CN109038524A - 一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器及其工作方法，一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器，包括保护器模块，所述保护器模块包括推挽电路以及设置在推挽电路低压侧的稳压电容C1和设置在推挽电路高压测的稳压电容C2，以及阳极对接的二极管D1和D3，以及阴极对接的二极管D2和D4，所述稳压电容C2正极连接至二极管D1阳极，稳压电容C2负极连接至二极管D2的阴极，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极连接作为保护器模块的第一连接端子A，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极连接作为保护器模块的第二连接端子B。本发明的限流保护器可用于四象限运行，不受电网潮流方向影响。

Description

一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器及 其工作方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器及其工作方法。

背景技术

直流输电以及配电技术始于20世纪20年代，因为当时技术储备不足，在直流输电中，例如电压变换，潮流控制以及断路器等均难以实现，这在很大程度上制约着直流输电配电网的发展。如今，伴随着电力电子半导体器件与相关控制等技术的蓬勃发展，直流系统因具有相对于交流系统独特的先天优势，又一次被提及并越来越多的运用在新的输电以及配电系统的建设项目当中。然而，随着直流电压等级以及输电功率的提升，传统的电感型直流限流器因为需要的电感值大，功能单一，高度定制化以及成本昂贵等因素，已经不能够满足要求，从而给直流电网及配网带来了新的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器及其工作方法，采用主动式故障电流限流闭环控制技术，使得其无论在低压直流配电系统还是在中高压直流输电系统中都具有良好的电流限制性能，相信该技术在未来直流电网中有很好的运用前景。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器，包括保护器模块，所述保护器模块包括推挽电路以及设置在推挽电路低压侧的稳压电容C1和设置在推挽电路高压测的稳压电容C2，以及阳极对接的二极管D1和D3，以及阴极对接的二极管D2和D4，所述稳压电容C2正极连接至二极管D1阳极，稳压电容C2负极连接至二极管D2的阴极，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极连接作为保护器模块的第一连接端子A，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极连接作为保护器模块的第二连接端子B。

所述推挽电路中，稳压电容C1通过电感L分别与开关管Q5和开关管Q6的集电极连接，开关管Q5发射极连接至变压器低压侧第一抽头正极，开关管Q6的发射极连接至变压器低压侧第二抽头负极；变压器高压侧两端连入由四个开关管组成的主动式整流桥中，整流桥由两个开关管Q1和开关管Q2将发射极与集电极相串联，再与另外的两个相同方法串联的开关管Q3和开关管Q4组成并联形式；其中开关管Q1与开关管Q3的发射极相连，再与高压侧输出电容C2正极连接，开关管Q2和开关管Q4的集电极相连，再与高压侧输出电容C的负极连接。

保护器由多个结构相同的保护器支路连接而成，每个保护器支路包括多个串联的保护器模块，所有支路之间串联或者并联。

所述开关管为IGBT。

本发明还提供了一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器的工作方法，限流器并联在直流输电网极线的换流器两端，稳压电容C1并联有直流电源，包括升压过程，在升压过程中，直流电源为低压侧V1作为输入端，稳压电容C2为高压侧V2作为输出端，升压过程包括以下步骤：

步骤一，开关管Q5和Q6开通，此时高压输出端V2由稳压电容C2供电进而保持电压恒定，开关管Q1、Q2、Q3和Q4断开；

步骤二，开关管Q5开通，开关管Q6断开，此时开关管Q1和Q4开通，开关管Q2和Q3断开，能量经变压器，由低压端流入高压端；

步骤三，开关管Q6开通，Q1、Q2、Q3和Q4断开，此时高压输出端V2由稳压电容C2供电进而保持电压恒定；

步骤四，开关管Q6开通，Q5断开，此时Q2和Q3开通，Q1和Q4断开，能量经变压器，由低压端流入高压端。

在升压过程中，即直流电网短路，限流器输出反向电压，低压输入端V1的输入电压与高压输出端V2的输出电压之间的关系为：

其中，n为变压器变比，D为占空比。

当直流电源为电池组时，还包括降压为电池组充电过程，此时，低压侧V1作为输出端，高压侧V2作为输入端，开关管Q1、Q4和Q6同时动作，开关管Q2、Q3和Q5同时动作；两组开关管动作互补且对称，设在一个周期中，开关管Q1、Q4和Q6的导通时间与周期的比为占空比为D，则低压输入端V1的输入电压与高压输出端V2的输出电压的关系为：

