CN110247385B - 一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器及其工作方法、多级限流器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器及其工作方法、多级限流器，所述限流器包括5组反并联晶闸管、2个单向晶闸管、2个关断电容和1个限流电抗器；所述限流器在故障发生后，利用预充电的关断电容，将主回路中晶闸管关断，同时将限流回路串入故障回路中，以限制故障电流上升速度。同时该限流器具备双向限流能力，可以根据故障电流的方向，实现不同电流方向的限流，并且在故障消失后可以实现自动退出功能。此外，该限流器还具备扩展功能，多个所述限流器级联后，可依据故障电流的大小投入不同数量的限流电抗，以达到自适应限流的效果。

Description

一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器及其工 作方法、多级限流器

技术领域

本发明属于故障消除技术领域，特别是涉及一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器及其工作方法、多级限流器。

背景技术

在过去的几十年里，传统的交流电力系统占据着统治地位，但近些年来，随着经济的发展，人们对电力的需求越来越高，传统的交流电力系统受到了供电半径的限制。并且随着电力电子设备大量应用在电力系统中，给交流电力系统注入了大量谐波，严重影响了电网的电能质量，直流输配电系统重新成为专家学者研究的热点。随着直流输配电系统电压等级的提升，对于直流故障后的保护要求越来越高，并且在直流系统中，故障电流上升速度快，对于断路器的遮蔽容量是一个很大考验，这同时也使得直流断路器的成本增高。因此，在使用直流断路器时，可配合使用合理的直流故障限流器，以降低断路器的工作负荷和成本。

传统的被动式限流器对直流配电系统影响较大，虽然其成本较低，但故障恢复慢，损耗很大。主动式限流器是指正常工作时将限流支路旁路，发生故障时将限流支路串入故障回路中。目前，主动式限流器主要为以下三种：1.超导直流限流器，这种限流器结构简单，控制方便，响应速度也很快，但其过高的成本以及失超恢复等问题都成为制约其发展的关键因素。2.固态直流限流器，这种限流器使用电力电子器件将限流支路旁路，成本相较于超导限流器大大降低，结构更加灵活、丰富，但其受到电力电子器件的制约，当功率等级过高时，并不适用。3.基于正温度系数电阻PTC的故障线路器，这种限流器结构简单，但该类电阻额定电压和额定电流都很小，并且其在多次使用后，其限流效果将会下降。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器及其工作方法、多级限流器。所述限流器在故障发生后，利用预充电的关断电容，将主回路中晶闸管关断，同时将限流回路串入故障回路中，以限制故障电流上升速度。同时该限流器具备双向限流能力，可以根据故障电流的方向，实现不同电流方向的限流，并且在故障消失后可以实现自动退出功能。此外，该限流器还具备扩展功能，多个所述限流器级联后，可依据故障电流的大小投入不同数量的限流电抗，以达到自适应限流的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器，所述限流器包括5组反并联晶闸管、2个单向晶闸管、2个关断电容和1个限流电抗器；第1组反并联晶闸管的一端与线路电抗L₀的一端连接，第1组反并联晶闸管的另一端分别与第2组反并联晶闸管的一端和限流电抗器L₁的一端连接；所述第2组反并联晶闸管的另一端与负载R_L的一端连接；所述限流电抗器L₁的另一端分别与关断电容C₁的一端、单向晶闸管T₅的阳极和关断电容C₂的一端连接；所述关断电容C₁的另一端与第3组反并联晶闸管的一端连接，所述关断电容C₂的另一端与第4组反并联晶闸管的一端连接；所述第3组反并联晶闸管的另一端、单向晶闸管T₅的阴极和第4组反并联晶闸管的另一端均分别与第5组反并联晶闸管的一端和单向晶闸管T₃的阳极相连；所述单向晶闸管T₃的阴极与所述负载R_L的一端连接；所述第5组反并联晶闸管的另一端与所述线路电抗L₀的一端连接。

进一步地，所述线路电抗L₀的另一端与线路阻抗R₀的一端连接，所述线路阻抗R₀的另一端与直流电源U_dc的一端连接，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，每组所述反并联晶闸管均包括两个反向并联连接的晶闸管；所述第1组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₁₁和限流晶闸管T₁₂；所述第2组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₂₁和限流晶闸管T₂₂；所述第3组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₆和充电晶闸管T_C1；所述第4组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₇和充电晶闸管T_C2；所述第5组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₄和充电晶闸管T_C。

