CN109347077B - 一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间；本发明可以实现电流双向的限控制流功能，具有完全对称的电路拓扑，不受电网潮流方向的影响。通过调节电力电子开关开通的占空比，可以实现限流电流双向连续设置，因此其具有宽范围的适应性，可适用于出自不同程度的短路状况。

Description

一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器
技术领域
本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器。
背景技术
直流输电以及配电系统起始于上世纪20年代，因为以当时的技术储备，不足以实现直流电压变换，潮流控制以及故障断路限流等功能。这在很大程度上制约着直流输电电网的发展。如今，伴随着电力电子半导体器件与其相关控制等技术，高温超导材料，以及液态金属等新材料的蓬勃发展，直流系统因具有相对于交流系统独特的优势，又一次的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，传统接入限流电感或电阻因为需要的电感、电阻值大，制造困难，且功能单一，高度定制化，限流大小不可控等因素，已经不能满足现代直流电网的发展要求，从而给直流电网的故障电流控制带来了新的挑战与机遇。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间；
还包括电力电子开关Q1、Q2、Q3和Q4，所述电力电子开关Q1与Q2的发射极对接，Q3与Q4的集电极对接后与Q1和Q2的发射极连接，其中，电力电子开关Q1的集电极连接第一混合式单向开关电路的一端，Q3的发射极连接第一混合式单向开关电路的另一端；电力电子开关Q2的集电极连接第二混合式单向开关电路的一端，Q4的发射极连接第二混合式单向开关电路的另一端。
混合式单向开关电路包括第一支路和第二支路，其中：第一支路包括机械开关以及与机械开关串联的辅助开关，第二支路包括旁路开关，且第一支路与第二支路并联。
所述旁路开关由若干个IGBT串联组成。
所述辅助开关采用机械开关、半导体IGBT或IGCT。
所述电力电子开关为串联IGBT模块。
所述高温超导采用高温超导材料。
极线电抗器为大数值电感，电感数值为100mH；所述高温超导材料可直接通过电流，温度或是磁场等方法作为高温超导材料失超媒介间接串入电网线路当中。
旁路开关串入的数目根据电压等级进行相应调整。
电力电子开关为IGBT组，IGBT组由若干个IGBT依次串联组成。
基于现有的高压直流故障电流限流器或控制器存在的问题，本发明提供一种可以应用在中高压直流输电网络的且具有主动限流控制功能的双向故障电流控制器，此种控制器拓扑结合电力电子控制技术与超导材料的特点，具有主动检测并抑制故障电流的优点，使得其在中高压直流输电系统中具有快速的反应以及良好的故障电流控制性能，相信该技术在未来直流输电网中有很好的运用前景；本发明所提出的拓扑，相比于其它直流限流器或短路电流控制器拓扑，本发明可以实现电流双向的限控制流功能，具有完全对称的电路拓扑，不受电网潮流方向的影响。通过调节电力电子开关开通的占空比，可以实现限流电流双向连续设置，因此其具有宽范围的适应性，可适用于出自不同程度的短路状况。
附图说明
图1为电流双向主动控制式中高压直流故障电流控制器拓扑。
图2为机械开关与单相固态换流器拓扑。
图3为控制器在电网中连接简化框图。
图4为机械开关于单向电力电子开关换流过程示意图。
图5a为占空比为0.8时直流侧故障电流仿真结果。
图5b为占空比为0.9时直流侧故障电流仿真结果。
图5c为占空比为0.9时直流侧故障电流方向逆时针仿真结果。
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说明。
如图1所示，本发明包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间；还包括电力电子开关Q1、Q2、Q3和Q4，所述电力电子开关Q1与Q2的发射极对接，Q3与Q4的集电极对接后与Q1和Q2的发射极连接，其中，电力电子开关Q1的集电极连接第一混合式单向开关电路的一端，Q3的发射极连接第一混合式单向开关电路的另一端；电力电子开关Q2的集电极连接第二混合式单向开关电路的一端，Q4的发射极连接第二混合式单向开关电路的另一端。
在本发明的某一实施例中，电力电子开关为IGBT组，IGBT组由若干个IGBT依次串联组成；辅助开关采用机械开关、半导体IGBT或IGCT；高温超导采用高温超导材料。
如图2所示，混合式单向开关电路包括第一支路和第二支路，其中：第一支路包括机械开关以及与机械开关串联的辅助开关，第二支路包括旁路开关，且第一支路与第二支路并联；旁路开关由若干个IGBT串联组成；旁路开关串入的数目根据电压等级进行相应调整，在图2所示的实施例中，旁路开关由三个IGBT串联而成，
在本发明的优选实施例中，极线电抗器为大数值电感，电感数值为100mH；所述高温超导材料可直接通过电流，温度或是磁场等方法作为高温超导材料失超媒介间接串入电网线路当中。
以直流输电线路极线与中性线发生短路故障为例，做简化如图3所示。图3中，为了简化模型，设直流源输出电压为定值，短路类型为极地短路，并设有短路电阻。传输线为架空线设计，并有等效传输阻抗。
本发明的故障电流控制器运行过程中，包括以下控制步骤，
步骤一，刚出现直流短路时刻，电流流经短路点，此时两个混合式单向开关电路中的机械开关尚处于闭合状态，单向电力电子限流器也未启动，高温超导材料仍处于超导状态，短路电流原本将急剧上升，但因极线电抗器的存在，缓解上升率；
步骤二，因为大电流的原因，高温超导材料失超，此时等效于电路串入电阻，使得短路电流上升速度得到减缓，但仍不能阻止上升的趋势，机械开关和单向电力电子开关也此时得到信号，准备将故障电流转移至混合式单向开关电路中的第二支路，即图2中下部支路的IGBT串部分。因此，混合式单向开关电路超导材料之间的作用时间配合起到限流能否成功的关键。
步骤三，当混合式单向开关电路(即机械开关与单相固态换流器)收到换流信号后开始换流，具体换流过程从初始状态(即a图)至换流完成(即f图)如图4所示，其中，图4中的图4a图是电路的总体结构，包括第一支路(即图中的上支路)和第二支路(即图中的下支路)，其中：第一支路包括机械开关以及与机械开关串联的辅助电力电子开关，第二支路包括旁路开关，旁路开关由三个IGBT串连组成，且第一支路与第二支路并联；图4b-图4f描述的是混合单向开关从电网正常运行到断路的过程，其中，灰色代表断路，黑色代表通路，图4b中为电网正常运行时，上支路的辅助电力电子开关与机械开关正常导通；图4c是当检测到电流过大，出现故障短路情况时，下支路旁路串联电力电子开关导通，为短路电流创造第二条导通支路。图4d是上支路电力电子开关关闭，此时故障电流流入下支路，关闭上支路的电力电子开关，此时上支路电力电子开关承受的电压为下支路所有电力电子开关导通压降串联之和。图4e为当上支路电力电子开关开路，完成上支路断路。图4f为下支路串联电力电子开关也在同一时刻关断，此时完成整个控制器的断路功能。
步骤四，当换流完成后，短路电流将进入短路电流控制器全桥电力电子开关部分。对于顺时针短路电流，首先导通IGBT Q1和Q3，短路电流将对极线电抗器、限流电抗器以及线路等效电抗充电。
步骤五，将IGBT Q1开路，IGBT Q2导通，IGBT Q3保持常通，IGBT Q4保持常断。上一步骤中所提及电感将在此步骤进行放电。由于超导材料始终处于失超状态，因此电感中的能量将由短路等效电阻与超导材料等效电阻耗散。
当电流反向时，即图3短路电流逆时针流动时，只需将步骤五中的IGBTQ3和Q4运行状态反转即可，即IGBT Q3保持常断，IGBT Q4保持常通。
基于以上发明搭建了相应的仿真平台予以验证，仿真结果如图5所示。在仿真中，直流源电压设定为500kV，额定正常工作电流为10kA，0.9975秒发生短路，短路电阻0.005Ω，即短路地点非常接近MMC换流阀，为最恶劣的情况。极线电抗为0.1H，电力电子开关动作时间为1秒，距离短路发生有20ms的延迟。为了验证其工作原理，目前短路电流控制器为开环控制。当给定限流电流为12kA时，仿真结果如图5a所示，横轴为时间，单位为秒(s)，纵轴为电流，单位为千安(kA)。经过20ms的短路电流失控时间后，电力电子限流部分能够迅速准确的将短路电流控制再12kA的既定值。图5b为当给定限流电流为6kA时的情况。图5c为当电流反向，本文所提出混合电流控制器仍然能够很好的将故障电流限制在-6kA的数值上。因此，从仿真结果图5中可知，此种直流故障限流拓扑具有良好且可控的短路电流故障抑制能力并且适用于在不同电网潮流方向的工况下运行。

