CN104638619B - 一种级联全桥直流断路器控制系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联全桥直流断路器控制系统的控制方法，根据级联全桥断路器的功能需求，按照断路器的控制要求以及断路器各部分之间的协调关系，提出了控制和故障监视的时序逻辑和控制算法。采用本发明所提出的控制时序逻辑，能够对直流线路上的短路故障做出快速反应，控制断路器动作，满足对直流断路器快速性的要求；对级联全桥高压直流断路器控制保护设备的主要任务进行了总结，并按照级联全桥直流断路器的控制需要，对各个任务之间的时序进行了设计，使各个任务之间相互衔接，完成断路器的控制；级联全桥直流断路器控制时序能够在短时间内发现断路器各部分的故障，并采取适当的措施。

Description

一种级联全桥直流断路器控制系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子器件的时序逻辑，具体涉及一种级联全桥直流断路器控制时序。

背景技术

随着高压大电流半导体器件和电力电子技术的发展，高压直流输电技术，柔性直流输电技术，直流电网技术等得到了越来越多的关注和应用。由于柔性直流输电线路在发生直流侧双极短路时，直流电流快速上升，电流上升率高达3kA/ms，并且不能通过柔性直流换流阀自身有效阻止短路电流的上升，如果不采取有效措施，会导致换流阀设备的损坏。针对柔性直流输电设备的高压直流断路器能够在短时间内切断故障电流，隔离故障，保护换流阀。

由于柔性直流输电线路在发生直流侧双极短路时，直流电流快速上升，电流上升率高达3kA/ms，并且不能通过柔性直流换流阀自身有效阻止短路电流的上升，如果不采取有效措施，会导致换流阀设备的损坏。针对柔性直流输电设备的高压直流断路器能够在短时间内切断故障电流，隔离故障，保护换流阀和直流线路。

专利CN103280763A中提出的级联全桥直流断路器是机械开关和电力电子器件混合的方式直流断路器的一个实例。其电路正常运行由机械开关通流，故障时将换流回路的电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。该类型的断路器正常运行时，通态损耗小，分断时间断。级联全桥直流断路器采用串联的IGBT全桥子模块分断故障电流，避免了分断过程中器件电压不均的问题。IGBT在关断时端电压为零，减小了开关损耗。

级联全桥直流断路器由换流回路子模块，断流回路子模块，快速机械开关，避雷器构成，其中断流回路子模块数一般高达上百个，以满足耐压要求。级联全桥直流断路器在执行分合闸操作过程中，需要对各个部分进行协调控制，并监视各部分的故障，做出相应处理。而所有的检测、处理、动作需要在2～3ms内完成，级联全桥直流断路器对控制系统的控制时序要求很严格。

因此，需要提出一种新的控制和故障监视的时序逻辑来完成级联全桥断路器的各种动作控制和故障监视。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种级联全桥直流断路器控制系统的控制方法，所述全桥直流断路器控制系统包括：对直流线路电流、换流回路电流、断流回路电流的检测；对换流回路子模块的IGBT导通和闭锁控制；对断流回路子模块导通和闭锁的控制；对快速机械开关分合的控制；接收上级控制保护设备的断路器分合闸命令；对送能单元的控制；对换流回路子模块故障监测；对断流回路子模块故障监测；对电流采集单元故障监测；对快速机械开关故障监测；对送能单元故障监测；所述控制系统具有以下控制时序：

首先接收传感检测单元的数据，判断线路和各支路是否出现过流；

接收换流回路子模块回报，接收断流回路子模块回报，监测子模块故障；

接收快速机械开关回报，监测快速机械开关分合状态和是否有故障；

接收上级控制保护的指令；

根据各部分的回报，对各部分故障进行处理；

根据上级控制保护指令，传感检测单元检测结果，故障处理结果以及直流断路器现在所处的状态，通过顺序控制算法，决定接下来断路器的控制操作；

根据顺控算法的结果，向换流回路子模块发送控制命令；

根据顺控算法的结果，向断流回路子模块发送控制命令；

根据顺控算法的结果，向快速机械开关发送控制命令；

向快上级控制保护发送断路器当前状态，包括分合闸状态和故障状态。

优选地，所述对各部分故障进行处理具有以下控制时序：

对于影响断路器正常运行的故障，断路器控制保护设备要报严重故障，并退出运行；

对于直流断路器仍能正常运行的故障，断路器控制保护设备要报轻微故障。

优选地，所述对换流回路子模块的IGBT导通和闭锁控制为当换流回路子模块的IGBT导通时，用于流过正常线路电流；当换流回路子模块的IGBT闭锁时，换流回路电流对换流回路IGBT子模块电容充电，使换流回路电流转移至断流回路。

