CN111177949A - 一种混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法 - Google Patents

Abstract

一种混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法。基于混合式高压直流断路器的拓扑结构，建立含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型；提取混合式高压直流断路器各支路的杂散电感参数；根据混合式高压直流断路器在工作时不同阶段的通流回路，得到不同阶段的混合式高压直流断路器宽频模型；联立得到的不同工作阶段的混合式高压直流断路器宽频模型，最终获得混合式高压直流断路器的整体宽频模型。本发明有利于分析各支路杂散电感参数对混合式高压直流断路器各个工作阶段下的过电压的影响，有利于断路器内部电气拓扑布置和各器件的绝缘配合设计。

Description

一种混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法

技术领域

本发明属于高压直流输电领域，具体涉及一种混合式高压直流断路器模型建立方法。

背景技术

直流断路器可实现直流电网的故障隔离和清除，是构建直流电网必不可少的装备。混合式直流断路器兼具通态损耗小和开断速度快的优点，可满足高压直流电网对直流断路器的所有指标和功能要求，是目前高压直流断路器的国际主流技术路线，代表了高压直流断路器的未来技术发展方向。

直流断路器工作在直流系统发生故障时，这时的短路电流往往达到kA/s级，高压直流断路器回路中杂散电感的存在会在换流时由于较大的电流变化率产生反向电压，从而导致电容器、IGBT等器件电压高于避雷器电压，带来额外的绝缘压力。为了与实际情况中各类电压形式相对应，要满足所建立的模型适用于0-5MHz甚至更高的频率范围，因此，建立的模型即为混合式高压直流断路器的宽频模型。现有技术中，常用的宽频模型建模方法有物理建模、数学建模和综合建模。但是，基本上运算过程复杂，且由于混合式直流断路器工作过程复杂，现有方法建立的宽频模型并不适用于对工程的分析及应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特点是，根据混合式高压直流断路器工作的5个阶段，建立不同阶段的宽频模型，最终联立得到整体宽频模型，是目前一种新颖的方法。

为实现上述发明目的，本发明具体采用如下技术方案。

一种混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于，所述宽频模型建立方法包括以下步骤：

步骤1)，基于混合式高压直流断路器的拓扑结构，建立含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型；

步骤2)，利用仿真软件进行仿真计算，提取混合式高压直流断路器各支路的杂散电感参数；

步骤3)，根据混合式高压直流断路器在工作时不同阶段的通流回路，将步骤2)确定的杂散电感参数代入回路中，得到不同阶段下的混合式高压直流断路器宽频模型；

步骤4)，联立步骤3)得到的不同工作阶段下的混合式高压直流断路器宽频模型，最终获得混合式高压直流断路器的整体宽频模型。

本发明进一步包括以下优选方案。

在步骤1)中，混合式高压直流断路器的拓扑结构中包含主支路、转移支路和耗能支路；

主支路包括主支路IGBT支路和主支路电容支路；

转移支路包括转移支路IGBT支路和转移支路电容支路。

在每一支路中，将支路所包含的器件杂散电感与器件拓扑串联，得到含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型：

其中，主支路的杂散电感是指快速机械开关及连接铜排管母杂散电感以及主支路全桥模块杂散电感；

转移支路的杂散电感包括连接母排杂散电感和转移支路IGBT模块杂散电感；

耗能支路的杂散电感为避雷器连接母排的杂散电感。

在步骤2)中，采用基于边界元法的ansoftQ3D电磁仿真软件对混合式高压直流断路器的宽频模型进行仿真计算。

步骤3)，混合式高压直流断路器的运行过程分为5个阶段：主支路通流，主支路换流，快速开关分断，分断电压建立和避雷器动作。

电网正常运行时，主支路通流，即电流从主支路全桥模块内IGBT支路通过，主支路全桥模块内电容支路关断；杂散电感由主支路全桥模块内IGBT支路杂散电感a和开关及连接铜排管母杂散电感e构成。

主支路换流时，断路器接受到系统分断信号，主支路全桥模块闭锁，电流从主支路换流至转移支路，即主支路上的电流由主支路电容支路向转移支路IGBT支路转移；杂散电感由主支路开关及连接铜排管母杂散电感e、主支路电容支路杂散电感b、转移支路IGBT支路杂散电感c和连接母排杂散电感f组成。

换流完成后，快速机械开关分断，电流只流过转移支路中IGBT支路；杂散电感由转移支路IGBT支路杂散电感c和连接母排的杂散电感f组成。

快速开关分断完成后转移支路IGBT闭锁，电流经续流二极管向电容充电，分断电压建立，杂散电感由转移支路的电容支路杂散电感d和连接母排杂散电感f组成。

当建立的分断电压达到耗能支路避雷器动作电压阈值，电流转移支路电容支路向耗能支路避雷器转移，耗能支路导通，转移支路中IGBT支路关断，电容支路工作；此时杂散电感包括转移支路电容支路杂散电感d、连接母排杂散电感f和避雷器连接母排杂散电感g。

