CN113964805A - 一种直流系统故障限流装置及方法 - Google Patents

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杨波
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吴福保
陶以彬
王德顺
丁凯
刘首文
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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Abstract

本发明提供的一种直流系统故障限流装置及方法,故障限流装置接入换流阀的直流出口端的直流线路中,包括1个或多个串联的可变电抗子模块;所述可变电抗子模块包括:相互连接的电抗单元和功率单元,所述功率单元用于监测直流线路的电流,本发明的可变电抗子模块可以在直流线路上发生故障时,功率单元基于所述电流幅值控制IGBT的导通与关断,来改变可变电抗子模块中二次电抗的大小以及所在回路的电流大小,使其产生相对主磁通的反向磁通并改变一次电抗上铁芯磁阻,从而增加一次电抗的阻抗,进而抑制故障电流的突升、延长故障响应时间,有利于对直流电网系统故障电流的抑制。

Description

一种直流系统故障限流装置及方法
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域的限流方法,具体涉及一种直流系统故障限流装置及方法。
背景技术
直流电网是一个具有先进的能源管理系统的智能、稳定的交直流混合广域传输网络,具备大规模新能源汇集及远距离输送能力且可实现不同电压等级、不同区域网络电力系统的广域互联,是构建全球能源互联网的基础。考虑能源分布不均匀、输电容量高、输电距离长等特点,以架空线路为主的直流电网架构仍是未来电网设计首选。
由于架空线的故障频发率高,而对于直流电网是一个“低惯量”系统,直流线路一旦故障,故障将瞬间扩散至整个直流电网系统。以500kV直流系统为例,距故障点100km的换流器会在故障发生0.5ms后桥臂电流急剧增加,其电流上升率可达3kA/ms,峰值电流可达30kA;同时,伴随着子模块电容电压迅速放电,并在2~3ms内跌落至额定电压的80%以下。限于目前IGBT的通流能力,若要保证系统故障后持续不间断运行,保护系统需要在3~5ms实现故障线路的快速切除。此外,考虑到现有故障定位最快的行波定位技术也需要4~5ms的,因此要实现保护的精确定位和可靠动作十分困难。通常绝大多数情况下,直流电网线路故障时换流阀闭锁会先于直流断路器跳闸动作,即出现“局部故障,全网停运”的现象,严重降低了直流电网的可靠性和经济性。
直流电网故障电流限制主要依赖于关键设备以及系统保护协调配合两个层面来实现。关键设备主要有直流断路器、可闭锁直流故障电流的DC-DC变压器以及专门的故障电流限制器。目前世界上设计参数最高的200kV直流断路器故障电流分断时间为3ms,分断电流为15kA;可闭锁直流故障电流的DC-DC变压器一般是通过控制电力电子开关状态来阻断交流系统和直流系统之间、不同电压等级或不同子系统间的故障短路电流;而故障电流限制器则一般是通过增加直流线路短时电感或电阻来实现故障电流的快速抑制。
由于直流电网呈现广域性,远距离通信具有一定的延迟,因此不能在直流断路器的响应时间内满足故障电流信号的采集、传输、判读和控制。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足,本发明提供一种直流系统故障限流装置,所述故障限流装置接入换流阀的直流出口端的直流线路中,包括1个或多个串联的可变电抗子模块;
所述可变电抗子模块包括:相互连接的电抗单元和功率单元,所述功率单元用于监测直流线路的电流,且当根据所述电流判断出直流系统线路发生过流故障时,所述功率单元基于所述电流幅值改变电抗单元的阻抗大小以抑制过电流。
优选的,所述电抗单元包括耦合的一次电抗和二次电抗;一次电抗接入换流阀直流出口端的直流线路中。
优选的,所述功率单元包括2个功率器件组和控制模块,所述2个功率器件组与二次电抗反向串联构成电气回路。
控制模块与所述电气回路耦合,用于采集线路的电流。
优选的,所述功率器件组包括:IGBT器件与所述IGBT器件反向并联的二极管,所述控制模块与IGBT器件驱动联接,所述IGBT器件根据控制模块给出的驱动信号以一定的开关频率导通或关断;
