CN110071488A - 适于自适应限流直流固态断路器的直流电源及其控制方法 - Google Patents

适于自适应限流直流固态断路器的直流电源及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适于自适应限流直流固态断路器的直流电源及其控制方法，为三相半波整流电路与电源保护电路串联的电路。正常运行状态，单向导通可关断开关处于导通状态，单向导通晶闸管处于关断状态；直流电源电压设置为使Ib略大于直流系统的额定电流，或者略大于正常运行时可能出现的最大负荷电流；当直流系统发生故障时，直流电抗器接入到故障回路后，上升到Ib时，单向导通可关断开关立即关断，单向导通晶闸管立即导通；此时直流电源退出故障电流流通路径；当直流系统故障点消失或被排查清除时，直流电抗器电流下降到Ib时，立即导通单向导通可关断开关上，单向导通晶闸管在直流电源反向电压作用下立即关断，直流电源恢复至正常运行状态。

Description

适于自适应限流直流固态断路器的直流电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流输/配/微电网和直流电源技术领域，特别是涉及一种适用于具有自 适应限流能力直流固态断路器的直流电源及其控制方法。
背景技术
柔性直流系统的典型换流器的类型主要包括两电平VSC换流器(VSC，电压源型 换流器voltage source converter)、三电平VSC换流器以及MMC模块化多电平换流器 (MMC，模块化多电平换流器modularmultilevel converter)。
针对上述典型换流器构造的柔性直流系统在直流故障后直流电压迅速跌落、直流电 流急剧上升以及故障隔离难度大等问题。中国专利201710399243.0《一种具有自适应限流能力的直流固态断路器及其控制方法》公开了一种具有自适应限流能力的直流固态断路器，能在保护跳闸信号接收前快速、自动地限制故障电流，为有选择性切除故障线路 提供了必要条件，保证剩余网络的可靠故障穿越。根据上述直流固态断路器拓扑和原理 可知，其内部设有提供偏置电压的直流电源，在故障状态下故障电流流过直流电源，对 直流电源造成极大的冲击。因此，如何在上述固态断路器故障限流的同时，避免故障电 流对直流电源造成的不利影响，并实现与断流功能之间的协调配合成为上述直流断路器 改进的关键课题。中国专利201720891640.5《用于低压断路器的电源电路》公开了用于 低压断路器的电源电路，采用三相半波整流和电容器滤波，可以实现稳定的电压输出， 满足器件正常运行的供电需求。但是，由于器件自身的限制，依然无法承受故障电流的 冲击。因此，为了直流系统的运行安全和供电可靠性，需要设计合适的直流电源电路， 即可以满足上述直流固态断路器的运行要求，又可以在直流系统故障时保护直流电源不 被损坏。
发明内容
针对目前具有自适应限流能力直流断路器在故障时刻偏置支路直流电源的保护问 题，本发明提出了一种适于自适应限流直流固态断路器的直流电源及其控制方法，利用设计的直流电源拓扑结构，在控制策略方面实现了包括正常运行状态、故障切除状态的 控制方法。
本发明的一种适于自适应限流直流固态断路器的直流电源，所述直流电源的拓扑结 构为三相半波整流电路1与电源保护电路2串联的电路；其中，所述电源保护电路2由 单向导通可关断开关4与单向导通晶闸管5反向串联构成，且单向导通可关断开关4由 一个全控固态开关与一个二极管反并联构成；所述三相半波整流电路1与所述单向导通 可关断开关4同向串联、与单向导通晶闸管5反向串联；单向导通晶闸管5的阴极和阳 极分别作为直流电源正极和负极的输出端口；所述直流电源作为偏置电源，与直流电抗 器L串联接到具有自适应限流能力直流固态断路器的可关断桥臂的公共连接点和两个 二极管串联桥臂的另一公共连接点上，构成具有自适应限流能力直流断路器的偏置支 路。
本发明提出一种适用于自适应限流能力直流固态断路器的直流电源控制方法，包括 正常运行状态、故障状态和故障清除状态的控制策略，该控制方法具体包括以下处理：
正常运行状态，单向导通可关断开关上所有全控固态开关处于导通状态，单向导通 晶闸管处于关断状态；直流电源电压设置为使偏置电流Ib略大于直流系统的额定电流，或者略大于正常运行时可能出现的最大负荷电流；
当直流系统发生故障时，直流电抗器接入到故障回路后，上升到偏置电流设定值1.2Idc.max时，单向导通可关断开关上所有全控固态开关立即关断，单向导通晶闸管立即 导通；此时直流电源退出故障电流流通路径，有效减小故障电流对直流电源的冲击；
当直流系统故障点消失或被排查清除时，直流电抗器电流下降到偏置电流设定值Ib时，立即导通单向导通可关断开关上所有全控固态开关，单向导通晶闸管在直流电源反向电压作用下立即关断，直流电源恢复至正常运行状态，以保证具有自适应限流能力的 直流固态断路器对二次故障的处理能力。
本发明的一种适用于自适应限流能力直流固态断路器的直流电源的电压整定计算 方法，该计算方法通过以下公式得到直流电源换流器出口电压整定结果：
