CN110829393A - 具备主动保护功能的限流混合式直流断路器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器及控制方法，它包括并联连接的通流支路和主断路器支路，所述的通流支路由两组机械开关K1、K2并联之后与辅助换流模块串联连接，当断路器收到线路保护装置的跳闸信号后，闭锁主断路器支路IGBT，故障电流从主断路器支路的电力电子断流单元转移到RC缓冲单元，当RC缓冲单元两端电压上升至避雷器单元的保护动作电压时，避雷器动作，故障电流从RC缓冲单元转移到避雷器单元，断路器完成第二次换流；避雷器单元完成能量吸收后，断路器完成分闸操作；解决了断路器由于故障定位的时间较长，导致在最恶劣的工况下多端直流电网中会有一到两个换流器闭锁，并且失去快速重启动的能力。
Description
技术领域
本发明属于涉及电力器件技术领域，尤其涉及一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器及控制方法。
背景技术
随着化石能源短缺和环境污染问题的不断加剧，对风电、太阳能等分布式、间歇性可再生清洁能源的大规模接入的需求也越来越迫切，基于电压源型换流器(voltagesource converter，VSC)的高压直流输电具备有功功率、无功功率可独立灵活控制，可向无源系统供电，波形质量好，潮流翻转时电压极性不需要改变等特点，为大规模可再生能源接入提供了有效解决方案。
多端直流电网（multi-terminal DC，MTDC）的快速发展对整个系统的可靠性和稳定、安全运行提出了更高的要求，当MTDC发生直流侧短路故障时，故障电流上升速度很快，几个毫秒就会超过换流器的保护阈值。配置直流断路器的目的是在换流器闭锁前切除故障电流，并保证MTDC中非故障部分的正常运行，故障电流切断越快，换流器的过流风险越小。
相较于固态直流断路器和机械式直流断路器，混合式直流断路器的跳闸时间大约为3ms，介于两者之间。考虑到断路器的跳闸速度、运行成本和后期维护，混合式直流断路器在MTDC中应用更具优势。在配置大量混合式直流断路器的MTDC中，为了避免混合式直流断路器误动作导致MTDC的直流故障扩大，需要将混合式直流断路器的跳闸动作与线路保护装置的故障定位进行配合。由于故障定位的时间较长，该设计导致在最恶劣的工况下多端直流电网中会有一到两个换流器闭锁，并且失去快速重启动的能力，而且随着限流电抗器值的增加，这种情况并不能得到改善。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是：提供一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器及控制方法，以解决现有混合式直流断路器在MTDC中应用更具优势，在配置大量混合式直流断路器的MTDC中，为了避免混合式直流断路器误动作导致MTDC的直流故障扩大，需要将混合式直流断路器的跳闸动作与线路保护装置的故障定位进行配合；由于故障定位的时间较长，该设计导致在最恶劣的工况下多端直流电网中会有一到两个换流器闭锁，并且失去快速重启动的能力，而且随着限流电抗器值的增加，这种情况并不能得到改善等技术问题。
本发明技术方案：
一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器，它包括并联连接的通流支路和主断路器支路，所述的通流支路由两组机械开关K1、K2并联之后与辅助换流模块串联连接，所述的主断路器支路由子模块串联连接。
所述子模块由并联连接的电力电子断流单元、RC缓冲单元和避雷器单元组成。
子模块的数量由直流系统额定直流电压与避雷器额定电压的比值确定。
所述的一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器的控制方法，它包括：
断路器正常运行时，机械开关K1闭合，机械开关K2断开，辅助换流模块IGBT解锁，通流支路流过负荷电流；当断路器通过过流、欠压或者电流变化率保护检测到直流系统的直流短路故障后，闭锁辅助换流模块IGBT，同时解锁主断路器支路IGBT，故障电流从通流支路向主断路器支路转移，断路器完成第一次换流，之后机械开关K1在低电压和零电流条件下实现无弧分断。
所述的一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器的控制方法，其特征在于：它包括：
当断路器收到线路保护装置的跳闸信号后，闭锁主断路器支路IGBT，故障电流从主断路器支路的电力电子断流单元转移到RC缓冲单元，当RC缓冲单元两端电压上升至避雷器单元的保护动作电压时，避雷器动作，故障电流从RC缓冲单元转移到避雷器单元，断路器完成第二次换流。避雷器单元完成能量吸收后，断路器完成分闸操作；
当断路器收到线路保护装置的禁止跳闸信号后，立即合闸机械开关K2，同时解锁辅助换流模块IGBT，当断路器收到机械开关K2的合闸位置信号后，闭锁主断路器支路IGBT，直流电流从主断路器支路转移到通流支路，断路器继续通流运行。
本发明有益效果：
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
