CN108879623A - 一种多电压等级直流电网系统及控制保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多电压等级直流电网系统，所述直流电网系统至少一个直流变压器、至少两条直流母线以及至少一个出线限流器；所述直流变压器一端与第一直流母线连接，另一端与第二直流母线连接，可实现直流电压变换；所述出线限流器包括一组直流开关以及由第一旁路开关、第一限流电阻单元并联构成的第一限流单元。本发明还包含一种多电压等级直流电网系统的控制保护方法，在直流电网母线或出线发生短路故障时，均可通过迅速投入限流电阻单元，降低短路电流，并维持母线电压正常，实现故障穿越，极大的提高了直流电网的运行可靠性。

Description

一种多电压等级直流电网系统及控制保护方法

技术领域

本发明属于电力电子变流器领域，特别涉及一种多电压等级直流电网系统及控制保护方法。

背景技术

近年来直流电网技术应用范围越来越广泛，直流电网由于引入了大量的电力电子变流器，其运行方式更加灵活，也更为复杂，如何有效的保障直流电网运行的可靠性成为了限制直流电网发展的瓶颈：由于直流系统的线路阻抗较小，一旦发生短路故障，一方面，短路电流上升速率极快，而电力电子变流器由功率半导体构成，功率半导体器件的过流能力有限，短路电流会造成变流器损坏或闭锁；另一方面，出线短路造成的短路电流会将直流母线电压拉低，直流母线电压降低会影响所有挂在同母线上的设备以及负荷。因此，有必要采取措施限制短路电流，并在故障期间稳定直流母线电压，使故障的影响最小化。

发明内容

本发明旨在解决上述方案的不足，提供一种多电压等级直流电网系统及控制保护方法，通过增加限流电阻单元的投入，降低电流变化率，并通过电阻阻值匹配，稳定直流母线电压，迅速切除故障，极大的提高直流电网的可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供一种多电压等级直流电网系统，具体如下：

所述直流电网系统至少一个直流变压器、至少两条直流母线以及至少一个出线限流器；

所述直流变压器一端与第一直流母线连接，另一端与第二直流母线连接，可实现直流电压变换；所述出线限流器包括一组直流开关以及由第一旁路开关、第一限流电阻单元并联构成的第一限流单元，所述出线限流器一端与直流母线连接，另一端与出线连接。

其中，所述直流变压器包括直流变换单元，可实现直流电压变换。

其中，所述直流变压器包括直流变换单元，还包括由第二旁路开关、第二限流电阻单元并联构成的第二限流单元以及由第三旁路开关、第三限流电阻单元并联构成的第三限流单元，第二限流单元与第三限流单元串联在直流变换单元的两端。

其中，所述直流开关可分断直流电流。

其中，每个限流电阻单元的等效阻值可以相同。

其中，各个限流电阻单元的等效阻值可以不同。

其中，所述限流电阻单元包括多个支路，每个支路由选择开关和电阻串联连接构成，限流电阻单元的阻值可通过控制选择开关的分合进行调整。

其中，所述旁路开关由两个带反并联二极管的功率半导体开关器件反向串联连接构成。

其中，所述旁路开关可以由快速机械式接触器构成。

其中，所述出线限流器中限流电阻单元在本线路出线侧发生短路故障时投入，投入后本线路故障电流降低到设定值附近。

其中，所述出线限流器中限流电阻单元在其他线路出线侧发生短路故障时不投入。

其中，所述直流变压器中第三限流电阻单元在母线发生短路故障时投入，投入后直流变压器不发生过流。

其中，所述直流变压器中第二、第三限流电阻单元在线路出线侧发生短路故障时不投入。

本发明还包括了多电压等级直流电网系统的控制保护方法：

(1)当直流电网中的某出线发生短路故障时，所述控制保护方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到故障电流值超过限流动作门槛时，对应的出线限流器的旁路开关分开，使限流电阻单元投入；

步骤2：故障电流限制并保持在设定值，对应出线的过电流保护动作；

步骤3：分开对应的出线限流器的直流开关，将故障点切除。

(2)当直流电网中的某出线发生短路故障时，所述故障穿越方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到故障电流值超过限流动作门槛时，对应的出线限流器的旁路开关分开，使限流电阻单元投入，使故障电流限制并保持在设定值；

