CN113162000B - 一种改进的自适应限流直流固态断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的自适应限流直流固态断路器及其控制方法，该结构包括桥臂一至桥臂四及其所构成的H桥电路，所述桥臂一、所述桥臂三构成的串联支路与所述桥臂二、所述桥臂四构成的串联支路并联；针对自适应限流直流固态断路器的控制方法包括初始化、检测到故障信号时、收到跳闸信号后、故障消失或被处理后；当i_L接近i_dc时，同时导通桥臂一和桥臂二的主支路，然后导通负荷支路，最后断开主支路，固态断路器完全恢复，为下次故障做好准备。与现有技术相比，本发明用于多端柔性直流电网，尤其是电压等级较低的直流配电、直流微电网；正常运行时可大大降低通态损耗；发生直流故障以后可快速恢复至正常运行状态，保证对二次故障的处理能力。

Description

一种改进的自适应限流直流固态断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流输/配/微电网领域，特别涉及一种改进的自适应限流直流固态断路器及.针对断路器拓扑结构的控制策略。

背景技术

直流系统控制灵活性高、供电密度大、电能质量好、相比交流线路损耗小、不需要无功补偿设备，并且适合各类电源和负载接入，使得其在配电网领域具有广泛的应用前景。电压源型换流器(voltage source converter，VSC)以及模块化多电平换流器(modularmulti-level converter，MMC)技术的快速发展，使得直流配电网的工程应用得以推广。然而，直流配电网故障阻尼小、传播速度快、危害大，对直流故障的有效应对与处理提出了极为苛刻的要求。直流故障后，为了确保直流系统健全网络的可靠故障穿越，要求快速检测、识别并切除故障线路。目前，根据不同的工作原理，直流断路器主要分为三类：机械断路器、固态断路器和混合断路器。机械式断路器成本低、运行损耗小，但是其动作速度仍有待提高。固态断路器和混合式断路器由于其较高的运行速度，更适用于直流系统。而且，在电压等级相对较低的直流配电网中，固态断路器由于动作速度快、控制策略简单，因此具有较好应用前景。

为实现有选择地切除故障线路，在隔离故障之前，需要保护准确地确定故障线路，因此仅靠断路器本身快速跳闸难以满足工程实际需求。目前直流保护最快动作速度为2～3ms，而此时的故障电流早已超过电力电子器件所能耐受的最大稳态电流，导致换流站闭锁。由此看来，直流故障选择性切除速度远无法匹配直流故障发展速度。有效的直流故障限流技术能够限制故障电流的快速上升，降低对保护和故障隔离动作速度的要求，被认为是直流系统安全可靠运行的核心关键技术。

直接安装直流电抗器是限制直流配单网直流故障电流的有效途径之一，且安装的电抗器越大，故障限流效果越好。但随着电抗值的增大，建设成本大大增加，系统动态特性变差，故障电流的衰减速度下降。目前，已有的直流故障限流器有超导限流器和基于电力电子器件的限流器两类。其中，混合式固态限流器能够结合电力电子器件和机械开关的优势，成功解决限流电感抑制故障电流衰减问题。

美国发明专利US5999388公开的固态电路拓扑除了能实现故障断流，同样可实现故障限流功能，但是需要对可控开关器件进行高频的开关控制，对设备使用寿命是极为不利的。而且，其限流特性主要呈阻性限流，事实上，在直流故障初期故障电流快速上升阶段阻性限流对电流上升率的限制效果并不理想。因此，目前直流系统中更倾向于在线路两端安装直流电抗器，在直流故障以后利用电抗器限制故障电流的快速上升和直流电压的快速跌落，延缓故障发展速度，以降低对保护和直流断路器的动作速度要求。但是，在直流电网中直接安装大量的电抗器对系统暂态响应特性、稳定性等方面是极为不利的；而且电抗器续电流的存在，也会导致断路器故障断流时间大大增加，从而降低断路器的故障隔离速度，不利于故障的快速切除和剩余网络的快速恢复。因此，如何在限流的同时，避免其对系统造成的不利影响，并实现与断流功能之间的协调匹配成为柔性直流系统直流故障处理的关键课题。

