CN108390363B - 应用于柔性直流输电系统的限流器及装置 - Google Patents

应用于柔性直流输电系统的限流器及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了应用于柔性直流输电系统的限流器及装置，涉及柔性直流输电技术领域，其中，该应用于柔性直流输电系统的限流器包括：第一电感、第二电感、电力电子切换开关和保护器件，需要进行说明的是，第一电感和第二电感存在耦合关系，保护器件用来限制第一电感、第二电感或者电力电子切换开关两端电压的大小，第一电感和第二电感配合使用，使用时，电力电子切换开关在判断第一电感所在的主电路的电流未超出阈值时闭合，并且，将限流器总电感值限制到第一数值，使总电感值非常小，电力电子切换开关还在判断主电路电流超出阈值时断开，并且，将限流器总电感值限制到第二数值，这里，第二数值大于第一数值，从而有效抑制了主电路电流增长速度。

Description

应用于柔性直流输电系统的限流器及装置
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及应用于柔性直流输电系统的限流器及装置。
背景技术
柔性直流输电系统是当前电力系统发展的重要方向，但直流系统在短路时故障电流增长速度远高于交流系统，这要求直流系统有高性能的限流器，以备直流断路器能够成功切断电路。在实际运用过程中，要求限流器在正常运行时设备阻抗为零，系统运行无损耗。在系统发生短路故障时，能够有效抑制故障电流的增长速度。在系统恢复正常运行时，限流设备能够快速从故障中恢复。由于直流系统的特殊性，适应于交流系统的很多限流设备无法用于直流系统。目前发展的主要方向是超导限流器，但超导限流器存在以下问题：
一、电阻型超导限流器在失超时，其阻值从零增加到某电阻值，其将消耗电功率P＝i2R，该部分功率完全转化为热量。假定断路器需要时间T完全断开，则超导限流器产生的总热量为该总热量随着系统短路电流增加而以二次方关系增加，并随着断路器关断时间增加而线性增加。该总热量若不迅速导出系统，则超导限流器内部液氮气化导致压力剧增，系统有爆炸的危险。
二、电抗型超导限流器结构复杂，响应速度较慢，存在正常态损耗。
三、其他各种常规限流器要么存在稳态损耗，要么存在响应速度慢的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供了应用于柔性直流输电系统的限流器及装置，通过设置第一电感、第二电感和电力电子切换开关等，在系统发生故障时通过电力电子切换开关进行换路操作，增加系统的电感值，提高了对故障发生后电流增长过快的抑制能力。
第一方面，本发明实施例提供了应用于柔性直流输电系统的限流器，包括：第一电感、第二电感、电力电子切换开关和保护器件，其中，所述第一电感和所述第二电感存在耦合关系；
所述第一电感和所述第二电感配合使用；
所述保护器件，用于限制所述第一电感、所述第二电感或者所述电力电子切换开关的电压的大小；
所述电力电子切换开关，在判断所述第一电感所在的主电路的电流未超出阈值时闭合，且，将所述限流器总电感值限制到第一数值；
所述电力电子切换开关，还在判断主电路电流超出阈值时断开，且，将所述限流器总电感值限制到第二数值，其中，所述第二数值大于所述第一数值。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述保护器件包括第一压敏电阻，所述第一压敏电阻并联在所述第一电感的两端；
所述第一压敏电阻，用于限制所述第一电感两端电压的大小。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述保护器件还包括第二压敏电阻，所述第二压敏电阻与所述第二电感并联；
所述第二压敏电阻，用于限制所述第二电感两端电压的大小。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述保护器件还包括第三压敏电阻，所述第三压敏电阻与所述电力电子切换开关并联；
所述第三压敏电阻，用于限制所述电力电子切换开关两端电压的大小。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述电力电子切换开关在所述判断的结果为否闭合时，总电感值为Lab1＝L1(1-k2)；
