CN110880746A - 一种无源式柔性直流电网故障限流器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无源式柔性直流电网故障限流器及其控制方法，所述限流器包括一次侧电路与二次侧电路，其中，所述一次侧电路包括一次绕组；所述二次侧电路包括二次绕组以及与其串联的一个或多个控制电路；所述一次绕组与二次绕组通过磁场耦合。该限流器正常状态阻抗低、损耗小、电网故障状态限流迅速。
Description
技术领域
本发明属于电力领域，特别涉及一种基于电力电子可控磁耦合的新型无源式柔性直流电网故障限流器及其控制方法。
背景技术
伴随着从传统的能源结构向清洁、高效的能源结构转型需求，可再生能源快速发展。与此同时，能源系统对能量汇集、并网、传输、分配的重要媒介——电网有了新的功能和性能需求，其中，柔性直流(柔直)电网以其具备的优势是未来电网重要的发展方向之一，进一步故障限流关系到柔直电网可靠、安全运行，而直流限流器的发展相对滞后，现有直流限流器不能同时满足参数快速变化、快速限流、低损耗和高可靠性的要求。如何提供一种正常状态阻抗低、损耗小、电网故障状态限流迅速限流器越来越成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种无源式柔性直流电网故障限流器及其控制方法，该限流器正常状态阻抗低、损耗小、电网故障状态限流迅速。
本发明的目的在于提供一种无源式柔性直流电网故障限流器，包括一次侧电路与二次侧电路，其中，
所述一次侧电路包括一次绕组；
所述二次侧电路包括二次绕组以及与其串联的一个或多个控制电路；
所述一次绕组与二次绕组通过磁场耦合。
进一步地，所述一个或多个控制电路并联连接。
进一步地，所述一个或多个控制电路均至少包括开关支路、缓冲支路以及能量吸收支路；其中，
所述开关支路、缓冲支路和能量吸收支路并联连接。
进一步地，
所述开关支路包括两个反向连接的固态开关，所述固态开关包括半导体器件与二极管，且所述半导体器件与所述二极管反并联；
所述能量吸收支路包括避雷器。
进一步地，所述半导体器件包括IGCT、IGBT。
进一步地，所述控制电路还包括负载模块，所述负载模块分别与所述开关支路、缓冲支路以及能量吸收支路串联，其中，
所述负载模块为RL电路、纯电感电路、纯电阻电路、LC电路、RCL电路、RC电路中的一种。
进一步地，所述缓冲支路为RC缓冲电路。
本发明的另一目的在于提供一种上述所述无源式柔性直流电网故障限流器的控制方法，所述限流器执行限流时，包括，
控制一个或多个控制电路的开关支路断开；
开关支路的电流转移至所述缓冲电路与能量吸收支路，改变二次侧电路中的电流；
通过磁场耦合，改变一次侧电路中的电流。
进一步地，开关支路的电流转移至能量吸收支路后，具体包括，
所述能量吸收支路吸收能量，所述二次侧电路中的电流下降；
通过磁场耦合，所述一次侧电路中的电流上升速率下降。
进一步地，当所述二次侧电路中的电流下降为0时，
二次绕组为开路，所述一次侧电路中的阻抗为所述一次绕组的阻抗。
本发明的新型无源式柔性直流电网故障限流器具有以下有益效果：
1、所述一次侧电路仅包括一次绕组，不设置其他额外的电气元件，不会额外增加大量的限流器工作状态的损耗，且有利于减小限流器的复杂程度，提高限流器的可靠性以及提高设备的技术经济性和可行性。
2、设置有一个或多个控制电路，所述控制电路中设置负载，通过控制电路中的半导体器件投切不同的负载，能够产生不同的等效阻抗，从而起到限制故障电流，保护电路的作用。
3、一次侧绕组与二次侧绕组通过磁场耦合，基于控制电路半导体器件的投切，实现二次侧阻抗的快速的变化，且能够将二次侧阻抗的快速变化耦合至一次侧，从而实现一次侧阻抗的快速变化，实现快速限制故障电流的目的。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例中一种无源式柔性直流电网故障限流器结构示意图；
图2示出了本发明实施例中一种控制电路结构示意图；
图3示出了本发明实施例中另一种控制电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
如图1所示，本发明实施例中介绍了一种基于电力电子可控磁耦合的新型无源式柔性直流电网故障限流器，其中，包括一次侧电路与二次侧电路，其中，所述一次侧电路包括一次绕组，所述二次侧电路包括二次绕组以及与其串联的一个或多个控制电路，且所述一个或多个控制电路并联连接；所述一次绕组与二次绕组通过磁场耦合。其中，所述一次侧电路采用纯金属材料，即在一次侧电路中不引用入半导体器件或者是超导材料，不破坏原有的电路结构。进一步，所述一次侧电路中的一次绕组包括电阻R1和电感L1，二次侧电路中的二次绕组包括电阻R2与电感L2，M是一次和二次绕组之间的互感，一次绕组与二次绕组的匝数比为n:1，其中，n为整数。一次侧电路采用纯金属材料，不引入半导体成分等额外的电气元件，不会额外增加大量的限流器工作状态的损耗，且有利于减小限流器的复杂程度，提高限流器的可靠性以及提高设备的技术经济性和可行性。二次侧电路中通过设置控制电路，在限制故障电流时，通过二次侧电路中设置的控制电路实现二次侧阻抗的快速改变，磁场耦合到一次侧进行限流。
