CN112564072B - 模块化多功能故障限流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化多功能故障限流器及其控制方法，包括；将模块化多功能故障限流器串联在直流电网的线路上；具备四种运行状态，正常运行呈现低阻抗，故障期间实现故障限流、短路能量泄放、直流网压支撑三种限流功能；有效限制故障电流，维持直流网压稳定，同时具备故障隔离与直流故障穿越能力。

Description

模块化多功能故障限流器及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及交直流混合电网技术领域，具体涉及一种模块化多功能故障限流器及其控制方法。

背景技术

随着可再生能源的继续发展，以及现有电网技术升级等方面的需求，柔性的直流输电未来的发展将会继续集中在风电场的组网和集中送出、区域电网的互联、城市中心负荷的电力输送等方面。而直流电网技术凭借其技术及经济性上的优势，逐渐得到重视和大力发展。目前，已有的直流故障保护策略主要为闭锁换流器和通过直流故障限流器抑制故障电流两种方式，其中闭锁换流器对换流器本身拓扑结构有较高要求。换流器闭锁虽能有效隔离直流故障，但不利于保护的判别。因此，直流故障限流器凭借其高效简易且经济性好等特点，一直是限制直流故障的重要设备。

直流故障限流器具有正常运行时处于低阻抗或旁路状态，投入时呈现高阻抗的特性，可有效限制直流短路故障情况下的故障电流增速过快和幅值过大等问题。目前，一些直流故障限流器利用电感通低频阻高频及耦合特性或者电力电子器件，来抑制故障电流快速增长。但直流故障穿越能力较弱且不具备故障切除功能。因此，具备应对多种故障工况的多功能直流故障限流器逐渐成为研究热点之一。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种模块化多功能故障限流器及其控制方法，有效限制故障电流，维持直流网压稳定，同时具备故障隔离与直流故障穿越能力。

为了克服现有技术中的不足，本发明实施例给予了一种模块化多功能故障限流器及其控制方法的解决方案，具体如下：

一种模块化多功能故障限流器的控制方法，包括：

将模块化多功能故障限流器串联在直流电网的线路上，让所述第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通，并且将所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，这样就处于处在旁路运行状态；

在直流电网的直流极间短路故障且该故障为瞬时故障发生时，直流电网的线路上的线路电流激增，控制器实时监测线路电流，当满足公式(1)的条件时，即：

I_dc≥I_{dc_limit} (1)

判断发生了直流电网的直流极间短路故障，就进行故障限流功能投入，即将第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2和第四IGBT开关T4关断，把第三IGBT开关T3导通，其中，I_dc为作为直流侧电流的线路电流，I_{dc_limit}为瞬时故障下的电流阈值。

进一步的，当所述直流极间短路故障为瞬时故障时，在故障恢复后恢复处在旁路运行状态，即让所述第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通，并且将所述子模块SM中的其他IGBT开关关断。

进一步的，当直流极间短路故障为永久性故障时，当满足公式(2)的条件时，即：

I_dc≥I_{dc_rated} (2)

线路电流超过直流极间短路故障的额定电流，则认为发生永久性故障，所述子模块SM切换至短路能量泄放功能，即实现短路能量泄放功能投入，其中，I_{dc_rated}为直流极间短路故障的额定电流。

进一步的，所述短路能量泄放功能投入前控制器需计算正常运行时的模块化多功能故障限流器的等效阻抗R_Load，定义等效泄放电阻R_{i_load}如公式(3)所示：

R_{i_load}＝R₁+R₂+…+R_i (3)

其中，R_i为第i个子模块泄放电阻大小，R_{i_load}为前i个子模块投入的等效泄放电阻，i＝1,2,…,N,N为子模块数量，这样当R_{i_load}≥R_Load时，说明泄放电阻具备泄能能力，就将前i个子模块的将第一IGBT开关T1、第三IGBT开关T3和第四IGBT开关T4关断，而将第二IGBT开关T2导通，以及将后N-i个子模块保持旁路运行状态；若R_{i_load}＜R_Load，则说明超出短路能量泄放能力，需切换至直流网压支撑功能，即实现直流网压支撑功能投入。

进一步的，所述直流网压支撑功能投入时，将所述子模块的第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2和第三IGBT开关T3关断，将第四IGBT开关T4导通，这样就能把所有支撑电容C串联投入。

一种模块化多功能故障限流器，包括：

由多个子模块SM串联组成的模块化结构，所述模块化结构用于对直流电网的线路实现包括故障限流功能、短路能量泄放功能和直流网压支撑功能的故障抑制功能，所述模块化多功能故障限流器用于串联在直流电网的线路上。

进一步的，所述子模块SM包括第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2、第三IGBT开关T3、第四IGBT开关T4、二极管D、支撑电容C和泄能电阻R；