本发明的优点和积极效果是：

混合式高压直流断路器在工作时并非所有支路同时工作，而是根据其工作阶段的不同有不同的通流回路。因此本发明将混合式高压直流断路器的杂散电感参数提取分解到各个支路，这样可根据需要改变各支路器件数量及布置等，优化杂散电感。

本发明根据混合式高压直流断路器的5个工作阶段，得到在不同工作阶段下的5个宽频模型，最终联立得到混合式高压直流断路器整体宽频模型。不仅可以仿真分析断路器整体过电压在直流系统中的变化情况，也有利于分析各支路杂散电感参数对混合式高压直流断路器各个工作阶段下的过电压的影响，有利于断路器内部电气拓扑布置和各器件的绝缘配合设计。

附图说明

图1为500kV混合式高压直流断路器的拓扑结构示意图；

图2为主支路全桥模块结构示意图；

图3为转移支路结构示意图；

图4为含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型；

图5为主支路通流宽频模型；

图6为主支路换流宽频模型；

图7为快速开关分断宽频模型；

图8为快速开关分断完成分断电压建立宽频模型；

图9为避雷器动作宽频模型；

图10为整体宽频等效模型。

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的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，步骤如下：

步骤1)，基于混合式高压直流断路器的拓扑结构，建立含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型。

混合式高压直流断路器由主支路、转移支路和耗能支路组成，其中主支路由快速机械开关和少量电力电子器件组成，用以直流系统正常情况下的通流运行；转移支路由大量电力电子器件(一般使用IGBT模块)组成，用以系统故障时的电流转移；耗能支路由避雷器组成，用以消耗故障电流的能量。混合式高压直流断路器的拓扑结构中包含主支路、转移支路和耗能支路的主要器件，但各器件(如主支路电力电子模块、IGBT模块等)及其连接母排均存在杂散电感，因此需将各器件杂散电感与器件拓扑串联，得到含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型。

本申请以500kV混合式高压直流断路器为例，图1给出一个500kV混合式高压直流断路器的拓扑结构。在本拓扑中，主支路由1个快速机械开关和8个全桥模块(图中画出1个)组成，转移支路含40个IGBT阀模块(每个阀模块由8个IGBT子模块串联组成，图中画出2个子模块)，耗能支路含10个避雷器模块(图中画出1个)。

对于主支路全桥模块，如图2所示，加粗线部分为主支路全桥模块内的IGBT支路(本申请中简称主支路IGBT支路)，虚线部分为主支路全桥模块内的电容支路(简称为主支路电容支路)。

对于转移支路IGBT模块，如图3所示，加粗线部分为转移支路IGBT模块内的IGBT支路(简称转移支路IGBT支路)，虚线部分为转移支路IGBT模块内的电容支路(简称转移支路电容支路)。

图4为含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型，方法是在图1拓扑结构基础上，将器件及母排杂散电感串联于各支路中。其中，L_M包括主支路中快速机械开关及连接铜排管母杂散电感，以及主支路全桥模块杂散电感；L_TR包括连接母排杂散电感和转移支路IGBT模块杂散电感；L_MOV为避雷器连接母排的杂散电感。本发明亦适用于其他电压等级、拓扑结构的混合式高压直流断路器。

步骤2)，利用仿真软件对步骤1)所建立的混合式高压直流断路器的宽频模型进行仿真计算，提取混合式高压直流断路器各支路的杂散电感参数。

本申请实施例中，优选采用基于边界元法的ansoftQ3D电磁仿真软件对混合式高压直流断路器的宽频模型进行仿真计算。

如表1所示，具体数值由所选拓扑结构决定。

表1各支路杂散电感参数

器件	杂散电感
		主支路IGBT支路	aμH
主支路电容支路	bμH
		转移支路IGBT支路	cμH
转移支路电容支路	dμH
		开关及连接铜排管母	eμH
连接母排	fμH
		避雷器连接母排	gμH

步骤3)，根据混合式高压直流断路器在工作时不同阶段下的通流回路，将步骤2)确定的杂散电感参数代入回路中，得到不同阶段下的混合式高压直流断路器宽频模型。对于不同的拓扑结构，只需将杂散电感代入对应的位置即可。

混合式高压直流断路器包括以下不同工作阶段：

①电网正常运行时，主支路通流，即电流从主支路全桥模块内IGBT支路通过，主支路全桥模块内电容支路关断。宽频模型如图5所示，杂散电感由主支路全桥模块内IGBT支路杂散电感a和开关及连接铜排管母杂散电感e构成。

②主支路换流时，断路器接受到系统分断信号，主支路全桥模块闭锁，电流从主支路换流至转移支路，即主支路上的电流由主支路电容支路向转移支路IGBT支路转移，宽频模型如图6所示，此时杂散电感由主支路开关及连接铜排管母杂散电感e、主支路电容支路杂散电感b、转移支路IGBT支路杂散电感c和连接母排杂散电感f组成。

③换流完成后，快速机械开关分断，电流只流过转移支路中IGBT支路，宽频模型如图7所示，此时杂散电感主要由转移支路IGBT支路杂散电感c和连接母排的杂散电感f组成。

