CN108418196A - 适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器及其控制方法，故障限流器由限流支路与电流转移支路并联构成，限流支路为直流电抗器；电流转移支路包括H桥、半控单元和全控单元；H桥由四个二极管桥臂(11)(12)(13)(14)构成；半控单元由多个串联晶闸管T_J1～T_JM并联一个集中式MOV构成；全控单元由多个串联IGBT模块T_G1～T_GN并联分散式MOV构成；半控单元(2)与全控单元(3)同向串联后连接到H桥上两桥臂(11)(13)的共阴极点和下两桥臂(12)(14)的共阳极点。本发明能大大减小直流电抗器对系统暂态响应速度的不利影响，提高系统稳定性；同时能够消除直流电抗器对直流断路器故障电流清除速度的不利影响，提高故障隔离速度。

Description

适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流电网领域，一种适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器及其控制方法。

背景技术

基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流输电在降低输电损耗、减少供电走廊、提高供电质量、实现新能源发电的大规模集中接入等方面具备突出优势。其中，多换流站经直流线路直接互连的柔性直流电网由于具备更高的供电可靠性，因而成为柔性直流输电技术的主要发展方向。然而，柔性直流电网阻尼很小，直流故障发展速度极快(故障电流急剧上升、直流电压迅速跌落)，现有保护与直流断路器动作速度难以匹配直流故障发展速度。

针对上述问题，有必要配置有效的直流故障限流措施，限制直流故障电流快速上升、直流电压迅速跌落，延缓故障发展速度、减小故障危害，并使得保护与断路器动作速度能够与故障发展速度相匹配，防止MMC换流站由于过流而快速自闭锁(退出运行)，实现健全网络的可靠故障穿越。

目前，柔性直流电网典型的直流故障限流方法主要是直接在直流线路上安装直流电抗器，该方法能够有效限制直流故障电流上升速度。但是柔性直流电网主要由电压源型换流器构成，大量装设直流电抗器会导致柔性直流电网丧失电流快速调节的能力，大大降低潮流突变时的暂态响应速度，减小系统稳定性。而且，直流电抗器会导致直流断路器的故障电流清除时间大大增加，故障隔离速度大大减小，不利于健全系统的快速恢复和故障线路绝缘的快速恢复。为此，在实现直流故障限流的同时，尽量减小对系统的不利影响、实现与直流断路器的有效配合成为柔性直流电网限流技术研究需解决的核心问题。

发明内容

针对目前柔性直流电网保护与断路器动作速度无法保证直流故障后剩余网络的安全可靠穿越、现有限流技术会对系统造成不利影响且无法实现与直流断路器的匹配协调等问题，本发明提出了一种适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器及其控制方法，实现了直流故障电流的有效限制，限流、保护与直流断路器之间的协调配合，并减小了对直流电网正常运行时的不利影响。

本发明的一种适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器，由限流支路与电流转移支路并联构成，具体结构如下：

其中，限流支路为直流电抗器；电流转移支路包括H桥、半控单元和全控单元；H桥由四个二极管桥臂11、12、13、14构成；半控单元由多个串联晶闸管(T_J1～T_JM)并联一个集中式MOV构成；全控单元由多个串联IGBT模块(T_G1～T_GN)并联MOV构成，其中MOV分散并联于每一个IGBT模块；半控单元2与全控单元3同向串联后连接到H桥上两桥臂11、13的共阴极点和下两桥臂12、14的共阳极点。

本发明的一种适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器控制方法，该方法具体包括以下处理：

在直流电网正常稳态运行状态下：限流器电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN门信号均置零；此时直流电抗器接入在直流线路上，在直流故障后能够立即起到限流作用；此外由于上述电力电子固态开关在系统正常稳态运行时不导通电流，因此不会产生额外的功率损耗；

当限流器所在直流线路电流满足|Δi_dc|>Δi_set时，开始计时t；

若在开始计时时刻至Δt₁，一直未接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号，表明发生了潮流突变或者非本线路故障；对限流器进行以下控制：首先，计时时刻到达Δt₁后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN，直流电抗器能够被瞬间从故障回路中旁路出去，相当于负荷电流由限流支路转移至电流转移支路；导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN后延时Δt₂，然后交替关断串联IGBT模块T_G1～T_GN，实现负荷电流由电流转移支路向限流支路的转移；当电流转移支路内流经半控单元与全控单元同向串联支路的电流I_b<I_set时，将串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN所有门信号置零；最后，限流器控制策略复归；

