CN110768233A - 适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法，断路器包括电抗器、隔离开关、一条正常通流支路和一条故障断流支路，正常通流支路由超快速隔离开关和模块化多电平潮流控制器串联组成，故障断流支路由多个具备双向通流能力的主断路器分段串并联组成。本发明将直流潮流控制功能整合到混合式高压直流断路器中，使组合式高压直流断路器同时具备直流潮流控制能力和直流线路故障处理能力，提升了设备的功能多样性和运行灵活性。

Description

适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路 器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法。
背景技术
近年来，随着化石能源的日益枯竭和生态环境的不断恶化，绿色可再生能源的开发和利用得到了全球各界的广泛关注和快速发展。由于新能源技术具有间歇性、高波动性、随机性等特点，并网和消纳大规模新能源的传统技术受到了很大的限制。由多个换流端通过直流输电线路互联构成的直流电网凭借其可以独立控制有功功率和无功功率、更强的适应性和稳定性、灵活安全的潮流控制等优越的控制运行特性，已成为解决大规模新能源并网和构建未来智能电网的有效技术策略之一。此外，随着电力系统容量的持续增长和用电负荷的不断增加，电网中的短路电流水平日益提高，尤其对于某些特定的用电场合，例如大型舰船上的供电系统、轨道交通供电系统等等，短路电流峰值可达到100kA以上，且短路电流上升速率极高(超过20A/μs)。
复杂的直流电网由放射状、环状和网状三种基本拓扑结构和直流输电线路组合而成，其中环状、网状结构具有较好的灵活性和冗余度，可以增加系统的稳定性和可靠性。然而，直流电网面临着许多额外的技术挑战，其中最为迫切的就是直流潮流控制自由度不够和直流线路故障。
一方面，直流电网内存在多条直流输电线路，仅依靠换流站的电压、电流控制无法实现对直流电网内所有直流输电线路的有效潮流控制，即直流潮流控制自由度不够。直流电网内部可能因得不到有效的潮流控制可能导致某些输电线路过负荷运行，进而影响整个直流输电系统的正常稳定运行。因此，需要引入额外的电力电子设备，将可变电压源或可变电阻与输电线路串联，增加控制自由度来实现对直流电网内输电线路潮流的有效控制。目前国内外很多研究人员已经对直流潮流控制器进行过研究，并提出了相应的拓扑结构和控制策略，如可变电阻型、AC/DC(辅助电压源)变换型、DC/DC变换型、线间直流潮流控制型。
另一方面，相比于传统的交流电网，直流电网的功率平衡的惯性时间常数极小，稳态短路电流更大，故障电流没有极性变化(不存在过零点)，对快速切除直流故障的要求极高，控制保护的难度更大；目前学术界和工程界普遍认为采用高压直流断路器是处理多端柔性直流系统直流故障的最佳方案。相比于基于常规开关的传统机械式断路器和基于纯电力电子器件的固态断路器，ABB公司于2012年宣布开发出的混合式高压直流断路器，通态损耗较低，分断速度更快，具有良好的应用前景。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法，该断路器将混合式高压直流断路器正常通流支路中的负载转移开关替换为模块化多电平潮流控制器，使其同时具备直流潮流控制能力和直流线路故障处理能力，在直流电网内具有一定的工程价值和应用前景。
一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器，包括电抗器、隔离开关、正常通流支路以及故障断流支路，电抗器的一端与直流输电线路相连，电抗器的另一端与隔离开关的一端相连；正常通流支路与故障断流支路并联后一端与隔离开关的另一端相连，另一端与换流站的直流母线相连；所述正常通流支路由超快速机械开关和模块化多电平潮流控制器串联组成。
