CN115549028B - 一种基于双耦合电感的串联型混合断路器 - Google Patents

一种基于双耦合电感的串联型混合断路器 Download PDF

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CN115549028B CN202211184273.7A CN202211184273A CN115549028B CN 115549028 B CN115549028 B CN 115549028B CN 202211184273 A CN202211184273 A CN 202211184273A CN 115549028 B CN115549028 B CN 115549028B
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Abstract

本发明提出了一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，属于电力设备技术领域；包括主支路模块、电压注入电路模块与充电电路模块；所述主支路模块不包含功率器件用以实现低通态损耗，所述电压注入电路模块用于在发生短路故障时产生注入电压，以实现加快故障中断速度，所述充电电路模块用于为储能电容充电；通过两个不同匝比的耦合电感串联实现了利用单一储能电容产生多电平的注入电压，进而实现了故障电流快速下降与交流纹波调制，减少了储能电容的数量，简化了储能电容的充电；并且，本发明在不添加检测信号或元件的基础上能识别短路故障性质(永久故障与非永久故障)，实现自适应重合闸，提升了直流系统的可靠性。

Description

一种基于双耦合电感的串联型混合断路器
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，具体的说是一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，适用于直流电力系统的故障保护。
背景技术
近年来，随着新能源技术的大规模应用，直流电力系统受到广泛关注。然而，目前直流电力系统的故障保护存在极大挑战，如线路阻抗小，故障电流上升过快；电流缺乏自然过零点，常规交流断路器难以适用等。直流断路器是直流系统故障保护的关键设备，对直流系统的稳定可靠具有极其重要的作用。
故障响应速度与通态损耗是评价直流断路器性能的两个关键指标。目前的机械式直流断路器故障响应速度慢；固态直流断路器通态损耗高；混合式直流断路器结合了机械断路器和固态断路器的优点，但其故障响应速度仍受限于机械开关的开关速度；改进型的混合直流断路器在主支路中添加一个换流开关(功率器件)与机械开关串联，大幅提升了故障响应速度，但是换流开关的通态损耗不可忽视。
为了解决直流断路器快响应速度与低通态损耗的矛盾，研究学者提出了串联型混合断路器，其主支路不含功率器件，仅由耦合电感的绕组与机械开关导通电流，具有极低的通态损耗；耦合电感产生感应电压使故障电流快速下降至零，无能量吸收支路，具有超快故障响应；通过电压注入电路控制耦合电感的感应电压使故障电流维持近似为零的模态，机械开关可零电流断开。
串联型混合断路器正常运行的关键是耦合电感的两电平注入电压，而其依赖于电压注入电路中两个不同电压等级的预充电电容。文献《HVDC Circuit Breakers CombiningMechanical Switches and a Multilevel PWM Converter:Verifification byDownscaled Models》提出了不可控整流单元向储能电容充电的方法，具有结构简单、成本低、效率高等优点，但是预充电电压存在调节困难，且易受到交流电网的波动的干扰。
现有技术CN110277921B，一种动态无线充电系统效率优化方法提出了无线充电装置具有充电速度快、高隔离电压、输出电压恒定等优点，能快速的完成储能电容的预充电，然而额外的充电装置将导致的断路器的成本与控制复杂性剧增。因此，串联型混合断路器的储能电容缺乏简单可靠的充电方案。
直流断路器的自适应重合闸控制策略对直流系统的可靠性与灵活性极为重要。文献《An Adaptive Reclosing Scheme for MMC-HVDC Systems Based on Pulse InjectionFrom Parallel Energy Absorption Module》通过在断路器的能量吸收回路中添加IGBT，控制IGBT注入电压脉冲，并结合行波分析法，实现自适应重合闸。文献《Novel ReclosingStrategy Based on Transient Operating Voltage in Pseudobipolar DC System WithMechanical DCCB》基于对系统瞬时工作电压或残余电压的分析，进行故障识别，提出了相应的重合闸控制策略。然而，这些方法需要添加辅助电路或者检测信号，将导致断路器的成本增加。目前，串联型混合断路器的自适应重合闸策略尚缺乏深入研究。
