CN109728571A - 一种电容换相混合式故障限流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容换相混合式故障限流器及其控制方法，混合式限流器包括通态低损耗支路、电流转移支路和限流支路，采用半控型器件，逻辑简单，经济可靠。该限流器稳态损耗低，具备双向限流能力，可以有效抑制直流电网短路电流；延迟子模块IGBT闭锁时间，为其余保护装置动作争取足够的时间；保证限流电阻和相应的散热装置得到充分利用，提高限流效果。本发明提供的电容换相混合式故障限流器的控制方法，分为限流器所在的直流线路正常运行或检测到限流器所在的直流线路发生的故障前以及检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障后两种情况对阻感型电容换相混合限流器实现控制。

Description

一种电容换相混合式故障限流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电容换相混合式故障限流器及其控制方法。

背景技术

高压大容量的直流电网技术，是未来构建智能电网和全球能源互联网的重要环节。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术便于构建直流电网，因而成为电力工业界的一个新的期望。我国即将建成的张北直流电网采用半桥子模块(half bridge sub module)加架空线方案，是世界上首个直流电网工程实践。采用架空线具有明显的技术经济性优势，但是随之而来的问题就是直流侧故障概率高，结合半桥子模块不具备直流侧故障清除能力的特点，需要采用直流断路器切断故障电流。随着直流电网容量的提高，故障电流会在更短时间内达到电力电子器件耐流极限，这要求在更快的时间内切除故障，对故障检测速度和直流断路器切断容量带来极高挑战。

为可靠切断故障，要求断路器不断地通过器件的串并联来满足断路过程中的电气应力，一是不经济，其次无限增加器件也会考验工业装置的可靠性。还存在的另一个解决思路就是采用故障限流器(fault current limiter,FCL)来抑制快速上升的故障电流，降低对断路器的严苛考验。

目前所采用的故障限流器主要包括超导限流器(superconducting faultcurrent limiter， SFCL)和固态限流器(solid-state fault current limiter,SSFCL)两大类。超导限流器通过利用超导体物理性质，在电流急剧上升时自动失超，表现为电阻特性，阻碍故障电流进一步上升。固态限流器在稳态时串联接入主电路，一旦检测到故障信号，立即通过电力电子器件的动作在故障回路中串入电阻或电感。以上两种限流器都存在固有弱点，超导限流器的主要缺点在于制造成本和设备体积对应用场合造成了限制，适用于高电压等级的超导限流器对均匀失超提出了苛刻的要求。固态限流器和固态断路器的缺点类似，受到单只电力电子器件的能力局限，往往需要大量器件串并联满足高压大电流，由此造成的通态损耗会导致经济性下降。

发明内容

为了克服上述现有技术中固态直流限流器的损耗大且经济性差以及超导限流器制造成本高和设备体积大的问题，本发明提供一种电容换相混合式故障限流器及其控制方法，电容换相混合式故障限流器包括通态低损耗支路、电流转移支路和限流支路。通态低损耗支路，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电流转移支路，电流转移支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的限流元件接入直流线路；分为电容换相混合式故障限流器所在的直流线路正常运行或检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障前以及检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障后两种情况对电容换相混合式故障限流器实现控制，电容换相混合式故障限流器采用半控型器件，逻辑简单，经济性高，控制能力强。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种电容换相混合式故障限流器，包括：

通态低损耗支路，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电流转移支路；

电流转移支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的阻感型电容接入直流线路；

限流支路，用于增加系统阻尼，限制故障电流增长。

所述通态低损耗支路包括超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的负载转换开关LCS；

所述负载转换开关包括N个IGBT单元，N个IGBT单元以串联、反串联结合方式组合；

所述IGBT单元包括IGBT和与IGBT反并联的二极管。

所述通态低损耗支路与电流转移支路并联，形成公共点A和公共点B。

所述电流转移支路由半控型的晶闸管串并联组成。

所述限流支路与通态低损耗和电流转移支路并联，连接点同样为公共点A和公共点B；

所述限流支路由限流模块构成，两个限流模块共用一个换相电容。

所述限流模块由反并联的晶闸管、限流电感以及与限流电感并联的晶闸管和限流电阻组成，方便实现双向限流能力。

另一方面，电容换相混合式故障限流器所在的直流线路正常运行或检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障前，本发明提供了一种电容换相混合式故障限流器的控制方法，包括：

