CN114243648A - 一种预限流型混合式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

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臧谦
贾伯岩
庞先海
杨鹏
范辉
马天祥
李秉宇
张鹏
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current

Abstract

本发明涉及一种预限流型混合式直流断路器，其包括并联设置的通流支路和故障处理支路；所述通流支路包括串联设置的超快速机械开关UFD以及辅助通流开关LCS；所述故障处理支路包括电流转移部分、限流部分以及分断部分。本发明在电网出现过电流时预先将限流回路投入，并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行，增加了系统的可靠性。限流部分中的辅助电容无需反向充电，增加了其使用寿命，本发明使用辅助电容和半控型器件晶闸管实现了限流电感的快速投切，限制了故障电流增长速度和幅值，降低了直流断路器对分断电流能力的要求，增加了系统的可靠性和经济性。

Description

一种预限流型混合式直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明属于高压柔性直流输电网领域，具体涉及一种预限流型混合式直流断路器及其控制方法。
背景技术
伴随着新能源与电力电子技术的不断发展，基于模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)的多端柔性直流输电技术在国内外引起了广泛关注。然而由于直流电网具有低阻尼、弱惯性等特征，若系统发生故障时，故障电流会短时间内达到电力电子器件耐流极限，且直流故障电流自身无自然过零点，大大增加了故障切除难度，因此如何应对直流故障已经成为该领域的主要问题之一。
基于高压直流断路器的保护方案由于其具备选择性特点，能在切除故障线路的同时，保证电网中的非故障线路在故障期间正常运行，提高系统整体可靠性，吸引了国内外研究人员的关注。目前，常用的直流断路器主要可以分为机械式、固态式和混合式。因为混合式直流断路器兼具机械式直流断路器的经济性和固态式直流断路器的反应速度，具备通态损耗低、分断快速可控、可靠性高等优势，在直流电网中具有广阔的应用前景。目前混合式直流断路器技术已经较为成熟，实现了工程应用，但集成限流功能的混合式直流断路器还处于理论研究阶段，未来直流系统必然会将直流断路器与限流器集成化投运，以提升设备的经济性和可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种预限流型混合式直流断路器及其控制方法，提高多端直流电网在直流故障下的运行可靠性，同时降低对直流断路器分断电流能力的要求。
本发明所采用的技术方案是：
一种预限流型混合式直流断路器，其包括并联设置的通流支路和故障处理支路；
所述通流支路包括串联设置的超快速机械开关UFD以及辅助通流开关LCS；
所述故障处理支路包括电流转移部分、限流部分以及分断部分。
进一步的，所述辅助通流开关LCS包括反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T1。
进一步的，所述电流转移部分包括支路1、支路2、支路3以及支路4，支路1的阳极与支路2的阴极串联，二者的连接点与通流支路一端相连；支路3的阳极与支路4的阴极串联，二者的连接点与通流支路的另一端相连；
支路1和支路2串联组成的支路与支路3和支路4串联组成的支路并联连接。
进一步的，所述支路1包括串联的晶闸管组T2和二极管组D2，支路2包括串联的晶闸管组T3和二极管组D3，支路3包括串联的晶闸管组T4和二极管组D4，支路4包括串联的晶闸管组T5和二极管组D5。
进一步的，所述限流部分包括辅助电容C、限流电感L以及晶闸管；其中，
一定数量的晶闸管串联后组成晶闸管组T7的阴极与电容C的负极相连；电容C的正极与另一特定数量串联的晶闸管组T8的阴极相连；T8的阳极分别与T7的阳极和限流电感L相连；限流电感L的另一端与支路1的阴极相连；一定数量的晶闸管串联后组成晶闸管组T6的阳极与支路1的阴极相连，T6的阴极与辅助电容C的阳极相连。
进一步的，所述分断部分包括并联设置的反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T9和一个避雷器MOA，所述分断部分的一端与辅助电容C正极相连，另一端与支路2的阳极相连。
进一步的，支路1、支路2、支路3和支路4中的晶闸管数量相同。
进一步的，支路1、支路2、支路3和支路4中的二极管数量相同。
进一步的，所述晶闸管组中晶闸管的数量根据需要开断的直流母线电压和辅助电容C的预充电电压确定。
进一步的，所述限流电感L的电感值根据期望的限流效果确定。
一种预限流型混合式直流断路器的控制方法，其包括以下流程：
假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在直流断路器的右端，将直流断路器左侧称为非故障侧，右侧称为故障侧；
阶段1(t0-)：系统正常工作时电流流经通流支路；
阶段2(t0-t1)：t0时刻检测到电网电流异常时，向T2、T5、T6和T9发送导通触发信号，同时关断通流支路中的T1并给UFD发出分闸指令，此时系统电流从通流支路自然转移至故障处理支路；
