CN116131207A - 一种基于广义h桥电路的混合式直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于广义H桥电路的混合式直流断路器，其使MMC换流站和直流线路通过超快速机械开关和转移开关相连，从而节省了直流母线，避免了母线故障；同时，每个连接点直接与每对二极管串的中间节点相连，构成广义H桥电路结构。本发明混合式直流断路器中的主断部分通过扩展二极管H桥复用，并且取消了无用的反并联二极管，同时转移开关也通过二极管H桥复用，所需IGBT数量减少一半。本发明混合式直流断路器的故障隔离时序动作逻辑清晰，故障隔离能力强，所有支路的权重一致，发生故障时的处理方式一致；相比于现有的混合式高压直流断路器，本发明直流断路器的经济性好，可以最低的成本实现所需的所有功能，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种基于广义H桥电路的混合式直流断路器。
背景技术
基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的直流输电技术在众多组成VSC(电压源换流器)的拓扑结构中具有明显优势，MMC采用子模块级联的方式构成，易于模块化设计制造，制造难度小，损耗低，十分适合搭建直流电网；因此，基于MMC的多端HVDC(高压直流输电)电网是未来直流电网的发展趋势。但是，由于直流系统比交流系统的阻尼低，直流故障在线路上传播的速度更快，这对控制保护提出了更高的要求；控制保护系统需要在发生直流故障时，快速隔离故障区域，保证交直流系统的稳定安全运行，控制保护策略与直流电网的构建方式有关。采用半桥子模块(half bridge SM，HBSM)结构的MMC是现有MMC-HVDC工程中常采用的一种结构，由于此种MMC没有故障自清除能力，需要加装直流断路器，所以直流断路器作为关键性元件，其选择十分重要。
目前，高压直流断路器的结构主要有3种类型，即基于常规开关的传统机械式、基于纯电力电子器件的固态式和二者结合的混合式。传统的机械结构断路器受到常规开关开断速度的影响，难以满足直流系统对故障清除快速性的要求；固态直流断路器在技术层面可以实现，但是由于其器件数量多，成本高昂，经济性差。混合式直流断路器是目前受到广泛研究的重点结构，近些年来混合式直流断路器得到了充分的研究和发展；2012年，ABB公司开发了世界首台混合式高压直流断路器；2015年，国网智能电网研究院有限公司研制了级联混合式高压直流断路器；2017年，南瑞集团研制了全桥混合式高压直流断路器。混合式直流断路器的动态特性较好，但是考虑其成本因素，其工程应用还处于探索阶段。
文献1[Liu GAOREN,Xu Feng,Xu Zheng,etc.An Assembled HVDC Breaker forHVDC Grid[J].Power System Technology,2016,40(1):8]提出了一种组合式高压直流断路器，但是其仍需要双向电力电子器件串联结构以用于电流方向切换。文献2[Liu W,LiuF,Zhuang Y,et al.A Multiport Circuit Breaker-Based Multiterminal DC SystemFault Protection[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics,2018]提出了一种典型的半桥型多端直流断路器，但是该混合式直流断路器不能隔离母线故障。文献3[He J,Luo Y,Li M,etal.A High-Performance and EconomicalMultiport Hybrid Direct Current Circuit Breaker[C].2020IEEE Power&EnergySociety General Meeting(PESGM).IEEE,2020]提出了一种全桥型混合式直流断路器，其主断部分只需要单向电力电子器件即可实现双向故障的隔离，但是需要使用大量晶闸管。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于广义H桥电路的混合式直流断路器，该拓扑所有支路的权重一致，发生故障时的处理方式一致，可以快速恢复非故障线路的功率传输。
一种基于广义H桥电路的混合式直流断路器，用于多端柔性直流输电系统的故障隔离和快速恢复，且布置于系统的每个柔性直流换流站内；
