CN110739662A - 一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑 - Google Patents

一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑 Download PDF

Info

Publication number
CN110739662A
CN110739662A CN201910456407.8A CN201910456407A CN110739662A CN 110739662 A CN110739662 A CN 110739662A CN 201910456407 A CN201910456407 A CN 201910456407A CN 110739662 A CN110739662 A CN 110739662A
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
branch
branches
circuit breaker
state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910456407.8A
Other languages
English (en)
Inventor
许建中
冯谟可
张继元
邓伟成
赵成勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN201910456407.8A priority Critical patent/CN110739662A/zh
Publication of CN110739662A publication Critical patent/CN110739662A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/025—Current limitation using field effect transistors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

本发明提供一种模块型往复限流式高压直流断路器(Modular Reciprocating High Voltage DC Circuit Breaker with Current‑Limiting Capability)拓扑。该断路器由奇数条支路组成。每条支路中包含一个限流电感Lp和一个断路阀段(Breaking Valve,BV)，并在第2，4，…，2k条支路上为Lp2k配有一个二极管桥。在特定位置配备x‑1组转换阀段(Trans‑Valve,TV)。每个BV和TV均由低损耗支路1、转移支路2和避雷器支路3三条支路构成。该断路器可以工作在支路并联模式和支路串联模式，模式的切换由TV切换。正常运行状态下，支路并联，对直流电网的稳态性能影响较小；故障状态下，支路串联，具有较强的故障电流抑制效果和断路能力。