具体的，所述一个或多个控制电路均包括开关支路、缓冲支路以及能量吸收支路。其中，所述开关支路、缓冲支路和能量吸收支路并联连接，且所述一个或多个控制电路并联连接，如图1所示，所述一个或多个控制电路分别为电路1、电路2……电路m，其中m为整数，则在限流器限流的过程中，通过控制不同的控制电路中开关的投切，能够动态的改变阻抗，示例性的，所述限流器在进行限流时，仅控制其中一个控制电路的开关支路断开与控制两个控制电路中开关支路断开，导致的二次侧电路中的阻抗并不相同。同样的，也可以在稳态的时候通过控制不同开关支路的投切，改变不同的阻抗，以改变线路上的阻尼系数。
所述开关支路包括两个反向连接的固态开关，所述固态开关包括半导体器件与二极管，且所述半导体器件与所述二极管反并联，所述半导体器件包括IGCT(集成门极换流晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。如图2所示，所述两个固态开关中的半导体器件为IGCT时，其中一个IGCT的阴极与另一个IGCT的阴极连接。如图3所示，所述两个固态开关中的半导体器件为IGBT时，其中一个IGBT的集电极与另一个IGBT的集电极连接。从而开关支路为一个双向开关支路，进一步，不管是IGCT，还是IGBT均与一个续流二极管，则续流二极管能够用于保护被并联的半导体器件，另外在开关支路开通的时刻，一个半导体器件和一个二极管串联导通。
所述能量吸收支路包括MOV避雷器，用于在固态开关断开时，在合理的参数设计和配合的情况下，MOV避雷器在二次侧表现为钳压特性，即二次侧电压为MOV的钳位电压，不会出现过电压的情况，二次侧电流减小并通过磁场耦合在一次侧产生大于电源电压的负压，限制一次侧故障电流快速增加，该过程直至二次侧电路中的电流变为0结束，从而起到限制故障电流的作用。更进一步具体的，所述合理的参数设计包括对二次侧绕组的电阻与电感值的设定等。
如图2、3所示，所述控制电路还包括负载模块，所述负载模块串联在所述二次绕组中，且分别与所述开关支路、缓冲支路以及能量吸收支路串联，所述负载模块为RL电路、纯电感电路、纯电阻电路、LC电路、RCL电路、RC电路中的一种，然而本发明并不限于此，只要能够实现本发明通过负载支路改变阻抗的原理即可，例如所述RCL可以是串联，也可以是并联等。需要说明的是；所述控制电路可以设置负载模块，也可以不设置，图2、3中所示的控制电路为设有负载模块时的电路结构图，从而所述合理的参数设计可以为通过设置一个或多个控制电路中的负载模块的电气参数，例如电感或电阻的大小，以实现在限流器正常情况下呈现低阻抗的状态。
所述缓冲支路为RC缓冲电路。如图2、3所示，所述缓冲支路包括电容Cs和电感Rs，其中，所述缓冲支路在控制电路中的固态开关动作时能够起到缓冲电流的作用，从而保护固态开关中的续流二极管不会因为过电压而被击穿。当缓冲支路的电压达到MOV避雷器的触发电压时，触发MOV避雷器工作，所述二次侧电路中的电流则被MOV避雷器吸收，直至为0。
本发明实施例中还介绍了一种上述所述无源式柔性直流电网故障限流器的控制方法，所述限流器的一次侧电路的端口与所述直流输电线路连接，且与断路器串联，在所述直流输电线路发生短路故障时，与断路器动作时间相配合，利用限流器起到限制故障电流的作用，从而所述控制方法包括：首先，控制一个或多个所述控制电路的开关支路断开，所述开关支路中的电流转移至所述缓冲电路与能量吸收支路，改变二次侧电路中的电流，其中，所述能量吸收支路中的避雷器在二次侧表现为钳压特性，二次侧电流减小并通过磁场耦合在一次侧产生大于电源电压的负压，并同时不断消耗二次绕组中电感储存的能量，从而二次侧电路中的电流减小，从而改变了二次侧电路中的阻抗；然后，通过磁场耦合，使一次侧故障电流上升速率下降，从而改变一次侧电路中的阻抗。
所述半导体器件可以瞬时完成开通和关断，实现二次侧电路中阻抗的快速变化，从而通过磁耦合在一次侧(电网传输线侧)实现快速的阻抗变化，从而达到限制故障电流的目的。
所述能量吸收支路持续消耗二次侧电路中的能量，当所述二次侧电路中的电流下降为0时，二次绕组为开路，所述一次侧电路中的阻抗为所述一次绕组的阻抗。即二次侧电路中的电感能量释放完毕且已经完全开路，则二次侧绕组不再通过磁场耦合影响一次侧绕组的电学特性。又由于所述一次侧电路为纯金属材料，从而其阻抗完全为一次绕组产生的阻抗，在一次侧电路端口电压作用下电流上升，但由于等效电感增大，所以电流上升速度较慢，起到了保护直流电网的作用。
具体的，以二次侧电路中仅串联有一个控制电路，且控制电路中设置有负载模块为示例性说明，所述MOV避雷器吸收能量时，所述MOV避雷器与二次绕组形成回路，MOV避雷器在二次侧表现为钳压特性，所述二次侧电路中的电流下降，通过磁场耦合在一次侧产生大于电源电压的负压，所述一次侧电路中的电流的上升速率被限制，则所述一次侧电路与二次侧电路满足：
i1(0)＝Ishort2_1
i2(0)＝Ishort2_2
其中，Uclamping为避雷器的钳位电压，Ishort2_1、Ishort2_2分别为电力电子开关闭合时，一次侧电路中电流i1(0)与二次侧电路中电流i2(0)的取值；R1是一次绕组电阻，R2是二次绕组电阻，L1是一次绕组电感，L2是二次绕组电感，M是一次和二次绕组之间的互感，i1(t)和i2(t)分别为一次侧电路与二次侧电路中的电流。
在所述半导体器件闭合之前，即在短路故障发生前或正常运行期间，所述二次绕组中负载模块与二次绕组形成回路，二次侧保持低负载(若控制电路中不设置负载模块，则二次侧短路)，导致限流器一次侧出现低阻抗。所述一次侧电路与二次侧电路满足：
