CN112260245A - 限流装置和方法以及直流电网保护装置和直流电网系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种限流装置和方法以及直流电网保护装置和直流电网系统，该限流装置包括电子开关、限流支路和控制支路。电子开关的输入端用于与直流断路器远离直流电网的一端连接，电子开关的输出断用于与换流器连接；限流支路与电子开关并联，用于限制短路电流；控制支路与电子开关连接，用于在检测到直流电网发生短路故障时，控制电子开关由导通变为截止，以使短路电流流经限流支路。本申请提供的限流装置通过限流短路电流，能够避免在直流断路器切断短路断流之前造成换流器闭锁，从而可以保证直流电网系统的可靠连续运行。

Description

限流装置和方法以及直流电网保护装置和直流电网系统

技术领域

本申请涉及电网技术领域，特别是涉及一种限流装置和方法以及直流电网保护装置和直流电网系统。

背景技术

直流电网系统因为具有高质量电能和可靠的供电性能而被大力推广，但在实际应用中，有选择性地快速切除直流双极短路故障而不影响直流电网系统正常的持续运行是故障穿越的基本要求。相比于交流系统，直流电网系统的阻尼较低，一旦发生故障，短路电流上升速度非常快。

为了保证直流电网在故障期间连续可靠运行，传统技术中一般利用直流断路器选择性地切断短路电流。然而，一旦直流电网侧发生双极短路故障，直流短路电流上升速率非常快，直流断路器不能及时地切断短路电流，从而会导致直流电网系统中的换流器闭锁，造成直流电网短时停运。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种限流装置和方法以及直流电网保护装置和直流电网系统。

一方面，本申请一个实施例提供一种限流装置，包括：

电子开关，电子开关的输入端用于与直流断路器远离直流电网的一端连接，电子开关的输出端用于与换流器连接；

限流支路，与电子开关并联，用于限制短路电流；

控制支路，与电子开关连接，用于在检测到直流电网发生短路故障时，控制电子开关由导通变为截止，以使短路电流流经限流支路。

在其中一个实施例中，限流支路包括：

电阻支路，与电子开关并联，用于分流限压；

电感支路，与电阻支路并联，用于分流。

在其中一个实施例中，控制支路包括：

电流检测器，与直流电网连接，用于检测直流电网的电流值；

控制器，与电流检测器和电子开关连接，用于根据电流值控制电子开关的导通和截止。

在其中一个实施例中，还包括：

二极管支路，二极管支路的正极与电子开关的输入端连接，二极管支路的负极与电子开关的输出端连接。

在其中一个实施例中，电子开关为绝缘栅双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管的集电极与换流器连接，绝缘栅双极型晶体管的发射极与直流断路器连接，绝缘栅双极型晶体管的栅极与控制支路连接。

另一方面，本申请一个实施例提供一种直流电网保护装置，包括：

如上述实施例提供的限流装置；

直流断路器，直流断路器连接于电子开关的输入端和直流电网之间。

本申请一个实施例还提供一种直流电网系统，包括：

如上述实施例提供的直流电网保护装置；

换流器，与电子开关的输出端连接；

直流电网，与直流断路器远离电子开关的一端连接。

本申请一个实施例还提供一种限流方法，应用如上述实施例提供的直流电网保护装置，所述方法包括：

判断直流电网是否发生短路故障；

若直流电网发生短路故障，则控制电子开关截止，以使短路电流流经限流支路，实现故障限流。

在其中一个实施例中，还包括：

若直流电网未发生短路故障，则控制电子开关导通，电流流经电子开关和直流断路器进入直流电网。

在其中一个实施例中，判断直流电网是否发生短路故障，包括：

获取直流电网的电流值；

若电流值大于等于预设阈值，则确定直流电网发生短路故障；

若电流值小于预设阈值，则确定直流电网未发生短路故障。

本申请实施例提供一种限流装置和方法以及直流电网保护装置和直流电网系统，该限流装置包括电子开关、限流支路和控制支路。在使用时，电子开关的输入端与直流断路器远离直流电网的一端连接，电子开关的输出端与换流器连接，限流支路与电子开关并联，控制支路与电子开关连接。本申请提供的限流装置，在控制支路检测到直流电网侧发生短路故障，产生瞬时增大的短路电流时，控制支路控制电子开关截止，短路电流流经限流支路。通过限流支路可以减少短路电路，实现限制短路电流的目的，从而可以避免在直流断路器切断短路电流之前造成换流器闭锁，进而可以保证直流电网系统的可靠连续运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域不同技术人员来讲，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为本申请一个实施例提供的限流装置的结构示意图；

