CN103928918A - 一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法，包括内环调节控制电流、外环调节控制电压，通过在双闭环调节中增加辅助控制器来进行高压直流断路器的变压和保护控制。本发明辅助控制器对占空比进行零值检测，当检测出零值时，判断出故障状态，执行选择开关操作，切断线路，直到故障排除，恢复正常后，零值检测器检测出占空比不为零，则可判断出属于正常状态，不动作，如此通过占空比的检测和调节，可以实现断路器的功能，及时有效地对短路故障进行切除，具有响应时间短的优势。

Description

一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流输电保护系统，具体是指一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法。

背景技术

在高压交流输电系统中，输电线路的正常投入和事故切除，是通过高压交流断路器来实现的。而在高压直流输电系统中，则是利用换流阀控制(栅)极的控制来消除暂时性故障或者当发生短路故障时采用机械式高压断路器进行切除，但随着VSC-HVDC输电技术的发展和应用，由于机械式的高压直流断路器的响应时间过长难以满足短路故障的快速切除需求。因此，研制新型快速高压直流断路器，以促使高压直流输电系统的发展，甚为必要。ABB公司于2012年11月开发出了世界上第一台混合式高压直流断路器，将机械动力学与电力电子设备相结合，可以在几毫秒之内断开一所大型发电站的输出电流，这使得大规模可再生能源的高效集成和交换以及建设全新高效电网进行远距离电力传输成为可能。高压直流断路器的类型主要有机械式断路器、固态断路器、混合式断路器、Z-source断路器和基于转换器的断路器。与高压直流转换开关只能开断正常运行电流不同的是，高压直流断路器具有故障电流的切断能力。

目前的机械式高压直流断路器，能够在数十毫秒内切断短路电流，这种故障电流的切断速度尚不能满足新型VSC-HVDC输电系统的要求。固态断路器可以很容易地克服开断速度的限制，但在稳态运行时会产生大量损耗。混合式断路器兼具机械断路器良好的静态特性以及固态断路器无弧分断的动态特性，具有运行损耗低、使用寿命长、可靠性高和稳定性好等优点，但对于快速刀闸的制造要求很高，并且开断时间还是受到快速刀闸的影响以及保护系统和通信时间的影响。除了上述直接开断短路电流的方式之外，还可以考虑增加限流器配合断路器开关电流的方式，因为对于需要熄弧的机械开关，电流越大，熄弧越困难；而对于无需熄弧的电力电子器件，关断大电流会引起器件的动态过压，电流幅值越大，过压越高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法，为目前的高压直流输电线路提供一种新的保护方法，达到快速及时切除短路故障的目的。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统，包括依次连接的外环PI调节器、外环饱和环节、内环PI调节器、内环饱和环节、PWM发生器、以及高压直流断路器，电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压v_o，输出端电压v_o经过外环低通滤波器LPF后与输出电压参考值v_o ^*进行比较然后输入到外环PI调节器，电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流i_L，电感电流i_L经过内环低通滤波器LPF后与外环饱和环节输出的内环电感电流参考值i_L ^*进行比较，比较的结果输入内环PI调节器，在所述的内环饱和环节与PWM发生器之间还增加有一个辅助控制器。本发明是在对现有的双闭环控制系统上做出的改进，改进之处在于增加了一个辅助控制器，辅助控制器对占空比进行零值检测，当检测出零值时，判断出故障状态，执行选择开关操作，快速及时切断线路，直到故障排除，恢复正常后，零值检测器检测出占空比不为零，判断出属于正常状态，不动作，如此通过占空比的检测和调节，在线路发生短路故障时可以实现断路器的功能，及时地对短路故障进行切断，也就是说，该辅助控制器既能在断路器正常运行时保证断路器升降压功能的正常执行，又能够在输电线路发生短路故障时快速地对短路故障进行及时有效的切除，实现保护高压直流输电设备及负载设备。