优选地，所述对断流回路子模块导通和闭锁的控制断为：当断流回路子模块IGBT导通时，用于短时流过直流线路电流；当断流回路子模块IGBT闭锁时，断流回路子模块电容充电，子模块电容电压上升。

优选地，所述对快速机械开关分合的控制为：快速机械开关分闸，用于承受直流母线电压和避雷器残压；快速机械开关合闸，用于流过直流线路电流。

优选地，所述直流断路器包括四种状态：合闸状态、第一次换流状态、快速机械开关分断状态和分闸状态；所述顺序控制算法根据所述直流断路器所处的四种状态分为4个阶段：

第一阶段是当直流断路器为合闸状态时，所述顺序控制算法为：首先检测是否有子模块故障或者快速机械开关故障，如果有子模块故障或者快速机械开关故障，就报严重故障，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果没有子模块故障或者快速机械开关故障，就检测是否发生了网络通信故障，如果发生了就报轻微故障；不管有没有发生网络通信故障，都检测线路是否过流，如果过流就闭锁换流回路子模块，进入第2阶段，并结束该段算法；如果没有过流就检查是否收到分闸命令；如果有分闸命令就闭锁换流回路子模块，进入第2阶段，然后结束该段算法；如果没有分闸命令，直接结束该段算法；

第二阶段是当直流断路器为第一次换流状态时，所述顺序控制算法为：首先检测是否发生子模块故障或者快速机械开关故障，如果发生了子模块故障或者快速机械开关故障，就闭锁断流回路，报严重故障，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果没有发生子模块故障或者快速机械开关故障，就检查换流回路电流是否小于100A；如果换流回路电流小于100A，就关断快速机械开关，进入第3阶段，然后算法结束；如果换流回路电流不小于100A，就直接结束该段算法；

第三阶段是当直流断路器为快速机械开关分断状态时，所述顺序控制算法为：首先检测是否发生子模块故障或者快速机械开关故障，如果发生了子模块故障或者快速机械开关故障，就闭锁断流回路，报严重故障，进入第4阶段；如果没有发生子模块故障或者快速机械开关故障，就检测快速机械开关是否动作完成；如果快速机械开关动作完成就闭锁断流回路，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果快速机械开关未动作完成，就直接结束该段算法；

第四阶段是当直流断路器为分闸状态时，所述顺序控制算法为：当发生子模块故障或快速机械开关故障时，报严重故障，然后结束该段算法；如果没有发生子模块故障或快速机械开关故障，就直接结束该段算法。

和最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明提出的一种级联全桥直流断路器控制系统的控制方法能够对直流线路上的短路故障做出快速反应，控制断路器动作，满足对直流断路器快速性的要求；对级联全桥高压直流断路器控制保护设备的主要任务进行了总结，并按照级联全桥直流断路器的控制需要，对各个任务之间的时序进行了设计，使各个任务之间相互衔接，完成断路器的控制；能够在短时间内发现断路器各部分的故障，并采取适当的措施。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法流程图；

图2为本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法中顺序控制的第一阶段算法流程图；

图3为本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法中顺序控制的第二阶段算法流程图；

图4为本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法中顺序控制的第三阶段算法流程图；

图5为本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法中顺序控制的第四阶段算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图1至图5，图1为本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法流程图。级联全桥直流断路器控制系统包括以下任务：直流线路电流、换流回路电流、断流回路电流检测，对直流线路电流的检测用于判断是否出现过流故障，对换流回路电流、断流回路电流的检测用于断路器分合闸流程的控制；换流回路子模块导通和闭锁控制，换流回路子模块IGBT导通时，用于流过正常线路电流；换流回路子模块IGBT闭锁时，换流回路电流对换流回路IGBT子模块电容充电，使换流回路电流转移至断流回路；

断流回路子模块导通和闭锁控制，断流回路子模块IGBT导通时，用于短时流过直流线路的电流；断流回路子模块IGBT闭锁时(在分闸流程下)，断流回路子模块电容充电，子模块电容电压上升，直至能量吸收回路的避雷器动作；快速机械开关分合控制，快速机械开关分闸，用于承受直流母线电压和避雷器残压；快速机械开关合闸，用于流过直流线路电流；

接收上级控制保护设备的断路器分合闸命令，断路器需要根据上级控制保护设备的指令，执行相应的操作；送能单元的控制，与送能单元的控制器通信，控制送能单元启动或停止对处于高电位的换流回路子模块和断流回路子模块供电；换流回路子模块故障监测。对换流回路子模块故障采取相应的故障处理措施；断流回路子模块故障监测；对断流回路子模块故障采取相应的故障处理措施；电流采集单元故障监测；快速机械开关故障监测。