进一步地，所述限流晶闸管T₁₁的阳极和限流晶闸管T₁₂的阴极均与线路电抗L₀的一端连接，所述限流晶闸管T₂₁的阴极和限流晶闸管T₂₂的阳极均与所述负载R_L的一端连接，所述限流晶闸管T₆的阳极和充电晶闸管T_C1的阴极均与所述关断电容C₁的另一端连接，所述限流晶闸管T₇的阳极和充电晶闸管T_C2的阴极均与所述关断电容C₂的另一端连接，所述限流晶闸管T₄的阴极和充电晶闸管T_C的阳极均与所述线路电抗L₀的一端连接。

本发明还提出一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器的工作方法，在正常工作之前，通过T_C、T_C1、T_C2给C₁、C₂预充电，关断电容初始电压极性为上负下正；正常工作时，以正向电流流向为例，T₁₁、T₂₁导通，线路正常工作；当发生短路故障后，给T₃、T₆导通信号，并同时持续触发T₅，流过T₂₁的电流在C₁的反向电压下逐渐减小，当减小至0时，即T₂₁完全关断时，关断电容C₁与L₁串入故障回路，关断电容C₁仍有剩余电压，C₁继续放电，当关断电容C₁电压为0时，失去对T₅的钳位作用，T₅导通，限流电抗器L₁串入故障回路中，限流器投入使用；当电流流向反向时，正常工作时电流流经T₁₂、T₂₂，故障发生后，T₄、T₆动作，使T₁₂关断，将限流电抗器L₁串入故障回路。

进一步地，所述限流器在系统故障清除后自动退出；退出时，仍以正向电流流向为例，当故障清除后，限流器中T₇导通，并持续触发T₂₁，流过T₅的电流在C₂反向电压的作用下逐渐减小，当T₅完全关断后，关断电容C₂开始反向充电，电压变为上正下负，流过T₃的电流开始逐渐减小，直至关断，T₂₁导通，限流器退出使用；当电流方向反向时，导通T₇、并且持续触发T₁₂即可。

本发明还提出一种自适应多级限流器，包括m个所述的具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器，第一级限流器直接与线路电抗L₀的一端连接，其他各级限流器在与其上一级限流器级联时均用两组反并联晶闸管替换掉上一级限流器的第2组反并联晶闸管和单向晶闸管T₃，并保证每一级限流器中的限流电抗器的两侧均只连接一组反并联晶闸管，第m级限流器直接与负载R_L的一端连接。

本发明的有益效果为：本发明所述限流器在故障发生后，利用预充电的关断电容，将主回路中晶闸管关断，同时将限流回路串入故障回路中，以限制故障电流上升速度。同时该限流器具备双向限流能力，可以根据故障电流的方向，实现不同电流方向的限流，并且在故障消失后可以实现自动退出功能。此外，该限流器还具备扩展功能，多个所述限流器级联后，可依据故障电流的大小投入不同数量的限流电抗，以达到自适应限流的效果。

附图说明

图1为本发明所述具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器拓扑结构图；

图2为第一阶段电流路径示意图；

图3为第二阶段电流路径示意图；

图4为第三阶段电流路径示意图；

图5为第四阶段电流路径示意图；

图6为退出第一阶段电流路径示意图；

图7为退出第二阶段电流路径示意图；

图8为退出第三阶段电流路径示意图；

图9为退出第四阶段电流路径示意图；

图10为关断电容充电示意图；

图11为本发明所述自适应多级限流器结构图；

图12为本发明所述限流器的单级限流效果图；

图13为本发明所述限流器的关键波形图；

图14为双级限流器的限流仿真结果图。

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，本发明提出一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器，所述限流器包括5组反并联晶闸管、2个单向晶闸管、2个关断电容和1个限流电抗器；第1组反并联晶闸管的一端与线路电抗L₀的一端连接，第1组反并联晶闸管的另一端分别与第2组反并联晶闸管的一端和限流电抗器L₁的一端连接；所述第2组反并联晶闸管的另一端与负载R_L的一端连接；所述限流电抗器L₁的另一端分别与关断电容C₁的一端、单向晶闸管T₅的阳极和关断电容C₂的一端连接；所述关断电容C₁的另一端与第3组反并联晶闸管的一端连接，所述关断电容C₂的另一端与第4组反并联晶闸管的一端连接；所述第3组反并联晶闸管的另一端、单向晶闸管T₅的阴极和第4组反并联晶闸管的另一端均分别与第5组反并联晶闸管的一端和单向晶闸管T₃的阳极相连；所述单向晶闸管T₃的阴极与所述负载R_L的一端连接；所述第5组反并联晶闸管的另一端与所述线路电抗L₀的一端连接。本发明中使用的功率器件为晶闸管，并非全控型功率器件，降低了限流器的成本以及损耗，提高了其容量等级。C₁、C₂在故障限流时发挥关断晶闸管作用，因此在本发明中称之为关断电容。

