；2)本发明采用电容器与电抗器并联的方式抑制短路电流，在故障切除后利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使得并联回路中的电流迅速衰减，与快速开关相比无需灭弧装置、设备成本更低、可装在系统联络处或馈电线路上，可适用于新能源电力系统中抑制短路故障电流的大规模应用需求。
[0012]
上述发明内容仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0013]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
[0014]
图1为本发明的一种实施方式的流程图。
[0015]
图2为本发明实施例中电容器与电抗器并联支路图。
[0016]
图3为本发明实施例中电抗器与电容器并联支路图。
[0017]
图4为本发明实施例中电力系统短路电流抑制仿真实验模型图。
[0018]
图5为本发明实施例中线路电流波形图。
[0019]
图6为本发明实施例中电抗器电流波形图。
[0020]
图7为本发明实施例中电容器电流波形图。
具体实施方式
[0021]
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]
在更加详细地讨论示例性实施例之前，应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作(或步骤)可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤；所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
[0023]
实施例：如图1所示，本发明实施例提供的一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，该方法包括以下步骤：步骤1：在电力系统发生短路故障后，通过在限流电抗器或串联电抗器上并联电容器以抑制短路电流；或通过在串联电容器上并联电抗器以抑制短路电流。
[0024]
步骤1中，通过在限流电抗器或串联电抗器上并联电容器以抑制短路电流，包括：在电力系统发生短路故障后，采用电流瞬时值过流和电流差分算法快速检测故障，然后在有故障电流流过的限流电抗器或串联电抗器上快速并联电容器，电容器与电抗器并联后的支路阻抗大于原电抗器的阻抗，从而减小短路电流。
[0025]
如图2所示，短路故障后，控制在电容器两端电压差为0的时刻合上断路器k，将电容器与电抗器并联，该并联支路的总阻抗如下式所示：其中：z
lc
为电容器与电抗器并联后的总阻抗；x
l
为电抗器的电抗绝对值；xc为电容器的电抗绝对值。
[0026]
对于电力系统中的限流电抗器或串联电抗器，满足关系x
l
＞＞r
l
。与电抗器并联的电容器需要满足xc＞＞rc、xc＞＞r
l
、x
l
＞＞rc。
[0027]
根据以上关系，可将并联支路的总阻抗化简如下：将满足xc》x
l
、xc＞＞rc、xc＞＞r
l
、x
l
＞＞rc的合适大小的电容器与电抗器并联后，可使并联支路总阻抗远大于原电抗器，有效抑制短路电流。
[0028]
步骤1中通过在串联电容器上并联电抗器以抑制短路电流，包括：在电力系统发生短路故障后，采用电流瞬时值过流和电流差分算法快速检测故障，然后在有故障电流流过的串联电容器上快速并联电抗器，电抗器与电容器并联后的支
路阻抗呈感性且大于并联电抗器的阻抗，从而减小短路电流。
[0029]
如图3所示，短路故障后，控制在电抗器两端电压差为0的时刻合上断路器k，将电抗器与电容器并联，该并联支路的总阻抗如下式所示：其中：z
cl
为电抗器与电容器并联后的总阻抗。
[0030]
对于电力系统中的串联电容器，满足关系xc＞＞rc。与电容器并联的电抗器需要满足 x
l
＞＞r
l
、x
l
＞＞rc、xc＞＞r
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。
[0031]
根据以上关系，可将并联支路的总阻抗化简如下：将满足x
l
《xc、x
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＞＞r
l
、x
l
＞＞rc、xc＞＞r
l
的合适大小的电抗器与电容器并联后，可使并联支路总阻抗呈感性且远大于并联电抗器，有效抑制短路电流。
[0032]
步骤2：继电保护装置动作，控制电力系统中的断路器切除故障，利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使并联回路中的能量消耗、电流衰减；由于需要开断的短路电流显著减小，可降低电力系统中装设的断路器设备成本、延长断路器使用寿命。
[0033]
在故障切除之后，电容器与电抗器并联回路中仍存在能量和电流，利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使该电流迅速衰减。
[0034]
如图1所示，电容器与电抗器并联回路中电流衰减的时间常数如下式所示：其中：τ为电容器与电抗器并联回路的时间常数；ω为电力系统角频率。
[0035]
步骤3：当电容器与电抗器并联回路中的电流衰减至设定阈值i0后，断开步骤1接入电力系统的并联电容器或并联电抗器；即使其恢复到初始状态，其中足够小的电流为并联电容器或并联电抗器支路中断路器的额定开断电流；设定阈值i0为并联电容器或并联电抗器支路中断路器的额定开断电流。
[0036]