所述的辅助控制器包括零值检测器和选择开关，其中零值检测器包括一个过零比较器和一个触发子系统，内环饱和环节的输出信号同时发送给过零比较器和触发子系统，其中过零比较器的输出信号作为触发子系统导通的条件，触发子系统的输出信号经过反向器输出至选择开关信号判断端，选择开关的两个输入端分别与内环饱和环节的输出端和零值信号连接，输出端与PWM发生器连接。具体的讲，辅助控制器主要包括选择开关和零值检测器，其中零值检测器是由一个过零比较器和一个触发子系统构成的，触发子系统的导通工作条件是过零比较器的输出信号，即当过零比较器的输出信号为大于零的时候，其输出信号1，这个阶跃信号使得触发子系统导通，输出脉冲使得选择开关进行动作，进行线路短路故障的切除。

一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，包括(a)外环控制步骤、(b)内环控制步骤、(c)辅助控制步骤，其中(c)辅助控制步骤包括以下步骤：

(c1)当高压直流输电系统正常运行时，占空比D保持一个稳定值，选择开关连接内环饱和环节输入端；

(c2)当高压直流输电线路短路故障发生时，占空比D由稳定值快速下降为零；

(c3)过零比较器进行比较输出值为1，触发子系统导通工作；

(c4)在输入D值变为零的时刻开始，输出从0至1带上升沿阶跃信号，再经过反向器，触发子系统输出为在D值变为零的那刻起从1至0的带下降沿阶跃信号；

(c5)选择开关接收到反向器输入的下降沿阶跃信号后，从上端位切换到下端位与零值信号连接将D值置零并保持，直到故障完全隔离并清除。

其中(a)内环控制步骤包括以下步骤：

(a1)电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压v_o；

(a2)输出端电压v_o经过外环低通滤波器LPF后与输出端电压参考值v_o ^*进行比较；

(a3)比较的结果输入到外环PI调节器和外环饱和环节进行调节，输出内环电感电流参考值i_L ^*。

其中(b)内环控制步骤包括以下步骤：

(b1)电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流i_L；

(b2)将该电感电流i_L通过低通滤波器LPF过滤掉高次谐波后得到反馈信号；

(b3)将反馈信号与输出电压参考值i_L ^*进行比较；

(b4)比较的结果再经内环PI调节器、内环饱和环节的调节作用，输出断路器占空比D；

(b5)将步骤(b4)得到的输出信号D经PWM发生器进行调制，控制高压直流断路器实现变压和故障切除功能。

本发明一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，采用在双环控制方法中增加一个辅助控制输出断路器占空比D的步骤，从而可以实现高压直流输电线路的短路故障状态监测，当高压直流线路处于短路状态时，输出断路器的占空比发生变化从而反应出输电线路发生短路故障，从而实现切断线路，起到保护的目的，相对于现有的高压直流断路器而言，具有变压功能、高速反应、快速执行，切断响应时间只需要6.5ms左右，相对于机械式和混合式高压直流断路器来说是一个很短的时间，具有较大的优势，在没有使用其他电流限制器的情况下故障电流值被限制在一个非常安全的范围内，当故障被切除后，通过重置辅助控制器，可使控制系统能恢复到正常的工作状态。外环调节控制断路器的输出端电压v_o：电压传感器采集到高压直流断路器输出端电压v_o，通过外环低通滤波器LPF过滤掉高次谐波后的反馈信号与输出电压参考值v_o ^*进行比较，再经PI调节器调节和饱和环节作用输出内环电感电流调节控制的参考值i_L ^*，计算公式如下：

$i_L^{*}=K_{\mathrm{pv}}(v_o^{*}-v_o)+K_{\mathrm{iv}}\∫(v_o^{*}-v_o)\mathrm{dt}$

内环调节控制电感电流i_L：电流传感器采集到高压直流断路器中电感电流i_L，通过内环低通滤波器LPF过滤掉高次谐波后的反馈信号与输出电压参考值i_L ^*进行比较，再经PI调节器调节和饱和环节作用输出断路器占空比D，计算如式如下：

