CN114243664A - 故障限流电路及直流配电网系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种故障限流电路及直流配电网系统。故障限流电路包括：开关模块，用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通，以及在直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开；限流模块，包括串联的第一电感和第一电阻；稳压模块，与开关模块、限流模块并联。限流模块中第一电感和第一电阻的串联结构可以快速减弱直流故障电流的大小，达到了快速限制直流故障电流上升速度的目的；稳压模块可以消耗限流模块和稳压模块两端产生的感应电动势，起到稳压作用。本发明提供的故障限流电路可以快速限制直流故障电流的上升速度，达到使直流断路器在换流器闭锁前切断直流故障电流的目的，进而保证直流配电网系统的可靠稳定运行。

Description

故障限流电路及直流配电网系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种故障限流电路及直流配电网系统。

背景技术

直流侧故障穿越能力是评价直流配电网的关键指标之一，相比于交流配电网，直流配电网系统的阻抗较低，但由于发生故障时直流故障电流上升的速度较快，直流配电网的故障穿越较困难。

目前，针对直流配电网故障穿越方法的研究，大多数利用驱动直流断路器来清除配电网中的故障，但发生故障时直流故障电流上升速度非常快，直流断路器不能及时地切除直流故障电流，这导致了直流配电网换流器闭锁，使直流配电网短时停运。

发明内容

基于此，有必要提供一种可以及时限制直流故障电流上升速度的故障限流电路及直流配电网系统。

一种故障限流电路，应用于直流配电网系统，所述故障限流电路包括：开关模块，用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通，以及在所述直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开；限流模块，包括串联的第一电感和第一电阻；稳压模块，与所述开关模块、所述限流模块并联。

在其中一个实施例中，所述第一电感的第一端与所述开关模块的输入端连接，所述第一电感的第二端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述开关模块的输出端连接。

在其中一个实施例中，还包括吸收模块，与所述限流模块、所述开关模块以及稳压模块并联，用于在所述直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下吸收过电压。

在其中一个实施例中，所述吸收模块包括避雷器。

在其中一个实施例中，所述稳压模块包括第一二极管，所述第一二极管与所述开关模块、限流模块并联，所述第一二极管的负极连接所述开关模块的输入端，所述第一二极管的正极连接所述开关模块的输出端。

在其中一个实施例中，所述开关模块包括绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一电感的第一端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第一电阻的第二端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收控制信号；所述控制信号用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极，以及在所述直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极。

一种直流配电网系统，所述直流配电网系统包括直流换流器、直流断路器、直流电网以及上述的故障限流电路，所述故障限流电路中所述开关模块的输入端连接所述直流换流器的输出端，所述开关模块的输出端通过所述直流断路器连接所述直流电网。

在其中一个实施例中，所述直流换流器包括模块化多电平换流器和混合式换流器。

在其中一个实施例中，所述开关模块包括绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一电感的第一端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第一电阻的第二端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的栅极连接所述直流换流器的控制模块，以接收所述控制模块输出的控制信号；所述控制信号用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极，以及在所述直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极。

在一个实施例中，所述阈值电流的范围在1.1～1.2p.u.内，其中，p.u.为标幺值。

本申请实施例提供一种故障限流电路，该故障限流电路包括开关模块、限流模块和稳压模块。限流模块包括串联的第一电感和第一电阻，与开关模块、稳压模块两者并联。本申请提供的故障限流电路，在直流配电网存在故障，且产生较大的直流故障电流时，开关模块截止，以使直流故障电流流经限流模块和稳压模块，其中第一电感和第一电阻的串联结构可以快速减弱直流故障电流的大小，达到了快速限制直流故障电流上升速度的目的；在直流故障电流流经限流模块和稳压模块的瞬间，限流模块和稳压模块的两端会产生感应电动势，稳压模块的负极与正极分别作为输入和输出的连接方式可以消耗该感应电动势，从而起到稳定限流模块和稳压模块两端电压的功能。通过上述故障限流电路可以快速限制直流故障电流的上升速度，达到使直流断路器在换流器闭锁前切断直流故障电流的目的，进而保证直流配电网系统的可靠稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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为一个实施例中故障限流电路的结构示意图；