Description

一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑
技术领域
本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑(Module Reciprocating High Voltage DC Circuit Breaker With Current-LimitingCapability)。
背景技术
随着传统能源的短缺和环境恶化问题的不断加剧，世界各国已经认识到能源的利用与开发必须从传统能源向绿色可再生能源等清洁能源过渡。同时以IGBT为代表的全控型电力电子器件的快速发展，使得柔性直流输电成为可能。柔性直流电网因其输送距离远，损耗小，无功/有功功率独立控制，无需滤波及无功补偿设备，可向无源负荷供电，潮流反转时电压极性不改变等优势，逐渐成为国内外专家学者的研究热点。柔性直流电网直流侧发生短路故障时，故障电流上升速度快，峰值高，如不能快速切除隔离故障，将影响整个系统的正常运行，严重时还可能损坏换流阀等设备。因此，柔性直流电网的发展需要具备超快速响应能力的柔性直流断路器，以保证系统的安全可靠运行。
与传统交流电网相比，直流输电由于电流没有自然过零点，导致电流难以切断。而且直流电网发生故障时，电流上升速度较快，并伴随电压跌落，这将严重影响到电力系统的安全稳定运行。目前高压直流断路器主要的开断原理有三类：限流开断法、人工过零法、自激振荡法、混合开断法。混合开断法指有触点机械开关与无触点的电力电子器件相结合而构成的直流开断技术。该方向越来越受到研究学者的关注。
目前，国内外主要的直流断路器可以分为机械式直流断路器、混合式直流断路器和全固态式直流断路器。混合式直流断路器综合利用固态开关器件的开断能力和机械开关单元的载流能力，相对于固态直流断路器具有低损耗优势。为了降低直流断路器的故障电流中断能力和能量耗散，通常安装限流电抗器来抑制直流故障电流的峰值。但是，对于大电压直流电网，如果限流电抗器的稳态电阻和电力电子器件的通态电阻较大，将影响直流电网的稳态性能。
发明内容
针对上述问题，本发明设计一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑。正常运行时，该拓扑可以工作在对直流电网稳态性能影响较小的支路并联模式；发生故障后，该拓扑可以工作在阻抗较高的支路串联模式，从而抑制故障电流并完成分断。
本发明提出的一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，为了实现故障电流限流和故障电流分断的功能，设计了相关的工作流程和控制逻辑。
附图说明
图1(a)是所提断路器的3支路形式拓扑结构。其中Lp为支路限流电感。
图1(b)是BV拓扑结构。其中UFD为快速机械开关，DBSM为满足断路器要求的子模块，N1为通流支路子模块串联个数，N2为转移支路子模块串联个数。
图1(c)是TV拓扑结构。其中UDF为快速机械开关。
图2是二极管桥子模块功能示意图。①代表子模块运行在旁路状态时的电流通路，②代表子模块运行在闭锁状态时的电流通路。
图3为断路器工作流程分析的简易系统拓扑图。其中，U1、U2分别为两端换流器直流电压，Ls1、Ls2为两端换流站平波电抗器，Rs1、Rs2为线路等效电阻，im为流过断路器的总电流，MR-DCCB1、MR-DCCB2为本发明所提的直流断路器，BV为BV,TV为TV。
图4为故障切除过程中BV的电流转移示意图。
具体实施方式
如图1(a)所示为本发明所提断路器拓扑，其中BV的结构如图1(b)所示，TV的结构如图1(c)所示。BV和TV中的二极管桥具有闭锁、旁路两种状态。其中，闭锁状态是指仅当电流为电容充电时，电容接入电路中，而电容无法向电路放电的一种状态；旁路状态是指电容被自身结构旁路，不与电路发生相互作用的一种状态。
本发明所提出的断路器中，所有BV同名支路中全部子模块的控制方式都相同，为简明起见，下文用“某支路闭锁/旁路”来指代该支路中所有子模块的统一控制状态。例如，“通流支路闭锁”即表示所有BV的通流支路中，全部子模块的控制状态均为闭锁。
本发明所提出的断路器中，所有TV同名支路中全部子模块的控制方式都相同，为简明起见，下文用“某支路闭锁/旁路”来指代该支路中所有子模块的统一控制状态。例如，“通流支路闭锁”即表示所有TV的通流支路中，全部子模块的控制状态均为闭锁。
二极管桥子模块的控制状态示意图如图2所示。当T关断时，电容C单向接入电路中，表示子模块处于闭锁状态；当T导通时，电容C被旁路，表示子模块处于旁路状态。
为进一步阐述本发明的性能与工作原理，以下将结合附图介绍断路器从稳态运行到故障后完成分断的工作流程。
断路器工作过程中，自t0时刻稳态运行至t5时刻断路器完成分断，中间共有t1、t2、t3、t4四个关键时刻：t1时刻发生直流故障，t2时刻机械开关收到分闸指令，t3时刻完成电流转移，t4时刻机械开关分闸完成。
t0～t1时刻，稳态运行阶段：当系统稳态运行时，断路器的3条支路处于并联状态。TV和BV的通流支路旁路，转移支路闭锁。其稳态电流通路如图4第一部分所示。
t1～t2时刻，故障检测和TV延时阶段：t1时刻故障发生，采用测量电压变化率的故障检测策略(ROCOV)，当MR-DCCB1附近发生直流故障时，ROCOV检测器需要很短的时间来检测故障，检测后MR-DCCB开始工作。TV接收到故障信号后，TV中的转移支路旁路，通流支路闭锁。故障电流从通流支路转移到转移支路。当通流支路的瞬时故障电流低于UFD分断允许电流时，UFD开始分断。在断开UFD之前，不执行限流操作，因此故障电流将通过BV中的通流支路和TV中的转移支路自由发展。
t2～t4时刻，连接模式切换和限流阶段：在t2～t3期间，TV中的UFD完全断开后，TV的转移支路闭锁以断开TV，此时MR-DCCB连接方式由并联变为串联。之后，BV中的通流支路闭锁，转移支路旁路，通流支路中的电容器投入电路中，将促进电流转移过程。当BV中UFD上的电流小于分段允许电流时，UFD开始分段。
t4～t5时刻，故障清除阶段：当BV中的UFD完全断开后，转移支路闭锁，转移支路的电容器被故障电流充电。闭锁后的DBSM串联构成高直流阻抗支路，进一步阻断故障电流，最终通过避雷器清除故障电流。
由上述具体说明可知，结合适当的控制方法，所提出的一种模块型往复限流式高压直流断路器具备故障电流限制和故障电流分断的功能。
以上过程基于本发明所提出的一种模块型往复限流式高压直流断路器的3支路形式进行分析，当支路数目更多时，断路器具有类似的动作过程。
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 (6)