i1(0)＝Ishort1_1
i2(0)＝0
其中，R1是一次绕组电阻，R2是二次绕组电阻，L1是一次绕组电感，L2是二次绕组电感，M是一次和二次绕组之间的互感，i1(t)和i2(t)是为一次侧电路与二次侧电路中的电流，Rload是负载电阻，Lload是负载电感；Ishort1_1为短路发生时一次侧电路中电流i1(0)的取值，且此时二次侧电路中电流i2(0)的取值为0。
当所述二次侧电路中的电流下降为0，二次绕组为开路，则二次侧绕组不再通过磁场耦合影响一次侧绕组的电学特性，则所述一次侧电路与二次侧电路满足：
i1(0)＝Ishort3_1
i2(0)＝Ishort3_2
其中，所述Ishort3_1、Ishort3_2分别为电力电子开关闭合后，一次侧电路中电流i1(0)与二次侧电路中电流i2(0)的取值。
从而通过分析上述不同控制阶段的电路工作特点可知，通过控制电路中的半导体器件投切不同，电流变化不同，且能够产生不同的等效阻抗，从而起到限制故障电流，保护电路的作用。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种无源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，包括一次侧电路与二次侧电路，其中，
所述一次侧电路包括一次绕组；
所述二次侧电路包括二次绕组以及与其串联的一个或多个控制电路；
所述一次绕组与二次绕组通过磁场耦合。
2.根据权利要求1所述的无源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述一个或多个控制电路并联连接。
3.根据权利要求2所述的无源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述一个或多个控制电路均至少包括开关支路、缓冲支路以及能量吸收支路，其中，
所述开关支路、缓冲支路和能量吸收支路并联连接。
4.根据权利要求3所述的无源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，
所述开关支路包括两个反向连接的固态开关，所述固态开关包括半导体器件与二极管，且所述半导体器件与所述二极管反并联；
所述能量吸收支路包括避雷器。
5.根据权利要求3所述的无源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述半导体器件包括IGCT、IGBT。
6.根据权利要求4或5所述的无源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述控制电路还包括负载模块，所述负载模块分别与所述开关支路、缓冲支路以及能量吸收支路串联，其中，
所述负载模块为RL电路、纯电感电路、纯电阻电路、LC电路、RCL电路、RC电路中的一种。
7.根据权利要求3所述的无源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述缓冲支路为RC缓冲电路。
8.一种权利要求1-7任一所述无源式柔性直流电网故障限流器的控制方法，其特征在于，所述限流器执行限流时，包括，
控制一个或多个控制电路的开关支路断开；
开关支路的电流转移至所述缓冲电路与能量吸收支路，改变二次侧电路中的电流；
通过磁场耦合，改变一次侧电路中的电流。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，开关支路的电流转移至能量吸收支路后，具体包括，
所述能量吸收支路吸收能量，所述二次侧电路中的电流下降；
通过磁场耦合，所述一次侧电路中的电流上升速率下降。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，当所述二次侧电路中的电流下降为0时，
二次绕组为开路，所述一次侧电路中的阻抗为所述一次绕组的阻抗。
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| CN201911167915.0A CN110880746A (zh) | 2019-11-25 | 2019-11-25 | 一种无源式柔性直流电网故障限流器及其控制方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113964805A (zh) * | 2021-09-09 | 2022-01-21 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种直流系统故障限流装置及方法 |
| CN114172139A (zh) * | 2020-09-11 | 2022-03-11 | Abb瑞士股份有限公司 | 用于固态开关的智能限流 |
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2019
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| CN114172139B (zh) * | 2020-09-11 | 2024-03-08 | Abb瑞士股份有限公司 | 用于固态开关的智能限流 |
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