CN115833059A - 一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑及控制方法，涉及电力电子领域。包括主支路和辅助支路，所述主支路包括机械开关UFD；所述辅助支路包括由晶闸管阀组T1、T2、T3、T4构成的桥式电路；所述桥式电路内部包括耦合部分、分断部分、自充电部分以及泄能部分，述耦合部分和分断部分串联后连接于所述晶闸管阀组T1、T3和T2、T4之间，所述自充电部分连接于晶闸管阀组T7和电容C之间，所述泄能部分并联于电容C两端。本发明利用电感耦合技术实现快速换流，并有一定限制故障电流上升的作用，利用IGBT实现快速分断，并且可以利用系统实现对储能电容的自充电。

Description

一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑及控制方法。

背景技术

随着能源革命深入推进，基于电压源换流器的柔性直流输电(VSC-HVDC)技术一直是近些年国内外的研究热点，国内也在稳步推进多端口、大容量、高电压等级的柔性直流输电示范工程建设，这使得其保护策略的研究得到了更多的关注。直流断路器可以灵活可靠地切除特定的故障线路，是柔性直流输电系统直流侧故障保护的最佳方案，在未来的工程实践中具备广阔的发展潜力和应用前景。

高压直流断路器的两条主要技术路线是基于人工过零的机械式方案与基于电力电子器件的混合式方案，当前的研究热点是围绕这两条路线提出性能更好、成本更低的拓扑方案，但除此之外仍存在较多的研究方向有待探讨。

近年来，由于直流输电具有功率和能量损耗小，对通信干扰小，输送相同功率直流线路造价低等优点，成为研究热点。随着直流输电技术的兴起，直流断路器作为系统重要保护设备备受关注。直流系统发生短路故障时，短路电流增长的速度远超过交流系统，将在很短的时间内超过常规交流断路器的开断能力，进而对直流断路器提出了很高的要求。直流限流器与直流断路器发展滞后是当前制约柔性直流输电系统发展的重要因素。当直流系统发生短路故障时，故障电流会快速上升，如果短时间内不能切除故障，会影响整个系统的正常运行，进而对直流断路器提出了很高的要求。

随着柔性直流输电的迅猛发展，为了保障直流输电系统的安全运行，迫切需要一套可靠的直流开断方案。在交流输电系统中，交流电流在每个周期里通过两次零点，断路器可利用这两次电流过零点实现开断。但在直流输电系统中，电流并不存在过零点，存在着故障电流难以切断的难题。因此直流断路器需要制造人工过零点，最常用的做法便是采用有源LC振荡换流回路。

基于人工过零的直流开断方法是高压直流开断技术方案中的一种重要方法。人工过零开断技术已经在低压领域得到研究与应用，在中压和高压方面也有了相应的研究。而能否可靠实现人工过零直接影响是否能够快速可靠地切断直流电流，对于系统运行的安全可靠有着至关重要的作用。而如今在高压技术领域，直流断路器的分断可靠性较低，有源LC回路的储能电容在断路器每次开断前都需提供预充电回路，这使得直流断路器装置的控制时序和体积受限。在已有的直流断路器的拓扑结构中，直流断路器的开断可靠性一直备受怀疑。直流断路器分断过程包括毫秒级分断全过程和微秒级换流过程，现有研究较少深入断路器的分断细节，关于这两种时间维度下瞬态电气特性的研究尚不充分。而且重合闸问题是当前直流断路器研究的冷门。在已有的直流断路器的拓扑结构中，直流断路器的开断可靠性一直备受怀疑。

