CN109802367A - 一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法，包括以下步骤：S1：建立断路器总拓扑模型；S2：建立正反限流闸拓扑模型；S3：设置断路器不同运行模式的转变；S4：确定柔性直流输电线路发生极间故障时断路器的电流应力和电压应力，该断路器具有正常运行、限流运行和故障隔离三种工作状态。通过三种状态之间的相互转换可实现正常工作时以低电抗方式运行、故障时进入限流状态以高电抗方式运行限制故障电流，最终隔离故障，可起到保护系统设备的作用，还将电抗器限流功能与断路器通过拓扑结构变换结合在一起，使其具备限流模式。与现有技术相比，本发明具有优良的静态性能和超高的分断速度等优点。

Description

一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法

技术领域

本发明涉及混合型直流断路器技术领域，尤其是涉及一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法。

背景技术

直流电网具有“低惯量、低阻抗”的特性，使得短路故障后故障电流快速增大，对直流电网中的设备造成重大损失。这要求故障隔离设备在故障发生后，必须快速有效的切除故障线路，并隔离故障。因此直流断路器的研发一直是直流电网发展的重点、难点。其中混合式直流断路器具有优良的静态特性和超强的快速分断能力，使得其在未来电网中使用的可能性巨大。

为应对故障电流上升速率高，直流断路器承受开断应力大等诸多问题，目前投入使用直流系统多设有电抗器起到限流作用。但过大的限流电抗器数值，会对整个直流系统的动态特性产生不利影响。现有的直流断路器设计方案主要分为传统机械式直流断路器，全固态式直流断路器以及混合式直流断路器，其中混合式直流断路器发展前景广阔已有科研成果包括：一种利用机械开关、混合型固态开关混合构成的直流断路器；ABB公司提出的混合式直流断路器，但此种断路器不具备限流功能；以及相关文献提出的一种限流混合式直流断路器，具有一定指导意义，但其阀组数量过多导致多个阀组需要同时动作，这对阀组间的全控、半控器件动作时间的统一性产生了挑战。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法，包括以下步骤：

S1：建立断路器总拓扑模型；

S2：建立正反限流闸拓扑模型；

S3：设置断路器不同运行模式的转变；

S4：确定柔性直流输电线路发生极间故障时断路器的电流应力和电压应力。

进一步地，所述步骤S1中的断路器总拓扑模型由多个电抗器、正反限流闸和正反断流闸组成，所述正反限流闸和所述正反断流闸均为模块化封装结构。

进一步地，所述步骤S2中的正反限流闸拓扑模型的正反限流闸均由四条支路并联组成。

进一步地，所述四条支路中的第一支路由机械开关和负荷转换开关串联组成，所述四条支路中的第二支路由电容器和一个晶闸管串联组成，所述四条支路中的第三支路由多个晶闸管同向串联组成，所述四条支路中的第四支路由金属氧化物避雷器组成。

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S301：触发正向主断路支路所有晶闸管，导通正向主断路支路，同时关断负荷转换开关；

S302：断开机械开关；

S303：触发第二支路晶闸管，使得正向主断路支路承受反向电压。

进一步地，所述步骤S4中的电流应力，其描述公式为：

i_fault(t)＝λ′μ′·e^-φtsin(ζt+α′-β)

式中，i_fault(t)为故障电流，即电流应力，λ′、μ′、α′均为故障电流描述参数，β为故障电流电压相位角，ζ为故障频率，为时间常数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)具有优良的静态性能和超高的分断速度，本发明利用电力电子器件相互连接，以及动作时许安排形成限流闸和断流扎，起到故障后超高速投入限流支路或直接断开故障电流隔离故障的作用。通过断路器本身拓扑连接改变而使得断路器运行模式在正常运行、限流运行和故障隔离三种工作状态下相互变更。通过三种状态之间的相互转换可实现正常工作时以低电抗方式运行、故障时进入限流状态以高电抗方式运行限制故障电流，最终隔离故障，可起到保护系统设备的作用。

(2)实用性强，本发明断路器具有正常运行、限流运行和故障隔离三种工作状态。通过三种状态之间的相互转换可实现正常工作时以低电抗方式运行、故障时进入限流状态以高电抗方式运行限制故障电流，最终隔离故障，可起到保护系统设备的作用，还将电抗器限流功能与断路器通过拓扑结构变换结合在一起，使其具备限流模式。从而达到仅限制故障电流、降低故障电流攀升速度而不影响系统正常运行的目的，并对该断路器进行了闸组内的电压、电流应力分析，实用针对性强。