进一步地，所述超快速机械开关的一端与隔离开关的另一端相连，超快速机械开关的另一端与模块化多电平潮流控制器直流侧正极相连，模块化多电平潮流控制器直流侧负极与换流站的直流母线相连。
进一步地，所述模块化多电平潮流控制器采用三相六桥臂结构，其交流侧与换流站的交流母线相连或接其他独立的交流源，每个桥臂由多个全桥子模块级联后与一个桥臂电抗串联，通过和直流输电线路串联插入小值直流电压，实现潮流控制功能，直流电压等级低、容量小，所需全桥子模块个数比较少。
进一步地，所述全桥子模块包括四个带反并联二极管的IGBT管GT1～GT4一个电容C；其中，IGBT管GT1的发射极与IGBT管GT2的集电极相连并作为子模块的一端，IGBT管GT1的集电极与IGBT管GT3的集电极以及电容C的正极相连，IGBT管GT3的发射极与IGBT管GT4的集电极相连并作为子模块的另一端，IGBT管GT4的发射极与IGBT管GT2的发射极以及电容C的负极相连，四个IGBT管GT1～GT4的基极均接外部设备提供的开关信号。
进一步地，所述故障断流支路由多个具有双向通流能力的主断路器分段串并联组成。
进一步地，所述主断路器分段由多个带反并联二极管的IGBT管串联后与一个避雷器并联构成，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接外部设备提供的开关信号。
上述组合式高压直流断路器的控制方法，包括：
当所处直流电网系统正常运行时，使隔离开关和超快速机械开关处于闭合状态，使所有主断路器分段处于关断状态，使模块化多电平潮流控制器处于工作状态，直流电流从正常通流支路流过；同时根据系统中某条需要被调节的输电线路的电流指令值，调节模块化多电平潮流控制器的直流输出电压，从而调节直流电网的潮流分布；
当组合式高压直流断路器所连直流输电线路发生接地短路故障时，先对模块化多电平潮流控制器施加闭锁信号，同时对所有主断路器分段施加导通信号，此时部分故障电流转移至故障断流支路；待流经正常通流支路的电流下降至0后，断开超快速机械开关，经一小段时间延时后超快速机械开关完全关断；
待超快速机械开关完全关断后，对所有主断路器分段施加关断信号，由避雷器将故障电流振荡衰减至0；待故障电流衰减至0后，断开隔离开关，故障输电线路被隔离。
进一步地，所述模块化多电平潮流控制器的控制系统包括内环控制环节、外环d轴控制环节、外环q轴控制环节以及直流线路电流控制环节；其中，内环控制环节和外环q轴控制环节与MMC换流器对应的控制相同，外环d轴控制环节则用于控制子模块平均电容电压，直流线路电流控制环节则使系统中某条需要被调节的输电线路的电流指令值经过PI控制器之后输出模块化多电平潮流控制器的直流电压指令值，从而实现控制线路潮流的功能，且调制方式采用载波移相脉冲宽度调制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明将直流潮流控制功能整合到直流断路器中，使其同时具备直流潮流控制能力和直流线路故障处理能力，提升了设备的功能多样性和运行灵活性。
(2)本发明所述的模块化多电平潮流控制器具有很大的潮流控制自由度，满足直流电网控制潮流的需求。
(3)直流线路故障时，本发明依靠模块化多电平潮流控制器闭锁后的故障自清除能力和故障断流支路的分流能力，正常通流支路的电流可以迅速降为零，满足高压直流断路器快速隔离故障线路的要求。
附图说明
图1为本发明组合式高压直流断路器的拓扑结构示意图。
图2(a)为模块化多电平潮流控制器的拓扑结构示意图。
图2(b)为全桥子模块的拓扑结构示意图。
图3为本发明实施例采用的直流电网的拓扑结构示意图。
图4(a)为系统稳态运行时换流站直流侧电流的仿真波形示意图。
图4(b)为系统稳态运行时直流线路电流的仿真波形示意图。
图4(c)为系统稳态运行时模块化多电平潮流控制器直流电压的仿真波形示意图。
图5(a)为输电线路短路故障时组合式高压直流断路器各支路直流电流的仿真波形示意图。
图5(b)为输电线路短路故障时换流站直流侧电流的仿真波形示意图。
