CN110350491A - 适用于直流电网的降压钳位式直流断路器拓扑 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于直流电网的降压钳位式直流断路器拓扑，属于多端直流、直流电网技术领域；利用预充电电容接入故障回路后的钳位和限流能力清除故障；实现了故障隔离和故障耗能解耦，先快速隔离之后缓慢耗能；在快速性能上有着一定的优势，同时不需要使用避雷器，具备一定的工程价值。

Description

适用于直流电网的降压钳位式直流断路器拓扑

技术领域

本发明涉及一种适用于多端直流和直流电网的降压钳位式直流断路器拓扑，属于多端直流、直流电网领域。

背景技术

随着世界范围内化石资源的日益枯竭，可再生能源的发展势不可挡，柔性直流电网也随着快速发展。柔性直流输电是基于全控型电力电子器件的新一代输电技术，基于柔性直流输电的直流电网，可更好实现大规模可再生能源的广域互补送出，是未来电网发展和变革的重要方向之一。目前我国在建的张北工程和乌东德工程，是直流输电的标志性工程，未来的直流电网工程将以此为起点，向更多端、更大容量、更高可靠性的方向发展。

模块化多电平换流器拓扑结构适用于高压大功率直流输电场合。在高压远距离大功率直流输电工程中，架空线具有明显经济性，但其直流侧故障率高，而半桥子模块不具备直流故障清除能力。若发生短路故障，故障电流将迅速上升至额定电流的十几倍，需采用直流断路器快速动作，隔离故障线路，切除故障电流，提高系统的可靠性。现阶段清除直流故障的方案有很多，根据直流断路器中主要开关元件的不同，可分为：机械式直流断路器、全固态直流断路器以及混合式直流断路器。在较高的直流电压等级下，以上直流断路器只具备单一的直流故障切除功能，无法满足诸如动态限流等特定需求，需要与直流限流器配合使用。未来多端直流和直流电网中的直流断路器的开发依然有很多问题亟待解决，迫切需要研究适用于高电压、大电流场合，具有限流作用且具备适应多种故障情况的直流断路器。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种降压钳位式直流断路器拓扑。

本发明所采用的技术方案是：通过在故障回路接入小容值的预充电电容，利用其充电产生的钳位电压的作用将网侧线路电压降为零，并在隔离故障后再进行耗能过程，实现了故障隔离和故障耗能的耦合解除。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：

1、在故障时将预充电电容接入故障回路，先用高承压小容值的电容吸收换流站侧的故障能量并快速钳位电压，隔离故障后再通过耗能支路消耗线路侧的短路能量，实现故障隔离和故障耗能的解耦，先隔离后耗能，能够快速和有效的对直流故障进行隔离和清除；

2、进行配套的重合闸、后备保护以及单双极设计，使其具备完备的故障保护体系，在复杂故障和系统条件下均能满足故障清除需求；

3、利用软件仿真和硬件实验验证可行性，分析器件参数优化方法，并根据IGBT数量、电容数量等对若干同类型方案进行经济性能的综合分析对比，经济性良好。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是降压钳位式直流断路器拓扑的结构示意图，包括钳压支路、充电支路、稳态低损耗支路和续流耗能支路；

图2是充电期间电路示意图；

图3是发生故障后钳压阶段示意图；

图4是钳压阶段示意图；

图5是耗能阶段示意图；

图6是泄能支路示意图；

图7是泄能支路示意图；

图8是完全重合闸过程示意图；

图9是部分重合闸过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

降压钳位式直流断路器拓扑结构如图1所示，包括钳压支路、充电支路、稳态低损耗支路和续流耗能支路。

钳压支路是最主要的工作支路，由钳位电容C和IGBT开关T2组成。钳位电容在故障时接入故障回路吸收故障能量，利用自身充电后的高电压，与换流站直流输出电压“对顶”，从而将网侧的电压钳位至零，消除故障来源。

充电支路的作用是为钳位电容进行预充电，使其具备一定的初始电压，进而提升故障清除速度。该支路由分压电容Cc、充电电阻Rc和充电电感Lc组成。分压电容、充电电阻和电感可对钳位电容的初始电压进行调节，根据实际需要也可不进行配置。支路中的剩余电流开关(RCB)用于在充电后将该支路切断以免影响后续故障清除操作。

续流耗能支路由IGBT开关T3、耗能电容Ce、耗能电阻Re和耗能电感Le组成，该支路负责在电压钳位过程中为故障电流提供续流回路，并在故障隔离后消耗线路上的剩余能量。