附图说明

图1为直流断路器拓扑图；

图2为正向限流闸结构示意图；

图3为反向限流闸结构示意图；

图4为MMC直流侧极间断路故障图；

图5为放电回路等值化简图，其中，图5(a)为化简前放电回路图，图5(b) 为化简后放电回路图；

图6为等效电路变化过程图，其中，图6(a)为变化前等效电路图，图6(b) 为变化后等效电路图；

图7为正向电流闸组开断原理示意图；

图8为柔性直流系统模型；

图9为中点故障断路器内部电流仿真波形图，其中，图9(a)为故障总电流仿真波形图，图9(b)为断路闸晶闸管主断路支路电流仿真波形图，图9(c)为限流闸电容关断支路电流仿真波形图，图9(d)为限流闸晶闸管主断路支路电流仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明的设计方法具体如下：

1.初步设计

如图1所示，取沿虚线或点画线方向(从左至右)为正，反之为负，且下文皆以此定义正、负方向。该直流断路器由电抗器L₁、L₂…L_n串联后与L₀并联组成。电抗器L₀两端设有正限流闸和反限流闸，分别用于在流过正向电流和反向电流时断开电抗器L₀所在支路。而正断流闸和反断流闸分别设在直流断路器两端子侧，起到分别在流过正向电流和反向电流时控制整个直流断路器开断的作用。

其中正、反限流闸以及正、反断流闸为模块化封装结构。其内部结构分别如图 2、3所示。以图2正断流闸为例：该闸由4条支路并联组成。机械开关和负荷转换开关串联组成第一条支路，其中负荷转移开关由少量IGBT反向串联组成，每个 IGBT皆反向并联二极管，起双向导通电流作用。且其低通态损耗特性，使系统正常运行时导通该支路运行的损耗降低。第二条支路由电容器和晶闸管串联组成。支路三采用大量晶闸管沿正方向同向串联，为主开断支路，直接承担开断闸组任务。支路四为金属氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)可限制冲击电压峰值。反断流闸模块中支路二和支路三中晶闸管串联方向、电容器正负极性与正断流闸相反。正、反限流闸与正、反断流闸拓扑结构相同。

通过控制断流闸和限流闸的开断，本发明所提出的这种具备限流模式的混合式直流断路器可以具备正常工作、故障限流以及故障隔离三种模式。正常工作模式下，所有的闸组的负荷转换支路均保持导通，其他支路均保持断开。即机械开关闭合、只将负荷转换开关中的晶闸管和IGBT触发导通，其余支路上的晶闸管全部关断。此时整个断路器中的电流流向如图1中虚线所示，电抗器L₁到L_n串联后与L₀并联，使得该断路器对外部电路而言呈现低阻抗特性，且损耗也很低。

以系统流过正向电流时为例。当断路器流过正向电流时，如果关断正向限流闸则断路器进入限流模式。如图2，具体操作如下：1、触发正向主断路支路所有晶闸管，导通正向主断路支路，同时关断负荷转换开关。2、断开机械开关(零电流)。 3、触发晶闸管T₀导通，使得正向主断路支路承受反向电压，该支路晶闸管全部关断。此时断路器中的电流流向如图1中的点画线所示。此时断路器L₀支路断开，对外呈现高电抗特性，可以限制短路电流增长。反限流闸动作原理与正限流闸相同。当正断流闸或反向电流闸步骤断开后，本断路器断开，可快速切断故障电流。其步骤与限流闸开断所述步骤相同，此处不做赘述。

2.具体步骤

步骤1、提出该直流断路器由电抗器L₁、L₂…L_n串联后与L₀并联组成。电抗器L₀两端设有正限流闸和反限流闸，分别用于在流过正向电流和反向电流时断开电抗器L₀所在支路的断路器总体拓扑模型；

步骤2、利用电力电子等期间搭建正、反限流闸拓扑模型，该模型由4条主要支路组成；

步骤3、通过1、触发正向主断路支路所有晶闸管，导通正向主断路支路，同时关断负荷转换开关。2、断开机械开关(零电流)。3、触发晶闸管T₀导通，使得正向主断路支路承受反向电压，该支路晶闸管全部关断的步骤断开相应闸组可实现断路器运行模式转变；