若在计时开始时刻至Δt₁内任意时刻，限流器接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号，表明本线路发生故障且本地断路器已经跳闸。对限流器进行以下控制：首先，在接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号之后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN，直流电抗器能够被瞬间从故障回路中旁路出去，故障隔离期间直流断路器MOV仅需耗散故障线路的故障能量；在导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN后延时Δt₃，将串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN所有门信号置零，利用IGBT并联MOV耗散直流电抗器故障储能；然后开始等待重合闸信号，接收到断路器重合闸信号后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN；然后延时Δt₄，交替关断串联IGBT模块T_G1～T_GN，实现负荷电流由电流转移支路向限流支路的转移；当电流转移支路内流经半控单元与全控单元同向串联支路的电流I_b<I_set时，将串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN所有门信号置零；最后，限流器控制策略复归。

本发明提出的电流转移型新型直流故障限流器适用于柔性直流电网。发生直流故障以后，直流电抗器可实现无延时限流，发挥感性限流作用，有效限制故障电流的上升、直流电压的跌落，延缓直流故障发展速度。保证剩余网络在故障被切除以前能够可靠穿越，为保护与直流断路器留出足够的动作时间裕量。此外，限流器的电力电子固态开关在系统正常稳态运行时不导通电流，因此不会产生额外的功率损耗。

与直接安装直流电抗器进行限流的传统方法相比，本发明应用于柔性直流电网时具有以下优点：

1)潮流突变时，可迅速旁路直流电抗器，大大减小直流电抗器对系统暂态响应速度的不利影响，提高系统稳定性；

2)本地保护动作且本地断路器跳闸以后，直流电抗器能够立即从故障回路中旁路出去，直流断路器MOV在故障隔离期间仅需耗散线路的故障储能，隔离速度可大大加快，从而使得剩余网络能够快速恢复正常运行，故障线路能够快速恢复绝缘。

附图标记

图1为本发明的适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器拓扑结构图；

图2为本发明的适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器控制策略流程图；

图3为本发明的适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器工作原理图，(a)、限流器的正常稳态运行状态；(b)、导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN；(c)、交替关断串联IGBT模块T_G1～T_GN；(d)、关断所有串联IGBT模块T_G1～T_GN。

附图标记：

11、12、13、14、二极管桥臂，2、半控单元，3、全控单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明的适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器拓扑结构。如图所示，该故障限流器由限流支路与电流转移支路并联构成，其中限流支路即为直流电抗器。电流转移支路则主要由H桥、半控单元和全控单元构成。H桥由四个二极管桥臂11、12、13、14构成；半控单元由多个串联晶闸管(T_J1～T_JM)并联一个集中式MOV构成；全控单元由多个串联IGBT模块(T_G1～T_GN)并联MOV构成，其中MOV分散并联于每一个IGBT模块。半控单元2与全控单元3同向串联后连接到H桥上两桥臂11、13的共阴极点和下两桥臂12、14的共阳极点。

如图2所示，为本发明的适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器控制策略流程图。

在直流电网正常稳态运行状态下：限流器电流转移支路内的串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)门信号均置零。如图3(a)所示，此时直流电抗器接入在直流线路上，在直流故障后能够立即起到限流作用；此外由于上述电力电子固态开关在系统正常稳态运行时不导通电流，因此不会产生额外的功率损耗。

当限流器所在直流线路电流满足|Δi_dc|>Δi_set时，开始计时t。

若在开始计时时刻至Δt₁(Δt₁的取值需考虑直流电网配置的直流保护和直流断路器动作速度，取略大于故障发生至断路器跳闸所需的时间作为Δt₁的整定值。)，一直未接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号，表明发生了潮流突变或者非本线路故障。对限流器进行以下控制：首先，计时时刻到达Δt₁后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)，如图3(b)所示，直流电抗器能够被瞬间从故障回路中旁路出去(以i_L>i_dc为例，反之同理，其中i_L为流经限流器限流支路的电流，i_dc为直流线路电流)，相当于负荷电流由限流支路转移至电流转移支路，能够消除电抗器对线路电流快速跟踪参考值的不利影响；导通电流转移支路内的串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)后延时Δt₂，然后开始交替关断串联IGBT模块(T_G1～T_GN)，实现负荷电流由电流转移支路向限流支路的转移，如图3(c)所示(以i_L>i_dc为例，反之同理)，该转移过程中由于投入的MOV钳位电压很小，且是在线路电流已经完成大幅阶跃后进行，因此对系统暂态响应及稳定性影响较小；当电流转移支路内流经半控单元与全控单元同向串联支路的电流I_b<I_set时，将串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)所有门信号置零；最后，限流器控制策略复归。