电流转移支路中的所有IGBT导通，稳态电流或故障电流流经通流支路。

再一方面，检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障后，本发明还提供另一种电容换相混合式故障限流器的控制方法，包括：

t₁时刻，保护装置发出指令，通态低损耗支路的所有IGBT关断，触发T₃、T₄，导通主断路器中IGBT，关断LCS模块，并且给超快速机械开关发出分闸指令，电流流经电流转移支路；

t₂时刻，超快速机械开关完成分断，触发晶闸管T₂，并持续触发晶闸管T₁。T₄上电流瞬间转移至T₂支路，T₄因为承受换相电容反向电压而关断，电流从电流转移支路流经限流支路；

t₃时刻，T₁承受正向电压导通，系统电容作为唯一的电源，能量向电路其余部分转移；

t₄时刻，T₃上的电流全部转移至T₁，T₃关断。L_f和R_f串联接入系统，实现第二次换相，限流器动作过程完成。

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：

本发明提供的电容换相混合式故障限流器包括通态低损耗支路、电流转移支路和限流支路，通态低损耗支路，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电流转移支路，电流转移支路，用于承载通态低损耗支路转移的故障电流，并使限流支路中的限流元件接入直流线路；

本发明提供的电容换相混合式故障限流器的控制方法分为电容换相混合式故障限流器所在的直流线路正常运行或检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障前以及检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障后两种情况对电容换相混合式故障限流器实现控制，控制方式简单，可控性强；

本发明的中通态低损耗支路起到导通直流线路的稳态电流、降低直流线路损耗和节约成本的作用，电流转移支路在故障电流出现后及时进行强迫电流转移流经限流支路，抑制故障电流；

本发明提供的技术方案充分利用了采用限流电阻和限流电抗综合限流，可实现双向限流，限流效果好；

本发明提供的技术方案在电容换相混合式故障限流器所在的直流线路正常运行或检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障前，电流流经通态低损耗支路，通态低损耗支路具备较小的损耗电阻，稳态时经济性较好；

本发明提供的技术方案检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障后，伴随着电流转移支路中换相电容的充电，可强迫故障电流流经电流转移支路；

本发明提供的技术方案使用低成本的半控型器件，可以有效节约投资。

附图说明

图1是本发明实施例1中电容换相混合式故障限流器结构图；

图2是本发明实施例2中稳态电流路径示意图；

图3是本发明实施例3中检测到故障前直流线路故障电流的流经路径示意图；

图4是本发明实施例4中检测到故障后S101中直流线路故障电流的流通路径示意图。

图5是本发明实施例4中检测到故障后S102中直流线路故障电流的流通路径示意图。

图6是本发明实施例4中检测到故障后S103中直流线路故障电流的流通路径示意图。

图7是本发明实施例4中检测到故障后S104中直流线路故障电流的流通路径示意图。

图8是本发明实施例4中检测到故障后S101-104中各支路电流电压及能量波形示意图。

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提供一种电容换相混合式故障限流器，具体包括通态低损耗支路、电流转移之路和限流支路，各个支路的功能如下：

其中的通态低损耗支路，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限流支路；

其中电流转移支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并强迫限流支路中的限流元件接入直流线路；

其中的限流支路，用于在串联入直流线路后增大系统阻尼，减小故障电流上升速度。

本发明实施例1提供的电容换相混合式故障限流器结构示意图如图1所示，图1中，通流支路、电流转移支路和限流支路并联，A、B表示公共点。

上述通态低损耗支路包括超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的负载转换开关LCS；负载转换开关包括2个IGBT单元，2个IGBT单元以串联方式组合。第一个IGBT 单元包括IGBT₁和与IGBT₁反并联的二极管D₁，第二个IGBT单元包括IGBT₂和与IGBT₂反并联的二极管D₂。

上述电流转移支路由晶闸管经串并联组成。

上述限流支路由限流模块构成，两个限流模块共用一个换相电容。

上述限流模块由反并联的晶闸管、限流电感以及与限流电感并联的晶闸管和限流电阻组成，方便实现双向限流能力。

实施例2

本发明实施例2提供了一种电容换相混合式故障限流器的控制方法，具体过程如下：

电容换相混合式故障限流器所在的直流线路正常运行情况下，电流转移支路中晶闸管均关断，限流支路退出运行，通态低损耗支路中的IGBT₁和IGBT₂导通，稳态电流流经通流支路，直流线路正常运行时稳态电流的流经路径示意图如图2所示。