所以，简化储能电容的预充电电路与实现自适应重合闸是串联型混合断路器亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，解决现有技术中储能电容的预充电与自适应重合闸功能导致直流断路器成本与控制复杂性剧增的问题，适用于直流电力系统的故障保护。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，包括主支路模块、电压注入电路模块与充电电路模块；所述主支路模块不包含功率器件用以实现低通态损耗，所述电压注入电路模块用于在发生短路故障时产生注入电压，以实现加快故障中断速度，所述充电电路模块用于为储能电容充电。
进一步地，所述主支路模块包括机械开关、限流电感、高匝比耦合电感二次绕组与低匝比耦合电感二次绕组；
所述电压注入电路模块包括储能电容、第一全控型功率器件、第二全控型功率器件、第一续流二极管、第二续流二极管、高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组；
所述充电电路模块包括机械开关、第一限流电阻和第二限流电阻与普通二极管。
进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器在发生断短路故障时，有以下工作模态：
模态Ⅰ：主支路模块的机械开关闭合，导通路径中仅包括机械开关、限流电感与耦合电感二次绕组，不含任何功率器件；
模态Ⅱ：发生短路故障后，主支路模块的电流快速增加；
模态Ⅲ：当主支路模块的电流达到断路器的动作阈值，电压注入电路模块开启，第一全控型功率器件和第二全控型功率器件导通，高匝比耦合电感二次绕组的电压和低匝比耦合电感二次绕组的电压之和大于直流母线电压，迫使主支路模块的电流快速下降；
模态Ⅳ：第一全控型功率器件关断，第二全控型功率器件导通，低匝比耦合电感一次绕组与第一续流二极管构成续流回路；高匝比耦合电感二次绕组的电压与低匝比耦合电感二次绕组的电压之和小于直流母线电压，故障电流增加；断路器在模态Ⅲ与模态Ⅳ之间高频切换，以实现主支路模块电流为高频交流纹波状态；
模态V：主支路模块的机械开关断开，第一全控型功率器件和第二全控型功率器件导通，以抑制主支路模块中机械开关开启过程的电弧；
模态Ⅵ：第一全控型功率器件和第二全控型功率器件关断，主支路模块的机械开关承受直流母线电压，高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组储存的能量耗散在高匝比耦合电感一次绕组、低匝比耦合电感一次绕组、第一续流二极管和第二续流二极管的内阻上。
更进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器为避免出现电压注入电路模块失效的异常工作模态，其高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组的电压需满足以下关系：
Figure GDA0003943415840000031
其中，u11、u21分别为低匝比耦合电感一次绕组侧电压、高匝比耦合电感一次绕组侧电压，UC为储能电容的预充电电压。
进一步地，所述基于双耦合电感的串联型混合断路器的储能电容为直流母线取电。
更进一步地，所述充电电路模块的机械开关闭合，通过第一限流电阻、第二限流电阻与普通二极管对储能电容充电，充满电后，充电电路模块的机械开关断开。
更进一步地，所述储能电容电压
Figure GDA0003943415840000041
故障电流
Figure GDA0003943415840000042
其中，R1为第一限流电阻，R2为第二限流电阻，UC为储能电容的预充电电压，Udc直流母线电压。
进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器系统中短路故障为永久故障，模态Ⅳ中的主支路模块电流的上升率或下降率不变。
更进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器系统中短路故障为非永久故障，主支路模块电流的上升率变化值
Figure GDA0003943415840000043
与下降率变化值/>
Figure GDA0003943415840000044
满足以下关系：
Figure GDA0003943415840000045
