CN112928740B - 一种混合式直流故障限流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式直流故障限流器及其控制方法，所述通流支路由一个超快速开关UFD和一个负载电流转换开关LCS构成；正常运行时，负荷电流只经过超快速开关和负载电流转换开关；直流故障以后，避雷器可快速接入到故障回路中，有效限制故障电流上升的速度以及故障电流的峰值；直流断路器跳闸以后，导致避雷器自动退出运行，电感中储存的能量最终被回路中的电阻吸收；在非故障线路中，限流器中的避雷器进行限流使电流下降至动作电流以下后，电流会被自动转移至电阻R₂支路。与现有技术相比，本发明以实现故障后有效限制故障电流的上升速率及幅值，进而实现适用于高压柔性直流输电网的可靠的故障穿越。

Description

一种混合式直流故障限流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及高压柔性直流输电网领域，特别是涉及一种直流故障限流器及其参数设计方法。

背景技术

为了提高电能传输的可靠性以及降低输电成本，在柔性直流系统中采用直流母线输电已成为一种趋势，因此，基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)，特别是基于模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)的柔性直流输电系统，已成为目前研究的重要方向。然而，当柔性直流系统中发生故障后，换流器中的子模块电容会迅速向故障点放电，从而导致故障线路以及换流器桥臂中电流迅速上升。考虑到换流器中含有大量耐流能力十分有限的电力电子器件，需要断路器在电流上升至电力电子器件最大门槛值前将故障点切除。然而，由于故障电流上升幅度大，目前断路器所能达到的最快动作时间仍无法满足要求。为此，则需要在线路中装设限流器，从而在故障发生后限制电流上升的速率及幅值，从而为断路器创造更长的动作时间，使得故障电流在上升至桥臂可耐受最大电流值前将故障点切除，从而保障整个系统的安全。目前，直流故障限流器被分为四类：1)超导式限流器：主要利用超导材料的零阻特性和完全抗磁性，当线路正常运行时呈低阻抗，当故障发生时迅速呈高阻抗。然而，由于超导技术需要较高的成本，目前还不能在实际工程中大量投入使用。2)纯固态式限流器：采用纯电力电子功率开关器件，因此在检测到故障发生后很短时间内即可动作。但由于单个器件的耐压和耐流能力有限，纯固态型限流器需要的电力电子器件数量较多，会造成较大的通态损耗。3)机械式限流器：在交流系统中，机械式限流器采用快速机械开关在电流过零点时切断故障电流，同时在故障回路中串接限流电感来限制故障电流上升率。在高压直流系统中，与机械式直流断路器相似，机械式限流器也需要LC震荡回路来创造一个直流电流的过零点。然而在高压直流系统中，创造电流过零点仍然面临着巨大的技术挑战。4)混合式限流器：混合式限流器兼具机械式限流器与纯固态限流器的优势，其中的电力电子功率开关能够在监测到故障后快速动作，在系统正常运行时，电流流过机械开关，能够大大降低限流器的通态损耗。

综合考虑系统的安全运行以及投资成本等问题，本发明提出了一种混合式直流故障限流器及其参数设计方法，该限流器具有系统正常运行时对系统稳定性无不良影响，故障后迅速投入避雷器进行限流，且大大减小故障清除时间等优点。

发明内容

针对目前高压直流输电系统中的保护及断路器的动作速度无法满足电网可靠故障穿越的需求，本发明提出一种混合式直流故障限流器及其控制方法，以实现故障后有效限制故障电流的上升速率及幅值，进而实现适用于高压柔性直流输电网的可靠的故障穿越。

本发明技术方案如下：

一种混合式直流故障限流器，该限流器的拓扑结构包括通流支路和限流支路，其中：

所述通流支路由一个超快速开关UFD和一个负载电流转换开关LCS构成；其中的负载电流转换开关LCS由两组反向串联的带有反并联二极管的IGBT构成；

所述限流支路由一对电感值相等的耦合的限流电感L₁与L₂、两组二极管组D₁与D₂、一对等值电阻R₁与R₂以及两组反向串联的带有反并联二极管的IGBT以及一个避雷器A构成包括桥臂一至桥臂四的H桥型结构；桥臂一支路由二极管组D₁与电阻R₁串联构成；桥臂三支路由二极管组D₂与电阻R₂串联构成；桥臂二支路和桥臂四支路则分别由一对电感值相等的耦合电感L₁与耦合电感L₂构成；