阶段3(t1-t2)：t1时刻，UFD完成分断，此时向T7和T8发送导通触发信号，并撤去T6的导通触发信号，待T6完全关断后，限流电感L和辅助电容C串入线路；
阶段4(t2-t3)：t2时刻，辅助电容C放电完毕，因T8承受正向压降而导通，同时T7承受反向电压而关断，此时电流全部转移至T8所在支路，辅助电容C被旁路，限流电感L完全投入，进而实现了预限流功能；
阶段5(t3-t4)：t3时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的T9发送关断信号；若确认未发生故障，则向支路3中的T4发送导通触发信号，同时闭合UFD；
阶段6(t4-t5)：t4时刻，UFD完全闭合，导通通流支路的T1，同时关断分断部分的T9，并撤去T2、T4、T5、T7和T8的导通触发信号，即可将故障处理支路的电流转移至通流支路；当流经T2、T4、T5、T7和T8的电流小于其维持电流后，实现自然关断。
本发明的积极效果为：
采用本发明的技术方案当电网出现过电流时预先将限流回路投入，并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行，增加了系统的可靠性。限流部分中的辅助电容无需反向充电，增加了其使用寿命，本发明使用辅助电容和半控型器件晶闸管实现了限流电感的快速投切，限制了故障电流增长速度和幅值，降低了直流断路器对分断电流能力的要求，增加了系统的可靠性和经济性。本发明在多端口柔性直流输电领域等场合有较好的使用价值和经济效益。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明拓扑示意图；
图2为本发明故障处理支路拓扑示意图；
图3为本发明限流部分拓扑示意图；
图4为本发明分断部分拓扑示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如附图1所示，为了提高多端直流电网在直流故障下的运行可靠性，同时降低对直流断路器分断电流能力的要求，本发明提出一种预限流型混合式直流断路器及其控制方法，以实现系统故障后有效限制故障电流的上升速率及幅值，实现适用于多端直流电网可靠的故障穿越。
具体来说，本发明包括通流支路和故障处理支路；其中：
通流支路由超快速机械开关UFD和辅助通流开关LCS串联组成；故障处理支路由电流转移部分、限流部分和分断部分组成。
所述辅助通流开关LCS由反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T1构成；
所述电流转移部分包括支路1、支路2、支路3和支路4；每个支路均由一定数量的晶闸管和二极管串联组成，其中由晶闸管T2和二极管D2串联组成支路1的阳极与由晶闸管T3和二极管D3串联组成支路2的阴极串联，它们的连接点与通流支路一端相连；由晶闸管T4和二极管D4组成支路3的阳极与由晶闸管T5和二极管D5组成支路4的阴极串联，它们的连接点与通流支路的另一端相连。支路1和支路2串联组成的支路与支路3与支路4串联组成的支路并联连接；
所述限流部分由辅助电容C、限流电感L和晶闸管组成；其中，一定数量的晶闸管串联后组成晶闸管组T7的阴极与辅助电容C的负极相连；辅助电容C的正极与另一特定数量串联的晶闸管组T8的阴极相连；T8的阳极分别与T7的阳极和限流电感L相连；限流电感L的另一端与支路1的阴极相连；一定数量的晶闸管串联后组成晶闸管组T6的阳极与支路1的阴极相连，T6的阴极与辅助电容C的阳极相连；
所述分断部分由反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T9与一个避雷器MOA并联组成，其中分断部分的一端与辅助电容C的正极相连，另一端与支路2的阳极相连。
支路1、支路2、支路3和支路4中的晶闸管数量相同、二极管数量相同。而晶闸管组中晶闸管的数量由需要开关的直流母线电压和辅助电容C的预充电电压决定。限流电感L的电感值由期望的限流效果决定。
预限流型混合式直流断路器的控制方法包括以下流程：
假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在断路器的右端，将断路器左侧称为非故障侧，右侧称为故障侧；
阶段1(t0-)：系统正常工作时电流流经通流支路；
阶段2(t0-t1)：t0时刻检测到电网电流异常时，向T2、T5、T6和T9发送触发信号，同时关断通流支路中的T1并给UFD发出分闸指令，此时可以将电网电流从通流支路自然转移至故障处理支路；
阶段3(t1-t2)：t1时刻，UFD完成分断，此时向T7和T8发送触发信号，并撤去T6的触发信号，由于辅助电容C已完成预充电，T6会承受一段时间的反向电压，从而使其恢复正向阻断能力，待T6完全关断后，限流电感L和辅助电容C串入线路，其中限流电感L起到限流作用；
阶段4(t2-t3)：t2时刻，辅助电容C放电完毕，因T8承受正向压降而导通，同时T7承受反向电压而关断，此时电流全部转移至T8所在支路，辅助电容C被旁路，限流电感L完全投入，进而实现了预限流功能；
阶段5(t3-t4)：t3时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的T9发送关断信号，此时电流转移至MOA，因为MOA自身伏安特性会在故障线路中呈现很大的反向电压，从而实现故障电流切断；若确认未发生故障，则向支路3中的T4发送导通信号，使其构成限流电感的放电回路，同时闭合UFD；
