CN107528459A - 直流限流器拓扑及其驱动方法、直流限流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流限流器拓扑及其驱动方法、直流限流器，涉及输配电技术领域，能够限制直流故障电流，降低系统换相失败的概率。所述直流限流器拓扑包括：四个桥臂，分别为第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂，四个桥臂均由若干个晶闸管串联而成，第一上桥臂和第一下桥臂串联，第二上桥臂和第二下桥臂串联，且第一上桥臂和第一下桥臂串联而成的支路与第二上桥臂和第二下桥臂串联而成的支路并联；串联的电抗器和电容器，二者串联而成的支路一端连接至第一上桥臂和第一下桥臂之间，另一端连接第二上桥臂和第二下桥臂之间。本发明的技术方案应用于直流系统中，在系统故障时限制直流电流。

Description

直流限流器拓扑及其驱动方法、直流限流器

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，尤其涉及一种直流限流器拓扑及其驱动方法、直流限流器。

背景技术

随着我国输电容量的不断提升和电力电子技术的日益发展，高压直流输电以其技术上和经济上的独特优势，在远距离、大容量输电中得到广泛的应用。传统点对点的直流输电系统可以扩展为直流电网，其中柔性直流输电网是主要的发展方向，具备电网稳定、可靠的诸多特性，同时也为分布式能源的大规模接入提供了便利。

目前的直流输电系统绝大多数为点对点传输，多端传输寥寥无几，造成这一问题的主要原因就是没有一种有效的措施在直流输电系统发生故障时限制故障直流电流，故障期间直流电流的快速上升引起换相失败。

因此，有需要一种直流限流器，在故障期间限制直流电流快速上升，降低因直流电流飙升引起的换相失败的概率。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提供一种直流限流器拓扑及其驱动方法、直流限流器，以限制因直流系统故障或交流系统故障引起的直流电流的上升幅值，降低系统换相失败的概率，提高系统运行的稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供了一种直流限流器拓扑，所述直流限流器拓扑包括：四个桥臂，分别为第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂，四个所述桥臂均由若干个晶闸管串联而成，所述第一上桥臂和所述第一下桥臂串联，所述第二上桥臂和所述第二下桥臂串联，且所述第一上桥臂和所述第一下桥臂串联而成的支路与所述第二上桥臂和所述第二下桥臂串联而成的支路并联；串联的电抗器和电容器，所述电抗器和所述电容器串联而成的支路一端连接至所述第一上桥臂和所述第一下桥臂之间，另一端连接所述第二上桥臂和所述第二下桥臂之间。

本发明的第二方面一种直流限流器拓扑的驱动方法，所述驱动方法用于驱动如本发明的第一方面所述的直流限流器拓扑，所述直流限流器拓扑包括以下四种工作状态：工作状态一：第一上桥臂和第一下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径为第一上桥臂→第一下桥臂；或者，第二上桥臂和第二下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径为第二上桥臂→第二下桥臂；工作状态二：第一上桥臂和第二下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径为第一上桥臂→电抗器和电容器串联而成的支路→第二下桥臂；工作状态三：第二上桥臂和第一下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径为第二上桥臂→电抗器和电容器串联而成的支路→第一下桥臂；工作状态四：第一上桥臂、第一下桥臂和第二下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径包括：第一上桥臂→第一下桥臂，和第一上桥臂→电抗器和电容器串联而成的支路→第二下桥臂；或者，第二上桥臂、第一下桥臂和第二下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径包括：第二上桥臂→第二下桥臂，和第二上桥臂→电抗器和电容器串联而成的支路→第一下桥臂。

当启动所述直流限流器拓扑时，首先使所述直流限流器拓扑工作在工作状态二或工作状态三，对电容器进行初始充电；当电容器的电压达到设定值时，使所述直流限流器拓扑工作在工作状态四，将电容器旁路；当直流电流处于正常运行范围值时，使所述直流限流器拓扑工作在工作状态一；当直流电流超出正常运行范围值时，使所述直流限流器拓扑工作在工作状态二或工作状态三，工作状态二和工作状态三交替切换，且二者的切换频率与电容器电位反转的频率的一致。

