CN108448548A - 一种基于预充电电容的组合式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预充电电容的组合式直流断路器，包括站端侧部分和多个线路侧部分；站端侧部分安装于换流站的直流出口侧，每个线路侧部分分别安装于换流站的每一条直流出线上；当直流电网正常工作时，所述站端侧部分和每个线路侧部分进行预充电，当直流电网短路时，站端侧部分和出故障的线路上的线路侧部分相互配合关断故障线路。本发明还提供了一种基于上述组合式直流断路器的控制方法。本发明不仅可实现直流故障线路的无弧切除，而且能够降低直流电网设备成本；同时预充电电容的使用，抑制了故障电流对换流站的影响，避免电网电压崩溃，保证非故障支路正常运行。

Description

一种基于预充电电容的组合式直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种基于预充电电容的组合式直流断路器及其控制方法。

背景技术

直流电网通常由多个换流站及连接换流站间的直流输电线路组成。它能够实现新能源发电的可靠接入、向多个负荷中心远距离、大容量的高效传输。伴随着系统结构的日益复杂、节点数的不断增加，直流电网也产生了许多关键性问题。短路故障问题便是其中之一。与传统的交流电网相比，直流电网的短路保护难度更大。由于直流电网的低阻性、低惯量特性，在发生直流侧短路故障后，换流站两端的并联电容将快速放电，大量电流在很短时间注入短路点，电流值可在几个毫秒之内达到额定电流的几十倍，严重危害直流电网的各个设备，影响其它线路的安全运行。因此故障线路必须在短时间内得到有效地切除，中高压直流断路器技术的发展尤为关键。

直流电网断路器主要分为三类：机械式直流断路器、全固态式直流断路器以及混合式直流断路器。机械式断路器的开断速度慢，而全固态式开关由于成本高、通态损耗大，很难在高压大功率场合有所应用。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种不仅可实现直流故障线路的无弧切除，又可大大降低直流电网设备成本，同时站端侧预充电电容降低了故障电流对换流站的影响，保证了非故障线路的正常运行的基于预充电电容的组合式直流断路器。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供了一种基于预充电电容的组合式直流断路器，包括站端侧部分和多个线路侧部分；所述站端侧部分安装于换流站的直流出口侧，所述每个线路侧部分分别安装于换流站的每一条直流出线上；当直流电网正常工作时，所述站端侧部分和每个线路侧部分进行预充电，当直流电网短路时，站端侧部分和出故障的线路上的线路侧部分相互配合关断故障线路。

其中，所述站端侧部分包括第一晶闸管Ta1、第一电容Ca1、第一二极管Da1和第一电阻Ra1，其中，第一晶闸管Ta1的阳极与换流站的直流出口侧连接，第一晶闸管Ta1的阴极分别与第一电容Ca1的一端相连，第一电容Ca1的另一端接地；所述第一二极管Da1的阴极与第一晶闸管Ta1的阳极连接，第一二极管Da1的阳极与第一晶闸管Ta1的阴极连接；所述第一电阻Ra1并联在第一晶闸管Ta1的两端。

再者，所述线路侧部分包括：机械开关S、第一开关管组Q1、第一避雷装置MOV、第二二极管Db1、第二电容Cb1和第二电阻Rb1；所述机械开关S的一端与直流总线连接，所述机械开关S的另一端分别与第一开关管组Q1的一端和第一避雷装置MOV的一端连接，第一开关管组Q1的另一端和第一避雷装置MOV的另一端均与换流站的出线连接，第二二极管Db1的阴极和第二电阻Rb1的一端也与换流站的出线连接；第二二极管Db1的阳极和第二电阻Rb1的另一端均与第二电容Cb1的一端连接，第二电容Cb1的另一端接地。

或者，所述线路侧部分包括：机械开关S、第一开关管组Q1、第一避雷装置MOV、第一限流电感Lb1、第二二极管Db1、第二电容Cb1和第二电阻Rb1；所述机械开关S的一端与直流总线连接，所述机械开关S的另一端分别与第一开关管组Q1的一端和第一避雷装置MOV的一端连接，第一开关管组Q1的另一端和第一避雷装置MOV的另一端均与第一限流电感Lb1的一端连接，第一限流电感Lb1的一端还分别与第二二极管Db1的阴极和第二电阻Rb1的一端连接，第一限流电感Lb1的另一端串联在换流站的出线上；第二二极管Db1的阳极和第二电阻Rb1的另一端均与第二电容Cb1的一端连接，第二电容Cb1的另一端接地。加入限流电感Lb1可以有效地限制短路电流的上升速率。

