CN115360678A - 具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法，该断路器由三条支路和三个器件组成，三条支路分别为通流支路、转移支路和充放电支路，三个器件分别为金属性氧化物避雷器、预充电电容C和限流电抗器L_dc。本发明在故障隔离期间投入预充电电容，降低了避雷器的动作电压，从而减少避雷器两端并联的IGBT数量。此外，通过合理确定各个支路的通断顺序，保留并控制预充电电容中的能量，在不重新连接换流站与故障点的情况下实现了自适应重合闸。

Description

具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别 方法

技术领域

本发明属于柔性直流电网保护与控制领域，具体涉及一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法及系统。

背景技术

近年来，在碳达峰、碳中和国家战略目标驱动下，大规模可再生能源并入电网。然而，传统交流电网消纳大规模可再生能源的能力有限，甚至会出现“弃风、弃光”现象。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converters，MMC)的柔性直流输电技术能够最大限度地整合各种可再生能源和负荷，是大规模可再生能源消纳和并网的有效手段之一。

传输容量大、投资成本低的架空线路是构建柔性直流电网的主流形式，但是架设架空线路需要穿越复杂的地理环境，容易受到气象和环境的影响，发生故障的风险高。基于MMC的柔性直流电网是一个“低阻抗、低惯量”的系统，一旦发生直流故障，故障电流迅速上升至额定电流的数十倍而且缺乏自然过零点，造成了直流故障电流开断困难的问题。因此，研究可靠的故障清除技术，将故障电流及时切除是至关重要的。

直流断路器是故障清除技术的优选方案，能够在换流站不闭锁的情况下切除故障线路，保证故障穿越过程中非故障线路的功率传输。现有关于直流断路器的研究主要聚焦在三种类型上：机械式、全固态式以及混合式。其中，混合式直流断路器(hybrid DCcircuit breaker，HCB)兼顾了机械式直流断路器的通态损耗小和全固态式直流断路器的分断时间短的优点，成为具备较大发展潜力的故障清除方案。然而传统的混合式直流断路器的主断支路需要串联大量的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor，IGBT)，造成较高的经济成本，并且现有的混合式直流断路器多不具备故障类型判别能力。

为了进一步降低HCB的制造成本，提高柔性直流系统运行可靠性，本发明提出了一种具备自适应重合闸能力的HCB，该HCB利用预充电电容与转移支路的相互配合，为超快速机械开关(ultra-fast disconnector，UFD)提供了一个零电流、近乎零电压的分断条件，本发明的HCB在故障隔离期间投入了预充电电容，降低了避雷器的动作电压，从而减少避雷器两端并联的IGBT数量。此外，该HCB仅利用已有器件即可实现对电容的预充电和对故障性质的判别，拓展了直流断路器功能的同时无需额外增加投资成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法，能够降低混合式直流断路器的制造成本以及避免故障隔离后混合式直流断路器盲目重合闸于永久性故障造成的二次过流和二次过压问题。本发明的混合式直流断路器在故障隔离期间投入了预充电电容，降低了避雷器的动作电压，从而减少避雷器两端并联的IGBT数量。此外，通过合理确定各个支路的通断顺序，保留并控制预充电电容中的能量，在不重新连接换流站与故障点的情况下实现了自适应重合闸。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器，其特征在于：所述混合式直流断路器的拓扑结构由三条支路和三个器件构成；

所述三条支路分别为：

通流支路，包括依次串联的超快速开关UFD和IGBT反串联组成的LCS；

转移支路，包括一个IGBT开关组Q、一个超快速开关UFD₁和一个晶闸管阀组T₁，IGBT开关组Q与超快速开关UFD₁连接在同一条支路上，晶闸管阀组T₁连接在另一条支路上；

充放电支路，包括一个晶闸管阀组T₂、一个缓冲电感L₂和一个缓冲电阻R₂，晶闸管阀组T₂、缓冲电感L₂和缓冲电阻R₂三者串联布置，三者串联组合并联晶闸管阀组T₁两端；

