直流限流电路、直流限流装置和直流输电系统的制作方法

本发明涉及电力传输技术领域，具体而言，涉及一种直流限流电路、一种直流限流装置和一种直流输电系统。

背景技术：

目前，直流电网技术已经成为当前智能电网技术发展的重要方向。传统点对点的直流输电系统可以扩展为直流电网，其中柔性直流输电网是主要的发展方向，具备电网稳定、可靠的诸多特性，同时也为分布式能源的大规模接入提供了便利。

目前的直流输电系统绝大多数为点对点传输，多端传输寥寥无几，主要原因就是不能在直流输电系统故障时采取很好的应对措施。在相关技术中，直流限流电路中具有桥式结构来对直流输电系统的电流进行限制，但是桥式结构中有4个半导体开关组成，成本比较大，不利于直流限流装置的广泛使用。

因此，如何降低直流限流电路的成本成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出了一种直流限流电路。

本发明的另一个目的在于提出了一种直流限流装置。

本发明的又一个目的在于提出了一种直流输电系统。

为实现上述至少一个目的，根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种直流限流电路，包括：并联连接的第一半导体开关和第二半导体开关，所述第一半导体开关的一端和所述第二半导体开关的一端相连；第一电抗器和第二电抗器，所述第一电抗器的同名端连接至所述第一半导体开关的另一端，所述第二电抗器的异名端连接至所述第二半导体开关的另一端，所述第一电抗器的异名端和所述第二电抗器的同名端相连；第三半导体开关，所述第三半导体开关的一端连接至所述第一半导体开关的一端，所述第三半导体开关的另一端连接至所述第一电抗器的异名端；旁路开关，并联连接至所述第三半导体开关的两端。

在该技术方案中，通过两个并联的半导体开关就可对电流进行限制，避免了使用相关技术中的桥式结构的4个半导体开关，从而大大降低了直流限流电路的成本，从而有利于直流限流电路的广泛使用。另外，由于第一半导体开关和第二半导体开关在电抗器的同名端和异名端串联，因此，电抗器的铁芯中的磁通是交变的，铁芯不会像直流那样产生偏磁饱和，因此本方案中的电抗器的铁芯容易工程制造。

在上述技术方案中，优选地，当所述直流限流电路所在的直流输电系统发生故障时，向所述第三半导体开关发送导通信号，以触发所述第三半导体开关导通，并将所述旁路开关打开；在所述第三半导体开关导通的预设时间后向所述第三半导体开关发送关断信号，以触发所述第三半导体开关关断，并交替向所述第一半导体开关和所述第二半导体开关发送导通信号，以使所述第一半导体开关和所述第二半导体开关交替导通。

在该技术方案中，当直流限流电路所在的直流输电系统正常工作时，旁路开关闭合，直流电流通过旁路开关流通，其他部分则被旁路掉，可以有效地降低了直流输电系统在运行时的损耗。当直流输电系统出现故障时，第一半导体开关和第二半导体开关交替导通，第一半导体开关和第二半导体开关分别对应的电抗器也交替工作，从而有效地限制了直流输电系统中短路电流的增加。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一半导体开关和所述第二半导体开关分别包括一个或多个半导体。

在该技术方案中，第一半导体开关和第二半导体开关分别包括一个或多个半导体，从而保证了直流限流电路工作时的可靠性和稳定性。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一半导体开关中的半导体的数量和所述第二半导体开关中的半导体的数量相同。

在该技术方案中，第一半导体开关和第二半导体开关中的半导体的数量相同，从而在直流输电系统在发生故障时，保证了直流限流电路工作的稳定性。

在上述任一技术方案中，优选地，在所述第一半导体开关包括多个半导体的情况下，所述第一半导体开关为多个串联的半导体；以及在所述第二半导体开关包括多个半导体的情况下，所述第二半导体开关为多个串联的半导体。

在该技术方案中，通过将多个半导体首尾串联形成的电路作为第一半导体开关和第二半导体开关，从而保证了直流限流电路的可靠性。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一半导体开关中的半导体数量是根据所述直流限流电路所在的直流输电系统的直流电压值和所述第一半导体开关中的半导体的耐压等级确定；以及所述第二半导体开关中的半导体数量是根据所述直流限流电路所在的直流输电系统的直流电压值和所述第二半导体开关中的半导体的耐压等级确定。

在该技术方案中，根据直流输电系统中的直流电压值和半导体的耐压等级确定第一半导体开关和第二半导体开关中的半导体数量，从而保证了直流输电系统的可靠运行。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一电抗器和所述第二电抗器为耦合电抗器。

在该技术方案中，第一电抗器和第二电抗器为耦合电抗器，有效地降低了直流限流电路的成本。而且由于耦合电抗器存在互感，使得直流限流电路具有良好的技术性能。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一电抗器和所述第二电抗器的电抗值相同。