所述IGBT和所述避雷器A连接在所述桥臂一和所述桥臂四的连接点以及所述桥臂二和所述桥臂三的连接点之间。

一种混合式直流故障限流器的控制方法，该方法包括以下流程：

首先初始化限流器，闭合超快速开关和负载电流转换开关；当检测到故障信号时，导通限流部分的IGBT，同时关断负载电流转换开关；当通流支路中的电流下降至超快速开关可关断电流值以下后，将超快速开关断开；线路中故障电流从通流支路转移至限流部分后，断开限流部分的IGBT，限流器开始限流；限流过程中电流流过电感L₁后，一路流经桥臂三支路的二极管D₂与电阻R₂，另一路流经避雷器A与桥臂四支路的电感L₂后一起馈入故障点；

当线路中安装的保护装置检测到故障并跳闸后，线路中电流开始下降，电流很快下降至避雷器A的启动电流以下，避雷器A立即退出运行，电感L₁中的续电流通过电阻R₂、电感L₂和R₁形成环流，此时二极管D₁和D₂在电感L₁的反电动势作用下导通，故障电流通过电感L₁和电阻R₂支路，最终在断路器的作用下被切断至零；故障电流切断以后，电感L₁中储存的能量会被电阻R₁和R₂消耗至零，限流器完全恢复，为下次故障做准备。

与现有技术中直接利用直流电抗器的限流技术相比，本发明主要具有以下优点：

1)正常运行时，负荷电流只经过通流支路的超快速开关和负载电流转换开关，不会对直流系统的暂态响应特性、稳定性、效率等方面产生不利影响通态损耗较低，具有良好的经济性能；

2)发生直流故障以后，避雷器可快速接入到故障回路中，发挥限流作用，有效限制故障电流上升的速度以及故障电流的峰值，避免了故障的快速传播，为保护与隔离提供充足的时间；

4)断路器中避雷器仅需消纳故障回路中的能量，而不用消耗电感中储存的能量，进而大大缩短了故障电流清除时间；

5)在非故障线路中，限流器中的避雷器进行限流使电流下降至动作电流以下后，电流会被自动转移至电阻R₂支路，不会中断非故障线路间的功率传输。

附图说明

图1为本发明的一种混合式直流故障限流器拓扑结构图；

图2为本发明的一种混合式直流故障限流器电流转移过程示意图；

图3为本发明的一种混合式直流故障限流器限流过程示意图；

图4为本发明的一种混合式直流故障限流器故障电流清除过程示意图；

图5为本发明的一种混合式直流故障限流器控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，为本发明的一种混合式直流故障限流器拓扑结构图。该拓扑结构中，通流支路由一个超快速开关(ultrafast disconnector，UFD)和一个负载电流转换开关(load commutation switch，LCS)构成。其中，负载电流转换开关由两组反向串联的带有反并联二极管的IGBT构成。限流支路由一对电感值相等的耦合的限流电感L₁与L₂、两组二极管组D₁与D₂、一对等值电阻R₁与R₂以及两组反向串联的带有反并联二极管的IGBT以及一个避雷器A构成包括桥臂一至桥臂四的H桥型结构。其中桥臂一支路由二极管组D₁与电阻R₁串联构成；桥臂三支路由二极管组D₂与电阻R₂串联构成；桥臂二支路和桥臂四支路则分别由一对电感值相等的耦合电感L₁与耦合电感L₂构成，耦合电感的同名端如图中所示。此外，在桥臂一、桥臂二连接点和桥臂三、桥臂四连接点之间串接IGBT组，并在IGBT组上并联一个避雷器A。