图2为一个实施例中故障限流电路的结构示意图；

图3为一个实施例中故障限流电路的结构示意图；

图4为一个实施例中直流配电网系统的结构示意图；

图5为一个实施例中直流配电网系统的结构示意图；

图6为一个实施例中直流配电网系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

请参见图1，在一个实施例中，本申请一个实施例提供一种故障限流电路，该故障限流电路包括开关模块110、限流模块120及稳压模块130，限流模块120包括串联的第一电感L和第一电阻R。开关模块110、限流模块120及稳压模块130并联在电路中。

在一个实施例中，直流配电网系统发生短路故障时会出现较高的电流，即直流故障电流，当短路故障发生后，直流故障电流会在短时间内迅速增大，因此通过判断此时的支流故障电流可以确定直流配电网系统是否发生短路故障，若有短路故障，则需尽快采取对应的措施来解除该故障，从而保证直流配电网系统的正常运行。在直流配电网系统无故障或者产生的直流故障电流较小的情况下，即直流故障电流小于阈值电流的情况下，开关模块110导通，此时限流模块120和稳压模块130被旁路；在直流配电网系统发生故障，产生了较大的直流故障电流，即直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下，开关模块110截止，以使直流故障电流流经限流模块120和稳压模块130。其中，限流模块120中第一电感L和第一电阻R的串联结构可以快速减弱直流故障电流的大小，达到了快速限制直流故障电流上升速度的目的，从而防止直流故障电流过大造成直流配电网系统短时停运。同时，第一电感可以将电能转换为磁能存储起来，进而增强限流模块120的故障穿越能力。故障穿越能力是指在直流配电网系统发生故障的情况下，避免系统发生短时停运，直至减弱直流故障电流在阈值电流值以下，即解除系统故障，让系统恢复原正常平稳运行状态的一种能力。在直流故障电流流经限流模块和稳压模块的瞬间，限流模块120和稳压模块130的两端会产生感应电动势，稳压模块的负极与正极分别作为输入和输出的连接方式可以消耗该感应电动势，从而起到稳定限流模块120和稳压模块130两端电压的功能，因此可以达到使直流断路器在换流器闭锁前切断直流故障电流的目的，进而保证直流配电网系统的可靠稳定运行。本实施例对第一电感的感抗值和第一电阻的阻值不作任何限制，只要能够实现其功能即可。在其他实施例中，第一电感可以是一个电感器，也可以是多个电感器串联。

请参见图2，在一个实施例中，本申请一个实施例提供一种故障限流电路，该故障限流电路还包括吸收模块140。其中，吸收模块140与开关模块110、限流模块120以及稳压模块130并联，用于在直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下吸收过电压。

在一个实施例中，在直流配电网正常运行的情况下无直流故障电流产生，此时吸收模块140无需作用；在直流配电网系统发生故障产生较大的直流故障电流时，即直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下，直流故障电流流过限流模块120和稳压模块130，因此限流模块120和稳压模块130两端会产生过电压，吸收模块140用于吸收限流模块120和稳压模块130两端的过电压，从而实现泄放过电压能量达到保护电路的目的，进而保证直流配电网系统能够正常运行。本实施例对吸收模块140的具体结构不作任何限定，只要能够实现其功能即可。

在一个实施例中，故障限流电路中的吸收模块140包括避雷器，例如管型避雷器和阀型避雷器。本实施例对避雷器的具体类型不作任何限定，只要能够实现其功能即可。

请参见图3，在一个实施例中，本申请一个实施例提供一种故障限流电路，该故障限流电路中的稳压模块130包括第一二极管D。第一二极管D与开关模块110、限流模块120并联，第一二极管D的负极连接开关模块110的输入端，第一二极管D的正极连接开关模块110的输出端。