图5(c)为输电线路短路故障时直流线路电流的仿真波形示意图。
图5(d)为输电线路短路故障时换流站直流侧电压的仿真波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明组合式高压直流断路器包括电抗器、隔离开关、一条正常通流支路和一条故障断流支路，其中：电抗器的一端与直流输电线路相连，另一端与隔离开关的一端相连；正常通流支路与故障断流支路并联后的一端与隔离开关的另一端相连，另一端与直流输电线路相连。
正常通流支路由超快速隔离开关和模块化多电平潮流控制器串联组成。模块化多电平潮流控制器的拓扑结构如图2(a)所示，采用三相六桥臂结构，每个桥臂由N个全桥子模块级联而成，并串联一个桥臂电抗器L。全桥子模块的拓扑结构如图2(b)所示，由4个IGBT、4个反并联二极管和1个电容C组成。
故障断流支路由多个主断路器分段串并联组成，主断路器分段由多个带反并联二极管的IGBT串联后与一个避雷器并联组成，具有双向通流能力。
本发明组合式高压直流断路器的工作原理包括：
(1)系统正常运行时，隔离开关和超快速隔离开关处于闭合状态，所有主断路器分段处于关断状态，模块化多电平潮流控制器处于工作状态，直流线路电流从正常通流支路流过；模块化多电平潮流控制器根据设定的直流电网内某条输电线路的电流指令值，调节模块化多电平潮流控制器输出的直流电压，从而调节直流电网内的潮流分布。
(2)当直流输电线路发生接地短路故障，需要组合式高压直流断路器动作时，首先对模块化多电平潮流控制器施加闭锁信号，同时对所有主断路器分段施加导通信号，部分故障电流转移至故障断流支路。
(3)待流经正常通流支路的电流下降至0后，断开超高速隔离开关。经过一小段时间延时，超快速机械开关完全关断。
(4)待超快速机械开关完全关断后，对所有主断路器分段施加关断信号，由避雷器将故障电流振荡衰减至0。
(5)待故障电流振荡衰减至0后，断开隔离开关，故障线路被隔离。
如图3所示，本实施例以一个四端单极柔性直流输电系统为例进行仿真验证，该系统仅安装一台组合式高压直流断路器就可以实现对直流电网内四条输电线路的潮流控制。仿真中，组合式高压直流断路器采用如图1所示的详细结构，其他线路端点安装的混合式高压直流断路器采用理想开关与并联避雷器来等效；系统基本参数如表1所示，模块化多电平潮流控制器的基本参数如表2所示，换流站1、换流站2和换流站3采用定有功功率控制，换流站4采用定直流电压控制。
表1
Figure BDA0002234673380000061
表2
Figure BDA0002234673380000062
以组合式高压直流断路器控制线路L24的电流I24为例进行说明组合式高压直流断路器直流潮流控制能力。系统稳态运行时，组合式高压直流断路器控制线路L24的电流I24为1.6kA，四个换流站指令值均为额定值1pu，在时间t＝2.0s时，将换流站1和换流站3的有功功率指令值设为0.667pu。
对应的仿真波形示意图如图4(a)～图4(c)所示，可以看出，换流站1和换流站3的有功功率指令值改变后，电流I24经过短暂的暂态变化之后，快速恢复到指令值1.6kA，说明组合式高压直流断路器可以根据指令有效地控制线路潮流。
以组合式高压直流断路器线路侧(线路L13)发生接地短路故障为例进行说明组合式高压直流断路器直流故障处理能力。系统稳态运行时，组合式高压直流断路器控制线路I13的电流I31为2kA，四个换流站指令值均为额定值1pu，在时间t＝2.0s时，组合式高压直流断路器线路侧发生接地短路故障，接地点如图3所示。故障1ms后对模块化多电平潮流控制器施加闭锁信号，同时对所有主断路器分段施加导通信号，待流经正常通流支路的电流下降至0后，经过2ms延时对超高速隔离开关施加关断信号，再经过0.1ms延时对所有主断路器分段施加关断信号。故障5ms后，即t＝2.005s时，断开混合式高压直流断路器B13。
