CN108258669A - 一种二次换相式直流限流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二次换相式直流限流器及其控制方法，二次换相式直流限流器包括通流支路、限流支路和预充电支路，通流支路，用于实现直流线路稳态电流的导通，并将故障电流转移至限流支路，限流支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的限流电感接入直流线路；预充电支路，用于对限流支路中的换相电容进行在线充电，并对换相电容的充电电压进行控制，二次换相式直流限流器结构简单，采用低成本的半控型器件，损耗小，经济性好，造价低，且占地面积小；本发明提供的二次换相式直流限流器的控制方法分为二次换相式直流限流器所在的直流线路正常状态和故障状态两种状态对二次换相式直流限流器实现控制，控制方式简单，可控性强。

Description

一种二次换相式直流限流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种二次换相式直流限流器及其控制方法。

背景技术

高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)由于其技术和经济上的独特优势，在我国远距离大容量输电和大区联网中得到了广泛应用。高压直流输电不仅具有电网稳定、可靠等诸多特性，同时也为分布式能源的大规模接入提供了便利。但由于不能在系统故障时采取很好的应对措施，限制了直流电网的发展。其中主要技术难点在于高压大容量的直流限流器技术尚不成熟。因此，研究一种能够在直流系统故障时限制直流电流快速上升，减轻直流系统中各级设备压力的装置，已经成为国内外研究的热点。

从近20年的发展来看，可以将直流限流器分为两大类，主要是超导型的直流限流器和基于电力电子的直流限流器。由于超导型的直流限流器造价高昂，因此在相当长的时间内还不具备大规模应用潜力。而近年来由于电力电子器件的普及，基于电力电子的直流限流器被广泛研究和推广，主要集中在固态直流限流器和混合式直流限流器。固态直流限流器在电网系统正常运行时通过IGBT向用电端供电，然而IGBT的通态管压降较大，导致固态直流限流器的损耗大，经济性差。混合式直流限流器采用快速机械开关导通正常运行电流，电力电子开关分断故障电流，在保证分断容量和动作速度的前提下降低通态损耗，具有良好的研究与应用前景。缺点是关断电流取决于电力电子支路中器件数量，需要大量的电力电子器件，从而造成高压直流限流器造价昂贵且占地面积大。

发明内容

为了克服上述现有技术中固态直流限流器的损耗大且经济性差以及混合式直流限流器造价昂贵且占地面积大不足，本发明提供一种二次换相式直流限流器及其控制方法，二次换相式直流限流器包括通流支路、限流支路和预充电支路，通流支路，用于在直流线路正常状态下实现直流线路稳态电流的导通，并在直流线路故障状态下将故障电流转移至限流支路，限流支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的限流电感接入直流线路；预充电支路，用于对限流支路中的换相电容进行在线充电，并对换相电容的充电电压进行控制，分为二次换相式直流限流器所在的直流线路正常状态和故障状态两种状态对二次换相式直流限流器实现控制，二次换相式直流限流器结构简单，损耗小，且占地面积小。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种二次换相式直流限流器，包括：

通流支路，用于在直流线路正常状态下实现直流线路稳态电流的导通，并在直流线路故障状态下将故障电流转移至限流支路；

限流支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的限流电感接入直流线路；

预充电支路，用于对限流支路中的换相电容进行在线充电，并对换相电容的充电电压进行控制。

所述通流支路包括快速隔离开关和与快速隔离开关串联的转换模块；

所述转换模块包括N个IGBT单元，N个IGBT单元以串联、并联或串并联结合方式组合；

所述IGBT单元包括IGBT和与IGBT反并联的二极管。

所述限流支路与通流支路并联，形成公共点A和公共点B；

所述限流支路包括第一半控型器件单元、第一限流电感、第二半控型器件单元、第二限流电感、第三半控型器件单元、第四半控型器件单元和换相电容；

所述第一半控型器件单元、第二半控型器件单元、第三半控型器件单元和第四半控型器件单元均包括多个串联的半控型器件。

所述第一半控型器件单元一端连接公共点A，另一端连接第一限流电感的一端，所述第一限流电感的另一端连接公共点C，所述第二半控型器件单元的一端连接公共点C，其另一端连接第二限流电感的一端，所述第二限流电感的另一端连接B；