步骤2：检测与故障出线连接的直流母线电压；

步骤3：如电压在正常范围，与直流母线连接的直流变压器控制策略维持不变；

步骤4：当电压超出一定范围时，与直流母线连接的直流变压器对直流电压进行闭环调节；

步骤5：对应出线的过电流保护动作，分开对应的出线限流器的直流开关，将故障点切除。

其中，步骤1中可根据故障前的电流值和设定的过电流保护定值综合计算投入限流电阻单元的等效阻值，通过限流电阻单元的选择开关分合控制，使实际投入的阻值与计算值接近。

(3)当直流电网中的某一条母线发生故障时，所述控制保护方法包括如下步骤：

步骤1：当与故障母线连接的直流变压器检测到故障电流值超过限流动作门槛时，分开旁路开关，使限流电阻单元投入；

步骤2：直流变压器的控制策略切换到限流模式，即维持故障前的电流；

步骤3：如检测到故障消失，直流母线电压恢复正常范围，直流变压器切换回正常控制模式；

步骤4：如维持一段时间故障仍然存在，判定为永久故障，直流变压器中的直流变换单元中功率半导体器件闭锁，并上送故障。

本发明的有益之处在于：

(1)在出线故障时，通过迅速投入限流电阻单元，使在故障切除前，直流母线电压维持稳定，实现故障穿越。

(2)通过增加限流电阻单元的投入，降低故障电流变化率，有利于保护直流电网中的设备，在故障期间，直流变压器可以不用闭锁，当故障清除后，有利于系统快速恢复。

(3)通过限流电阻单元等效阻值的调整，可等效匹配故障前负荷状态，有利于保证故障前后系统潮流不发生变化，提高故障穿越的成功率。

(4)仅增加限流电阻单元即可实现直流电网的故障穿越功能，成本低，性价比高。

附图说明

图1是本发明多电压等级直流电网系统的一种实施例；

图2是本发明直流变压器的一种实施例；

图3是本发明出线限流器的一种实施例；

图4是本发明限流电阻单元的一种实施例；

图5是本发明直流变换单元的一种实施例；

图6是本发明旁路开关的一种实施例；

图7是本发明直流电网中故障点分布情况的一种实施例；

图8是本发明直流出线故障情况下的一种等效电路图；

图9是本发明直流母线故障情况下的一种等效电路图；

图中标号名称：1、直流母线1；2、直流母线2；3、直流变压器1；4、直流变压器2；5、直流变换单元；6、出线限流器1；7、出线限流器2；8、出线1；9、出线2；10、出线3；11、第二旁路开关；12、第三旁路开关；13、第二限流电子组；14、第三限流电阻；15、直流开关；16、第一限流电阻；17、第一旁路开关；18、直流母线；19、直流出线；20、限流电阻；21、电源点；22、系统阻抗；23、直流母线处；24、故障点；

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

一种多电压等级直流电网系统，所述直流电网系统至少一个直流变压器、至少两条直流母线以及至少一个出线限流器；

所述直流变压器一端与第一直流母线连接，另一端与第二直流母线连接，可实现直流电压变换；所述出线限流器包括一组直流开关以及由第一旁路开关、第一限流电阻单元并联构成的第一限流单元，所述出线限流器一端与直流母线连接，另一端与出线连接。

如图1所示，在本实施例中直流电网系统包括2台直流变压器，2条直流母线，2个出线限流器，以及三条出线。直流变压器1连接直流母线1和直流母线2，直流变压器2连接直流母线2与直流出线，两个出线限流器一端连接直流母线2，另一端连接各自的出线。

其中，所述直流变压器包括直流变换单元，可实现直流电压变换。其中直流变换单元如图5所示，由两个H桥构成，通过DC-AC,AC-DC实现直流变换功能。

出线限流器的拓扑结构如图3所示。

其中，所述直流变压器包括直流变换单元，还包括由第二旁路开关、第二限流电阻单元并联构成的第二限流单元以及由第三旁路开关、第三限流电阻单元并联构成的第三限流单元，第二限流单元与第三限流单元串联在直流变换单元的两端，如图2所示。

