CN109286182A - 一种用于柔性直流电网故障清除的直流电压钳位器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于柔性直流电网规章清除的直流电压钳位器的基本原理和实现方法，直流电压钳位器适用于柔性直流系统直流侧故障电流的清除，通过电压钳位的原理使直流输电线路对地电位为零，而直流电压钳位器用于承受电源侧对直流线路的电压。直流电压钳位器主要包含通流和电压钳位两种状态，通过对钳压器电容的充电实现钳压效果。钳压器动作后直流线路电压降为地电位，与故障点之间电势差消失，故障电流得以清除。直流电压钳位器简称为直流钳压器。直流钳压器的核心功能为在系统处于稳态时处于低阻导通状态，在系统故障后控制钳压器向电容充电，并承受直流侧对地电压降落。本发明提供的直流钳压器原理可以克服直流断路器强行切断故障电流所带来的硬关断问题，实现故障电流的柔性清除，降低对器件造成的寿命损耗，并切故障清除速度优于直流断路器。本发明提供了直流钳压器的几种可行实现方法，通过利用混合式支路实现通态导通，并利用可钳位子模块控制钳压器电容充放电，控制原理简便，可控性强。

Description

一种用于柔性直流电网故障清除的直流电压钳位器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及直流电压钳位器的基本原理和实现方法。

背景技术

高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)由于其技术和经济上的独特优势，在我国远距离大容量输电和大区联网中得到了广泛应用。高压直流输电不仅具有电网稳定、可靠等诸多特性，同时也为分布式能源的大规模接入提供了便利。但由于不能在系统故障时采取很好的应对措施，限制了直流电网的发展。其中主要技术难点在于高压大容量的直流断路器技术尚不成熟。因此，本方案从原理上提出了另一种切断电流的方案，并且可以避免现有直流断路器所存在的问题。

现有的断路器均是强迫故障电流流过无穷大电阻（避雷器）实现断流操作，在断路过程中需要承受剧烈的过电压和能量耗散过程，对电力电子器件和避雷器的寿命产生考验。本方案通过降低直流输电线路和故障点之间的电压差，而相应的电压由钳压器来承担，实现故障电流的自然清除。

发明内容

为了克服上述现有直流断路器的成本和寿命问题，本发明提供一种新型故障电流切断思路和其实现方式，通过由直流电压钳位器承受换流站对地电压降，消除直流线路出口对故障点的电势差，从而清除故障电流。本发明提供直流钳压器的实现方法，通态支路用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至钳压器支路。钳压器支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并强迫故障电流向钳压器电容充电。直流电压钳位器采用与断路器方案完全不同的故障清除原理，并可以避免断路器所存在的成本高、损耗高等问题。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供直流钳压器实现方法，包括：

直流钳压器主电路，包含通流支路和钳压器支路，用于稳态时的低损耗导通和故障后承受直流侧电压。

通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至钳压器支路；

钳压器支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使故障电流向电容充电；

所述通流支路包括快速隔离开关UFD和与快速隔离开关串联的负载转换开关；

所述转换模块包括N个IGBT单元，N个IGBT单元以串联、并联或串并联结合方式组合；

所述负载转换模块包括N个IGBT单元，N个IGBT单元以串联、并联或串并联结合方式组合；

所述IGBT单元包括IGBT和与IGBT反并联的二极管。

根据权利要求1所述的直流电压钳位器，其特征在于，所述限流支路与通流支路并联，形成公共点A和公共点B；

所述钳压器支路可以由IGBT模块与电容并联组成，也可由全桥子模块等可钳位子模块构成。

为与钳压器主支路配合，同时还需要直流侧耗能支路，用于限制直流钳压器电压幅值，并消耗直流侧电感上的能量。

直流侧耗能支路由二极管阳极与线路相连形成公共点C，另一极与IGBT正极相连形成公共点D，IGBT负极为点E，电容和电阻并联于D、E之间。

为隔离直流钳压器和直流侧耗能支路，需要在B、C两点之间添加隔离开关UFD2。

另一方面，检测到直流钳压器所在的直流线路发生的故障前，钳压器对应的控制方法：

通流支路中的所有IGBT导通，稳态电流或故障电流流经通流支路。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明通过降低电路电压差的方法清除故障电流，与现有断路器相比有原理上的不同，且该方案是柔性故障电流切断方案，不存在剧烈的能量耗散和过电压过程，具备与原理上的简洁性和易实现性，对工程装备的硬件要求大幅度降低，可以克服现有断路器的困难，有效降低投资