④快速开关分断完成后转移支路IGBT闭锁，电流经续流二极管向电容充电，分断电压快速建立，宽频模型如图8所示，此时杂散电感由转移支路的电容支路杂散电感d和连接母排杂散电感f组成。

⑤步骤④建立的分断电压达到耗能支路避雷器动作电压阈值，电流转移支路电容支路向耗能支路避雷器转移，耗能支路导通，转移支路中IGBT支路关断，电容支路工作。宽频模型如图9所示，此时杂散电感包括转移支路电容支路杂散电感d、连接母排杂散电感f和避雷器连接母排杂散电感g。

步骤4)，联立步骤3)得到的不同工作阶段下的混合式高压直流断路器宽频模型，最终获得混合式高压直流断路器的整体宽频模型。

混合式高压直流断路器在不同工作阶段下，电流流过不同支路；而在当前工作阶段下电流未流过的支路，杂散参数对当前工作阶段无影响，因此本发明将混合式高压直流断路器分为多个工作阶段，得到步骤3)中不同工作阶段下的各支路宽频模型，最后将主支路、转移支路和耗能支路并联，得到混合式高压直流断路器的整体宽频模型，如图10所示。特别的，主支路和转移支路在不同工作阶段下，电流由电力电子器件模块内IGBT支路或电容支路流过，图10中将IGBT支路杂散电感与电容支路杂散电感并联，但实际上它们并非并联关系：主支路中，IGBT支路通流时模块杂散电感aμH，电容支路通流时模块杂散电感bμH；转移至路中，IGBT支路通流时模块杂散电感cμH，电容支路通流时模块杂散电感dμH。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：根据混合式高压直流断路器工作的不同阶段，建立不同阶段的宽频模型，最终联立得到整体宽频模型。

2.一种混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于，所述宽频模型建立方法包括以下步骤：

步骤1)，基于混合式高压直流断路器的拓扑结构，建立含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型；

步骤2)，利用仿真软件进行仿真计算，提取混合式高压直流断路器各支路的杂散电感参数；

步骤3)，根据混合式高压直流断路器在工作时不同阶段的通流回路，将步骤2)确定的杂散电感参数代入回路中，得到不同阶段下的混合式高压直流断路器宽频模型；

步骤4)，联立步骤3)得到的不同工作阶段下的混合式高压直流断路器宽频模型，最终获得混合式高压直流断路器的整体宽频模型。

3.根据权利要求2所述的混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：

在步骤1)中，混合式高压直流断路器的拓扑结构中包含主支路、转移支路和耗能支路；

主支路包括主支路IGBT支路和主支路电容支路；

转移支路包括转移支路IGBT支路和转移支路电容支路。

4.根据权利要3所述的混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：

在每一支路中，将支路所包含的器件杂散电感与器件拓扑串联，得到含杂散电感参数的混合式高压直流断路器的宽频模型：

其中，主支路的杂散电感是指快速机械开关及连接铜排管母杂散电感以及主支路全桥模块杂散电感；

转移支路的杂散电感包括连接母排杂散电感和转移支路IGBT模块杂散电感；

耗能支路的杂散电感为避雷器连接母排的杂散电感。

5.根据权利要求2所述的混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：

在步骤2)中，采用基于边界元法的ansoftQ3D电磁仿真软件对混合式高压直流断路器的宽频模型进行仿真计算。

6.根据权利要求2所述的混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：

步骤3)，混合式高压直流断路器的运行过程分为5个阶段：主支路通流，主支路换流，快速开关分断，分断电压建立和避雷器动作。

7.根据权利要求6所述的混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：

电网正常运行时，主支路通流，即电流从主支路全桥模块内IGBT支路通过，主支路全桥模块内电容支路关断；杂散电感由主支路全桥模块内IGBT支路杂散电感a和开关及连接铜排管母杂散电感e构成。

8.根据权利要求6所述的混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：

主支路换流时，断路器接受到系统分断信号，主支路全桥模块闭锁，电流从主支路换流至转移支路，即主支路上的电流由主支路电容支路向转移支路IGBT支路转移；杂散电感由主支路开关及连接铜排管母杂散电感e、主支路电容支路杂散电感b、转移支路IGBT支路杂散电感c和连接母排杂散电感f组成。

9.根据权利要求6所述的混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：

换流完成后，快速机械开关分断，电流只流过转移支路中IGBT支路；杂散电感由转移支路IGBT支路杂散电感c和连接母排的杂散电感f组成。

10.根据权利要求6所述的混合式高压直流断路器的宽频模型建立方法，其特征在于：

快速开关分断完成后转移支路IGBT闭锁，电流经续流二极管向电容充电，分断电压建立，杂散电感由转移支路的电容支路杂散电感d和连接母排杂散电感f组成。

当建立的分断电压达到耗能支路避雷器动作电压阈值，电流转移支路电容支路向耗能支路避雷器转移，耗能支路导通，转移支路中IGBT支路关断，电容支路工作；此时杂散电感包括转移支路电容支路杂散电感d、连接母排杂散电感f和避雷器连接母排杂散电感g。

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