CN107453339A - 一种混合式高压直流断路器的稳态补能控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合式高压直流断路器的稳态补能控制策略，该控制策略通过合理的开关动作时序，可使改进式全桥子模块电容电压在人为设定的阈值内波动，保证了能量的稳定性，防止电容电压因剧烈波动而影响其驱动电路的供电可靠性。此外，由于本发明负载转移开关和主断路器直接通过各自的子模块电容取能，无需外部供电，避免了工程中难以解决的绝缘及耐压问题，降低了设计、制造及施工难度，有利于该断路器拓扑在高压直流电网中的应用。

Description

一种混合式高压直流断路器的稳态补能控制策略
技术领域
本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种混合式高压直流断路器的稳态补能控制策略。
背景技术
为解决跨区域、大规模电力传输以及提升分布式新能源接纳能力，基于模块化多电平换流器的柔性直流电网技术正逐渐成为我国电网未来发展的重要方向之一。与交流输电以及传统直流输电技术相比，柔性直流输电具有有功功率无功功率可解耦控制、无需无功补偿装置、占地面积小、输出电压波形质量好等优点。然而虽然其在稳态运行方面具备显著优势，但其在直流故障保护与处理方面仍存在较大技术难题，其中高压直流断路器的研制是其中最为关键的技术难点。
就目前研发现状而言，基于常规机械开关和电力电子器件组合的混合式高压直流断路器最具有大规模商业化应用的前景。ABB公司于2012年宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器，开断时间为5ms，额定电压为320kV，电流开断能力约为9kA。Alstom公司于2013宣布其研发的超快速机械电子断路器获得成功，额定电压为120kV，电流开断能力约为5.2kA。全球能源互联网研究院于2014年宣布研制完成额定电压为200kV的混合式高压直流断路器，可在3ms内分断15kA的故障电流，并于2016年12月在舟山五端柔性直流输电工程成功投运。然而，以上断路器均采用外部供电的方式为断路器中IGBT的驱动电路供能，但由于断路器需要串联在直流线路中，且直流电压等级较高，因此对外部供电电路的绝缘、耐压能力提出了较高要求，这一缺陷大大限制了直流断路器在高压技术领域中的应用。
为了使直流断路器具备自供能能力，在直流断路器投入运行的过程中，需要不断对其内部的电容进行补能操作。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种混合式高压直流断路器的稳态补能控制策略，其通过合理的开关动作时序，能够使子模块电容电压在人为设定的阈值内波动，保证了能量的稳定性，防止电容电压因剧烈波动而影响其驱动电路的供电可靠性。
一种混合式高压直流断路器的稳态补能控制策略，所述混合式高压直流断路器由日常通流支路和故障断流支路并联组成，其一端通过隔离开关以及电抗器与换流站相连，另一端则与直流输电线路相连；所述日常通流支路包括超快速机械开关和负载转移开关，超快速机械开关的一端与隔离开关相连，超快速机械开关的另一端与负载转移开关的一端相连，负载转移开关的另一端与直流输电线路相连；所述故障断流支路由主断路器和避雷器并联构成，所述主断路器和负载转移开关均由若干个改进型全桥子模块串联组成；
所述稳态补能控制策略包括对负载转移开关进行补能以及对主断路器进行补能两部分，其中对负载转移开关进行补能的具体控制步骤如下：
1.1当检测到负载转移开关中任一子模块的电容电压小于等于稳态阈值下限Umin时，将主断路器中少量子模块关断，同时关断负载转移开关中的所有子模块，此时由于主断路器的反向电压大于负载转移开关的反向电压，因此直流电流将对负载转移开关中的子模块电容进行充电；
1.2当检测到负载转移开关中任一子模块的电容电压大于等于稳态阈值上限Umax时，将负载转移开关和主断路器均设为导通状态，则负载转移开关补能结束；
对主断路器进行补能的具体控制步骤如下：
2.1当检测到主断路器中任一子模块的电容电压低于稳态阈值下限Umin时，将负载转移开关设为关断状态，直流电流将转移到故障断流支路上；
2.2对主断路器中各子模块电容进行分组充电，当主断路器完成充电后将其设定为导通状态；
2.3将负载转移开关设为导通状态，直流电流从故障断流支路转移到日常通流支路，则主断路器补能结束。
进一步地，所述改进型全桥子模块包括一个电容C、两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2以及两个二极管D1～D2；其中，IGBT管T1的发射极与二极管D1的阴极相连并构成子模块的一端，IGBT管T1的集电极与电容C的正极以及IGBT管T2的集电极相连，IGBT管T2的发射极与二极管D2的阴极相连并构成子模块的另一端，二极管D1的阳极与二极管D2的阳极以及电容C的负极相连，IGBT管T1和T2的基极接对应IGBT驱动电路提供的开关驱动信号。