随着直流断路器的发展。直流断路器主要可分为3类：固态式直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。固态式直流断路器直接利用全控型半导体器件关断电流，动作速度很快，但是负荷电流通路存在的大量半导体器件会使得固态直流断路器的导通损耗过大。混合式直流断路器和机械式直流断路器是当前的主流研究方向，其中具有代表性的主要有：ABB公司研制的320kV混合式直流断路器工程样机，国家电网研制的应用于舟山柔性直流工程的200kV混合式直流断路器，南方电网研制的应用于南澳柔性直流工程的160kV机械式直流断路器。与混合式直流断路器相比，机械式直流断路器具有导通损耗可忽略、造价低、占地面积小的优点。早期机械式直流断路器利用自激振荡形成人工电流零点，从而熄灭机械开关中的电弧，延时较长。有源振荡型机械式直流断路器则利用预充电电容与电感、机械开关串联后形成振荡回路，电容放电电流与流过机械开关的电流幅值相等、方向相反时，即形成人工电流零点。有方案提到机械式直流断路器的预充电电容通过电感对机械开关放电形成振荡电流；还有直流断路器方案中，低压侧预充电电容通过耦合电感在高压侧产生振荡电流。上述2种方案均需要通过额外的交流电源对电容进行预充电，因此增大了系统设计的复杂度，也使得直流断路器在无源电网侧的应用受限。

因此，针对提高直流断路器的开断可靠性，需要设计一种新的直流断路器拓扑结构，可解决基于人工过零技术的直流断路器面临的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提高直流断路器的开断可靠性，提供一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑，包括并联设置的主支路和辅助支路，其中直流线路正常运行时电网电流流过主支路，直流线路发生短路故障后电网电流流过辅助支路，

所述主支路包括高速机械开关UFD；

所述辅助支路包括由晶闸管阀组T1、T2、T3、T4构成的桥式电路；

所述桥式电路内部包括耦合部分、分断部分、自充电部分以及泄能部分，

所述耦合部分包括晶闸管阀组T5、T6、T7、耦合电感器L以及电容C，

所述耦合部分和分断部分串联后连接于所述晶闸管阀组T1、T3和T2、T4之间，所述自充电部分连接于所述晶闸管阀组T7和电容C之间，所述泄能部分并联于所述电容C两端。

进一步的，所述晶闸管阀组T5和耦合电感器L的1次侧绕组并联；所述晶闸管阀组T6与耦合电感器L的2次侧绕组串联部分与所述电容C两端并联；所述闸管阀组T7连接于所述电容C和耦合电感器L的1次侧绕组之间。

进一步的，所述分断部分包括IGBT阀组S1、反并联二极管以及金属氧化物压敏电阻避雷器MOV，所述IGBT阀组S1与金属氧化物压敏电阻避雷器MOV并联，所述IGBT阀组S1包括两个IGBT模块，两个IGBT模块串联和二极管反并联。

进一步的，所述自充电部分包括晶闸管阀组T8和电阻R，所述晶闸管阀组T8和电阻R串联后接地。

进一步的，所述泄能部分包括普通机械开关和耗能电阻，所述普通机械开关和耗能电阻串联后并联于所述电容C两端。

第二方面，一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑的控制方法，包括：

正常运行时：电网电流通过高速机械开关UFD所在主支路流通，晶闸管阀组T8、T9导通，形成自充电通路对电容C充电，直至充电完毕，其中电阻R用于限制充电电流；

直流线路故障时：

高速机械开关UFD开始燃弧分闸，晶闸管阀组T1、T4、T6、S1导通；电容C通过耦合电感器L2和晶闸管阀组T6放电产生脉冲电流，所述脉冲电流在耦合电感器L1上产生感应电压；

高速机械开关UFD触头距离达到额定开距，晶闸管阀组触发T5导通，耦合电感器L1旁路，IGBT阀组S1关断使MOV投入故障线路吸能，故障电流衰减至零；

晶闸管阀组T7和IGBT阀组S1导通，电容C并联于晶闸管阀组T5两侧，晶闸管阀组T5承受反压关断，耦合电感器L1中能量通过T7和S1转移至C中。当耦合电感器L1和C回路电流过零，晶闸管阀组T7自然关断，关断IGBT阀组S1，闭合泄能回路开关，使电容C存储的能量得以耗散，直至泄能完成。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明的混合式直流断路器主支路只有高速机械开关UFD，通态损耗低；辅助支路由晶闸管阀组构成桥式电路以便实现双向电流分断，桥式电路内部由耦合部分、分断部分、自充电部分以及泄能部分组成，整体降低控制难度和系统成本，设计合理、成本低、可靠性高。