阶段6(t4-t5)：t4时刻，UFD完全闭合，导通通流支路的T1，同时关断分断部分的T9，并撤去T2、T4、T5、T7和T8的导通信号，即可将故障处理支路的电流转移至通流支路；当流经T2、T4、T5、T7和T8的电流小于其维持电流后，实现自然关断。
本发明使用辅助电容和半控型器件晶闸管实现了限流电感的快速投切，限制了故障电流增长速度和幅值，降低了直流断路器对分断电流能力的要求，增加了系统的可靠性和经济性。
本发明在多端口柔性直流输电领域等场合有较好的使用价值和经济效益。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于其包括并联设置的通流支路和故障处理支路；
所述通流支路包括串联设置的超快速机械开关UFD以及辅助通流开关LCS；
所述故障处理支路包括电流转移部分、限流部分以及分断部分。
2.根据权利要求1所述的一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于所述辅助通流开关LCS包括反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T1。
3.根据权利要求1所述的一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于所述电流转移部分包括支路1、支路2、支路3以及支路4，支路1的阳极与支路2的阴极串联，二者的连接点与通流支路一端相连；支路3的阳极与支路4的阴极串联，二者的连接点与通流支路的另一端相连；
支路1和支路2串联组成的支路与支路3和支路4串联组成的支路并联连接。
4.根据权利要求3所示的一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于所述支路1包括串联的晶闸管组T2和二极管组D2，支路2包括串联的晶闸管组T3和二极管组D3，支路3包括串联的晶闸管组T4和二极管组D4，支路4包括串联的晶闸管组T5和二极管组D5。
5.根据权利要求3所述的一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于所述限流部分包括辅助电容C、限流电感L以及晶闸管；其中，
一定数量的晶闸管串联后组成晶闸管组T7的阴极与电容C的负极相连；电容C的正极与另一特定数量串联的晶闸管组T8的阴极相连；T8的阳极分别与T7的阳极和限流电感L相连；限流电感L的另一端与支路1的阴极相连；一定数量的晶闸管串联后组成晶闸管组T6的阳极与支路1的阴极相连，T6的阴极与辅助电容C的阳极相连。
6.根据权利要求5所述的一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于所述分断部分包括并联设置的反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T9和一个避雷器MOA，所述分断部分的一端与辅助电容C正极相连，另一端与支路2的阳极相连。
7.根据权利要求5所述的一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于支路1、支路2、支路3和支路4中的晶闸管数量相同，二极管数量相同。
8.根据权利要求6所述的一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于所述晶闸管组中晶闸管的数量根据需要开断的直流母线电压和辅助电容C的预充电电压确定。
9.根据权利要求5所述的一种预限流型混合式直流断路器，其特征在于所述限流电感L的电感值根据期望的限流效果确定。
10.一种预限流型混合式直流断路器的控制方法，其特征在于其包括以下流程：
假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在直流断路器的右端，将直流断路器左侧称为非故障侧，右侧称为故障侧；
阶段1(t0-)：系统正常工作时电流流经通流支路；
阶段2(t0-t1)：t0时刻检测到电网电流异常时，向T2、T5、T6和T9发送导通触发信号，同时关断通流支路中的T1并给UFD发出分闸指令，此时系统电流从通流支路自然转移至故障处理支路；
阶段3(t1-t2)：t1时刻，UFD完成分断，此时向T7和T8发送导通触发信号，并撤去T6的导通触发信号，待T6完全关断后，限流电感L和辅助电容C串入线路；
阶段4(t2-t3)：t2时刻，辅助电容C放电完毕，因T8承受正向压降而导通，同时T7承受反向电压而关断，此时电流全部转移至T8所在支路，辅助电容C被旁路，限流电感L完全投入，进而实现了预限流功能；
阶段5(t3-t4)：t3时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的T9发送关断信号；若确认未发生故障，则向支路3中的T4发送导通触发信号，同时闭合UFD；
阶段6(t4-t5)：t4时刻，UFD完全闭合，导通通流支路的T1，同时关断分断部分的T9，并撤去T2、T4、T5、T7和T8的导通触发信号，即可将故障处理支路的电流转移至通流支路；当流经T2、T4、T5、T7和T8的电流小于其维持电流后，实现自然关断。
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