一种限流阻容支路、阻容式直流断路器及参数选择方法与流程

本发明涉及高压直流输电领域，尤其涉及一种限流阻容支路、阻容式直流断路器及参数选择方法。

背景技术

基于电压源换流器的柔性直流输电系统(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，vsc-hvdc)在解决新能源消纳问题上具有显著优势。但由于柔直系统中电力电子设备的过流、过压能力较弱，直流侧的低阻抗特性使短路故障电流上升率较大，因此柔直系统对保护的速动性和选择性要求比交流系统更高，需要在数毫秒内完成切断和清除故障电流等全套动作，以防止故障对直流系统和换流站造成损害。

柔直系统的故障保护方式主要有三种：采用交流断路器的故障隔离方式；利用具备直流故障穿越能力的换流器拓扑或控制技术的故障隔离方式；基于高压直流断路器的故障隔离方式。其中采用交流断路器的故障隔离时间长，无法满足柔直系统保护速动性要求。而考虑到现有柔性直流输电工程多采用不具有直流故障自清除能力的模块化多电平(modularmultilevelconverter，mmc)结构，并且利用改进换流器拓扑进行故障隔离会造成系统停运，重启难度较大等，基于直流断路器的故障保护方案无疑是最具潜力的直流故障隔离方案。其中混合式高压直流断路器具备通态损耗小，开断时间短等优点，成为直流电网保护策略研究的重点。

对于不具备直流故障自清除能力的半桥mmc换流器，换流器闭锁无法阻断交流系统馈能，且换流器闭锁会对交直流系统造成冲击，因此当直流线路配置混合式高压直流断路器后，直流断路器进行故障隔离期间应尽量避免换流器闭锁。但由于混合式高压直流断路器的开断时间约为3ms，在其分闸期间故障电流会持续上升时间，若换流器处于正常解锁状态，很可能会引起桥臂过流触发换流器保护，因而必须被动整定换流器保护参数或桥臂电抗值才能保证换流器不闭锁。

另一方面，当直流系统输电线路为架空线情形时，直流线路故障中瞬时性故障达90％以上，应考虑直流断路器重合闸操作。为保证故障切除后的直流线路充分去游离以恢复绝缘性能，断路器首次分闸后的重合闸延时应大于100ms。在此期间，换流器持续解锁会造成子模块电容持续充电而使直流母线电压不断升高，威胁系统绝缘。若在此期间闭锁换流器或改变其控制方式，使其维持直流系统电压稳定，则又会使交流系统受到影响。

此外，值得注意的是，为快速隔离直流线路故障，混合式直流断路器应配置于每回直流线路两端。对于具备多条直流线路的直流电网，混合式直流断路器的配置数量将十分庞大。鉴于混合式直流断路器的高额制造费用，这将使保护方案的经济性大大减小。

总而言之，基于混合式直流断路器的直流线路故障隔离方案还需进一步优化断路器的结构。针对断路器的参数配置，也是值得研究和探索的问题。

为了解决上述问题，本发明提出一种限流阻容支路、阻容式直流断路器及参数选择方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，通过对混合式直流断路器及其保护策略的改进，本发明提出一种具备电流抑制及电压稳定能力的限流阻容支路、阻容式直流断路器(resistorandcapacitorbaseddccircuitbreaker,rc-dccb)及参数选择方法。

本发明具体公开了：

一种限流阻容支路，所述限流阻容支路包含第一输入端和第二输入端，在第一输入端和第二输入端之间串联有第一子电路和第二子电路，第一子电路包含相互串联的第一电阻和第一开关；第二子电路包含相互串联的第二开关和第三电阻，在第二开关和第三电阻的两端，并联有电容，还并联有第二电阻。