所述电力电子切换开关在所述判断的结果为是时断开时，总电感值为Lab1＝L1；
其中，L1为所述第一电感值，k为耦合系数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述电力电子切换开关在所述判断的结果为否时闭合时，总电感值为
所述电力电子切换开关在所述判断的结果为是时断开时，总电感值为Lab2＝L1；
其中，L1为所述第一电感值，L2为所述第二电感值，k为耦合系数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述电力电子切换开关在所述判断的结果为否时闭合时，总电感值为Lab3＝L1(1-k2)；
所述电力电子切换开关在所述判断的结果为是时断开时，总电感值为
其中，L1为所述第一电感值，L2为所述第二电感值，k为耦合系数。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述第一压敏电阻、所述第二压敏电阻和所述第三压敏电阻均为金属氧化物电阻；
所述第一压敏电阻、所述第二压敏电阻和所述第三压敏电阻均用于过电压保护。
第二方面，本发明实施例提供了应用于柔性直流输电系统的限流装置，包括：相连接的监测控制电路和上述任一项所述的应用于柔性直流输电系统的限流器；
所述监测控制电路，用于对所述的应用于柔性直流输电系统的限流器进行状态监测、电力电子切换开关驱动和与外界进行通信。本发明实施例提供的应用于柔性直流输电系统的限流器及装置，其中，该应用于柔性直流输电系统的限流器包括：第一电感、第二电感、电力电子切换开关和保护器件，需要进行说明的是，第一电感和第二电感存在耦合关系，第一电感和第二电感配合使用，保护器件用来限制第一电感、第二电感或者电力电子切换开关的电压的大小，电力电子切换开关在判断第一电感所在的主电路的电流未超出阈值时闭合，并且，将限流器总电感值限制到第一数值，电力电子切换开关还在判断主电路电流超出阈值时断开，并且，将限流器总电感值限制到第二数值，需要进行说明的是，第二数值大于第一数值，这样，利用电感的耦合作用和电力电子切换开关的快速切换能力，在电力电子切换开关切断前后，电路中等效电感变化明显，使得该限流器在正常运行时对系统几乎无影响；而在故障态时，该限流器总等效电感迅速增加，起到了限制短路电路增加速度的作用。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的应用于柔性直流输电系统的限流器的第一结构连接图；
图2示出了本发明实施例所提供的应用于柔性直流输电系统的限流器的第二结构连接图；
图3示出了本发明实施例所提供的应用于柔性直流输电系统的限流器的第三结构连接图；
图4示出了本发明实施例所提供的应用于柔性直流输电系统的限流器的第四结构连接图；
图5示出了本发明实施例所提供的应用于柔性直流输电系统的限流器的第五结构连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，在柔性直流输电系统发生短路故障时，需要电路能有效抑制故障电流的增长速度。在柔性直流输电系统恢复正常运行时，需要电路中的限流设备能够快速从故障中恢复。由于直流系统的特殊性，原交流系统的很多限流设备无法用于直流系统。而现有的各种常规限流器要么存在稳态损耗，要么存在响应速度慢的缺陷。
基于此，本发明实施例提供了应用于柔性直流输电系统的限流器及装置，下面通过实施例进行描述。
实施例1
参见图1、图2、图3、图4和图5，本实施例提出的应用于柔性直流输电系统的限流器具体包括：第一电感、第二电感、电力电子切换开关和保护器件，需要进行说明的是，保护器件用于在电力电子切换开关切换时，抑制过电压，保护电力电子切换开关及电感。因为，耦合系数在0～1之间，是0的时候就不存在耦合，这种情况对于图2中的第二种电路和图3中的第三种电路也是可以用的。第一电感和第二电感存在耦合关系，第一电感和第二电感配合使用，保护器件用来限制第一电感、第二电感或者电力电子切换开关的电压的大小，电力电子切换开关在判断第一电感所在的主电路的电流未超出阈值时闭合，并且，将保护器件所在的限流器总电感值限制到第一数值，电力电子切换开关还在判断主电路电流超出阈值时断开，并且，将保护器件所在的限流器总电感值限制到第二数值，需要进行说明的是，第二数值大于第一数值。
此外需要进行说明的是，第一电感和第二电感的具体连接形式包括以下几种：