在一个实施例中，当直流配电网发生故障(如直流双极短路故障)产生较大的直流故障电流时，开关模块110截止，流经限流模块120和稳压模块130的直流故障电流会突然增大，以及当直流配电网的故障穿越后开关模块110导通的瞬间，限流模块120和稳压模块130的电流会突然减小。在直流配电网发生故障或故障穿越结束的瞬间，限流模块120和稳压模块130两端会产生感应电动势，第一二极管D的负极与正极分别作为输入和输出的连接方式可以消耗该感应电动势，从而起到稳定限流模块120和稳压模块130两端电压模块的功能。本实施例对稳压模块130的具体结构不作任何限定，只要能够实现其功能即可。

请参见图4，在一个实施例中，本申请一个实施例提供一种故障限流电路，该故障限流电路中的开关模块110包括绝缘栅双极型晶体管T，绝缘栅双极型晶体管T的集电极与第一电感的第一端连接，绝缘栅双极型晶体管T的发射极与第一电阻的第二端连接，绝缘栅双极型晶体管的栅极T的栅极用于接收控制信号；控制信号用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极，以及在直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开绝缘栅双极型晶体管T的集电极与发射极。

在一个实施例中,绝缘栅双极型晶体管T在接收到控制信号后可以快速做出对应的响应，开关速度快，其中的控制信号可以来自直流配电网系统的换流器控制模块的输出端。如在直流配电网系统发生故障即绝缘栅双极型晶体管T的栅极接收到的控制信号为截止的情况下断开绝缘栅双极型晶体管T的集电极与发射极，以使直流故障电流流经限流模块120和稳压模块130；在直流配电网系统正常运行即绝缘栅双极型晶体管T的栅极接收到的控制信号为导通的情况下恢复集电极与发射极的导通状态，使直流配电网系统中的电流流经集电极和发射极。在其他实施例中，开关模块110可以是其他任意一个可以通过控制信号控制开关模块110的导通和截止的电子开关。如栅极可关断晶闸管、电力场效应晶体管、继电器等，它们在接收到来自直流配电网系统的换流器控制模块的输出端的控制信号后，可以快速做出对应的响应，以保证直流配电网系统可以正常运行。

请参见图5和图1，在一个实施例中，本申请一个实施例提供一种直流配电网系统，该直流配电网系统包括直流换流器510、直流断路器520、直流电网530及以上任意一个实施例所述的故障限流电路540，故障限流电路540中开关模块的输入端连接所述直流换流器510的输出端，开关模块的输出端通过直流断路器520连接所述直流电网530。

在一个实施例中，直流换流器510是由单个或多个环流桥组成的进行交、直流电能相互转换的设备，直流换流器510用于将交流电转换为直流电后将直流电输送至直流电网530。直流电网530可以将接收到的直流电转换为固定电压的直流电，以便于向各种用电设备供电。在直流配电网系统发生故障产生较大的直流故障电流时，故障限流电路540中的限流模块120快速限制故障电流的上升速度，因此直流断路器520可以在直流换流器510闭锁前切断直流故障电流，完成故障穿越，使直流配电网系统可靠连续运行。在直流配电网系统正常运行时，开关模块110导通，相当于一根导线；当直流配电网系统发生短路故障时，开关模块110会接收到来自直流配电网系统的换流器控制模块的输出端的截止信号后保持截止状态，此时的直流故障电流流经限流模块120和稳压模块120，此时限流模块120会分担一部分直流故障电流，使得直流配电网系统中的直流故障电流减小，从而防止在直流断路器520切断直流故障电流之前造成直流换流器510闭锁，引起直流配电网系统的短时停运。由于直流配电网系统包括以上任意一个实施例所述的故障限流电路540，因此，该直流配电网系统具有故障限流电路440的所有结构和有益效果，在此不再赘述。

在一个实施例中，直流配电网系统中的直流换流器包括模块化多电平换流器和混合式换流器。电压高、容量大、规模大可以作为直流换流器的选择依据，因此本实施例对直流换流器的具体类型、结构不作任何限定，只要能够实现其功能即可。