图2为本申请一个实施例提供的限流装置的结构示意图；

图3为本申请一个实施例提供的限流装置的结构示意图；

图4为本申请一个实施例提供的直流电网保护装置的结构示意图；

图5为本申请一个实施例提供的直流电网系统的结构示意图；

图6为本申请一个实施例提供的限流方法的步骤流程示意图；

图7为本申请一个实施例提供的限流方法的步骤流程示意图；

图8为本申请一个实施例提供的直流电网系统的等效电路的示意图。

附图标记说明：

10、限流装置；11、直流断路器；12、直流电网；13、换流器；20、直流电网保护装置；30、直流电网系统；100、电子开关；200、限流支路；210、电阻支路；220、电感支路；300、控制支路；310、电流检测器；320、控制器；400、二极管支路。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

下面以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

本申请提供的限流装置可以应用于直流电网系统中。直流电网系统可以包括换流器、直流断路器和直流电网，直流断路器连接于换流器和直流电网之间。直流断路器可以在直流电网或者换流器发生故障时，断开换流器与直流电网之间的连接，对换流器或者直流电网形成保护。

请参见图1，本申请一个实施例提供一种限流装置10，该限流装置10包括电子开关100、限流支路200和控制支路300。其中，

电子开关100包括输入端、输出端和控制端。在使用时，电子开关100的输入端与直流断路器11远离直流电网12的一端连接，电子开关100的输出端与换流器13连接。通过控制电子开关100的导通和截止可以控制换流器13与直流断路器11以及直流电网12之间的通断。电子开关100可以为任意全控制行器件，通过控制信号即可控制电子开关100的导通可截止。电子开关100可以采用栅极可关断晶闸管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等。本实施例对于电子开关100的种类不作具体限定，只需要可以根据控制信号实现导通和截止即可。

限流支路200与电子开关100并联，用于限制短路电流。短路电流是指在直流电网系统中发生短路故障时出现的高电流，直流电网12侧的短路电流大于直流电网12正常运行时的电流。限流支路200可以在直流电网系统中出现短路电流时，分担一部分电流，使得直流电网系统中的电流减小，从而防止在直流断路器11切断短路电流之前造成换流器13闭锁。本实施例对限流支路200的结构不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

控制支路300与电子开关100连接，用于在检测到直流电网12发生短路故障时，控制电子开关100由导通变为截止，以使短路电流流经限流支路200。当直流电网12侧发生短路故障时，直流电网系统中会出现短路电流，此时，控制支路300会控制电子开关100由导通的状态变为截止的状态，使得短路电流可以通过限流支路200。限流子路200可以对短路电流进行衰减，实现限制短路电流的目的。本实施例对控制支路300的具体结构不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

本申请实施例提供的限流装置10的工作原理如下：

当控制支路300检测到直流电网系统正常工作，既，直流电网系统不存在短路故障时，电子开关100处于导通的状态。此时，电子开关100相当于导线，限流支路200被电子开关100旁路，换流器13可以将直流电通过电子开关100和直流断路器11输送至直流电网12，为直流电网12提供电能。当控制支路300检测到直流电网系统中直流电网12侧发生短路故障时，控制电子开关100截止，使得换流器13和直流断路器11之间的直接连接断开。短路故障形成的短路电流会流经限流支路200，限流支路200可以对短路电流进行衰减，可以避免在直流断路器11切断短路电流之前，换流器13因为短路电流造成闭锁，引起直流电网系统的短时停运。

本实施例提供的限流装置10包括电子开关100、限流支路200和控制支路300。在使用时，电子开关100的输入端与直流断路器11远离直流电网12的一端连接，电子开关100的输出端与换流器13连接；限流支路200与电子开关100并联，用于限制短路电流；控制支路300与电子开关100连接。本实施例提供的限流装置10，在控制支路300检测到直流电网12侧发生短路故障，产生瞬时增大的短路电流时，控制电子开关100截止，短路电流流经限流支路200。通过限流支路200可以减小短路电流，实现限制短路电流的目的，从而可以避免在直流断路器11切断短路电流之前造成换流器13闭锁，进而可以保证直流电网系统的可靠连续运行。