其中，n为变压器变比，D为占空比。

在降压过程中，即直流电网正常工作，限流器对蓄电池充电，输入电压与输出电压之间关系为：

其中，n为变压器变比，D为占空比。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：与传统直流限流器不同，高压侧V2的电压方向是固定的，通过二极管D1和D4或是D2和D3的导通，实现了电网潮流方向双向到同条件，仍然具有故障限流能力，即本发明的限流保护器可用于四象限运行，不受电网潮流方向影响。

本发明通过对占空比D的调制，影响输出电压的大小，进而对短路电流进行控制，实现了主动式电流闭环控制，从而实现了对限流电流的精准控制，并在短路故障发生时，及时限制短路电流，同时该系统由于限流电流双向可连续设置，因此其具有宽范围的电流适应性，可匹配同一直流电网中有不同限流参数配置要求的断路器。

本发明的拓扑结构设计合理，采用电压对抗进行限流，因此在限流器的拓扑中，没有惯性环节的加入，本发明的反应速度取决于控制系统的调制速度，更进一步的说，就是取决于开关管的开关速度，因此，相对于传统的限流器特别是电感型限流器，本发明具有更好的灵活性。

本发明的拓扑具有双向的功能，能够进行充放电，可实现对电网峰谷调节。

此种限流器的限流形式，可以为电压型直流故障限流方法提供一种思路，为今后电压型限流器拓扑的进一步优化与控制方法的进一步完善提供了参考与思路。

附图说明

图1为本发明的主动控制式双向电流限流保护器拓扑；

图2为本发明的主动式限流器拓扑在限流过程中的工作波形图；

图3为本发明的限流器在直流电网中连接简化示意图；

图4为本发明的控制框图；

图5a为仿真短路电流设定值为6kA时的仿真结果图；

图5b为仿真短路电流设定值为5kA时的仿真结果图；

图5c为仿真短路电流设定值为4kA时的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

本发明采取以下电路拓扑，主体思路是当直流配网发生短路故障时，通过本发明的电路拓扑，可实现电压电流的四象限运行，该系统从低压端蓄电池组等电能储存装置取电，将多端直流系统发生短路故障时的电流减小并维持在一个相对可控，较小的数值范围之内，起到限制短路电流，以维持未故障直流系统的正常运行。

如图1所示，本发明的限流器主要是由四个二极管组成的全桥连接一个双向推挽电路组成，就主动式限流保护器拓扑本身而言，由于推挽的工作原理，能量能够进行双向的流动，当短路故障发生时，电能由低压侧的V1传输到高压侧V2，当电网供电恢复正常时，电能可以从高压侧V2流入低压侧，从而给蓄电池组充电与维护。其升压过程，即电池组放电过程工作原理如图2所示，在升压过程的具体步骤如下：

步骤一，开关管Q5和Q6开通，此时高压输出端V2由稳压电容C2供电进而保持电压恒定，开关管Q1、Q2、Q3和Q4断开，电感L充电，充电电压为低压侧输入电压，如图3中t1时间段所示；

步骤二，开关管Q5开通，开关管Q6断开，此时开关管Q1和Q4开通，开关管Q2和Q3断开，能量经变压器，由低压端流入高压端，电感L此时放电，高压侧输出电容C2充电，如图3中t2时间段所示；

步骤三，开关管Q6开通，Q1、Q2、Q3和Q4断开，此时高压输出端V2由稳压电容C2供电进而保持电压恒定，电感L继续充电，工作情况同t1相同，如图3中t3时间段所示；