请参见图6，在一个实施例中，本申请一个实施例提供一种直流配电网系统，该直流配电网系统的开关模块包括绝缘栅双极型晶体管T，绝缘栅双极型晶体管T的集电极与第一电感L的第一端连接，绝缘栅双极型晶体管T的发射极与第一电阻R的第二端连接，绝缘栅双极型晶体管T的栅极连接直流换流器510的控制模块，以接收控制模块输出的控制信号；控制信号用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极，以及在直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开绝缘栅双极型晶体管T的集电极与发射极。

在一个实施例中，直流换流器510的控制模块检测直流配电网中支流故障电流大于或等于阈值电流时，会向绝缘栅双极型晶体管T的栅极发送一个令绝缘栅双极型晶体管T截止的控制信号，绝缘栅双极型晶体管T接收到控制信号后立即截止集电极和发射极，使直流故障电流流经限流模块120和稳压模块130，防止直流故障电流过高，导致换流器闭锁。直流换流器410的控制模块检测到直流配电网中直流故障电流小于阈值电流时，即故障穿越后，会向绝缘栅双极型晶体管T的栅极发送一个令绝缘栅双极型晶体管T导通的控制信号，绝缘栅双极型晶体管T接收到控制信号后立即导通集电极和发射极，使限流模块120和稳压模块130被旁路。

在一个实施例中，所述阈值电流的范围在1.1～1.2p.u.内，其中，p.u.为标幺值。

在一个实施例中，阈值电流是由工作人员根据直流配电网系统正常工作时和发生故障时的电流值进行预先设置的，用于和直流配电网系统侧的电流进行比较，若直流配电网系统侧的电流小于预先设置的阈值电流，则直流配电网系统侧此时不存在短路电流，可以确定直流配电网系统此时处于正常工作状态；若直流配电网系统侧的电流大于或等于预先设置的阈值电流，则直流配电网系统侧此时存在短路电流，即直流故障电流，可以确定直流配电网系统此时发生了短路故障。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种故障限流电路，其特征在于，应用于直流配电网系统，所述故障限流电路包括：

开关模块，用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通，以及在所述直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开；

限流模块，包括串联的第一电感和第一电阻；

稳压模块，与所述开关模块、所述限流模块并联。

2.根据权利要求1所述的故障限流电路，其特征在于，所述第一电感的第一端与所述开关模块的输入端连接，所述第一电感的第二端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述开关模块的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的故障限流电路，其特征在于，还包括：

吸收模块，与所述限流模块、所述开关模块及所述稳压模块并联，用于在所述直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下吸收过电压。

4.根据权利要求3所述的故障限流电路，其特征在于，所述吸收模块包括避雷器。

5.根据权利要求1所述的故障限流电路，其特征在于，所述稳压模块包括：

第一二极管，与所述开关模块、限流模块并联，所述第一二极管的负极连接所述开关模块的输入端，所述第一二极管的正极连接所述开关模块的输出端。

6.根据权利要求2所述的故障限流电路，其特征在于，所述开关模块包括绝缘栅双极型晶体管，

所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一电感的第一端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第一电阻的第二端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收控制信号；所述控制信号用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极，以及在所述直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极。

7.一种直流配电网系统，其特征在于，所述直流配电网系统包括直流换流器、直流断路器、直流电网以及权利要求1至5任意一项所述的故障限流电路，所述故障限流电路中所述开关模块的输入端连接所述直流换流器的输出端，所述开关模块的输出端通过所述直流断路器连接所述直流电网。

8.根据权利要求7所述的直流配电网系统，其特征在于，所述直流换流器包括模块化多电平换流器和混合式换流器。

9.根据权利要求7所述的直流配电网系统，其特征在于，所述开关模块包括绝缘栅双极型晶体管，

所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一电感的第一端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第一电阻的第二端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的栅极连接所述直流换流器的控制模块，以接收所述控制模块输出的控制信号；所述控制信号用于在直流故障电流小于阈值电流的情况下导通所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极，以及在所述直流故障电流大于或等于阈值电流的情况下断开所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极。

10.根据权利要求7所述的直流配电网系统，其特征在于，所述阈值电流的范围在1.1～1.2p.u.内，其中，p.u.为标幺值。

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