进一步地，所述步骤1.1中将主断路器中少量子模块关断，其关断的子模块数量略多于负载转移开关中的子模块总数。
进一步地，所述步骤2.2中对主断路器中各子模块电容进行分组充电，即分组关断主断路器中的子模块，轮流对当前关断组内的子模块电容进行充电，充电完成后导通该组并关断下一组。
进一步地，每一关断组中的子模块个数小于负载转移开关中的子模块总数；只有当负载转移开关产生的总反向电压大于主断路器中分组关断的子模块产生的反向电压，直流电流才能从故障断流支路流过，这样才能对主断路器中的子模块电容进行充电。
系统进入稳态运行模式后，负载转移开关的IGBT和主断路器的IGBT都处于导通状态，因此会消耗子模块电容中的能量，使电容电压降低，故需要每隔一段时间，需要对子模块电容进行充电。本发明通过合理的开关动作时序，能够使子模块电容电压在人为设定的阈值内波动，从以上负载转移开关补能操作和主断路器补能操作流程可以看出，整个补能过程不需要超快速机械开关动作，控制策略简单易行，故本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明负载转移开关和主断路器直接通过其子模块电容取能，无需外部供电，避免了工程中难以解决的绝缘及耐压问题，降低了设计、制造及施工难度，有利于该断路器拓扑在高压直流电网中的应用。
(2)通过本发明稳态补能控制策略可使子模块的电容电压在人为设定的阈值内波动，保证了能量的稳定性，防止电容电压因剧烈波动而影响其驱动电路的供电可靠性。
附图说明
图1为混合式高压直流断路器的拓扑结构示意图。
图2(a)为IFBSM导通状态下的电流流通路径示意图。
图2(b)为IFBSM关断状态下的电流流通路径示意图。
图3为四端直流电网的测试系统示意图。
图4(a)为负载转移开关补能过程中流过断路器负载转移开关和主断路器的电流波形图。
图4(b)为负载转移开关补能过程中负载转移开关子模块电容电压和主断路器子模块电容电压波形图。
图4(c)为负载转移开关补能过程中超快速机械开关、负载转移开关和主断路器两端的电压波形图。
图5(a)为主断路器补能过程中流过断路器负载转移开关和主断路器的电流波形图。
图5(b)为主断路器补能过程中负载转移开关子模块电容电压和主断路器子模块电容电压波形图。
图5(c)为主断路器补能过程中超快速机械开关、负载转移开关和主断路器两端的电压波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的研究对象为图1所示的混合式高压直流断路器，该断路器由日常通流支路和故障断流支路组成；其中，日常通流支路包括超快速机械开关和负载转移开关；故障断流支路由主断路器和避雷器并联构成。该混合式高压直流断路器中的负载转移开关和主断路器均由若干个改进式全桥子模块(IFBSM)串联组成。
本发明采用的IFBSM由2个IGBT、4个二极管以及1个子模块电容构成。改进式全桥子模块主要包括两种开关状态，分别是导通状态和关断状态，具体如下：
①导通状态；当IFBSM中的IGBT都开通时，电流直接从IGBT或其并联二极管流过，电容器被旁路；这种开关状态称为导通状态，其电流的流通路径如图2(a)所示。
②关断状态；当IFBSM中的IGBT被关断时，电流需要从电容器流过，直流电流的流通受阻碍；这种开关状态称为关断状态，其电流的流通路径如图2(b)所示。
可以看出，在正常运行时，负载转移开关和主断路器内部的子模块电容可带电运行。通过不同运行方式的切换，可使其快速、及时的从直流侧补充能量，该部分能量被储存在子模块电容当中，通过一定形式的辅助电路向IGBT的驱动电路供电，从而实现高压直流断路器的自供能运行。
系统进入稳态运行模式后，负载转移开关的IGBT和主断路器的IGBT都处于导通状态，因此会消耗子模块电容中的能量，使电容电压降低。因此，每隔一段时间，需要对子模块电容进行充电；稳态补能分为两种情况，一种情况是对负载转移开关进行补能，另一种情况是对主断路器进行补能。
首先考虑对负载转移开关进行补能的情况，其控制步骤如下：
(1)当检测到负载转移开关中任一子模块电容电压低于稳态阈值下限Umin时，将少量(个数略多于负载转移开关中子模块数目)主断路器中的IFBSM设为关断状态，同时关断负载转移开关中的IGBT；由于主断路器的反向电压大于负载转移开关的反向电压，因此直流电流将对负载转移开关中的电容进行充电。
(2)当检测到负载转移开关中任一子模块电容电压高于稳态阈值上限Umax时，将负载转移开关和主断路器设为导通状态，补能结束。