所述第一开关管组Q1包括两个反向串联的IGBT，每个IGBT还并联了一个二极管。

其中，所述第一避雷装置MOV为氧化锌型避雷器。这样的保护效果更好。

本发明还包括基于上述组合式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：直流电网正常运行时，第一电容Ca1和第二电容Cb1进行预充电；当直流电网发生短路故障时，线路电流快速上升；

步骤2：当故障线路的线路电流上升到故障检测阈值时，控制器开始触发第一晶闸管Ta1；

步骤3：控制器关断第一开关管组Q1，切断故障线路电流，为机械开关S的无弧分断提供条件；

步骤4：等待故障线路的线路电流被完全关断后，控制器控制断开机械开关S；

步骤5：机械开关S断开后，控制器关断晶闸管Ta1的触发信号，最终能量在电阻支路续流消耗。

其中，所述故障检测阈值设置为额定电流的两倍。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)该基于预充电电容的组合式混合直流断路器，由于站端部分公用，大大降低直流电网的设备成本；2)站端侧部分预充电电容的使用，可有效限制故障电流对换流站的影响，避免直流电网电压的崩溃，保证了非故障支路的运行。

附图说明

图1是本发明提供的基于预充电电容的组合式直流断路器电路示意图；

图2是本发明在正常工作状况下的导通模态图；

图3是本发明在故障状况下第一阶段导通模态图；

图4是本发明在故障状况下第二阶段导通模态图；

图5是本发明在故障状况下第三阶段导通模态图；

图6是本发明的三端环形直流电网仿真模型；

图7是本发明故障切除过程中的电流和电压波形图；

图8是本发明故障切除过程中电网各线路电流波形图；

图9是本发明故障切除过程中电网各换流站电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明提供的一种基于预充电电容的组合式直流断路器，涉及一个换流站及其若干条直流出线，其中，包括站端侧部分1和线路侧部分2；站端部分安装在换流站直流出口侧；线路部分2安装在换流站的每一条直流出线上。站端侧部分1包括第一晶闸管Ta1、第一电容Ca1、第一二极管Da1和第一电阻Ra1，其中，第一晶闸管Ta1的阳极与换流站的直流出口侧连接，第一晶闸管Ta1的阴极分别与第一电容Ca1的一端相连，第一电容Ca1的另一端接地；第一二极管Da1的阴极与第一晶闸管Ta1的阳极连接，第一二极管Da1的阳极与第一晶闸管Ta1的阴极连接；第一电阻Ra1并联在第一晶闸管Ta1的两端。线路侧部分2包括机械开关S、第一开关管组Q1、第一避雷装置MOV、第一限流电感Lb1、第二二极管Db1、第二电容Cb1和第二电阻Rb1；机械开关S的一端与直流总线连接，机械开关S的另一端分别与第一开关管组Q1的一端和第一避雷装置MOV的一端连接，第一开关管组Q1的另一端和第一避雷装置MOV的另一端均与第一限流电感Lb1的一端连接，第一限流电感Lb1的一端还分别与第二二极管Db1的阴极和第二电阻Rb1的一端连接，第一限流电感Lb1的另一端串联在换流站的出线上；第二二极管Db1的阳极和第二电阻Rb1的另一端均与第二电容Cb1的一端连接，第二电容Cb1的另一端接地。

正常工作情况下，本发明通过机械开关S和第一开关管组Q1组成的载流支路传输功率，同时给直流断路器的站端侧部分1中的第一电容Ca1和线路侧部分2中的第二电容Cb1进行预充电，直至其达到系统电压等级，系统电压等级指本断路器所应用于的直流电网电压等级。一旦直流电网发生短路故障，本发明的的第一电容Ca1和第二电容Cb1将瞬间箝住机械开关S两端电压，为其提供无弧关断条件。