1.一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，其特征在于：包含x条支路，x为任意大于或等于3的奇数。每一条支路均由一个限流电感Lp和和一个BV构成，并在第2，4，…，2k条支路上为Lp2k配有一个二极管桥，其中二极管桥目的是为了避免在限流电感处由于电流反向产生过电压。除此之外，断路器中还配备有x-1组TV，其配置位置如摘要附图所示。值得注意的是，摘要附图以所提断路器拓扑的3支路形式示意，实际该断路器的支路数可以为任意大于或等于3的奇数。
2.根据权利1所述的一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，其特征在于：每个BV结构相同，包含通流支路、转移支路和避雷器支路3条支路。其中通流支路由一个快速机械开关UFD和N1个二极管桥子模块串联而成；转移支路由N2个二极管桥子模块串联而成，一般来说，N2应远远大于N1；避雷器支路由若干避雷器串联而成。通流支路、转移支路和避雷器支路三者并联构成BV。
3.根据权利1所述的一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，其特征在于：BV中的二极管桥子模块允许流过正向和反向电流，二极管桥子模块中电容的作用是参与故障限流和故障电流分断。其中，闭锁状态是指仅当电流为电容充电时，电容接入电路中，而电容无法向电路放电的一种状态；旁路状态是指电容被旁路，不与电路发生相互作用的一种状态。对于二极管桥子模块，当子模块中的IGBT T关断时，子模块处于闭锁状态；当T导通时，子模块处于旁路状态。
4.根据权利1所述的一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，其特征在于：该断路器中特定位置配备有TV，共x-1组。其配备位置如摘要附图所示。当支路数增加时，需要在相应位置增配TV。TV与BV结构类似，每个TV由3条支路构成：其中通流支路为低损耗支路，由一个快速机械开关UFD和两个反向串联的IGBT构成，每个IGBT都配有一个反并联二极管；转移支路由若干T型二极管桥构成，每个T型二极管桥含有5个二极管和1个IGBT；避雷器支路由若干避雷器串联而成。TV中的所有IGBT的控制信号均相同，且控制信号改变的时刻也相同。
5.根据权利1所述的一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，其特征在于：该断路器可以工作在支路并联和支路串联两种状态中，并且可以在两种状态之间互相切换。稳态运行时，断路器工作在支路并联状态，x-1个TV均为导通状态，使得x条支路处于并联状态，对直流电网的稳态性能影响较小；发生故障后，断路器工作在支路串联状态，所有TV均为关断状态，使得x条支路处于串联状态，有利于故障限流和故障电流的分断。
6.根据权利1所述的一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，其特征在于：一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，不仅能作为高压直流断路器直接应用于直流电网领域，也能通过构成原理类似的断路器装置应用于其他相关领域，间接利用该发明拓扑及思想的其他应用场合在权利范围内。
CN201910456407.8A 2019-05-29 2019-05-29 一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑 Pending CN110739662A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910456407.8A CN110739662A (zh) 2019-05-29 2019-05-29 一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910456407.8A CN110739662A (zh) 2019-05-29 2019-05-29 一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110739662A true CN110739662A (zh) 2020-01-31

Family

ID=69236673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910456407.8A Pending CN110739662A (zh) 2019-05-29 2019-05-29 一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110739662A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0746864A1 (en) * 1993-03-15 1996-12-11 L & I RESEARCH, INC. Solid state circuit breaker
CN201163716Y (zh) * 2007-12-14 2008-12-10 南京师范大学 具有耗能电阻的短路故障限流器
CN109193580A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 山东大学 一种限流式快速重合闸直流断路器拓扑结构及控制方法
CN109742740A (zh) * 2018-12-19 2019-05-10 华北电力大学 一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑
CN109787206A (zh) * 2019-03-06 2019-05-21 华北电力大学 一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0746864A1 (en) * 1993-03-15 1996-12-11 L & I RESEARCH, INC. Solid state circuit breaker
CN201163716Y (zh) * 2007-12-14 2008-12-10 南京师范大学 具有耗能电阻的短路故障限流器
CN109193580A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 山东大学 一种限流式快速重合闸直流断路器拓扑结构及控制方法
CN109742740A (zh) * 2018-12-19 2019-05-10 华北电力大学 一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑
CN109787206A (zh) * 2019-03-06 2019-05-21 华北电力大学 一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10483788B2 (en) Charging method for sub-module based hybrid converter
CN101345419B (zh) 串联电压质量调节器及快速投入和切除方法
CN107276045B (zh) 一种混合直流限流断路器
EP3531531A1 (en) Method for charging sub-module based hybrid converter
WO2021196563A1 (zh) 一种电阻型子模块混合mmc及其直流故障处理策略
CN107785867A (zh) 一种可降低开断电流的直流断路器及其直流故障处理策略
CN111740395A (zh) 电感耦合型高压直流限流断路器拓扑结构
CN103632895A (zh) 一种直流断路器
CN110048389A (zh) 电流换相h桥型混合式直流故障限流器拓扑
CN114172135A (zh) 一种适用于多端直流电网的双主断型多端口混合直流断路器
CN104796025A (zh) 一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构
CN109787206A (zh) 一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑
Xu et al. Topology, control and fault analysis of a new type HVDC breaker for HVDC systems
CN107749615B (zh) 一种基于串入电容器的直流断路器及其直流故障处理策略
CN107370130B (zh) 一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略
CN105186550A (zh) 一种改进型模块化多电平换流器子模块拓扑
CN112865046A (zh) 一种多功能多端口混合式直流断路器及控制方法
CN111371100A (zh) 具备故障限流及断路功能的复合型直流潮流控制器
CN106998151A (zh) 基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器
CN114421420B (zh) 适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器
CN107749616B (zh) 一种降损式电容型直流断路器及其直流故障处理策略
CN110739662A (zh) 一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑
CN115663757A (zh) 一种限流式混合直流断路器
CN115360678A (zh) 具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法
CN114597872B (zh) 直流断路器及其控制方法、电子设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200131

RJ01 Rejection of invention patent application after publication