所述第一IGBT开关T1的栅极、第二IGBT开关T2的栅极、第三IGBT开关T3的栅极与第四IGBT开关T4的栅极分别与控制器输出端的四个输出脚电连接；

所述第一IGBT开关T1的集电极与二极管D的正极电连接，所述第一IGBT开关T1的发射极、支撑电容C的一极以及第四IGBT开关T4的集电极电连接，所述二极管D的负极、支撑电容C的另一极、第二IGBT开关T2的集电极和第三IGBT开关T3的集电极电连接，所述第二IGBT开关T2的发射极和泄能电阻R的一端电连接，所述第三IGBT开关T3的发射极和限流电感L的一端电连接，所述泄能电阻R的另一端、限流电感L的另一端和第四IGBT开关T4的发射极电连接；

所述第一IGBT开关T1的集电极和第四IGBT开关T4的发射极就分别形成了所述子模块SM进行串联连接的两端。

进一步的，所述子模块SM包括4条支路，所述四条支路分别为支路一、支路二、支路三和支路四；

所述支路一为旁路运行支路，在所述第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了旁路运行支路，并处在旁路运行状态而让所述子模块被旁路，由此使得所述模块化多功能故障限流器被旁路；

所述支路二为故障限流支路，在所述第三IGBT开关T3导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了故障限流支路；

所述支路三为短路能量泄放支路，在所述第二IGBT开关T2导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了短路能量泄放支路；

所述支路四为直流网压支撑支路在所述第四IGBT开关T4导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了直流网压支撑支路。

本发明实施例的有益效果为：

本发明针对传统直流故障限流器功能单一，无法满足故障穿越协同控制和故障隔离等高级应用需求问题。提出一种适用多工况运行需求的模块化多功能直流故障限流器，既可实现瞬时短路故障限流功能，又具备能量泄放、直流网压支撑功能及故障隔离等高级应用需求。有效限制故障电流，维持直流网压稳定，同时具备故障隔离与直流故障穿越能力。

附图说明

图1为本发明的模块化多功能故障限流器的拓扑图。

图2为本发明的模块化多功能故障限流器的控制方法的流程图。

图3为本发明的模块化多功能故障限流器的控制方法的控制框图。

具体实施方式

为解决传统直流故障限流器虽具备故障限流功能，无法满足故障穿越协同控制和故障隔离等高级要求问题，旨在通过模块化技术设计出一种具备多功能可适应多种故障情况的模块化多功能故障限流器及其控制方法。

下面将结合附图和实施例对本发明实施例做进一步地说明。

如图1-图3所示，模块化多功能故障限流器的控制方法，包括：

将模块化多功能故障限流器串联在直流电网的线路上，让所述第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通，并且将所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，这样就处于处在旁路运行状态；

在直流电网的直流极间短路故障且该故障为瞬时故障发生时，直流电网的线路上的线路电流激增，控制器实时监测线路电流，控制器实时监测线路电流的方式能够是：直流电网的线路上串联有电流传感器来检测该线路的线路电流，所述电流传感器与控制器电连接，这样就能把线路电流传输至控制器中进行监测；当满足公式(1)的条件时，即：

I_dc≥I_{dc_limit} (1)

判断发生了直流电网的直流极间短路故障，就进行故障限流功能投入，即将第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2和第四IGBT开关T4关断，把第三IGBT开关T3导通，其中，I_dc为作为直流侧电流的线路电流，I_{dc_limit}为瞬时故障下的电流阈值。

当所述直流极间短路故障为瞬时故障时，故障限流功能足以抑制电流激增，并在故障恢复后恢复处在旁路运行状态，即让所述第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通，并且将所述子模块SM中的其他IGBT开关关断。

当直流极间短路故障为永久性故障时，限流功能将无法将电流控制在安全范围内，当满足公式(2)的条件时，即：

I_dc≥I_{dc_rated} (2)

线路电流超过直流极间短路故障的额定电流，则认为发生严重的永久性故障，故障限流功能无法实现故障抑制，所述子模块SM需切换至短路能量泄放功能，即实现短路能量泄放功能投入，其中，I_{dc_rated}为直流极间短路故障的额定电流。

所述短路能量泄放功能投入前控制器需计算直流电网正常运行时的模块化多功能故障限流器的等效阻抗R_Load，该等效阻抗的计算可以是在直流电网正常运行时用电阻仪测出模块化多功能故障限流器的等效阻抗R_Load并将该等效阻抗录入控制器中，由于模块化故障限流器由多个子模块组成，其投入的泄放电阻也有多种组合，定义等效泄放电阻R_{i_load}如公式(3)所示：

R_i__load＝R₁+R₂+…+R_i (3)

