CN111371100A - 具备故障限流及断路功能的复合型直流潮流控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具备故障限流新型线间直流潮流控制器拓扑。该拓扑主要包含组成H桥的晶闸管、潮流控制部分及限流部分。通过对组成H桥的晶闸管的通断控制，保证流入潮流控制部分及限流部分的线路电流方向均为从左至右。潮流控制与限流部分有重叠区域，二者共用电容支路。运行在潮流控制模式下时，晶闸管T1a～T7a、T1b～T7b均关断，快速机械开关UFD1～UFD4，辅助开关管V1a、V2a、V1b、V2b均开通，对两条线路进行潮流控制，线路上的电容C10、C11、C20、C21会带电压。当某一线路发生单极短路故障时，关闭潮流控制模式，利用线路电容所带电压控制相应线路晶闸管的通断，将电感L串入故障线路进行限流。并与线路上的直流断路器进行配合，在断路器切断故障电流时，将电感L旁路，避免电感对故障电流衰减的抑制作用。

Description

具备故障限流及断路功能的复合型直流潮流控制器
技术领域
本发明属于输配电技术领域，具体涉及具备故障限流新型线间直流潮流控制器拓扑。
背景技术
柔性直流输电技术由于其在远距离输电、解决大规模可再生能源并网与消纳问题上的优势，近年来得到迅速发展。基于柔性直流输电的高压直流电网(high voltagedirect current grid，HVDC Grid)是一门新型技术，它可以将可再生能源与传统能源广域互联，充分实现多种能源形式、多时间尺度、大空间跨度之间的互补，是未来电网的重要发展方向之一。直流线路发生故障会对柔性直流电网的安全稳定运行造成严重威胁。目前主要通过高压直流断路器进行直流电网中直流故障的保护。
为了减小故障电流的上升率和峰值，降低直流断路器的开断电流应力和制造成本，常在直流线路中安装故障限流器来配合断路器的使用。直流故障限流器主要分为超导限流器[6-7]和基于电力电子器件的限流器两种[8-14]。目前主要使用的是基于电力电子器件的限流器，又分为固态式和混合式两种，其中混合式直流限流器结合了电力电子器件和机械开关的优势。高压直流电网在正常运行时，常需要安装潮流控制器对各线路电流进行有效控制。线间直流潮流控制器利用两条线路之间的能量交换对线路潮流进行控制，结构简单、成本低。
目前直流电网的潮流控制和故障限流主要由两种设备分别实现。文献“TheTopology Research of Series-Parallel Multifunction Composite Controller forDC Power Distribution Network,”提出了一种串并联多功能复合控制器，既能实现正常模式下的潮流控制和电压补偿，又能在故障模式下将电感投入线路进行故障限流。文献“直流电网潮流控制与短路控制复合装置”将电感共用式线间潮流控制器与DCCB相结合，提出了一种具有直流潮流控制、故障限流及断路功能的复合装置，使用耦合电感进行能量传输及故障限流，但该拓扑仅适用连接于同一个换流站的两条线路。因此，对于具备直流潮流控制和故障限流功能的复合装置的诸多理论和技术问题，还需要深入的研究。
发明内容
针对上述问题，在上述研究的基础之上，本文提出一种具备故障限流功能的新型线间直流潮流控制器。在正常运行状态下，通过控制两条线路上串联的电容与电感之间的能量交换进行潮流控制；在其中某一条线路发生单极接地故障时将电感串入故障线路进行限流，并与高压直流断路器(DCCB)配合进行故障电流的清除。
本发明中，利用晶闸管组成的H桥结构，控制流入潮流控制与限流部分的线路电流方向始终为从左至右。在潮流控制模式下，接入线路的电容值为C10、C11(C20、C21)之和，潮流控制的暂态波动较小。在故障限流模式下，接入线路的电容值为C10(C20)，电感L串入线路进行限流。在DCCB动作时，将L快速旁路，免电感对故障电流衰减的抑制作用
