CN109327021A - 适用于多端柔性直流电网的经济型故障限流器及控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多端柔性直流电网的经济型直流故障限流器及控制策略，该故障限流器由电感支路与耗能支路并联构成。其中，所述电感支路即为限流电抗器，对应同一直流母线的每条直流出线分别装设一个限流电抗器(L₁～L_N)；所述耗能支路由耗能电阻R与反并联的双晶闸管组构成，每条直流出线对应一组反并联双晶闸管，所有直流出线共用一个耗能电阻R。与传统HCLC相比，本发明在应用于多端直流电网时，每一端换流站所有直流出线共用一个耗能电阻，使得投资成本显著降低；而且直流电网潮流突变时，本发明限流器主要体现为电阻特性，对系统暂态响应速度和运行稳定性的不利影响可大大减小。

Description

适用于多端柔性直流电网的经济型故障限流器及控制策略

技术领域

本发明涉及多端柔性直流电网、多端直流配电网领域，特别是涉及一种适用于多端柔性直流电网的经济型直流故障限流器及其控制策略。

背景技术

基于电压源型换流器的柔性直流技术在新能源发电友好接入、降低输电损耗、提高供电质量等方面具有极为突出的优势。其中，多条直流线路在直流场经直流母线直接互连的多端直流系统，由于具备较高的供电可靠性，而成为直流输、配电领域的主要发展方向。

然而，柔性直流系统故障阻尼小、故障发展速度快。直流故障发生后，故障电流急剧上升、直流电压迅速跌落。在多端直流系统中，为了保证健全网络的可靠故障穿越，必须装设有效的故障限流器延缓故障发展速度，为直流保护、直流故障隔离创造足够的动作时间。

直流电抗器能够有效抑制直流故障电流快速上升，在柔性直流系统工程应用中作为故障限流器得到了广泛应用。但是，在柔性直流系统中装设大量限流电抗器会使电压源型换流器电流快速调节的特点大幅减弱，从而导致系统在潮流突变时的暂态响应速度大大减小，甚至恶化系统稳定性。此外，在直流断路器隔离故障时，限流电抗器的存在会使断路器MOV(Metal Oxide Varistor)需要耗散的故障能量大大增加，从而导致故障电流清除时间显著延长，MOV所需容量大幅提升。文献Jian Liu,Nengling Tai,ChunjuFan,and ShiChen,“A Hybrid Current-Limiting Circuit for DC Line Fault in MultiterminalVSC-HVDC System,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.64,no.7,pp.5595–5607,Jul.2017.提出了一种混合式故障限流器(hybrid current-limiting circuit,HCLC)，该故障限流器由限流电感与耗能支路(energy dissipation circuit，EDC)并联构成。在断路器跳闸以后，通过导通EDC中的晶闸管接入耗能电阻，使得耗能电阻与断路器内的MOV共同吸收故障能量。因此，直流故障电流清除速度大大提高，断路器MOV容量亦可有效降低。

虽然上述混合式故障限流器有效克服了限流电抗器对直流断路器动作性能的不利影响，但是在应用于多端直流系统时仍有以下两个问题待解决：(1)HCLC需要引入大容量耗能电阻，会导致投资成本提高。在多端直流系统中，每条直流出线两端均需分别安装HCLC，因此其投资成本高的问题显得尤为突出。需要从经济性角度出发，研究适用的限流器改进拓扑结构；(2)现有的HCLC控制策略主要关注提高断路器的故障隔离性能，却并未考虑如何减小限流电抗器对系统暂态响应速度及运行稳定性的不利影响。在多端直流系统中，系统规模更大、复杂性更高，电源与负荷种类更加多样，潮流突变的可能性大幅提高。因此，减小限流电抗器对系统潮流突变时暂态响应的不利影响，确保系统的运行稳定性，显得尤为重要。

发明内容

针对多端直流系统每条直流出线需要安装限流器导致投资成本大的问题，本发明在HCLC拓扑结构的基础上，提出了一种适用于多端柔性直流电网的经济型故障限流器拓扑结构，有效降低投资成本。并提出了相应的控制策略减小限流电抗器对系统暂态响应速度及运行稳定性的不利影响。

本发明的一种适用于多端柔性直流电网的经济型直流故障限流器，该故障限流器由电感支路与耗能支路并联构成，具体结构如下：

其中，所述电感支路由限流电抗器构成，对应同一直流母线的每条直流出线(线路1～线路N，N为直流出线数量)，分别装设一个限流电抗器(L₁～L_N)；所述耗能支路由耗能电阻R与反并联的双晶闸管组T₁～T_N构成，每条直流出线对应一组反并联双晶闸管T_i，i表示线路编号，所有直流出线共用一个耗能电阻R；