请参见图2，在一个实施例中，限流支路200包括：电阻支路210和电感支路220。

电感支路220与电阻支路210和电子开关100均并联，电感支路220用于分流。在直流电网系统正常运行，既，直流电网系统未发生短路故障时，控制支路300可以控制电子开关100处于导通状态。此时，电子开关100相当于导线，电感支路220被旁路，换流器13可以将直流电通过电子开关100和直流断路器11输送至直流电网12。在直流电网12侧发生短路故障时，控制支路300可以控制电子开关100由导通的状态变为截止的状态，换流器13与直流断路器11之间的直接连接被断开，短路故障引起的短路电流会流经电感支路220。电感支路220可以限制短路电流的上升速率，从而防止短路电流过大，造成换流器13闭锁。同时，电感支路220可以将电能转换为电磁能存储起来，进而增强限流装置10的故障穿越能力。故障穿越能力是指在电网发生故障的情况下，不脱离电网而继续维持正常运行，直至故障解除，系统恢复正常平稳运行状态的一种能力。电感支路220可以是一个电感器，也可以多个电感器串联。本实施例对电感支路220的结构和电感支路220的感抗值不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

电阻支路210与电子开关100并联，用于分流限压。电阻支路210和电感支路220的作用相同，都可以实现限制短路电流，防止换流器13闭锁的效果。因此，在直流电网系统正常运行时，电阻支路210也被旁路；在直流电网12侧发生短路故障时，短路电流会流经电阻支路210，通过电阻支路210的分流，可以使得短路电流减小。同时，电阻支路210通过分担通过电感支路220的一部分电流，则可以限制电子开关100两端的电压，对电子开关100形成保护，这样不需要耐压较高的电子开关100，从而可以降低电子开关100的设计成本。电阻支路210可以是一个电阻，也可以式多个电阻串联，电阻支路210的电阻值可以是由工作人员根据短路电流的大小设定的，本实施例对电阻支路210的结构和总电阻值等不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

请继续参见图2，在一个实施例中，控制支路300包括电流检测器310和控制器320。

电流检测器310与直流电网12连接，用于检测直流电网12的电流值。电流检测器310可以是直接检测直流电网12侧电流值的电流传感器，也可以是通过电压传感器或者电场检测器等其他器件间接的检测直流电网12侧的电流值。本实施例对电流检测器310的结构和种类等不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

控制器320与电流检测器310和电子开关100均连接，用于根据电流值控制电子开关100的导通和截止。当控制器320获取的电流值大于等于预设阈值时，说明直流电网12侧存在短路电流，既，直流电网12侧发生短路故障，则控制器320控制电子开关100截止，短路电流流经电感支路220和电阻支路210，使得短路电流减小，从而实现防止换流器13闭锁的目的。当控制器320获取的电流值小于预设阈值时，说明直流电网12正常运行，则控制器320控制电阻开关100导通，使得换流器13的直流电通过电子开关100和直流断路器11输送至直流电网12。预设阈值可以是工作人员根据直流电网正常工作时的电流值和短路时的电流值进行设置的。控制器320可以是单片机、ARM芯片或者个人计算机等，本实施例对控制器320的种类和结构等不作任何限制，只要能够实现其功能即可。在一个具体的实施例中，控制支路300还可以包括驱动器，驱动器连接于控制器320和电子开关100之间，控制器320根据电流值产生控制信号，驱动器根据控制信号驱动电子开关100导通或者截止。

请参见图3，在一个实施例中，限制装置10还包括二极管支路400。二极管支路400的正极与电子开关100的输入端连接，二极管支路400的负极与电子开关100的输出端连接。二极管支路400与电阻支路210、电感支路220和电子开关100均并联。当直流电网12的发生短路故障，存在短路电流时，控制支路300控制电子开关100截止，通过电感支路220的电流会突然增大；或者当直流电网12侧的短路故障恢复后，控制支路300控制电子开关100闭合，通过电感支路220的电流会突然减小。这样电感支路220的两端会产生感应电动势，二极管支路400的方向与该感应电动势的方向相同，则通过二极管支路400可以将该感应电动势以电流的形式消耗掉，这样可以避免该感应电动势对电子开关100造成损害，从而可以保持整个限流装置10的正常运行，进而能够提高限流装置10的实用性和可靠性。二极管支路400可以采用一个二极管，也可以采用多个串联的二极管。本实施例对二极管支路400的具体结构不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