所述三个器件分别为：

限流电抗器L_dc，一端连接在通流支路与转移支路的节点处，另一端直接与直流线路相连；

金属性氧化物避雷器MOA，并联在转移支路中的IGBT开关组Q的两端；

预充电电容C，一端连接在转移支路与充放电支路的节点处，另一端直接接地；

所述自适应重合闸能力是通过在故障隔离且线路去游离后，导通充放电支路，检测电容电流并与设定的电流阈值进行比较，进而判别故障类型，并根据判别结果进行重合闸或停电检修操作。

一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器的故障清除判别方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

t₀时刻，系统发生单极接地短路故障，故障电流流经通流支路，并且迅速上升，经一段延时，故障电流幅值达到保护装置启动值；

t₁时刻，保护装置检测到故障，立即导通转移支路的IGBT开关组Q及晶闸管阀组T₁，经一段时间，LCS内的IGBT完成电流开断，为UFD提供零电流、零电压分断条件，故障电流换流至转移支路，控制UFD启动分闸；

t₂时刻，UFD完成分闸动作的同时对转移支路内的Q施加关断信号，避雷器MOA两端电压迅速上升至启动电压，故障电流流经避雷器MOA，避雷器MOA开始泄放能量；

t₃时刻，能量泄放完毕，故障电流下降至零，控制UFD₁分闸，完成分闸动作，实现换流站与故障线路的物理隔离，由于故障点并未消失，预充电电容C继续向故障点放电；

t₄时刻，预充电电容C达到最大反向电压，故障线路上电流降为零，晶闸管阀组T₁自然关断，实现故障清除；

t₅时刻，故障隔离且故障线路完成去游离，导通晶闸管阀组T₂，检测重合闸电流并与设定的电流阈值比较进行故障类型的判别。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法在故障隔离期间投入了预充电电容，主动钳位直流侧电压，限制了故障电流的峰值，预充电电容的存在可以降低MOA的动作电压并与限流电抗器间进行能量转移，大大降低了避雷器的泄能需求。

2、本发明具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法，通过合理确定各个支路的通断顺序，保留并控制预充电电容中的能量，在不重新连接换流站与故障点的情况下实现了自适应重合闸；此外，利用直流电网给预充电电容进行自充电，无需配置单独的充电装置，不会额外增加投资成本。

3、本发明具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法，本发明的混合式直流断路器大大减少了全控型器件IGBT的使用数目而且控制逻辑清晰、原理简单，在经济性和分断性能上均具备一定的优势。

附图说明

图1为四端柔性直流输电系统图；

图2为本发明的直流断路器拓扑结构图；

图3为本发明的直流断路器正常运行阶段等效电路图；

图4为本发明的直流断路器故障检测阶段等效电路图；

图5为本发明的直流断路器故障隔离阶段等效电路图；

图6为本发明的直流断路器永久性故障下故障性质判别阶段等效电路图；

图7为本发明的直流断路器缓冲电阻的取值分析图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

图1是±500kV的四端柔性直流输电系统，在该系统中的每条直流线路上都安装了本发明的混合式直流断路器。下面首先给出本发明的具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器及故障清除判别方法的拓扑结构，然后分析本发明的混合式直流断路器在四端柔性直流输电系统中从故障发生到故障清除全过程的工作原理，最后分析了断路器的器件的参数设计与需求数量。

1、混合式直流断路器拓扑结构

本发明混合式直流断路器拓扑结构如图2所示。该直流断路器主要由三条支路和三个器件构成。三条支路分别为通流支路、转移支路和充放电支路，三个器件分别为金属性氧化物避雷器(metal oxide surge arrester，MOA)、预充电电容C和限流电抗器L_dc。通流支路由超快速机械开关UFD₁和LCS串联构成。其中，LCS由IGBT模块反串联构成。转移支路由主断开关Q、超快速机械开关UFD₂和晶闸管T₁构成。其中，主断开关Q由IGBT模块串联构成。充放电支路由晶闸管T₂、缓冲电感L_c和缓冲电阻R_c构成。