限流电抗器L_i一端连接到直流母线，另一端与线路i上的直流断路器(DCCB)相连；反并联双晶闸管组T_i一端与限流电抗器L_i的线路侧相连，所有反并联双晶闸管组T₁～T_N另一端互连后与耗能电阻R串联，耗能电阻R另一端则与直流母线相连。

本发明的一种适用于多端柔性直流电网的经济型直流故障限流器控制策略，所述控制策略具体包括以下步骤：

正常稳定运行状态下，耗能支路内所有反并联双晶闸管组T₁～T_N均处于关断状态，所有限流电抗器均接入在对应的直流线路上，因此限流电抗器能够在直流故障后无延时地发挥故障限流作用；

一旦某条直流线路电流变化量Δi_{dc_i}大于设定门槛值Δi_set，立即开始计时；

若在设定延时时间段Δt内，限流器接收到某条直流线路上直流断路器的跳闸信号，表明直流电流上升是由于直流故障导致的，且相应断路器已经跳闸，故在接收到跳闸信号以后立即向所有反并联双晶闸管组T₁～T_N发送一次触发脉冲信号，旁路限流电抗器L₁～L_N；

若在设定延时时间段Δt内，限流器并未接收到直流断路器跳闸信号，表明直流电流上升是由于潮流变化导致的，故在延时时间Δt到达以后再向所有反并联双晶闸管组T₁～T_N发送一次触发脉冲信号，旁路限流电抗器L₁～L_N。

与现有的HCLC相比，本发明设计提出的经济型故障限流器及其控制策略，具有以下几个突出优点：

1)在应用于多端直流电网时，每一端换流站所有直流出线共用一个耗能电阻，能够有效降低投资成本；

2)直流电网潮流突变时，限流器主要体现为电阻特性，对系统暂态响应速度和运行稳定性的不利影响可大大减小。

附图标记

图1为本发明的一种适用于多端柔性直流电网的经济型故障限流器拓扑结构；

图2为本发明的一种适用于多端柔性直流电网的经济型故障限流器控制策略流程图；

图3为本发明的一种适用于多端柔性直流电网的经济型故障限流器工作原理图，(a)、限流器的正常运行状态；(b)、故障限流状态；(c)、故障电流清除状态；(d)、潮流突变状态；

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，为本发明提出的经济型故障限流器拓扑结构。该故障限流器由电感支路与耗能支路构成。电感支路由限流电抗器构成，对应同一直流母线的每条直流出线(线路1～线路N，N为直流出线数量)分别装设一个限流电抗器(L₁～L_N)。耗能支路由耗能电阻R与反并联的双晶闸管组构成。其中，每条直流出线(线路1～线路N)对应一组双晶闸管(T₁～T_N)。但是，不同于传统HCLC拓扑结构中每条直流出线对应一个耗能电阻，本发明提出的经济型故障限流器拓扑结构中所有直流出线共用一个耗能电阻R。上述各个元件的具体连接方式为：限流电抗器L_i(i＝1～N)一端连接到直流母线，另一端与线路i上的直流断路器(DCCircuit Breaker,DCCB)相连。反并联双晶闸管组T_i一端与限流电抗器L_i的线路侧相连，所有反并联双晶闸管组T₁～T_N另一端互连后与耗能电阻R串联。耗能电阻R另一端则与直流母线相连。

如图2所示，为本发明的经济型故障限流器控制策略流程图，具体流程如下：

(1)系统正常稳定运行状态下，耗能支路内所有反并联双晶闸管组T₁～T_N均处于关断状态，所有限流电抗器均接入在对应的直流线路上，因此限流电抗器能够在直流故障后无延时地发挥故障限流作用；

(2)当某条直流线路电流变化量Δi_{dc_i}大于设定门槛值Δi_set，立即开始计时；

(3)若在设定延时时间段Δt内，限流器接收到某条直流线路上直流断路器的跳闸信号，表明直流电流上升是由于直流故障导致的，且相应断路器已经跳闸，故在接收到跳闸信号以后立即向所有反并联双晶闸管组T₁～T_N发送一次触发脉冲信号，旁路限流电抗器L₁～L_N；

(4)若在设定延时时间段Δt内，限流器并未接收到直流断路器跳闸信号，表明直流电流上升是由于潮流变化导致的，故在延时时间Δt到达以后再向所有反并联双晶闸管组T₁～T_N发送一次触发脉冲信号，旁路限流电抗器L₁～L_N。