其中，所述直流开关可分断直流电流。

其中，每个限流电阻单元的等效阻值可以相同。

其中，各个限流电阻单元的等效阻值可以不同。

其中，所述限流电阻单元包括多个支路，每个支路由选择开关和电阻串联连接构成，限流电阻单元的阻值可通过控制选择开关的分合进行调整。

如图4所示，在本实施中限流电阻单元均包括3个支路，每个支路包括选择开关和电阻，每个电阻的阻值为60Ω，当K1,K2,K3闭合时，等效阻值为20Ω，当K1,K2,K3有两个开关闭合时，等效阻值为30Ω，当仅有一个开关闭合时，等效阻值为60Ω。

如图6所示，所述旁路开关由两个带反并联二极管的功率半导体开关器件反向串联连接构成。

其中，所述旁路开关可以由快速机械式接触器构成。

其中，所述出线限流器中限流电阻单元在本线路出线侧发生短路故障时投入，投入后本线路故障电流降低到设定值附近。

其中，所述出线限流器中限流电阻单元在其他线路出线侧发生短路故障时不投入。

其中，所述直流变压器中第三限流电阻单元在母线发生短路故障时投入，投入后直流变压器不发生过流。

其中，所述直流变压器中第二、第三限流电阻单元在线路出线侧发生短路故障时不投入。

本发明还包括了多电压等级直流电网系统的控制保护方法：

(1)当直流电网中的某出线发生短路故障时，所述控制保护方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到故障电流值超过限流动作门槛时，对应的出线限流器的旁路开关分开，使限流电阻单元投入；

步骤2：故障电流限制并保持在设定值，对应出线的过电流保护动作；

步骤3：分开对应的出线限流器的直流开关，将故障点切除。

(2)当直流电网中的某出线发生短路故障时，所述故障穿越方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到故障电流值超过限流动作门槛时，对应的出线限流器的旁路开关分开，使限流电阻单元投入，使故障电流限制并保持在设定值；

步骤2：检测与故障出线连接的直流母线电压；

步骤3：如电压在正常范围，与直流母线连接的直流变压器控制策略维持不变；

步骤4：当电压超出一定范围时，与直流母线连接的直流变压器对直流电压进行闭环调节；

步骤5：对应出线的过电流保护动作，分开对应的出线限流器的直流开关，将故障点切除。

其中，步骤1中可根据故障前的电流值和设定的过电流保护定值综合计算投入限流电阻单元的等效阻值，通过限流电阻单元的选择开关分合控制，使实际投入的阻值与计算值接近。

举例说明，如图7所示，当故障点为D1时，即出线故障，本实施中电源电压为10.5kV，系统阻抗为0.5Ω，限流电阻单元如图4所示。

如果在故障时，限流电阻未投入，此时故障点近端的直流母线处的直流电压接近为0，此时整条母线均会出现电压跌落的情况，无法实现故障穿越。

而当限流电阻投入时，如图8所示，投入电阻后，近端直流母线电压为：

10.5*R/(R+0.5),当投入的电阻阻值为30Ω时，直流电压为10.3kV，与正常的电压相比，偏差不到2％，实现了故障情况下稳定直流母线电压。

最终，出线1的过电流保护动作，分开对应的出线限流器的直流开关，将故障点切除。

(3)当直流电网中的某一条母线发生故障时，所述控制保护方法包括如下步骤：

步骤1：当与故障母线连接的直流变压器检测到故障电流值超过限流动作门槛时，分开旁路开关，使限流电阻单元投入；

步骤2：直流变压器的控制策略切换到限流模式，即维持故障前的电流；

步骤3：如检测到故障消失，直流母线电压恢复正常范围，直流变压器切换回正常控制模式；

步骤4：如维持一段时间故障仍然存在，判定为永久故障，直流变压器中的直流变换单元中功率半导体器件闭锁，并上送故障。

举例说明，如图7所示，当故障点为D2时，即直流母线2发生短路故障，此时，直流变压器1与直流变压器2均会检测到过流，直流母线电压2下降到接近于0。

在直流变压器中没有限流电阻单元时，过电流会导致直流变压器过流闭锁跳闸，或损坏。在本实施例中，直流变压器会迅速分开旁路开关，投入限流电阻单元，此时，通过限流电阻结合直流变压器控制策略的调整，可保证直流变压器输出电流维持在与故障前一致。