本发明利用电感耦合技术实现快速换流，并有一定限制故障电流上升的作用，利用IGBT实现快速分断，并且可以利用系统实现对储能电容的自充电，保证下一次工作的正常运行。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑示意图；

图2是MMC换流站直流侧装设断路器及发生双极短路故障等效电路示意图；

图3是本发明混合式直流断路器开断故障过程各支路电流示意图。

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。

如图1所示，本发明的实施例提供了低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑，包括并联设置的主支路和辅助支路，其中直流线路正常运行时电网电流流过主支路，直流线路发生短路故障后电网电流流过辅助支路，

所述主支路包括高速机械开关UFD；

所述辅助支路包括由晶闸管阀组T1、T2、T3、T4构成的桥式电路；

所述桥式电路内部包括耦合部分、分断部分、自充电部分以及泄能部分，

所述耦合部分包括晶闸管阀组T5、T6、T7、耦合电感器L以及电容C，

所述耦合部分和分断部分串联后连接于所述晶闸管阀组T1、T3和T2、T4之间，所述自充电部分连接于所述晶闸管阀组T7和电容C之间，所述泄能部分并联于所述电容C两端。

在本实施例中，辅助支路中的耦合部分包括：晶闸管阀组T5、T6、T7、耦合电感器L以及预充电电容C；晶闸管阀组T5和耦合电感器L的1次侧绕组并联；晶闸管阀组T6与耦合电感器L的2次侧绕组串联部分与所述电容两端并联；闸管阀组T7连接于电容C和耦合电感器L的1次侧绕组之间。

辅助支路中的分断部分包括：主要由IGBT阀组S1及反并联二极管构成，并配备金属氧化物压敏电阻避雷器(metaloxidevaristor，MOV)。

辅助支路中的自充电部分包括：晶闸管阀组T8、电阻R以及接地端组成；晶闸管阀组T8和电阻R串联后接地。

辅助支路中的泄能部分包括：普通机械开关和耗能电阻；普通机械开关和耗能电阻串联后并联于所述电容C两端。

本发明是双向混合式直流断路器，取电流方向为从左到右，并以该电流方向进行说明。此外，图1中标记的电容C正极方向为预充电电压的正极方向。电感耦合型直流限流断路器拓扑及控制方法具体如下：

直流线路正常运行时：正常情况下电网电流通过高速机械开关UFD所在主支路流通，此时，可以把直流系统作为电源对电容C进行充电，触发晶闸管阀组T8、T9导通，形成自充电通路对电容C充电，直至充电完毕，其中R起到限制充电电流作用；

直流线路发生短路故障时：

电网故障电流迅速上升，检测到电网过电流，此时令高速机械开关UFD开始燃弧分闸，随后触发晶闸管阀组T1、T4、T6、S1导通；电容C通过耦合电感器L2和晶闸管阀组T6放电产生脉冲电流，该脉冲电流在耦合电感器L1上产生感应电压，该感应电压产生振荡电压使机械开关在1/4个振荡周期前熄弧，电流转移至L1和S1所在辅助支路；

随着快速机械开关触头距离逐渐增大，高速机械开关动静触头分离并达到额定开距，一般该过程需要2ms，直到高速机械开关UFD触头距离达到额定开距，此时触发晶闸管阀组触发T5导通，耦合电感器L1旁路，IGBT阀组S1关断使MOV投入故障线路吸能，随着故障电流衰减至零，故障分断完成。