2、混合式直流断路器工作原理

分别介绍混合式直流断路器在系统正常运行期间和故障期间的工作原理。系统正常运行时，通流支路中的LCS和UFD₁处于导通状态。

此外，本发明的HCB可以利用直流系统给预充电电容C充电，无需为电容配备单独的充电设备。充电阶段的工作原理为：系统正常运行期间触发晶闸管T₂，直流系统通过缓冲电感L_c和缓冲电阻R_c给预充电电容C充电。当电容电压上升至系统额定电压时，充电电流下降至零，晶闸管T₂自然关断，充电过程结束。充电完成后，闭合超快速机械开关UFD₂，为故障隔离做准备。在正常运行期间的等效电路如图3所示。其中，U_dc为系统直流电压，R_L为线路电阻，L_L和L_dc分别为线路电抗和限流电抗。对该过程中的充电电流i_c进行解析计算，设预充电电容C的电压为u_c，根据KVL和电容元件的电压电流约束关系得：

解得：

i_c＝D₁e^αt cos(βt)+D₂e^αt sin(βt) (2)

其中：

由式(2)和式(3)可知，充电电流i_c的幅值大小和充电速度受到缓冲电感L_c和缓冲电阻R_c的影响，合理设定L_c和R_c的参数可以限制充电电流的幅值，避免对直流系统造成较大的冲击。

以发生单极接地短路故障为例，介绍混合式直流断路器在故障期间的工作原理。故障期间，本发明的HCB的工作过程主要分为故障检测阶段、故障隔离阶段以及故障性质判别阶段。

以下将结合这3个阶段介绍故障期间本发明的HCB的工作原理：

1)故障检测阶段

t₀时刻，系统发生单极接地短路故障，故障电流流经通流支路并持续上升。

经Δt₀延时(故障检测时间，一般取3ms)，保护装置在t₁时刻检测到故障。

故障检测阶段的等效电路如图4所示。为了简化计算过程，忽略故障隔离期间MMC子模块电容的投切特性，将MMC等效为由幅值为U_dc的直流电压源、等效电感L_s和等效电阻R_s构成的串联组合。根据KVL得：

解得：

式中，R_eq＝R_s+R_L，L_eq＝L_s+L_dc+L_L，i_dc(t_{0_})为系统正常运行阶段的稳态电流。由式(5)可知，在故障期间，限流电抗器L_dc的存在限制了故障电流的爬升速度。

2)故障隔离阶段

t₁时刻，立刻导通转移支路的主断开关Q及晶闸管T₁，为通流支路中的LCS提供零电压关断条件。t₁"时刻，LCS完成电流开断，故障电流换流至转移支路。此时，对UFD₁施加分闸信号。在UFD₁分闸期间，由于主断开关Q和晶闸管T₁的导通压降很小，而且UFD₁两端仅承受部分导通压降，因此UFD₁两端电压近乎为零，从而保证了超快速机械开关UFD₁在零电流、近乎零电压的情况下无弧分断。由于IGBT的触发和关断速度很快，仅数十us，为简化计算过程，理论分析中假设t₁＝t₁'＝t₁"。经Δt₁延时(超快速机械开关分闸时间，一般取2ms)，UFD₁在t₂时刻完成分闸动作并达到其额定开距。此时，对转移支路内的主断开关Q施加关断信号，MOA两端电压迅速上升，达到动作电压后，MOA被迫接入故障回路开始泄放剩余能量。经过Δt₂的能量泄放延时，MOA电流降低至零，此时控制UFD₂分闸。t₃时刻，UFD₂完成分闸操作并达到其额定开距，实现了换流站与故障线路的物理隔离。在整个故障隔离期间，预充电电容C经限流电抗器与故障点形成放电回路。