对应的仿真波形示意图如图5(a)～图5(d)所示，可以看出，依靠模块化多电平潮流控制器闭锁后的故障自清除能力和故障断流支路的分流能力，流过正常通流支路的故障电流从模块化多电平潮流控制器闭锁到衰减至0的时间约为0.28ms，I31在8ms内下降至0，说明组合式高压直流断路器具有很好的处理直流线路故障的能力。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器，其特征在于：包括电抗器、隔离开关、正常通流支路以及故障断流支路，电抗器的一端与直流输电线路相连，电抗器的另一端与隔离开关的一端相连；正常通流支路与故障断流支路并联后一端与隔离开关的另一端相连，另一端与换流站的直流母线相连；所述正常通流支路由超快速机械开关和模块化多电平潮流控制器串联组成。
2.根据权利要求1所述的组合式高压直流断路器，其特征在于：所述超快速机械开关的一端与隔离开关的另一端相连，超快速机械开关的另一端与模块化多电平潮流控制器直流侧正极相连，模块化多电平潮流控制器直流侧负极与换流站的直流母线相连。
3.根据权利要求1所述的组合式高压直流断路器，其特征在于：所述模块化多电平潮流控制器采用三相六桥臂结构，其交流侧与换流站的交流母线相连或接其他独立的交流源，每个桥臂由多个全桥子模块级联后与一个桥臂电抗串联。
4.根据权利要求3所述的组合式高压直流断路器，其特征在于：所述全桥子模块包括四个带反并联二极管的IGBT管GT1～GT4一个电容C；其中，IGBT管GT1的发射极与IGBT管GT2的集电极相连并作为子模块的一端，IGBT管GT1的集电极与IGBT管GT3的集电极以及电容C的正极相连，IGBT管GT3的发射极与IGBT管GT4的集电极相连并作为子模块的另一端，IGBT管GT4的发射极与IGBT管GT2的发射极以及电容C的负极相连，四个IGBT管GT1～GT4的基极均接外部设备提供的开关信号。
5.根据权利要求1所述的组合式高压直流断路器，其特征在于：所述故障断流支路由多个具有双向通流能力的主断路器分段串并联组成。
6.根据权利要求5所述的组合式高压直流断路器，其特征在于：所述主断路器分段由多个带反并联二极管的IGBT管串联后与一个避雷器并联构成，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接外部设备提供的开关信号。
7.如权利要求1～6任一权利要求所述组合式高压直流断路器的控制方法，其特征在于：
当所处直流电网系统正常运行时，使隔离开关和超快速机械开关处于闭合状态，使所有主断路器分段处于关断状态，使模块化多电平潮流控制器处于工作状态，直流电流从正常通流支路流过；同时根据系统中某条需要被调节的输电线路的电流指令值，调节模块化多电平潮流控制器的直流输出电压，从而调节直流电网的潮流分布；
当组合式高压直流断路器所连直流输电线路发生接地短路故障时，先对模块化多电平潮流控制器施加闭锁信号，同时对所有主断路器分段施加导通信号，此时部分故障电流转移至故障断流支路；待流经正常通流支路的电流下降至0后，断开超快速机械开关，经一小段时间延时后超快速机械开关完全关断；
待超快速机械开关完全关断后，对所有主断路器分段施加关断信号，由避雷器将故障电流振荡衰减至0；待故障电流衰减至0后，断开隔离开关，故障输电线路被隔离。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述模块化多电平潮流控制器的控制系统包括内环控制环节、外环d轴控制环节、外环q轴控制环节以及直流线路电流控制环节；其中，内环控制环节和外环q轴控制环节与MMC换流器对应的控制相同，外环d轴控制环节则用于控制子模块平均电容电压，直流线路电流控制环节则使系统中某条需要被调节的输电线路的电流指令值经过PI控制器之后输出模块化多电平潮流控制器的直流电压指令值，从而实现控制线路潮流的功能，且调制方式采用载波移相脉冲宽度调制。
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