CN114937979B - 一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器及其工作方法 - Google Patents

一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器及其工作方法

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Abstract

一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器由NCP模块、EAP模块以及FP模块三个部分构成，其工作方法包括SM闭合前、SM闭合后、NCP模块退出运行、EAP模块退出运行EAP模块退出运行及选择不同的运行模式五个阶段，能够针对不同性质故障采用不同的控制策略实现线路保护功能；结构简单，容易实现，且能够针对瞬时性故障，主要通过能量吸收支路与续流回路实现对故障电流的吸收与抑制，避免过电流损坏线路；针对永久性故障，能量吸收支路短时工作后断开连接，实现变换器侧与故障侧完全隔离。

Description

一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器及其工作方法
【技术领域】
本发明涉及直流输电线路保护领域，特别涉及一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器。
【背景技术】
直流输电在低损耗、高可控性以及无功补偿等方面具有优越性。但是与交流线路相比，直流输电系统缺乏电流自然过零点，故障切除难度大，无法通过机械断路器实现，因此需要采用一定的直流短路故障保护措施。直流短路故障保护措施主要分为两种，一种是对变换器的拓扑进行改进，另一种是在线路中加入直流断路器。
相较于改进变换器的拓扑结构，直流断路器所需电力电子器件更少，能量损耗更少，因此常采用直流断路器的方式作为直流短路故障的保护措施。直流断路器主要分为机械断路器、固态断路器以及混合断路器三类。由于直流短路故障不存在电流过零点，因此，采用机械断路器需要额外配置谐振电路产生电流过零点，实现故障切除，但故障电流切除时间长。固态断路器由纯半导体器件构成，虽然能够快速切除故障电流，但是需要大量串联器件，在正常运行状态下会增加功率损耗。混合直流断路器兼具机械断路器与固态断路器的优点，在降低故障切除时间的同时能够减少开关损耗。
直流短路故障通常包括两种类型，其中，单极短路故障是发生概率最大的直流侧故障类型，故障特征与系统的接地点有关。其中一极发生故障后，故障极电压降为0，非故障极电压变为原来的两倍。在故障发生与消除的全过程中，系统正负极电流一直保持稳定。因此，直流侧单极短路故障对系统运行的影响比较小，只要选择耐压值较高的直流侧线路，即可保证系统在短时故障状况下的稳定运行。其次，双极短路故障是最严重的直流侧故障之一，由于双极短路故障发生时，输电线路母线正负极短接，直流母线电压迅速下降为0，短路故障导致回路阻抗很小，将会造成直流母线、交流母线出现很严重的过电流现象。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器，它能够克服双极短路故障造成的严重过电流现象，以及一般直流断路器不具备故障限流功能，需要额外配合限流器的问题，是一种针对由双极短路故障造成的过电流进行抑制的混合直流断路器。
本发明的技术方案：一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器，其特征在于它包括NCP(Nominal Current Path，标称电流支路)模块、EAP(Energy Absorption Path，能量吸收支路)模块以及FP(Freewheeling Path，续流支路)模块三个部分；其中，所述EAP模块和NCP模块呈并联连接关系，一端接入直流母线的电流流出端，另一端连接FP模块及同一条直流母线(相当于串联在电流流出端的直流母线)；所述FP模块的另一端与另一条直流母线，即直流母线流入端连接，相当于并联在两条直流母线上。
所述NCP模块是由负载连接开关LCS(Load Communication Switch)与机械开关K两部分构成；所述开关K的一端连接直流母线流出端，其另一端与LCS连接，与连接开关LCS呈串联关系连接；所述负载连接开关LCS的另一端连接FP模块及同一条直流母线。
所述负载连接开关LCS是由两个反向并联二极管的NPN型三极管组成，其中第一个三极管的集电极连接机械开关K的电流流出端，发射极连接第二个三极管的发射极；第二个二极管的集电极与EAP模块的电流流出端相连接，即两个三极管构成反向串联的关系。