针对上述限流器拓扑结构，本发明提出相应的控制策略如下：

1、初始化限流器，闭合超快速开关和负载电流转换开关；

2、直流电流上升至限流器的动作门槛值时，导通限流部分的IGBT，关断负载电流转换开关；

3、检测到通流支路中的电流下降至超快速开关可关断电流值以下时，断开超快速开关；

4、检测到线路中故障电流从通流支路转移至限流部分后，立即关断对IGBT的触发信号；

5、检测到线路中的故障电流下降为零后，闭合限流器中的超快速开关和负载电流转换开关，完成限流器的恢复。

如图5所示，本发明的一种混合式直流故障限流器控制方法流程图。具体流程如下：

首先初始化限流器，闭合超快速开关和负载电流转换开关。当检测到故障信号时，导通限流部分的IGBT，同时关断负载电流转换开关。当通流支路中的电流下降至超快速开关可关断电流值以下后，将超快速开关断开。线路中故障电流从通流支路转移至限流部分后，断开限流部分的IGBT，限流器开始限流。限流过程中电流流过电感L₁后，一路流经桥臂三支路的二极管D₂与电阻R₂，另一路流经避雷器A与桥臂四支路的电感L₂后一起馈入故障点，如图3所示。由于两电感完全耦合，其两端电压相互抵消，避雷器两端的残压起限流作用。当线路中安装的保护装置检测到故障并跳闸后，线路中电流开始下降，电流很快下降至避雷器A的启动电流以下，避雷器A立即退出运行，电感L₁中的续电流通过电阻R₂、电感L₂和R₁形成环流，此时二极管D₁和D₂在电感L₁的反电动势作用下导通，故障电流通过电感L₁和电阻R₂支路，最终在断路器的作用下被切断至零，如图4所示。故障电流切断以后，电感L₁中储存的能量会被电阻R₁和R₂消耗至零，限流器完全恢复，为下次故障做准备。

下面根据实际工程需求，对本发明中的参数设计作出详细说明：

1)避雷器参数设计：

在限流器处于限流阶段时，MMC电容放电的暂态方程表达式如下：

其中，U_a为限流器A两端的电压，U_cs为电容电压，i_dc为线路电流，R_s、L_s、C_s分别代表MMC换流站的等效电阻、电感和电容，t表示时间、t₁表示检测到故障发生的时刻对此方程进行求解，得到这一阶段电容电压u_cs与线路电流i_dc的暂态解分别为：

其中，σ＝R_s/2L_s，

σ表示时间常数、ω表示角频率，U₁和I₁分别表示限流阶段的初始时刻电容电压和故障电流(即故障回路中的线路电流)，因此故障电流I₁峰值仅与避雷器A两端的残压U_a的大小有关，即故障电流I₁峰值会随着U_a的增大而降低。因此，避雷器A两端的残压U_a需要将故障电流I₁的峰值限制在DCCB最大关断电流值以下，即：

其中，I_{int_max}表示DCCB能够关断的最大电流值，k₁表示可靠系数，且k₁>1，t₂表示直流断路器动作的时刻，I₂表示t₂时刻故障回路中的直流电流值。

利用二分法对上式进行求解，即可确定避雷器的残压值Ua。因此避雷器吸收的总能量为：

其中，t₂表示电感值L₂中电流下降为零时刻，i_c表示流经电阻R₂支路的电流。由此确定所需避雷器A的容量。

2)电感参数设计：

在限流过程中，二极管D₂与电阻R₂两端的电压与避雷器A和电感L₂两端的电压相等，假设限流阶段流经桥臂三的电流为i_a，流经桥臂二的电流为i_b，流经桥臂四的电流为i_c，则有：

假设在限流过程中避雷器的残压值U_a保持恒定不变，得到流过电阻R₂支路电流i_c的暂态解为：

其中τ₁＝L/R，τ₁表示时间常数、

表示电感L₂两端电压、t表示时间，M表示互感。由此可以看出，流经桥臂四支路的电流为i_c会随着电感值L的减小而增大，由于流过避雷器A支路的电流i_b为线路电流i_a与流经电阻R₂支路的电流i_c的差值，因此流过避雷器A支路的电流i_b会随着i_c的增大而减小。随着电感值L不断减小，电流i_b也会渐渐减小，当电流i_b减小至避雷器的动作电流I_ac以下时，避雷器A将从工作区进入到小电流区，进而导致其两端残压值U_a无法保持恒定。因此，需要保证流过避雷器支路的电流i_b始终大于避雷器的动作电流I_ac，进而确保限流器的可靠限流效果。因此在限流阶段流经避雷器的电流i_b需满足：

