一种具有直流潮流控制能力的组合式高压直流断路器及其控制策略的制作方法

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种具有直流潮流控制能力的组合式高压直流断路器及其控制策略。

背景技术：

直流电网是我国电网未来发展的重要方向之一，与传统的两端直流输电系统相比，直流电网具有以下优点：(1)系统运行经济性大大增强，由传统的点对点传输变为网络化传输，减小了直流系统所需的换流站数量，不仅降低了换流站占地面积、节约了输电走廊资源，还减小了系统整体传输损耗、降低了直流网络的控制难度；(2)系统运行灵活性大大提升，有利于实现换流站与换流站之间的解耦控制，换流站可实现灵活投退，并根据所连系统情况自行调整输送功率大小及输送方向，实现广域范围内功率的调节互济；(3)系统运行可靠性大大改善，直流系统不存在交流系统固有的频率稳定性问题，且直流线路互为冗余备用，故障下即使某条线路切除运行，直流潮流依然可通过其他直流线路进行稳定传输。

由于直流电网在提升电力系统可控性、灵活性、可靠性等方面优势显著，因此已成为解决跨区域、大规模电力传输以及提升分布式新能源接纳能力的有效手段。在直流电网的关键设备中，目前工程中需求最为迫切的为直流断路器以及直流潮流控制器。

直流断路器方面，abb公司于2012年宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器，开断时间为5ms，额定电压为320kv，电流开断能力约为9ka。在此基础上，公开号为cn104767185a的中国专利提出一种适用于直流电网的组合式高压直流断路器，该断路器参考了混合式高压直流断路器的设计理念，并对其各主要部件进行了重新配置并加以改进，尤其适用于网架结构较为复杂的直流电网系统。

直流潮流控制器方面，在含有环、网状结构的直流电网中，换流站之间可能存在多条输电线路，导致线路上的潮流不能仅依靠换流站的电压、电流控制实现有效调节。这种情况下，直流电网内部分线路潮流可能会因得不到有效控制而导致线路过负荷，进而影响系统正常运行。因此，需要引入额外的直流潮流控制设备，通过增加控制自由度来实现对直流电网内每条线路潮流的有效控制。为此，已有文献提出若干种直流潮流控制器的实现形式，但此类潮流控制器需添加额外的电力电子设备，增加了直流电网的构成成本。

此外，直流断路器以及直流潮流控制器均需串联在直流线路当中，目前主要依靠外部供电的方式为器件中igbt的驱动电路供能，在高压输电场合，如电压等级为500kv的直流电网中，由于电压等级较高，外部供电电路的绝缘、耐压指标较难实现，这一缺陷大大限制了直流电网技术在高压技术领域的应用。

技术实现要素：

鉴于上述情况，本发明提出了一种具有直流潮流控制能力的组合式高压直流断路器及其控制策略，其针对传统组合式高压直流断路器的日常通流支路进行了改进，将负载转移开关由原有的igbt串联变为全桥子模块串联，并增加过压泄能支路；同时设计了相应的控制策略，使子模块中的电容在正常工况下带电运行。

一种具有直流潮流控制能力的组合式高压直流断路器，包括一条故障断流支路和多条日常通流支路；所述故障断流支路包括主动短路式断流开关和隔离开关，隔离开关的一端接在换流站的直流母线上，另一端与主动短路式断流开关的高压端相连，主动短路式断流开关的低压端接地；

所述日常通流支路包括超快速机械开关、负载转移开关以及辅助放电开关，超快速机械开关的一端接在所述直流母线上，另一端与负载转移开关的一端相连，负载转移开关的另一端与辅助放电开关的高压端以及对应直流输电线路相连，辅助放电开关的低压端接地；

所述负载转移开关由至少一个全桥子模块串联而成，所述全桥子模块由四个带反并联二极管的igbt管t1～t4、一个子模块电容、一个不带反并联二极管的igbt管t5和一个泄能电阻构成；其中，igbt管t1的发射极与igbt管t2的集电极相连并作为子模块面向超快速机械开关一侧的连接端口，igbt管t1的集电极与igbt管t3的集电极、igbt管t5的集电极以及子模块电容的一端相连，igbt管t2的发射极与igbt管t4的发射极、泄能电阻的一端以及子模块电容的另一端相连，igbt管t3的发射极与igbt管t4的集电极相连并作为子模块面向辅助放电开关一侧的连接端口，igbt管t5的发射极与泄能电阻的另一端相连，igbt管t1～t5的基极接外部驱动电路所提供的开关控制信号；负载转移开关在稳态运行时用于导通并控制直流线路中直流电流的大小，在故障处理时用于将电流转移至故障断流支路。由于不需要承受高电压等级，串联的全桥子模块数不需要太多。

