CN110212506B - 一种可级联式固态直流故障限流器、级联结构及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可级联式固态直流故障限流器、级联结构及工作方法，本发明所述固态直流限流器可通过预先充电的电容关断对应的晶闸管，从而在直流输配电系统发生短路故障后将限流电抗器串入故障回路，以限制故障电流的上升速度。同时，该固态直流故障限流器具备级联和扩展能力，可以根据短路电流的大小，采用分级限流的方法予以应对，即故障电流越大，投入使用的限流电抗器越多。

Description

一种可级联式固态直流故障限流器、级联结构及工作方法

技术领域

本发明属于故障电流限制器技术领域，特别是涉及一种可级联式固态直流故障限流器、级联结构及工作方法。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，直流输配电技术发展迅速。相较于交流输配电系统，直流输配电系统具有电能质量好、供电容量大、线路损耗小、无需功率补偿等优势。但直流输配电系统对保护的要求较传统交流输配电系统更高，由于直流输配电系统发生短路故障后，短路电流上升速度快、处理困难，并且一般的直流断路器不具备交流输配电系统过零灭弧能力。因此，设计合理的直流故障限流器来限制短路故障电流，从而配合直流断路器对直流输配电系统进行有效保护具有很大的必要性。

传统的被动式电抗限流器虽然原理简单、成本低，但是会对电网正常运行产生较大的影响，并且会产生较大的损耗。而主动式直流故障限流器只在系统发生短路故障时将电抗器串入故障回路中，从而可解决被动式限流器存在的问题。目前，主动式直流故障限流器可以分为以下几种：1.超导直流故障限流器，这种限流器结构简单，控制方便，响应速度快，但超导材料价格昂贵，而且在失超后恢复超导状态较为困难，这也是制约超导限流器发展的主要因素。2.固态直流故障限流器，这种限流器拓扑结构丰富，控制灵活，成本较低，但是目前固态故障限流器依然受到电力电子器件电压以及功率等级的限制。3.基于正温度系数电阻PTC的故障限流器，这种限流器结构、原理都十分简单，但是其额定电压和额定电流都很小，并且多次使用后，其限流效果将会明显下降。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种可级联式固态直流故障限流器、级联结构及工作方法；本发明所述固态直流限流器可通过预先充电的电容关断对应的晶闸管，从而在直流输配电系统发生短路故障后将限流电抗器串入故障回路，以限制故障电流的上升速度。同时，该固态直流故障限流器具备级联和扩展能力，可以根据短路电流的大小，采用分级限流的方法予以应对，即故障电流越大，投入使用的限流电抗器越多。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种可级联式固态直流故障限流器，所述限流器包括晶闸管T₁、晶闸管T₂、晶闸管T₃、晶闸管T₄、晶闸管T₅、晶闸管T₆、限流电抗器L₁、限流电抗器L₂、电容C₁、电容C₂、二极管D₁和二极管D₂；所述晶闸管T₁的阳极与线路电感L₀的一端连接，晶闸管T₁的阴极分别与限流电抗器L₁的一端和所述晶闸管T₂的阳极连接，所述限流电抗器L₁的另一端分别与电容C₁的一端和二极管D₁的阳极连接，所述电容C₁的另一端以及二极管D₁的阴极均分别与晶闸管T₆的阴极和晶闸管T₅的阳极相连，所述晶闸管T₆的阳极与线路电感L₀的一端连接，所述晶闸管T₂的阴极分别与限流电抗器L₂的一端和晶闸管T₃的阳极相连，所述限流电抗器L₂的另一端分别与电容C₂的一端和二极管D₂的阴极连接，所述电容C₂的另一端以及二极管D₂的阳极均分别与晶闸管T₅的阴极和晶闸管T₄的阳极相连，所述晶闸管T₃的阴极和晶闸管T₄的阴极均与负载R_L的一端连接。