(1)如图1所示，电力电子切换开关在判断的结果为否闭合时，总电感值为Lab1＝L1(1-k2)，电力电子切换开关在判断的结果为是时断开时，总电感值为Lab1＝L1，需要进行说明的是，L1为第一电感值，k为耦合系数。
(2)如图2所示，电力电子切换开关在判断的结果为否时闭合时，总电感值为电力电子切换开关在判断的结果为是时断开时，总电感值为Lab2＝L1，需要进行说明的是，L1为第一电感值，L2为第二电感值，k为耦合系数。
此外，应用于柔性直流输电系统的限流器还包括第二压敏电阻，第二压敏电阻并联在第二电感的两端，第二压敏电阻用于限制第二电感两端电压的大小。应用于柔性直流输电系统的限流器还包第三压敏电阻，第三压敏电阻用于限制电力电子开关两端电压的大小。
(3)如图3所示，电力电子切换开关在判断的结果为否时闭合时，总电感值为Lab3＝L1(1-k2)，电力电子切换开关在判断的结果为是时断开时，总电感值为需要进行说明的是，L1为第一电感值，L2为第二电感值，k为耦合系数。
工作时，电流从图示中的a(+)端流入，b(-)端流出。图1、图2、图3所示电路在正常工作状态时，电力电子切换开关S闭合，需要进行说明的是，上述电力电子切换开关可采用如IGBT等快速大功率电力电子器件。根据互感计算公式，图1中Lab1＝L1(1-k2)，当k＝1全耦合时有Lab1＝0。图2中当k＝1全耦合时有Lab2＝0。图3中Lab3＝L1(1-k2)，当k＝1全耦合时有Lab3＝0。所以在正常状态下，ab端等效电感值Lab1、Lab2和Lab3很小，对系统的动态性能影响小。在理想直流状态时，图1中第二电感回路无感应电流，系统无损耗。图2中系统电流全部从第一电感L1支路通过，第二电感L2与电力电子切换开关S支路中无电流(因为电子开关有导通压降)，电路无损耗；图3中系统电流全部从第一电感L1，第二电感L2通过，电力电子切换开关S中无电流(因为电子开关有导通压降)，电路无损耗。
当电路的电流发生变化时，图1中第二电感中将产生感应电流；图2中第二电感与电力电子切换开关S支路中产生感应电流；图3中电力电子切换开关S中产生电流。在该过程中，由于电力电子切换开关导通压降的存在，此时，电力电子切换开关S存在一定的能量损耗。
当感应电流超过预设的阈值时，切断电力电子切换开关S，图1中Lab1＝L1，相比于正常状态时电感值得以增加；图2中Lab2＝L1，相比于正常状态时电感值得以增加；图3中Lab3＝L1+L2+2M，其中，M为互感值，相比于正常状态时电感值得以增加。该增加的电感串联到原直流输电系统主电路中，将会降低系统短路电流的增长速度，降低系统对直流断路器的要求。从总电感值改变的幅度来看，图3所示电路中总电感值增加幅度最大，图3电路是最优结构。
在实际系统中，需要根据系统参数设计第一电感值、第二电感值、互感值M、第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻的具体数值。根据参数的不同设计，以上电路可以演化出其他简单电路，均在本申请保护范围之内。例如，图3电路中，取M＝0即得到图4所示电路。取M＝0,L1＝0，合并第一压敏电阻与第二压敏电阻即得到图5所示电路。
上述电力电子电力电子切换开关可采用IGBT等快速大功率电力电子器件，用于在直流断路器有效关断前降低电流增长速率。
此外需要进行说明的是，M为第一电感与第二电感的互感值，定义其中，k为耦合系数，且0≤k≤1。
此外，应用于柔性直流输电系统的限流器还包括第一压敏电阻，第一压敏电阻并联在第一电感的两端，第一压敏电阻用于限制第一电感两端电压的大小。
此外，应用于柔性直流输电系统的限流器还包括第二压敏电阻，第二压敏电阻与第二电感并联，第二压敏电阻用于限制第二电感两端电压的大小。
此外，直流输电系统限流器在线取电电路还包括第三压敏电阻，第三压敏电阻并联在电力电子切换开关的两端，用于限制电力电子开关两端电压的大小。
另外需要进行说明的是，上述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻均为金属氧化物压敏电阻，第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻均用于过电压保护。