附图说明
图1是具备故障限流新型线间直流潮流控制器结构示意图，包含组成H桥的晶闸管、潮流控制部分及限流部分
图2是线路1上电流为从左到右时，晶闸管组成的H桥结构及潮流控制与限流部分的电流流向图。
图3是线路1上电流为从右到左时，晶闸管组成的H桥结构及潮流控制与限流部分的电流流向图。
图4是潮流控制部分的结构示意图；其中，V1、V2、V3、V4为绝缘栅双极型晶体管及其串联二极管，V1a、V2a、V1b、V2b为两个反向串联的绝缘栅双极型晶体管及其反并联二极管，L表示电感，UFD1～UFD4为机械开关，C1为电容C10、C11并联的等效电容，C2为电容C20、C21并联的等效电容，ic1、ic2为流过等效电容C1、C2上的电流，il1、il2为进过H桥后两条线路上的电流，iL为电感上的电流；
图5是进行潮流控制时，线路1与电感L进行能量交换的示意图；
图6是进行潮流控制时，线路2与电感L进行能量交换的示意图；
图7是线路1发生单极接地故障时，闭锁潮流控制功能的示意图；
图8是线路1上的故障限流部分拓扑结构示意图；其中，T1a、T2a、T3a、T4a、T5a、T6a、T7a代表可控硅整流器，S1、S2为双向开关，由两个反向串联的绝缘栅双极型晶体管及其反并联二极管组成；
图9是线路1发生单极接地故障时，闭锁潮流控制功能后电流流过故障限流部分的示意图；
图10是线路1上故障电流转移至晶闸管支路的示意图；
图11是线路1上电容C10接入故障线路的示意图；
图12是线路1上限流电感L开始接入故障线路的示意图；
图13是线路1上限流电感L完全接入故障线路的示意图。
图14是线路1上DCCB动作后，限流电感L被快速旁路的示意图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的性能与工作原理，以下结合附图对发明的构成方式与工作原理进行具体说明。
本发明适用于两条线路电流i1、i2为同向及异向，两条线路中任意一条发生单极接地故障时时的工况。以电流i1、i2方向为从左向右为例，说明该发明的工作方式。
在正常工作状态下，开通晶闸管闭T1、T2、T5、T6，锁故障限流功能，投入潮流控制功能。线路上的故障限流部分电流如图9所示。潮流控制要求为调节电流i2增大。由图2可知，通过对H桥的晶闸管的控制，使得潮流控制部分的线路电流方向如图4的il1、il2所示。先开通开关管V1、V2，电容C1与电感L并联，电容C1与电感L之间进行能量交换，如图5所示。一段时间后，关断开关管V1、V2，开通开关管V3、V4，电容C2与电感L并联，二者进行能量交换，如图6所示。
设V1、V2的占空比为D，V3、V4与其互补导通，占空比为1-D。假设电感的工作电流连续，根据电感L的伏秒平衡，可以得到Uc1/Uc2＝-(1-D)/D,其中UC1、UC2为电容C1、C2稳态时的电压，两条线路上的电容电压UC1、UC2为一正一负。不考虑潮流控制器的损耗，认为其效率为100％，可以得到il1/il2＝D/(1-D)。调节电流i2增大则C2两端电压为左负右正，则C1两端电压为左正右负。
在线路1发生单极接地故障之后，闭锁潮流控制功能，投入故障限流功能。从发生故障开始，主要分为以下几个步骤：
步骤1：线路1发生单极接地故障，经过一段时间后检测到了故障，开始进行故障限流。
步骤2：经过一段时间延时，关断开关管V1～V4，闭锁设备的潮流控制功能。此时潮流控制其部分如图7所示，线路1上的故障限流部分如图9所示。
步骤3：经过一段时间延时，关断辅助开关V1a、V2a，同时触发导通晶闸管T3a、T4a。电流转移至晶闸管T3a、T4a支路，流过电容C1的电流为零，断开快速机械开关UFD1、UFD2，关闭双向开关S1、S2。线路1上的故障限流部分如图10所示。