如图9所示，当母线电压为0时，投入阻值为20Ω，输出电压为10kV时，可将电流限制在500A。

不会因为故障闭锁跳闸，如果D2故障为瞬时故障，故障消失后，系统可迅速恢复正常运行，实现了故障穿越。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述直流电网系统包括至少一个直流变压器、至少两条直流母线以及至少一个出线限流器；

所述直流变压器一端与第一直流母线连接，另一端与第二直流母线连接，实现直流电压变换；所述出线限流器包括一组直流开关以及由第一旁路开关、第一限流电阻单元并联构成的第一限流单元，所述出线限流器一端与直流母线连接，另一端与出线连接。

2.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述直流变压器包括直流变换单元，实现直流电压变换。

3.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述直流变压器包括直流变换单元，还包括由第二旁路开关、第二限流电阻单元并联构成的第二限流单元以及由第三旁路开关、第三限流电阻单元并联构成的第三限流单元，第二限流单元与第三限流单元串联在直流变换单元的两端。

4.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述直流开关用以分断直流电流。

5.如权利要求3所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，每个限流电阻单元的等效阻值相同。

6.如权利要求3所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，各个限流电阻单元的等效阻值不同。

7.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述限流电阻单元包括多个支路，每个支路由选择开关和电阻串联连接构成，限流电阻单元的阻值通过控制选择开关的分合进行调整。

8.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述旁路开关由两个带反并联二极管的功率半导体开关器件反向串联连接构成。

9.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述旁路开关由快速机械式接触器构成。

10.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述出线限流器中限流电阻单元在本线路出线侧发生短路故障时投入，投入后本线路故障电流降低到设定值附近。

11.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述出线限流器中限流电阻单元在其他线路出线侧发生短路故障时不投入。

12.如权利要求1所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述直流变压器中第三限流电阻单元在母线发生短路故障时投入，投入后直流变压器不发生过流。

13.如权利要求3所述的多电压等级直流电网系统，其特征在于，所述直流变压器中第二、第三限流电阻单元在线路出线侧发生短路故障时不投入。

14.如权利要求1至13中任意一项所述的一种多电压等级直流电网系统的控制保护方法，其特征在于，当直流电网中的某出线发生短路故障时，所述控制保护方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到故障电流值超过限流动作门槛时，对应的出线限流器的旁路开关分开，使限流电阻单元投入；

步骤2：故障电流限制并保持在设定值，对应出线的过电流保护动作；

步骤3：分开对应的出线限流器的直流开关，将故障点切除。

15.如权利要求1至13中任意一项所述的一种多电压等级直流电网系统的故障穿越方法，其特征在于，当直流电网中的某出线发生短路故障时，所述故障穿越方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到故障电流值超过限流动作门槛时，对应的出线限流器的旁路开关分开，使限流电阻单元投入，使故障电流限制并保持在设定值；

步骤2：检测与故障出线连接的直流母线电压；

步骤3：如电压在正常范围，与直流母线连接的直流变压器控制策略维持不变；

步骤4：当电压超出设定的范围时，与直流母线连接的直流变压器对直流电压进行闭环调节；

步骤5：对应出线的过电流保护动作，分开对应的出线限流器的直流开关，将故障点切除。

16.如权利要求15所述的一种多电压等级直流电网系统的控制保护方法，其特征在于，步骤1中，根据故障前的电流值和设定的过电流保护定值综合计算投入限流电阻单元的等效阻值，通过限流电阻单元的选择开关分合控制，使实际投入的阻值与计算值接近。

17.如权利要求1至13中任意一项所述的一种多电压等级直流电网系统的控制保护方法，其特征在于，当直流电网中的某一条母线发生故障时，所述控制保护方法包括如下步骤：

步骤1：当与故障母线连接的直流变压器检测到故障电流值超过限流动作门槛时，分开旁路开关，使限流电阻单元投入；

步骤2：直流变压器的控制策略切换到限流模式，即维持故障前的电流；

步骤3：如检测到故障消失，直流母线电压恢复正常范围，直流变压器切换回正常控制模式；

步骤4：如维持一段时间故障仍然存在，判定为永久故障，直流变压器中的直流变换单元中功率半导体器件闭锁，并上送故障。