断路器控制保护程序采用定时中断方式，在中断中执行对各部分的操作和监视。为保证对直流短路故障的快速响应，中断程序每25us执行一次。中断程序中直流断路器的控制时序如图1所示，具体描述如下：

(1)首先接收传感检测单元的数据，判断线路和各支路是否出现过流。

(2)接收换流回路子模块回报，接收断流回路子模块回报，监测子模块故障。

(3)接收快速机械开关回报，监测快速机械开关分合状态和是否有故障。

(4)接收上级控制保护的指令。

(5)根据各部分的回报，对各部分故障进行处理，对于影响断路器正常运行的子模块故障，快速机械开关故障，断路器控制保护设备要报严重故障，并退出运行；对于直流断路器仍能正常运行的网络通信故障，断路器控制保护设备要报轻微故障。

(6)根据上级控制保护指令，传感检测单元检测结果，故障处理结果以及直流断路器现在所处的状态，通过顺序控制算法，决定接下来断路器的控制操作。

(7)根据顺控算法的结果，向换流回路子模块发送控制命令。

(8)根据顺控算法的结果，向断流回路子模块发送控制命令。

(9)根据顺控算法的结果，向快速机械开关发送控制命令。

(10)向快上级控制保护发送断路器当前状态，包括分合闸状态和故障状态。

顺序控制算法根据上级控制保护指令，传感检测单元检测结果，故障处理结果以及直流断路器现在所处的状态，做出相应的判断和动作。顺序控制算法按断路器所处的状态分为4个阶段，直流断路器处于不同的状态时，执行对应阶段的算法。

第1阶段为合闸状态，该阶段的算法见图2，图2为本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法中顺序控制的第一阶段算法流程图。首先检测是否有子模块故障或者快速机械开关故障，如果有子模块故障或者快速机械开关故障，就报严重故障，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果没有子模块故障或者快速机械开关故障，就检测是否发生了网络通信故障，如果发生了就报轻微故障。不管有没有发生网络通信故障，都检测线路是否过流，如果过流就闭锁换流回路子模块，进入第2阶段，并结束该段算法；如果没有过流就检查是否收到分闸命令；如果有分闸命令就闭锁换流回路子模块，进入第2阶段，然后结束该段算法；如果没有分闸命令，直接结束该段算法。

第2阶段为第一次换流状态，该阶段的算法见图3，图3为本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法中顺序控制的第二阶段算法流程图。首先检测是否发生子模块故障或者快速机械开关故障，如果发生了子模块故障或者快速机械开关故障，就闭锁断流回路，报严重故障，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果没有发生子模块故障或者快速机械开关故障，就检查换流回路电流是否小于100A；如果换流回路电流小于100A，就关断快速机械开关，进入第3阶段，然后算法结束；如果换流回路电流不小于100A，就直接结束该段算法。

第3阶段为快速机械开关分断状态，该阶段的算法见图4，图4本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法中顺序控制的第三阶段算法流程图。首先检测是否发生子模块故障或者快速机械开关故障，如果发生了子模块故障或者快速机械开关故障，就闭锁断流回路，报严重故障，进入第4阶段；如果没有发生子模块故障或者快速机械开关故障，就检测快速机械开关是否动作完成；如果快速机械开关动作完成就闭锁断流回路，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果快速机械开关未动作完成，就直接结束该段算法。

第4阶段为分闸或故障状态，该阶段的算法见图5，图5本发明级联全桥直流断路器控制系统的控制方法中顺序控制的第四阶段算法流程图。当发生子模块故障或快速机械开关故障时，报严重故障，然后结束该段算法；如果没有发生子模块故障或快速机械开关故障，就直接结束该段算法。

本发明提出的一种级联全桥直流断路器控制系统的控制方法能够对直流线路上的短路故障做出快速反应，控制断路器动作，满足对直流断路器快速性的要求；对级联全桥高压直流断路器控制保护设备的主要任务进行了总结，并按照级联全桥直流断路器的控制需要，对各个任务之间的时序进行了设计，使各个任务之间相互衔接，完成断路器的控制；能够在短时间内发现断路器各部分的故障，并采取适当的措施。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种级联全桥直流断路器控制系统的控制方法，所述全桥直流断路器控制系统包括：对直流线路电流、换流回路电流、断流回路电流的检测；对换流回路子模块的IGBT导通和闭锁控制；对断流回路子模块导通和闭锁的控制；对快速机械开关分合的控制；接收上级控制保护设备的断路器分合闸命令；对送能单元的控制；对换流回路子模块故障监测；对断流回路子模块故障监测；对电流采集单元故障监测；对快速机械开关故障监测；对送能单元故障监测；其特征在于，所述控制系统具有以下控制时序：

