CN115603272A - 一种限流型的混合直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种限流型的混合直流断路器，本发明涉及电力高压大容量直流断路器技术领域，所提出的限流型混合直流断路器(CL‑HCB)的拓扑结构引入限流器(FCL)，可提供限流功能。此外，能量耗散电路(EDC)的并联可降低金属氧化物避雷器(MOA)耗散的能量，缩短故障隔离时间，从而大大降低MOA的热效应，提高其可靠性。FCL由限流电感L₀和两端并联的EDC和MOA1组成。FCL旨在降低CL‑HCB的容量要求，加速故障隔离，并提供限流功能。EDC能够消耗L₀中存储的能量，减少MOA2吸收的能量，从而缩短故障隔离时间，并且显著降低硬件成本。

Description

一种限流型的混合直流断路器

技术领域

本发明涉及电力高压大容量直流断路器技术领域，特别是涉及一种限流型的混合直流断路器。

背景技术

未来智能电网和全球能源互联网的建设在很大程度上依赖高压、大容量的直流电网技术。基于模块化多电平变流器(modular multilevel converters，MMC)的高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)系统助力直流电网建设，为电力行业创造了新的期望。然而，由于其低惯性和低阻抗，直流网络无法承受严重的直流短路，直流故障保护是直流配电网络中最重要的问题之一。在故障期间，转换器子模块的电容会迅速放电，导致直流电流迅速增加，从而对直流网络系统造成严重损坏。通常，在这种情况下使用直流断路器(DC circuit breakers，DCCB)来中断故障电流。但随着直流网络的容量发展，故障电流将在更短的时间内超过电力电子设备的电流限制。为了降低故障电流增长速率，DCCB分闸时承受的电流应力以及DCCB的成本，限流电抗器经常安装在直流线路和DCCB的两端。然而，增加电抗器不仅增加了建设成本，而且影响了整个直流系统的动态特性，导致系统由于过阻尼而不稳定。因此，研究具有限流功能的断路器以减轻直流系统各级设备的压力是目前亟需解决的问题。

ABB混合直流断路器(Hybrid DC Circuit Breaker，HCB)完全电力电子设备来中断电流，需要大量串联和并联设备来分离高压、大容量直流电网中的电压和电流。然而，串并联IGBT技术并不完善，其开关动作的恒定性难以保证，可靠性较差。并且IGBT成本高，会增加经济成本。能够抑制故障电流的DCCB拓扑可以有效地保护电力电子设备，并降低DCCB的尺寸和成本。在Daozhuo J,Chi Z,Huan Z,et al.A scheme for current-limitinghybrid DC circuit breaker.中提出的限流DCCB拓扑采用直流电抗器来限制故障电流，但这可能会损害电流传输质量。在Xu J,Zhao X,Han N,et al.A thyristor-based DC faultcurrent limiter with inductor inserting–bypassing capability.中，提出了一种用于HVDC系统的混合故障限流器拓扑，该系统使用预充电电容器和置于限流电感器中的晶闸管。但是，在限制故障电流之前，需要几毫秒才能完全激活超快速开关(UltrafastDisconnect Switch，UFD)，这增加损坏电力电子设备的风险。在Li C,Li S,Zhao C,etal.A novel topology of current-limiting hybrid DC circuit breaker for DCgrid.中提出了一种具有限流功能的DCCB拓扑，但由于限流电感的存在，故障电流分断速度一般。在Li B,He J,Li Y,et al.A novel solid-state circuit breaker with self-adapt fault current limiting capability for LVDC distribution network中，提出了一种用于低压直流配电系统的固态限流DCCB拓扑。但它需要一个直流电压源，限制了它在中压直流配电网络中的使用。在Xue S,Liu B,Wang S,et al.A modular hybrid DCcircuit breaker with fault current self-adaptive control and protectioncoordination中提出了一种具有限流功能的模块化混合直流断路器。但在电路中串联了耗能电阻，增加了耗能压力。综上，目前已有的方法仍存在断路器性能不佳，造价昂贵等不足。为此，亟需一种可以提高混合直流断路器性能和降低成本的拓扑。

发明内容

本发明所提出的限流型混合直流断路器(current-limited hybrid DC circuitbreaker，CL-HCB)的拓扑结构引入限流器(fault current limiter，FCL)，可提供限流功能。此外，能量耗散电路(energy dissipation circuit，EDC)的并联可降低金属氧化物避雷器(metal-oxide arrester，MOA)耗散的能量，缩短故障隔离时间，从而大大降低MOA的热效应，提高其可靠性。本发明提供一种限流型的混合直流断路器，具体方案如下：

