CN109412127A - 一种限流阻容支路、阻容式直流断路器及控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于柔性直流输电系统的限流阻容支路、阻容式直流断路器及控制策略。所述限流阻容支路，包含了第一子电路和第二子电路；在限流阻容支路的基础上，增加了载流分断支路，构成的本发明提出的阻容式直流断路器，同时，针对阻容式直流断路器，提出了一种全新的控制策略。通过本发明，可在直流线路故障后抑制直流过流、稳定直流电压，开断能力强，提高了交直流系统稳定性和可靠性。

Description

一种限流阻容支路、阻容式直流断路器及控制策略

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，尤其涉及一种限流阻容支路、阻容式直流断路器及控制策略。

背景技术

基于电压源换流器的柔性直流输电系统(voltage source converter basedhigh voltage direct current，VSC-HVDC)在解决新能源消纳问题上具有显著优势。但由于柔直系统中电力电子设备的过流、过压能力较弱，直流侧的低阻抗特性使短路故障电流上升率较大，因此柔直系统对保护的速动性和选择性要求比交流系统更高，需要在数毫秒内完成切断和清除故障电流等全套动作，以防止故障对直流系统和换流站造成损害。

柔直系统的故障保护方式主要有三种：采用交流断路器的故障隔离方式；利用具备直流故障穿越能力的换流器拓扑或控制技术的故障隔离方式；基于高压直流断路器的故障隔离方式。其中采用交流断路器的故障隔离时间长，无法满足柔直系统保护速动性要求。而考虑到现有柔性直流输电工程多采用不具有直流故障自清除能力的模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)结构，并且利用改进换流器拓扑进行故障隔离会造成系统停运，重启难度较大等，基于直流断路器的故障保护方案无疑是最具潜力的直流故障隔离方案。其中混合式高压直流断路器具备通态损耗小，开断时间短等优点，成为直流电网保护策略研究的重点。

对于不具备直流故障自清除能力的半桥MMC换流器，换流器闭锁无法阻断交流系统馈能，且换流器闭锁会对交直流系统造成冲击，因此当直流线路配置混合式高压直流断路器后，直流断路器进行故障隔离期间应尽量避免换流器闭锁。但由于混合式高压直流断路器的开断时间约为3ms，在其分闸期间故障电流会持续上升时间，若换流器处于正常解锁状态，很可能会引起桥臂过流触发换流器保护，因而必须被动整定换流器保护参数或桥臂电抗值才能保证换流器不闭锁。

另一方面，当直流系统输电线路为架空线情形时，直流线路故障中瞬时性故障达90％以上，应考虑直流断路器重合闸操作。为保证故障切除后的直流线路充分去游离以恢复绝缘性能，断路器首次分闸后的重合闸延时应大于100ms。在此期间，换流器持续解锁会造成子模块电容持续充电而使直流母线电压不断升高，威胁系统绝缘。若在此期间闭锁换流器或改变其控制方式，使其维持直流系统电压稳定，则又会使交流系统受到影响。

此外，值得注意的是，为快速隔离直流线路故障，混合式直流断路器应配置于每回直流线路两端。对于具备多条直流线路的直流电网，混合式直流断路器的配置数量将十分庞大。鉴于混合式直流断路器的高额制造费用，这将使保护方案的经济性大大减小。

总而言之，基于混合式直流断路器的直流线路故障隔离方案还需进一步优化断路器与换流器间的保护协调及重合闸策略。

为了解决上述问题，通过对混合式直流断路器及其保护策略的改进，本发明提出一种限流阻容支路、阻容式直流断路器及控制策略。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种限流阻容支路，所述限流阻容支路包含第一输入端和第二输入端，在第一输入端和第二输入端之间串联有第一子电路和第二子电路，第一子电路包含相互串联的第一电阻和第一开关；第二子电路包含相互串联的第二开关和第三电阻，在第二开关和第三电阻的两端，并联有电容，还并联有第二电阻。

作为本发明的一种优选设计，所述第一开关和第二开关为全控开关，全控开关由一个或多个IGBT串联构成。

作为本发明的一种优选设计，在所述第一开关和第二开关两端分别并联避雷器。

在上述限流阻容支路的基础上，本发明还涉及一种阻容式直流电路器，所述阻容式直流电路器包含第一输入端、第二输入端、输出端；第一输入端和输出端之间连接有载流分断支路，所述载流分断支路被配置用于实现故障点及故障线路的隔离；第一输入端和第二输入端之间连接有限流阻容支路，所述限流阻容支路被配置用于抑制直流故障电流峰值，避免换流器过流闭锁。