故障隔离阶段等效电路如图5所示。其中，开关S₁等效表示主断开关Q的分断操作，开关S₂等效表示超快速机械开关UFD₂的分断操作。

由于在t₁～t₂和t₂～t₃期间，故障电流流通路径并不相同，因此针对这两个阶段分别进行求解。

在t₁～t₂期间，故障电流流通路径如图5中红色点划线所示。根据KVL、KCL和电容元件的电压电流约束条件得：

在t₂～t₃期间，MOA被迫接入故障回路，MOA等效为一个直流电压源U_MOA，故障电流流通路径如图5中绿色划线所示。根据KVL、KCL和电容元件的电压电流约束条件得：

对式(6)和式(7)难以直接求得解析解，目前常用的求解非线性常微分方程的方法是四阶龙格-库塔法，该方法具有较高得精确性和稳定性，故本文利用四阶龙格-库塔法来求u_c、i_dc和i_c的数值解。由数值解结果可知：u_c和U_MOA影响故障电流i_dc的幅值以及衰减速度，L_dc和C影响预充电电容电压u_c的衰减速度。

3)故障性质判别阶段

t₃时刻，电容能量继续向限流电抗器转移，故障线路电流持续上升，根据KVL和电容元件电压电流约束条件得：

解得电容电流i_c为：

其中：

经过Δt₃的能量转移延时，限流电抗器L_dc中的能量全部转移给预充电电容C，预充电电容C在t₄时刻达到最大反向电压，放电回路电流降为零，晶闸管T₁自然关断，实现了故障清除。为避免重合闸时盲目重合于永久性故障，应在故障隔离且故障线路去游离后，进行故障性质的判别。经Δt₄延时(故障线路去游离时间，一般为故障隔离后的300ms)，故障线路完成去游离。t₅时刻，导通晶闸管T₂，利用永久性故障和瞬时性故障情况下充放电支路中电流幅值的差异，判断故障性质。若故障为瞬时性故障，故障点消失，无法形成预充电电容C的反向放电回路，重合闸电流i_hz几乎为零；若故障为永久性故障，故障点存在，预充电电容C向故障点放电，等效电路如图6所示。

永久性故障下，预充电电容电压u_c和重合闸电流i_hz为：

其中：

由式(11)和式(12)可知，重合闸电流峰值和预充电电容正向电压取决于缓冲电感L_c、缓冲电阻R_c和预充电电容C的大小。t₆时刻，根据判断结果进行故障检修或恢复正常运行操作。

3、混合式直流断路器的参数设计与数量设计

3.1本发明的断路器的参数设计

1)限流电抗器L_dc

由式(5)可知，故障电流在t₁时刻达到峰值，其爬升速度与L_dc的大小成反比。另外，由式(11)可知，在故障性质判别阶段，重合闸电流峰值和爬升速度也与L_dc的大小成反比。

但是在实际工程中，高电感值的电抗器不仅制作困难而且会降低直流系统的动态性能，电感取值不能无限增大。因此，参照我国张北±500kV柔性直流工程设计，L_dc取为150mH。

2)预充电电容C

当故障电流换流至转移支路时，预充电电容C能够钳位线路侧电压，降低换流站与线路侧的电压差，从而使故障电流呈现下降趋势。为了实现故障电流的可靠软关断，在故障电流流经MOA期间，预充电电容C上的电压u_c需满足下式：

u_c＞U_dc-U_MOA (13)

由式(6)和式(7)可知，预充电电容C上的电压u_c与电容值大小有关。当电容值较大时，u_c下降速度较慢，需要设定的避雷器动作电压U_MOA较小；当电容值较小时，u_c下降速度较快，需要设定的避雷器动作电压U_MOA较大。由于转移支路的主断开关Q与避雷器并联，主断开关Q两端需要承受避雷器动作电压U_MOA，因此较大的预充电电容值，有助于降低主断开关Q的耐压要求。