一种限流型的混合直流断路器，包括：超快速开关UFD、一组负载换向开关LCS、限流器和主断路器；

所述限流器包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、电感L₀、二极管D和耗能电阻R_d和避雷器MOA1；

二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄依次连接形成串联回路，二极管D₁和二极管D₃串联接点连接超快速开关UFD一端，超快速开关UFD另一端连接负载换向开关LCS的一端；二极管D和耗能电阻R_d串联，串联后的二极管D和耗能电阻R_d分别与电感L₀及避雷器MOA1并联；并联的一端连接二极管D₁和二极管D₂串联接点，并联的另一端连接二极管D₃和二极管D₄串联接点；

二极管D₃和二极管D₄串联接点连接主断路器的一端，主断路器的另一端连接负载换向开关LCS。

优选地，所述主断路器包括二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、多个IGBT₁...IGBT_n和避雷器MOA2；

二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₇依次连接形成串联回路，多个IGBT₁...IGBT_n串联，并与避雷器MOA2并联，并联的一端连接二极管D₅和二极管D₆串联接点，并联的另一端连接二极管D₇和二极管D₈串联接点；

二极管D₅和二极管D₇串联接点连接二极管D₂和二极管D₄串联接点，二极管D₆和二极管D₈串联接点连接负载换向开关LCS。

优选地，所述断路器工作为六个阶段：

1)阶段1(t<t₀)：系统处于稳态运行，在t₀发生短路；

2)阶段2(t₀<t<t₁)：此阶段故障电流急剧增加；

3)阶段3(t₁<t<t₂)：LCS在t₁时打开，电流转移至电流换向路径；FCL中MOA1两端的电压达到其工作电压，MOA1开始吸收能量，当MOA1在t₂完成吸收能量时，其电流值减小到零；

4)阶段4(t₂<t<t₃)：此时MOA1退出运行，FCL中的L₀完全与电路相连，电流增长速度明显降低，实现了限流功能；

5)阶段5(t₃<t<t₄)：L₀在t₃开始通过EDC释放能量，当t₃时刻MB中的IGBT关断时，两端电压上升；MOA2在达到其工作电压后放电，故障电流降为零后实现故障隔离功能，i_DR为流过EDC的电流；

6)阶段6(t>t₄)：系统电流在t₄达到零后，存储在L₀中的能量继续通过EDC耗散。

有益效果：

本发明提出了一种具有限流功能的混合直流断路器。FCL由限流电感L₀和两端并联的EDC和MOA1组成。FCL旨在降低CL-HCB的容量要求，加速故障隔离，并提供限流功能。EDC能够消耗L₀中存储的能量，减少MOA2吸收的能量，从而缩短故障隔离时间，并且显著降低硬件成本。

附图说明

图1为断路器拓扑结构示意图；

图2为工作阶段；

图3为开断能力仿真。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

结合图1至图3所示，本发明提供一种限流型的混合直流断路器，一种限流型的混合直流断路器，一种限流型的混合直流断路器，包括：超快速开关UFD、一组负载换向开关LCS、限流器和主断路器；

所述限流器包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、电感L₀、二极管D和耗能电阻R_d和避雷器MOA1；

二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄依次连接形成串联回路，二极管D₁和二极管D₃串联接点连接超快速开关UFD一端，超快速开关UFD另一端连接负载换向开关LCS的一端；二极管D和耗能电阻R_d串联，串联后的二极管D和耗能电阻R_d分别与电感L₀及避雷器MOA1并联；并联的一端连接二极管D₁和二极管D₂串联接点，并联的另一端连接二极管D₃和二极管D₄串联接点；

二极管D₃和二极管D₄串联接点连接主断路器的一端，主断路器的另一端连接负载换向开关LCS。

所述主断路器包括二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、多个IGBT₁...IGBT_n和避雷器MOA2；

二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₇依次连接形成串联回路，多个IGBT₁...IGBT_n串联，并与避雷器MOA2并联，并联的一端连接二极管D₅和二极管D₆串联接点，并联的另一端连接二极管D₇和二极管D₈串联接点；

二极管D₅和二极管D₇串联接点连接二极管D₂和二极管D₄串联接点，二极管D₆和二极管D₈串联接点连接负载换向开关LCS。

所述断路器工作为六个阶段：

1)阶段1(t<t₀)：系统处于稳态运行，在t₀发生短路。图2(a)描绘了系统电流i_dc的电流路径。

2)阶段2(t₀<t<t₁)：此阶段故障电流急剧增加。t₁时刻，CL-HCB接收到的故障和跳闸信号。

3)阶段3(t₁<t<t₂)：LCS在t₁时打开，电流转移至电流换向路径。FCL中MOA1两端的电压达到其工作电压，MOA1开始吸收能量。当MOA1在t₂完成吸收能量时，其电流值减小到零。

