一种故障电流快速转移式高压直流断路器拓扑的制作方法

本发明涉及一种故障电流快速转移式高压直流断路器拓扑，属于多端直流、直流电网领域。

背景技术：

随着世界范围内化石资源的日益枯竭，可再生能源的发展势不可挡，柔性直流电网也随着快速发展。目前，正在建设的张北±500kv四端柔性直流电网示范工程将在全世界范围内首次实现风电经直流电网向特大城市供电。而相比于传统交流系统，由电力电子设备组成的直流电网是一个“低惯量、低阻抗”系统，响应时间常数比交流电网至少小2个数量级。当直流线路发生严重故障时，换流器及直流侧的各种储能元件都会向故障点馈入能量，导致流过电力电子开关器件的电流迅速上升，如若不及时将故障进行隔离和清除，将危害器件甚至整个直流电网和交流电网系统的安全。因此，及时清除故障线路、保证健全线路的功率传输是保证直流电网可靠运行的前提。现阶段清除直流故障的方案有很多，根据直流断路器中主要开关元件的不同，可分为：机械式直流断路器、全固态直流断路器以及混合式直流断路器。在较高的直流电压等级下，以上直流断路器只具备单一的直流故障切除功能，无法满足诸如动态限流等特定需求，需要与直流限流器配合使用。与此同时，电网实际运行经验表明，架空线大多时候发生的故障都是瞬时性故障，只有不到10％的故障是永久性的，目前大多数混合式高压直流断路器均具备重合闸能力，但没设计具体的重合闸策略。因此，未来多端直流和直流电网中的直流断路器的开发依然有很多问题亟待解决，迫切需要研究适用于高电压、大电流场合，具有限流作用且具备适应多种故障情况的重合闸能力的直流断路器。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种故障电流快速转移式高压直流断路器拓扑。

本发明的目的在于克服当前高压直流断路器无限流作用，造价过高，不具备重合闸能力的缺点。

本发明所采用的技术方案是：在系统正常运行时，断路阀段工作在低损耗状态，限流阀段处于导通状态，断路器三个电抗器并联，呈现低电抗状态。当直流线路发生故障时，断路器立即进入限流状态，断路阀段进入电流转移状态，限流阀段呈现开路状态，三条支路的电抗串联连接，限制线路电流的上升速率。经过系统对线路故障的判断，最终进行断路操作或将断路器恢复正常运行。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：

1、具备限流作用：通过拓扑结构和控制策略的设计，实现了稳态低电抗和暂态高限流电抗的灵活切换，在具备断路功能的基础上，实现了限流作用。

2、成本低：利用二极管整流桥模型来实现双向导通性，减少了igbt使用量，节省了造价，增强了工程可行性。

3、具备重合闸能力且减小误操作可能性：在系统等级和成本约束下，通过配置支路数量，可以最大化限流作用，从而大幅度限制了故障电流的上升率，增加故障检测冗余时间，为故障的检测和确认提供充足的时间。

4、控制复杂度低且动作迅速：限流阀段只有igbt开关组器件，不存在超快速机械开关(ufd)等器件，一旦igbt开关组动作，电流将立即转移支路。

5、器件可靠性高：对每个阀段内所有直接串联的电力电子开关器件(igbt)都布置了电压平衡电路和相应的避雷器moa，以免产生局部或整体过电压，保护器件长期正常可靠运行。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出了一种故障电流快速转移式高压直流断路器拓扑的结构示意图，包括1个断路阀段、2个限流阀段以及3组电抗器；

图2示出了故障电流快速转移式高压直流断路器拓扑的三种运行模式电流通路图；

图3示出了故障处理过程中的控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

故障电流快速转移式高压直流断路器的拓扑结构如图1所示，包括1个断路阀段、2个限流阀段以及3组电抗器，其中，其断路阀段包含三条支路：支路1为低损耗通流支路，主要由ufd、反串联igbt开关管以及与其配套的避雷器moa组成；支路2为能量吸收支路，主要由多组避雷器moa组成，用于保护器件和消耗线路残余能量；支路3为电力电子断路支路，主要由二极管整流桥内切igbt结构组成，使得igbt的单向布置满足了双向断路操作的要求。限流阀段只包含一条支路，由多组反并联igbt开关管以及与其配套的避雷器moa组成。直流线路发生故障后，限流阀段配合三条支路上的电抗组将原本流过该阀段的电流转移到电抗组上，从而达到限流效果。各阀段内所有直接串联的igbt开关器件都设计了电压平衡电路，以及配置了相应的避雷器moa，避免产生局部或整体过电压，保护器件长期正常可靠运行。

该新型高压直流断路器拓扑可运行在如下3种工作模式，如图2所示为各种工作模式下的电流通路图：①正常工作模式，如图2(a)所示。当系统正常运行时，该拓扑运行在此模式下。此时，不同支路的三个电抗器并联连接，呈现低电抗状态，减小了对系统动态性能的影响。②限流模式，如图2(b)所示。当系统发生扰动或故障情况时，该拓扑立即将原先并联状态的三个电抗器投入到串联状态，电抗值从l/n增加到n*l，呈现高电抗状态，限制线路电流的上升速率，为系统检测判断提供充足的反应时间。③故障限流后断路模式，如图2(c)所示。当系统发生故障时，各支路立即运行在限流模式，限制电流上升速率，待系统判断此时的故障为永久性故障时，操作断路阀段和限流阀段，切断故障线路，同时将串联的电抗器重新并联，呈现小电抗状态，实现故障隔离且快速进行故障电流的耗散。

故障处理过程中的控制流程图如图3所示，在系统正常运行时，断路阀段中的ufd和与其相串联的igbt均处于低损耗导通状态，电力电子断路支路处于高阻态断路状态，限流阀段的所有igbt处于导通状态，此时该断路器拓扑运行在如图2(a)所示的模式①状态。当系统检测到疑是故障发生时，就进入限流状态：开通断路阀段中电力电子断路支路的所有igbt，同时关断断路阀段的低损耗支路和限流阀段中的所有igbt，此时三条支路的电抗器由并联状态转换成串联状态，呈现大电抗状态，第一时刻限制线路电流的上升速率，同时线路电流从断路阀段的低损耗支路逐渐转移到电力电子断路支路。待流过超快速开关ufd的电流降至零时，打开ufd，线路电流完全流过电力电子断路支路。

整个过程中，系统不断地在进行故障类型的检测和确认。若确认此时发生的故障为暂时性故障或故障的误判(系统发生小扰动等)：首先，等待线路电流和电压恢复正常水平；然后，将ufd打开，让其触点达到充分接触，且此时不会产生任何电弧；最后，给断路阀段低损耗支路和限流阀段的所有igbt下发导通信号，同时给断路阀段电力电子断路支路中的igbt下发关断信号，三个电抗器恢复并联连接，系统恢复正常运行状态。若此时系统确认的故障类型为永久性故障：立即关断电力电子断路支路的igbt，切断故障电流，与此同时，将限流阀段的所有igbt导通，重新投入运行，将电抗器重新并联连接，目的就是为了呈现低电抗值，加快故障电流的耗散速率。随着电压的迅速上升，断路阀段moa两端的电压很快超过其保护值，剩下的故障电流就通过该moa进行快速耗散至零，从而实现故障线路的隔离。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。