附图说明

图1 是本发明实施例1中直流钳压器的安装位置；

图2 是本发明实施例2中直流钳压器工作原理图；

图3 是本发明实施例3中直流钳压器的实现方法；

图4 是本发明实施例4中直流钳压器的机械开关分断过程电气过程示意图；

图5 是本发明实施例5中直流钳压器电容充电钳压过程；

图6 是本发明实施例6中直流侧耗能支路耗能过程。

图7是本发明实施例7中可以替换IGBT与电容并联结构的部分子模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1直流钳压器的安装位置如下：

直流钳压器安装在换流站线路侧，其一端连接换流站，一端连接直流线路

实施例2

本发明实施例2提供直流钳压器的基本原理，如下：

钳压器投入后，通过给钳压器电容充电，当钳压器电容电压等于换流站直流母线电压时，直流线路电压为地电位，此时不存在故障电流放电通路。

实施例3

本发明实施例3提供了直流钳压器的实现方法，具体过程如下：

钳压器分为钳压器部分和直流侧耗能支路部分，其中钳压器部分用于承受直流侧电压降，直流侧耗能支路用于限制钳压器的充电电压和消耗直流侧电抗能量。

实施例4

本发明实施例4提供了直流钳压器的控制方法，具体过程如下：

在钳压器检测到系统故障后，立即关断LCS，分断UFD，同时导通钳压器中IGBT器件，该时段电流路径如图4所示。

实施例5

本发明实施例5提供了直流钳压器的控制方法，具体过程如下：

在UFD机械开关完全分断后，闭锁钳压器中的IGBT器件，故障电流向钳压器电容充电。在闭锁钳压器中IGBT的同时，导通直流侧耗能支路中IGBT器件。此时直流侧电抗电流通过耗能支路续流，C点电位为地电位，由此限制直流钳压器电容充电幅值。该时段电流路径如图5所示。

实施例6

本发明实施例6提供了直流钳压器的控制方法，具体过程如下：

当直流钳压器电压与换流站电压相等时，换流站停止向直流侧馈入故障电流。此时分断UFD2，隔离直流钳压器与直流侧耗能支路，当UFD2完成分断以后，闭锁耗能支路中的IGBT，直流侧电感续流电流通过耗能电阻消耗，同时使直流钳压器中电容储能通过电阻耗散。该时段电流路径如图6所示。

实施例7

本发明实施例7提供可以用于替代所述钳压器和直流侧耗能支路中IGBT与电容并联结构的子模块结构，其包含全桥子模块，半桥子模块，简化全桥子模块，简化半桥子模块等所有具备旁路和单向/双向闭锁能力的子模块或子模块组合

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.直流电压钳位器的基本原理，其特征在于，包括：

电压钳位器，用于稳态时的通流和故障后向钳压器电容充电；

直流侧耗能支路，在稳态时不流过电流，在故障后用于限制钳压器充电电压，为直流侧电感电流提供续流回路并耗能。

2.根据权利要求1所述的直流钳压器，其特征在于：

通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通；

钳压支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并向钳位电容充电。

3.根据权利要求1所述的直流钳压器，其特征在于：

所述通流支路包括超快速隔离开关UFD和与快速隔离开关串联的负载转换模块；

所述负载转换模块包括N个IGBT单元，N个IGBT单元以串联、并联或串并联结合方式组合；

所述IGBT单元包括IGBT和与IGBT反并联的二极管。

4.根据权利要求1所述的直流电压钳位器，其特征在于：

所述限流支路与通流支路并联，形成公共点A和公共点B；

所述钳压器支路可以由IGBT单元和电容并联构成；

并使用由机械开关和电阻组成的耗能支路。

5.根据权利要求1所述的直流侧耗能支路，其特征在于：

由二极管正极链接直流线路形成公共点C，二极管负极形成公共点D，D点链接IGBT正极，IGBT负极为公共点E，电容和电阻和IGBT并联于D、E两点。

6.根据权利要求1所述的直流钳压器和直流侧耗能支路，其特征在于：

直流钳压器和直流侧耗能支路之间通过机械开关链接，在故障后可以隔离B、C两点，使得直流侧耗能过程可以独立进行。

7.据权利要求1所述的直流钳压器和直流侧耗能支路，其特征在于：

直流钳压器和直流侧耗能支路中的IGBT与电容并联部分，均可替换为各种具有类似功能的子模块拓扑，如半桥子模块，全桥子模块，钳位双子模块等，替换的子模块两端接法与原直流钳压器和直流侧耗能支路相同。