进一步地，所述线路电感L₀的另一端与线路阻抗R₀的一端相连，所述线路阻抗R₀的另一端与直流电源U_dc的一端相连，所述直流电源U_dc的另一端接地，所述负载R_L的另一端接地。

进一步地，在所述限流器工作之前给电容C₁和电容C₂充电，首先导通晶闸管T₆、晶闸管T₂和晶闸管T₃给电容C₁充电，之后导通晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₄给C₂充电。

本发明还提出一种可级联式固态直流故障限流器的级联结构，所述级联结构包括n级所述限流器，其中n大于等于2，每一级所述限流器右端口与其相邻限流器左端口并联。

本发明还提出一种可级联式固态直流故障限流器的工作方法，在所述限流器工作之前给电容C₁和电容C₂充电，正常工作时，所述晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₃导通，线路正常工作，当发生短路故障后，给晶闸管T₅导通信号，晶闸管T₂在电容C₁和电容C₂的反向电压的作用下，电流逐渐减小，当晶闸管T₂完全关断后，电容C₁、电容C₂和限流电抗器L₁、限流电抗器L₂发生谐振，当电容两端电压下降至0时，限流过渡过程结束，限流电抗器串入主回路中，起到限流的作用。

进一步地，所述限流器的工作方法具体流程为：

在正常工作时，所述晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₃导通，线路电流i记做I₀，电容C₁、C₂初始电压之和记为U_C0，且有C＝C₁C₂/(C₁+C₂)，L＝L₁+L₂；

第一阶段t₀-t₁：此时直流系统发生短路故障，所述固态直流故障限流器还未开始动作，根据KVL，可以得到：

根据式(1)，进一步可以得到

第一阶段结束时，线路电流i记做I₁；

第二阶段t₁-t₂：所述固态直流限流器开始动作，给晶闸管T₅导通信号至流经晶闸管T₂的电流i₂＝0结束；

所述第二阶段电流i₂逐渐下降，流经晶闸管T₅的电流i₅回路压降为0，根据KVL可以得到：

根据式(2)，可以得到

式中U_c表示电容C₁和电容C₂的当前电压之和；

所述第二阶段在i₂＝0时结束；

所述第二阶段结束时，线路电流i记做I₂，两个电容的电压之和下降至U_C1；

第三阶段t₂-t₃：此阶段开始时流经晶闸管T₂的电流i₂为0，晶闸管T₂完全关断，电容C₁、C₂继续放电至电容C₁、C₂放电结束，此时限流电抗器开始接入故障回路；

根据KVL，可以得到：

初值为i(t₂)＝I₂，U_C(t₂)＝U_C1；

根据式(3)，解得i＝e^-t/τ(k₁sin(ωt)+k₂cos(ωt))，其中，

k₂＝I₂,

L＝L₀+L₁；

所述第三阶段结束时，线路电流i记做I₃；

第四阶段t₃-t₄：此阶段电容放电结束，两个二极管导通，根据KVL，可以得到：

可由式(4)解得

进一步地，在第二阶段中确定所述晶闸管T₂关断的条件为：

且U_C1≥0。

本发明的有益效果为：本发明所述固态直流限流器可通过预先充电的电容关断对应的晶闸管，从而在直流输配电系统发生短路故障后将限流电抗器串入故障回路，以限制故障电流的上升速度。同时，该固态直流故障限流器具备级联和扩展能力，可以根据短路电流的大小，采用分级限流的方法予以应对，即故障电流越大，投入使用的限流电抗器越多。