进一步地，所述主动短路式断流开关由多个开关单元串联而成，所述的开关单元由多个带反并联二极管的igbt管串联后与一个避雷器并联构成。

进一步地，所述辅助放电开关由多个带反并联二极管的晶闸管串联后与一个避雷器并联构成。

上述组合式高压直流断路器的控制策略，对应以下三种运行模式：

在故障处理模式下，超快速机械开关和隔离开关均闭合，此时使主动短路式断流开关和辅助放电开关收到动作指令后立即导通，同时向负载转移开关内部各igbt管发出闭锁信号，待流经负载转移开关的电流下降为0后断开超快速机械开关，进而使主动短路式断流开关断开；

在稳态运行模式下，使负载转移开关以旁通运行方式动作，由于其内部子模块电容没有串入直流输电线路，因此直流电流大小不变；此时负载转移开关内部igbt管的驱动电路由子模块电容进行供电，由于能量被不断消耗，电容电压不断下降；当电容电压小于设定的稳态阈值下限时，则使负载转移开关以充电运行方式动作，利用直流电流为子模块电容充电；当电容电压达到设定的稳态阈值上限时，重新使负载转移开关以旁通运行方式动作；

在潮流控制模式下，当|idc|-|idcref|大于δi时，则检查对应直流输电线路上的负载转移开关是否处于充电运行方式：若否，则使该负载转移开关以充电运行方式动作；若是，则进一步检查同一直流母线其他直流输电线路上的负载转移开关是否有处于充电运行方式的：若有，则使该负载转移开关以旁通运行方式动作；若无，则无法对线路潮流进行调整；

在潮流控制模式下，当|idcref|-|idc|大于δi时，则检查对应直流输电线路上的负载转移开关是否处于充电运行方式：若是，则使该负载转移开关以旁通运行方式动作；若否，则进一步检查同一直流母线其他直流输电线路上的负载转移开关是否有处于充电运行方式的：若有，则无法对线路潮流进行调整；若无，则使该负载转移开关以充电运行方式动作；

在潮流控制模式下，当|idc-idcref|小于等于δi时，则使对应直流输电线路上的负载转移开关保持当前运行状态；其中：idc为任一直流输电线路的直流电流，idcref为对应直流输电线路的直流电流参考值，δi为设定的电流波动阈值。

进一步地，在潮流控制模式下，若负载转移开关处于充电运行方式且其内部子模块电容电压达到稳态阈值上限时，则使该负载转移开关以泄能运行方式动作，防止电容电压继续上升。

所述旁通运行方式为：使igbt管t5始终断开且在前半控制周期内对负载转移开关全桥子模块内的igbt管t1和t3施加导通信号，对igbt管t2和t4施加关断信号；在后半控制周期内对负载转移开关全桥子模块内的igbt管t1和t3施加关断信号，对igbt管t2和t4施加导通信号；此时子模块电容没有串入直流输电线路，直流电流大小不会发生改变。

所述充电运行方式为：使igbt管t5始终断开且对负载转移开关全桥子模块内的igbt管t1～t4施加关断信号，子模块闭锁；此时直流电流将为子模块电容充电，电容电压不断上升，直流电流逐渐降低。

所述泄能运行方式为：使负载转移开关全桥子模块内的igbt管t1～t4保持开关状态不变，对igbt管t5施加导通信号，使子模块电容中的能量通过泄能电阻进行耗散；当电容电压小于稳态阈值下限时，则对igbt管t5施加关断信号，电容电压不再下降。

本发明通过控制负载转移开关子模块电容正投入的频率，调节支路中正电阻效应的大小，以实现潮流控制的目的。与现有技术相比，本发明断路器拓扑的负载转移开关同时承担了断路器及潮流控制器的双重作用，减小了重复投资，降低了电网建设成本；此外，其igbt直接通过其子模块电容取能，无需外部供电，避免了工程中难以克服的绝缘问题，可提升该设备在高压直流电网中的应用前景。故本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明将直流潮流控制器的功能嵌入到断路器中，使组合式高压直流断路器既具备清除直流故障的能力，也具备调解线路潮流的能力，避免了设备的重复投资，在保证直流电网经济性的同时提升了其运行灵活性与可靠性。

(2)本发明负载转移开关无需外部供电电路为其驱动电路供电，避免了工程中难以解决的绝缘及耐压问题，降低了设计、制造及施工难度，有利于该断路器拓扑在高压直流系统中的应用。

(3)通过本发明控制策略，可使子模块电容电压在人为设定的阈值内波动，保证了能量的稳定性，防止电容电压出现剧烈波动，从而影响其驱动电路的供电可靠性。

附图说明

图1为本发明组合式高压直流断路器的应用结构示意图。

图2为本发明组合式高压直流断路器中日常通流支路的结构示意图。

图3为本发明实施例所采用的直流系统结构示意图。

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和图2所示，本发明具有直流潮流控制能力的组合式高压直流断路器由故障断流支路及日常通流支路组成，其中故障断流支路包括主动短路式断流开关及其隔离开关，支路高压端与直流母线相连，低压端直接接地，其配置个数由换流站个数决定；日常通流支路包括超快速机械开关、负载转移开关以及辅助放电开关，超快速机械开关的一端连接直流母线，另一端与负载转移开关的一端相连，负载转移开关的另一端连接至直流线路；辅助放电开关的高压端与直流线路相连，低压端直接接地；日常通流支路需与直流线路串联，其个数由直流线路的个数决定。