如图3所示，为本发明的经济型故障限流器具体工作原理图。为了更加清楚地分析介绍限流器工作原理，以直流母线存在两条直流出线的情况为例，更多直流出线情况下的经济型故障限流器工作原理可类比。

如图3(a)所示，系统正常稳定运行时，所有反并联双晶闸管组均处于关断状态，因此所有限流电抗器(L₁～L₂)均接入在对应的直流线路上。直流系统内任意位置发生故障以后，所有限流电抗器均能够无延时地发挥故障限流作用，如图3(b)所示(图中以线路1发生故障为例)，即无延时地进入故障限流状态。

如图3(c)所示，线路1发生故障以后，线路1上的直流断路器在保护动作信号作用下跳闸，从而进入故障电流清除状态。所有反并联双晶闸管组(T₁～T₂)在接收到断路器跳闸信号后立即被触发导通，旁路限流电抗器。限流电抗器续电流可经耗能电阻流通，断路器内的MOV在该阶段需要耗散的故障能量主要仅为线路故障储能。因此故障电流清除速度可大大加快，MOV的容量亦可大幅减小。同时，限流电抗器剩余的故障储能可由耗能电阻耗散。当限流电抗器故障储能完全耗散以后，故障线路对应的限流电抗器续电流衰减到零、非故障线路对应的限流电抗器电流趋于线路稳定运行电流值。因此，耗能支路被自动旁路，电流自动衰减到零，所有反并联双晶闸管组T₁～T₂均可靠自动关断。限流器恢复到与系统正常稳定运行对应的工作状态。

不同于故障情况，当系统发生潮流突变以后，限流器在判断出电流变化(Δi_{dc_i}>Δi_set)以后并不会接收到任何断路器的跳闸信号。因此，反并联双晶闸管组T₁～T₂在延时Δt到达以后再导通。此时如图3(d)所示，限流器对外呈现阻抗特性。而且由于耗能电阻阻值一般不会过大，限流器将主要呈现为电阻特性。电抗器对系统暂态响应速度的不利影响将被大大改善，进而提高系统运行稳定性。而在系统潮流突变结束、重新恢复稳定运行以后，由于电抗器在直流稳态电流时呈现为零电抗，因此耗能支路将被旁路，反并联双晶闸管组T₁～T₂被自动关断。限流器恢复到与系统正常稳定运行对应的工作状态。

Claims (2)

1.一种适用于多端柔性直流电网的经济型直流故障限流器，其特征在于，该故障限流器由电感支路与耗能支路并联构成，具体结构如下：

其中，所述电感支路由限流电抗器构成，对应同一直流母线的每条直流出线，线路1～线路N，N为直流出线数量，分别装设一个限流电抗器(L₁～L_N)；所述耗能支路由耗能电阻R与反并联的双晶闸管组T₁～T_N构成，每条直流出线对应一组反并联双晶闸管T_i，i表示线路编号，所有直流出线共用一个耗能电阻R；

限流电抗器L_i一端连接到直流母线，另一端与线路i上的直流断路器相连；反并联双晶闸管组T_i一端与限流电抗器L_i的线路侧相连，所有反并联双晶闸管组T₁～T_N另一端互连后与耗能电阻R串联，耗能电阻R另一端则与直流母线相连。

2.一种适用于多端柔性直流电网的经济型直流故障限流器控制策略，其特征在于，所述控制策略具体包括以下步骤：

正常稳定运行状态下，耗能支路内所有反并联双晶闸管组T₁～T_N均处于关断状态，所有限流电抗器均接入在对应的直流线路上，限流电抗器能够在直流故障后无延时地发挥故障限流作用；

一旦某条直流线路电流变化量Δi_{dc_i}大于设定门槛值Δi_set，立即开始计时；

若在设定延时时间段Δt内，限流器接收到某条直流线路上直流断路器的跳闸信号，表明直流电流上升是由于直流故障导致的，且相应断路器已经跳闸，故在接收到跳闸信号以后立即向所有反并联双晶闸管组T₁～T_N发送一次触发脉冲信号，旁路限流电抗器L₁～L_N；

若在设定延时时间段Δt内，限流器并未接收到直流断路器跳闸信号，表明直流电流上升是由于潮流变化导致的，故在延时时间Δt到达以后再向所有反并联双晶闸管组T₁～T_N发送一次触发脉冲信号，旁路限流电抗器L₁～L_N。