本发明提供的基于预充电电容的组合式直流断路器包括站端侧部分和与直流出线数目对应的线路侧部分。基于装置的对称性，以下仅以线路1上发生短路故障为例，对该断路器的工作过程进行阐述。

如图2所示，直流电网正常工作时，本发明通过机械开关S和开关管组Q1传送功率，同时给断路器的第一电容Ca1和第二电容Cb1充电，晶闸管Ta1保持关断状态。

当电网的线路1发生短路故障时，假设时刻为t0，线路电流将迅速增大；

(1)第一阶段：如图3所示，在t1时刻系统检测到短路故障之前，断路器的第一电容Ca1通过第一二极管Da1、第二电容Cb1通过第二二极管Db1向故障点放电。限流电感Lb1可以有效地限制短路电流的上升速率。

(2)第二阶段：在t1时刻，线路电流达到设定的故障检测阈值时，控制器立即给Ta1触发信号，为载流支路电流关断做准备；在t2时刻，控制器关断载流支路上的开关管组Q1，切断载流支路上的电流，为机械开关S的快速无弧分断做准备。如图4所示，此时，换流站通过第一晶闸管Ta1给第一电容Ca1继续充电，第二电容Cb1通过第二二极管Db1继续放电，载流支路两端承压为第一电容Ca1和第二电容Cb1的电压差值。t3时刻，在故障线路的线路电流被完全关断之后，控制器开始断开机械开关S。

(3)第三阶段：如图5所示，机械开关S完全关断之后，本发明的站端侧部分回路继续谐振，在t4时刻，停止触发第一晶闸管Ta1，因此谐振电流只能通过第一二极管Da1和第一电阻Ra1，最终达到稳定；同理，线路侧部分回路电流最终通过第二电阻Rb1所在支路进行续流消耗。

下面以加装所述组合式直流断路器的三端环形直流电网为例，结合仿真进一步分析该断路器的工作原理。仿真系统模型如图6所示，仿真参数如下：

换流站VSC1和换流站VSC2采用定功率控制，功率分别为300MW和120MW。换流站VSC3采用定电压控制，电压为200kV。线路12、13和23的线路电阻分别为1Ω、2Ω和1.5Ω，线路电感分别为40mH、80mH和60mH。对于所述断路器，A代表安装在换流站的直流出口侧的站端侧部分，B1、B2分别代表安装在换流站的每一条直流出线的线路侧部分，其参数为：限流电感Lb1＝100mH，电容器组Ca1＝Cb1＝2000uF，电阻Ra1＝Rb1＝20Ω，快速机械开关S达到安全开距的时间为2ms，无弧分断电流为0.01kA，第一开关管组Q1的额定电压为10kV，第一晶闸管Ta1额定电压为300kV，第一开关管组Q1种二极管阀组的反向耐压为300kV，故障电流检测阈值为额定电流的1.5倍。

仿真结果如图7～9所示，4s之前，直流电网正常运行。在4s时，线路13发生短路故障，直流断路器开始投入工作。图中电流I13、I23、I12分别为线路13、线路23、线路12上的电流；电压V1、V2、V3分别为换流站1、换流站2和换流站3的直流电压；Is为注入短路点的电流；ICb1为第二电容Cb1的电流值，ICa1为第一电容Ca1的电流值，UT为载流支路两端承压，UCa1、UCb1分别为断路器第一电容Ca1和第二电容Cb1的电压值。

从图7中可以看出，在t0时刻短路故障发生，线路电流I13开始增大，站端侧和线路侧电容开始向短路点缓慢放电，电流ICa1、ICb1上升，限流电感有效限制故障电流的上升速率；在t1时刻检测到故障，立即给第一晶闸管Ta1持续触发信号，为载流支路关断做准备；在t2时刻，关断载流支路开关管Q1，切断载流支路电流；从图中可以看出，此时ICa1改变方向，站端侧电容由放电变为充电状态，短路点电流通过线路侧电容支路续流；在t3时刻，机械开关S开始分断，使故障线路与电网隔离开；经过一定的分闸时间后，机械开关被完全关断，此时停止给晶闸管Ta1触发信号，最终站端侧通过电阻Ra1支路达到稳定，线路侧通过电阻Rb1支路进行消耗。从UT的波形可以看出，故障切除过程中，载流支路的两端承压很小，有利于无弧分闸的实现。