在上述任一技术方案中，优选地，所述旁路开关为开断时间小于预设阈值的机械开关。

根据本发明的第二方面的实施例，提出了一种直流限流装置，包括上述技术方案中任一项所述的直流限流电路，因此，该直流限流装置具有和上述技术方案中任一项所述的直流限流电路相同的技术效果，在此不再赘述。

根据本发明的第三方面的实施例，提出了一种直流输电系统，包括上述技术方案中任一项所述的直流限流装置，因此，该直流输电系统具有和上述技术方案中任一项所述的直流限流装置相同的技术效果，在此不再赘述。

通过本发明的技术方案，不仅可以降低直流限流电路的成本，还提高了直流限流电路的技术性能。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的直流限流电路的结构示意图；

图2示出了本发明的实施例的直流限流电路的工作时序图；

图3A至图3D示出了根据本发明的一个实施例的直流输电系统的工作原理示意图。

其中，图1至图3中附图的标记与部件名称之间的对应关系为：

100直流限流电路，102第一半导体开关，104第二半导体开关，106第一电抗器，108第二电抗器，110第三半导体开关，112旁路开关。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种直流限流电路100，包括：并联连接的第一半导体开关102和第二半导体开关104，所述第一半导体开关102的一端和所述第二半导体开关104的一端相连；第一电抗器106和第二电抗器108，所述第一电抗器106的同名端连接至所述第一半导体开关102的另一端，所述第二电抗器108的异名端连接至所述第二半导体开关104的另一端，所述第一电抗器106的异名端和所述第二电抗器108的同名端相连；第三半导体开关110，所述第三半导体开关110的一端连接至所述第一半导体开关102的一端，所述第三半导体开关110的另一端连接至所述第一电抗器106的异名端；旁路开关112，并联连接至所述第三半导体开关110的两端。

在该技术方案中，通过两个并联的半导体开关就可对电流进行限制，避免了使用相关技术中的桥式结构的4个半导体开关，从而大大降低了直流限流电路100的成本，从而有利于直流限流电路100的广泛使用。另外，由于第一半导体开关102和第二半导体开关104在电抗器的同名端和异名端串联，因此，电抗器的铁芯中的磁通是交变的，铁芯不会像直流那样产生偏磁饱和，因此本方案中的电抗器的铁芯容易工程制造。

在上述技术方案中，优选地，当所述直流限流电路100所在的直流输电系统发生故障时，向所述第三半导体开关110发送导通信号，以触发所述第三半导体开关110导通，并将所述旁路开关112打开；在所述第三半导体开关导通的预设时间后向所述第三半导体开关110发送关断信号，以触发所述第三半导体开关110关断，并交替向所述第一半导体开关102和所述第二半导体开关104发送导通信号，以使所述第一半导体开关102和所述第二半导体开关104交替导通。

在该技术方案中，当直流限流电路100所在的直流输电系统正常工作时，旁路开关112闭合，直流电流通过旁路开关112流通，其他部分则被旁路掉，可以有效地降低了直流输电系统在运行时的损耗。当直流输电系统出现故障时，第一半导体开关102和第二半导体开关104交替导通，第一半导体开关102和第二半导体开关104分别对应的电抗器也交替工作，从而有效地限制了直流输电系统中短路电流的增加。

具体地，通过自然换流技术，触发第三半导体开关110导通，并向旁路开关112发送断开指令，将旁路开关112断开，以将直流输电系统中的电流从旁路开关112换流到第三半导体开关110中。随后，关断第三半导体开关110，同时触发第一半导体开关102导通，然后触发第一半导体开关102关断，在触发第一半导体开关102关断的同时，触发第二半导体开关104导通，然后触发第二半导体开关104关断，在触发第二半导体开关104关断的同时，触发第一半导体开关102导通，以此类推，以使第一半导体开关102和第二半导体开关104交替导通。

在上述任一技术方案中，优选地，如图1所示，所述第一半导体开关102和所述第二半导体开关104分别包括一个或多个半导体。

在该技术方案中，第一半导体开关102和第二半导体开关104分别包括一个或多个半导体，从而保证了直流限流电路100工作时的可靠性和稳定性。半导体可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一半导体开关102中的半导体的数量和所述第二半导体开关104中的半导体的数量相同。

在该技术方案中，第一半导体开关102中的半导体的数量和第二半导体开关104中的半导体的数量相同，从而在直流输电系统在发生故障时，保证了直流限流电路100工作的稳定性。

在上述任一技术方案中，优选地，在所述第一半导体开关102包括多个半导体的情况下，所述第一半导体开关102为多个串联的半导体；以及在所述第二半导体开关104包括多个半导体的情况下，所述第二半导体开关104为多个串联的半导体。