中国发明专利CN 107086555公开的自适应限流型固态断路器兼具限流与断流功能，同时解决了大型电抗器直接安装带来的动态特性差和避雷器能量耗散速度慢的问题。在系统正常运行时，断路器将内部直流电抗器旁路，从而消除对系统暂态响应速度、运行稳定性的不利影响；故障发生后快速自动投入限流电抗限制故障电流，减缓直流电压跌落，为保护和隔离创造时间；而在故障清除时再次旁路电抗器，加快故障隔离速度，保证健全网络和故障线路绝缘特性的快速恢复。该固态断路器通过桥式拓扑与偏置电源的配合实现其自适应限流功能。然而，目前该断路器中应用的偏置电源拟采用三相全桥整流型直流电源，故障时较大电流流过电源内部。长期稳态运行情况电力电子器件的通态损耗过大导致该拓扑的经济性不佳，另外没有考虑系统故障后对电源的保护，导致对电力电子器件和变压器的耐流能力与容量上限提出更高要求，故需进一步改进。

目前柔性直流系统保护与断路器动作速度无法保证直流故障后剩余网络的可靠故障穿越、现有限流技术会对系统造成不利影响且无法实现与断流功能的匹配协调。

发明内容

针对目前柔性直流系统故障电流上升快、幅值高、故障传播迅速、危害范围广的问题以及综合考虑投资成本、运行安全等方面，本发明提出了一种改进的自适应限流直流固态断路器及其控制策略，实现了在断路器保护跳闸信号接收前快速、自动地限制直流故障电流，降低对保护动作速度要求；同时运行损耗低，无需偏置电源，对系统正常运行的稳定性无影响。

本发明的一种改进的自适应限流直流固态断路器，该直流固态断路器的结构包括桥臂一至桥臂四及其所构成的H桥电路，所述桥臂一和所述桥臂三串联，所述桥臂二和所述桥臂四串联，所述桥臂一、所述桥臂三构成的串联支路与所述桥臂二、所述桥臂四构成的串联支路并联；其中：

直流电抗器L与电阻并联后，跨接于所述桥臂一、所述桥臂二的公共连接点和所述桥臂三、所述桥臂四的公共连接点上；

直流线路则分别与所述桥臂一、所述桥臂三的公共连接点以及所述桥臂二、所述桥臂四的公共连接点相连。

所述桥臂一至桥臂四的具体结构采取以下结构来构成：

所述桥臂一由N个串联的全控固态开关与一个避雷器并联，再与M个二极管同向串联、最后并联一个全控固态开关、一个二极管和一个快速机械开关同向串联而构成；

所述桥臂二由N个串联的全控固态开关与一个避雷器并联、再与一个全控固态开关、一个二极管和一个快速机械开关同向串联的结构并联，最后同向串联M个二极管而构成；

所述桥臂三、所述桥臂四则分别由M+N个二极管直接串联构成；

所述桥臂一至桥臂四的具体结构还采取以下结构来构成：

所述桥臂一、所述桥臂二分别由M+N个二极管直接串联构成；

所述桥臂三由N个串联的全控固态开关与一个避雷器并联，再与M个二极管同向串联、最后并联一个全控固态开关、一个二极管和一个快速机械开关同向串联而构成；

所述桥臂四由N个串联的全控固态开关与一个避雷器并联、再与一个全控固态开关、一个二极管和一个快速机械开关同向串联的结构并联，最后同向串联M个二极管而构成。

本发明的针对自适应限流直流固态断路器拓扑结构的控制方法，该方法包括以下步骤：

首先初始化断路器，分别导通桥臂一、桥臂二的负荷支路，关断主支路的IGBT串；

当检测到故障信号时，首先关断负荷支路，导通主支路，等待跳闸信号；当收到跳闸信号后，断开桥臂一的主支路，泄放故障回路能量；当故障消失或被处理后，断开桥臂二的主支路，同时泄放电感中储存的能量，直流电抗器L上的电流i_L迅速下降；当i_L接近直流系统额定电流i_dc时，同时导通桥臂一和桥臂二的主支路，然后导通负荷支路，最后断开主支路，固态断路器完全恢复，为下次故障做好准备。

