CN210927086U - 一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器 - Google Patents
一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，包括：预充电电容模块，用于储存并在柔性直流电网发生短路故障时释放电能，产生电流；磁耦合模块，用于将所述预充电电容模块产生的电流磁耦合转换为与直流电网电压相抵消、限制故障电流的负压。本实用新型所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，能够同时满足参数快速变化、快速限流、低损耗和高可靠性的要求。
Description
技术领域
本实用新型属于直流电网领域，特别涉及一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器。
背景技术
伴随着从传统的能源结构向清洁、高效的能源结构转型需求，可再生能源快速发展。与此同时，能源系统对能量汇集、并网、传输、分配的重要媒介——电网有了新的功能和性能需求；柔性直流(柔直)电网以其具备的优势是未来电网重要的发展方向之一。故障限流，关系到柔性直流电网可靠、安全运行，而直流限流器的发展相对滞后，现有直流限流器不能同时满足参数快速变化、快速限流、低损耗和高可靠性的要求。因此，亟需一种限流器能够同时满足参数快速变化、快速限流、低损耗和高可靠性的要求。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提供了一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，能够同时满足参数快速变化、快速限流、低损耗和高可靠性的要求。
一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，包括：
预充电电容模块，用于储存并在柔性直流电网发生短路故障时释放电能，产生电流；
磁耦合模块，用于将所述预充电电容模块产生的电流磁耦合转换为与直流电网电压相抵消、限制故障电流的负压。
优选的，所述磁耦合模块包括一次侧线圈和二次侧线圈，所述一次侧线圈和二次侧线圈通过磁场相互耦合。
优选的，所述磁耦合模块的二次侧线圈与所述预充电电容模块串联，
所述磁耦合模块的一次侧线圈串联在电网传输线上。
优选的，所述预充电电容模块设置为两个，
两个所述的预充电电容模块并联，且充电极性相反。
优选的，所述基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，还包括电容预充电模块，
所述电容预充电模块与所述预充电电容模块并联，用于为所述预充电电容模块充电。
优选的，所述基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，还包括电容放电控制模块，
所述电容放电控制模块与所述预充电电容模块串联，用于控制所述预充电电容模块释放电能。
优选的，所述电容放电控制模块包括电力电子开关单元，
所述电力电子开关单元的一端连接于所述预充电电容模块，另一端连接于所述磁耦合模块，用于控制所述预充电电容模块释放电能。
优选的，所述电容放电控制模块还包括吸收电路，
所述吸收电路与所述电力电子开关单元并联，用于改进电力电子开关单元开通与关断时刻所承受的电压、电流波形，保护所述电力电子开关单元。
优选的，所述吸收电路为RC吸收电路，
所述RC吸收电路包括电阻RS与电容CS，所述电阻RS与电容CS串联。
优选的，所述电容放电控制模块还包括压敏电阻，
所述压敏电阻与所述电力电子开关单元并联，用于保护所述电力电子开关单元。
优选的，所述电容放电控制模块还包括负载电路，所述负载电路与所述电力电子开关单元并联，用于调节所述预充电电容模块的放电速度。
优选的，所述电力电子开关单元包括第一功率半导体器件和第二功率半导体器件，
所述第一功率半导体器件和第二功率半导体器件串联、导通方向相反。
优选的，所述第一、第二功率半导体器件选自绝缘栅双极型晶体管IGBT或者集成门极换流晶闸管IGCT。
本实用新型所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，在非限流状态，其阻抗值要小于电抗式限流器，在故障发生后，所述故障限流器转换为限流模式，通过二次侧的电容放电，通过磁耦合到一次侧，在一次侧形成负压，此负压与直流电源相抵消，实现限流。本实用新型能够同时满足参数快速变化、快速限流、低损耗和高可靠性的要求，其限流效果要优于电抗式限流器。同时，本实用新型所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器一次侧为纯金属材料，不引入半导体成分，不额外增加大量的限流器工作状态的损耗，且不在一次侧加入半导体元件，有利于减小设备的复杂程度，提高设备的可靠性以及提高设备的技术经济性和可行性。
本实用新型的其它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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本实用新型所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器的一种简化拓扑图；
图2示出了本实用新型所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器的另一种简化拓扑图；
图3示出了本实用新型所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器的限流效果与电抗器限流效果对比图；
图4示出了本实用新型所述的电容放电控制模块的一种电路结构图；
图5示出了本实用新型所述的电容放电控制模块的另一种电路结构图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实施例公开了一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，具体的，本实施例所述的故障限流器为一种在断路器分断故障电流之前，限制故障电流上升的一种设备，工作在短路故障发生到断路器分断故障电流之间的暂态。本实施例所述的故障限流器与直流断路器串联，与断路器动作时间相配合，从而达到限制故障电流的效果。