若在计时开始时刻至Δt₁内任意时刻，限流器接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号，表明本线路发生故障且本地断路器已经跳闸。对限流器进行以下控制：首先，在接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号之后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)，如图3(b)所示，直流电抗器能够被瞬间从故障回路中旁路出去(以i_L>i_dc为例，反之同理)，故障隔离期间直流断路器MOV仅需耗散故障线路的故障能量，而无需耗散电抗器储能，可大大加快断路器的隔离速度，从而使得剩余网络能够快速恢复正常运行，故障线路能够快速恢复绝缘；在导通电流转移支路内的串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)后延时Δt₃，将串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)所有门信号置零，利用IGBT并联MOV耗散直流电抗器故障储能，如图3(d)所示；然后开始等待重合闸信号，接收到断路器重合闸信号后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)；然后延时Δt₄后，开始交替关断串联IGBT模块(T_G1～T_GN)，实现负荷电流由电流转移支路向限流支路的转移，如图3(c)所示(以i_L>i_dc为例，反之同理)；当电流转移支路内流经半控单元与全控单元同向串联支路的电流I_b<I_set时，将串联晶闸管(T_J1～T_JM)和串联IGBT模块(T_G1～T_GN)所有门信号置零；最后，限流器控制策略复归。

Claims (2)

1.一种适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器，其特征在于，该故障限流器由限流支路与电流转移支路并联构成，具体结构如下：

其中，限流支路为直流电抗器；电流转移支路包括H桥、半控单元和全控单元；H桥由四个二极管桥臂(11)(12)(13)(14)构成；半控单元由多个串联晶闸管T_J1～T_JM并联一个集中式MOV构成；全控单元由多个串联IGBT模块T_G1～T_GN并联MOV构成，其中MOV分散并联于每一个IGBT模块；半控单元(2)与全控单元(3)同向串联后连接到H桥上两桥臂(11)(13)的共阴极点和下两桥臂(12)(14)的共阳极点。

2.一种适用于柔性直流电网的电流转移型故障限流器控制方法，其特征在于，所述控制方法具体包括以下处理：

在直流电网正常稳态运行状态下：限流器电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN门信号均置零；此时直流电抗器接入在直流线路上，在直流故障后能够立即起到限流作用；此外由于上述电力电子固态开关在系统正常稳态运行时不导通电流，因此不会产生额外的功率损耗；

当限流器所在直流线路电流满足|Δi_dc|>Δi_set时，开始计时t；

若在开始计时时刻至Δt₁，一直未接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号，表明发生了潮流突变或者非本线路故障；对限流器进行以下控制：首先，计时时刻到达Δt₁后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN，直流电抗器能够被瞬间从故障回路中旁路出去，相当于负荷电流由限流支路转移至电流转移支路；导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN后延时Δt₂，然后交替关断串联IGBT模块T_G1～T_GN，实现负荷电流由电流转移支路向限流支路的转移；当电流转移支路内流经半控单元与全控单元同向串联支路的电流I_b<I_set时，将串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN所有门信号置零；最后，限流器控制策略复归；

若在计时开始时刻至Δt₁内任意时刻，限流器接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号，表明本线路发生故障且本地断路器已经跳闸。对限流器进行以下控制：首先，在接收到本地保护动作信号以及本地断路器跳闸信号之后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN，直流电抗器能够被瞬间从故障回路中旁路出去，故障隔离期间直流断路器MOV仅需耗散故障线路的故障能量；在导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN后延时Δt₃，将串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN所有门信号置零，利用IGBT并联MOV耗散直流电抗器故障储能；然后开始等待重合闸信号，接收到断路器重合闸信号后立即导通电流转移支路内的串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN；然后延时Δt₄，交替关断串联IGBT模块T_G1～T_GN，实现负荷电流由电流转移支路向限流支路的转移；当电流转移支路内流经半控单元与全控单元同向串联支路的电流I_b<I_set时，将串联晶闸管T_J1～T_JM和串联IGBT模块T_G1～T_GN所有门信号置零；最后，限流器控制策略复归。