在一个实施例中，电子开关100为绝缘栅双极型晶体管。绝缘栅双极型晶体管包括集电极、发射极和栅极。绝缘栅双极型晶体管的集电极与换流器13连接，绝缘栅双极型晶体管的发射极与直流断路器11连接，绝缘栅双极型晶体管的栅极与控制支路300连接。绝缘栅双极型晶体管综合了电力晶体管和电力场效应晶体管的优点，开关速度快。并且，绝缘栅双极型晶体管在关断时不需要负栅压来减少关断时间，可以提升电子开关100的可控性。换流器13的输出电压以及直流电网12的输入电压均为超过380V的高电压，绝缘栅双极型晶体管导通时的饱和压降随栅极电压的的增加而降低，在绝缘双极型晶体管的饱和压降较低时，发射结和集电结都处于正偏，导电性能好，因此，电子开关100的可控性较高。

请参见图4，在一个实施例中，本申请一个实施例提供一种直流电网保护装置20，该直流电网保护装置20包括如上述实施例提供的限流装置10和直流断路器11。直流断路器11连接于电子开关100的输入端和直流电网12之间。在直流电网12侧发生短路故障时，使用限流装置10在直流断路器11切断短路电流之前，减小短路电流，防止换流器13发生闭锁。直流断路器11可以是中性母线断路器、中性母线接地断路器、金属回路转换断路器和大地回路转换断路器等。在一个具体的实施例中，直流断路器11采用机械式高压直流断路器，该直流断路器主要利用电容、电感产生振荡电流叠加在直流电流上，进而实现电流的截止和导通。该直流断路器主要由常规直流断路器、电容和电感组成的振荡电路以及氧化锌避雷器组成的耗能器三部分组成，结构简单且成本较低，易于控制和操作。由于直流电网保护装置20包括限流装置10，所以直流电网保护装置20具有限流装置10的所有结构和有益效果，在此不再赘述。

请参见图5，本申请一个实施例提供一种直流电网系统30。该直流电网系统30包括如上述实施例提供的直流电网保护装置20、换流器13和直流电网12。换流器13与限流装置10中的电子开关100的输出端连接，直流电网12与直流断路器11远离电子开关100的一端连接。换流器13是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备，换流器13用于将交流电网的交流电转换为直流电，并将直流电输送至直流电网12。直流电网12可以将接收到的直流电转换为固定电压的直流电，以便于向各种用电设备供电。由于直流电网系统30包括直流电网保护装置20，因此，该直流电网系统30具有直流电网保护装置20的所有结构和有益效果，在此不再赘述。

请参见图6，本申请一个实施例提供一种限流方法，该限流方法应用如上述实施例提供的直流电网保护装置进行限流保护。具体的步骤包括：

S100，判断直流电网是否发生短路故障；

S200，若直流电网发生短路故障，则控制电子开关截止，以使短路电流流经限流支路，实现故障限流。

控制支路可以直接通过电流传感器获取直流电网的电流值，通过电流值判断直流电网是否发生短路故障；也可以通过检测直流电网的电场强度或者电压等参数，根据这些参数判断直流电网是否发生短路故障，或者根据这些参数确定直流电网的电流值，根据电流值判断直流电网是否发生短路故障。若直流电网存在短路故障，则控制支路控制电子开关截止，以使短路电流会流经限流支路。限流支路会限制短路电流，使得短路电流减小，从而可以避免换流器在直流断路器断开之前发生闭锁。对于电子开关、限流支路和控制支路的具体描述可以参考上述实施例中的具体描述，在此不再赘述。

本申请提供的限流方法是应用直流电网保护装置实现的，则该限流方法具有直流电网保护装置的所有有益效果，在此不再赘述。

请继续参见图6，在一个实施例中，限流方法还包括：

S300，若直流电网未发生短路故障，则控制电子开关导通，电流流经电子开关和直流断路器进入直流电网。

若通过控制支路判断直流电网未发生短路故障，则控制支路控制电子开关导通，此时，换流器转换成的直流电通过电子开关和直流断路器输送至直流电网，电子开关可以将限流支路旁路，直流电网系统可以正常的运行。在本实施例中，在直流电网系统正常运行时，限流支路被旁路，不会影响直流电网系统的正常运行。

请参见图7，在一个实施例中，步骤S100判断直流电网是否发生短路故障，包括：

S110，获取直流电网的电流值；

S120，若电流值大于等于预设阈值，则确定直流电网发生短路故障；

S130，若电流值小于所述预设阈值，则确定直流电网未发生短路故障。

直流电网的电流值可以通过电流传感器获取，也可以通过电压传感器先获取直流电网的电压值，在根据电压值确定直流电网的电流值，还可以通过电场检测器获取直流电网的电场强度，则根据电场强度确定直流电网的电流值。本实施例对获取直流电网的电流值方法不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