附图说明

图1为本发明所述固态直流故障限流器的拓扑结构图；

图2为两个电容充电示意图；

图3为本发明所述故障限流器的级联结构示意图；

图4为第一阶段等效电路图；

图5为第二阶段等效电路图；

图6为第三阶段等效电路图；

图7为第四阶段等效电路图；

图8为所述故障限流器参数相关波形图；

图9为所述故障限流器限流效果图；

图10为所述故障限流器级联限流效果图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，本发明提出一种可级联式固态直流故障限流器，所述限流器包括晶闸管T₁、晶闸管T₂、晶闸管T₃、晶闸管T₄、晶闸管T₅、晶闸管T₆、限流电抗器L₁、限流电抗器L₂、电容C₁、电容C₂、二极管D₁和二极管D₂；所述晶闸管T₁的阳极与线路电感L₀的一端连接，晶闸管T₁的阴极分别与限流电抗器L₁的一端和所述晶闸管T₂的阳极连接，所述限流电抗器L₁的另一端分别与电容C₁的一端和二极管D₁的阳极连接，所述电容C₁的另一端以及二极管D₁的阴极均分别与晶闸管T₆的阴极和晶闸管T₅的阳极相连，所述晶闸管T₆的阳极与线路电感L₀的一端连接，所述晶闸管T₂的阴极分别与限流电抗器L₂的一端和晶闸管T₃的阳极相连，所述限流电抗器L₂的另一端分别与电容C₂的一端和二极管D₂的阴极连接，所述电容C₂的另一端以及二极管D₂的阳极均分别与晶闸管T₅的阴极和晶闸管T₄的阳极相连，所述晶闸管T₃的阴极和晶闸管T₄的阴极均与负载R_L的一端连接。

所述线路电感L₀的另一端与线路阻抗R₀的一端相连，所述线路阻抗R₀的另一端与直流电源U_dc的一端相连，所述直流电源U_dc的另一端接地，所述负载R_L的另一端接地。

本发明还提出一种可级联式固态直流故障限流器的级联结构，所述级联结构包括n级所述限流器，其中n大于等于2，每一级所述限流器右端口与其相邻限流器左端口并联，如图3所示。

本发明还提出一种可级联式固态直流故障限流器的工作方法，在所述限流器工作之前给电容C₁和电容C₂充电，电容初始电压极性如图1所示，首先导通晶闸管T₆、晶闸管T₂和晶闸管T₃给电容C₁充电，之后导通晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₄给C₂充电，如图2所示。正常工作时，所述晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₃导通，线路正常工作，当发生短路故障后，给晶闸管T₅导通信号，晶闸管T₂在电容C₁和电容C₂的反向电压的作用下，电流逐渐减小，当晶闸管T₂完全关断后，电容C₁、电容C₂和限流电抗器L₁、限流电抗器L₂发生谐振，当电容两端电压下降至0时，限流过渡过程结束，限流电抗器串入主回路中，起到限流的作用。

所述限流器的工作方法具体流程为：

在正常工作时，所述晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₃导通，线路电流i记做I₀，电容C₁、C₂初始电压之和记为U_C0，且有C＝C₁C₂/(C₁+C₂)，L＝L₁+L₂；

结合图4，第一阶段t₀-t₁：此时直流系统发生短路故障，所述固态直流故障限流器还未开始动作，根据KVL，可以得到：

根据式(1)，进一步可以得到

第一阶段结束时，线路电流i记做I₁；

结合图5，第二阶段t₁-t₂：所述固态直流限流器开始动作，给晶闸管T₅导通信号至流经晶闸管T₂的电流i₂＝0结束；

所述第二阶段电流i₂逐渐下降，流经晶闸管T₅的电流i₅回路压降为0，根据KVL可以得到：

根据式(2)，可以得到

式中U_c表示电容C₁和电容C₂的当前电压之和；

所述第二阶段在i₂＝0时结束；

所述第二阶段结束时，线路电流i记做I₂，两个电容的电压之和下降至U_C1；在第二阶段中确定所述晶闸管T₂关断的条件为：

且U_C1≥0。

结合图6，第三阶段t₂-t₃：此阶段开始时流经晶闸管T₂的电流i₂为0，晶闸管T₂完全关断，电容C₁、C₂继续放电至电容C₁、C₂放电结束，此时限流电抗器开始接入故障回路；