所述线路电抗L₀的另一端与线路阻抗R₀的一端连接，所述线路阻抗R₀的另一端与直流电源U_dc的一端连接，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。

每组所述反并联晶闸管均包括两个反向并联连接的晶闸管；所述第1组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₁₁和限流晶闸管T₁₂；所述第2组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₂₁和限流晶闸管T₂₂；所述第3组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₆和充电晶闸管T_C1；所述第4组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₇和充电晶闸管T_C2；所述第5组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₄和充电晶闸管T_C。

所述限流晶闸管T₁₁的阳极和限流晶闸管T₁₂的阴极均与线路电抗L₀的一端连接，所述限流晶闸管T₂₁的阴极和限流晶闸管T₂₂的阳极均与所述负载R_L的一端连接，所述限流晶闸管T₆的阳极和充电晶闸管T_C1的阴极均与所述关断电容C₁的另一端连接，所述限流晶闸管T₇的阳极和充电晶闸管T_C2的阴极均与所述关断电容C₂的另一端连接，所述限流晶闸管T₄的阴极和充电晶闸管T_C的阳极均与所述线路电抗L₀的一端连接。

本发明还提出一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器的工作方法，在正常工作之前，通过T_C、T_C1、T_C2给C₁、C₂预充电，关断电容初始电压极性为上负下正；正常工作时，以正向电流流向为例，T₁₁、T₂₁导通，线路正常工作；当发生短路故障后，给T₃、T₆导通信号，并同时持续触发T₅，流过T₂₁的电流在C₁的反向电压下逐渐减小，当减小至0时，即T₂₁完全关断时，关断电容C₁与L₁串入故障回路，关断电容C₁仍有剩余电压，C₁继续放电，当关断电容C₁电压为0时，失去对T₅的钳位作用，T₅导通，限流电抗器L₁串入故障回路中，限流器投入使用；当电流流向反向时，正常工作时电流流经T₁₂、T₂₂，故障发生后，T₄、T₆动作，使T₁₂关断，将限流电抗器L₁串入故障回路。

所述限流器在系统故障清除后自动退出；退出时，仍以正向电流流向为例，当故障清除后，限流器中T₇导通，并持续触发T₂₁，流过T₅的电流在C₂反向电压的作用下逐渐减小，当T₅完全关断后，关断电容C₂开始反向充电，电压变为上正下负，流过T₃的电流开始逐渐减小，直至关断，T₂₁导通，限流器退出使用；当电流方向反向时，导通T₇、并且持续触发T₁₂即可。