对主断路器进行补能的控制步骤相比上面要复杂一点，具体步骤如下：
(1)当检测到主断路器中任一子模块电容电压低于稳态阈值下限Umin时，将负载转移开关关断，直流电流则转移到故障断流支路。
(2)分组关断主断路器中的IFBSM，轮流对关断组内的IFBSM电容进行充电，充电完成后导通并关断下一组。需要注意的是，每组关断的IFBSM个数应该小于负载转移开关中IFBSM的个数，这样做的主要原因是：只有当负载转移开关产生的总反向电压大于主断路器中分组关断的IFBSM产生的反向电压，直流电流才能从故障断流支路流过。这样才能对主断路器中的IFBSM电容进行充电。
(3)主断路器完成充电后，将其设定为导通状态。
(4)将负载转移开关设为导通状态，直流电流从主断路器支路转移到日常通流支路，主断路器补能结束。
为了验证本发明混合式高压直流断路器稳态补能控制策略的有效性，我们在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了如图3所示的四端直流电网测试系统。
①负载转移开关补能仿真。
测试场景为：断路器充能完毕后，系统进入稳态运行模式，各换流站参考值恢复为原来的参考值；由于持续向IGBT驱动电路供能，负载转移开关的子模块电容电压逐渐下降到下限阈值0.9kV，此时需要对电容进行补能。
图4为断路器B24在负载转移开关补能过程中的动态特性，其中图4(a)为流过断路器负载转移开关和主断路器的电流，图4(b)为负载转移开关和主断路器的子模块电容电压，图4(c)为超快速机械开关、负载转移开关和主断路器两端的电压。
从仿真图中可以看出，当负载转移开关的子模块电容电压下降到0.9kV时，关断子模块的IGBT，使子模块处于充电状态；子模块电容电压很快充到上限阈值1.1kV，之后在开子模块的IGBT，系统恢复正常运行，这个过程中各电气量均无明显波动。
②主断路器补能仿真。
测试场景为：系统处于稳态运行模式；由于持续向IGBT驱动电路供能，主断路器的子模块电容电压逐渐下降到下限阈值0.9kV，此时需要对子模块电容进行补能。
图5为断路器B24在主断路器补能过程中的动态特性，其中图5(a)为流过断路器负载转移开关和主断路器的电流，图5(b)为负载转移开关和主断路器的子模块电容电压，图5(c)为超快速机械开关、负载转移开关和主断路器两端的电压。
从仿真图中可以看出，当收到主断路器的补能指令后，依次关断负载转移开关和超快速机械开关，直流电流被转移到主断路器支路中。待直流电流完成转移后，分组对主断路器中的子模块电容进行充电，经过约10ms主断路器完成补能；之后依次开通超快速机械开关和负载转移开关，系统恢复正常运行，整个补能过程中各电气量均无明显波动，系统的安全稳定运行特性不会受到影响。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种混合式高压直流断路器的稳态补能控制策略，所述混合式高压直流断路器由日常通流支路和故障断流支路并联组成，其一端通过隔离开关以及电抗器与换流站相连，另一端则与直流输电线路相连；所述日常通流支路包括超快速机械开关和负载转移开关，超快速机械开关的一端与隔离开关相连，超快速机械开关的另一端与负载转移开关的一端相连，负载转移开关的另一端与直流输电线路相连；所述故障断流支路由主断路器和避雷器并联构成，所述主断路器和负载转移开关均由若干个改进型全桥子模块串联组成；
所述稳态补能控制策略包括对负载转移开关进行补能以及对主断路器进行补能两部分，其中对负载转移开关进行补能的具体控制步骤如下：
1.1当检测到负载转移开关中任一子模块的电容电压小于等于稳态阈值下限Umin时，将主断路器中少量子模块关断，同时关断负载转移开关中的所有子模块，此时由于主断路器的反向电压大于负载转移开关的反向电压，因此直流电流将对负载转移开关中的子模块电容进行充电；
1.2当检测到负载转移开关中任一子模块的电容电压大于等于稳态阈值上限Umax时，将负载转移开关和主断路器均设为导通状态，则负载转移开关补能结束；
对主断路器进行补能的具体控制步骤如下：
2.1当检测到主断路器中任一子模块的电容电压低于稳态阈值下限Umin时，将负载转移开关设为关断状态，直流电流将转移到故障断流支路上；
2.2对主断路器中各子模块电容进行分组充电，当主断路器完成充电后将其设定为导通状态；
2.3将负载转移开关设为导通状态，直流电流从故障断流支路转移到日常通流支路，则主断路器补能结束。