$D=K_{\mathrm{pi}}(i_L^{*}-i_L)+K_{\mathrm{ii}}\∫(i_L^{*}-i_L)\mathrm{dt}$

为了解决传统双闭环控制方法中不理想的问题，本发明采用对占空比进行零值检测来进行控制：当故障发生时，由于双闭环的调节作用，D由原来的稳定值很快下降并降为零，此时零值检测器检测到就发送一个脉冲给二端开关，二端开关接受触发将D值置零并保持，直到故障完全隔离并清除，该脉冲信号失效，双闭环控制器恢复正常运行。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法，辅助控制器对占空比进行零值检测，当检测出零值时，判断出故障状态，执行选择开关操作，切断线路，直到故障排除，恢复正常后，零值检测器检测出占空比不为零，判断出属于正常状态，不动作，如此通过占空比的检测和调节，可以实现断路器的功能，及时地对短路进行切断；

2本发明一种高压直流断路器短路故障的切除系统及方法，相比于传统高压断路器具有更多的功能，既能在高压直流输电系统正常运行时实现断路器的升降压功能，也能够实现在输电线路发生短路故障时快速地对短路故障进行及时有效的切除，实现保护高压直流输电设备及负载设备。

附图说明

图1为本发明控制与保护系统的框图；

图2为基于传统全桥变换器的高压直流断路器的拓扑图；

图3为基于传统全桥变换器的高压直流断路器的拓扑图局部A放大图；

图4为基于传统全桥变换器的高压直流断路器导通阶段的运行原理图；

图5为基于传统全桥变换器的高压直流断路器关断阶段的运行原理图；

图6为基于传统全桥变换器的高压直流断路器的工作波形图；

图7为本发明实施例中当发生短路故障时不附加辅助控制器的仿真结果；

图8为图7中仿真结果局部放大图；

图9为本发明实施例中当发生短路故障时附加辅助控制器的仿真结果；

图10为图9中仿真结果局部放大图；

图11为本发明实施例中当发生短路故障时不附加辅助控制器的低压实验验证结果；

图12为图11中低压实验验证结果相对应的低压仿真验证结果；

图13为本发明实施例中当发生短路故障时附加辅助控制器的低压实验验证结果；

图14为图13中低压实验验证结果相对应的低压仿真验证结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1为一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法，将其应用于传统全桥高压直流变换器；该高压直流变换器，是由两个四功率开关组组成，其中功率开关组S₁到S₄都是用MV-IGBT或者IGCT串并联实现的，如图2和图3所示。其中图3是图2中部件A的放大图，在一个模块组中，所有模块都同时接受同一个控制信号来执行实现开关组的开断功能。

为了对比本发明技术方案相对于传统控制方案的优越性，对系统进行了高压仿真验证及低压实验验证，在控制系统中L_dc值的选取考虑断路器工作在连续模态，电感电流纹波系数5％，输出电容的选取考虑在变换器额定工作状态下输出电压纹波系数为10％，传输线的阻抗也考虑在测试之中，线路阻抗值选取多端直流系统中200km的传输线路，阻抗按0.11155mH/km和0.014Ω/km计算，仿真测试中线路电阻和电抗分别选为3Ω和20mH，在整个仿真测试中，假设在发生短路故障以前，系统都运行在稳定状态。图4至图6为该控制与保护系统运行原理图。图7至图8是不附加辅助控制器时的仿真结果图：仿真中选择从200kV到100kV的降压运行模式，占空比在0.5以下。一个短路故障在0.6s时刻发生于转换器输出端。当短路故障发生瞬间，转换器输出端电压瞬间跌落为0，此时双闭环控制器通过迅速将占空比调节降为0使得断路器关断开关组，图8显示占空比在降为0后大概10ms后再次上升，原因是双闭环控制器的调节作用，这使得开关组再次打开，故障电流也再次发生并快速升高。所以，在电路中产生波动。也因为故障电流一直在电路中，输出电压也不能恢复到100kV，电感电流也保持在一个高于额定值的值上。这是HVDC系统不希望得到的，因为这样会产生其他次生故障，甚至破坏这个输电系统。

在增加辅助控制器进行控制后，得到图9至图10的波形图：从图中可以看出，由于故障电流快速被切除，故障峰值电流有原来的600A降至接近400A。另外，该辅助控制器确保断路器完全地使占空比降为零。响应时间是从故障发生时刻至占空比调节为零时刻。在该仿真测试中，响应时间为6.5ms，这相对于机械式和混合式高压直流断路器来说是一个很短的时间。所以在没有使用其他电流限制器的情况下故障电流值被限制在一个安全的范围内。当故障被切除后，通过重置辅助控制器，可使控制系统能恢复到正常的工作状态。