Claims (9)

1.一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间，所述混合式单向开关电路与电源连接；
还包括电力电子开关Q1、电力电子开关Q2、电力电子开关Q3和电力电子开关Q4，所述电力电子开关Q1与电力电子开关Q2的发射极对接，电力电子开关Q3与电力电子开关Q4的集电极对接后与电力电子开关Q1和电力电子开关Q2的发射极连接，其中，电力电子开关Q1的集电极连接第一混合式单向开关电路的一端，电力电子开关Q3的发射极连接第一混合式单向开关电路的另一端；电力电子开关Q2的集电极连接第二混合式单向开关电路的一端，电力电子开关Q4的发射极连接第二混合式单向开关电路的另一端。
2.根据权利要求1所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，混合式单向开关电路包括第一支路和第二支路，其中：第一支路包括机械开关以及与机械开关串联的辅助开关，第二支路包括旁路开关，且第一支路与第二支路并联。
3.根据权利要求2所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，所述旁路开关由若干个IGBT串联组成。
4.根据权利要求2所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，所述辅助开关采用机械开关、半导体IGBT或IGCT。
5.根据权利要求1所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，所述电力电子开关为串联IGBT模块。
6.根据权利要求1所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，所述高温超导采用高温超导材料。
7.根据权利要求6所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，极线电抗器为大数值电感，电感数值为100mH；所述高温超导材料可直接通过电流，温度或是磁场等方法作为高温超导材料失超媒介间接串入电网线路当中。
8.根据权利要求3所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，旁路开关串入的数目根据电压等级进行相应调整。
9.根据权利要求1所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，电力电子开关为IGBT组，IGBT组由若干个IGBT依次串联组成。
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