稳态低损耗支路由超快速机械开关(UFD)UFD1、UFD2和IGBT开关T1组成。稳态时该支路流过正常的工作电流；故障时UFD1和T1配合将故障电流转移至钳压支路，在故障电流过零后，由UFD2隔离故障线路。

如图2所示，在充电阶段充电开始时，闭合开关RCB将分压电容Cc、充电电阻Rc和充电电感Lc接入充电回路，此时直流线路开始向钳位电容C充电，如图2所示。由于回路中接入了二极管，在钳位电容C的电压达到最高值后，该RLC支路不会进入震荡过程，电流将降至零，此时关断RCB隔离充电支路，充电过程结束。

如图3所示，发生故障后，在钳压阶段，系统检测到故障，发出指令闭锁T1，低损耗支路上的故障电流迅速转移到T2和二极管组成的支路中。当流经UFD1的电流降为0时，关断UFD1。由于隔离开关有2-3ms延时，需在UFD1完全关断后才可进行下一步操作。

如图4所示，UFD1完全关断，此时闭锁T2将钳位电容C接入故障电流回路，使其在初始电压的基础上进一步充电，利用其产生的反向电压钳位换流站的直流电压。在此过程中，钳压支路中的电流以较大的速度下降，故同时开通T3为故障电流提供续流回路。待钳压支路电流降至零，将UFD2关断以隔离故障线路，该操作同样需要2-3ms的延时。

如图5所示，在耗能阶段，即网侧线路剩余能量的耗散过程，与钳压阶段共同组成故障清除的完整过程。UFD2完全关断，闭锁T3，将耗能电容Ce、耗能电阻Re和耗能电感Le组成的耗能支路接入，加快线路能量消耗的过程。

如图6所示，钳位电容在工作过程中充电，在进行下一次故障清除操作前，需要进行放电泄能。所示泄能回路仅包含耗能电阻，泄能时所有电容电压均降为零。

如图7所示，所示泄能回路增加了分压电容，泄能时会为充电支路电容保留一定电压。两种泄能回路分别对应两种重合闸方案。

如图8所示，重合UFD1、T1和UFD2。该方案属于完全重合，电容泄能可在重合闸后进行，恢复速度快，应配置图6中的泄能回路进行完全泄能。

如图9所示，先重合UFD2。该方案属于试探性的部分重合，若故障未消除，则可快速重新进入故障清除过程，若故障消除，即可重合UFD1、T1。该方案在泄能之后才能进行重合，需要钳位电容C具有一定的初始电压以便快速清除故障，故应配置图7中的泄能回路，利用该回路内的分压电容调节初始电压。

由上述具体说明可知，所提出的降压钳位式直流断路器在高压直流输电领域可以实现故障隔离和故障耗能的解耦，先隔离后耗能，快速和有效的对直流故障进行隔离和清除。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (3)

1.一种适用于多端直流和直流电网的降压钳位式直流断路器拓扑，其特征在于：包括四个支路，分别为钳压支路、充电支路、稳态低损耗支路和续流耗能支路。

2.根据权利要求1所述的降压钳位式直流断路器拓扑，其特征在于：钳压支路是最主要的工作支路，由钳位电容C和IGBT开关T2组成。钳位电容在故障时接入故障回路吸收故障能量，利用自身充电后的高电压，与换流站直流输出电压“对顶”，从而将网侧的电压钳位至零，消除故障来源。

充电支路的作用是为钳位电容进行预充电，使其具备一定的初始电压，进而提升故障清除速度。该支路由分压电容Cc、充电电阻Rc和充电电感Lc组成。分压电容、充电电阻和电感可对钳位电容的初始电压进行调节，根据实际需要也可不进行配置。支路中的剩余电流开关(RCB)用于在充电后将该支路切断以免影响后续故障清除操作。

续流耗能支路由IGBT开关T3、耗能电容Ce、耗能电阻Re和耗能电感Le组成，该支路负责在电压钳位过程中为故障电流提供续流回路，并在故障隔离后消耗线路上的剩余能量。

稳态低损耗支路由超快速机械开关(UFD)UFD1、UFD2和IGBT开关T1组成。稳态时该支路流过正常的工作电流；故障时UFD1和T1配合将故障电流转移至钳压支路，在故障电流过零后，由UFD2隔离故障线路。

3.根据权利要求1所述的降压钳位式直流断路器拓扑，其特征在于：重新设计断路器拓扑配套的重合闸策略、后备保护策略和双极线路配置安装方法，满足故障清除需求。