其中，Δi2为模态Ⅳ的电流纹波，RL为负载电阻，L3为限流电感，L′4为短路故障点至断路器安装位置的寄生电感。
进一步地，通过主支路模块电流的上升率变化值
Figure GDA0003943415840000046
与下降率变化值/>
Figure GDA0003943415840000047
用于识别系统短路故障的性质。
更进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器收到合闸指令，立即进入交流纹波模态进行短路故障识别，若无短路故障，关闭电压注入电路模块，断路器切换至导通状态，否则恢复至断开状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过高匝比和低匝比两个不同匝比的耦合电感产生两电平注入电压，减少了储能电容的数量。
(2)本发明提出了从直流母线取电的储能电容充电方案，无需额外的充电装置，进一步简化了储能电容的充电，降低了断路器的成本及控制的复杂性。
(3)本发明无需添加额外的元件或者检测信号，通过分析Δdi2_Ⅲ/dt或Δdi2_Ⅳ/dt识别直流系统中短路故障的性质，实现了自适应重合闸，提升了直流系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构图；
图2是本发明中断短路故障时的关键波形图；
图3a是本发明中断短路故障时的工作模态Ⅰ(其中灰色部分为未导通电路)；
图3b是本发明中断短路故障时的工作模态Ⅱ(其中灰色部分为未导通电路)；
图3c是本发明中断短路故障时的工作模态Ⅲ(其中灰色部分为未导通电路)；
图3d是本发明中断短路故障时的工作模态Ⅳ(其中灰色部分为未导通电路)；
图3e是本发明中断短路故障时的工作模态Ⅴ(其中灰色部分为未导通电路)；
图3f是本发明中断短路故障时的工作模态Ⅵ(其中灰色部分为未导通电路)；
图4a是本发明的异常工作模态Ⅲ(其中灰色部分为未导通电路)；
图4b是本发明的异常工作模态Ⅳ(其中灰色部分为未导通电路)；
图5是本发明的储能电容充电方案示意图(其中灰色部分为未导通电路)；
图6是本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示为本发明的拓扑结构图，本发明包括主支路模块1、电压注入电路模块2与充电电路模块3。主支路模块1包括机械开关S1、限流电感L3、高匝比耦合电感二次绕组L22与低匝比耦合电感二次绕组L12。电压注入电路模块2包括储能电容C、第一全控型功率器件Q1、第二全控型功率器件Q2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、高匝比耦合电感一次绕组L21与低匝比耦合电感一次绕组L11。充电电路模块3包括机械开关S2、第一限流电阻R1、第二限流电阻R2与普通二极管D3。其中，T1为低匝比耦合电感，T2为高匝比耦合电感，u11为T1的一次绕组电压、u21为T2的一次绕组电压，u12为T1的二次绕组电压、u22为T2二次绕组电压，i11为T1的一次绕组电流、i12为T2一次绕组电流，i2为主支路模块1的电流，UC为储能电容C的预充电电压。
如图2、如图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f所示为本发明中断短路故障时的关键波形图，如图4a、图4b所示为本发明中断短路故障时的工作模态。其中，L4为正常运行时线路的寄生电感，L′4为短路故障点至断路器的寄生电感，Udc为直流电源，RL为负载；在发生断短路故障时，本发明有以下工作模态：
如图3a，模态Ⅰ(t0时刻前)：机械开关S1闭合，第一全控型功率器件Q1、第二全控型功率器件Q2断开，导通路径中仅有低匝比耦合电感二次绕组L12、高匝比耦合电感二次绕组L22、限流电感L3、正常运行时线路的寄生电感L4、机械开关S1，不含第一全控型功率器件Q1和第二全控型功率器件Q2，具有低通态损耗。
如图3b，模态Ⅱ(t0≤t＜t1)：t0时刻发生短路故障，主支路模块1的电流i2快速增加。
如图3c，模态Ⅲ(t1≤t＜t2)：t1时刻主支路模块1的电流i2达到断路器的动作阈值ith，电压注入电路模块2开启，第一全控型功率器件Q1与第二全控型功率器件Q2导通，u11＝u21＝UC，n1UC+n2UC>Udc，迫使主支路模块1的电流i2快速下降。
如图3d，模态Ⅳ(t2≤t＜t3)：t2时刻主支路模块1的电流i2下降至0，第二全控型功率器件Q2导通，第一全控型功率器件Q1关断，低匝比耦合电感一次绕组L11与第一续流二极管D1构成续流回路，u11＝0，u21＝UC，n2UC<Udc，主支路模块1的电流i2增加；t2≤t＜t3期间，第一全控型功率器件Q1高频开关，断路器在模态Ⅲ与模态Ⅳ间高频切换，以维持主支路模块1的电流i2为高频交流纹波状态，简称交流纹波模态。
