CN109787200A - 受端为lcc-vsc混联型的直流输电系统的断路器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种受端为LCC‑VSC混联型的直流输电系统的断路器及其使用方法，其中，断路器包括：多个接线点、与所述接线点一一对应的第一线路和第二线路、一条第三线路以及一条第四线路，其中，所述多个接线点中的其中一个接线点用于与所述LCC换流站电连接，其余接线点用于与所述VSC换流站电连接，每一个所述接线点分别通过所述第一线路和第二线路连接至所述第三线路的两端，所述第四线路并联于所述第三线路的两端。本发明提供的受端为LCC‑VSC混联型的直流输电系统的断路器及其使用方法，减少了断路器的使用量，从而降低成本和减缓运行损耗。

Description

受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器及其使用 方法

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，尤其是一种受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器及其使用方法。

背景技术

LCC-HVDC（Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current,电网换相换流器高压直流输电）具有造价低、损耗小、可靠性高等优点，目前已在海底电缆送电、大容量远距离输电、异步电网互联等场合得到了广泛应用，但是其在客观上存在无功补偿容量需求大、交流系统依赖性强、存在换相失败问题等不足。与LCC-HVDC相比，采用全控型器件的VSC-HVDC（Voltage Source Converter based High Voltage DirectCurrent，电压源换流器高压直流输电）可以实现四象限独立控制有功和无功功率、不需要交流系统提供换相支撑、不存在换相失败问题，然而其在额定电压和输送功率上与LCC-HVDC还有一定差距，并且投资建设成本高，损耗较大。如图1所示，送端采用LCC（LineCommutated Converter，电网换相换流器），受端采用LCC与VSC（Voltage SourceConverter，电压源换流器）混联型的直流输电系统是一种典型的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统，它提供了更为灵活、快捷的输电方式，不仅改善了逆变侧交流系统电压的稳定性，而且降低了换相失败发生的概率，同时能够兼顾经济和技术效益，是未来特高压直流输电技术的重要发展方向之一。

随着直流电网规模的不断扩大，快速隔离直流线路故障成为保证直流输电系统可靠运行的先决条件，由于直流侧故障电流不存在自然过零点，因此切断直流故障电流的难度要远大于切断交流故障电流。再加上直流输电系统故障阻尼特性较小，故障后电流急剧上升，DCCB（Direct Current Circuit Breaker，直流断路器）需要吸收直流系统在暂态过程中存储的巨大能量，因此对高压直流断路器的开断能力提出了较高的要求。目前高压直流断路器主要包括机械式、固态式和混合式3种，其中，混合式直流断路器具有运行损耗低、开断速度快和可控性高等优点而引起广泛关注。ABB公司于2012年研制出世界上第一台基于IGBT器件串联技术的80kV混合式高压直流断路器，该断路器开断能力是9kA，开断时间是5ms，全球能源互联网研究院研制出500kV混合式直流断路器，该断路器开断能力是15kA，开断时间是3ms，南瑞继保研制出500kV混合式直流断路器，该断路器开断能力是25kA，开断时间是3ms，西电集团研制出基于二极管全桥整流组件级联的低损耗500kV混合式直流断路器，该断路器开断能力是25kA，开断时间是3ms。虽然目前已开发的高压直流断路器技术在技术上是可行的，但是其成本较高，难以像交流断路器那样在电网中进行广泛应用。

目前，对于前述的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统，在受端，每一条直流线路上均需安装一个混合式直流断路器，这样就提高了成本和加快了运行损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器及其使用方法，在受端，减少断路器的使用量，从而降低成本和减缓运行损耗。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器，所述受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的受端包括一个LCC换流站以及多个与所述LCC换流站电连接的VSC换流站，所述断路器包括：多个接线点、与所述接线点一一对应的第一线路和第二线路、一条第三线路以及一条第四线路，其中，所述多个接线点中的其中一个接线点用于与所述LCC换流站电连接，其余接线点用于与所述VSC换流站电连接，每一个所述接线点分别通过所述第一线路和第二线路连接至所述第三线路的两端，所述第四线路并联于所述第三线路的两端，所述第一线路用于直流输电系统正常运行时导通负荷电流，所述第二线路用于隔离所述多个接线点之间的电流和电压，所述第三线路用于直流输电系统故障时分断故障电流，所述第四线路用于直流输电系统故障时分断过电压和吸收感性元件存储的能量。