所述第三半控型器件单元一端连接公共点A，另一端连接公共点D，所述第四半控型器件单元一端连接公共点D，另一端连接公共点B；

所述换相电容一端连接公共点C，另一端连接公共点D。

所述第一半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均为从公共点A到公共点C，所述第二半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点C到公共点B，所述第三半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点A到公共点D，所述第四半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点D到公共点B。

所述预充电支路包括机械开关、电容组和限流电阻；

所述机械开关一端连接公共点D，另一端连接电容组的一端，所述电容组的另一端连接限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接地。

所述第一半控型器件、第二半控型器件、第三半控型器件和第四半控型器件均采用晶闸管或金氧氧化物半导体场效应管。

另一方面，本发明提供一种二次换相式直流限流器的控制方法，包括：

检测二次换相式直流限流器所在的直流线路状态；

根据直流线路的状态，控制通流支路中的所有IGBT导通，或者控制通流支路中的所有IGBT关断和限流支路中的所有半控型器件导通。

所述二次换相式直流限流器所在的直流线路状态，包括：

正常状态和故障状态。

所述根据直流线路的状态，控制通流支路中的所有IGBT导通，或者控制通流支路中的所有IGBT关断和限流支路中的所有半控型器件导通，包括：

当检测到二次换相式直流限流器所在的直流线路状态为正常状态时，则导通通流支路中的所有IGBT，控制稳态电流或故障电流流经通流支路；

当检测到二次换相式直流限流器所在的直流线路状态为故障状态时，则执行如下步骤：

关断通流支路中的所有IGBT，且限流支路中的第三半控型器件和第四半控型器件导通，故障电流流经第三半控型器件和第四半控型器件；

导通限流支路中的第二半控型器件，故障电流流经第三半控型器件、换相电容、第二半控型器件和限流支路中的第二限流电感；

导通限流支路中的第一半控型器件，故障电流流经第一半控型器件、限流支路中的第一限流电感、第二半控型器件和第二限流电感。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的二次换相式直流限流器包括通流支路、限流支路和预充电支路，通流支路，用于在直流线路正常状态下实现直流线路稳态电流的导通，并在直流线路故障状态下将故障电流转移至限流支路，限流支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的限流电感接入直流线路；预充电支路，用于对限流支路中的换相电容进行在线充电，并对换相电容的充电电压进行控制，二次换相式直流限流器结构简单，损耗小，且占地面积小；

本发明提供的二次换相式直流限流器的控制方法分为二次换相式直流限流器所在的直流线路正常状态和故障状态两种状态对二次换相式直流限流器实现控制，控制方式简单，可控性强；

本发明的中通流支路起到导通直流线路的稳态电流、降低直流线路损耗和节约成本的作用，预充电支路为限流支路中的换相电容预充电，使换相电容带初始电压，限流支路在故障电流出现后及时进行两次换相，投入限流电感，抑制故障电流；

本发明提供的技术方案充分利用了半控型器件耐高压大电流能力比较强的优点，通过换相电容的充放电，避免了半控型器件难以控制关断的缺点，可以灵活控制半控型器件的关断；

本发明提供的技术方案在二次换相式直流限流器所在的直流线路正常状态下，电流流经通流支路，通流支路具备较小的损耗电阻，稳态时经济性较好；

本发明提供的技术方案在二次换相式直流限流器所在的直流线路故障状态下，伴随着限流支路中换相电容的充放电效应，可通过控制半控型器件的投切实现两次换相，在故障电流的流通路径中串接限流电感，达到抑制故障电流的效果；

本发明提供的技术方案使用低成本的半控型器件，可以有效节约投资。

附图说明

图1是本发明实施例1中二次换相式直流限流器结构图；

图2是本发明实施例2中二次换相式直流限流器所在的直流线路正常状态时电流的流经路径示意图；

图3是本发明实施例2中步骤2-1)中故障电流的流经路径示意图；

图4是本发明实施例2中步骤2-2)中故障电流的流通路径示意图；

图5是本发明实施例2中步骤2-3)中故障电流的流通路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种二次换相式直流限流器，具体包括通流支路、限流支路和预充电支路，各个支路的功能如下：