所述EAP模块是由晶闸管T1、故障电流抑制大电阻R3和并联能量吸收电容C1与续流电阻R1构成；所述晶闸管T1的阴极与故障电流抑制大电阻R3串联后再与相互并联的并联能量吸收电容C1与续流电阻R1的结构进行串联连接；所述晶闸管T1的阳极接收直流母线电流；所述相互并联的并联能量吸收电容C1与续流电阻R1的另一端连接另一条直流母线及FP模块。
所述FP模块是由一对控制电流流通方向的反并联的二极管T2、二极管T3及电流抑制电阻R4、能量吸收电容C2及续流电阻R2构成；所述二极管T2及二极管T3间呈控制电流流通方向的反并联连接方式，反并联后与电流抑制电阻R4串联，再与相互并联的能量吸收电容C2及续流电阻R2串联。
一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器的工作方法，其特征在于它包括四个运行模式，分别为SM(Sub-module，子模块)闭合前、SM闭合后、NCP模块退出运行和EAP模块退出运行，假设t0时刻直流输电线路出现双极短路故障，t1时刻SM闭锁，t2时刻断路器支路断开，同时吸收支路投入，t3时刻故障电流吸收支路退出运行；具体包括以下步骤：
(1)SM闭合前，时间段为t0-t1：
t0时刻故障发生后，系统直流侧电流快速上升，但尚未到达2倍电流值，双极短路故障尚未被识别，无法触发子模块闭锁，此时，系统仍然采用正常工作的模式，电流流经断路器支路模块、双极短路故障处模块，最后回到MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平变换器)模块；
(2)SM闭合后，时间段为t1-t2：
t1时刻检测到直流侧电流达到正常运行时电流的2倍时，发出所有子模块的闭锁信号；当子模块闭锁后，MMC模块等效为不可控整流桥，支路导通情况与t0-t1保持一致；
(3)NCP模块退出运行，时间段为t2-t3
判断故障类型的同时，系统进行故障电流的抑制工作；t2时刻NCP模块退出运行，EAP模块投入运行，同时FP模块也投入运行；通过EAP模块上的故障电流抑制大电阻R3对故障电流进行抑制，同时并联能量吸收电容C1吸收故障电流，当并联能量吸收电容C1吸收足够多的电流后呈现断路状态，此时电流通过续流电阻R1进行传输，并通过控制FP模块上的二极管T2导通；所述电流ifw通过二极管T2向能量吸收电容C2充电，同时利用电流抑制电阻R4对支路的故障电流进行抑制，电流iL通过线路传输到故障点；在这个时间间隔内，系统能够为负载提供短时的功率支撑，针对短时故障无需进行下一步控制；
(4)EAP模块退出运行EAP模块退出运行，时间段为t3-t4
t3时刻，若判断出故障为永久性故障后，EAP模块退出运行，FP模块继续投入使用，实现MMC侧与故障侧的完全隔离，此时，并联能量吸收电容C1中存储的电量通过续流电阻R1进行消耗，电流缓慢衰减为0；所述FP模块上的二极管T3导通，能量吸收电容C2向故障侧进行放电，电流通过支路电阻逐渐衰减为0；
(5)根据瞬时性故障和永久性故障两种类型选择不同的运行模式；其中，瞬时性故障主要实现故障电流的抑制，即上述(1)-(3)；永久性故障主要实现故障侧与非故障侧的完全隔离，即上述(1)-(4)。
本发明的优越性：提出一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器，、能够有效抑制因双极短路故障造成的过电流现象，并能够根据实际的故障类型采用不同的控制策略实现线路保护，对于瞬时性故障，能够对故障电流的吸收与抑制，保证直流线路输送电流幅值维持在线路可承受范围内，从而避免因大电流导致温升而损坏线路；针对永久性故障能够实现变换器侧与故障侧完全隔离。
【附图说明】
图1是本发明所涉一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器中直流输电系统的拓扑结构示意图。
图2是本发明所涉一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器的拓扑结构示意图
图3是本发明所涉一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器的运行原理示意图(其中，图3-a为t0-t1：SMs阻塞前阶段，图3-b为t1-t2：SMs阻塞后的阶段；图3-c为t2-t3：NCP模块退出操作后的阶段，图3-d为t3-t4：EAP模块退出操作后的阶段)。
【具体实施方式】
实施例：一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器，如图2所示，其特征在于它包括NCP模块、EAP模块以及F模块三个部分；其中，所述EAP模块和NCP模块呈并联连接关系，一端接入直流母线的电流流出端，另一端连接FP模块及同一条直流母线，相当于串联在电流流出端的直流母线；所述FP模块的另一端与另一条直流母线，即直流母线流入端连接，相当于并联在两条直流母线上。