在该技术方案中，通过将多个半导体首尾串联形成的电路作为第一半导体开关102和第二半导体开关104，从而保证了直流限流电路100的可靠性。

例如，将多个半导体的发射极和集电极依次串联形成的电路作为第一半导体开关102，通过同时向半导体的基极发生导通信号，以触发多个半导体同时导通，从而实现了第一半导体开关102的导通。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一半导体开关102中的半导体数量是根据所述直流限流电路100所在的直流输电系统的直流电压值和所述第一半导体开关102中的半导体的耐压等级确定；以及所述第二半导体开关104中的半导体数量是根据所述直流限流电路100所在的直流输电系统的直流电压值和所述第二半导体开关104中的半导体的耐压等级确定。

在该技术方案中，根据直流输电系统中的直流电压值和半导体的耐压等级确定第一半导体开关102和第二半导体开关104中的半导体数量，从而保证了直流输电系统的可靠运行。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一电抗器106和所述第二电抗器108为耦合电抗器。

在该技术方案中，第一电抗器106和第二电抗器108为耦合电抗器，有效地降低了直流限流电路100的成本。而且由于耦合电抗器存在互感，使得直流限流电路100具有良好的技术性能。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一电抗器106和所述第二电抗器108的电抗值相同。

在上述任一技术方案中，优选地，所述旁路开关112为开断时间小于预设阈值的机械开关。例如，预设阈值为12毫秒，即旁路开关112是一种快速机械开关。

根据本发明的第二方面的实施例，提出了一种直流限流装置，包括上述技术方案中任一项所述的直流限流电路100，因此，该直流限流装置具有和上述技术方案中任一项所述的直流限流电路100相同的技术效果，在此不再赘述。

根据本发明的第三方面的实施例，提出了一种直流输电系统，包括上述技术方案中任一项所述的直流限流装置，因此，该直流输电系统具有和上述技术方案中任一项所述的直流限流装置相同的技术效果，在此不再赘述。

下面结合图2及图3A至图3D进一步地说明书上述技术方案。

在本实施例中，直流输电系统中包括有直流限流装置、电压U、电阻R和电感L0。图2的时序图中包括：对旁路开关112进行控制的信号的时序图S1、对第三半导体开关110进行控制的信号的时序图S2、对第一半导体开关102进行控制的信号的时序图S3和对第二半导体开关104进行控制的信号的时序图S4，图2的I_R表示的是直流输电系统中的直流电流的变化情况。图3A至图3D中的箭头指的是电流在直流输电系统中的流向。

图2中的时序1对应图3A，如图3A所示，当直流输电系统在正常运行时，旁路开关112闭合，第一半导体开关102、第二半导体开关104和第三半导体开关110均打开，在直流输电系统中的电流为I₀，直流电流通过旁路开关112流通，其他部分则被旁路而退出运行。

当直流输电系统发生故障时(如直流输电系统中的负荷被短路)，进入图2中的时序2，图2中的时序2对应图3B，如图3B所示，向第三半导体开关110发生导通信号，以迅速触发第三半导体开关110导通，采用自然换流技术，将电流从旁路开关112换流到第三半导体开关110中，同时旁路开关112打开而退出运行，此时在直流输电系统中的电流为I₁。

T₀时间(T₀取决于半导体和控制半导体的控制器的速度以及直流限流电路的反应时间)完成换流后，将第三半导体开关110关断，并交替触发第一半导体开关102和第二半导体开关104，即交替进入了图2中的时序3和时序4，时序3和时序4采用相等的控制时间T。

图2中的时序3对应图3C，如图3C所示，向第三半导体开关110发生关断信号，以触发第三半导体开关110关断，同时向第一半导体开关102发生导通信号，以触发第一半导体开关102导通，使得电流流经第一半导体开关102和其串联的第一电抗器106，此时在直流输电系统中的电流为I₂。

图2中的时序4对应图3D，如图3D所示，向第一半导体开关102发生关断信号，以触发第一半导体开关102关断，同时向第二半导体开关104发生导通信号，以触发第二半导体开关104导通，使得电流流经第二半导体开关104和其串联的第二电抗器108，此时在直流输电系统中的电流为I₃。

随后电流的流向在图3C和图3D之间交替，即图2中的时序3和时序4交替出现。从图2中可以看出，电流I₁的上升斜率是非常高的，这是因为此时第一电抗器和第二电抗器还没有投入工作；而由于第一电抗器和第二电抗器的切入，电流I₂和I₃的上升斜率则已经显著降低；此外因为第一电抗器和第二电抗器之间互感的存在，每次时序3和时序4的切换，都会导致电流的初始值显著的降低，从而限制短路电流的增加。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，通过本发明的技术方案，不仅可以降低直流限流电路的成本，还提高了直流限流电路的技术性能。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”表示两个或两个以上；术语“相连”、“连接”等均应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。