其中的通流支路，用于在直流线路正常状态下实现直流线路稳态电流的导通，并在直流线路故障状态下将故障电流转移至限流支路；

其中的限流支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的限流电感接入直流线路；

其中的预充电支路，用于对限流支路中的换相电容进行在线充电，并对换相电容的充电电压进行控制。

上述通流支路包括快速隔离开关和与快速隔离开关串联的转换模块；转换模块包括N个IGBT单元，每个IGBT单元包括一个IGBT和与该IGBT1反并联的一个二极管。N个IGBT单元以串联、并联或串并联结合的方式组合，至少保证其中一个IGBT的方向与其他IGBT的方向相反，才能在直流线路正常状态下实现直流线路稳态电流的双向导通。

本发明实施例1中取转换模块包括2个IGBT单元，2个IGBT单元以串联方式组合。第一个IGBT单元包括IGBT1和与IGBT1反并联的二极管D1，第二个IGBT单元包括IGBT2和与IGBT2反并联的二极管D2，快速隔离开关的一端连接公共点A，其另一端连接IGBT1的集电极，IGBT1的发射极连接IGBT2的发射极(即IGBT1和IGBT2方向相反)，IGBT2的集电极连接公共点B。

本发明实施例1提供的二次换相式直流限流器具体结构图如图1所示，图1中，T1、T2、T3、T4均为晶闸管；L1表示第一限流电感，L2表示第二限流电感，K1表示快速隔离开关，K2表示机械开关，C1表示换相电容，C2表示电容组，R1表示限流电阻，A、B、C、D表示公共点。

限流支路与通流支路并联，形成公共点A和公共点B，限流支路包括第一半控型器件单元、第一限流电感、第二半控型器件单元、第二限流电感、第三半控型器件单元、第四半控型器件单元和换相电容，本发明实施例1中，第一半控型器件单元、第二半控型器件单元、第三半控型器件单元和第四半控型器件单元均采用单个晶闸管(即图1中的晶闸管T1、晶闸管T2、晶闸管T3和晶闸管T4)。

第一半控型器件单元一端连接公共点A，另一端连接第一限流电感的一端，第一限流电感的另一端连接公共点C，第二半控型器件单元的一端连接公共点C，其另一端连接第二限流电感的一端，所述第二限流电感的另一端连接B；

第三半控型器件单元一端连接公共点A，另一端连接公共点D，所述第四半控型器件单元一端连接公共点D，另一端连接公共点B；

换相电容一端连接公共点C，另一端连接公共点D。

第一半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均为从公共点A到公共点C，第二半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点C到公共点B，第三半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点A到公共点D，第四半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点D到公共点B，即晶闸管T1的阳极和阴极分别连接公共点A和公共点C，晶闸管T2的阳极和阴极分别连接公共点C和公共点B，晶闸管T3的阳极和阴极分别连接公共点A和公共点D，晶闸管T4的阳极和阴极分别连接公共点D和公共点B。

上述的预充电支路包括机械开关、电容组和限流电阻；

机械开关一端连接公共点D，另一端连接电容组的一端，电容组的另一端连接限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接地。

实施例2

本发明实施例2提供的二次换相式直流限流器的控制方法，具体过程如下：

S201：检测二次换相式直流限流器所在的直流线路状态；

S202：根据直流线路的状态，控制通流支路中的所有IGBT导通，或者控制通流支路中的所有IGBT关断和限流支路中的所有半控型器件导通。

上述S201中，二次换相式直流限流器所在的直流线路状态，包括：

正常状态和故障状态。

上述S202中，根据直流线路的状态，控制通流支路中的所有IGBT导通、或者控制通流支路中的所有IGBT关断和限流支路中的所有半控型器件导通，包括：

1)当检测到二次换相式直流限流器所在的直流线路状态为正常状态时，则导通通流支路中的所有IGBT，控制稳态电流或故障电流流经通流支路，电流流经路径如图2所示。

2)当检测到二次换相式直流限流器所在的直流线路状态为故障状态时，则执行如下步骤：

2-1)关断通流支路中的所有IGBT，且限流支路中的第三半控型器件和第四半控型器件导通，故障电流流经第三半控型器件和第四半控型器件；电流的流通路径示意图如图3所示；

2-2)导通限流支路中的第二半控型器件，故障电流流经由第四半控型器件向换相电容、第二半控型器件和限流支路中的第二限流电感转移，当流经第四半控型器件电流为0时，故障电流流经第三半控型器件、换相电容、第二半控型器件和限流支路中的第二限流电感，故障电流持续给换相电容充电，充电方向与换相电容的预充电方向相反，换相电容电压极性改变。故障电流的流通路径示意图如图4所示，实现第一次换相；