其中，R_i为第i个子模块泄放电阻大小，R_{i_load}为前i个子模块投入的等效泄放电阻，i＝1,2,…,N,N为子模块数量，这样当R_i__load≥R_Load时，说明泄放电阻具备泄能能力，就将前i个子模块的将第一IGBT开关T1、第三IGBT开关T3和第四IGBT开关T4关断，而将第二IGBT开关T2导通，以及将后N-i个子模块保持旁路运行状态；若R_{i_load}＜R_Load，则说明超出短路能量泄放能力，需切换至直流网压支撑功能，即实现直流网压支撑功能投入。

所述直流网压支撑功能投入时，将所述子模块的第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2和第三IGBT开关T3关断，将第四IGBT开关T4导通，这样就能把所有支撑电容C串联投入，这样就能让直流侧电压由支撑电容的电压进行支撑，交直流侧功率传输停止，故障隔离，换流器运行在空载状态。

一种模块化多功能故障限流器，包括：

由多个子模块SM串联组成的模块化结构，所述模块化结构用于对直流电网的线路实现包括故障限流功能、短路能量泄放功能和直流网压支撑功能的故障抑制功能，所述模块化多功能故障限流器用于串联在直流电网的线路上。

所述子模块SM包括第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2、第三IGBT开关T3、第四IGBT开关T4、二极管D、支撑电容C和泄能电阻R；

所述第一IGBT开关T1的栅极、第二IGBT开关T2的栅极、第三IGBT开关T3的栅极与第四IGBT开关T4的栅极分别与控制器输出端的四个输出脚电连接；所述控制器可以是PLC，这样控制器输出端的四个输出脚就能分别输出高电平或低电平来分别让第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2、第三IGBT开关T3和第四IGBT开关T4导通或关断。

所述第一IGBT开关T1的集电极与二极管D的正极电连接，所述第一IGBT开关T1的发射极、支撑电容C的一极以及第四IGBT开关T4的集电极电连接，所述二极管D的负极、支撑电容C的另一极、第二IGBT开关T2的集电极和第三IGBT开关T3的集电极电连接，所述第二IGBT开关T2的发射极和泄能电阻R的一端电连接，所述第三IGBT开关T3的发射极和限流电感L的一端电连接，所述泄能电阻R的另一端、限流电感L的另一端和第四IGBT开关T4的发射极电连接；

所述第一IGBT开关T1的集电极和第四IGBT开关T4的发射极就分别形成了所述子模块SM进行串联连接的两端。

所述子模块SM包括4条支路，所述四条支路分别为支路一、支路二、支路三和支路四；

所述支路一为旁路运行支路，在所述第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了旁路运行支路，并处在旁路运行状态而让所述子模块被旁路，由此使得所述模块化多功能故障限流器被旁路；

所述支路二为故障限流支路，由限流电感组成，故障限流支路的故障限流功能投入时由子模块内部限流电感串联组成等效限流电感；在所述第三IGBT开关T3导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了故障限流支路；

所述支路三为短路能量泄放支路，由泄能电阻组成，短路能量泄放支路的短路能量泄放功能投入时，子模块内部泄能电阻组合串联组成等效泄放电阻；在所述第二IGBT开关T2导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了短路能量泄放支路；

所述支路四为直流网压支撑支路，由支撑电容组成，直流网压支撑支路的直流网压支撑功能投入时，由子模块内部预充电完成的支撑电容串联支撑直流网压；在所述第四IGBT开关T4导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了直流网压支撑支路。

以上以用实施例说明的过程对本发明实施例作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明实施例的范围的状况下，能够做出每种变动、改变和替换。

Claims (7)

1.一种模块化多功能故障限流器的控制方法，其特征在于，包括：

将模块化多功能故障限流器串联在直流电网的线路上，让第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通，并且将子模块SM中的其他IGBT开关关断，这样就处于处在旁路运行状态；

在直流电网的直流极间短路故障且该故障为瞬时故障发生时，直流电网的线路上的线路电流激增，控制器实时监测线路电流，当满足公式(1)的条件时，即：

I_dc≥I_{dc_limit} (1)

判断发生了直流电网的直流极间短路故障，就进行故障限流功能投入，即将第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2和第四IGBT开关T4关断，把第三IGBT开关T3导通，其中，I_dc为作为直流侧电流的线路电流，I_{dc_limit}为瞬时故障下的电流阈值；

其中，所述子模块SM包括第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2、第三IGBT开关T3、第四IGBT开关T4、二极管D、支撑电容C和泄能电阻R；