作为本发明的一种优选设计，所述限流阻容支路为如前所述的限流阻容支路。

作为本发明的一种优选设计，所述载流分断支路包含相互串联的载流转移开关和超快速开关。

作为本发明的一种优选设计，所述载流转移开关均由一个或多个IGBT串联而成。

针对阻容式直流电路器，本发明提出一种新的控制策略，所述控制策略包含如下步骤：

1)t₀时刻直流线路故障，随后t₁时刻系统检测到故障并对限流阻容支路的第一开关施加闭合信号，同时第二开关断开；

2)第一开关和第二开关动作后，t₂时刻对故障所在线路上的载流转移开关施加开断信号，载流转移开关断开后，直流电流转移至限流阻容支路，对电容充电，直流电流上升率逐渐减小；

3)t₃时刻，载流分断支路电流过零，超快速开关在零电流时快速分断；

4)在超快速开关完全断开后的t₄时刻，载流转移开关闭合；

5)t₅时刻，第一开关在较小的充电电流下断开，同时第二开关导通，电容放电；故障线路被隔离且换流器停止放电。

作为本发明的一种优选设计，阻容式直流断路器隔离直流线路故障并进行重合闸的控制策略为：

1)t₀时刻直流线路故障，随后t₁时刻系统检测到故障并对限流阻容支路的第一开关施加闭合信号，同时第二开关断开；

2)第一开关和第二开关动作后，t₂时刻对故障所在线路上的载流转移开关施加开断信号，载流转移开关断开后，直流电流转移至限流阻容支路，对电容充电，直流电流上升率逐渐减小；

3)t₃时刻，载流分断支路电流过零，超快速开关在零电流时快速分断；

4)在超快速开关完全断开后的t₄时刻，载流转移开关闭合；

5)经过一定延时后，在t₆时刻重新闭合超快速开关，重合直流线路。

6)直流线路重合后，若系统判断故障电流依然存在，则在t₇时刻再次分断载流转移开关，并立即对换流器施加闭锁信号；最后t₈时刻，超快速开关再次断开；t₉时刻，第一开关断开，第二开关导通；

7)直流线路重合后，若没有故障电流，则在t₇时刻断开第一开关，同时第二开关导通，电容放电，两端电压恢复至零；由于换流器为解锁状态，因此直流系统快速恢复运行；

在上述步骤中，若换流器闭锁，则换流器相连交流侧断路器随之断开，换流站被切除，直流系统停运检修

本发明的有益效果在于：通过本发明，所述限流阻容支路可以稳定直流母线电压，有利于交直流系统的稳定，由于故障隔离期间换流器不需闭锁且交直流系统能保持稳定，因此更有利于线路重合闸及功率传输的快速恢复，提高了交直流系统的稳定性及可靠性。

附图说明

图1是限流阻容支路的电路图；

图2为阻容式高压直流断路器电路图；

图3为阻容式高压直流断路器分闸时的控制策略流程图；

图4为阻容式高压直流断路器分闸及重合闸时的控制策略流程图；

图5为限流阻容支路导通时的电流变化过程；

图6为限流阻容支路导通时的换流阀三相等效放电回路；

图7为限流阻容支路导通时的s域换流阀三相等效放电回路；

图8为限流阻容支路断开后电容C的等效放电回路；

图9为一个两端MMC对称单极测试系统模型图；

图10为阻容式直流断路器单次分闸时的支路电流图；

图11为考虑重合闸时阻容式直流断路器对直流电流及电压的稳定过程图；

图12为考虑重合闸时双极瞬时性故障后交直流系统动态响应过程图；

图13为考虑重合闸时双极永久性故障后交直流系统动态响应过程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1-2所示，本发明提出一种适用于柔性直流输电系统的阻容式直流断路器，包括载流分断支路、限流阻容支路：载流分断支路由超快速机械开关UFD、电流转移开关LCS串联而成；限流阻容支路包括全控型开关第一开关T₁、第二开关T₂、电容C、电阻R₁、R₂、R₃，其中T₁、R₁、C串联，R₂并联于C两端，T₂、R₃串联后并联于C两端，T₁、T₂两端分别并联避雷器MOV1和MOV2；电容C初始电压为零，电流转移开关LCS、T₁、T₂由多个绝缘栅双极型晶体管构成。

所述阻容式直流断路器的载流分断支路配置于直流线路两端，为稳态通流支路，具备双向开断能力；限流阻容支路一端连接直流极母线B₁，另一端B₂的连接点则与直流换流阀拓扑及阀侧交流接地方式有关。对于真双极系统，其两极可独立运行，因此B₂连接接地极中性母线。换流站出口处的两极线路各配置一个直流断路器，直流故障会触发故障极的断路器动作。对于伪双极系统(对称单极系统)，B₂的连接点有两种情形：