所述NCP模块是由负载连接开关LCS与机械开关K两部分构成；所述开关K的一端连接直流母线流出端，其另一端与LCS连接，与连接开关LCS呈串联关系连接；所述负载连接开关LCS的另一端连接FP模块及同一条直流母线，如图2所示。
所述负载连接开关LCS是由两个反向并联二极管的NPN型三极管组成，其中第一个三极管的集电极连接机械开关K的电流流出端，发射极连接第二个三极管的发射极；第二个二极管的集电极与EAP模块的电流流出端相连接，即两个三极管构成反向串联的关系，如图2所示。
所述EAP模块是由晶闸管T1、故障电流抑制大电阻R3和并联能量吸收电容C1与续流电阻R1构成；所述晶闸管T1的阴极与故障电流抑制大电阻R3串联后再与相互并联的并联能量吸收电容C1与续流电阻R1的结构进行串联连接；所述晶闸管T1的阳极接收直流母线电流；所述相互并联的并联能量吸收电容C1与续流电阻R1的另一端连接另一条直流母线及FP模块。
所述FP模块是由一对控制电流流通方向的反并联的二极管T2、二极管T3及电流抑制电阻R4、能量吸收电容C2及续流电阻R2构成；所述二极管T2及二极管T3间呈控制电流流通方向的反并联连接方式，反并联后与电流抑制电阻R4串联，再与相互并联的能量吸收电容C2及续流电阻R2串联，如图2所示。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图对本申请做进一步的详细说明。
本发明提供了一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器，包括：
如图1所示，采用最基本的两端直流输电结构，采用模块化多电平(MMC)作为换流器进行交直流转换；输电系统左侧为模块MMC1，右侧为模块MMC2，采用直流侧箝位电阻接地方式，箝位电阻阻值为Rd。模块MMC1和模块MMC2通过直流输电线路连接，输电线路电阻为Rline，电感为Lline。正常运行情况下，模块MMC1采用直流母线电压控制，模块MMC2采用输出功率控制。
混合式直流断路器的拓扑结构如图2所示。
直流断路器主要包括NCP模块、EAP模块以及FC模块三个部分。由于机械开关动作时间相对较慢，因此NCP模块包括负载连接开关LCS与机械开关K两部分，LCS实现快速隔离的作用，机械开关K则主要实现可靠关断的功能。EAP主要包括晶闸管T1，故障电流抑制大电阻R3和并联能量吸收电容C1与续流电阻R1。FP主要包括一对控制电流流通方向的反并联的二极管T2与T3，电流抑制电阻R4以及能量吸收电容C2与其续流电阻R2。
一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器，其特征在于直流断路器拓扑运行原理如图3所示，它包括SM闭合前、SM闭合后、NCP退出运行和EAP退出运行；其中，假设t0时刻直流输电线路出现双极短路故障，t1时刻子模块闭锁，t2时刻断路器支路断开，同时吸收支路投入，t3时刻故障电流吸收支路退出运行：具体工作方法包括如下内容：
如图3-a所示，t0-t1:t0时刻故障发生后，系统直流侧电流快速上升，尚未到达2倍电流值，双极短路故障尚未被识别，无法触发子模块闭锁，系统仍然采用正常工作的模式。电流流经断路器支路、双极短路故障处，最后回到MMC。
如图3-b所示，t1-t2:t1时刻检测到直流侧电流达到正常运行时的2倍时，产生子模块闭锁信号。子模块闭锁后，MMC等效为不可控整流桥，支路导通情况与t0-t1保持一致。
如图3-c所示，t2-t3:判断故障类型的同时，系统进行故障电流的抑制工作。t2时刻NCP退出运行，EAP投入运行，同时FP也投入运行。通过EAP上的大电阻R3对故障电流进行抑制，同时电容C1吸收故障电流，当电容C1吸收足够多的电流后呈现断路状态，此时电流通过R1进行传输。通过控制FP上的T2导通，电流ifw通过T2向电容C2充电，同时利用电阻R4对支路的故障电流进行抑制，电流iL通过线路传输到故障点。在这个时间间隔内，系统能够为负载提供短时的功率支撑，针对短时故障无需进行下一步控制.
如图3-d所示，t3-t4:t3时刻，结合系统其它算法判断出故障为永久性故障后，EAP退出运行，FP继续投入使用，实现MMC侧与故障侧的完全隔离，电容C1中存储的电量通过R1进行消耗，电流缓慢衰减为0。FP上的T3导通，电容C2向故障侧进行放电，电流通过支路电阻逐渐衰减为0。
步骤4，根据瞬时性故障和永久性故障两种类型选择不同的运行模式。瞬时性故障主要实现故障电流的抑制，永久性故障主要实现故障侧与非故障侧的完全隔离。
对于瞬时短路故障，故障解除后，EAP退出运行，NCP关断，系统正常运行。
对于永久性故障，EAP断开，EP继续投入，换流站与故障点完全隔离，通过续流支路的电容向故障点继续供电，电流快速衰减为0。
综上所述，本发明能够快速抑制故障电流，有效隔离直流故障。针对瞬时性故障与永久性故障提供不同的切换控制方法，保证在不同类型故障下均能够保证系统的安全。同时能够实现故障的快速隔离，减少故障电流对直流输电线路的损坏。