其中,所述驱动信号由控制模块基于采集的电流幅值确定。
优选的,所述开关频率由直流线路故障电流的大小和可变电抗子模块的数量确定。
优选的,所述可变电抗子模块的数量由接入直流线路的额定电流和过流阈值确定。
基于同一种发明构思,本发明还提供一种利用直流系统故障限流装置进行限流的方法,包括:
利用所述故障限流装置中各可变电抗子模块的功率单元监测直流线路的电流,并判断所述直流线路上是否发生过流故障;
当所述直流线路发生过流故障时,基于所述电流幅值利用所述功率单元改变所述各可变电抗子模块的电抗单元的阻抗大小以抑制过电流;
所述故障限流装置本发明提供的一种直流系统故障限流装置。
优选的,所述利用所述故障限流装置中各可变电抗子模块的功率单元监测直流线路的电流,并判断所述直流线路上是否发生过流故障,包括:
当与直流线路连接的电抗单元中一次电抗的电流发生突升时,所述电抗单元的二次电抗电压相应升高;所述控制模块监测到所述二次电抗电压相应升高时判断所述直流线路存在过流故障;
当与直流线路连接的电抗单元中一次电抗的电流未发生突升时,所述电抗单元的二次电抗电压保持;所述控制模块监测判断所述直流线路不存在过流故障。
优选的,所述基于所述电流幅值利用所述功率单元改变所述各可变电抗子模块的电抗单元的阻抗大小以抑制过电流,包括:
根据所述电流幅值和可变电抗子模块的数量确定IGBT器件的开关频率;
根据IGBT器件在所述开关频率下导通或关断使可变电抗子模块中二次电抗侧产生高频脉冲,进而调整一次电抗等效阻抗频率;
基于所述等效阻抗频率,通过控制单元IGBT器件的导通与关断使可变电抗装置产生相对主磁通的反向磁通并改变一次电抗上铁芯磁阻,增大所述一次电抗的阻抗,从而增加所述直流系统中的等效阻抗。
优选的,基于所述等效阻抗频率,通过控制单元IGBT器件的导通与关断使可变电抗装置产生相对主磁通的反向磁通并改变一次电抗上铁芯磁阻,增大所述一次电抗的阻抗,从而增加所述直流系统中的等效阻抗,包括:
当等效阻抗频率为0时,等效阻抗的阻抗不变;
当等效阻抗频率为无穷大时,所述等效阻抗的阻抗趋近于无穷大。
优选的,所述等效阻抗的阻抗用下式表示:
XL=2πLf0
式中:XL为等效阻抗的阻抗,f0为等效阻抗频率;L表示串入电抗的电抗值。
本发明具有的有益效果是:
本发明提供的一种直流系统故障限流装置及方法,所述故障限流装置接入换流阀的直流出口端的直流线路中,包括1个或多个串联的可变电抗子模块;可变电抗子模块包括:相互连接的电抗单元和功率单元,所述功率单元用于监测直流线路的电流,当本发明的功率单元根据所述电流判断出直流系统线路发生过流故障即故障电流突升时,功率单元基于所述电流幅值改变电抗单元的阻抗大小,进而抑制故障电流的突升、延长故障响应时间,有利于对直流电网系统故障的抑制。
附图说明
图1是本发明提供的直流系统故障限流装置的示意图;
图2是本发明提供的可变电抗子模块拓扑图;
图3是本发明提供的直流系统故障限流方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案,以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求,否则单独的组件和功能是可选的,并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围,以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中,本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示,这仅仅是为了方便,并且如果事实上公开了超过一个的发明,不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
实施例一
本发明提供一种直流系统故障限流装置,如图1所示,故障限流装置接入换流阀的直流出口端的直流线路中。
本发明的故障限流装置包括多个串联的可变电抗子模块,可变电抗子模块的数量需要根据具体的线路工程去计算,如果线路中的额定电流大,需要在故障时刻投入的阻抗大,那么就需要更多的可变电抗的数量。当然在线路额定电流不是很大的情况下,也可以用一组电抗子模块。
可变电抗子模块包括:相互连接的电抗单元和功率单元PU(Power Unit),功率单元用于监测直流线路的电流,且当根据所述电流判断出直流系统线路发生过流故障时,功率单元基于电流幅值改变电抗单元的阻抗大小以抑制过电流。