步骤4、对柔性直流系统输电线路发生极间故障后断路器动作前后相应的短路电流和设备承载电压作相应的电流应力以及电压应力分析。

如图4所示，以MMC型柔性直流输电系统在换流站出口处发生极间短路故障为例，极间短路是直流输电系统最为严重的故障。短路后子模块电容放电，故障电流持续快速增加对各直流设备造成极大的冲击，导致巨大的经济损失。设该换流站各相上下桥壁子模块数相等都为X，则每项的子模块数n＝2X。各桥壁等值电抗为 Z₀。

不考虑冗余模块，正常工况下任意时刻各相上桥壁与下桥壁导通子模块数量之和皆为X。故障发生后假设换流站不闭锁。可得放电通路化简图5(a)。其中R₀,L₀表示每相上、下桥壁的电阻与电抗值，L_DCb为直流断路器电抗，C₀为子模块电容值， a₁,a₂分别为a相上下桥壁导通子模块数，且有：

a₁+a₂＝X

图5(a)化简后可得等值电路图如图5(b)所示R_eq、L_eq以及C_eq分别为等效电阻、电感和电容，L_DCb为直流断路器等效电抗值。其中：

列KVL方程式如下：

可解得一对特根为：

为方便计算可设φ、ζ以及为初值：

u_dc(0)＝U₀

i_fault(0)＝I₀

通过上式可解得故障电流其中：

设该直流断路器串联支路电感都与并联支路电感相等，及L₀＝L₁…＝L_N。记电感L₁…L_N串联支路为支路1，其电流为i₁(t)，电感L₀并联支路为支路0，其电流为i₀(t)。若直流系统发生故障，断路器限流闸于t₁时刻动作，改变该直流断路器内部拓扑结构，则闸组动作前支路1、0电流为:

此时故障等值电路(如图5b)的磁链方程为：

ψ_L(t_1-)＝2ψ_1N(t_1-)+2ψ₀(t_1-)+ψ_eq(t_1-)

＝2(L₁+Λ+L_N)i₁(t_1-)+2L₀i₀(t_1-)+L_eqi_fault(t_1-)

限流闸组动作后，L₀支路被切除，此时故障回路的磁链方程变为：

ψ_L(t₁₊)＝2ψ₁(t₁₊)+2ψ₂(t₁₊)Λ2ψ_N(t₁₊)+ψ_eq(t₁₊)

＝[2(L₁+L₂+ΛL_N)+L_eq]i_fault(t₁₊)

根据磁链守恒原则闸动作前后磁链应相等，连列上式可得：

显然当N>1时有i_fault(t₁₊)＜i_fault(t_1-)，即当支路1串联电抗器数大于1时，该断路器限流阀动作后可以瞬间降低故障电流，从而对直流设备的安全起到一定积极作用。此后故障电流变为：

i_fault(t)＝λ′μ′·e^-φtsin(ζt+α′-β)

其中：

L′_DCb＝(N+1)L_DCb

需要注意的是，L_DCb都变为L′_DCb。有上述分析可以看出，本发明设计的直流断路器限流闸组断开后可瞬时降低故障电流，并且之后还能抑制故障电流上升速度。间接保护了一些精密直流设备，为保护动作延长时间。

由于直流断路器两端电流发生跃变，势必会有冲击电压产生。断路器中的正、反向限流闸组会在流过正、反向电流时分别断开，承受相应的冲击电压。所以闸组中要装设MOA吸收冲击电压产生的能量。冲击电压产生前后的故障等效电路变化可如图6(a)～(b)所示。

其中：L′＝2L_DCb+L_eq、L″＝L_DCb+L′_DCb+L_eq。由KVL可得，限流闸动作后断路器所受电压应力u_DCb(t₁₊)为：

u_L″＝u_eq(t₁₊)-R_eqi_fault(t₁₊)

同时发明所提断路器以晶闸管为开断器件，其原理图如图7所示：当直流系统流过正向电流时(虚线方向)，两侧断流闸限流闸中必定流过正向电流。若此时发生故障，则正向断流闸和正向限流闸动作对故障线路限流并断开隔离。反之(实线方向)，则反向断流闸和逆向限流闸动作。