请参照图1，所述基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器包括：
预充电电容模块，用于储存并在柔性直流电网发生短路故障时释放电能，产生电流；
磁耦合模块，用于将所述预充电电容模块产生的电流磁耦合转换为与直流电网相抵消、限制故障电流的负压。
其中，所述磁耦合模模块包括一次侧线圈和二次侧线圈，所述一次侧线圈和二次侧线圈通过磁场相互耦合。所述磁耦合模块的二次侧线圈与所述预充电电容模块串联，所述磁耦合模块的一次侧线圈串联在电网传输线上。具体的，所述一次侧线圈的接线端子连接于所述柔性直流电网，所述二次侧线圈的接线端子连接于所述预充电电容模块的两端。其中，R11为一次侧线圈电阻，R2为二次侧线圈电阻，L11为一次侧线圈电感，L12为二次侧线圈电感。
本实施例通过耦合电感的方式将柔性直流电网传输线与电容储能放电侧通过磁场实现耦合，在不破坏柔性直流电网传输线纯金属材料，不在柔性直流电网传输线上增加其它材料成分(如电力电子器件引入的半导体材料)的基础上，实现由电容储能放电侧快速放电，磁映射到一次侧形成负压的限流原理。
本实施例示例性的给出了直流断路器动作时刻为3ms，本实施例所述的故障限流器的限流效果与电抗式限流器限流效果，如图2所示。图2中的本实施例所述的故障限流器在柔性直流电网短路故障发生后的限流过程分为两个阶段。
其中，第一阶段为限流模式开启前的阶段，在这一阶段，因为本实施例所述的故障限流限流器在非限流状态阻抗要小于电抗式限流器，所以，在这一阶段，短路电流的上升速度要高于电抗式限流器。
其中第二阶段为限流模式开启后的阶段，在这一阶段，控制系统经历过电流检测和故障判断，确定柔性直流电网发生了短路故障，处于短路故障状态，开启限流模式。与一次侧电流方向对应的电容放电单元放电，在所述二次侧线圈内形成电流，通过磁耦合，在一次侧形成负压，从而在ms级的时间内抵消柔性直流电网侧的电压，实现在断路器分段之前的限流。
综上，在非限流状态，所述故障限流器的阻抗值要小于电抗式限流器，在故障发生后，所述故障限流器转换为限流模式，通过二次侧的电容放电，通过磁耦合到一次侧，在一次侧形成负压，此负压与直流电源相抵消，实现限流。在合理的时间配合和参数设计前提下，本实施例的限流效果要优于电抗式限流器。同时，本实施例所述的故障电流器一次侧为纯金属材料，不引入半导体成分，不额外增加大量的限流器工作状态的损耗，且不在一次侧加入半导体元件，有利于减小设备的复杂程度，提高设备的可靠性以及提高设备的技术经济性和可行性。
具体的，本实施例所述的故障限流器还包括电容预充电模块，即电容预充电电路。所述电容预充电模块与所述预充电电容模块并联，用于为所述预充电电容模块充电，使得所述预充电电容模块保持充电状态。
其中，本实施所述的故障限流器还包括电容放电控制模块。具体的，所述电容放电控制模块与所述预充电电容模块串联，用于控制所述预充电电容模块释放电能。
请参照图2，为了保证柔性直流电网中不同电流方向的限流，本实施例所述的预充电电容模块设置为两个，两个所述的预充电电容模块并联，且充电极性相反。其中，根据直流电网所保护的线路上短路电流的方向选择二次侧放电电流的极性，从而选择放电电容的极性，即实际起到限流作用的预充电电容模块的极性由直流电网所保护的线路上短路电流的方向所决定。
具体的，两个并联的所述预充电电容模块分别与所述电容放电控制模块串联。其中，电容预充电模块还与所述电容预充电模块并联。本实用新型示例性的给出了两个并联的所述预充电电容模块共用一个所述的电容预充电模块进行充电的情况。具体的，所述电容预充电模块先与转换开关串联，然后与两个并联的所述预充电电容模块并联。通过切换转换开关的连接触点，实现为不同的预充电电容模块充电。
需要说明的是，本实用新型仅仅示例性的给出了两个并联的所述预充电电容模块共用一个所述的电容预充电模块进行充电的情况，但不限于这种情况。
请参照图3，本实施例给出了所述电容放电控制模块的一种示例性说明。具体的，所述电容放电控制模块包括第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的电力电子开关单元，所述电力电子开关单元用于控制所述预充电电容模块释放电能。所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT能够瞬时完成开通和关断，实现所述预充电电容模块快速放电。
具体的，所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT串联、导通方向相反。具体的，所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极连接于所述二次侧线圈的第一接线端子，所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与所述第二绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极连接，所述第二绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极连接于所述预充电电容模块的一端，所述预充电电容模块的另一端连接于所述二次侧线圈的第二接线端子。
所述电容放电控制模块还包括吸收电路、压敏电阻及负载电路，所述电力电子开关单元、吸收电路、压敏电阻及负载电路相互连接关系如下：
所述吸收电路与所述电力电子开关单元并联，用于改进电力电子开关单元开通与关断时刻所承受的电压、电流波形，保护所述电力电子开关单元；
所述压敏电阻与所述电力电子开关单元并联，用于保护所述电力电子开关单元；
所述负载电路与所述电力电子开关单元并联，用于调节所述预充电电容模块的放电速度。
本实施例还给出了所述吸收电路的一种示例性说明。具体的，所述吸收电路为RC吸收电路，所述RC吸收电路包括电阻RS与电容CS，所述电阻RS与电容CS串联。