进一步地，所述第一线路包括串联的第一快速机械开关和第一电力电子开关，所述第二线路包括串联的第二快速机械开关和二极管，所述二极管的负极与所述第三线路连接，所述第三线路包括串联的多个第二电力电子开关，所述第四线路包括非线性电阻或避雷器。

进一步地，所述第一电力电子开关和第二电力电子开关为绝缘栅双极型晶体管。

本发明还提供了上述受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器的使用方法，包括：当直流输电系统正常运行时，保持断路器处于第一工作模式；当直流输电系统发生线路故障时，将断路器由所述第一工作模式切换至第二工作模式。

进一步地，断路器处于第一工作模式时，所述第一快速机械开关和第二快速机械开关均处于闭合状态，所述第一电力电子开关处于导通状态，所述第二电力电子开关处于闭锁状态；断路器处于第二工作模式时，与非故障线路相对应的第一快速机械开关和第二快速机械开关均处于闭合状态，与非故障线路相对应的第一电力电子开关处于导通状态，所述第二电力电子开关处于闭锁状态，与故障线路相对应的第一快速机械开关以及第二快速机械开关处于分断状态。

进一步地，将断路器由所述第一工作模式切换至第二工作模式的方法包括如下步骤：

分断与故障线路相对应的第一快速机械开关以及与非故障线路相对应的第二快速机械开关，同时，闭锁所述第一电力电子开关以及导通所述第二电力电子开关；

待与故障线路相对应的第一快速机械开关以及与非故障线路相对应的第二快速机械开关的动静触头间距达到预定大小后，锁闭所述第二电力电子开关；

待故障电流被所述第四线路吸收后，分断与故障线路相对应的第二快速机械开关，同时闭合非故障线路相对应的第二快速机械开关。本发明提供的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器及其使用方法，在受端，由于多支路共用了一个断路器，因此对于逆变侧并接N条支路的情况，节省了N-1个断路器，减少了断路器的使用量，从而降低成本和减缓运行损耗，同时，由于多条直流线路之间相互隔离，因此，多条直流线路故障时断路器仍然具有保护能力。

附图说明

图1 是受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的结构示意图；

图2 是本发明的断路器安装于受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的结构示意图；

图3 是本发明断路器的结构示意图；

图4 是本发明断路器处于第一工作模式时电流流通路径的示意图；

图5 是本发明断路器处于第二工作模式时电流流通路径的示意图；

图6是本发明断路器由第一工作模式切换至第二工作模式的时序图；

图7是本发明断路器由第一工作模式切换至第二工作模式过程中故障发生后的电流流通路径的示意图；

图8是本发明断路器由第一工作模式切换至第二工作模式过程中故障电流进行转移时电流流通路径的示意图；

图9是本发明断路器由第一工作模式切换至第二工作模式过程中第三电路分闸后的电流流通路径的示意图；

图10是本发明断路器由第一工作模式切换至第二工作模式过程中故障隔离后的电流流通路径的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器，如图2和图3所示，受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的受端包括：一个LCC换流站以及多个与所述LCC换流站电连接的VSC换流站，断路器包括：多个接线点100、与接线点100一一对应的第一线路200和第二线路300、一条第三线路400以及一条第四线路500，其中，多个接线点100中的其中一个接线点100用于与LCC换流站电连接，其余接线点100用于与VSC换流站电连接，每一个接线点100分别通过第一线路200和第二线路300连接至第三线路400的两端，第四线路500并联于第三线路300的两端，第一线路200用于直流输电系统正常运行时导通负荷电流，第二线路300用于隔离多个接线点100之间的电流和电压，第三线路400用于直流输电系统故障时分断故障电流，第四线路500用于直流输电系统故障时分断过电压和吸收感性元件存储的能量。

具体地，第一线路200包括串联的第一快速机械开关和第一电力电子开关，第一快速机械开关的作用是：正常运行时，保证断路器运行在低损耗状态；故障开断过程中，第一快速机械开关分闸以保证开断电压的建立，从而强迫故障电流下降至零。第一电力电子开关的作用是：正常运行时，导通负荷电流；故障开断过程中，关断第一电力电子开关，强迫电流从第一线路200转移至第三线路400，从而保证第一快速机械开关可以实现无弧分闸。第二线路300包括串联的第二快速机械开关和二极管，二极管的负极与第三线路400连接，二极管的作用是：在下文中切换断路器至第二工作模式时，不需要去控制二极管的通或断，简化了流程，同时，使用二极管可以降低成本，另外，由于二极管的反向阻断作用，在线路上发生故障时，非故障线路对应的第二线路300不会留过故障电流，跳开非故障线路对应的第二快速机械开关时不会燃弧。第三线路400包括串联的多个第二电力电子开关，第三线路400实现对故障电流的最终关断。第四线路500包括非线性电阻或避雷器，用于直流输电系统故障时分断过电压和吸收感性元件存储的能量。断路器的动作速度主要取决于第一快速机械开关及第二快速机械开关分闸后的介质强度恢复速度，而第一电力电子开关和二极管可保证第一快速机械开关及第二快速机械开关实现无弧分闸，从而确保第一快速机械开关及第二快速机械开关分闸后介质强度可快速恢复。