步骤四，开关管Q6开通，Q5断开，此时Q2和Q3开通，Q1和Q4断开，能量经变压器，由低压端流入高压端，电感L放电，工作状况同t2相同，如图3中t4时间段所示。

在图5中，Q1为电力电子全控开关，当电网处于正常工作时，Q1为闭合状态。左侧为直流源，右侧为负载或是受端MMC/直流电压源。

本发明分为以下几个部分

步骤一，直流限流器安装于电网断路器与MMC/直流源之间。

步骤二，当直流配网正常运行时，此限流器处于零输出状态，整个拓扑被Q1旁路，不接入电网中。

步骤三，当电网中有短路故障时，故障电流被检测，Q1同时断开，限流器启动，并接入电网。

步骤四，通过预先设定的短路电流，产生与MMC/电压源相反方向的电压进行限流，使得电流大小始终控制在断路器可以正常断开直流线路的范围之内。

步骤五，待断路器将故障电流断开，此主动式限流器也退出工作，进而整个故障线路被隔离，而其余直流电网线路均正常工作。

根据以上实施步骤，控制器采用电流闭环控制，设计控制器如图4所示。在图4中，通过给定来设置短路电流限流参考值(包括方向和大小)，将其与实际短路电流的大小进行比较，得到两者电流的偏差，作为PI调节器的输入。PI调节器的输出值其物理意义为限流器开关工作的占空比D。随后，通过占空比传递函数Gvd(s)，将占空比转化为限流器的输出电压。由于直流变换器的输出电压与图3中直流电压源在电网中的输入电压的极性相反，因此二者的差值为短路故障地点的电压差。该电压差再除以整条线路的短路阻抗就是流经图3中短路点的短路电流，该电流也就是反馈给图4中反馈通道上的检测电流实际值。

基于以上发明搭建了相应的仿真验证平台予以验证，仿真结果如图5a、图5b和图5c所示，结果中的限流电流分别为6000A、5000A和4000A。从电流波形可知，直流电网在2s发生对地短路，经过短暂延迟后，限流器启动，并使短路电流维持在事前预定的设定值上，进而为断路器创造较好的工作环境，同时可为除图3中故障线路A以外的其他线路维持正常运行。

Claims (8)

1.一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器，其特征在于，包括保护器模块，所述保护器模块包括推挽电路以及设置在推挽电路低压侧的稳压电容C1和设置在推挽电路高压测的稳压电容C2，以及阳极对接的二极管D1和D3，以及阴极对接的二极管D2和D4，所述稳压电容C2正极连接至二极管D1阳极，稳压电容C2负极连接至二极管D2的阴极，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极连接作为保护器模块的第一连接端子A，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极连接作为保护器模块的第二连接端子B。

2.根据权利要求1所述的一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器，其特征在于，所述推挽电路中，稳压电容C1通过电感L分别与开关管Q5和开关管Q6的集电极连接，开关管Q5发射极连接至变压器低压侧第一抽头正极，开关管Q6的发射极连接至变压器低压侧第二抽头负极；变压器高压侧两端连入由四个开关管组成的主动式整流桥中，整流桥由两个开关管Q1和开关管Q2将发射极与集电极相串联，再与另外的两个相同方法串联的开关管Q3和开关管Q4组成并联形式；其中开关管Q1与开关管Q3的发射极相连，再与高压侧输出电容C2正极连接，开关管Q2和开关管Q4的集电极相连，再与高压侧输出电容C的负极连接。

3.根据权利要求1所述的一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器，其特征在于，保护器由多个结构相同的保护器支路连接而成，每个保护器支路包括多个串联的保护器模块，所有支路之间串联或者并联。

4.根据权利要求2所述的一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器，其特征在于，所述开关管为IGBT。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种电流双向低压直流配电系统用主动控制式限流保护器的工作方法，其特征在于，限流器并联在直流输电网极线的换流器两端，稳压电容C1并联有直流电源，包括升压过程，在升压过程中，直流电源为低压侧V1作为输入端，稳压电容C2为高压侧V2作为输出端，升压过程包括以下步骤：

步骤一，开关管Q5和Q6开通，此时高压输出端V2由稳压电容C2供电进而保持电压恒定，开关管Q1、Q2、Q3和Q4断开；

步骤二，开关管Q5开通，开关管Q6断开，此时开关管Q1和Q4开通，开关管Q2和Q3断开，能量经变压器，由低压端流入高压端；

步骤三，开关管Q6开通，Q1、Q2、Q3和Q4断开，此时高压输出端V2由稳压电容C2供电进而保持电压恒定；

步骤四，开关管Q6开通，Q5断开，此时Q2和Q3开通，Q1和Q4断开，能量经变压器，由低压端流入高压端。

6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，在升压过程中，即直流电网短路，限流器输出反向电压，低压输入端V1的输入电压与高压输出端V2的输出电压之间的关系为：

其中，n为变压器变比，D为占空比。

7.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，当直流电源为电池组时，还包括降压为电池组充电过程，此时，低压侧V1作为输出端，高压侧V2作为输入端，开关管Q1、Q4和Q6同时动作，开关管Q2、Q3和Q5同时动作；两组开关管动作互补且对称，设在一个周期中，开关管Q1、Q4和Q6的导通时间与周期的比为占空比为D，则低压输入端V1的输入电压与高压输出端V2的输出电压的关系为：

其中，n为变压器变比，D为占空比。

8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于，在降压过程中，即直流电网正常工作，限流器对蓄电池充电，输入电压与输出电压之间关系为：

其中，n为变压器变比，D为占空比。