作为本发明的优选方式，所述第一开关和第二开关为全控开关，全控开关由一个或多个igbt串联构成。

作为本发明的优选方式，在所述第一开关和第二开关两端分别并联避雷器。

与此同时，本发明还涉及到了一种阻容式直流断路器，所述阻容式直流电路器包含第一输入端、第二输入端、输出端；第一输入端和输出端之间连接有载流分断支路，所述载流分断支路被配置用于实现故障点及故障线路的隔离；第一输入端和第二输入端之间连接有限流阻容支路，所述限流阻容支路被配置用于抑制直流故障电流峰值，避免换流器过流闭锁。

作为本发明的优选方式，其特征在于，所述限流阻容支路为如前所述的限流阻容支路。

作为本发明的优选方式，所述载流分断支路包含相互串联的载流转移开关和超快速开关。

作为本发明的优选方式，所述载流转移开关均由一个或多个igbt串联而成。

针对前述的限流阻容支路的参数选择方法，第一开关所需igbt个数为：

其中，第一开关的主断电流能力为im_t1，t1两端最大电压值为额定电压为udcn，单个igbt承压能力为uigbt，通流能力iigbt；k为限流阻容支路的方向系数；

第二开关最大所需igbt个数为：

idc_e及udc_e为设计的直流电流及母线电压最终稳定值；第二开关的主断电流能力为im_t2；

其中，第一电阻的阻值为：

其中，ulcs_e0为过电压初值，idc1为向第一开关换流结束瞬间的直流电流值，

第二电阻的阻值为：

第三电阻的阻值：

电容c的阻值为：

其中，n为换流器等效放电回路中子模块导通个数，c0为换流器桥臂子模块中的电容之和，子模块是换流器每个桥臂上串联的子模块，每个子模块两端并联了子模块电容。

针对述的阻容式直流断路器的参数选择方法，

其中，im_lcs为载流转移开关的分断电流能力，ulcs_e为载流转移开关承受的最大电压；单个igbt承压能力为uigbt，通流能力iigbt；k′为载流分段支路的方向系数；

限流阻容支路的参数按照如前所述的参数选择方法进行选择。

本发明的有益效果在于：本发明提出一种新的高压直流断路器拓扑，即阻容式阻容支路、阻容式直流断路器拓扑，限流阻容支路由电容、电阻等构成且并联于直流母线上，通过控制限流阻断支路，使直流故障电流的对电容c充电，能够极大地抑制直流故障电流峰值，避免换流器过流闭锁；通过电阻r1、r2消耗换流器输出的能量，可以稳定直流母线电压，有利于交直流系统的稳定。由于故障隔离期间换流器不需闭锁且交直流系统能保持稳定，因此更有利于线路重合闸及功率传输的快速恢复，提高了交直流系统的稳定性及可靠性。

附图说明

图1是限流阻容支路的电路图；

图2是阻容式直流断路器的电路图；

图3是限流阻容支路导通时的电流变化过程；

图4是限流阻容支路导通时的换流阀三相等效放电回路；

图5是限流阻容支路导通时的s域换流阀三相等效放电回路；

图6是限流阻容支路断开后电容c的等效放电回路；

图7是一个两端mmc对称单极测试系统模型图；

图8是考虑单次闸时阻容式直流断路器对直流电流及电压的稳定过程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提出一种具备电流抑制及电压稳定能力的限流阻容支路、阻容式直流断路器(resistorandcapacitorbaseddccircuitbreaker,rc-dccb)及参数选择方法。

如图1所示的一种限流阻容支路，所述限流阻容支路包含第一输入端和第二输入端，在第一输入端和第二输入端之间串联有第一子电路和第二子电路，第一子电路包含相互串联的第一电阻r1和第一开关t1；第二子电路包含相互串联的第二开关t2和第三电阻r3，在第二开关t2和第三电阻r3的两端，并联有电容c，还并联有第二电阻r2r2。