从图8的线路电流波形可得，在故障线路13被切除之后，其余非故障线路很快恢复运行；由图9可知，故障切除之后，换流站1和换流站2电压迅速回到系统电压等级，换流站3为定电压站，保持在200kV，避免了直流电网的电压崩溃，具有较高的运行可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于预充电电容的组合式直流断路器，其特征在于：包括站端侧部分和多个线路侧部分；所述站端侧部分安装于换流站的直流出口侧，所述每个线路侧部分分别安装于换流站的每一条直流出线上；当直流电网正常工作时，所述站端侧部分和每个线路侧部分进行预充电，当直流电网短路时，站端侧部分和出故障的线路上的线路侧部分相互配合关断故障线路。

2.根据权利要求1所述基于预充电电容的组合式直流断路器，其特征在于：所述站端侧部分包括第一晶闸管Ta1、第一电容Ca1、第一二极管Da1和第一电阻Ra1，其中，第一晶闸管Ta1的阳极与换流站的直流出口侧连接，第一晶闸管Ta1的阴极分别与第一电容Ca1的一端相连，第一电容Ca1的另一端接地；所述第一二极管Da1的阴极与第一晶闸管Ta1的阳极连接，第一二极管Da1的阳极与第一晶闸管Ta1的阴极连接；所述第一电阻Ra1并联在第一晶闸管Ta1的两端。

3.根据权利要求1所述的基于预充电电容的组合式直流断路器，其特征在于：所述线路侧部分包括：机械开关S、第一开关管组Q1、第一避雷装置MOV、第二二极管Db1、第二电容Cb1和第二电阻Rb1；所述机械开关S的一端与直流总线连接，所述机械开关S的另一端分别与第一开关管组Q1的一端和第一避雷装置MOV的一端连接，第一开关管组Q1的另一端和第一避雷装置MOV的另一端均与换流站的出线连接，第二二极管Db1的阴极和第二电阻Rb1的一端也与换流站的出线连接；第二二极管Db1的阳极和第二电阻Rb1的另一端均与第二电容Cb1的一端连接，第二电容Cb1的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的基于预充电电容的组合式直流断路器，其特征在于：所述线路侧部分包括：机械开关S、第一开关管组Q1、第一避雷装置MOV、第一限流电感Lb1、第二二极管Db1、第二电容Cb1和第二电阻Rb1；所述机械开关S的一端与直流总线连接，所述机械开关S的另一端分别与第一开关管组Q1的一端和第一避雷装置MOV的一端连接，第一开关管组Q1的另一端和第一避雷装置MOV的另一端均与第一限流电感Lb1的一端连接，第一限流电感Lb1的一端还分别与第二二极管Db1的阴极和第二电阻Rb1的一端连接，第一限流电感Lb1的另一端串联在换流站的出线上；第二二极管Db1的阳极和第二电阻Rb1的另一端均与第二电容Cb1的一端连接，第二电容Cb1的另一端接地。

5.根据权利要求3或4所述的基于预充电电容的组合式直流断路器，其特征在于：所述第一开关管组Q1包括两个反向串联的IGBT，每个IGBT还并联了一个二极管。

6.根据权利要求3或4所述的基于预充电电容的组合式直流断路器，其特征在于，所述第一避雷装置MOV为氧化锌型避雷器。

7.一种基于权利要求1所述的基于预充电电容的组合式直流断路器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：直流电网正常运行时，第一电容Ca1和第二电容Cb1进行预充电；当直流电网发生短路故障时，线路电流快速上升；

步骤2：当故障线路的线路电流上升到故障检测阈值时，控制器开始触发第一晶闸管Ta1；

步骤3：控制器关断第一开关管组Q1，切断故障线路电流，为机械开关S的无弧分断提供条件；

步骤4：等待故障线路的线路电流被完全关断后，控制器控制断开机械开关S；

步骤5：机械开关S断开后，控制器关断第一晶闸管Ta1的触发信号，最终能量在电阻支路续流消耗。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述故障检测阈值设置为额定电流的两倍。