图11至图12是低压实验验证图7和图8中的低压仿真结果。从实验结果可以看出，在未加辅助控制器的低压实验结果与高压仿真结果和低压仿真结果一致。当短路故障在0.6s时刻发生时，此时输出端电压v_o立刻降为零，电感电流快速上升，而因为双闭环控制作用，此时输出的占空比很快降为零。此时开关组都关断，短路电流得到了限制而下降，当故障电流下降到一定值时，由于双闭环调节作用，占空比又从零开始增大，此时开关组再次导通，故障电流再次升高，实验结果表明，不附加辅助控制器，短路故障不能完全有效被切除。

图13至图14是低压实验验证图9和图10中的低压仿真结果。由图可以看出，当短路故障发生时，此时输出端电压v_o立刻降为零，电感电流快速上升，而因为双闭环控制作用，此时输出的占空比D很快降为零。此时辅助控制器的检测器在检测到占空比D为零时，立即将选择开关打向零值信号端并保持。这样短路故障得到有效地切除，短路电流也渐渐减少至零，达到快速有效切除短路故障保护输电设备和负载的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统，其特征在于：包括依次连接的外环PI调节器、外环饱和环节、内环PI调节器、内环饱和环节、PWM发生器、以及高压直流断路器，电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压v_o，输出端电压v_o经过外环低通滤波器LPF后与输出电压参考值v_o ^*进行比较然后输入到外环PI调节器，电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流i_L，电感电流i_L经过内环低通滤波器LPF后与外环饱和环节输出的内环电感电流参考值i_L ^*进行比较，比较的结果输入内环PI调节器，在所述的内环饱和环节与PWM发生器之间还增加有一个辅助控制器。

2.根据权利要求1所述的一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统，其特征在于：所述的辅助控制器包括零值检测器和选择开关，其中零值检测器包括一个过零比较器和一个触发子系统，内环饱和环节的输出信号同时发送给过零比较器和触发子系统，其中过零比较器的输出信号作为触发子系统导通的条件，触发子系统的输出信号经过反向器输出至选择开关信号判断端，选择开关的两个输入端分别与内环饱和环节的输出端和零值信号连接，输出端与PWM发生器连接。

3.一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，其特征在于：包括(a)外环控制步骤、(b)内环控制步骤、(c)辅助控制步骤，其中(c)辅助控制步骤包括以下步骤：

(c1)当高压直流输电系统正常运行时，占空比D保持一个稳定值，选择开关连接内环饱和环节输入端；

(c2)当高压直流输电线路短路故障发生时，占空比D由稳定值快速下降为零；

(c3)过零比较器进行比较输出值为1，触发子系统导通工作；

(c4)在输入D值变为零的时刻开始，输出从0至1带上升沿阶跃信号，再经过反向器，触发子系统输出为在D值变为零的那刻起从1至0的带下降沿阶跃信号；

(c5)选择开关接收到反向器输入的下降沿阶跃信号后，从上端位切换到下端位与零值信号连接将D值置零并保持，直到故障完全隔离并清除。

4.根据权利要求3所述的一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，其特征在于所述步骤(a)内环控制步骤包括以下步骤：

(a1)电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压v_o；

(a2)输出端电压v_o经过外环低通滤波器LPF后与输出端电压参考值v_o ^*进行比较；

(a3)比较的结果输入到外环PI调节器和外环饱和环节进行调节，输出内环电感电流参考值i_L ^*。

5.根据权利要求3所述的一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，其特征在于所述步骤(b)内环控制步骤包括以下步骤：

(b1)电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流i_L；

(b2)将该电感电流i_L通过低通滤波器LPF过滤掉高次谐波后得到反馈信号；

(b3)将反馈信号与输出电压参考值i_L ^*进行比较；

(b4)比较的结果再经内环PI调节器、内环饱和环节的调节作用，输出断路器占空比D；

(b5)将步骤(b4)得到的输出信号D经PWM发生器进行调制，控制高压直流断路器实现变压和故障切除功能。