2.根据权利要求1所述的稳态补能控制策略，其特征在于：所述改进型全桥子模块包括一个电容C、两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2以及两个二极管D1～D2；其中，IGBT管T1的发射极与二极管D1的阴极相连并构成子模块的一端，IGBT管T1的集电极与电容C的正极以及IGBT管T2的集电极相连，IGBT管T2的发射极与二极管D2的阴极相连并构成子模块的另一端，二极管D1的阳极与二极管D2的阳极以及电容C的负极相连，IGBT管T1和T2的基极接对应IGBT驱动电路提供的开关驱动信号。
3.根据权利要求1所述的稳态补能控制策略，其特征在于：所述步骤1.1中将主断路器中少量子模块关断，其关断的子模块数量略多于负载转移开关中的子模块总数。
4.根据权利要求1所述的稳态补能控制策略，其特征在于：所述步骤2.2中对主断路器中各子模块电容进行分组充电，即分组关断主断路器中的子模块，轮流对当前关断组内的子模块电容进行充电，充电完成后导通该组并关断下一组。
5.根据权利要求4所述的稳态补能控制策略，其特征在于：每一关断组中的子模块个数小于负载转移开关中的子模块总数。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108365236A (zh) * 2018-01-05 2018-08-03 全球能源互联网研究院有限公司 一种应用于高压直流断路器下的供能装置
CN111244909A (zh) * 2020-01-17 2020-06-05 西安交通大学 一种模块化的机械式直流断路器及其开断方法
CN111682788A (zh) * 2020-08-13 2020-09-18 山东晨宇电气股份有限公司 具有故障阻断能力的电流主动转移型mmc电力电子变压器
CN114172129A (zh) * 2021-12-02 2022-03-11 中国科学院电工研究所 可双向开断和软起动的混合器件固态断路器及控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4740858A (en) * 1985-08-06 1988-04-26 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Zero-current arc-suppression dc circuit breaker
CN107086547A (zh) * 2017-04-18 2017-08-22 浙江大学 一种具有自供能能力的组合式高压直流断路器及其自供能策略

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4740858A (en) * 1985-08-06 1988-04-26 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Zero-current arc-suppression dc circuit breaker
CN107086547A (zh) * 2017-04-18 2017-08-22 浙江大学 一种具有自供能能力的组合式高压直流断路器及其自供能策略

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108365236A (zh) * 2018-01-05 2018-08-03 全球能源互联网研究院有限公司 一种应用于高压直流断路器下的供能装置
CN108365236B (zh) * 2018-01-05 2020-07-28 全球能源互联网研究院有限公司 一种应用于高压直流断路器下的供能装置
CN111244909A (zh) * 2020-01-17 2020-06-05 西安交通大学 一种模块化的机械式直流断路器及其开断方法
CN111244909B (zh) * 2020-01-17 2021-08-27 西安交通大学 一种模块化的机械式直流断路器及其开断方法
CN111682788A (zh) * 2020-08-13 2020-09-18 山东晨宇电气股份有限公司 具有故障阻断能力的电流主动转移型mmc电力电子变压器
CN111682788B (zh) * 2020-08-13 2020-12-08 山东晨宇电气股份有限公司 具有故障阻断能力的电流主动转移型mmc电力电子变压器
CN114172129A (zh) * 2021-12-02 2022-03-11 中国科学院电工研究所 可双向开断和软起动的混合器件固态断路器及控制方法
CN114172129B (zh) * 2021-12-02 2022-06-24 中国科学院电工研究所 可双向开断和软起动的混合器件固态断路器及控制方法

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