另外，故障线路被隔离后，预充电电容C继续向故障点放电，线路侧故障电流持续增大。由式(9)可知，线路侧故障电流峰值与预充电电容值紧密相关，其峰值不允许超过线路最大电流I_{dc_max}，需满足：

其中：

由式(12)可确定预充电电容值的上限值。

综上所述，预充电电容值的选取需综合考虑开关组Q的耐压水平和线路侧故障电流的大小。本发明建议预充电电容C取值为350μF。

3)缓冲电阻R_c与缓冲电感L_c

在充电阶段，预充电电容C与缓冲电阻R_c、缓冲电感L_c构成了一个二阶电路。充电时只导通了晶闸管T₂，为了使预充电电容C充电至系统额定电压，二阶电路需保持过阻尼状态，即：

在故障判别阶段，若故障为永久性故障，预充电电容C经缓冲电阻R_c与缓冲电感L_c向故障点放电。由式(11)和式(12)可知，缓冲电阻R_c与缓冲电感L_c的取值影响了重合闸电流峰值和故障判别阶段结束后预充电电容C上正向电压的幅值。为单独分析R_c和L_c对重合闸电流峰值、故障判别阶段结束后预充电电容C上正向电压幅值的影响，此处暂时设定L_c为0.1H。由于预充电电容C为350μF，根据式(16)，缓冲电阻R_c的取值需大于33Ω。图7给出了缓冲电阻R_c为35Ω、40Ω和45Ω时重合闸电流和预充电电容的电压波形。由图7可知，缓冲电阻R_c越大，流过晶闸管T₂的重合闸电流峰值越小，有助于降低晶闸管T₂耐受过电流能力。但是，缓冲电阻R_c越大，故障判别阶段结束后预充电电容上正向电压的幅值越小，应对下一次故障时需要更长的时间将预充电电容充电至系统额定电压。因此，考虑到耐受过电流能力和恢复时间的限制，缓冲电阻值不宜过大，本发明建议缓冲电阻R_c取值为40Ω。

确定缓冲电阻R_c的参数后，根据式(16)可确定缓冲电感L_c的范围，其具体参数的选取可参考上述方法，此处不再重复分析。

3.2本发明的断路器的数量设计

1)通流支路元件数量

通流支路由负载转换开关LCS和超快速机械开关UFD₁构成。当系统正常运行时，LCS元件内的IGBT处于导通状态，IGBT承受的电压为零。当保护检测到故障时，立刻导通转移支路的主断开关Q和晶闸管T₁并关断LCS，通流支路两端电压几乎为零，因此LCS中IGBT不需要串联太多。根据上述分析，假设LCS中IGBT的额定电压、额定电流分别为U_IGBT、I_IGBT，LCS上承受的最大电压和流过的最大电流分别为U_{IGBT_max}、I_{IGBT_max}。考虑到LCS需具备双向流通电流能力，LCS中所需IGBT个数为：

2)转移支路元件数量

转移支路由主断开关Q、超快速机械开关UFD₂和晶闸管T₁构成。当系统正常运行时，主断开关Q处于断开状态，Q两端承受单极额定电压与预充电电容C上电压的差值。由于超快速机械开关UFD₂在预充电电容C充电至系统额定电压后才导通，因此正常运行时主断开关Q两端承压几乎为零。当保护检测到故障时，主断开关Q导通，两端承压为零；当UFD₁完成分闸动作并达到额定开距后，主断开关Q关断，Q两端承受避雷器动作电压U_MOA。根据上述分析，假设主断开关Q中IGBT的额定电压、额定电流分别为U_Q、I_Q，主断开关Q上流过的最大电流为I_{Q_max}。考虑到主断开关Q无需具备双向流通电流能力，主断开关Q中所需IGBT个数为：