电抗单元包括耦合的一次电抗和二次电抗;一次电抗接入换流阀直流出口端的直流线路中。
功率单元如图2所示,包括2个功率器件组和控制模块,2个功率器件组与二次电抗串联构成电气回路。控制模块与电气回路耦合,用于采集线路的电流。
功率器件组包括:IGBT器件与IGBT器件反向并联的二极管,控制模块与IGBT器件驱动联接,IGBT器件根据控制模块给出的驱动信号以一定的开关频率导通或关断;其中T1和T2分别表示子模块的IGBT,其中D1和D2分别表示子模块的反向二极管。驱动信号由控制模块基于采集的电流幅值确定,开关频率由直流线路故障电流的大小和可变电抗子模块的数量确定。
实施例二
本发明提供一种直流电网故障限流方法,流程图如图3所示,包括:
S1:利用所述故障限流装置中各可变电抗子模块的功率单元监测直流线路的电流,并判断所述直流线路上是否发生过流故障;
S2:当所述直流线路发生过流故障时,基于所述电流幅值利用所述功率单元改变所述各可变电抗子模块的电抗单元的阻抗大小以抑制过电流;
本实施例中利用的故障限流装置为本发明提供的一种直流系统故障限流装置。
其中,步骤S1所述利用所述故障限流装置中各可变电抗子模块的功率单元监测直流线路的电流,并判断所述直流线路上是否发生过流故障,具体包括:
当与直流线路连接的电抗单元中一次电抗的电流发生突升时,所述电抗单元的二次电抗电压相应升高;所述控制模块监测到所述二次电抗电压相应升高时判断所述直流线路存在过流故障;
当与直流线路连接的电抗单元中一次电抗的电流未发生突升时,所述电抗单元的二次电抗电压保持;所述控制模块监测判断所述直流线路不存在过流故障。
步骤S2,所述基于所述电流幅值利用所述功率单元改变所述各可变电抗子模块的电抗单元的阻抗大小以抑制过电流,具体包括:
根据所述蹿升电流幅值和可变电抗子模块的数量确定IGBT器件的开关频率;
根据IGBT器件在所述开关频率下导通或关断使可变电抗子模块中二次电抗侧产生高频脉冲,进而调整一次电抗等效阻抗频率;
基于所述等效阻抗频率,通过控制单元IGBT器件的导通与关断使可变电抗装置产生相对主磁通的反向磁通并改变一次电抗上铁芯磁阻,增大所述一次电抗的阻抗,从而增加所述直流系统中的等效阻抗。
等效阻抗的阻抗用下式表示:
XL=2πLf0
式中:XL为等效电抗的阻抗,f0为等效电抗频率,当等效电抗频率为f0=0时,此时XL=0;当等效电抗频率为f0=∞,此时等效电抗的阻抗XL=∞。
方法将多组可变电抗装置串联接入换流阀的进口端实现对线路短路电流的抑制,包括1)稳态运行时的限流方式和2)故障运行时的限流方式。
其中:在稳态运行时,串联接入线路中的多组可变电抗装置在工频频率下运行,其一次电抗等效电抗值小(指的是在零频频率下运行下产生的等效电抗,数值可以忽略不计),以减小线路在传输过程中的能量损耗。
在直流电网发生短路故障时,流经一次电抗电流因故障发生而突升时,可变电抗装置中二次电抗检测到故障电流后按照故障电流值而设定功率控制单元IGBT器件的开关频率,产生的高频回路使得二次电抗呈现高阻抗,一次电抗呈现高阻抗并实现对故障电流的抑制。
本发明在稳态运行时,串入线路中的一次电抗等效电抗值较小,可以减小线路在传输过程中的能量损耗;在直流电网发生短路故障时,通过改变线路中串入的可变电抗实现对线路短路电流的抑制;
本发明提供的技术方案,可以使系统在不增加短路容量前提下的进一步扩建改造和发展壮大;有利于提高电力系统运行的安全、稳定性,提高供电可靠性、供电质量和经济效益;
本发明的抑制故障电流的突升可以延长故障响应时间,有利于对直流电网系统故障电流的抑制。
实施例三、
为了验证直流故障限流方法的正确性,本发明构建了仿真系统。
其中powergui设置为离散形式,采样周期为1e-6。主电路由一个1000V的直流电源、互感电感线圈、阻值为1欧姆串联而成;副回路有一个幅值为1000V频率为5000Hz的交流电压源、幅值为1000V频率为20000Hz的交流电压源、两个IGBT管、一个信号发生器、互感线圈、阻值为0.1欧姆的电阻组成。显示部分由一个万用表、两个分别设置为5000和20000Hz的RMS模块、三个示波器和两个to workspace组成。
工作原理:仿真开始后,通过调整互感线圈的互感值并观察示波器波形对改变电路频率是否能够起到阻碍副回路电流作用进行判断。最后根据matlab中的数据做表格如下(自感值为1×10-3H):