(1)换流站阀侧交流接地：该种情形下，单极故障后故障点与交流接地点会形成故障电流通路，因此与真双极情形一样，两极各配置一个断路器，并且阻容支路接地。

(2)换流站阀侧交流不接地：该种情形下，因为单极故障无法形成电流通路，所以单极故障没有故障电流，仅会使直流系统零电位点偏移，正常极电压升高，直流系统可保持短暂运行。此时仅双极故障后直流系统会出现短路电流，因此B₂应连接另一极直流母线，阻容支路并联于两极之间，断路器仅响应双极故障。而稳态通流支路可配置于一极或两极，稳态通流支路的元件参数相应不同。

所述阻容式直流断路器的控制策略包括阻容式直流断路器分闸及重合闸时，对UFD、LCS、T₁、T₂的控制，其中开关T₁、T₂同步动作但导通状态相反。系统正常运行时，阻容式直流断路器处于合闸状态，UFD闭合，LCS导通，T₁断开，T₂闭合。对于电缆型直流线路，直流故障多为永久性故障，在直流断路器动作期间，换流器可在桥臂电流达到保护动作值或故障发生的给定延时后自行闭锁。对于架空线型直流线路，直流故障多为瞬时性故障，则故障隔离策略应计及重合闸。因此，对于电缆型直流输电线路或不考虑直流断路器重合闸的情形，直流线路故障后阻容式直流断路器的分闸控制如图3所示，对于架空性型直流输电线或考虑直流断路器重合闸的情形，直流线路故障后阻容式直流断路器的分闸及重合闸控制如图4所示。

在所述控制过程中，阻容式直流断路器可实现电流限制及电压稳定。由于图4所示考虑重合闸的控制策略包含了分闸及重合闸过程，因此以此为例，说明阻容式直流断路器的工作原理。

阻容式直流断路器的载流分断支路与混合式直流断路器中的载流转移支路结构功能类似。电流转移开关LCS的主要功能为将注入故障点的电流转移至限流阻容支路。超快速机械开关UFD具备零电流快速开断能力，实现故障点的隔离。

限流阻容支路是阻容式直流断路器的核心部分。主开关T₁控制限流阻容支路的开断。开关T₂控制电容C放电，其与开关T₁连锁动作，开合状态相反。电容C、电阻R₁、电阻R₂构成的阻容结构，起限制电流峰值，维持直流电压、电流的作用。电阻R₃为放电回路电阻，影响电容C的放电时间常数。

故障后第一阶段，为LCS断开时刻t₂至重合闸时刻t₆，该阶段T₁导通、T₂断开，限流阻容支路一直处于投入状态，电阻R₁、R₂上流过转移电流，电容C两端电压不断升高，其电流变化过程如图5所示。

初始时刻：如图5(a)所示，由于电流转移前电容C两端电压为零，因此转移瞬间电阻R₂被短路，电流首先流经电阻R₁及电容C，直流母线电压值主要由电阻R₁两端的压降提供。通过调节电阻R₁大小可调整阻容支路导通瞬间的直流母线电压恢复初值U_{LCS_E0}；

电容充电阶段：如图5(b)所示，电流完全转移后，电容电压逐渐升高，电阻R₂上出现电流并逐渐增大。

稳定阶段：如图5(c)所示，若开关T₁持续导通，则电容C的充电电流会减小至零，其两端电压稳定，流经R₁、R₂的电流也也随之稳定，直流母线电压保持不变。通过选择R₁，R₂的值，可使稳态时限流阻容支路两端电压为U_{dc_E}，电阻R₁上的电流为直流额定电流I_{dc_E}。

在上述第一阶段中，以对称单极情形的双极故障(双极系统情形的单极故障类似)为例，换流阀三相等效放电回路如图6所示。其中C₁代表等效电容；L₁代表等效电感；R_d代表回路电阻，包括接地极电阻等。假设在t₂时刻，等效电容C₁电压为U_d1，直流电流为I_d1，电容C两端电压为0，则对应的s域等效回路如图7所示。因此电容C的稳态电压u_{C_max}及流过电阻R₁和R₂的电流为

u_{C_max}＝U_{dc_E}-I_{dc_E}·R₁

其中

由拉式反变换可得时域下的电流i_R1和i_R2。

第二阶段，从UFD合闸时刻t₆至限流阻容支路断开时刻t₉：该阶段的阻容支路电流量情况与故障类型有关。对于瞬时性故障，UFD合闸后，由于母线电压为额定值，阻容支路电流保持额定电流基本不变，直流线路电流缓慢上升。