以正向为例，进一步对每一个工作阶段进行分析：

首先，正常工作时，T₁₁、T₂₁导通，此时线路电流i记为I₀，关断电容C₁上的电压记做U_C0。

第一阶段(t₀-t₁)：此时系统中发生短路故障，本发明所述限流器还未开始动作，这一阶段限流器电流路径如图2所示。

根据KVL，可以得到：

根据式(1)，可以得到

这一阶段结束时，电流为i＝I₁。

第二阶段(t₁-t₂)：限流器开始动作，给T₃导通信号，至流过T₂₁的电流i₂＝0结束。这一阶段限流器电流路径如图3所示。

这一阶段i₂未下降至0，流过T₃的电流i₃回路压降为0，根据KVL可以得到：

根据式(2)，可以得到

其中U_C为C₁两端电压。

这一阶段结束时，线路电流i＝I₂，电容C₁两端电压为U_C1，在这一阶段，通过上述分析，可以得到T₂₁关断的条件为：

L＝L₀+L₁且U_C1＞0，即

其中Δt为晶闸管关断时间，L₁为限流电抗器。

第三阶段(t₂-t₃)：这一阶段i₂下降至0，T₂₁完全关断，关断电容C₁继续放电，至关断电容C₁放电结束。这一阶段限流器电流路径如图4所示。

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(C₁sin(ωt)+C₂cos(ωt))，其中，

L＝L₀+L₁。

这一阶段结束时，线路电流i＝I₃。

第四阶段(t₃-t₄)：这一阶段关断电容C₁放电结束，晶闸管T₅导通，这一阶段的限流器电流路径如图5所示。

根据KVL，可以得到：

由式(4)，解得

仍以电流正向为例，对所提出限流器在故障清除后自动退出方案进行具体分析。

第一阶段(t₅-t₆)：当故障消除后，给T₇、T₂₁导通信号，并保证T₂₁的导通足够长，T₅在C₂的反向电压下关断，这一阶段限流器电流路径如图6所示。

第二阶段(t₆-t₇)：T₅关断后，关断电容C₂继续放电，这一阶段限流器电流路径如图7所示。

第三阶段(t₇-t₈)：关断电容C₂放电至零后继续充电，使其具有上正下负的电压，使T₃逐渐关断，T₂₁导通这一阶段限流器电流路径如图8所示。

第四阶段(t₈-t₉)：T₃完全关断，T₂₁导通，限流器退出使用，这一阶段限流器电流路径如图9所示。

所发明的限流器可以利用本身的拓扑结构通过T_C、T_C1、T_C2对电容C₁、C₂进行预充电，充电方案如图10所示。

结合图11，本发明还提出一种自适应多级限流器，包括m个所述的具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器，第一级限流器直接与线路电抗L₀的一端连接，其他各级限流器在与其上一级限流器级联时均用两组反并联晶闸管替换掉上一级限流器的第2组反并联晶闸管和单向晶闸管T₃，并保证每一级限流器中的限流电抗器的两侧均只连接一组反并联晶闸管，第m级限流器直接与负载R_L的一端连接。本发明所提出的限流器具备扩展功能，可通过多级扩展实现自适应限流能力，从而根据故障电流的大小投入使用不同数量的限流电抗。主要通过反并联所提限流器的单级结构实现。需要指出的是，在通过级联来实现自适应限流时，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。因此依据前面对晶闸管有效关断条件的分析，每往后一级，需增加关断电容的电压或者增大关断电容的容值。根据上述所提充电方案，关断电容的初始电压是确定值，所以每往后一级，关断电容容量需要相应增大。

为了验证本发明的具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器方案的有效性与限流效果，进行了对应的仿真验证。所采用的仿真参数如下：直流电源U_dc＝10kV，线路阻抗R₀＝1Ω，L₀＝10mH，负载R_L＝100Ω，限流电抗L₁＝3.5mH，电容C₁＝15μF，C₂＝4μF，第二级中电容C₃＝35μF，C₄＝4μF，限流电抗器L₂＝8mH，0.3s时发生故障。对其故障电流、T₂₁、T₃、T₅、T₆、T₇的电流以及电容C₁与C₂上的电压进行验证。

所发明限流器的单级限流仿真结果如图12所示，在短路故障发生3ms后测量短路电流大小，可以看到，使用所发明的限流器时故障电流从未使用限流器的2665.28A下降至2191.15A,下降幅度为17.8％。

所发明限流器在使用和退出时关键器件波形包括T₂₁、T₃、T₅、T₆、T₇的电流以及电容C₁与C₂上的电压的波形，其中，I₀对应线路电流，I_i对应流过晶闸管T_i的电流，0.01×V_ci中V_ci对应C_i上的电压，相关波形如图13所示。

由图13可以看出，在直流系统短路故障发生后，T₆导通，T₂₁在关断电容C₁电压的作用下关断。流经T₆的电流i₆电流增大，i₂逐渐减小，当i₂下降至0时，i＝i₆，而此时关断电容C₁电压并未放电结束，当电容C₁放电结束后，T₅导通，限流器过渡过程结束，限流电抗器完全投入故障回路。

当故障清除后，限流器准备退出时，T₇导通，T₅在C₂的反向电压下关断，电容C₂开始放电，并开始反向充电，使电压变为上正下负，T₃在其反向电压下逐渐关断，当流经限流回路的电流下降至0后，T₂₁重新导通，限流器退出使用。

扩展级联后的双级限流器的限流仿真结果如图14所示。可以看出，所发明的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600A时启动第二级限流。以3ms为评判标准，系统的故障电流在二级限流的情况下下降至1775.54A，较无限流器时的下降幅度为33.4％，较单级限流器下降了19.0％。