现以流过正向电流时，限流闸开断为例进行推导说明。如前文所述，当负荷转换开关关断后，闸组关断模型如图7。设此时刻为t_2-，其电流流向如图中蓝色虚线所示。t₂时触发T₀并关断T₁…T_N，此时电容C₀跃变为：

可推导出冲击电流大小i_C(t)，其中δ(t)为单位冲击函数。并在L₀上产生冲击电压，如下式所示：

i_C(t)＝C₀[u_C(t₁₊)-u_C(t_1-)]δ(t)

u_L(t)＝L₀[i_L(t₂₊)-i_L(t_2-)]δ(t)

当L₀与C₀两端出现相同电压时，电容产生的反向冲击电流I将流过T₁到T_N使其关断，其中电流I如下所示：

I＝C₀[u_C(t₁₊)-u_C(t_1-)]δ(t)-[i_L(t₁₊)-i_L(t_1-)]

可见，选择合适的电容值C₀和电容电压初始值就可实现闸组关断的目的。

3.算例分析

本文利用PSCAD/EMTDC仿真分析平台搭建了如图8所示的双端柔性直流输电系统。其中S₁、S₂为交流系统，T₁、T₂为双绕组变压器，直流架空输电线路全长 400km，两端装设本文提出的具备限流模式的高压混合式直流断路器且在直流线路中点以及首、末端加设极间短路故障故障开始时间为2s。整个系统采用交流侧经星型电抗器接地的接地方式。该柔性直流系统部分参数如下表1、2所示。

正常运行时，换流站1采用定直流电压和定无功功率控制，换流站2为定有功 功率和定无功功率控制。换流站1发出有功、无功分别为950MW、-90MVar。功 率传输方向为换流站1至换流站2。系统稳定运行2s后直流线路在线路中点200km 处以及线路两端分别设置极间短路故障，故障持续时间为0.1s。故障发生后，直流 断路器实施先进入限流模式限制短路电流，后切断线路隔离故障操作。其中本文所 提直流断路器参数设置如表3所示。线路中点故障后系统及闸组内部各段电流仿真 波形如图9(a)～(d)所示。各闸组及其部件动作时序如图9(a)～(d)各自对 应所示。故障于2s开始，后直流系统故障电流急剧攀升。2.0015s系统直流线路过 流，正限流闸组和正断路闸组主断路支路同时导通，同时，负荷转换开关中IGBT 停止触发，机械开关打开。故障电流从支路一转移至支路二(主断路支路)。2.003s限流闸电容关断支路对限流闸主断路支路施加关断信号，断路器并联L₀支路打开， 系统故障总电流大幅跌落，故障电流由峰值6.324kA降至3.286kA。由于器件自有 原因不能瞬间关断，且MOA存在吸收了一部分能量，导致此时电流与理论计算值 存在一定差距。但依然起到了良好的故障限流作用，且进入限流模式后故障电流攀 升速度也得到了一定限制。2.0045s后断路闸开始关断操作并于2.0071s故障总电流 降为0kA，完成断路操作，实现故障隔离。

表1

表2

表3

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立断路器总拓扑模型；

S2：建立正反限流闸拓扑模型；

S3：设置断路器不同运行模式的转变；

S4：确定柔性直流输电线路发生极间故障时断路器的电流应力和电压应力。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中的断路器总拓扑模型由多个电抗器、正反限流闸和正反断流闸组成，所述正反限流闸和所述正反断流闸均为模块化封装结构。

3.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中的正反限流闸拓扑模型的正反限流闸均由四条支路并联组成。

4.根据权利要求3所述的一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法，其特征在于，所述四条支路中的第一支路由机械开关和负荷转换开关串联组成，所述四条支路中的第二支路由电容器和一个晶闸管串联组成，所述四条支路中的第三支路由多个晶闸管同向串联组成，所述四条支路中的第四支路由金属氧化物避雷器组成。

5.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S301：触发正向主断路支路所有晶闸管，导通正向主断路支路，同时关断负荷转换开关；

S302：断开机械开关；

S303：触发第二支路晶闸管，使得正向主断路支路承受反向电压。

6.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的直流断路器的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中的电流应力，其描述公式为：

i_fault(t)＝λ′μ′·e^-φtsin(ζt+α′-β)

式中，i_fault(t)为故障电流，即电流应力，λ′、μ′、α′均为故障电流描述参数，β为故障电流电压相位角，ζ为故障频率，为时间常数。