Ud＞(M+2N)VT+4NVD+Idc.max[RL+(M+N)RT+2NRD]
其中，Ub为直流电源换流器出口电压；VT、VD分别为具有自适应限流能力直流固 态断路器桥臂全控固态开关和二极管的导通压降；RT、RD分别为直流固态断路器桥臂 全控固态开关和二极管的导通电阻；RL为直流固态断路器偏置电路直流电抗器电阻；N 为固态断路器桥臂模块个数；M为直流电源全控固态开关的串联个数；Idc.mac为直流电 源的额定电流，或者略大于正常运行时可能出现的最大负荷电流。
与现有技术相比，本发明能够实现与具有自适应限流能力直流固态断路器的限流、 保护与断流之间的有效配合，实现了以下有益效果：
1)结合具有自适应限流能力直流固态断路器偏置支路直流电抗器的滤波作用，本发明能很好的输出所需直流偏置电流，减少了设备重量、体积和投资；
2)在故障发生后直流电源保护电路动作，一方面保护所述直流电源不被损坏，另一方面仍然可以实现保护跳闸信号接收前固态断路器自适应限制直流故障电流；
3)合理的直流电源电压整定，既不因整定值过低影响负荷变化的暂态响应速度，又不因整定值过高给固态断路器快速、自动地限制故障电流带来负面影响。
附图说明
图1为本发明的适于自适应限流直流固态断路器的直流电源拓扑结构示意图；
图2为本发明的适于自适应限流直流固态断路器的直流电源的安装位置示意图；
图3为本发明的直流电源正常运行状态工作原理图；(a)为本发明的直流电源正常运行状态工作原理示意图；(b)为本发明的直流电源安装在所述直流固态断路器正 常运行时的工作原理示意图；
图4为本发明的直流电源故障切除状态工作原理图；(a)为本发明的直流电源故障切除状态工作原理示意图；(b)为本发明的直流电源安装在所述直流固态断路器故 障限流时的工作原理示意图；(c)为本发明的直流电源安装在所述直流固态断路器故 障断流时的工作原理示意图；(d)为本发明的直流电源安装在所述直流固态断路器恢 复状态时的工作原理示意图。
附图标记：
1、三相半波整流电路；2、电源保护电路；3、二极管；4、单向导通可关断开关； 5、单向导通晶闸管；6、具有自适应限流能力直流断路器的偏置支路；7、直流电抗器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。。
如图1所示，为适用于具有自适应限流能力直流固态断路器的拓扑结构。该结构包括三相半波整流电路1和电源保护电路2构成的串联电路。具体结构详细描述如下：
电源保护电路2由单向导通可关断开关4和单向导通晶闸管5串联构成，且三相半波整流电路1与单向导通可关断开关4同向串联；直流电源的正极和负极端口分别为单 向导通晶闸管5的阴极和阳极。连续M个所述单向导通可关断开关4串联可构成开关 模块，且每一单向导通可关断开关均由一个全控固态开关(Ts1～TsM)(图1以IGBT为例， 实际应用中可以是GTO、MOSFET等其它全控固态开关)与一个二极管(Ds1～DsM)反向 并联构成。连续P个所述三相半波整流电路1的二极管3(D11～D1P、D21～D2P、D31～D3P)串 联可构成二极管模块。连续Q个所述单向导通晶闸管5(Tc1～TcQ)串联可构成单向导通 晶闸管模块。所述三相半波整流电路为了得到零线，其变压器二次侧必须接成星形，一 次侧接成三角形，避免三次谐波流入电网。
如图3(a)所示，为直流电源的正常运行状态工作原理图。正常运行时，直流电源内所有固态开关(IGBT)均处于导通状态，所有单向导通晶闸管处于关断状态。如图3 (b)所示，为直流电源接入具有自适应限流能力直流固态断路器的正常运行状态工作 原理图。其中，直流电源电压Eb设置为使偏置电流Ib略大于直流系统的额定电流，或 者略大于正常运行时可能出现的最大负荷电流。所述直流电源整流器出口电压整定如下 式所示
Ud＞(M+2N)VT+4NVD+Idc.max[RL+(M+N)RT+2NRD]
其中，Ub为上述直流电源整流器出口电压；VT、VD分别为具有自适应限流能力直 流固态断路器桥臂全控固态开关和二极管的导通压降；RT、RD分别为直流固态断路器 桥臂全控固态开关和二极管的导通电阻；RL为所述直流固态断路器偏置支路直流电抗 器电阻；N为固态断路器桥臂模块个数；M为所述直流电源全控固态开关的串联个数； Idc.mac为直流系统的额定电流，或者略大于正常运行时可能出现的最大负荷电流。
如图4(a)所示，直流系统发生故障、直流电抗器接入到故障回路后，偏置电流 Ib上升到设定值时，直流电源内单向导通可关断开关4立即关断，单向导通晶闸管5立 即导通。如图4(b)(c)所示，此时直流电源退出故障电流流通路径，有效减小故障 电流对直流电源的冲击。
如图4(d)所示，当直流系统故障点消失或被排查清除，具有自适应限流能力的 直流固态断路器直流电抗器电流不断下降。当直流电抗器电流下降到预设值Ib时，立 即导通单向导通可关断开关4上所有全控固态开关，单向导通晶闸管5在所述直流电源 反向电压作用下立即关断，直流电源恢复至正常运行状态，即图3所示，以保证具有自 适应限流能力的直流固态断路器对二次故障的处理能力。