作为本发明的优选方式，所述第一开关t1和第二开关t2为全控开关，全控开关由一个或多个igbt串联构成。

作为本发明的优选方式，在所述第一开关t1和第二开关t2两端分别并联避雷器。

与此同时，如图2所示，本发明还涉及到了一种阻容式直流断路器，所述阻容式直流电路器包含第一输入端、第二输入端、输出端；第一输入端和输出端之间连接有载流分断支路，所述载流分断支路被配置用于实现故障点及故障线路的隔离；第一输入端和第二输入端之间连接有限流阻容支路，所述限流阻容支路被配置用于抑制直流故障电流峰值，避免换流器过流闭锁。

作为本发明的优选方式，其特征在于，所述限流阻容支路为如前所述的限流阻容支路。

作为本发明的优选方式，所述载流分断支路包含相互串联的载流转移开关lcs和超快速开关。

作为本发明的优选方式，所述载流转移开关lcs均由一个或多个igbt串联而成。

所述阻容式直流断路器的载流分断支路配置于直流线路两端，为稳态通流支路，具备双向开断能力；限流阻容支路一端连接直流极母线b1，另一端b2的连接点则与直流换流阀拓扑及阀侧交流接地方式有关。对于真双极系统，其两极可独立运行，因此b2连接接地极中性母线。换流站出口处的两极线路各配置一个直流断路器，直流故障会触发故障极的断路器动作。对于伪双极系统(对称单极系统)，b2的连接点有两种情形：

(1)换流站阀侧交流接地：该种情形下，单极故障后故障点与交流接地点会形成故障电流通路，因此与真双极情形一样，两极各配置一个断路器，并且阻容支路接地。

(2)换流站阀侧交流不接地：该种情形下，因为单极故障无法形成电流通路，所以单极故障没有故障电流，仅会使直流系统零电位点偏移，正常极电压升高，直流系统可保持短暂运行。此时仅双极故障后直流系统会出现短路电流，因此b2应连接另一极直流母线，阻容支路并联于两极之间，断路器仅响应双极故障。而稳态通流支路可配置于一极或两极，稳态通流支路的元件参数相应不同。

针对前述的限流阻容支路的参数选择方法，第一开关t1所需igbt个数为：

其中，第一开关t1的主断电流能力为im_t1，t1两端最大电压值为额定电压为udcn，单个igbt承压能力为uigbt，通流能力iigbt；k为限流阻容支路的方向系数；

第二开关t2最大所需igbt个数为：

idc_e及udc_e为设计的直流电流及母线电压最终稳定值；第二开关t2的主断电流能力为im_t2；

其中，第一电阻r1的阻值为：

其中，ulcs_e0为过电压初值，idc1为向第一开关t1换流结束瞬间的直流电流值，

第二电阻r1的阻值为：

第三电阻r3的阻值：

电容c的阻值为：

其中，n为换流器等效放电回路中子模块导通个数，c0为换流器桥臂子模块中的电容之和，子模块是换流器每个桥臂上串联的子模块，每个子模块两端并联了子模块电容。

针对述的阻容式直流断路器的参数选择方法，

其中，im_lcs为载流转移开关lcs的分断电流能力，ulcs_e为载流转移开关lcs承受的最大电压；单个igbt承压能力为uigbt，通流能力iigbt；k′为载流分段支路的方向系数；

限流阻容支路的参数按照如前所述的参数选择方法进行选择。

本发明所述的限流阻容支路的工作流程为：

当电路发生故障时，电流转移开关lcs的主要功能为将注入故障点的电流转移至限流阻容支路。超快速机械开关ufdufd具备零电流快速开断能力，实现故障点的隔离。

限流阻容支路是阻容式直流断路器的核心部分。主开关t1控制限流阻容支路的开断。开关t2控制电容c放电，其与开关t1连锁动作，开合状态相反。电容c、电阻r1、电阻r2构成的阻容结构，起限制电流峰值，维持直流电压、电流的作用。电阻r3为放电回路电阻，影响电容c的放电时间常数。