所述混合式直流断路器包括n+1条通流支路、广义H桥电路以及主断部分，n为柔性直流换流站连接的直流线路数量，广义H桥电路包含有n+1个桥臂，主断部分与这n+1个桥臂并联，其中n条通流支路的一端与对应的直流线路以及广义H桥电路中对应桥臂的中点相连，剩余1条通流支路的一端与对应的柔性直流换流站以及广义H桥电路中对应桥臂的中点相连，所有通流支路的另一端并联。
进一步地，所述通流支路由一个超快速机械开关和一个转移开关串联构成。
进一步地，所述转移开关包括四个二极管D1～D4以及若干个IGBT，其中D1的阴极与D3的阴极以及IGBT的集电极相连，D1的阳极与D2的阴极相连并作为转移开关的一端，D3的阳极与D4的阴极相连并作为转移开关的另一端，D2的阳极与D4的阳极以及IGBT的发射极相连。
进一步地，所述广义H桥电路中每个桥臂包含上桥臂和下桥臂，上下桥臂均由多个二极管串联组成且数量相同。
进一步地，所述上桥臂或下桥臂中串联的二极管数量ND为：
其中：
为主断部分通过的线路最大电流，uARR为避雷器的电压保护水平，ID为单个二极管的额定电流，VD为单个二极管的额定电压，ceil()为向上取整函数。
进一步地，所述主断部分由多个模块串联组成，每个模块由多个IGBT单向串联后与一个避雷器组并联构成，避雷器组由多个避雷器串联组成。
进一步地，所述主断部分中的IGBT总数量NMB为：
其中：
为主断部分通过的线路最大电流，uARR为避雷器的电压保护水平，IIGBT为单个IGBT的额定电流，VIGBT为单个IGBT的额定电压，ceil()为向上取整函数。
进一步地，所述多端柔性直流输电系统中包含有多个柔性直流换流站，其中一个换流站采用定电压控制，其余换流站均采用定功率控制。
进一步地，所述IGBT不带有反并联二极管。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明混合式直流断路器使MMC换流站和直流线路通过超快速机械开关和转移开关相连，从而节省了直流母线，避免了母线故障；同时，每个连接点直接与每对二极管串的中间节点相连，构成广义H桥电路结构。
2.本发明混合式直流断路器中的主断部分通过扩展二极管H桥复用，并且取消了无用的反并联二极管，同时转移开关也通过二极管H桥复用，所需IGBT数量减少一半。
3.本发明混合式直流断路器的故障隔离时序动作逻辑清晰，故障隔离能力强，所有支路的权重一致，发生故障时的处理方式一致；相比于现有的混合式高压直流断路器，本发明直流断路器的经济性好，可以最低的成本实现所需的所有功能，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明混合式直流断路器的拓扑结构示意图。
图2(a)为本发明混合式直流断路器正常运行下的电流流通路径示意图。
图2(b)为本发明混合式直流断路器换流阶段的电流流通路径示意图。
图2(c)为本发明混合式直流断路器避雷器吸能阶段的电流流通路径示意图。
图2(d)为本发明混合式直流断路器隔离后运行阶段的电流流通路径示意图。
图3为本发明实施例四端MMC-HVDC系统的结构示意图。
图4(a)为本发明实施例系统中混合式H桥断路器1的拓扑结构示意图。
图4(b)为本发明实施例系统中混合式H桥断路器2的拓扑结构示意图。
图5(a)为单极接地故障时系统中流过主断部分IGBT开关支路和避雷器支路的电流波形示意图。
图5(b)为单极接地故障时系统中流过上桥臂二极管串的电流波形示意图。
图5(c)为单极接地故障时系统中流过下桥臂二极管串的电流波形示意图。
图5(d)为单极接地故障时系统中避雷器吸收的能量示意图。
图5(e)为单极接地故障时系统中流过转移开关LCS的电流波形示意图。
图5(f)为单极接地故障时系统中从直流线路或换流站注入连接点的电流波形示意图。
图5(g)为单极接地故障时系统中连接点对地电压和主断部分两端电压波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明基于广义H桥电路的混合式直流断路器用于多端柔性直流系统的故障隔离和快速恢复，其由通流支路、二极管串组成的广义H桥电路、共用的主断部分组成，布置在同一个MMC换流站内，其中：
本发明混合式直流断路器包含有n+1回通流支路，每回通流支路由一个超快速机械开关UFD和一个转移开关LCS组成，LCS与UFD串联，MMC换流站和直流线路通过UFD和LCS相连，通流支路间通过二极管串组成的广义H桥电路、共用的主断部分相连。