请参照图4，本实施例还给出了所述电容放电控制模块的另一种示例性说明。具体的，所述电容放电控制模块包括第一集成门极换流晶闸管IGCT与第二集成门极换流晶闸管IGCT组成的电力电子开关单元，所述电力电子开关单元用于控制所述预充电电容模块释放电能。所述第一集成门极换流晶闸管IGCT与第二集成门极换流晶闸管IGCT能够瞬时完成开通和关断，实现所述预充电电容模块快速放电。
具体的，所述第一集成门极换流晶闸管IGCT与第二集成门极换流晶闸管IGCT串联、导通方向相反。
所述电容放电控制模块还包括吸收电路、压敏电阻及负载电路，所述电力电子开关单元、吸收电路、压敏电阻及负载电路相互连接关系如下：
所述吸收电路与所述电力电子开关单元并联，用于改进电力电子开关单元开通与关断时刻所承受的电压、电流波形，降低损耗；
所述压敏电阻与所述电力电子开关单元并联，用于保护电力电子开关单元；
所述负载电路与所述电力电子开关单元并联，用于调节所述预充电电容模块的放电速度。
本实施例还给出了所述吸收电路的一种示例性说明。具体的，所述吸收电路为RC吸收电路，所述RC吸收电路包括电阻RS与电容CS，所述电阻RS与电容CS串联。
尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (13)
1.一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，包括：
预充电电容模块，用于储存并在柔性直流电网发生短路故障时释放电能，产生电流；
磁耦合模块，用于将所述预充电电容模块产生的电流磁耦合转换为与直流电网电压相抵消、限制故障电流的负压。
2.根据权利要求1所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述磁耦合模块包括一次侧线圈和二次侧线圈，所述一次侧线圈和二次侧线圈通过磁场相互耦合。
3.根据权利要求2所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，
所述磁耦合模块的二次侧线圈与所述预充电电容模块串联，
所述磁耦合模块的一次侧线圈串联在电网传输线上。
4.根据权利要求1所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述预充电电容模块设置为两个，
两个所述的预充电电容模块并联，且充电极性相反。
5.根据权利要求1或4所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，还包括电容预充电模块，
所述电容预充电模块与所述预充电电容模块并联，用于为所述预充电电容模块充电。
6.根据权利要求1或4所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，还包括电容放电控制模块，
所述电容放电控制模块与所述预充电电容模块串联，用于控制所述预充电电容模块释放电能。
7.根据权利要求6所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述电容放电控制模块包括电力电子开关单元，
所述电力电子开关单元的一端连接于所述预充电电容模块，另一端连接于所述磁耦合模块，用于控制所述预充电电容模块释放电能。
8.根据权利要求7所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述电容放电控制模块还包括吸收电路，
所述吸收电路与所述电力电子开关单元并联，用于改进电力电子开关单元开通与关断时刻所承受的电压、电流波形，保护所述电力电子开关单元。
9.根据权利要求8所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述吸收电路为RC吸收电路，
所述RC吸收电路包括电阻RS与电容CS，所述电阻RS与电容CS串联。
10.根据权利要求7或8所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述电容放电控制模块还包括压敏电阻，
所述压敏电阻与所述电力电子开关单元并联，用于保护所述电力电子开关单元。
11.根据权利要求7所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述电容放电控制模块还包括负载电路，所述负载电路与所述电力电子开关单元并联，用于调节所述预充电电容模块的放电速度。
12.根据权利要求7、8、9或11任一项所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述电力电子开关单元包括第一功率半导体器件和第二功率半导体器件，
所述第一功率半导体器件和第二功率半导体器件串联、导通方向相反。
13.根据权利要求12所述的基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器，其特征在于，所述第一、第二功率半导体器件选自绝缘栅双极型晶体管IGBT或者集成门极换流晶闸管IGCT。
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| CN210927086U true CN210927086U (zh) | 2020-07-03 |
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Family Applications (1)
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| CN201922053810.4U Active CN210927086U (zh) | 2019-11-25 | 2019-11-25 | 一种基于可控磁耦合的有源式柔性直流电网故障限流器 |
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2019
- 2019-11-25 CN CN201922053810.4U patent/CN210927086U/zh active Active
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