Claims (3)

1.一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器，其特征在于它包括NCP模块、EAP模块以及FP模块三个部分；其中，所述EAP模块和NCP模块呈并联连接关系，一端接入直流母线的电流流出端，另一端连接FP模块及同一条直流母线；所述FP模块的另一端与另一条直流母线，即直流母线流入端连接；
所述NCP模块是由负载连接开关LCS与机械开关K两部分构成；所述开关K的一端连接直流母线流出端，其另一端与LCS连接，与连接开关LCS呈串联关系连接；所述负载连接开关LCS的另一端连接FP模块及同一条直流母线；
所述EAP模块是由晶闸管T1、故障电流抑制大电阻R3和并联能量吸收电容C1与续流电阻R1构成；所述晶闸管T1的阴极与故障电流抑制大电阻R3串联后再与相互并联的并联能量吸收电容C1与续流电阻R1的结构进行串联连接；所述晶闸管T1的阳极接收直流母线电流；所述相互并联的并联能量吸收电容C1与续流电阻R1的另一端连接另一条直流母线及FP模块；
所述FP模块是由一对控制电流流通方向的反并联的二极管T2、二极管T3及电流抑制电阻R4、能量吸收电容C2及续流电阻R2构成；所述二极管T2及二极管T3间呈控制电流流通方向的反并联连接方式，反并联后与电流抑制电阻R4串联，再与相互并联的能量吸收电容C2及续流电阻R2串联。
2.根据权利要求1所述一种具备故障电流抑制能力的混合直流断路器，其特征在于所述负载连接开关LCS是由两个反向并联二极管的NPN型三极管组成，其中第一个三极管的集电极连接机械开关K的电流流出端，发射极连接第二个三极管的发射极；第二个二极管的集电极与EAP模块的电流流出端相连接，即两个三极管构成反向串联的关系。
3.一种权利要求1所述具备故障电流抑制能力的混合直流断路器的工作方法，其特征在于它包括四个运行模式，分别为SM闭合前、SM闭合后、NCP模块退出运行和EAP模块退出运行，假设t0时刻直流输电线路出现双极短路故障，t1时刻SM闭锁，t2时刻断路器支路断开，同时吸收支路投入，t3时刻故障电流吸收支路退出运行；具体包括以下步骤：
(1)SM闭合前，时间段为t0-t1：
t0时刻故障发生后，系统直流侧电流快速上升，但尚未到达2倍电流值，双极短路故障尚未被识别，无法触发子模块闭锁，此时，系统仍然采用正常工作的模式，电流流经断路器支路模块、双极短路故障处模块，最后回到MMC模块；
(2)SM闭合后，时间段为t1-t2：
t1时刻检测到直流侧电流达到正常运行时电流的2倍时，发出所有子模块的闭锁信号；当子模块闭锁后，MMC模块等效为不可控整流桥，支路导通情况与t0-t1保持一致；
(3)NCP模块退出运行，时间段为t2-t3
判断故障类型的同时，系统进行故障电流的抑制工作；t2时刻NCP模块退出运行，EAP模块投入运行，同时FP模块也投入运行；通过EAP模块上的故障电流抑制大电阻R3对故障电流进行抑制，同时并联能量吸收电容C1吸收故障电流，当并联能量吸收电容C1吸收足够多的电流后呈现断路状态，此时电流通过续流电阻R1进行传输，并通过控制FP模块上的二极管T2导通；所述电流ifw通过二极管T2向能量吸收电容C2充电，同时利用电流抑制电阻R4对支路的故障电流进行抑制，电流iL通过线路传输到故障点；在这个时间间隔内，系统能够为负载提供短时的功率支撑，针对短时故障无需进行下一步控制；
(4)EAP模块退出运行EAP模块退出运行，时间段为t3-t4
t3时刻，若判断出故障为永久性故障后，EAP模块退出运行，FP模块继续投入使用，实现MMC侧与故障侧的完全隔离，此时，并联能量吸收电容C1中存储的电量通过续流电阻R1进行消耗，电流缓慢衰减为0；所述FP模块上的二极管T3导通，能量吸收电容C2向故障侧进行放电，电流通过支路电阻逐渐衰减为0；
(5)根据瞬时性故障和永久性故障两种类型选择不同的运行模式；其中，瞬时性故障主要实现故障电流的抑制，即上述(1)-(3)；永久性故障主要实现故障侧与非故障侧的完全隔离，即上述(1)-(4)。
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