本实施例的一可选实施方式中，第一电力电子开关和第二电力电子开关为绝缘栅双极型晶体管。

本发明还提供了上述的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器的使用方法，为方便后续描述，对断路器的各个元件进行命名：如图2和3所示，断路器包括：

m个接线点，分别为接线点LCC、接线点VSC_1、VSC_2、……、VSC_m-1,其中，接线点LCC与换流站LCC电连接，接线点VSC_1、VSC_2、……、VSC_m-1分别与换流站VSC1、VSC2、……、VSCm-1电连接；

分别与m个接线点一一对应的第一快速机械开关CB_1、CB_2、……、CB_m；

分别与m个接线点一一对应的第一电力电子开关LSC_1、LSC_2、……、LSC_m；

分别与m个接线点一一对应的第二快速机械开关K_1、K_2、……、K_m；

分别与m个接线点一一对应的二极管D_1、D_2、……、D_m；

第三线路400；

以及第四线路500。

使用方法包括：当直流输电系统正常运行时，保持断路器处于第一工作模式；当直流输电系统发生线路故障时，将断路器由第一工作模式切换至第二工作模式。本实施例中，假设接线点VSC_1所在线路发生故障。断路器处于第一工作模式时，第一快速机械开关CB_1、CB_2、……、CB_m和第二快速机械开关K_1、K_2、……、K_m均处于闭合状态，第一电力电子开关LSC_1、LSC_2、……、LSC_m均处于导通状态，第三线路400中的第二电力电子开关处于闭锁状态，电流无法在各个第二线路300之间通流，电流由换流站LCC通过各条第一线路200流入换流站VSC1、VSC2、……、VSCm-1，第一工作模式时电流流通路径如图4所示（图中带箭头线段表示电流路径）。由于第一线路200的导通压降通常为2~3V，断路器的运行损耗仅为数kW。

断路器处于第二工作模式时，与非故障线路相对应的第一快速机械开关和第二快速机械开关均处于闭合状态，第一电力电子开关均处于导通状态，即第一快速机械开关CB_1、CB_3、……、CB_m和第二快速机械开关K_1、K_3、……、K_m均处于闭合状态，第一电力电子开关LSC_1、LSC_3、……、LSC_m均处于导通状态，第三线路400中的第二电力电子开关处于闭锁状态，与故障线路相对应的第一快速机械开关和第二快速机械开关处于分断状态，即第一快速机械开关CB_2处于分断状态，第二快速机械开关K_2处于分断状态，第二工作模式时时电流流通路径如图5所示（图中带箭头线段表示电流路径）。

图6为将断路器由第一工作模式切换至第二工作模式的时序图，图中，横坐标为时间，纵坐标为电流，图7~10为将断路器由第一工作模式切换至第二工作模式过程中电流流通路径的示意图，具体切换断路器至第二工作模式的方法包括如下步骤：

t1时刻，故障发生，检测到故障后，直流保护给断路器发出跳开接线点VSC_1所在线路命令；

t2时刻，直流断路器控制器先给与故障线路相对应的第一快速机械开关CB_2以及与非故障线路相对应的第二快速机械开关K_1、K_3、……、K_m发开断命令，同时给第三线路400中的第二电力电子开关发导通命令，给第一电力电子开关LCS_2发锁闭命令，在第一电力电子开关LCS_2两端的关断过电压的作用下，故障电流将从故障线路对应的第一线路200转移至第三线路400与故障线路对应的第二线路300，见图8，电流可在数百微秒内转移完成，由于触头惯性及触头超程的存在，快速机械开关触头会在接到开断命令后1ms才真正分离，此时电流转移已完成；