如图3e，模态V(t3≤t＜t4)：t3时刻，机械开关S1断开，第一全控型功率器件Q1与第二全控型功率器件Q2导通，
Figure GDA0003943415840000074
机械开关S1承受反向电压，随着储能电容的放电，US1将进一步下降。
如图3f，模态Ⅵ(t4时刻后)：t4时刻，第一全控型功率器件Q1与第二全控型功率器件Q2关断，机械开关S1承受系统电压，高匝比耦合电感二次绕组L22与低匝比耦合电感二次绕组L12储存的能量耗散在高匝比耦合电感二次绕组L22与低匝比耦合电感二次绕组L12的内阻与第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的内阻上。
如图4a、图4b所示为本发明的异常工作模态，第一全控型功率器件Q1与第二全控型功率器件Q2的反并联二极管导通，第一全控型功率器件Q1与第二全控型功率器件Q2失去对T1的一次绕组电流i11和T2一次绕组电流i12的控制，电压注入电路模块2失效；为避免出现该异常工作模态，本发明的T1的一次绕组电压u11、T2的一次绕组电压u21需满足以下关系：
Figure GDA0003943415840000071
如图5所示为本发明的C的充电方案，机械开关S2闭合，直流母线通过第一限流电阻R1、第二限流电阻R2与普通二极管D3对储能电容C充电，充至
Figure GDA0003943415840000072
后，故障电流
Figure GDA0003943415840000073
在中低电压应用中，可取第二限流电阻R2＝∞，以简化充电电路；值得注意的是，储能电容C的预充电电压UC将跟随直流母线电压Udc的变化而变化，在直流母线电压出现较大波动时，本发明仍能可靠运行。
本发明可识别系统是否存在短路故障，无需添加额外的元件或检测信号，原理如下：
主支路模块1中各元件的电压满足以下方程：
Figure GDA0003943415840000081
其中，
Figure GDA0003943415840000082
为RL的电压。
低匝比耦合电感T1、高匝比耦合电感T2的电压电流的关系满足以下关系：
Figure GDA0003943415840000083
/>
Figure GDA0003943415840000084
其中，M1、M2分别为低匝比耦合电感T1和高匝比耦合电感T2的互感。
为简化分析，假定低匝比耦合电感T1、高匝比耦合电感T2为全耦合电感，它们的二次侧与一次侧的匝比分别定义为n1与n2，低匝比耦合电感21和高匝比耦合电感T2的互感M1、M2分别满足以下关系：
Figure GDA0003943415840000085
联立上式可得断路器关键工作模态主支路模块1的电流i2，T1的一次绕组电流i11，T2一次绕组电流i12的变化率，若系统中存在短路故障，交流纹波模态中主支路模块1的电流i2的上升率或下降率不变，系统中无短路故障，交流纹波模态中主支路模块1的电流12的上升率变化值
Figure GDA0003943415840000086
与下降率变化值/>
Figure GDA0003943415840000087
满足以下关系：
Figure GDA0003943415840000088
其中，Δi2为交流纹波模态的电流纹波。
因此，分析上升率变化值
Figure GDA0003943415840000091
或者下降率变化值/>
Figure GDA0003943415840000092
即可识别直流系统短路故障的性质(永久故障与非永久故障)。
如图6所示为本发明的控制方法流程，其故障中断过程不再赘述，本发明的自适应重合闸控制策略为断路器收到合闸指令，先进入交流纹波模态进行短路故障识别，若无短路故障，关闭电压注入电路模块2，断路器切换至导通状态，否则恢复至断开状态。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，包括主支路模块、电压注入电路模块与充电电路模块；所述主支路模块不包含功率器件用以实现低通态损耗，所述电压注入电路模块用于在发生短路故障时产生注入电压，以实现加快故障中断速度，所述充电电路模块用于为储能电容充电；
所述主支路模块包括机械开关、限流电感、高匝比耦合电感二次绕组与低匝比耦合电感二次绕组；
所述电压注入电路模块包括储能电容、第一全控型功率器件、第二全控型功率器件、第一续流二极管、第二续流二极管、高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组；
所述充电电路模块包括机械开关、第一限流电阻和第二限流电阻与普通二极管。