故障后第一阶段，为lcs断开时刻t2至重合闸时刻t6，该阶段t1导通、t2断开，限流阻容支路一直处于投入状态，电阻r1、r2上流过转移电流，电容c两端电压不断升高，其电流变化过程如图3所示。

初始时刻：如图3(a)所示，由于电流转移前电容c两端电压为零，因此转移瞬间电阻r2被短路，电流首先流经电阻r1及电容c，直流母线电压值主要由电阻r1两端的压降提供。通过调节电阻r1大小可调整阻容支路导通瞬间的直流母线电压恢复初值ulcs_e0；

电容充电阶段：如图3(b)所示，电流完全转移后，电容电压逐渐升高，电阻r2上出现电流并逐渐增大。

稳定阶段：如图3(c)所示，若开关t1持续导通，则电容c的充电电流会减小至零，其两端电压稳定，流经r1、r2的电流也也随之稳定，直流母线电压保持不变。通过选择r1，r2的值，可使稳态时限流阻容支路两端电压为udc_e，电阻r1上的电流为直流额定电流idc_e。

在上述第一阶段中，以对称单极情形的双极故障(双极系统情形的单极故障类似)为例，换流阀三相等效放电回路如图4所示。其中c1代表等效电容；l1代表等效电感；rd代表回路电阻，包括接地极电阻等。假设在t2时刻，等效电容c1电压为ud1，直流电流为id1，电容c两端电压为0，则对应的s域等效回路如图5所示。因此电容c的稳态电压uc_max及流过电阻r1和r2的电流为

uc_max＝udc_e-idc_e·r1

其中

由拉式反变换可得时域下的电流ir1和ir2。

第二阶段，从ufd合闸时刻t6至限流阻容支路断开时刻t9：该阶段的阻容支路电流量情况与故障类型有关。对于瞬时性故障，ufd合闸后，由于母线电压为额定值，阻容支路电流保持额定电流基本不变，直流线路电流缓慢上升。

对于永久性故障，由于ufd合闸后，子模块电容再次对故障点形成放电通路，直流线路电流迅速上升。由于母线电压大幅降低，阻容支路两端电压差大幅减小，阻容支路电流被迫迅速减小至零。但由于电容c的存在，电阻r2两端电压无法突变，在t6至t7的极短时间内，r2两端电压基本不变，其上电流维持为稳态电流idc_e。此后在t7时刻至阻容支路断开时刻t9间，阻容支路上再次流过电流，电流回路与图4一致。

第三阶段，为阻容支路断开后t9时刻至电容c完成放电的时刻(或者说限流阻容支路恢复为初始状态的时刻，此处以无穷大时刻“∞”表示)。在此阶段，避雷器及r1上流过小幅剩余电流，电容c向电阻r2及r3放电，如图6所示，电阻r2及r3上流过的放电电流为

将发明应用于两端mmc对称单极测试系统，说明本发明的具体实施例。一个搭建于pscad/emtdc中的两端mmc对称单极测试系统如图7所示，系统中配置本发明的阻容式直流断路器(rc-dccb)。该系统直流侧经嵌位电阻接地，阀侧交流不接地，因此限流阻容支路并联在两极之间。该系统额定功率150mw，额定电压±150kv，其中mmc1为整流器，采用定有功控制，mmc2为逆变器，采用定直流电压控制。换流器元具体件参数如下表。

该实施例中，取ulcs_e0及udc_e为150kv，idc_e为0.5ka。故障发生到换流结束需1ms，该测试用小系统的故障电流上升率约2.5ka/ms，则id1约3ka。阻容式直流断路器元件参数选择为：

阻容式直流断路器单次分闸时的支路电流如图8所示。故障后直流电流的上升时间可维持在1.5ms内，其中故障电流快速上升时间仅约1ms，线路电流峰值限制为约3ka，仅6p.u。由于电流峰值较小，线路电流可在5ms内快速降为零。图8说明阻容式直流断路器具有较强的故障电流抑制能力。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、rom、ram等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。