当系统正常运行时，为了给预充电电容C充电，需要导通晶闸管T₂，晶闸管T₁两端承受充放电支路上的电压即承受缓冲电阻R_c和缓冲电感L_c上的电压；待预充电电容充电至系统额定电压，晶闸管T₂自然关断，晶闸管T₁两端承受单极额定电压与预充电电容C上电压的差值即为零；当保护检测到故障后，晶闸管T₁导通，T₁两端承压为零；当故障线路被隔离后，预充电电容C继续向故障点放电直至放电回路电流降为零，晶闸管T₁自然关断，T₁关断后需要承受预充电电容被反向充电后提供的最大反向电压U_{cb_max}。根据上述分析，假设晶闸管T₁额定电压、额定电流分别为U_T1、I_T1，T₁上流过的最大电流为I_{T1_max}，则晶闸管T₁所需的个数为：

3)充放电支路元件数量

充放电支路由晶闸管T₂、缓冲电感L_c和缓冲电阻R_c构成。由于充放电支路与晶闸管T₁并联，当晶闸管T₂处于关断状态时，T₂承受晶闸管T₁两端电压，即预充电电容C的最大反向电压U_{cb_max}；当晶闸管T₂处于导通状态时，T₂两端承压为零。根据上述分析，假设晶闸管T₂额定电压、额定电流分别为U_T2、I_T2，T₂上流过的最大电流为I_{T2_max}，则晶闸管T₂所需的个数为：

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器，其特征在于：所述混合式直流断路器的拓扑结构由三条支路和三个器件构成；

所述三条支路分别为：

通流支路，包括依次串联的超快速开关UFD和IGBT反串联组成的LCS；

转移支路，包括一个IGBT开关组Q、一个超快速开关UFD₁和一个晶闸管阀组T₁，IGBT开关组Q与超快速开关UFD₁连接在同一条支路上，晶闸管阀组T₁连接在另一条支路上；

充放电支路，包括一个晶闸管阀组T₂、一个缓冲电感L₂和一个缓冲电阻R₂，晶闸管阀组T₂、缓冲电感L₂和缓冲电阻R₂三者串联布置，三者串联组合并联晶闸管阀组T₁两端；

所述三个器件分别为：

限流电抗器L_dc，一端连接在通流支路与转移支路的节点处，另一端直接与直流线路相连；

金属性氧化物避雷器MOA，并联在转移支路中的IGBT开关组Q的两端；

预充电电容C，一端连接在转移支路与充放电支路的节点处，另一端直接接地；

所述自适应重合闸能力是通过在故障隔离且线路去游离后，导通充放电支路，检测电容电流并与设定的电流阈值进行比较，进而判别故障类型，并根据判别结果进行重合闸或停电检修操作。

2.根据权利要求1所述具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器的故障清除判别方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

t₀时刻，系统发生单极接地短路故障，故障电流流经通流支路，并且迅速上升，经一段延时，故障电流幅值达到保护装置启动值；

t₁时刻，保护装置检测到故障，立即导通转移支路的IGBT开关组Q及晶闸管阀组T₁，经一段时间，LCS内的IGBT完成电流开断，为UFD提供零电流、零电压分断条件，故障电流换流至转移支路，控制UFD启动分闸；

t₂时刻，UFD完成分闸动作的同时对转移支路内的Q施加关断信号，避雷器MOA两端电压迅速上升至启动电压，故障电流流经避雷器MOA，避雷器MOA开始泄放能量；

t₃时刻，能量泄放完毕，故障电流下降至零，控制UFD₁分闸，完成分闸动作，实现换流站与故障线路的物理隔离，由于故障点并未消失，预充电电容C继续向故障点放电；

t₄时刻，预充电电容C达到最大反向电压，故障线路上电流降为零，晶闸管阀组T₁自然关断，实现故障清除；

t₅时刻，故障隔离且故障线路完成去游离，导通晶闸管阀组T₂，检测重合闸电流并与设定的电流阈值比较进行故障类型的判别。

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