一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法
【专利摘要】本发明公布了一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法，包括内环调节控制电流、外环调节控制电压，通过在双闭环调节中增加辅助控制器来进行高压直流断路器的变压和保护控制。本发明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，则可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，可以实现断路器的功能，及时有效地对短路故障进行切除，具有响应时间短的优势。
【专利说明】一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高压直流输电保护系统，具体是指一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法。
【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以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，以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，可以在几毫秒之内断开一所大型发电站的输出电流，这使得大规模可再生能源的高效集成和交换以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，这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。固态断路器可以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以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，但对于快速刀闸的制造要求很高，并且开断时间还是受到快速刀闸的影响以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，还可以考虑增加限流器配合断路器开关电流的方式，因为对于需要熄弧的机械开关，电流越大，熄弧越困难；而对于无需熄弧的电力电子器件，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]本发明的目的在于提供一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统及方法，为目前的高压直流输电线路提供一种新的保护方法，达到快速及时切除短路故障的目的。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0006]一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统，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、以及高压直流断路器，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v。*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L电感电流k经过内环低通滤波器LPF后与外环饱和环节输出的内环电感电流参考值V进行比较，比较的结果输入内环PI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。本发明是在对现有的双闭环控制系统上做出的改进，改进之处在于增加了 一个辅助控制器，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，快速及时切断线路，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，在线路发生短路故障时可以实现断路器的功能，及时地对短路故障进行切断，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，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。
[0007]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经过反向器输出至选择开关信号判断端，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，输出端与PWM发生器连接。具体的讲，辅助控制器主要包括选择开关和零值检测器，其中零值检测器是由一个过零比较器和一个触发子系统构成的，触发子系统的导通工作条件是过零比较器的输出信号，即当过零比较器的输出信号为大于零的时候，其输出信号1，这个阶跃信号使得触发子系统导通，输出脉冲使得选择开关进行动作，进行线路短路故障的切除。
[0008]一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，包括(a)外环控制步骤、(b)内环控制步骤、(C)辅助控制步骤，其中(C)辅助控制步骤包括以下步骤:
[0009](Cl)当高压直流输电系统正常运行时，占空比D保持一个稳定值，选择开关连接内环饱和环节输入端；
[0010](c2)当高压直流输电线路短路故障发生时，占空比D由稳定值快速下降为零；
[0011](c3)过零比较器进行比较输出值为1，触发子系统导通工作；
[0012](c4)在输入D值变为零的时刻开始，输出从O至I带上升沿阶跃信号，再经过反向器，触发子系统输出为在D值变为零的那刻起从I至O的带下降沿阶跃信号；
[0013](c5)选择开关接收到反向器输入的下降沿阶跃信号后，从上端位切换到下端位与零值信号连接将D值置零并保持，直到故障完全隔离并清除。
[0014]其中(a)内环控制步骤包括以下步骤:
[0015](al)电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压V。；
[0016](a2)输出端电压V。经过外环低通滤波器LPF后与输出端电压参考值 < 进行比较；
[0017](a3)比较的结果输入到外环PI调节器和外环饱和环节进行调节，输出内环电感电流参考值C。
[0018]其中(b)内环控制步骤包括以下步骤:
[0019](bl)电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流k ;
[0020](b2)将该电感电流k通过低通滤波器LPF过滤掉高次谐波后得到反馈信号；[0021 ] (b3)将反馈信号与输出电压参考值进行比较；
[0022](b4)比较的结果再经内环PI调节器、内环饱和环节的调节作用，输出断路器占空比D ;[0023](b5)将步骤(b4)得到的输出信号D经PWM发生器进行调制，控制高压直流断路器实现变压和故障切除功能。
[0024]本发明一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，采用在双环控制方法中增加一个辅助控制输出断路器占空比D的步骤，从而可以实现高压直流输电线路的短路故障状态监测，当高压直流线路处于短路状态时，输出断路器的占空比发生变化从而反应出输电线路发生短路故障，从而实现切断线路，起到保护的目的，相对于现有的高压直流断路器而言，具有变压功能、高速反应、快速执行，切断响应时间只需要6.5ms左右，相对于机械式和混合式高压直流断路器来说是一个很短的时间，具有较大的优势，在没有使用其他电流限制器的情况下故障电流值被限制在一个非常安全的范围内，当故障被切除后，通过重置辅助控制器，可使控制系统能恢复到正常的工作状态。外环调节控制断路器的输出端电压V。:电压传感器采集到高压直流断路器输出端电压V。，通过外环低通滤波器LPF过滤掉高次谐波后的反馈信号与输出电压参考值v。*进行比较，再经PI调节器调节和饱和环节作用输出内环电感电流调节控制的参考值计算公式如下:
[0025]
【权利要求】
1.一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统，其特征在于: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、以及高压直流断路器，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V。*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k，电感电流k经过内环低通滤波器LPF后与外环饱和环节输出的内环电感电流参考值V进行比较，比较的结果输入内环PI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。
2.根据权利要求1所述的一种变压型高压直流断路器短路故障的切除系统，其特征在于: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经过反向器输出至选择开关信号判断端，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，输出端与PWM发生器连接。
3.一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，其特征在于:包括(a)外环控制步骤、(b)内环控制步骤、(C)辅助控制步骤，其中(C)辅助控制步骤包括以下步骤: (Cl)当高压直流输电系统正常运行时，占空比D保持一个稳定值，选择开关连接内环饱和环节输入端； (c2)当高压直流输电线路短路故障发生时，占空比D由稳定值快速下降为零； (c3)过零比较器进行比较输出值为1，触发子系统导通工作； (c4)在输入D值变为零的时刻开始，输出从O至I带上升沿阶跃信号，再经过反向器，触发子系统输出为在D值变为零的那刻起从I至O的带下降沿阶跃信号； (c5)选择开关接收到反向器输入的下降沿阶跃信号后，从上端位切换到下端位与零值信号连接将D值置零并保持，直到故障完全隔离并清除。
4.根据权利要求3所述的一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，其特征在于所述步骤(a)内环控制步骤包括以下步骤: (al)电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压V。； (a2)输出端电压V。经过外环低通滤波器LPF后与输出端电压参考值v。*进行比较；(a3)比较的结果输入到外环PI调节器和外环饱和环节进行调节，输出内环电感电流参考值t。
5.根据权利要求3所述的一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，其特征在于所述步骤(b)内环控制步骤包括以下步骤: (bl)电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流k ； (b2)将该电感电流k通过低通滤波器LPF过滤掉高次谐波后得到反馈信号； (b3)将反馈信号与输出电压参考值V进行比较； (b4)比较的结果再经内环PI调节器、内环饱和环节的调节作用，输出断路器占空比D ； (b5)将步骤(b4)得到的输出信号D经PWM发生器进行调制，控制高压直流断路器实现变压和故障切除功能。
【文档编号】H02H7/26GK103928918SQ201410184928
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】唐良义, 陈维荣, 刘志祥, 李奇, 戴朝华, 张雪霞, 唐立 申请人:西南交通大学