本发明的第三方面提供了一种直流限流器，所述直流限流器包括如本发明的第一方面所述的直流限流器拓扑。

通过上述技术方案，当电网系统正常运行时，直流电流处于正常运行范围值，直流限流器拓扑工作在工作状态一，即电流通过第一上桥臂→第一下桥臂流通，或者通过第二上桥臂→第二下桥臂流通，从而不会影响系统参数。当电网系统的直流侧产生故障电流后，直流限流器在工作状态二和工作状态三之间交替切换，且切换频率与电容电位反转频率一致，在该频率下，电容器和电抗器呈现一定的阻抗值，总阻抗值为感性，从而在故障期间快速有效地限制直流电流，减轻了电网系统中各种相关电力设备承受的压力，降低了系统器件应力需求，降低了因直流电流上升导致换相失败发生的概率，提高乐系统故障恢复速度，改善了系统的运行状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例所提供的直流限流器拓扑图；

图2为本发明实施例所提供的直流限流器拓扑在电容器初始充电期间的第一种电流流通路径图；

图3为本发明实施例所提供的直流限流器拓扑在系统稳态期间的第一种电流流通路径图；

图4为本发明实施例所提供的直流限流器拓扑在电容器初始充电期间的第二种电流流通路径图；

图5为本发明实施例所提供的直流限流器拓扑在系统稳态期间的第二种电流流通路径图；

图6和图7为本发明实施例所提供的直流限流器拓扑在系统故障期间的电流路径图。

附图标记说明：

VT1-第一上桥臂； VT2-第一下桥臂；

VT3-第二上桥臂； VT4-第二下桥臂；

L-电抗器； C-电容器；

U_d-直流电压； I_d-直流电流；

R_d、L_d-直流系统参数。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种直流限流器拓扑，如图1所示，该直流限流器拓扑结构包括桥式结构，具体包括：四个桥臂、电抗器及电容器。

其中，四个桥臂分别为第一上桥臂VT1、第一下桥臂VT2、第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4，四个桥臂均由若干个晶闸管串联而成。第一上桥臂VT1和第一下桥臂VT2串联，第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4串联，且第一上桥臂VT1和第一下桥臂VT2串联而成的支路与第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4串联而成的支路并联，即第一上桥臂VT1的阳极与第二上桥臂VT3的阳极相连，第一下桥臂VT2的阴极与第二下桥臂VT4的阴极相连。优选的，第一上桥臂VT1、第一下桥臂VT2、第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4所包含的晶闸管的数量相同。需要说明的是，虽然图1中每个桥臂仅示出了一个晶闸管，但是这仅为示意性的数量，在实际应用过程中，每个桥臂的所包含的晶闸管的数量应根据实际需要设定。

电抗器L和电容器C串联，二者串联而成的支路一端连接至第一上桥臂VT1和第一下桥臂VT2之间(即第一上桥臂VT1和第一下桥臂VT2的相接处)，另一端连接第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4之间(即第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4的相接处)。电容器C和电抗器L的位置不分先后，可以是第一上桥臂VT1和第一下桥臂VT2的相接处与电容器C直接相连，第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4的相接处与电抗器L直接相连(即图1所示连接方式)；也可以是第一上桥臂VT1和第一下桥臂VT2的相接处与电抗器L直接相连，第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4的相接处与电容器C直接相连。

上述直流限流器拓扑在工作时有以下四种工作状态：

工作状态一：如图3所示，第一上桥臂VT1和第一下桥臂VT2存在触发脉冲，电流流通路径为第一上桥臂VT1→第一下桥臂VT2；或者，如图5所示，第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4存在触发脉冲，电流流通路径为第二上桥臂VT3→第二下桥臂VT4。

工作状态二：第一上桥臂VT1和第二下桥臂VT4存在触发脉冲，电流流通路径为第一上桥臂VT1→电抗器L和电容器C串联而成的支路→第二下桥臂VT4。

工作状态三：第二上桥臂VT3和第一下桥臂VT2存在触发脉冲，电流流通路径为第二上桥臂VT3→电抗器L和电容器C串联而成的支路→第一下桥臂VT2。

工作状态四：如图2所示，第一上桥臂VT1、第一下桥臂VT2和第二下桥臂VT4存在触发脉冲，电流流通路径包括：第一上桥臂VT1→第一下桥臂VT2，和第一上桥臂VT1→电抗器L和电容器C串联而成的支路→第二下桥臂VT4；或者，如图4所示，第二上桥臂VT3、第一下桥臂VT2和第二下桥臂VT4存在触发脉冲，电流流通路径包括：第二上桥臂VT3→第二下桥臂VT4，和第二上桥臂VT3→电抗器L和电容器C串联而成的支路→第一下桥臂VT2。