其中，k₂表示可靠系数，I_ac表示避雷器的动作电流，U₂、I₂分别表示t₂时刻直流断路器跳开时电容电压与故障回路中的直流电流值，R表示限流器中电阻R₂的阻值。为了保证流过避雷器支路的电流可靠大于启动电流，需满足k₂>1。利用二分法即可确定满足上述条件的电感的最小值L_min。

3)电阻的参数设计：

该限流器中的电阻R₁、R₂起到的作用是在限流器恢复阶段耗散掉储存在电感中的能量。在限流器恢复阶段，电感中的电流的衰减系数为τ＝2L/R。工程上一般认为经过5个衰减系数后可认为电流衰减到零。从直流线路中的故障电流下降至零到限流器恢复完成的时间应该小于断路器重合闸的时间，即：

其中，t_re表示DCCB重合闸所需的时间，k₃表示可靠系数，需要保障限流器在DCCB重合前完成自恢复，因此k₃>1。因此可以求得所需电阻R需满足下式：

Claims (5)

1.一种混合式直流故障限流器，其特征在于，该限流器的拓扑结构包括通流支路和限流支路，其中：

所述通流支路由一个超快速开关UFD和一个负载电流转换开关LCS构成；其中的负载电流转换开关LCS由两组反向串联的带有反并联二极管的IGBT构成；

所述限流支路由一对电感值相等的耦合的限流电感L₁与L₂、两组二极管组D₁与D₂、一对等值电阻R₁与R₂以及两组反向串联的带有反并联二极管的IGBT以及一个避雷器A构成包括桥臂一至桥臂四的H桥型结构；桥臂一支路由二极管组D₁与电阻R₁串联构成；桥臂三支路由二极管组D₂与电阻R₂串联构成；桥臂二支路和桥臂四支路则分别由一对电感值相等的耦合电感L₁与耦合电感L₂构成；

所述IGBT和所述避雷器A连接在所述桥臂一和所述桥臂四的连接点以及所述桥臂二和所述桥臂三的连接点之间。

2.如权利要求1所述的一种混合式直流故障限流器，其特征在于，所需避雷器A的容量E表达式如下：

其中，i_dc表示线路电流，U_a表示避雷器的残压值，i_c表示流过电阻R₂支路电流，t₁表示检测到故障发生的时刻，t₂为电感值L₂中电流下降为零时刻。

3.如权利要求1所述的一种混合式直流故障限流器，其特征在于，在限流阶段流经避雷器的电流i_b满足下式：

其中，k₂表示可靠系数，I_ac表示避雷器的动作电流，i_dc表示线路电流，t₁表示检测到故障发生的时刻，σ表示时间常数、ω表示角频率，t表示时间，i_c表示流过电阻R₂支路电流，U_a表示限流过程中避雷器的残压值，R_s、L_s分别表示MMC换流站的等效电阻、电感，τ₁表示时间常数，U₂、I₂分别表示t₂时刻直流断路器跳开时电容电压与故障回路中的直流电流值，R表示限流器中电阻R₂的阻值。

4.如权利要求1所述的一种混合式直流故障限流器，其特征在于，限流器中的电阻R满足下式：

其中，t_re表示DCCB重合闸所需的时间，k₃表示可靠系数。

5.基于如权利要求1所述的一种混合式直流故障限流器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下流程：

首先初始化限流器，闭合超快速开关和负载电流转换开关；当检测到故障信号时，导通限流部分的IGBT，同时关断负载电流转换开关；当通流支路中的电流下降至超快速开关可关断电流值以下后，将超快速开关断开；线路中故障电流从通流支路转移至限流部分后，断开限流部分的IGBT，限流器开始限流；限流过程中电流流过电感L₁后，一路流经桥臂三支路的二极管D₂与电阻R₂，另一路流经避雷器A与桥臂四支路的电感L₂后一起馈入故障点；

当线路中安装的保护装置检测到故障并跳闸后，线路中电流开始下降，电流很快下降至避雷器A的启动电流以下，避雷器A立即退出运行，电感L₁中的续电流通过电阻R₂、电感L₂和R₁形成环流，此时二极管D₁和D₂在电感L₁的反电动势作用下导通，故障电流通过电感L₁和电阻R₂支路，最终在断路器的作用下被切断至零；故障电流切断以后，电感L₁中储存的能量会被电阻R₁和R₂消耗至零，限流器完全恢复，为下次故障做准备。

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