首先接收传感检测单元的数据，判断线路和各支路是否出现过流；

接收换流回路子模块回报，接收断流回路子模块回报，监测子模块故障；

接收快速机械开关回报，监测快速机械开关分合状态和是否有故障；

接收上级控制保护的指令；

根据各部分的回报，对各部分故障进行处理；

根据上级控制保护指令，传感检测单元检测结果，故障处理结果以及直流断路器现在所处的状态，通过顺序控制算法，决定接下来断路器的控制操作；

根据顺控算法的结果，向换流回路子模块发送控制命令；

根据顺控算法的结果，向断流回路子模块发送控制命令；

根据顺控算法的结果，向快速机械开关发送控制命令；

向上级控制保护发送断路器当前状态，包括分合闸状态和故障状态。

2.根据权利要求1所述的级联全桥直流断路器控制系统的控制方法，其特征在于，所述对各部分故障进行处理具有以下控制时序：

对于影响断路器正常运行的故障，断路器控制保护设备要报严重故障，并退出运行；

对于直流断路器仍能正常运行的故障，断路器控制保护设备要报轻微故障。

3.根据权利要求2所述的级联全桥直流断路器控制系统的控制方法，其特征在于，所述对换流回路子模块的IGBT导通和闭锁控制为当换流回路子模块的IGBT导通时，用于流过正常线路电流；当换流回路子模块的IGBT闭锁时，换流回路电流对换流回路IGBT子模块电容充电，使换流回路电流转移至断流回路。

4.根据权利要求2所述的级联全桥直流断路器控制系统的控制方法，其特征在于，所述对断流回路子模块导通和闭锁的控制断为：当断流回路子模块IGBT导通时，用于短时流过直流线路电流；当断流回路子模块IGBT闭锁时，断流回路子模块电容充电，子模块电容电压上升。

5.根据权利要求2所述的级联全桥直流断路器控制系统的控制方法，其特征在于，所述对快速机械开关分合的控制为：快速机械开关分闸，用于承受直流母线电压和避雷器残压；快速机械开关合闸，用于流过直流线路电流。

6.根据权利要求2所述的级联全桥直流断路器控制系统的控制方法，其特征在于，所述直流断路器包括四种状态：合闸状态、第一次换流状态、快速机械开关分断状态和分闸状态；所述顺序控制算法根据所述直流断路器所处的四种状态分为4个阶段：

第一阶段是当直流断路器为合闸状态时，所述顺序控制算法为：首先检测是否有子模块故障或者快速机械开关故障，如果有子模块故障或者快速机械开关故障，就报严重故障，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果没有子模块故障或者快速机械开关故障，就检测是否发生了网络通信故障，如果发生了就报轻微故障；不管有没有发生网络通信故障，都检测线路是否过流，如果过流就闭锁换流回路子模块，进入第2阶段，并结束该段算法；如果没有过流就检查是否收到分闸命令；如果有分闸命令就闭锁换流回路子模块，进入第2阶段，然后结束该段算法；如果没有分闸命令，直接结束该段算法；

第二阶段是当直流断路器为第一次换流状态时，所述顺序控制算法为：首先检测是否发生子模块故障或者快速机械开关故障，如果发生了子模块故障或者快速机械开关故障，就闭锁断流回路，报严重故障，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果没有发生子模块故障或者快速机械开关故障，就检查换流回路电流是否小于100A；如果换流回路电流小于100A，就关断快速机械开关，进入第3阶段，然后算法结束；如果换流回路电流不小于100A，就直接结束该段算法；

第三阶段是当直流断路器为快速机械开关分断状态时，所述顺序控制算法为：首先检测是否发生子模块故障或者快速机械开关故障，如果发生了子模块故障或者快速机械开关故障，就闭锁断流回路，报严重故障，进入第4阶段；如果没有发生子模块故障或者快速机械开关故障，就检测快速机械开关是否动作完成；如果快速机械开关动作完成就闭锁断流回路，进入第4阶段，然后结束该段算法；如果快速机械开关未动作完成，就直接结束该段算法；

第四阶段是当直流断路器为分闸状态时，所述顺序控制算法为：当发生子模块故障或快速机械开关故障时，报严重故障，然后结束该段算法；如果没有发生子模块故障或快速机械开关故障，就直接结束该段算法。