Claims (7)

1.一种适于自适应限流直流固态断路器的直流电源，其特征在于，所述直流电源的拓扑结构为三相半波整流电路(1)与电源保护电路(2)串联的电路；其中，所述电源保护电路(2)由单向导通可关断开关(4)与单向导通晶闸管(5反向串联构成，且单向导通可关断开关(4)由一个全控固态开关与一个二极管反并联构成；所述三相半波整流电路(1)与所述单向导通可关断开关(4)同向串联、与单向导通晶闸管(5)反向串联；单向导通晶闸管(5)的阴极和阳极分别作为直流电源正极和负极的输出端口；所述直流电源作为偏置电源，与直流电抗器L串联接到具有自适应限流能力直流固态断路器的可关断桥臂的公共连接点和两个二极管串联桥臂的另一公共连接点上，构成具有自适应限流能力直流断路器的偏置支路。
2.如权利要求1所述的一种适于自适应限流直流固态断路器的直流电源，其特征在于，连续M个所述单向导通可关断开关4串联构成开关模块，且每一单向导通可关断开关均由一个全控固态开关Ts1～TsM与一个二极管Ds1～DsM反向并联构成。
3.如权利要求1所述的一种适于自适应限流直流固态断路器的直流电源，其特征在于，连续P个所述三相半波整流电路1的二极管3(D11～D1P、D21～D2P、D31～D3P串联构成二极管模块。
4.如权利要求1所述的一种适于自适应限流直流固态断路器的直流电源，其特征在于，连续Q个所述单向导通晶闸管5 Tc1～TcQ串联构成单向导通晶闸管模块。
5.如权利要求1所述的一种适于自适应限流直流固态断路器的直流电源，其特征在于，所述三相半波整流电路中，变压器二次侧必须接成星形，一次侧接成三角形，避免三次谐波流入电网。
6.一种适用于自适应限流能力直流固态断路器的直流电源控制方法，包括正常运行状态、故障状态和故障清除状态的控制策略，其特征在于，该控制方法具体包括以下处理：
正常运行状态，单向导通可关断开关上所有全控固态开关处于导通状态，单向导通晶闸管处于关断状态；直流电源电压设置为使偏置电流Ib略大于直流系统的额定电流，或者略大于正常运行时可能出现的最大负荷电流；
当直流系统发生故障时，直流电抗器接入到故障回路后，上升到偏置电流设定值1.2Idc.max时，单向导通可关断开关上所有全控固态开关立即关断，单向导通晶闸管立即导通；此时直流电源退出故障电流流通路径，有效减小故障电流对直流电源的冲击；
当直流系统故障点消失或被排查清除时，直流电抗器电流下降到偏置电流设定值Ib时，立即导通单向导通可关断开关上所有全控固态开关，单向导通晶闸管在直流电源反向电压作用下立即关断，直流电源恢复至正常运行状态，以保证具有自适应限流能力的直流固态断路器对二次故障的处理能力。
7.一种适用于自适应限流能力直流固态断路器的直流电源的电压整定计算方法，其特征在于，该计算方法通过以下公式得到直流电源换流器出口电压整定结果：
Ud＞(M+2N)VT+4NVD+Idc.max[RL+(M+N)RT+2NRD]
其中，Ub为直流电源换流器出口电压；VT、VD分别为具有自适应限流能力直流固态断路器桥臂全控固态开关和二极管的导通压降；RT、RD分别为直流固态断路器桥臂全控固态开关和二极管的导通电阻；RL为直流固态断路器偏置电路直流电抗器电阻；N为固态断路器桥臂模块个数；M为直流电源全控固态开关的串联个数；Idc.mac为直流电源的额定电流，或者略大于正常运行时可能出现的最大负荷电流。
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