随后触发晶闸管阀组T7和IGBT阀组S1导通，电容C并联于晶闸管阀组T5两侧，晶闸管阀组T5承受反压关断，耦合电感器L1中能量通过T7和S1转移至C中。当耦合电感器L1和电容C回路电流过零，晶闸管阀组T7自然关断，关断IGBT阀组S1，闭合泄能回路开关，使电容C存储的能量得以耗散，直至泄能完成，等待下一次动作命令。

在本实施例中，现以故障情况最为严重的双极故障为例，实际直流断路器在系统中的装设方式和故障后的等效电路如图2所示，可据此等效电路完成耦合部分和自充电部分的参数设计。根据图3中的本发明混合式直流断路器开断故障过程各支路电流示意图可以发现，当发生双极短路故障时，本发明提出的新型混合式直流断路器最大通流电流为1.44kA，能够在3ms时间内快速分断1.5kA短路电流(将故障电流转移到MOV支路)，而故障电流清除时间可以根据需要灵活选取避雷器MOV参数。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑，其特征在于，包括并联设置的主支路和辅助支路，其中直流线路正常运行时电网电流流过主支路，直流线路发生短路故障后电网电流流过辅助支路，

所述主支路包括高速机械开关UFD；

所述辅助支路包括由晶闸管阀组T1、T2、T3、T4构成的桥式电路；

所述桥式电路内部包括耦合部分、分断部分、自充电部分以及泄能部分，

所述耦合部分包括晶闸管阀组T5、T6、T7、耦合电感器L以及电容C，

所述耦合部分和分断部分串联后连接于所述晶闸管阀组T1、T3和T2、T4之间，所述自充电部分连接于所述晶闸管阀组T7和电容C之间，所述泄能部分并联于所述电容C两端。

2.根据权利要求1所述的低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑，所述耦合部分包括晶闸管阀组T5、T6、T7、耦合电感器L以及电容C，其特征在于，

所述晶闸管阀组T5和耦合电感器L的1次侧绕组并联；所述晶闸管阀组T6与耦合电感器L的2次侧绕组串联部分与所述电容C两端并联；所述闸管阀组T7连接于所述电容C和耦合电感器L的1次侧绕组之间。

3.根据权利要求1所述的低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑，其特征在于，所述分断部分包括IGBT阀组S1、反并联二极管以及金属氧化物压敏电阻避雷器MOV，所述IGBT阀组S1与金属氧化物压敏电阻避雷器MOV并联，所述IGBT阀组S1包括两个IGBT模块，两个IGBT模块串联和二极管反并联。

4.根据权利要求1所述的低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑，其特征在于，所述自充电部分包括晶闸管阀组T8和电阻R，所述晶闸管阀组T8和电阻R串联后接地。

5.根据权利要求1所述的低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑，其特征在于，所述泄能部分包括普通机械开关和耗能电阻，所述普通机械开关和耗能电阻串联后并联于所述电容C两端。

6.基于权利要求1-5任一所述的低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑的控制方法，其特征在于，

正常运行时：电网电流通过高速机械开关UFD所在主支路流通，晶闸管阀组T8、T9导通，形成自充电通路对电容C充电，直至充电完毕，其中电阻R用于限制充电电流；

直流线路故障时：

高速机械开关UFD开始燃弧分闸，晶闸管阀组T1、T4、T6、S1导通；电容C通过耦合电感器L2和晶闸管阀组T6放电产生脉冲电流，所述脉冲电流在耦合电感器L1上产生感应电压；

高速机械开关UFD触头距离达到额定开距，晶闸管阀组触发T5导通，耦合电感器L1旁路，IGBT阀组S1关断使MOV投入故障线路吸能，故障电流衰减至零；

晶闸管阀组T7和IGBT阀组S1导通，电容C并联于晶闸管阀组T5两侧，晶闸管阀组T5承受反压关断，耦合电感器L1中能量通过T7和S1转移至C中。当耦合电感器L1和C回路电流过零，晶闸管阀组T7自然关断，关断IGBT阀组S1，闭合泄能回路开关，使电容C存储的能量得以耗散，直至泄能完成。

Images