CN116995630A - J-d串联混合型直流故障限流器、控制及参数设计方法 - Google Patents

J-d串联混合型直流故障限流器、控制及参数设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种J‑D串联混合型直流故障限流器、控制及参数设计方法,所述故障限流器由电感L1、L2、第一耗能支路、第二耗能支路以及电阻R3构成;其中电感L1与L2串联,R3与L1、L2的串联支路并联;第一耗能支路与电感L1并联,第二耗能支路与电感L2并联。与现有的电力电子型直流故障限流器相比,本发明所设计的故障限流器充分考虑直流系统正向故障和反向故障两种情况对限流能力的要求有所不同的特点,通过可控电力电子开关和二极管的混合配置,在不降低整体限流能力的前提下,能够有效降低限流器的造价成本。

Description

J-D串联混合型直流故障限流器、控制及参数设计方法
技术领域
本发明属于直流输/配/微电网领域,特别是涉及一种具有双向限流能力的直流故障限流器拓扑结构、控制策略及参数设计方法。
背景技术
柔性直流系统在大规模新能源基地外送并网、异步电网柔性互联等方面具有突出的技术优势,是新型电力系统发展的典型形态。但是,柔性直流系统故障电流冲击大、核心设备耐受过流能力弱,随着系统规模、输送容量的不断提升,必须配置有效的故障电流限制措施,确保设备的安全运行、系统的可靠穿越。
目前,柔直系统中典型的故障限流方法直接在换流站出口或线路两端加装限流电抗器。该方法简单可行,但会对断路器MOV耗能容量需求、故障电流清除速度以及系统运行稳定性造成不利影响。针对上述问题,国内外学者提出了多种电力电子型直流故障限流器,旨在实现限流电感在系统运行和故障等不同阶段下的有效投切,从而消除限流电感造成的不利影响。但是,现有的具有双向限流能力的电力电子型故障限流器造价成本较高;具有单向限流能力的电力电子型故障限流器造价成本有所降低,但不能满足柔直系统完备的故障限流需求。为此,如何兼顾双向限流能力和造价成本成为直流故障限流器工程推广应用的关键难题。
发明内容
针对单向故障限流器无法保障不同位置故障电流有效抑制、纯双向限流器成本较高的问题,本发明提出了一种J-D串联混合型直流故障限流器、控制及参数设计方法,实现了双向导通可控电力电子开关支路J和单向二极管支路D混合配置构成限流器耗能支路,实现直流系统正向、反向故障限流。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种J-D串联混合型直流故障限流器,由电感L1、L2、第一耗能支路、第二耗能支路以及电阻R3构成;其中,所述电感L1与L2串联,所述电阻R3与所述电感L1、L2所构成的串联支路并联;所述第一耗能支路由双向导通可控电力电子开关支路J与电阻R1串联构成,与电感L1并联;所述第二耗能支路由单向二极管支路D与电阻R2串联构成,与电感L2并联。
进一步的,该限流器适用于直流系统正、反向故障限流,其中,单向二极管支路D的阳极指向供给故障电流值大的一侧,单向二极管支路D的阴极指向供给故障电流值小的一侧。
进一步的,所述双向导通可控电力电子开关支路J进一步包括两个单向晶闸管串联支路反并联或两个单向GTO串联支路反并联或两个单向IGBT串联支路反向串联三者其中之一的连接结构。
一种J-D串联混合型直流故障限流器的控制方法,应用于J-D串联混合型直流故障限流器,该方法包括以下步骤:
在正常运行状态下,第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J处于关断状态,负荷电流流经电感L1、L2
在直流系统发生故障以后的初期,第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J处于关断状态,限流电感L1、或限流电感L1和L2用于无延时故障限流;
在直流系统发生故障并且限流器接收到断路器的跳闸信号以后,导通第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J,使电感L1、L2的电流在限流器内部形成环流。
进一步的,电感L1、L2的参数设计的具体过程如下:
在不考虑限流器限流作用的情况下,计算限流器两侧故障时的故障电流峰值;
限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1由式(1)计算得到:
其中,Ceq1、Leq1、Req1为限流器左侧柔直系统的等值电容、等值电感和等值电阻,UdcN为系统额定电压,IdcN为系统额定电流,ttrip为柔直系统中配置的直流保护的动作时间加上直流断路器跳闸时间;
式(1)中的变量A1、σ1、ω1、θ11由式(2)计算得到:
限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2由式(3)计算得到:
其中,Ceq2、Leq2、Req2为限流器右侧柔直系统的等值电容、等值电感和等值电阻,UdcN为系统额定电压,IdcN为系统额定电流;ttrip为柔直系统中配置的直流保护的动作时间加上直流断路器跳闸时间;
式(3)中的A2、σ2、ω2、θ22由式(2)计算得到:
比较限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1和限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2的大小,得到电感L1、L2的求解方程;
若限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1大于等于限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2即idc1≥idc2,则电感L1、L2的求解方程如下式所示:
上式计算结果中,若L1≥0,则L1、L2的计算结果均不再变化;若L1<0,则令L1=0,L2等于上式计算得到的L1+L2,其中,η为故障电流抑制率,变量A2_lim、σ2_lim、ω2_lim、β2_lim和变量A1_lim、σ1_lim、ω1_lim、β1_lim分别由式(6-1)、(7-1)计算得到;
相反,若限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1小于限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2即idc1<idc2,则电感L1、L2的求解方程如以下式所示:
上式计算结果中,若L1≥0,则L1、L2的计算结果均不再变化;若L1<0,则令L1=0,L2等于上式计算得到的L1+L2,其中,η为故障电流抑制率,变量A1_limσ1_lim、ω1_lim、β1_lim和变量A2_lim、σ2_lim、ω2_lim、β2_lim分别由式(6-2)和式(7-2)计算得到;
进一步的,电阻R1、R2的参数设计是通过式(8)求取电阻R1、R2的值:
其中,treclose为断路器的重合闸时间。
进一步的,双向导通可控电力电子开关支路J中的两个单向支路串联的电力电子开关数量的参数设计是通过式(9)求取双向导通可控电力电子开关支路J中任意一个单向串联支路的电力电子开关数量KJ
其中,UdcN为系统额定电压,UJN为双向导通可控电力电子开关支路J中所选取的电力电子开关的额定电压。
进一步的,二极管支路D的参数设计是通过式(10)求取二极管支路D的串联数量:
其中,KD为二极管支路D中的二极管串联数量,UDN为所选取的二极管的额定电压。
进一步的,所述重合闸时间treclose的优选值为200ms~300ms。
与现有的基于电流转移思想的直流故障限流器相比,本发明提出的一种J-D串联混合型直流故障限流器及其参数设计方法,主要具有以下几个优点:
1)相比于仅具备单向限流能力的直流故障限流器,本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器具有双向限流能力,能够实现对正向故障电流和反向故障电流的有效限制;
2)相比于现有具备双向限流能力的直流故障限流器,本发明的J-D串联混合型直流故障限流器充分考虑直流系统正向故障和反向故障两种情况对限流能力的要求极有可能有所不同的特点,通过可控电力电子开关和二极管的混合配置,在不降低整体限流能力的前提下,能够有效降低限流器的造价成本。
附图说明
图1为本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器的拓扑结构图,(1a)为右侧故障时的电流大于左侧故障时的电流情况下的拓扑结构(以装设在正极线路上为例,装设在负极线路上时二极管支路方向刚好相反),(1b)为左侧故障时的电流大于右侧故障时的电流情况下的拓扑结构(以装设在正极线路上为例,装设在负极线路上时二极管支路方向刚好相反);
图2为本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器中双向导通可控电力电子开关支路J的构成示意图;(2a)为晶闸管构成的双向导通可控支路,(2b)为IGBT构成的双向导通可控支路,(2c)为GTO构成的双向导通可控支路;
图3为本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器在右侧发生故障时的控制过程示意图,(3a)为系统正常运行时的电流流通路径;(3b)为系统故障后限流阶段的电流流通路径;(3c)为系统故障后断流阶段的电流流通路径;(3d)为系统故障后限流器恢复阶段的电流流通路径;
图4为本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器在左侧发生故障时的控制过程示意图,(4a)为系统正常运行时的电流流通路径;(4b)为系统故障后限流阶段的电流流通路径;(4c)为系统故障后断流阶段的电流流通路径;(4d)为系统故障后限流器恢复阶段的电流流通路径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
实施例一:
如图1所示,为本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器拓扑结构。本图所示出的限流器拓扑结构以装设在正极线路上为例,装设在负极线路上时二极管支路方向刚好相反。(1a)为右侧故障时的电流大于左侧故障时的电流情况下的拓扑结构(以装设在正极线路上为例,装设在负极线路上时二极管支路方向刚好相反),(1b)为左侧故障时的电流大于右侧故障时的电流情况下的拓扑结构(以装设在正极线路上为例,装设在负极线路上时二极管支路方向刚好相反)。该结构由电感L1、L2、第一耗能支路ECC1(Energy consumingcircuit)、第二耗能支路ECC2以及电阻R3构成。其中电感L1与L2串联,R3与L1、L2的串联支路并联;第一耗能支路ECC1与电感L1并联,第二耗能支路ECC2与电感L2并联。电感L1、L2起到限流作用。
第一耗能支路ECC1由双向导通可控电力电子开关支路J与电阻R1串联构成;第二耗能支路ECC2由单向二极管支路D与电阻R2串联构成。其中,第一耗能支路ECC1中的双向导通可控电力电子开关支路J可由两个单向晶闸管串联支路反并联、或两个单向GTO串联支路反并联、或两个单向IGBT串联支路反向串联构成。
本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器适用于直流系统正、反向故障下限流,其中单向二极管支路D的阳极指向供给故障电流值相对较大的一侧,单向二极管支路D的阴极指向供给故障电流值相对较小的一侧。基于该原则,如(1a)所示,为限流器右侧故障时最大故障电流大于限流器左侧故障时最大故障电流情况下的拓扑结构,其中二极管支路的阴极指向左侧,以装设在正极线路上为例,装设在负极线路上时二极管支路方向刚好相反;如(1b),为限流器左侧发生故障时最大故障电流大于限流器右侧故障时最大故障电流情况下的拓扑结构,其中二极管支路的阴极指向右侧,以装设在正极线路上为例,装设在负极线路上时二极管支路方向刚好相反。
针对本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器核心元件的参数设计具体如下:
求取电感L1、L2的值,具体过程如下:
首先,在不考虑限流器限流作用的情况下,计算限流器两侧故障时的故障电流峰值。限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1由式(1)计算得到:
其中,Ceq1、Leq1、Req1为限流器左侧柔直系统的等值电容、等值电感和等值电阻,UdcN为系统额定电压,IdcN为系统额定电流,上述参数根据实际系统参数获得;ttrip为柔直系统中配置的直流保护的动作时间加上直流断路器跳闸时间,可根据实际系统配置的保护和断路器动作时间求得;
此外,式(1)中的变量A1、σ1、ω1、θ11由式(2)计算得到:
之后,限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2由式(3)计算得到:
其中,Ceq2、Leq2、Req2为限流器右侧柔直系统的等值电容、等值电感和等值电阻,UdcN为系统额定电压,IdcN为系统额定电流,上述参数根据实际系统参数获得;ttrip为柔直系统中配置的直流保护的动作时间加上直流断路器跳闸时间,可根据实际系统配置的保护和断路器动作时间求得;A2、σ2、ω2、θ22分别为替代函数,具体替代部分分别在式(4)示出;
比较限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1和限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2的大小;
若限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1大于等于限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2即idc1≥idc2,则电感L1、L2的求解方程如下式所示:
上式计算结果中,若L1≥0,则L1、L2的计算结果均不再变化;若L1<0,则令L1=0,L2等于上式计算得到的L1+L2。此外,上式中,η为故障电流抑制率,且η<1,变量A2_lim、σ2_lim、ω2_lim、β2_lim和变量A1_lim、σ1_lim、ω1_lim、β1_lim分别由式(6-1)、(7-1)计算得到;
相反,若限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1小于限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2即idc1<idc2,则电感L1、L2的求解方程如以下式所示:
上式计算结果中,若L1≥0,则L1、L2的计算结果均不再变化;若L1<0,则令L1=0,
L2等于上式计算得到的L1+L2。此外,上式中,η为故障电流抑制率,且η<1,变量A1_limσ1_lim、ω1_lim、β1_lim和变量A2_lim、σ2_lim、ω2_lim、β2_lim分别由式(6-2)和式(7-2)计算得到;
其中,A1_limσ1_lim、ω1_lim、、β1_lim、分别为替代函数,具体替代部分分别在式(6-2)示出,A2_lim、、σ2_lim、ω2_lim、β2_lim分别为替代函数,具体替代部分分别在式(7-2)示出,η为故障电流抑制率,且η<1;
求取电阻R1、R2的取值、双向导通可控电力电子开关支路J中的两个单向支路串联的电力电子开关数量和二极管支路D的串联数量,具体描述如下:
通过式(8)计算获得所述电阻R1、R2的取值:
其中,treclose为断路器的重合闸时间,优选值为200ms~300ms。
所述双向导通可控电力电子开关支路J中的两个单向支路串联的电力电子开关数量相同,通过如式(9)计算获得:
所述二极管支路D的串联数量可通过式(10)计算获得:
其中,KJ为双向导通可控电力电子开关支路J中任意一个单向串联支路的电力电子开关数量,UdcN为系统额定电压,UJN为双向导通可控电力电子开关支路J中所选取的电力电子开关的额定电压,UDN为所选取的二极管的额定电压。
实施例二:
本发明的J-D串联混合型直流故障限流器控制方法的工作过程,具体包括以下步骤:
如图3所示,以图(1a)所示的拓扑结构和代表的情况、以晶闸管构建双向导通可控电力电子开关支路J为例):
如图(3a)所示,在正常运行状态下,第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J处于关断状态,负荷电流只流经电感L1、L2。因此,不会在电力电子串联支路上产生损耗。
如图(3b)所示,在直流系统发生故障以后的初期,第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J处于关断状态,限流电感L1、或电感L1和L2发挥无延时故障限流作用。
如图(3c)所示,在直流系统发生故障并且限流器接收到断路器的跳闸信号以后,导通第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J,使电感L1、L2的电流在限流器内部形成环流。电感L1和L2的续电流分别与第一耗能支路和第二耗能支路形成环流,消除对断路器耗能容量的不利影响。这是由于电感续电流的偏置导通作用,直流线路电流可直接流经J和D,而不再流经限流电感L1、L2。这表明,在故障电流清除阶段,断路器的MOV只需耗散线路电感的故障能量即可,而无需再耗散限流电感L1、L2的故障储能。因此,直流断路器MOV耗能容量需求大幅降低、故障电流清除速度大幅提升。
如图(3d)所示,在故障电流被清除后,电感L1、L2的剩余故障能量分别经电阻R1、R2被耗散,因此在断路器重合以前可实现双向导通可控电力电子开关支路J的可靠关断,从而实现限流器的恢复。
如图4所示,为本发明的一种J-D串联混合型直流故障限流器在左侧故障时的工作原理示意图,以图(1b)所示的拓扑结构和代表的情况、以晶闸管构建双向导通可控电力电子开关支路J为例。
如图(4a)所示,以图1(a)所示的拓扑结构和代表的情况、以晶闸管构建双向导通可控电力电子开关支路J为例,在正常运行状态下,第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J处于关断状态,负荷电流只流经电感L1、L2。因此,不会在电力电子串联支路上产生损耗。
如图(4b)所示,在直流系统发生故障以后的初期,第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J处于关断状态,限流电感L1发挥无延时故障限流作用。此时,由于第二耗能支路中的电阻R2较小,故障电流在流经L2与第二耗能支路形成的并联电路时,将主要流经第二耗能支路。这意味着此时L2的限流作用很小。但需要注意的是,由于该拓扑对应的是右侧故障时的故障电流大于左侧故障时的故障电流的情况,因此在左侧故障时仅由L1发挥故障限流作用已经足够。
如图(4c)所示,在直流系统发生故障,并且限流器接收到断路器的跳闸信号以后,导通第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J。电感L1的续电流与第一耗能支路形成环流。由于电感续电流的偏置导通作用,直流线路电流可直接流经J,而不再流经限流电感L1。这表明,在故障电流清除阶段,断路器的MOV只需耗散线路电感的故障能量和L2的能量即可,而无需再耗散限流电感L1的能量。与图4所示的右侧故障情况相比,在故障电流清除阶段,直流断路器的MOV需要额外耗散电感L2的能量。但是,需要注意的是,如前文中所述,故障限流阶段的故障电流在流经L2与第二耗能支路形成的并联电路时,将主要流经第二耗能支路。换言之L2的电流仅为负荷电流,存储能量较小,因此,断路器仍能实现快速的故障电流清除,而且断路器MOV的耗能容量需求也不会有过大的增加。
如图(4d)所示,在故障电流被清除后,电感L1的剩余故障能量经电阻R1被耗散,因此在断路器重合以前可实现电力电子开关支路J的可靠关断,从而实现限流器的恢复。
以上所述仅为本申请的实施例,并不用于限制本发明所要申请保护的范围。对于本领域技术人员来说,凡是通过各种更改和变化、在不脱离本发明的精神和原理的情况下做出各种任何修改、等同替换或变型等,均落入本发明所公开的技术内容和保护范围之内。

Claims (9)

1.一种J-D串联混合型直流故障限流器,其特征在于,由电感L1、L2、第一耗能支路、第二耗能支路以及电阻R3构成;其中,所述电感L1与L2串联,所述电阻R3与所述电感L1、L2所构成的串联支路并联;所述第一耗能支路由双向导通可控电力电子开关支路J与电阻R1串联构成,与电感L1并联;所述第二耗能支路由单向二极管支路D与电阻R2串联构成,与电感L2并联。