根据KVL，可以得到：

初值为i(t₂)＝I₂，U_C(t₂)＝U_C1；

根据式(3)，解得i＝e^-t/τ(k₁sin(ωt)+k₂cos(ωt))，其中，

k₂＝I₂,

L＝L₀+L₁；

所述第三阶段结束时，线路电流i记做I₃；

结合图7，第四阶段t₃-t₄：此阶段电容放电结束，两个二极管导通，根据KVL，可以得到：

可由式(4)解得

本发明所述的固态直流故障限流器充分利用自身结构的特点来实现电容的充电，为了保证达到T₂关断的条件，应使电容预充电电压具备后期关断T₂的能力。可分别给C₁、C₂单独充电，首先导通T₆、T₂、T₃给C₁充电，之后导通T₁、T₂、T₄给C₂充电，电容充电方案如图2所示。其中R_C为限流器工作前给电容C₁、C₂预充电的限流电阻，其在电容充电完成后断开。

同时，本发明所提出的限流器具备级联和扩展能力，可以实现分级限流。通过不断级联以上所发明的拓扑结构，可以实现限流能力的提升，并可根据短路故障电流的大小投入不同数量的限流电抗。所述固态直流故障限流器的级联结构示意图如图3所示，通过进行级联，其限流能力得到进一步提升。需要指出的是，在通过级联来实现分级限流时，由于故障电流幅值随时间增加，每往后投入一级限流器，其所承担的故障电流都比前一级大。满足限流晶闸管关断的条件也随之提高，因此需要对应增加电容的电压或者增大电容的容值，根据上述所提充电方案，电容的电压是确定值，所以每往后一级，电容容值就需要相应的增大。

为了验证本发明的可级联式固态直流故障限流器的限流效果，进行了对应的仿真验证。所采用的仿真参数如下：线路阻抗R₀＝1Ω，L₀＝5mH，负载R_L＝100Ω，限流电抗L₁＝L₂＝2.5mH，电容C₁＝C₂＝5μF，第二级中电容C₁＝C₂＝10μF，限流电抗器L₃＝L₄＝2mH，0.5s时发生故障。对其故障电流、T₂、T₅的电流，以及T₂和电容C₁与C₂上的电压进行考察，相关波形如图8所示。

由图8可以看出，在直流系统短路故障发生后，T₅导通，T₂在电容电压的作用下关断。i₅电流增大，i₂逐渐减小，当i₂下降至0时，i＝i₅，而此时电容电压并未放电结束，当电容放电结束后，限流器过渡过程结束，限流电抗器完全投入故障回路。

本发明所述的可级联式固态直流故障限流器的限流效果对比结果如图9所示。在短路故障发生2ms后测量短路电流大小，可以看到，使用本发明的限流器时故障电流从未使用限流器的3367A下降至2240.92A,下降幅度为33.4％。同时，从图9也可以观察到，发生故障时，在限流电抗投入使用的过程中，电容和限流电抗器将会发送一定程度谐振现象，直至电容放电结束。

扩展级联后的两级限流器的限流效果如图10所示。可以看出，本发明的级联式限流器可在故障电流为300A时启动第一级限流，在故障电流为1000A时启动第二级限流。从图10中也可以看出，以2ms为评判标准，系统的故障电流在二级限流的情况下下降至2030A，较无限流器时的下降幅度为39.7％。