4)阶段4(t₂<t<t₃)：此时MOA1退出运行，FCL中的L₀完全与电路相连。电流增长速度明显降低，实现了限流功能。

5)阶段5(t₃<t<t₄)：L₀在t₃开始通过EDC释放能量。当t₃时刻MB中的IGBT关断时，两端电压上升。MOA2在达到其工作电压后放电。故障电流降为零后实现故障隔离功能。i_DR为流过EDC的电流。

6)阶段6(t>t₄)：系统电流在t₄达到零后，存储在L₀中的能量继续通过EDC耗散。

为了验证所提出的CL-HCB的功能，在PSCAD/EMTDC平台上搭建仿真模型进行验证。仿真模型的主要参数如表1所示。

表1仿真参数

图3为CL-HCB仿真的结果。系统处于稳态，在t₀发生短路。此时故障电流急剧增加，保护装置在t₁识别出故障，CL-HCB接收到的故障和跳闸信号。此时LCS打开，FCL中MOA1两端的电压达到其工作电压，MOA1开始吸收能量。当MOA1在t₂完成吸收能量时，其电流值减小到零。此时MOA1退出运行，FCL中的L₀完全与电路相连。电流增长速度明显放缓，实现了限流功能。L₀在t₃开始通过EDC释放能量。当t₃时刻MB中的IGBT关断时，两端电压上升。MOA2在达到其工作电压后放电，故障电流降为零后实现故障隔离功能。系统电流在t₄达到零后，存储在L₀中的能量继续通过EDC耗散。

综上所述，本发明提出了一种具有限流功能的混合直流断路器。FCL由限流电感L₀和两端并联的EDC和MOA1组成。FCL旨在降低CL-HCB的容量要求，加速故障隔离，并提供限流功能。EDC能够消耗L₀中存储的能量，减少MOA2吸收的能量，从而缩短故障隔离时间，并且显著降低硬件成本。

以上对本发明所提供的一种限流型的混合直流断路器，进行了详细介绍，本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种限流型的混合直流断路器，其特征在于，包括：超快速开关UFD、一组负载换向开关LCS、限流器和主断路器；

所述限流器包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、电感L₀、二极管D和耗能电阻R_d和避雷器MOA1；

二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄依次连接形成串联回路，二极管D₁和二极管D₃串联接点连接超快速开关UFD一端，超快速开关UFD另一端连接负载换向开关LCS的一端；二极管D和耗能电阻R_d串联，串联后的二极管D和耗能电阻R_d分别与电感L₀及避雷器MOA1并联；并联的一端连接二极管D₁和二极管D₂串联接点，并联的另一端连接二极管D₃和二极管D₄串联接点；

二极管D₃和二极管D₄串联接点连接主断路器的一端，主断路器的另一端连接负载换向开关LCS。

2.根据权利要求1所述的一种限流型的混合直流断路器，其特征在于，所述主断路器包括二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、多个IGBT₁...IGBT_n和避雷器MOA2；

二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₇依次连接形成串联回路，多个IGBT₁...IGBT_n串联，并与避雷器MOA2并联，并联的一端连接二极管D₅和二极管D₆串联接点，并联的另一端连接二极管D₇和二极管D₈串联接点；

二极管D₅和二极管D₇串联接点连接二极管D₂和二极管D₄串联接点，二极管D₆和二极管D₈串联接点连接负载换向开关LCS。

3.根据权利要求2所述的一种限流型的混合直流断路器，其特征在于，所述断路器工作为六个阶段：

1)阶段1(t<t₀)：系统处于稳态运行，在t₀发生短路；

2)阶段2(t₀<t<t₁)：此阶段故障电流急剧增加；

3)阶段3(t₁<t<t₂)：LCS在t₁时打开，电流转移至电流换向路径；FCL中MOA1两端的电压达到其工作电压，MOA1开始吸收能量，当MOA1在t₂完成吸收能量时，其电流值减小到零；

4)阶段4(t₂<t<t₃)：此时MOA1退出运行，FCL中的L₀完全与电路相连，电流增长速度明显降低，实现了限流功能；

5)阶段5(t₃<t<t₄)：L₀在t₃开始通过EDC释放能量，当t₃时刻MB中的IGBT关断时，两端电压上升；MOA2在达到其工作电压后放电，故障电流降为零后实现故障隔离功能，i_DR为流过EDC的电流；

6)阶段6(t>t₄)：系统电流在t₄达到零后，存储在L₀中的能量继续通过EDC耗散。

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