2.根据权利要求1所述的一种J-D串联混合型直流故障限流器,其特征在于,该限流器适用于直流系统正、反向故障限流,其中,单向二极管支路D的阳极指向供给故障电流值大的一侧,单向二极管支路D的阴极指向供给故障电流值小的一侧。
3.根据权利要求1所述的一种J-D串联混合型直流故障限流器,其特征在于,所述双向导通可控电力电子开关支路J进一步包括两个单向晶闸管串联支路反并联或两个单向GTO串联支路反并联或两个单向IGBT串联支路反向串联三者其中之一的连接结构。
4.一种J-D串联混合型直流故障限流器的控制方法,其特征在于,应用于权利要求1-3任意一项所述的J-D串联混合型直流故障限流器,该方法包括以下步骤:
在正常运行状态下,第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J处于关断状态,负荷电流流经电感L1、L2
在直流系统发生故障以后的初期,第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J处于关断状态,限流电感L1、或限流电感L1和L2用于无延时故障限流;
在直流系统发生故障并且限流器接收到断路器的跳闸信号以后,导通第一耗能支路中的双向导通可控电力电子开关支路J,使电感L1、L2的电流在限流器内部形成环流。
5.一种J-D串联混合型直流故障限流器的参数设计方法,其特征在于,电感L1、L2的参数设计的具体过程如下:
在不考虑限流器限流作用的情况下,计算限流器两侧故障时的故障电流峰值;
限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1由式(1)计算得到:
其中,Ceq1、Leq1、Req1为限流器左侧柔直系统的等值电容、等值电感和等值电阻,UdcN为系统额定电压,IdcN为系统额定电流,ttrip为柔直系统中配置的直流保护的动作时间加上直流断路器跳闸时间;
式(1)中的变量A1、σ1、ω1、θ11由式(2)计算得到:
限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2由式(3)计算得到:
其中,Ceq2、Leq2、Req2为限流器右侧柔直系统的等值电容、等值电感和等值电阻,UdcN为系统额定电压,IdcN为系统额定电流,ttrip为柔直系统中配置的直流保护的动作时间加上直流断路器跳闸时间;
式(3)中的A2、σ2、ω2、θ22由式(2)计算得到:
比较限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1和限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2的大小,得到电感L1、L2的求解方程
若限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1大于等于限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2即idc1≥idc2,则电感L1、L2的求解方程如下式所示:
上式计算结果中,若L1≥0,则L1、L2的计算结果均不再变化;若L1<0,则令L1=0,L2等于上式计算得到的L1+L2,其中,η为故障电流抑制率,变量A2_lim、σ2_lim、ω2_lim、β2_lim和变量A1_lim、σ1_lim、ω1_lim、β1_lim分别由式(6-1)、(7-1)计算得到;
相反,若限流器右侧故障时的故障电流峰值idc1小于限流器左侧故障时的故障电流峰值idc2即idc1<idc2,则电感L1、L2的求解方程如以下式所示:
上式计算结果中,若L1≥0,则L1、L2的计算结果均不再变化;若L1<0,则令L1=0,L2等于上式计算得到的L1+L2,其中,η为故障电流抑制率,变量A1_limσ1_lim、ω1_lim、β1_lim和变量A2_lim、σ2_lim、ω2_lim、β2_lim分别由式(6-2)和式(7-2)计算得到;
6.根据权利要求5所述的J-D串联混合型直流故障限流器的参数设计方法,其特征在于,电阻R1、R2的参数设计是通过式(8)求取电阻R1、R2的值:
其中,treclose为断路器的重合闸时间。
7.根据权利要求5所述的J-D串联混合型直流故障限流器的参数设计方法,其特征在于,双向导通可控电力电子开关支路J中的两个单向支路串联的电力电子开关数量的参数设计是通过式(9)求取双向导通可控电力电子开关支路J中任意一个单向串联支路的电力电子开关数量KJ
其中,UdcN为系统额定电压,UJN为双向导通可控电力电子开关支路J中所选取的电力电子开关的额定电压。
8.根据权利要求5所述的一种J-D串联混合型直流故障限流器的参数设计方法,其特征在于,二极管支路D的参数设计是通过式(10)求取二极管支路D的串联数量:
其中,KD为二极管支路D中的二极管串联数量,UDN为所选取的二极管的额定电压。
9.根据权利要求6所述的一种J-D串联混合型直流故障限流器的参数设计方法,其特征在于,所述重合闸时间treclose的优选值为200ms~300ms。
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