本发明设计提出的新型直流固态断路器适用于多端柔性直流电网，尤其是电压等级较低的直流配电、直流微电网。与直接利用直流电抗器限流、利用传统直流固态断路器断流相比，本发明断路器主要包括以下优点：

1)正常运行时，该断路器内电阻对外电路而言相当于被直流电抗器旁路，因此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。

2)无须偏置电源，电路设计和控制保护方法简单。

3)正常运行时，负荷电流只经过两个全控型电力电子器件，大大降低了通态损耗，经济性好。

4)直流故障以后，直流电抗器和电阻可快速、自动接入到故障回路中，发挥限流作用，有效限制故障电流的上升、直流电压的跌落，延缓直流故障发展速度；保证剩余网络在故障被切除以前能够可靠穿越，为保护与隔离提供充足的时间。

5)断路器接收到保护跳闸信号，断开对应主支路全控型电力电子器件后，避雷器被接入到故障回路。直流电抗器瞬间/自动地被从故障回路中旁路。断流阶段避雷器仅需消纳故障回路中的能量，而无需泄放直流电抗器中的能量，大大加快了本发明提出的拓扑断流速度，使剩余网络快速恢复正常运行，故障线路快速恢复绝缘。

6)故障点消失或被处理后，故障线路可被瞬间重合，系统可立即开始恢复至故障前运行状态；直流断路器可快速恢复至正常运行状态，保证对二次故障的处理能力，而且直流断路器恢复过程对系统恢复速度不产生任何影响。

附图说明

图1为本发明的一种自适应限流直流固态断路器第一种拓扑结构示意图；

图2为本发明的一种自适应限流直流固态断路器第二种拓扑结构示意图；

图3为本发明新型直流固态断路器控制方法整体流程示意图。

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。

本发明的一种自适应限流直流固态断路器及其控制策略。具体实施例内容包括：

如图1所示，为本发明的一种自适应限流直流固态断路器拓扑第一种结构示意图，桥臂一由N个串联的全控固态开关(以IGBT为例，也可以是GTO、MOSFET等其他全控固态开关，分别与二极管反并联)与一个避雷器并联，再与M个二极管同向串联，最后并联一个全控固态开关(与一个二极管反并联)、一个二极管和一个快速机械开关同向串联的结构，构成桥臂一(N和M的大小可参考传统直流固态断路器的参数确定原则进行确定)。桥臂二的结构与桥臂1类似，由N个串联的全控固态开关，与一个避雷器并联，再与一个全控固态开关(与一个二极管反并联)、一个二极管和一个快速机械开关同向串联的结构并联，最后同向串联M个二极管。桥臂三、桥臂四则分别由(M+N)个二极管直接串联构成。桥臂一至桥臂四构成H桥电路，其中桥臂一和桥臂三串联，桥臂二和桥臂四串联，桥臂一、桥臂三构成的串联支路与桥臂二、桥臂四构成的串联支路并联。直流电抗器与电阻并联后连接到桥臂一、桥臂二的公共连接点和桥臂三、桥臂四的公共连接点上；直流线路则分别与桥臂一、三的公共连接点以及桥臂二、桥臂四的公共连接点相连。