互感值(H) 5000Hz电流有效值(A) 20000Hz电流有效值(A)
1×10<sup>-5</sup> 34.9460 8.8342
1×10<sup>-4</sup> 35.2278 8.9000
1×10<sup>-3</sup> 172.4868 50.1155
由此可知,当二次侧频率越高时,电流的抑制效果越大,呈现线性缩放的关系。
本发明的抑制故障电流的突升可以延长故障响应时间,有利于对直流电网系统故障电流的抑制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种直流系统故障限流装置,其特征在于,所述故障限流装置接入换流阀的直流出口端的直流线路中,包括1个或多个串联的可变电抗子模块;
所述可变电抗子模块包括:相互连接的电抗单元和功率单元,所述功率单元用于监测直流线路的电流,且当根据所述电流判断出直流系统线路发生过流故障时,所述功率单元基于所述电流幅值改变电抗单元的阻抗大小以抑制过电流。
2.如权利要求1所述的直流系统故障限流装置,其特征在于,所述电抗单元包括耦合的一次电抗和二次电抗;一次电抗接入换流阀直流出口端的直流线路中。
3.如权利要求2所述的直流系统故障限流装置,其特征在于,所述功率单元包括2个功率器件组和控制模块,所述2个功率器件组与二次电抗反向串联构成电气回路;
控制模块与所述电气回路耦合,用于采集线路的电流。
4.如权利要求3所述的直流系统故障限流装置,其特征在于,所述功率器件组包括:IGBT器件与所述IGBT器件反向并联的二极管,所述控制模块与IGBT器件驱动联接,所述IGBT器件根据控制模块给出的驱动信号以一定的开关频率导通或关断;
其中,所述驱动信号由控制模块基于采集的电流幅值确定。
5.如权利要求4所述的直流系统故障限流装置,其特征在于,所述开关频率由直流线路故障电流的大小和可变电抗子模块的数量确定。
6.如权利要求1所述的直流系统故障限流装置,其特征在于,所述可变电抗子模块的数量由接入直流线路的额定电流和过流阈值确定。
7.一种利用直流系统故障限流装置进行限流的方法,其特征在于,包括:
利用所述故障限流装置中各可变电抗子模块的功率单元监测直流线路的电流,并判断所述直流线路上是否发生过流故障;
当所述直流线路发生过流故障时,基于所述电流幅值利用所述功率单元改变所述各可变电抗子模块的电抗单元的阻抗大小以抑制过电流;
所述故障限流装置如权利要求1至6任一项所述的直流系统故障限流装置。
8.权利要求7所述的直流系统故障限流方法,其特征在于,所述利用所述故障限流装置中各可变电抗子模块的功率单元监测直流线路的电流,并判断所述直流线路上是否发生过流故障,包括:
当与直流线路连接的电抗单元中一次电抗的电流发生突升时,所述电抗单元的二次电抗电压相应升高;所述控制模块监测到所述二次电抗电压相应升高时判断所述直流线路存在过流故障;
当与直流线路连接的电抗单元中一次电抗的电流未发生突升时,所述电抗单元的二次电抗电压保持;所述控制模块监测判断所述直流线路不存在过流故障。
9.权利要求8所述的直流系统故障限流方法,其特征在于,所述基于所述电流幅值利用所述功率单元改变所述各可变电抗子模块的电抗单元的阻抗大小以抑制过电流,包括:
根据所述电流幅值和可变电抗子模块的数量确定IGBT器件的开关频率;
根据IGBT器件在所述开关频率下导通或关断使可变电抗子模块中二次电抗侧产生高频脉冲,进而调整一次电抗等效阻抗频率;
基于所述等效阻抗频率,通过控制单元IGBT器件的导通与关断使可变电抗装置产生相对主磁通的反向磁通并改变一次电抗上铁芯磁阻,增大所述一次电抗的阻抗,从而增加所述直流系统中的等效阻抗。
10.权利要求9所述的直流系统故障限流方法,其特征在于,基于所述等效阻抗频率,通过控制单元IGBT器件的导通与关断使可变电抗装置产生相对主磁通的反向磁通并改变一次电抗上铁芯磁阻,增大所述一次电抗的阻抗,从而增加所述直流系统中的等效阻抗,包括:
当等效阻抗频率为0时,等效阻抗的阻抗不变;
当等效阻抗频率为无穷大时,所述等效阻抗的阻抗趋近于无穷大。
11.权利要求10所述的直流系统故障限流方法,其特征在于,所述等效阻抗的阻抗用下式表示:
XL=2πLf0
式中:XL为等效阻抗的阻抗,f0为等效阻抗频率;L表示串入电抗的电抗值。
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