综上所述，本实施例提供的应用于柔性直流输电系统的限流器包括：第一电感、第二电感、电力电子切换开关和保护器件，需要进行说明的是，第一电感和第二电感存在耦合关系，第一电感和第二电感配合使用，保护器件用来限制第一电感、第二电感或者电力电子切换开关的电压的大小，电力电子切换开关在判断第一电感所在的主电路的电流未超出阈值时闭合，并且，将限流器总电感值限制到第一数值，电力电子切换开关还在判断主电路电流超出阈值时断开，并且，将限流器总电感值限制到第二数值，需要进行说明的是，第二数值大于第一数值，从而通过电感值的增加，达到了抑制限流器所在主电路的电流增长过快的目的。
实施例2
本实施例提供了应用于柔性直流输电系统的限流装置包括：相连接的监测控制电路和上述任一项的应用于柔性直流输电系统的限流器，在使用时，监测控制电路用来对应用于柔性直流输电系统的限流器进行状态监测、电力电子切换开关驱动控制和与外界进行通信，具体的包括对直流主电路状态监测、直流限流器的状态监测以及电力电子切换开关控制等。此外，当与外界连接时，监测控制电路还用来与外界进行通信。
综上所述，本实施例提供的应用于柔性直流输电系统的限流装置包括：相连接的监测控制电路和上述任一项的应用于柔性直流输电系统的限流器，在使用过程中，监测控制电路用来对应用于柔性直流输电系统的限流器进行状态监测、电力电子切换开关驱动和与外界进行通信，通过监测控制电路的设置，加强了对应用于柔性直流输电系统的限流器的运行状态的实时监测，并使与外界的通信更为方便快捷。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.应用于柔性直流输电系统的限流器，其特征在于，包括：第一电感、第二电感、电力电子切换开关和保护器件，其中，所述第一电感和所述第二电感存在耦合关系；
所述第一电感和所述第二电感配合使用；
所述保护器件，用于限制所述第一电感、所述第二电感或者所述电力电子切换开关的电压的大小；
所述电力电子切换开关，在判断所述第一电感所在的主电路的电流未超出阈值时闭合，且，将限流器总电感值限制到第一数值；
所述电力电子切换开关，还在判断主电路电流超出阈值时断开，且，将所述保护器件所在的限流器总电感值限制到第二数值，其中，所述第二数值大于所述第一数值；
所述电力电子切换开关在所述判断的结果为否时闭合时，总电感值为所述电力电子切换开关在所述判断的结果为是时断开时，总电感值为Lab2＝L1，其中，L1为所述第一电感值，L2为所述第二电感值，k为耦合系数；
所述电力电子切换开关在所述判断的结果为否时闭合时，总电感值为Lab3＝L1(1-k2)，所述电力电子切换开关在所述判断的结果为是时断开时，总电感值为其中，L1为所述第一电感值，L2为所述第二电感值，k为耦合系数。
2.根据权利要求1所述的应用于柔性直流输电系统的限流器，其特征在于，所述保护器件包括第一压敏电阻，所述第一压敏电阻并联在所述第一电感的两端；
所述第一压敏电阻，用于限制所述第一电感两端电压的大小。
3.根据权利要求2所述的应用于柔性直流输电系统的限流器，其特征在于，所述保护器件还包括第二压敏电阻，所述第二压敏电阻与所述第二电感并联；
所述第二压敏电阻，用于限制所述第二电感两端电压的大小。
4.根据权利要求3所述的应用于柔性直流输电系统的限流器，其特征在于，所述保护器件还包括第三压敏电阻，所述第三压敏电阻与所述电力电子切换开关并联；
所述第三压敏电阻，用于限制所述电力电子切换开关两端电压的大小。
5.根据权利要求1所述的应用于柔性直流输电系统的限流器，其特征在于，所述电力电子切换开关在所述判断的结果为否闭合时，总电感值为Lab1＝L1(1-k2)；
所述电力电子切换开关在所述判断的结果为是时断开时，总电感值为Lab1＝L1；
其中，L1为所述第一电感值，k为耦合系数。
6.根据权利要求4所述的应用于柔性直流输电系统的限流器，其特征在于，所述第一压敏电阻、所述第二压敏电阻和所述第三压敏电阻均为金属氧化物电阻；
所述第一压敏电阻、所述第二压敏电阻和所述第三压敏电阻均用于过电压保护。
7.应用于柔性直流输电系统的限流装置，其特征在于，包括：相连接的监测控制电路和如权利要求1-6任一项所述的应用于柔性直流输电系统的限流器；
所述监测控制电路，用于对所述的应用于柔性直流输电系统的限流器进行状态监测、电力电子切换开关驱动控制和与外界进行通信。
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