t3时刻，故障线路的第一快速机械开关CB_2及非故障线路的第二快速机械开关K_1、K_3、……、K_m实现无弧分闸；

t4时刻，第一快速机械开关CB_2及第二快速机械开关K_1、K_3、……、K_m的动静触头距离达到预定大小，给第三线路400中第二电力电子开关发送锁闭命令，给第二快速机械开关K_2发送分闸命令，电流由第三线路400转移至第四线路500，见图9，此时，第一快速机械开关CB_2及第二快速机械开关K_1、K_3、……、K_m需承担第四线路500的残压，一般为1.5p.u，当直流系统储存的残余能量几乎被第四线路500吸收后，电流将由第四线路500转移回第三线路400中第二电力电子开关的缓冲吸收回路中，从而产生残余电流，由于第二快速机械开关K_1、K_3、……、K_m已经断开，因此在锁闭第三线路400中第二电力电子开关的时候在二极管两端不会产生过压，降低了二极管的要求；

在t5时刻，第二快速机械开关K_2已实现分闸，开断该残余电流，给第二快速机械开关K_1、K_3、……、K_m发送合闸命令以使得系统恢复正常运行。

如图7所示，故障发生后，LCC换流站及其余VSC换流站均通过第一电力电子开关LCS_2向故障点馈入故障电流，故障电流仅在各第一线路200通流，其电流方向如图7所示，接到分闸命令后，第一电力电子开关LCS_2锁闭，故障电流由第一电力电子开关LCS_2转移到第三线路400，其电流方向如图8所示，断开第三线路400，故障电流被隔离，电流由第三线路400转移到别的接线点，其电流方向如图9所示，第二快速机械开关K_2分闸，系统恢复正常运行，流过接线点VSC_1的电流分配至其余接线点，其电流方向如图10所示。

当多条直流线路发生故障时，同样按照上述的开断顺序，可以实现故障线路的隔离。

本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器，其特征在于，所述受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的受端包括一个LCC换流站以及多个与所述LCC换流站电连接的VSC换流站，所述断路器包括：多个接线点、与所述接线点一一对应的第一线路和第二线路、一条第三线路以及一条第四线路，其中，所述多个接线点中的其中一个接线点用于与所述LCC换流站电连接，其余接线点用于与所述VSC换流站电连接，每一个所述接线点分别通过所述第一线路和第二线路连接至所述第三线路的两端，所述第四线路并联于所述第三线路的两端，所述第一线路用于直流输电系统正常运行时导通负荷电流，所述第二线路用于隔离所述多个接线点之间的电流和电压，所述第三线路用于直流输电系统故障时分断故障电流，所述第四线路用于直流输电系统故障时分断过电压和吸收感性元件存储的能量。

2.如权利要求1所述的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器，其特征在于，所述第一线路包括串联的第一快速机械开关和第一电力电子开关，所述第二线路包括串联的第二快速机械开关和二极管，所述二极管的负极与所述第三线路连接，所述第三线路包括串联的多个第二电力电子开关，所述第四线路包括非线性电阻或避雷器。

3.如权利要求2所述的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器，其特征在于，所述第一电力电子开关和第二电力电子开关为绝缘栅双极型晶体管。

4.如权利要求2或3所述的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器的使用方法，其特征在于，包括：当直流输电系统正常运行时，保持断路器处于第一工作模式；当直流输电系统发生线路故障时，将断路器由所述第一工作模式切换至第二工作模式。

5.如权利要求4所述的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器的使用方法，其特征在于，断路器处于第一工作模式时，所述第一快速机械开关和第二快速机械开关均处于闭合状态，所述第一电力电子开关处于导通状态，所述第二电力电子开关处于闭锁状态；断路器处于第二工作模式时，与非故障线路相对应的第一快速机械开关和第二快速机械开关均处于闭合状态，与非故障线路相对应的第一电力电子开关处于导通状态，所述第二电力电子开关处于闭锁状态，与故障线路相对应的第一快速机械开关以及第二快速机械开关处于分断状态。

6.如权利要求5所述的受端为LCC-VSC混联型的直流输电系统的断路器的使用方法，其特征在于，将断路器由所述第一工作模式切换至第二工作模式的方法包括如下步骤：

分断与故障线路相对应的第一快速机械开关以及与非故障线路相对应的第二快速机械开关，同时，闭锁所述第一电力电子开关以及导通所述第二电力电子开关；

待与故障线路相对应的第一快速机械开关以及与非故障线路相对应的第二快速机械开关的动静触头间距达到预定大小后，锁闭所述第二电力电子开关；

待故障电流被所述第四线路吸收后，分断与故障线路相对应的第二快速机械开关，同时闭合非故障线路相对应的第二快速机械开关。