基于上述四种工作状态，本实施例中的直流限流器拓扑的驱动方法为：当启动直流限流器拓扑时，首先使直流限流器拓扑工作在工作状态二或工作状态三，对电容器C进行初始充电。当电容器C的电压达到设定值时，使直流限流器拓扑工作在工作状态四，将电容器C旁路。当直流电流处于正常运行范围值时，使直流限流器拓扑工作在工作状态一，电流通过第一上桥臂VT1→第一下桥臂VT2流通，或者通过第二上桥臂VT3→第二下桥臂VT4流通，从而不会影响系统参数。当系统故障，直流电流超出正常运行范围值时，使直流限流器拓扑工作在工作状态二或工作状态三，工作状态二和工作状态三交替切换，且二者的切换频率与电容器C电位反转的频率的一致，这样电容器C和电抗器L形成感性阻抗，从而在故障期间快速有效地限制直流电流。

下面以第一上桥臂VT1和第一下桥臂VT2的相接处与电容器C直接相连，第二上桥臂VT3和第二下桥臂VT4的相接处与电抗器L直接相连为例，对本实施例中直流限流器拓扑的驱动过程进行详细介绍。

当电网系统启动运行后，首先需要对直流限流器拓扑的电容器C进行初始充电，以为后续的限流控制工作做好准备。如图2所示，系统启动后，向第一上桥臂VT1和第二下桥臂VT4的晶闸管输出触发脉冲，触发导通第一上桥臂VT1和第二下桥臂VT4的晶闸管，对电容器C进行充电，电流流通路径为：第一上桥臂VT1→电容器C→电感器L→第二下桥臂VT4，即图2中实线箭头所示路径，此时直流限流器拓扑处于工作状态二。

当电容器C的电压达到设定值后，向第一下桥臂VT2的晶闸管输出触发脉冲，触发导通第一下桥臂VT2的晶闸管，电流流通的路径在图2中实线箭头所示路径上增加一路路径：第一上桥臂VT1→第一下桥臂VT2，即图2中虚线箭头所示路径，也就是说，电流沿图2中实线和虚线箭头共同流过，此时直流限流器拓扑处于工作状态四。

当第一下桥臂VT2的晶闸管完全导通、第二下桥臂VT4的晶闸管完全关断后，电容器C充电完毕，电容器C被旁路，图2中实线箭头所示的路径消失，如图3所示，电流的流通路径仅为：第一上桥臂VT1→第一下桥臂VT2，即图3中实线箭头所示路径，直流电流处于正常运行范围值，此时直流限流器拓扑处于工作状态一，该状态也是系统稳态时直流限流器拓扑的基本工作状态。

需要说明的是，由于直流限流器拓扑是对称结构，也可以采用以下过程实现对电容器C的充电及系统稳态时电流的正常流通。

如图4所示，系统启动运行后，向第二上桥臂VT3和第一下桥臂VT2的晶闸管输出触发脉冲，触发导通第二上桥臂VT3和第一下桥臂VT2的晶闸管，对电容器C进行充电，电流流通路径为：第二上桥臂VT3→电感器L→电容器C→第一下桥臂VT2，即图4中实线箭头所示路径，此时直流限流器拓扑处于工作状态二。

当电容器C的电压达到设定值后，向第二下桥臂VT4的晶闸管输出触发脉冲，触发导通第二下桥臂VT4的晶闸管，电流流通的路径在图4中实线箭头所示路径上增加一路路径：第二上桥臂VT3→第二下桥臂VT4，即图4中虚线箭头所示路径，也就是说，电流沿图4中实线和虚线箭头共同流过，此时直流限流器拓扑处于工作状态四。

当第二下桥臂VT4的晶闸管完全导通、第一下桥臂VT2的晶闸管完全关断后，电容器C充电完毕，电容器C被旁路，图4中实线箭头所示的路径消失，如图5所示，电流的流通路径仅为：第二上桥臂VT3→第二下桥臂VT4，即图5中实线箭头所示路径，直流电流处于正常运行范围值，此时直流限流器拓扑处于工作状态一，该状态是系统稳态时直流限流器拓扑的基本工作状态。

当检测到直流故障或交流故障，直流电流超出正常运行范围值时，立即向第二上桥臂VT3的晶闸管输出触发脉冲，触发导通第二上桥臂VT3的晶闸管，如图6所示，电流流通路径由第一上桥臂VT1→第一下桥臂VT2切换至第二上桥臂VT3→电感器L→电容器C→第一下桥臂VT2，即由图6中的实线箭头切换为虚线箭头，电容器C反向充电，第一上桥臂VT1的晶闸管逐渐关断，电容器C和电抗器L形成感性阻抗，从而限制直流故障电流，此期间直流限流器拓扑处于工作状态三。