以上对本发明所提供的一种可级联式固态直流故障限流器、级联结构及工作方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种可级联式固态直流故障限流器的工作方法，其特征在于：所述限流器包括晶闸管T₁、晶闸管T₂、晶闸管T₃、晶闸管T₄、晶闸管T₅、晶闸管T₆、限流电抗器L₁、限流电抗器L₂、电容C₁、电容C₂、二极管D₁和二极管D₂；所述晶闸管T₁的阳极与线路电感L₀的一端连接，晶闸管T₁的阴极分别与限流电抗器L₁的一端和所述晶闸管T₂的阳极连接，所述限流电抗器L₁的另一端分别与电容C₁的一端和二极管D₁的阳极连接，所述电容C₁的另一端以及二极管D₁的阴极均分别与晶闸管T₆的阴极和晶闸管T₅的阳极相连，所述晶闸管T₆的阳极与线路电感L₀的一端连接，所述晶闸管T₂的阴极分别与限流电抗器L₂的一端和晶闸管T₃的阳极相连，所述限流电抗器L₂的另一端分别与电容C₂的一端和二极管D₂的阴极连接，所述电容C₂的另一端以及二极管D₂的阳极均分别与晶闸管T₅的阴极和晶闸管T₄的阳极相连，所述晶闸管T₃的阴极和晶闸管T₄的阴极均与负载R_L的一端连接；

在所述限流器工作之前给电容C₁和电容C₂充电，正常工作时，所述晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₃导通，线路正常工作，当发生短路故障后，给晶闸管T₅导通信号，晶闸管T₂在电容C₁和电容C₂的反向电压的作用下，电流逐渐减小，当晶闸管T₂完全关断后，电容C₁、电容C₂和限流电抗器L₁、限流电抗器L₂发生谐振，当电容两端电压下降至0时，限流过渡过程结束，限流电抗器串入主回路中，起到限流的作用；

所述限流器的工作方法具体流程为：

在正常工作时，所述晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₃导通，线路电流i记做I₀，电容C₁、C₂初始电压之和记为U_C0，且有C＝C₁C₂/(C₁+C₂)，L＝L₁+L₂；

第一阶段t₀-t₁：此时直流系统发生短路故障，所述固态直流故障限流器还未开始动作，根据KVL，可以得到：

根据式(1)，进一步可以得到

第一阶段结束时，线路电流i记做I₁；

第二阶段t₁-t₂：所述固态直流故障限流器开始动作，给晶闸管T₅导通信号至流经晶闸管T₂的电流i₂＝0结束；

所述第二阶段电流i₂逐渐下降，流经晶闸管T₅的电流i₅回路压降为0，根据KVL可以得到：

根据式(2)，可以得到

式中U_c表示电容C₁和电容C₂的当前电压之和；

所述第二阶段在i₂＝0时结束；

所述第二阶段结束时，线路电流i记做I₂，两个电容的电压之和下降至U_C1；

第三阶段t₂-t₃：此阶段开始时流经晶闸管T₂的电流i₂为0，晶闸管T₂完全关断，电容C₁、C₂继续放电至电容C₁、C₂放电结束，此时限流电抗器开始接入故障回路；

根据KVL，可以得到：

初值为i(t₂)＝I₂，U_C(t₂)＝U_C1；

根据式(3)，解得i＝e^-t/τ(k₁sin(ωt)+k₂cos(ωt))，其中，

L＝L₀+L₁；

所述第三阶段结束时，线路电流i记做I₃；

第四阶段t₃-t₄：此阶段电容放电结束，两个二极管导通，根据KVL，可以得到：

可由式(4)解得

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述线路电感L₀的另一端与线路阻抗R₀的一端相连，所述线路阻抗R₀的另一端与直流电源U_dc的一端相连，所述直流电源U_dc的另一端接地，所述负载R_L的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在所述限流器工作之前给电容C₁和电容C₂充电，首先导通晶闸管T₆、晶闸管T₂和晶闸管T₃给电容C₁充电，之后导通晶闸管T₁、晶闸管T₂和晶闸管T₄给C₂充电。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在第二阶段中确定所述晶闸管T₂关断的条件为：

且U_C1≥0。

5.一种采用权利要求1所述的可级联式固态直流故障限流器的工作方法的故障限流器的级联结构，其特征在于：所述级联结构包括n级所述限流器，其中n大于等于2，每一级所述限流器右端口与其相邻限流器左端口并联。

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