2-3)导通限流支路中的第一半控型器件，由于换相电容电压极性改变，故障电流流经由第三半控型器件和换相电容向第一半控型器件和限流支路中的第一限流电感转移。当流经第三半控型器件和换相电容的电流为0时，故障电流流经第一半控型器件、限流支路中的第一限流电感、第二半控型器件和第二限流电感。故障电流的流通路径示意图如图5所示，实现第二次换相。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二次换相式直流限流器，其特征在于，包括：

通流支路，用于在直流线路正常状态下实现直流线路稳态电流的导通，并在直流线路故障状态下将故障电流转移至限流支路；

限流支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的限流电感接入直流线路；

预充电支路，用于对限流支路中的换相电容进行在线充电，并对换相电容的充电电压进行控制。

2.根据权利要求1所述的二次换相式直流限流器，其特征在于，所述通流支路包括快速隔离开关和与快速隔离开关串联的转换模块；

所述转换模块包括N个IGBT单元，N个IGBT单元以串联、并联或串并联结合方式组合；

所述IGBT单元包括IGBT和与IGBT反并联的二极管。

3.根据权利要求1所述的二次换相式直流限流器，其特征在于，所述限流支路与通流支路并联，形成公共点A和公共点B；

所述限流支路包括第一半控型器件单元、第一限流电感、第二半控型器件单元、第二限流电感、第三半控型器件单元、第四半控型器件单元和换相电容；

所述第一半控型器件单元、第二半控型器件单元、第三半控型器件单元和第四半控型器件单元均包括多个串联的半控型器件。

4.根据权利要求3所述的二次换相式直流限流器，其特征在于，所述第一半控型器件单元一端连接公共点A，另一端连接第一限流电感的一端，所述第一限流电感的另一端连接公共点C，所述第二半控型器件单元的一端连接公共点C，其另一端连接第二限流电感的一端，所述第二限流电感的另一端连接B；

所述第三半控型器件单元一端连接公共点A，另一端连接公共点D，所述第四半控型器件单元一端连接公共点D，另一端连接公共点B；

所述换相电容一端连接公共点C，另一端连接公共点D。

5.根据权利要求4所述的二次换相式直流限流器，其特征在于，所述第一半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均为从公共点A到公共点C，所述第二半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点C到公共点B，所述第三半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点A到公共点D，所述第四半控型器件单元中所有半控型器件的导通方向均从公共点D到公共点B。

6.根据权利要求4所述的二次换相式直流限流器，其特征在于，所述预充电支路包括机械开关、电容组和限流电阻；

所述机械开关一端连接公共点D，另一端连接电容组的一端，所述电容组的另一端连接限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接地。

7.根据权利要求3所述的二次换相式直流限流器，其特征在于，所述第一半控型器件、第二半控型器件、第三半控型器件和第四半控型器件均采用晶闸管或金氧氧化物半导体场效应管。

8.一种如权利要求1-7任一所述的二次换相式直流限流器的控制方法，其特征在于，包括：

检测二次换相式直流限流器所在的直流线路状态；

根据直流线路的状态，控制通流支路中的所有IGBT导通，或者控制通流支路中的所有IGBT关断和限流支路中的所有半控型器件导通。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述二次换相式直流限流器所在的直流线路状态，包括：

正常状态和故障状态。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述根据直流线路的状态，控制通流支路中的所有IGBT导通，或者控制通流支路中的所有IGBT关断和限流支路中的所有半控型器件导通，包括：

当检测到二次换相式直流限流器所在的直流线路状态为正常状态时，则导通通流支路中的所有IGBT，控制稳态电流或故障电流流经通流支路；

当检测到二次换相式直流限流器所在的直流线路状态为故障状态时，则执行如下步骤：

关断通流支路中的所有IGBT，且限流支路中的第三半控型器件和第四半控型器件导通，故障电流流经第三半控型器件和第四半控型器件；

导通限流支路中的第二半控型器件，故障电流流经第三半控型器件、换相电容、第二半控型器件和限流支路中的第二限流电感；

导通限流支路中的第一半控型器件，故障电流流经第一半控型器件、限流支路中的第一限流电感、第二半控型器件和第二限流电感。