当电容器C反向充电引起电位反转时，向第一上桥臂VT1和第二下桥臂VT4的晶闸管输出触发脉冲，触发导通第一上桥臂VT1和第二下桥臂VT4的晶闸管，如图7所示，电流流通路径转换为第一上桥臂VT1→电容器C→电感器L→第二下桥臂VT4，即图7中的虚线箭头所示，电容器C同样反向充电，电容器C和电抗器L同样形成感性阻抗，实现对直流故障电流的限制，此期间直流限流器拓扑处于工作状态二。

这样根据电容电位变化，轮换导通图6和图7中虚线箭头所示的电流流通路径，使直流限流器拓扑在工作状态二与工作状态三之间交替切换，并且使两种状态的切换频率与电容器电位反转频率一致，从而在该切换频率下，电容器C和电抗器L持续呈现一定的阻抗值，总阻抗值设定为感性，在故障期间达到限制直流电流的目的，从而减轻了电网系统中各种相关电力设备承受的压力，降低了系统器件应力需求，降低了因直流电流上升导致换相失败发生的概率，提高了系统故障恢复速度，改善了系统的运行状态。

此外，本实施例所提供的直流限流器拓扑，相对于现有的机械式直流限流器具有限流速度快的优点，相对于现有的超导型直流限流器具有成本低的优点，相对于现有的采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的直流限流器具有耐压耐流能力强的优点。

基于上述直流限流器拓扑，本实施例提供一种直流限流器，该直流限流器包括如上所述的直流限流器拓扑，该直流限流器应用于直流系统中，在系统正常工作时不影响系统参数，在系统故障时能够快速有效地限制因系统故障引起的直流电流上升幅值，起到良好的限流效果，降低因直流电流上升导致换相失败发生的概率，保护系统电力设备安全，提高系统运行的稳定性。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种直流限流器拓扑，其特征在于，所述直流限流器拓扑包括：

四个桥臂，分别为第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂，四个所述桥臂均由若干个晶闸管串联而成，所述第一上桥臂和所述第一下桥臂串联，所述第二上桥臂和所述第二下桥臂串联，且所述第一上桥臂和所述第一下桥臂串联而成的支路与所述第二上桥臂和所述第二下桥臂串联而成的支路并联；

串联的电抗器和电容器，所述电抗器和所述电容器串联而成的支路一端连接至所述第一上桥臂和所述第一下桥臂之间，另一端连接所述第二上桥臂和所述第二下桥臂之间。

2.根据权利要求1所述的直流限流器拓扑，其特征在于，所述第一上桥臂、所述第一下桥臂、所述第二上桥臂和所述第二下桥臂所包含的晶闸管的数量相同。

3.一种直流限流器拓扑的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法用于驱动如权利要求1或2所述的直流限流器拓扑，所述直流限流器拓扑包括以下四种工作状态：

工作状态一：第一上桥臂和第一下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径为第一上桥臂→第一下桥臂；或者，第二上桥臂和第二下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径为第二上桥臂→第二下桥臂；

工作状态二：第一上桥臂和第二下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径为第一上桥臂→电抗器和电容器串联而成的支路→第二下桥臂；

工作状态三：第二上桥臂和第一下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径为第二上桥臂→电抗器和电容器串联而成的支路→第一下桥臂；

工作状态四：第一上桥臂、第一下桥臂和第二下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径包括：第一上桥臂→第一下桥臂，和第一上桥臂→电抗器和电容器串联而成的支路→第二下桥臂；或者，第二上桥臂、第一下桥臂和第二下桥臂存在触发脉冲，电流流通路径包括：第二上桥臂→第二下桥臂，和第二上桥臂→电抗器和电容器串联而成的支路→第一下桥臂；

当启动所述直流限流器拓扑时，首先使所述直流限流器拓扑工作在工作状态二或工作状态三，对电容器进行初始充电；

当电容器的电压达到设定值时，使所述直流限流器拓扑工作在工作状态四，将电容器旁路；

当直流电流处于正常运行范围值时，使所述直流限流器拓扑工作在工作状态一；

当直流电流超出正常运行范围值时，使所述直流限流器拓扑工作在工作状态二或工作状态三，工作状态二和工作状态三交替切换，且二者的切换频率与电容器电位反转的频率的一致。

4.一种直流限流器，其特征在于，所述直流限流器包括如权利要求1或2所述的直流限流器拓扑。