使得电容器与电抗器并联回路中的电流衰减至设定阈值i0的电流抑制方法包括但不限于：减小并联电容器的电容、减小并联电抗器的电感、减小并联电容器或并联电抗器的电阻。
[0037]
适用于实施例的一种具体实施方式为：如图4所示，在simulink仿真软件中搭建电力系统模型进行仿真实验，验证本发明方法有效性。其中数值采用标幺值，s为频率50hz、电压幅值为1、初相角为0的电源；l为电抗器电感，值为6.366
×
10-4
；r1为电抗器电阻，值为0.001，c为电容器电容，值为0.0159，r2 为电容器电容，值为0.01；z1为负载阻抗；z2为故障接地电阻。设置在0.0556s时发生短路故障，合上开关k3，在0.2s时将电容器与电抗器并联，合上断路器k2，在0.5s时线路继电保护装置动作切除故障，断开断路器k1，在0.9s时并联电容器从系统中退出，断开断路器k2。
[0038]
仿真得到线路上的电流波形如图5所示，可看出发生短路故障后，线路上的电流急剧增大，而当0.2s电容器与电抗器并联以后，线路上的短路电流得到有效抑制，线路断路器
仅需开断较小的短路故障电流。
[0039]
仿真得到电抗器和电容器上的电流波形如图6和图7所示，可看出电容器和电抗器中的电流呈现相互抵消的特征，从而使得线路上的短路电流明显减小。在0.5s线路断路器切除故障后，电容器和电抗器并联回路中仍存在能量和电流，该电流通过并联回路中的电阻r1和r2迅速衰减，在0.9s并联电容器支路上的断路器仅需开断很小的电流即可将并联电容器退出系统。
[0040]
以上分析结果表明，本发明采用电容器与电抗器并联的方式增大电力系统阻抗，抑制短路电流，在电力系统正常运行情况下，仅需在线路上串联很小的电容器或电抗器，相比传统短路电流抑制方法对系统的可靠性、经济性影响较小。
[0041]
在电力系统故障情况下，将电容器与电抗器并联后可获得远大于原电抗器的感性阻抗，相比传统短路电流抑制方法可更有效地抑制短路故障电流；在故障切除后利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使得并联回路中的电流迅速衰减，无需灭弧装置，与快速开关相比设备成本更低、可装在系统联络处或馈电线路上，可适用于新能源电力系统中抑制短路故障电流的大规模应用需求。
[0042]
以上所述之具体实施方式为本发明一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在电力系统发生短路故障后，通过在限流电抗器或串联电抗器上并联电容器以抑制短路电流；或通过在串联电容器上并联电抗器以抑制短路电流；步骤2：继电保护装置动作，控制电力系统中的断路器切除故障，利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使并联回路中的能量消耗、电流衰减；步骤3：当电容器与电抗器并联回路中的电流衰减至设定阈值i0后，断开步骤1接入电力系统的并联电容器或并联电抗器。2.如权利要求1所述的一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，其特征在于，所述步骤1中，所述通过在限流电抗器或串联电抗器上并联电容器以抑制短路电流，具体包括：在电力系统发生短路故障后，采用电流瞬时值过流和电流差分算法快速检测故障；在有故障电流流过的限流电抗器或串联电抗器上快速并联电容器。3.如权利要求1所述的一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，其特征在于，步骤1中，所述通过在串联电容器上并联电抗器以抑制短路电流，包括：在电力系统发生短路故障后，采用电流瞬时值过流和电流差分算法快速检测故障；在有故障电流流过的串联电容器上快速并联电抗器。4.如权利要求1所述的一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，其特征在于，所述步骤2具体为：实施步骤1抑制短路电流后，继电保护装置动作，控制系统中的断路器切除故障；利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使并联回路中的电流迅速衰减。5.如权利要求1所述的一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，其特征在于，使得电容器与电抗器并联回路中的电流衰减至设定阈值i0的电流抑制方法包括但不限于：减小并联电容器的电容、减小并联电抗器的电感、减小并联电容器或并联电抗器的电阻。6.如权利要求1或5所述的一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，其特征在于，所述设定阈值i0为并联电容器或并联电抗器支路中断路器的额定开断电流。

技术总结

本发明公开了一种抑制新能源电力系统短路电流的快速阻抗增大方法，包括如下步骤：步骤1：在电力系统发生短路故障后，通过在限流电抗器或串联电抗器上并联电容器以抑制短路电流；或通过在串联电容器上并联电抗器以抑制短路电流；步骤2：继电保护装置动作，控制电力系统中的断路器切除故障，利用电容器与电抗器并联回路中的电阻使并联回路中的能量消耗、电流衰减；步骤3：当电容器与电抗器并联回路中的电流衰减至设定阈值I0后，断开步骤1接入电力系统的并联电容器或并联电抗器。通过将合适大小的电抗器与电容器并联可获得远大于原电抗器阻抗值的特性，对电力系统的可靠性、经济性影响较小，可以更有效地抑制短路故障电流。可以更有效地抑制短路故障电流。可以更有效地抑制短路故障电流。