广义H桥电路包含2(n+1)个二极管串，2(n+1)个二极管串分布在n+1个桥臂，上下桥臂各包含一个二极管串，每个二极管串所含有的二极管数量相同，每个二极管串所需二极管的数量ND表达式如下：
其中：
为主断部分通过的线路最大电流，uARR为避雷器的电压保护水平，ID为单个二极管的额定电流，VD为单个二极管的额定电压。
主断部分由多个模块串联组成，与广义H桥电路中的桥臂并联，每个模块由多个IGBT单向串联和一个避雷器组并联组成，避雷器组由多个避雷器串联构成，主断部分所需IGBT的数量NMB表达式如下：
其中：IIGBT为IGBT的额定电流，VIGBT为IGBT的额定电压。
图1中换流器连接点直接连接到MMC换流站，而其他n个线路连接点与对应的直流线路相连，连接点的个数为连接到该换流站的直流线路回数n加1，n+1个连接点之间通过通流支路、广义H桥电路、共用的主断部分相连。
多端口柔性直流输电系统包括多个柔性直流换流站，其中一个换流站采用定电压控制，其余换流站均采用定功率控制。
广义H桥电路通过二极管串组成的形状类似于H的电路，连接点的个数等于桥臂的数量，二极管串被看作是开关元件，并根据电位差自然开断，为多端柔性直流输电系统的电流流通提供路径。
LCS由多个并联的IGBT和二极管串组成的H桥结构电路组成，LCS的电压应力相当低，无需串联以满足电压极限的要求，其并联个数取决于最大负载电流，并联后的IGBT通过二极管串组成的广义H桥电路复用；UFD是一个超快速机械开关，和LCS串联后组成通流支路。
当本发明断路器正常运行时，共用的主断部分断开，每对二极管串均闭锁，每条线路的UFD和LCS处于闭合状态，多端直流系统通过UFD和LCS相连。正常运行负载电流流通路径如图2(a)所示。因此，LCS中电力电子开关的数量，只需满足负载电流总和的需要即可；当发生单条直流线路故障时，本发明断路器的故障隔离策略为：假设t0时刻，线路连接点i发生故障，那么故障电流的切断可以分为以下几个阶段：
阶段I：换流阶段；如果保护系统在t1时刻检测到故障，混合式断路器便开始进行故障隔离，主断路器支路内的IGBT迅速触发导通，同时故障线路的LCS通过闭锁IGBT断开。由于故障点的电压跌落，与故障线路相连的下桥臂二极管串导通，通过电位关系易知，非故障线路相连的其他下桥臂二极管串由于反向电压维持阻断状态，而非故障线路的上桥臂二极管串会导通。此时，除了通过UFD和LCS相连外，非故障线路的部分电流也会沿着上桥臂二极管串汇集后，通过主断部分往故障点馈入短路电流，如图2(b)所示。
阶段II：UFD分离阶段；故障电流在t2时刻完全换流到主断支路，然后命令故障线路上的UFDi在零电流零电压状态时打开。在当前研发能力下，UFDi需要大约2ms才能完成其触头的完全分离，此时UFD完成了故障线路的物理隔离。
阶段III：避雷器吸能阶段；一旦UFDi在t3时刻完全打开，主断部分通过闭锁IGBT立即断开，然后故障电流转移到避雷器支路，故障能量被避雷器泄放，如图2(c)所示，在此期间产生瞬态中断电压。故障电流在t4时刻下降到0。
阶段Ⅳ：故障隔离后运行阶段；在故障隔离后，健全部分仍通过UFD和LCS连接以进行功率传输，如图2(d)所示。值得注意的是，非此时故障线路的上桥臂二极管串存在正向压降，但是由于主断部分避雷器支路的电阻很大，非故障线路分流较小，因此可以认为此时主断部分处于开路状态，二极管不会导通；至此，故障隔离过程已经完成。
实施例
本实施例以一个具有五条线路的四端直流电网为例，搭建如图3所示的仿真模型，换流站(即MMC)4维持整个系统的电压，采用定直流电压和无功功率控制，其余换流站1、2、3均采用定有功功率和无功功率控制，4个换流站之间通过架空线路相连，换流站2和换流站3之间也通过一条架空线路相连，四端系统仿真参数如表1所示：
表1
混合式H桥断路器1和混合式H桥断路器2的拓扑结构分别如图4(a)和图4(b)所示。假设系统在t＝2s时，直流线路l12靠近换流站MMC2侧发生单极接地故障，接地电阻为0.01Ω，当系统检测到故障后，混合式H桥断路器1和混合式H桥断路器2会同时动作跳开线路l12。对MMC2侧的混合式H桥断路器2故障特性进行分析，其故障响应如图5(a)～图5(g)所示，从图中可以看到，故障发生之后，直流线路的电流突然增大；在故障被检测到之前，通过LCS的电流已经表现出明显的增幅。在换流阶段，故障检测速度被假定为1ms，在t1＝2.001s时，系统检测到故障位置在直流线路l12靠近换流站MMC2侧，混合式断路器便开始进行故障隔离。