1）改进的混合式断路器具备主动保护功能，可以将MTDC系统短路故障最短切除时间减小到3ms，大大降低了直流短路故障电流的最大峰值以及HDCCB在切断故障电流过程中避雷器的能量吸收。
2）改进的混合式断路器具备限流功能，对于换流器过流能力弱、故障电流上升率比较快的MTDC系统，或者输电距离远、在线路保护装置进行故障定位前仍然超过换流器保护阈值的MTDC系统，能够有效抑制直流短路故障电流的上升率，进一步降低换流器的过流风险。此外，限流功能还可以减小故障电流隔离期间改进的混合式断路的过电压应力和避雷器的能量吸收。
解决了现有混合式直流断路器在MTDC中应用更具优势，在配置大量混合式直流断路器的MTDC中，为了避免混合式直流断路器误动作导致MTDC的直流故障扩大，需要将混合式直流断路器的跳闸动作与线路保护装置的故障定位进行配合；由于故障定位的时间较长，该设计导致在最恶劣的工况下多端直流电网中会有一到两个换流器闭锁，并且失去快速重启动的能力，而且随着限流电抗器值的增加，这种情况并不能得到改善等技术问题。
附图说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明子模块结构示意图；
图3为本发明控制方法流程示意图。
具体实施方式：
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
图1为本发明结构示意图，如图1所示，本发明的一种具备主动保护功能的限流式混合式直流断路器结构，其结构包括并联连接的通流支路和主断路器支路，所述的通流支路由两组机械开关K1、K2并联之后与辅助换流模块3串联连接，所述的主断路器支路由主断路器子模块4串联连接。
图2为本发明子模块结构示意图，如图2所示，所述的主断路器子模块4由并联连接的电力电子断流单元5、RC缓冲单元6和避雷器单元7组成。
图3为本发明控制方法流程图，断路器控制方法如图所示：当断路器通过过流、欠压或者电流变化率等快速保护检测到直流系统的直流短路故障后，闭锁辅助换流模块3IGBT，同时解锁主断路器支路IGBT，故障电流从通流支路向主断路器支路转移，断路器完成第一次换流，之后机械开关K1在低电压和零电流条件下实现无弧分断；
当断路器收到线路保护装置的跳闸信号后，闭锁主断路器支路IGBT，故障电流从主断路器支路的电力电子断流单元转移到RC缓冲单元6，当RC缓冲单元6两端电压上升至避雷器单元的保护动作电压时，避雷器动作，故障电流从RC缓冲单元6转移到避雷器单元7，断路器完成第二次换流。避雷器单元7完成能量吸收后，断路器完成分闸操作；
当断路器收到线路保护装置的禁止跳闸信号后，立即合闸机械开关K2，同时解锁辅助换流模块3IGBT，当断路器收到机械开关K2的合闸位置信号后，闭锁主断路器支路IGBT，直流电流从主断路器支路转移到通流支路，断路器继续通流运行。
Claims (5)
1.一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器，其特征在于：它包括并联连接的通流支路和主断路器支路，所述的通流支路由两组机械开关K1、K2并联之后与辅助换流模块（3）串联连接，所述的主断路器支路由子模块（4）串联连接。
2.根据权利要求1所述的一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器，其特征在于：所述子模块（4）由并联连接的电力电子断流单元（5）、RC缓冲单元（6）和避雷器单元（7）组成。
3.根据权利要求1所述的一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器，其特征在于：子模块（4）的数量由直流系统额定直流电压与避雷器额定电压的比值确定。
4.如权利要求1所述的一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器的控制方法，其特征在于：它包括：
断路器正常运行时，机械开关K1闭合，机械开关K2断开，辅助换流模块（3）IGBT解锁，通流支路流过负荷电流；当断路器通过过流、欠压或者电流变化率保护检测到直流系统的直流短路故障后，闭锁辅助换流模块（3）IGBT，同时解锁主断路器支路IGBT，故障电流从通流支路向主断路器支路转移，断路器完成第一次换流，之后机械开关K1在低电压和零电流条件下实现无弧分断。
5.如权利要求1所述的一种具备主动保护功能的限流混合式直流断路器的控制方法，其特征在于：它包括：
当断路器收到线路保护装置的跳闸信号后，闭锁主断路器支路IGBT，故障电流从主断路器支路的电力电子断流单元转移到RC缓冲单元（6），当RC缓冲单元（6）两端电压上升至避雷器单元的保护动作电压时，避雷器动作，故障电流从RC缓冲单元（6）转移到避雷器单元（7），断路器完成第二次换流，
避雷器单元（7）完成能量吸收后，断路器完成分闸操作；
当断路器收到线路保护装置的禁止跳闸信号后，立即合闸机械开关K2（2），同时解锁辅助换流模块（3）IGBT，当断路器收到机械开关K2（2）的合闸位置信号后，闭锁主断路器支路IGBT，直流电流从主断路器支路转移到通流支路，断路器继续通流运行。
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