2.根据权利要求1所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，基于双耦合电感的串联型混合断路器在发生断短路故障时，有以下工作模态：
模态Ⅰ：主支路模块的机械开关闭合，导通路径中仅包括机械开关、限流电感与耦合电感二次绕组，不含任何功率器件；
模态Ⅱ：发生短路故障后，主支路模块的电流快速增加；
模态Ⅲ：当主支路模块的电流达到断路器的动作阈值，电压注入电路模块开启，第一全控型功率器件和第二全控型功率器件导通，高匝比耦合电感二次绕组的电压和低匝比耦合电感二次绕组的电压之和大于直流母线电压，迫使主支路模块的电流快速下降；
模态Ⅳ：第一全控型功率器件关断，第二全控型功率器件导通，低匝比耦合电感一次绕组与第一续流二极管构成续流回路；高匝比耦合电感二次绕组的电压与低匝比耦合电感二次绕组的电压之和小于直流母线电压，故障电流增加；断路器在模态Ⅲ与模态Ⅳ之间高频切换，以实现主支路模块电流为高频交流纹波状态；
模态V：主支路模块的机械开关断开，第一全控型功率器件和第二全控型功率器件导通，以抑制主支路模块中机械开关开启过程的电弧；
模态Ⅵ：第一全控型功率器件和第二全控型功率器件关断，主支路模块的机械开关承受直流母线电压，高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组储存的能量耗散在高匝比耦合电感一次绕组、低匝比耦合电感一次绕组、第一续流二极管和第二续流二极管的内阻上。
3.根据权利要求2所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，基于双耦合电感的串联型混合断路器为避免出现电压注入电路模块失效的异常工作模态，其高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组的电压需满足以下关系：
Figure FDA0004172850820000021
其中，u11、u21分别为低匝比耦合电感一次绕组侧电压、高匝比耦合电感一次绕组侧电压，UC为储能电容的预充电电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，所述基于双耦合电感的串联型混合断路器的储能电容为直流母线取电。
5.根据权利要求4所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，所述充电电路模块的机械开关闭合，通过第一限流电阻、第二限流电阻与普通二极管对储能电容充电，充满电后，充电电路模块的机械开关断开。
6.根据权利要求5所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，所述储能电容的预充电电压
Figure FDA0004172850820000022
故障电流
Figure FDA0004172850820000023
其中，R1为第一限流电阻，R2为第二限流电阻，UU为储能电容的预充电电压，Udc直流母线电压。
7.根据权利要求2所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，基于双耦合电感的串联型混合断路器系统中短路故障为永久故障，模态Ⅳ中的主支路模块电流的上升率或下降率不变。
8.根据权利要求7所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，基于双耦合电感的串联型混合断路器系统中短路故障为非永久故障，主支路模块电流的上升率变化值
Figure FDA0004172850820000031
与下降率变化值/>
Figure FDA0004172850820000032
满足以下关系：
Figure FDA0004172850820000033
其中，Δi2为模态Ⅳ的电流纹波，RL为负载电阻，L3为限流电感，L′4为短路故障点至断路器安装位置的寄生电感。
9.根据权利要求8所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，通过主支路模块电流的上升率变化值
Figure FDA0004172850820000034
与下降率变化值/>
Figure FDA0004172850820000035
用于识别系统短路故障的性质。
10.根据权利要求1所述的一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，其特征在于，基于双耦合电感的串联型混合断路器收到合闸指令，立即进入交流纹波模态进行短路故障识别，若无短路故障，关闭电压注入电路模块，断路器切换至导通状态，否则恢复至断开状态。
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