实施例3

本发明实施例3提供的电容换相混合式故障限流器的控制方法，具体过程如下：

检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障前，通流支路中的IGBT₁和IGBT₂导通，故障电流流经通态低损耗支路，检测到故障前直流线路故障电流的流经路径示意图如图3所示。

实施例4

本发明实施例4提供的电容换相混合式故障限流器的控制方法，适用于检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障后，具体过程如下：

S101：t₁时刻，保护装置发出指令，通态低损耗支路的所有IGBT关断，触发T₃、T₄，导通主断路器中IGBT，关断LCS模块，并且给超快速机械开关发出分闸指令，电流流经主限流器支路，故障电流的流通路径示意图如图4所示；

S102：t₂时刻，超快速机械开关完成分断，触发晶闸管T₂，并持续触发晶闸管T₁。T₄上电流瞬间转移至T₂支路，T₄因为承受换相电容反向电压而关断。电流从电流转移支路流经限流支路，故障电流的流通路径示意图如图5所示；

S103：t₃时刻，T₁承受正向电压导通，系统电容作为唯一的电源，能量向电路其余部分转移，故障电流的流通路径示意图如图6所示；

S104：t₄时刻，T₃上的电流全部转移至T₁，T₃关断。L_f和R_f串联接入系统，实现第二次换相，限流器动作过程完成；故障电流的流通路径示意图如图7所示；

S101-104中各支路电流电压及能量波形示意图如图8所示。各支路的电流如图8(a)所示，电容电压如图8(b)所示，避雷器吸收能量如图8(c)所示，系统控制时序如图8(d)所示。系统额定电压为500kV，额定电流为2kA。在0.1ms(t₀)时发生故障，保护装置在电流越限20％时(t₁)发出限流指令。超快速机械开关在开始动作后延时T_mtd＝2ms完成分断，不再会被击穿。为保证晶闸管可靠导通，T₂、T₃和T₄的触发脉冲宽度为100μs，T₁受到持续触发脉冲，直到受到正向电压后导通。该测试系统的具体参数如下：换流站等效电路C_s＝180μF， R_s＝5Ω，L_s＝200mH。主限流器内L₁＝150mH，R₁＝R₂＝5Ω，C_c＝10μF，u_Cc＝100kV。

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 (4)

1.一种电容换相混合式故障限流器，其特征在于，包括：

通态低损耗支路，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电流转移支路；

电流转移支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并使限流支路中的阻感型电容接入直流线路；

限流支路，用于增加系统阻尼，限制故障电流增长。

2.根据权利要求1所述的电容换相混合式故障限流器，其特征在于，所述电流转移支路和限流支路利用晶闸管和换相电容配合投入限流电抗器和限流电阻，稳态损耗低，具备双向限流能力，有效抑制直流电网短路电流。

3.一种如权利要求1-2任一所述的电容换相混合式故障限流器的控制方法，其特征在于，阻感型电容换相混合式限流器所在的直流线路正常运行或检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障前，所述方法包括：

通态低损耗支路中的所有IGBT导通，稳态电流或故障电流流经通流支路。

4.一种如权利要求1-2任一所述的电容换相混合式故障限流器的控制方法，其特征在于，检测到电容换相混合式故障限流器所在的直流线路发生的故障后，所述方法包括：

t₁时刻，保护装置发出指令，通态低损耗支路的所有IGBT关断，触发T₃、T₄，导通主断路器中IGBT，关断LCS模块，并且给超快速机械开关发出分闸指令，电流流经电流转移支路；

t₂时刻，超快速机械开关完成分断，触发晶闸管T₂，并持续触发晶闸管T₁。T₄上电流瞬间转移至T₂支路，T₄因为承受换相电容反向电压而关断。电流从电流转移支路流经限流支路。

t₃时刻，T₁承受正向电压导通，系统电容作为唯一的电源，能量向电路其余部分转移。t₄时刻，T₃上的电流全部转移至T₁，T₃关断。L_f和R_f串联接入系统，实现第二次换相，限流器动作过程完成。