如图2所示，本发明与传统组合式高压直流断路器拓扑相比，其区别在于对负载转移开关结构进行了改进，其余部分的结构不变。本发明负载转移开关由少量全桥子模块串联构成，所采用的全桥子模块由4个igbt(编号为t1～t4)、4个反并联二极管(编号为d1～d4)、子模块电容c以及过压泄能支路构成。过压泄能支路由igbt(编号为t5)与泄能电阻串联组成，并联在子模块电容两端。负载转移开关在稳态运行时用于导通并控制直流线路中直流电流的大小，在故障处理时用于将电流转移至故障断流支路；由于不需要承受高电压等级，串联的全桥子模块数不需要太多。

负载转移开关主要包括如下三种运行方式：

①旁通运行方式。假设控制信号频率为f，控制周期t＝1/f，在前半周期(t/2)对t1、t3施加导通信号，对t2、t4施加关断信号；在后半周期(t/2)对t1、t3施加关断信号，对t2、t4施加导通信号。此时，直流电流只流经相应电力电子器件，子模块电容没有串入直流线路，直流电流大小不会发生改变。

②充电运行方式。对t1、t2、t3、t4施加关断信号，子模块闭锁。此时，直流电流将为电容充电，电容电压不断上升，直流电流逐渐降低。

③泄能运行方式。保持t1、t2、t3、t4的触发信号不变，对过压泄能支路中的igbt施加导通信号，子模块电容中的能量将通过泄能电阻进行耗散，以此来保证直流电压的稳定。当电容电压小于人为设定的稳态阈值下限umin时，对过压泄能支路中的igbt施加关断信号，电容电压不再下降。

本发明组合式高压直流断路器主要包括如下三种运行模式：

(1)故障处理模式。该模式下，组合式高压直流断路器的动作时序与传统策略相同，其主动短路式断流开关与辅助放电开关在收到动作指令后立即导通，同时负载转移开关对内部各子模块的igbt发出闭锁信号，待流经负载转移开关的电流下降为0后，断开超快速机械开关，并利用主动短路式断流开关开断故障电流。

(2)稳态运行模式。该模式下，断路器不具备潮流控制能力；稳态时，对负载转移开关施加旁通运行方式，由于子模块电容没有串入直流线路，因此直流电流大小不变，此时负载转移开关内部igbt的驱动电路由子模块电容进行供电，由于能量被不断消耗，子模块电容电压不断下降；当电容电压小于人为设定的稳态阈值下限umin时，需对电容进行充电，此时对负载转移开关施加充电运行方式，直流电流将为电容充电；当电容电压达到人为设定的稳态阈值上限umax时，负载转移开关重新回到旁通运行方式的触发模式。

(3)潮流控制模式。该模式下，断路器具备潮流控制能力；以图3所示的直流电网系统为例进行说明，现需对直流线路24中的电流进行调整，设直流电流参考值为idcref，直流电流实际值为idc，人为设定的波动阈值为δi。

当idc与idcref之差大于δi时，则表明idc过大，首先检查该线路24上的负载转移开关是否处于充电运行方式：若否，则将该线路负载转移开关施加充电运行方式；若是，则检查所连直流母线其他直流线路，即线路21侧负载转移开关是否处于充电运行方式：若是，则将其调整为旁通运行方式；若否，则无法对线路潮流进行调整。

当idcref与idc之差大于δi时，则表明idc过小，首先检查该线路24上的负载转移开关是否处于充电运行方式：若是，则将该线路负载转移开关施加旁通运行方式；若否，则检查所连直流母线其他直流线路，即线路21侧负载转移开关是否处于充电运行方式：若是，则无法对线路潮流进行调整；若否，则将其调整为充电运行方式。

在潮流控制模式下，若负载转移开关处于充电运行方式，且电容电压达到人为设定的稳态阈值上限umax时，对负载转移开关施加泄能运行方式，防止电容电压继续上升。

与现有技术相比，本发明将直流潮流控制器的功能嵌入到断路器中，使组合式高压直流断路器既具备清除直流故障的能力，也具备调解线路潮流的能力，避免了设备的重复投资，在保证直流电网经济性的同时提升了其运行灵活性与可靠性。此外，本发明中负载转移开关无需外部供电电路为其驱动电路供电，避免了工程中难以解决的绝缘及耐压问题，降低了设计、制造及施工难度，有利于该断路器拓扑在高压直流系统中的应用。

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。