步骤4:经过一段时间延时，机械开关达到额定开距后，给晶闸管T2a、T5a、T6a发出触发信号。T2a承受正向电压导通，电容C10开始放电，电流向T3a、C10、T2a支路转移。T4a电流为零时，C10仍为左正右负，则T4a承受一段时间的反向电压后关断。线路1上的故障限流部分如图11所示。
步骤5：经过一段时间延时，电容C10放电完毕后，进行反向充电。此时给晶闸管T5a、T6a承受正向电压导通，将电感L接入线路中。线路1上的故障限流部分如图12所示。
步骤6：经过一段时间后，电容C10两端电压升至最大值，电容电流为零，限流电感L完全投入，线路1上的故障限流部分如图13所示。
步骤7：线路1的直流断路器动作，转移支路中的IGBT关断，避雷器开始耗能，故障电流开始衰减。由于故障电流的衰减，电感L上的电压会发生突变，两侧电压由左正右负变为左负右正。此时，给晶闸管T7a触发信号，T7a承受正向电压导通，电感L被旁路，线路1上的故障限流部分如图14所示。避雷器继续耗能，直至线路电流降为零，完成故障电流的切断。
由上述具体说明可知，该新型线间直流潮流控制器可在线路正常运行时对两条线路进行潮流控制，在某一条线路发生单极接地故障时进行故障限流，并与线路的DCCB配合进行故障线路切除。
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 (4)

1.具备故障限流新型线间直流潮流控制器拓扑，其特征在于：包含组成H桥的晶闸管、潮流控制部分及限流部分。潮流控制部分包括四个与二极管串联的IGBT开关管(V1～V4)，四个串入线路的电容(C10、C11、C20、C21)，限流电感L，四个辅助双向开关管(V1a、V2a、V1b、V2b)，四个快速机械开关(UFD1～UFD4)，四组双向开关(S1～S4)。两条线路的限流部分与潮流控制部分共用某些元件。潮流控制部分除去四个与二极管串联的IGBT开关管(V1～V4)外，其余器件均属于限流部分。此外，限流部分还包括两条线路上的14个晶闸管(T1a～T7a、T1b～T7b)。
2.根据权利1所述的具备故障限流新型线间直流潮流控制器拓扑，其特征在于：晶闸管T1～T4、T5～T8分别在两条线路上构成H桥结构。以线路电流为从左到右为正方向，当线路1(线路2)电流为正时导通晶闸管T1、T2(T5、T6)；电流为负时开通晶闸管T3、T4(T7、T8)，这样，使得流经潮流控制部分与限流部分的线路电流始终为从左到右。
3.根据权利1所述的具备故障限流新型线间直流潮流控制器拓扑，其特征在于：在潮流控制模式下，晶闸管T1a～T7a、T1b～T7b均关断，快速机械开关UFD1～UFD4闭合，辅助开关管V1a、V2a、V1b、V2b均开通。线路上的电容通过电感L相连，通过对IGBT开关管(V1～V4)的控制进行在两条线路的电容与电感之间进行能量交换，控制线路潮流。线路上的电容C10、C11、C20、C21会带电压。
4.根据权利1所述的具备故障限流新型线间直流潮流控制器拓扑，其特征在于：当某一线路发生单极短路故障时，关断GBT开关管(V1～V4)，关闭潮流控制模式。断开相应线路的辅助双向开关管，快速机械开关，及双向开关。利用线路电容所带电压控制晶闸管的通断，先将电流从电容支路转移至晶闸管支路。再将电容C10或C20接入线路，利用其电压控制晶闸管开通将电感L串入故障线路进行限流。并与线路上的直流断路器进行配合，在断路器切断故障电流时，将电感L旁路，避免电感对故障电流衰减的抑制作用。
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