对于永久性故障，由于UFD合闸后，子模块电容再次对故障点形成放电通路，直流线路电流迅速上升。由于母线电压大幅降低，阻容支路两端电压差大幅减小，阻容支路电流被迫迅速减小至零。但由于电容C的存在，电阻R₂两端电压无法突变，在t₆至t₇的极短时间内，R₂两端电压基本不变，其上电流维持为稳态电流I_{dc_E}。此后在t₇时刻至阻容支路断开时刻t₉间，阻容支路上再次流过电流，电流回路与图6一致。

第三阶段，为阻容支路断开后t₉时刻至电容C完成放电的时刻(或者说限流阻容支路恢复为初始状态的时刻，此处以无穷大时刻“∞”表示)。在此阶段，避雷器及R₁上流过小幅剩余电流，电容C向电阻R₂及R₃放电，如图8所示，电阻R₂及R₃上流过的放电电流为

下面将发明应用于两端MMC对称单极测试系统，说明本发明的具体实施例。一个搭建于PSCAD/EMTDC中的两端MMC对称单极测试系统如图9所示，系统中配置本发明的阻容式直流断路器(RC-DCCB)。该系统直流侧经嵌位电阻接地，阀侧交流不接地，因此限流阻容支路并联在两极之间。该系统额定功率150MW，额定电压±150kV，其中MMC1为整流器，采用定有功控制，MMC2为逆变器，采用定直流电压控制。换流器元具体件参数如下表。

该实施例中，取U_{LCS_E0}及U_{dc_E}为150kV，I_{dc_E}为0.5kA。故障发生到换流结束需1ms，该测试用小系统的故障电流上升率约2.5kA/ms，则I_d1约3kA。阻容式直流断路器元件参数选择为：

先不考虑重合闸，进行阻容式直流断路器的单次分闸试验，采用本发明所提如图3所示控制策略，在本实施例中：t₀＝3.5s时，直流线路双极短路故障发生，t₀-t₁间隔时间与故障检测方法相关，本实施例取500us；首次隔离时，t₁-t₂间隔250us，t₂-t₃间隔2ms，t₃-t₄间隔250us，t₄-t₅间隔1.25ms。

考虑重合闸，采用本发明所提如图4所示控制策略，在本实施例中：t₀＝3.5s时，直流线路双极短路故障发生，t₀-t₁间隔时间与故障检测方法相关，本实施例取500us；首次隔离时，t₁-t₂间隔250us，t₂-t₃间隔2ms，t₃-t₄间隔250us；重合闸阶段，t₄-t₆为重合闸延时，一般在100ms以上，本实施例取t₆＝3.65s，t₆-t₇间隔1ms内，本实施例取为500us；t₇-t₈-t₉间隔时间与前首次隔离时一致，t₉-t₁₀间隔时间约80～100ms。

阻容式直流断路器单次分闸时的支路电流如图10所示。故障后直流电流的上升时间可维持在1.5ms内，其中故障电流快速上升时间仅约1ms，线路电流峰值限制为约3kA，仅6p.u。由于电流峰值较小，线路电流可在5ms内快速降为零。图10说明阻容式直流断路器具有较强的故障电流抑制能力。

考虑重合闸时，阻容式直流断路器对直流电流及电压的稳定过程如图11所示。在阻容支路导通瞬间，直流母线电压跃变额定电压值左右，随着电容充电，直流电流停止增大并逐渐减小，在电容充电结束后稳定与额定值，直流母线电压也保持额定值。图11说明阻容式直流断路器具备限制电流峰值并稳定电压电流的能力。

考虑重合闸时，双极瞬时性故障后交直流系统动态响应过程如图12所示。图12中前三幅子图为直流系统电压、电流及功率图，第四、五幅子图为MMC1的阀侧交流系统线电压及电流图，第六幅子图为MMC1中a相桥臂电流。双极瞬时短路故障发生后，直流电压立即下降，直流电压瞬间增大；当限流阻容支路投入、载流支路断开后，直流母线电压恢复并逐渐稳定在额定值左右，直流电流逐渐减小至额定值；重合闸后，系统逐渐恢复运行。首次故障隔离造成的桥臂过流小于1.5kA，并且在阻容支路导通后，桥臂电流逐渐恢复，说明故障隔离对换流阀的影响很小，不会引起闭锁动作。故障隔离期间，交流电压及电流几乎没有变化，从瞬时性故障发生到系统恢复运行间隔仅约1s，说明重合闸延时期间，由于换流器没有闭锁，交流侧电压及电流基本不受影响，交直流系统在重合闸后能够快速恢复正常运行。