所述第一IGBT开关T1的栅极、第二IGBT开关T2的栅极、第三IGBT开关T3的栅极与第四IGBT开关T4的栅极分别与控制器输出端的四个输出脚电连接；

所述第一IGBT开关T1的集电极与二极管D的正极电连接，所述第一IGBT开关T1的发射极、支撑电容C的一极以及第四IGBT开关T4的集电极电连接，所述二极管D的负极、支撑电容C的另一极、第二IGBT开关T2的集电极和第三IGBT开关T3的集电极电连接，所述第二IGBT开关T2的发射极和泄能电阻R的一端电连接，所述第三IGBT开关T3的发射极和限流电感L的一端电连接，所述泄能电阻R的另一端、限流电感L的另一端和第四IGBT开关T4的发射极电连接；

所述第一IGBT开关T1的集电极和第四IGBT开关T4的发射极就分别形成了所述子模块SM进行串联连接的两端。

2.根据权利要求1所述的模块化多功能故障限流器的控制方法，其特征在于，当所述直流极间短路故障为瞬时故障时，在故障恢复后恢复处在旁路运行状态，即让所述第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通，并且将所述子模块SM中的其他IGBT开关关断。

3.根据权利要求1所述的模块化多功能故障限流器的控制方法，其特征在于，当直流极间短路故障为永久性故障时，当满足公式(2)的条件时，即：

I_dc≥I_{dc_rated} (2)

线路电流超过直流极间短路故障的额定电流，则认为发生永久性故障，所述子模块SM切换至短路能量泄放功能，即实现短路能量泄放功能投入，其中，I_{dc_rated}为直流极间短路故障的额定电流。

4.根据权利要求3所述的模块化多功能故障限流器的控制方法，其特征在于，所述短路能量泄放功能投入前控制器需计算正常运行时的模块化多功能故障限流器的等效阻抗R_Load，定义等效泄放电阻R_{i_load}如公式(3)所示：

R_{i_load}＝R₁+R₂+…+R_i (3)

其中，R_i为第i个子模块泄放电阻大小，R_{i_load}为前i个子模块投入的等效泄放电阻，i＝1,2,…,N，N为子模块数量，这样当R_{i_load}≥R_Load时，说明泄放电阻具备泄能能力，就将前i个子模块的将第一IGBT开关T1、第三IGBT开关T3和第四IGBT开关T4关断，而将第二IGBT开关T2导通，以及将后N-i个子模块保持旁路运行状态；若R_{i_load}＜R_Load，则说明超出短路能量泄放能力，需切换至直流网压支撑功能，即实现直流网压支撑功能投入。

5.根据权利要求4所述的模块化多功能故障限流器的控制方法，其特征在于，所述直流网压支撑功能投入时，将所述子模块的第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2和第三IGBT开关T3关断，将第四IGBT开关T4导通，这样就能把所有支撑电容C串联投入。

6.一种模块化多功能故障限流器，其特征在于，包括：

由多个子模块SM串联组成的模块化结构，所述模块化结构用于对直流电网的线路实现包括故障限流功能、短路能量泄放功能和直流网压支撑功能的故障抑制功能，所述模块化多功能故障限流器用于串联在直流电网的线路上；

其中，所述子模块SM包括第一IGBT开关T1、第二IGBT开关T2、第三IGBT开关T3、第四IGBT开关T4、二极管D、支撑电容C和泄能电阻R；

所述第一IGBT开关T1的栅极、第二IGBT开关T2的栅极、第三IGBT开关T3的栅极与第四IGBT开关T4的栅极分别与控制器输出端的四个输出脚电连接；

所述第一IGBT开关T1的集电极与二极管D的正极电连接，所述第一IGBT开关T1的发射极、支撑电容C的一极以及第四IGBT开关T4的集电极电连接，所述二极管D的负极、支撑电容C的另一极、第二IGBT开关T2的集电极和第三IGBT开关T3的集电极电连接，所述第二IGBT开关T2的发射极和泄能电阻R的一端电连接，所述第三IGBT开关T3的发射极和限流电感L的一端电连接，所述泄能电阻R的另一端、限流电感L的另一端和第四IGBT开关T4的发射极电连接；

所述第一IGBT开关T1的集电极和第四IGBT开关T4的发射极就分别形成了所述子模块SM进行串联连接的两端。

7.根据权利要求6所述的模块化多功能故障限流器，其特征在于，所述子模块SM包括4条支路，所述四条支路分别为支路一、支路二、支路三和支路四；

所述支路一为旁路运行支路，在所述第一IGBT开关T1和第四IGBT开关T4导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了旁路运行支路，并处在旁路运行状态而让所述子模块被旁路，由此使得所述模块化多功能故障限流器被旁路；

所述支路二为故障限流支路，在所述第三IGBT开关T3导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了故障限流支路；

所述支路三为短路能量泄放支路，在所述第二IGBT开关T2导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了短路能量泄放支路；

所述支路四为直流网压支撑支路在所述第四IGBT开关T4导通时，并且所述子模块SM中的其他IGBT开关关断，所述子模块SM就形成了直流网压支撑支路。

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