以上对本发明所提出的一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器及其工作方法、多级限流器，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 (7)

1.一种具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器，其特征在于：所述限流器包括5组反并联晶闸管、2个单向晶闸管、2个关断电容和1个限流电抗器；第1组反并联晶闸管的一端与线路电抗L₀的一端连接，第1组反并联晶闸管的另一端分别与第2组反并联晶闸管的一端和限流电抗器L₁的一端连接；所述第2组反并联晶闸管的另一端与负载R_L的一端连接；所述限流电抗器L₁的另一端分别与关断电容C₁的一端、单向晶闸管T₅的阳极和关断电容C₂的一端连接；所述关断电容C₁的另一端与第3组反并联晶闸管的一端连接，所述关断电容C₂的另一端与第4组反并联晶闸管的一端连接；所述第3组反并联晶闸管的另一端、单向晶闸管T₅的阴极和第4组反并联晶闸管的另一端均分别与第5组反并联晶闸管的一端和单向晶闸管T₃的阳极相连；所述单向晶闸管T₃的阴极与所述负载R_L的一端连接；所述第5组反并联晶闸管的另一端与所述线路电抗L₀的一端连接。

2.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于：所述线路电抗L₀的另一端与线路阻抗R₀的一端连接，所述线路阻抗R₀的另一端与直流电源U_dc的一端连接，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1所述的限流器，其特征在于：每组所述反并联晶闸管均包括两个反向并联连接的晶闸管；所述第1组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₁₁和限流晶闸管T₁₂；所述第2组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₂₁和限流晶闸管T₂₂；所述第3组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₆和充电晶闸管T_C1；所述第4组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₇和充电晶闸管T_C2；所述第5组反并联晶闸管包括限流晶闸管T₄和充电晶闸管T_C。

4.根据权利要求3所述的限流器，其特征在于：所述限流晶闸管T₁₁的阳极和限流晶闸管T₁₂的阴极均与线路电抗L₀的一端连接，所述限流晶闸管T₂₁的阴极和限流晶闸管T₂₂的阳极均与所述负载R_L的一端连接，所述限流晶闸管T₆的阳极和充电晶闸管T_C1的阴极均与所述关断电容C₁的另一端连接，所述限流晶闸管T₇的阳极和充电晶闸管T_C2的阴极均与所述关断电容C₂的另一端连接，所述限流晶闸管T₄的阴极和充电晶闸管T_C的阳极均与所述线路电抗L₀的一端连接。

5.一种如权利要求4所述的具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器的工作方法，其特征在于：在正常工作之前，通过T_C、T_C1、T_C2给C₁、C₂预充电，关断电容初始电压极性为上负下正；正常工作时，以正向电流流向为例，T₁₁、T₂₁导通，线路正常工作；当发生短路故障后，给T₃、T₆导通信号，并同时持续触发T₅，流过T₂₁的电流在C₁的反向电压下逐渐减小，当减小至0时，即T₂₁完全关断时，关断电容C₁与L₁串入故障回路，关断电容C₁仍有剩余电压，C₁继续放电，当关断电容C₁电压为0时，失去对T₅的钳位作用，T₅导通，限流电抗器L₁串入故障回路中，限流器投入使用；当电流流向反向时，正常工作时电流流经T₁₂、T₂₂，故障发生后，T₄、T₆动作，使T₁₂关断，将限流电抗器L₁串入故障回路。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述限流器在系统故障清除后自动退出；退出时，仍以正向电流流向为例，当故障清除后，限流器中T₇导通，并持续触发T₂₁，流过T₅的电流在C₂反向电压的作用下逐渐减小，当T₅完全关断后，关断电容C₂开始反向充电，电压变为上正下负，流过T₃的电流开始逐渐减小，直至关断，T₂₁导通，限流器退出使用；当电流方向反向时，导通T₇、并且持续触发T₁₂即可。

7.一种自适应多级限流器，其特征在于：包括m个如权利要求1-4中任一项所述的具备双向限流与扩展功能的直流固态故障限流器，第一级限流器直接与线路电抗L₀的一端连接，其他各级限流器在与其上一级限流器级联时均用两组反并联晶闸管替换掉上一级限流器的第2组反并联晶闸管和单向晶闸管T₃，并保证每一级限流器中的限流电抗器的两侧均只连接一组反并联晶闸管，第m级限流器直接与负载R_L的一端连接；其中m为正整数。

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