预设阈值可以是由工作人员根据直流电网侧正常工作时的电流值和发生短路故障时的电流值进行设置的。直流电网侧电短路电流比正常工作时的电流较高，若获取的电流值大于等于预设阈值，则表明直流电网侧存在短路电流，可以确定直流电网发生短路故障；若获取的电流值小于预设阈值，则表明直流电网侧的电流正常，不存在短路电流，可以确定直流电网没有发生短路故障。

在一个具体的实施例中，可以将整个直流电网系统等效成如图8所示的电路图。图中，电阻R′、电容C′和电感L′分别为换流器的等效电阻、等效电容和等效电感。假设，is为换流器输出的直流电，电阻R′、电容C′和电感L′分别对应的电压为v_R′，v_C′，v_L′，电阻支路和电感支路两端的电压均为v_L，通过电阻支路的电流为iR，通过所述电感支路的电流为iL。

电阻R′、电容C′和电感L′的数值通过测量和模拟均可获得作为本系统中的已知参数，预先设定限流装置10的预设阈值为I_b，

当出现短路故障时，短路电流i_s迅速增大，当达到限流装置的预设阈值I_b时，控制支路控制电子开关截止。此时有：

i_s(t₁)＝I_b (1)

短路电流通路如图8所示，其短路电流i_s可以由3阶状态空间方程描述：

X＝AX

Y＝CX (2)

其中，状态变量为

X＝[i_s i_L v'_c]^T (3)

状态空间矩阵为

以短路电流i_s和限流装置两端的电压v_L为输出变量，有

Y＝[i_s v_L]^T (5)

状态变量初始值为：

X(0)＝[I_b 0 v'_c(t₁)]^T (6)

通过求解(1)～(6)可以得到限流装置对短路电流的限制水平及限流支路两端的过电压水平，即限流装置中的电感支路的电压v_L，和电阻支路两端的电压v_R，最后通过v_L、v_R以及I_b，对电感、电阻进行选型，从而设计出可以在直流电网系统中进行有效保护的限流装置。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种限流装置，其特征在于，包括：

电子开关，所述电子开关的输入端用于与直流断路器远离直流电网的一端连接，所述电子开关的输出端用于与换流器连接；

限流支路，与所述电子开关并联，用于限制短路电流；

控制支路，与所述电子开关连接，用于在检测到所述直流电网发生短路故障时，控制所述电子开关由导通变为截止，以使所述短路电流流经所述限流支路。

2.根据权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述限流支路包括：

电阻支路，与所述电子开关并联，用于分流限压；

电感支路，与所述电阻支路并联，用于分流。

3.根据权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述控制支路包括：

电流检测器，与所述直流电网连接，用于检测所述直流电网的电流值；

控制器，与所述电流检测器和所述电子开关连接，用于根据所述电流值控制所述电子开关的导通和截止。

4.根据权利要求1所述的限流装置，其特征在于，还包括：

二极管支路，所述二极管支路的正极与所述电子开关的输入端连接，所述二极管支路的负极与所述电子开关的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述电子开关为绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述换流器连接，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述直流断路器连接，所述绝缘栅双极型晶体管的栅极与所述控制支路连接。

6.一种直流电网保护装置，其特征在于，包括：

如权利要求1至5中任一项所述的限流装置；

直流断路器，所述直流断路器连接于所述电子开关的输入端和所述直流电网之间。

7.一种直流电网系统，其特征在于，包括：

如权利要求6所述的直流电网保护装置；

换流器，与所述电子开关的输出端连接；

直流电网，与所述直流断路器远离所述电子开关的一端连接。

8.一种限流方法，其特征在于，应用如权利要求6所述的直流电网保护装置，所述方法包括：

判断直流电网是否发生短路故障；

若所述直流电网发生短路故障，则控制电子开关截止，以使短路电流流经限流支路，实现故障限流。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

若所述直流电网未发生短路故障，则控制所述电子开关导通，电流流经所述电子开关和所述直流断路器进入所述直流电网。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述判断直流电网是否发生短路故障，包括：

获取所述直流电网的电流值；

若所述电流值大于等于预设阈值，则确定所述直流电网发生短路故障；

若所述电流值小于所述预设阈值，则确定所述直流电网未发生短路故障。

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