考虑重合闸时，双极永久性故障后交直流系统动态响应过程如图13所示。图13中前三幅子图为直流系统电压、电流及功率图，第四、五幅子图为MMC1的阀侧交流系统线电压及电流图，第六幅子图为MMC1中a相桥臂电流。双极永久性故障的首次隔离过程与图12基本一致，重合闸后系统检测到故障电流依然存在，并因此触发断路器分闸，同时闭锁换流器。交流侧断路器在换流器闭锁后也相应断开，直流系统电压、电流、功率均降为零，系统停运。图12说明阻容式直流断路器及其控制策略能正确隔离永久性故障。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁盘、光盘、ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种限流阻容支路，其特征在于，所述限流阻容支路包含第一输入端和第二输入端，在第一输入端和第二输入端之间串联有第一子电路和第二子电路，第一子电路包含相互串联的第一电阻和第一开关；第二子电路包含相互串联的第二开关和第三电阻，在第二开关和第三电阻的两端，并联有电容，还并联有第二电阻。

2.一种如权利要求1所述的限流阻容支路，其特征在于，所述第一开关和第二开关为全控开关，全控开关由一个或多个IGBT串并联构成。

3.一种如权利要求1-2之一所述的限流阻容支路，在所述第一开关和第二开关两端分别并联避雷器。

4.一种阻容式直流电路器，其特征在于，所述阻容式直流电路器包含第一输入端、第二输入端、输出端；第一输入端和输出端之间连接有载流分断支路，所述载流分断支路被配置用于实现故障点及故障线路的隔离；第一输入端和第二输入端之间连接有限流阻容支路，所述限流阻容支路被配置用于抑制直流故障电流峰值，避免换流器过流闭锁。

5.一种如权利要求4所述的阻容式直流电路器，其特征在于，所述限流阻容支路为如权利要求1-3之一所述的限流阻容支路。

6.一种如权利要求4所述的阻容式直流电路器，其特征在于，所述载流分断支路包含相互串联的载流转移开关和超快速开关。

7.一种如权利要求6所述的阻容式直流电路器，其特征在于，所述载流转移开关均由一个或多个IGBT串并联而成。

8.一种如权利要求4-7之一所述的阻容式直流电路器的控制策略，其特征在于，所述控制策略包含如下步骤：

1）t₀时刻直流线路故障，随后t₁时刻系统检测到故障并对限流阻容支路的第一开关施加闭合信号，同时第二开关断开；

2）第一开关和第二开关动作后，t₂时刻对故障所在线路上的载流转移开关施加开断信号，载流转移开关断开后，直流电流转移至限流阻容支路，对电容充电，直流电流上升率逐渐减小；

3）t₃时刻，载流分断支路电流过零，超快速开关在零电流时快速分断；

4）在超快速开关完全断开后的t₄时刻，载流转移开关闭合；

5）t₅时刻，第一开关在较小的充电电流下断开，同时第二开关导通，电容放电；故障线路被隔离且换流器停止放电。

9.一种如权利要求4-7之一所述的阻容式直流电路器的控制策略，其特征在于，阻容式直流断路器隔离直流线路故障并进行重合闸的控制策略为：

1）t₀时刻直流线路故障，随后t₁时刻系统检测到故障并对限流阻容支路的第一开关施加闭合信号，同时第二开关断开；

2）第一开关和第二开关动作后，t₂时刻对故障所在线路上的载流转移开关施加开断信号，载流转移开关断开后，直流电流转移至限流阻容支路，对电容充电，直流电流上升率逐渐减小；

3）t₃时刻，载流分断支路电流过零，超快速开关在零电流时快速分断；

4）在超快速开关完全断开后的t₄时刻，载流转移开关闭合；

5）经过一定延时后，在t₆时刻重新闭合超快速开关，重合直流线路；

6）直流线路重合后，若系统判断故障电流依然存在，则在t₇时刻再次分断载流转移开关，并立即对换流器施加闭锁信号；最后t₈时刻，超快速开关再次断开；t₉时刻，第一开关断开，第二开关导通；

7）直流线路重合后，若没有故障电流，则在t₇时刻断开第一开关，同时第二开关导通，电容放电，两端电压恢复至零；由于换流器为解锁状态，因此直流系统快速恢复运行；

在上述步骤中，若换流器闭锁，则换流器相连交流侧断路器随之断开，换流站被切除，直流系统停运检修。