本发明还存在另一种拓扑结构。如图2所示，为本发明的一种自适应限流直流固态断路器第二种拓扑结构示意图。桥臂一、桥臂二分别由(M+N)个二极管直接串联构成。如1中所述的由N个全控固态开关(以IGBT为例，也可以是GTO、MOSFET等其他全控固态开关，分别与二极管反并联)，与一个避雷器并联，再与M个二极管同向串联，最后并联一个全控固态开关(与一个二极管反并联)和一个二极管同向串联的结构构成桥臂三。桥臂四的结构与桥臂3相似，由N个串联的全控固态开关，与一个避雷器并联，再与一个全控固态开关(与一个二极管反并联)、一个二极管和一个快速机械开关同向串联的结构并联，最后同向串联M个二极管。桥臂一至桥臂四构成H桥电路，其中桥臂1和桥臂3串联，桥臂二和桥臂四串联，桥臂一、桥臂三构成的串联支路与桥臂二、桥臂四构成的串联支路并联。直流电抗器与电阻并联后连接到桥臂一、桥臂二的公共连接点和桥臂三、桥臂四的公共连接点上；直流线路则分别与桥臂一、桥臂三的公共连接点以及桥臂二、桥臂四的公共连接点相连。

.针对所述断路器拓扑结构，如图3所示，为本发明的一种自适应限流断路器控制策略流程图。首先初始化断路器，分别导通桥臂一、桥臂二的负荷支路，关断主支路的IGBT串。当检测到故障信号时，首先关断负荷支路IGBT，拉开快速机械开关，导通主支路IGBT，等待跳闸信号。当收到跳闸信号后，断开桥臂一的主支路断路器，泄放故障回路能量。当故障消失或被处理后，断开桥臂二的主支路断路器，由并联电阻、两侧避雷器同时泄放电感中储存的能量，i_L迅速下降。当i_L接近直流系统额定电流_idc时，同时导通桥臂一和桥臂二的主支路，然后导通负荷支路，最后断开主支路IGBT，固态断路器(DCCB)完全恢复，为下次故障做好准备。

Claims (2)

1.一种改进的自适应限流直流固态断路器，其特征在于，该直流固态断路器的结构包括桥臂一至桥臂四及其所构成的H桥电路，所述桥臂一和所述桥臂三串联，所述桥臂二和所述桥臂四串联，所述桥臂一、所述桥臂三构成的串联支路与所述桥臂二、所述桥臂四构成的串联支路并联；其中：

直流电抗器与电阻并联后，跨接于所述桥臂一、所述桥臂二的公共连接点和所述桥臂三、所述桥臂四的公共连接点上；

直流线路则分别与所述桥臂一、所述桥臂三的公共连接点以及所述桥臂二、所述桥臂四的公共连接点相连；

所述桥臂一至桥臂四的具体结构为：所述桥臂一由N个串联的全控固态开关与一个避雷器并联，再与M个二极管同向串联、最后并联一个全控固态开关、一个二极管和一个快速机械开关同向串联而构成；所述桥臂二由N个串联的全控固态开关与一个避雷器并联、再与一个全控固态开关、一个二极管和一个快速机械开关同向串联的结构并联，最后同向串联M个二极管而构成；所述桥臂三、所述桥臂四则分别由M+N个二极管直接串联构成；或者，所述桥臂一、所述桥臂二分别由M+N个二极管直接串联构成；所述桥臂三由N个串联的全控固态开关与一个避雷器并联，再与M个二极管同向串联、最后并联一个全控固态开关、一个二极管和一个快速机械开关同向串联而构成；所述桥臂四由N个串联的全控固态开关与一个避雷器并联、再与一个全控固态开关、一个二极管和一个快速机械开关同向串联的结构并联，最后同向串联M个二极管而构成。

2.针对权利要求1所述的自适应限流直流固态断路器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

首先初始化断路器，分别导通桥臂一或三 、桥臂二或四 的负荷支路，关断主支路；

当检测到故障信号时，首先关断负荷支路，导通主支路，等待跳闸信号；当收到跳闸信号后，断开桥臂一或三 的主支路，泄放故障回路能量；当故障消失或被处理后，断

开桥臂二或四 的主支路，同时泄放电感中储存的能量，直流电抗器L上的电流i_L迅速下降；当i_L接近直流系统额定电流i_dc时，同时导通桥臂一或三 和桥臂二或四 的主支路，然后导通负荷支路，最后断开主支路，固态断路器完全恢复，为下次故障做好准备。

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