对主断路器支路内的IGBT迅速施加导通信号触发，主断部分开关迅速闭合，同时对故障线路的LCS1内的IGBT施加闭锁信号以使其断开；由于故障点的电压跌落至0，与故障线路l12相连的下桥臂二极管串D5导通，与非故障线路相连的上桥臂二极管串D2～D4导通，此时除了通过UFD和LCS相连外，非故障线路的部分电流也会沿着二极管串D2～D4汇集后，通过主断部分往故障点馈入短路电流，这个过程中通过非故障支路LCS的电流峰值约为2.2kA。在UFD分离阶段，假设故障电流在t2＝2.002s时刻完全换流到主断支路，此时UFD1可以在零电流和零电压状态下开启，UFD需要大约2ms完成操作。在避雷器吸能阶段，一旦UFD1在t3＝2.004s时完全打开，主断部分通过对支路内的IGBT迅速施加闭锁信号使其断开，故障电流转移到避雷器支路，电流完全换向到避雷器，此时发生的故障电流峰值约为3kA，并且发生的过电压最大值为800kV，约为直流电压500kV的1.6倍；在故障隔离过程中，避雷器吸收约7千焦耳。
从断路器经济性的角度进行方案对比，假设IGBT的额定值为3.3kV/2kA，价格为2134美元/个；晶闸管的额定值为4kV/1.65kA，价格为593美元/个；二极管的额定值为4.5kV/1.875kA，价格为260美元/个。以避雷器保护水平800kV，电流切断能力3kA的混合式H桥断路器2为例进行计算，考虑50％的器件数量冗余，所得每个方案所需的总成本如表2所示：
表2
从表2中可以看出，其他两种方案的投资成本较高，不适用于直流网络的长期发展；本发明方案有明显的成本优势，适用于多端直流网络的发展，在直流线路回数更多，线路连接较为复杂的网络中，这种经济性优势会更加显著。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于广义H桥电路的混合式直流断路器，用于多端柔性直流输电系统的故障隔离和快速恢复，且布置于系统的每个柔性直流换流站内，其特征在于：所述混合式直流断路器包括n+1条通流支路、广义H桥电路以及主断部分，n为柔性直流换流站连接的直流线路数量，广义H桥电路包含有n+1个桥臂，主断部分与这n+1个桥臂并联，其中n条通流支路的一端与对应的直流线路以及广义H桥电路中对应桥臂的中点相连，剩余1条通流支路的一端与对应的柔性直流换流站以及广义H桥电路中对应桥臂的中点相连，所有通流支路的另一端并联。
2.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于：所述通流支路由一个超快速机械开关和一个转移开关串联构成。
3.根据权利要求2所述的混合式直流断路器，其特征在于：所述转移开关包括四个二极管D1～D4以及若干个IGBT，其中D1的阴极与D3的阴极以及IGBT的集电极相连，D1的阳极与D2的阴极相连并作为转移开关的一端，D3的阳极与D4的阴极相连并作为转移开关的另一端，D2的阳极与D4的阳极以及IGBT的发射极相连。
4.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于：所述广义H桥电路中每个桥臂包含上桥臂和下桥臂，上下桥臂均由多个二极管串联组成且数量相同。
5.根据权利要求4所述的混合式直流断路器，其特征在于：所述上桥臂或下桥臂中串联的二极管数量ND为：
其中：
为主断部分通过的线路最大电流，uARR为避雷器的电压保护水平，ID为单个二极管的额定电流，VD为单个二极管的额定电压，ceil()为向上取整函数。
6.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于：所述主断部分由多个模块串联组成，每个模块由多个IGBT单向串联后与一个避雷器组并联构成，避雷器组由多个避雷器串联组成。
7.根据权利要求6所述的混合式直流断路器，其特征在于：所述主断部分中的IGBT总数量NMB为：
其中：
为主断部分通过的线路最大电流，uARR为避雷器的电压保护水平，IIGBT为单个IGBT的额定电流，VIGBT为单个IGBT的额定电压，ceil()为向上取整函数。
8.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于：所述多端柔性直流输电系统中包含有多个柔性直流换流站，其中一个换流站采用定电压控制，其余换流站均采用定功率控制。
9.根据权利要求3或6所述的混合式直流断路器，其特征在于：所述IGBT不带有反并联二极管。
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