基于Cuk变换器拓扑的高压直流断路器及其切除故障的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高压直流输电变压及保护控制系统，具体是指一种基于化k变换 器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器及其切除短路故障的方法。
【背景技术】
[0002] 在高压交流输电系统中，输电线路的正常投入和事故切除，是通过高压交流断路 器来实现的。而在高压直流输电系统中，则是利用换流阀控制（栅）极的控制来消除暂时 性故障或者当发生短路故障时采用机械式高压断路器进行切除，但随着VSC-HVDC输电技 术的发展和应用，由于机械式的高压直流断路器的响应时间过长难W满足短路故障的快速 切除需求。因此，研制新型快速高压直流断路器，W促使高压直流输电系统的发展，甚为必 要。ABB公司于2012年11月开发出了世界上第一台混合式高压直流断路器，将机械动力学 与电力电子设备相结合，可W在几毫秒之内断开一所大型发电站的输出电流，该使得大规 模可再生能源的高效集成和交换W及建设全新高效电网进行远距离电力传输成为可能。高 压直流断路器的类型主要有机械式断路器、固态断路器、混合式断路器、Z-source断路器和 基于转换器的断路器。与高压直流转换开关只能开断正常运行电流不同的是，高压直流断 路器具有故障电流的切断能力。
[0003] 目前的机械式高压直流断路器，能够在数十毫秒内切断短路电流，该种故障电流 的切断速度尚不能满足新型VSC-HVDC输电系统的要求。固态断路器可W很容易地克服开 断速度的限制，但在稳态运行时会产生大量损耗。混合式断路器兼具机械断路器良好的静 态特性W及固态断路器无弧分断的动态特性，具有运行损耗低、使用寿命长、可靠性高和稳 定性好等优点，但对于快速刀闽的制造要求很高，并且开断时间还是受到快速刀闽的影响 W及保护系统和通信时间的影响。除了上述直接开断短路电流的方式之外，还可W考虑增 加限流器配合断路器开关电流的方式，因为对于需要焰弧的机械开关，电流越大，焰弧越困 难；而对于无需焰弧的电力电子器件，关断大电流会引起器件的动态过压，电流幅值越大， 过压越高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于解决现有断路器设备成本高，响应速度慢，设备运行损耗高等 问题，提供了一种基于化k变换器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器及其短路故障的 切除方法，达到同时能够实现在同一功率流方向实现升降压功能及断路器功能的目的。
[0005] 为了实现上述目的本发明采用W下技术方案：
[0006] 一种基于化k变换器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器，其特征在于，包括 高压直流断路器和控制系统，
[0007] 高压直流断路器包括；设置在正输入端与负输入端间的输入电容输入电容器 的正输入端连接电感Li的输入端，电感L1的输出端IGBT开关模块组S1和中间电容器C的 正端相连，电容器c的负端与电感L2的输入端和二极管正极相连，电感L2负端与输出电容 器C。相连，IGBT开关模块组S1输出端、二极管的负极和输出电容器C。负端与负输入端连 接，负输出端接地；
[000引控制系统包括依次连接的外环PI调节器、外环饱和环节、内环PI调节器、内环饱 和环节、PWM发生器，电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压V。，输出端电压V。经 过外环低通滤波器LPF后与输出电压参考值进行比较然后输入到外环PI调节器，电流 传感器采集到高压直流断路器中的电感电流电感电流i店圣过内环低通滤波器LPF后与 外环饱和环节输出的内环电感电流参考值1^进行比较，比较的结果输入内环口1调节器，在 所述的内环饱和环节与PWM发生器之间还增加有一个辅助控制器。
[0009] 本发明的基于化k变换器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器运行导通态时， 功率开关组Si导通，功率流经Ld。充电，断开态时，L<1。存储的能量通过二极管续流，电感电 流连续时的运行模态，在一个开关周期L内，通过电感的直流电压平均值在不计损耗的情 况下为零得出等式，计算分析式如下：
[0010] 在开关模态1[0,tj中，t= 0时，功率开关组Si导通，化k拓扑直流断路器器W 功率开关组Si为界分为左右两个回路。左回路中输入电源电压Vi全部加到电感L1上，电 感电流iu线性增长。右回路电容器C為负载对12放电。D在V。作用下反偏截止。Li和 L2的电流全部流经功率开关组S1，具体如图5所示，根据基尔霍夫电压定理可得如下二式：
[001引在t=t。。时，电感电流iU升高至最大值ium?，电感电流也升高至最大值i电感电流iu和U2的增长量Aiu(+)和Ai,2(+)分别通过W下二式求得：
[0016] 在开关模态2[t"，Tj中，从t=t。。时刻开始，功率开关组S1关断，电感电流iijfi 过二极管Di续流，形成WDi为边界的左右两个回路。Li和L2的电流全部流经Di。左回路 中输入电源电压Vi和L1串联给C充电，因C容量较大，充电时电压Ve增加不多，但电感储 能因向C转移而使iu下降；右边回路中电感电流i。在输出电压V。作用下下降，具体如图 6中所示，两个电感电流的下降率分别如下二式所示：
[0019] 在t=T拥，iL1下降至最小值iLlmi。，也下降至最小值iL2mi。。在功率开关组Si 导通期间，电感电流iu和U2的下降量Aiu(-)和Ai,2(-)分别如下二式所示；
[002引在t=T拥，功率开关组S及导通，开始另一个开关周期。在该断路器拓扑中， 输入电源的电能需要通过=个模态才能传至负载，第一个模态是功率开关组Si处于开通状 态，电能转换为磁场能储能，电抗器Li储能升高；第二个模态是功率开关组S1截止时，L1的 磁能转移为C的电能存储着；第S个模态是功率开关组Si导通时，C的电能转移到负载和 输出回路的电感L2和电容器C。，如图7所示模态。当该拓扑直流断路器稳态工作时，功率 开关组Si导通期间电感Li和L2的电流的增长量Aiu(+)和Ai,2(+)分别等于它在功率开 关组Si截止期间的减小量Aiu(-)和Ai,2(-)。所W由W上各式同样可W得到：
[0024] 由上述公式可知，该改进的拓扑的性能相似于Buck-Boost变换器，当D= 0. 5时， Vd=V若D<0. 5,则V"<Vi;反之，若D〉0. 5时，则V"〉Vi。所从Cuk变换器的输出电压V。既 可W高于也可W低于输入电压Vi。
[0025] 辅助控制器对占空比进行零值检测，当检测出零值时，判断出故障状态，执行选择 开关操作，切断线路，直到故障排除，恢复正常后，零值检测器检测出占空比不为零，判断出 属于正常状态，不动作，如此通过占空比的检测和调节，可W实现断路器的功能，及时地对 短路进行切断，也就是说，该辅助控制器既能在断路器正常运行时保证断路器升降压功能 的正常执行，并且能够在升压态与降压态之间切换，又能够在输电线路发生短路故障时快 速地对短路故障进行及时有效的切除，实现保护高压直流输电设备及负载设备。
[0026] 所述的辅助控制器包括零值检测器和选择开关，其中零值检测器包括一个过零比 较器和一个触发子系统，内环饱和环节的输出信号同时发送给过零比较器和触发子系统， 其中过零比较器的输出信号作为触发子系统导通的条件，触发子系统的输出信号进过反向 器输出至选择开关，选择开关的两个输入端分别与内环饱和环节的输出端和零值信号连 接。具体的讲，辅助控制器主