一种适用于直流电网的阻容型混合式限流器的制作方法

本发明涉及直流输电及直流电网领域，具体涉及一种适用于直流电网的阻容型混合式限流器。

背景技术：

远距离输电的方式经历了从直流到交流，再到今天交直流输电共存的局面。随着大功率电力电子器件研发、制造技术的进步，基于电压源型换流器的柔性直流输电技术，在未来极具潜力用于大规模可再生能源并网及传输、区域大电网异步互联、构建智能电网等领域，能够使当前交直流输电技术面临的许多瓶颈取得突破。

直流电网有诸多优点，已成为了未来电网发展的重要方向，但由于直流电网的“低惯量、低阻抗”特点，在发生直流侧短路故障，尤其是双极故障后，mmc换流器内电容元件储存能量会快速释放，流向故障点，导致故障电流快速上升且两三个毫秒内幅值将达到额定电流的十几倍甚至几十倍，将对直流电网中的各种重要电力电子设备带来巨大冲击和危害，特别是mmc换流阀，其价格昂贵，一般只有两倍的电流裕度，若mmc桥臂电流上升到两倍时，直流故障还未隔离，此时mmc必须进入闭锁状态，这将严重威胁直流电网的稳定运行，很有可能将故障范围扩大，造成更大面积停电的事故。

在现有的故障隔离方式中，直流断路器需要足够的时间来切断有限的故障电流。目前国内直流断路器研制情况有：国家电网自主研发制造的200kv高压直流断路器在浙江舟山五端柔性直流输电工程中投运，可在3ms内断开高达15ka的故障电流；南瑞继保自主研制的世界首台500kv高压直流断路器通过kema见证试验，各项技术指标达到国际领先水平，分断电流为25ka，开断时间约为3ms。

在实际情况中并且考虑到直流电网的发展规模，故障电流往往很大，因为目前技术的限制及成本问题，直流断路器开断电流的能力非常有限，开断时间也受到限制，一般认为保护检测装置准确地检测到故障所需时间为1ms，直流断路器断开时间为3ms，所以按照目前隔离故障所需要的时间，换流站桥臂电流很可能在故障隔离之前就上升至额定值的两倍以上，导致换流站启动闭锁保护。因此，需要提供一种能够在故障发生或者扰动后在毫秒级投入的限流器，尽可能缩短限流器投入的延迟时间以保证直流电网的mmc换流站不会闭锁，以及降低故障电流的幅值以保证其值不超过直流断路器开断能力，并且降低限流器内部的全控型开关承受电压、电流以保证经济性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种适用于直流电网的阻容型混合式限流器，所述限流器结构简单、成本低，能够有效地限制直流电网故障电流，克服当前高压直流断路器开断容量不足，故障隔离时间较长等情况，同时也能够避免故障电流快速上升导致换流站闭锁及直流电网设备受损的问题。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种适用于直流电网的阻容型混合式限流器，包括三条并联支路，其中有两条完全一样的限流支路ⅰ和限流支路ⅱ；另外一条支路为正常通流支路ⅲ；所述限流支路ⅰ和限流支路ⅱ串联有全控型开关及核心限流元件，正常通流支路ⅲ串联有全控型开关和超快速机械开关，并在全控型开关两端并联有避雷器。

进一步地，所述核心限流元件为电阻并联限压电容器。

进一步地，所述限流支路ⅰ和限流支路ⅱ分别串联有两串全控型开关及一个核心限流元件，核心限流元件串联在两个全控型开关之间，所述两串全控型开关反向串联，使限流器具有双向限流能力，且全控型开关均含有反并联二极管，以保证电流能够双向流通。

进一步地，所述正常通流支路ⅲ反向串联有两串全控型开关，且全控型开关均含有反并联二极管，本支路的超快速机械开关与全控型开关串联。

进一步地，所述正常通流支路ⅲ的每串全控型开关两端并联了mov避雷器，以防止限流器承受过电压而损坏。

进一步地，所述阻容型混合式限流器安装在直流线路两端或换流站与直流母线之间。这样就可减小正常运行时串入线路两端的限流电抗器以及换流站与直流母线之间的限流电抗器，提高直流电网控制系统的动态特性，同时也保证故障时不会出现过大的电流。

进一步地，所述阻容型混合式限流器的具体工作过程为：在检测到过电流或者疑似故障后，根据故障电流的方向，交替导通限流支路ⅰ和限流支路ⅱ相应方向的全控型开关，在限流支路ⅰ、限流支路ⅱ交替导通后，先关闭正常通流支路ⅲ的全控型开关，随后立即将超快速机械开关断开，电流转移到限流支路；当电流转移至限流支路瞬间，不会在限流支路两端立即产生大电压，所以限流效果也不会立即发挥出最大，这是由于有电容与电阻并联，使得电压不会突变，是以一定的速率上升，其本质是在限流初期电容与电阻并联后的等值阻抗模值会远远小于电阻阻值，使得电流不会立即明显下降；两条限流支路交替导通，电流在两条限流支路中轮换，对电容的充电也将轮换，轮换使得限流支路中全控型开关两端电位差很小，不会承受大电压；当确定疑似故障为扰动时，根据电流方向先合上正常通流支路ⅲ相应的全控型开关，再合上超快速机械开关；当正常通流支路完全导通后，立即将两条限流支路的全控型开关关闭，限流器退出限流状态，直流系统即能够快速恢复；当确定为故障时，交替导通限流支路ⅰ与限流支路ⅱ，等待直流断路器动作或其他断流措施生效后再使限流器退出限流状态。

所述限流器具有双向限流的能力，利用电阻并联电容作为核心限流元件，使得限流初始时刻限流器两端不会承受大电压，随着两条限流支路的高频轮换，两条限流支路电容电压相对接近，保证限流支路的全控型开关承受电压非常小，可将本限流器安装在直流线路两端或换流站与直流母线之间，在故障或扰动发生后，快速投入限流，增大故障回路阻尼，降低故障电流，配合直流断路器实现直流电网保护功能，提高故障隔离的速度，避免造成换流站不必要的闭锁。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供的适用于直流电网的阻容型混合式限流器，在系统正常运行时利用正常通流支路将限流支路旁路，正常通流支路只含有少量的全控型开关和超快速机械开关，与全固态限流器相比正常运行通态损耗较低；另外，采用全控型开关换流，故障或扰动后限流器可以在毫秒内快速投入，避免线路保护装置启动及直流断路器动作时间较长导致换流器闭锁的情况；可以应用于传统高压直流输电、lcc-vsc混合直流输电、柔性直流电网等工程，可以安装于直流线路两端和换流站与直流母线之间。

2、本发明提供的适用于直流电网的阻容型混合式限流器，将电容并联在限流电阻上，在限流状态的初期限流器两端电压不会立即上升很高；采用电容并联电阻作为限流的核心元件并配合两条限流支路快速切换，使得限流支路的全控型开关在限流过程中只会承受非常小的电压(通过参数调整，可以降到额定直流电压的十分之一)；所述限流器具备快速退出限流的能力，当判定直流系统发生扰动或暂时性故障后，待直流系统恢复稳态后，可以利用正常通流支路将限流支路旁路，无须等跳开直流断路器后才退出限流状态；安装本发明所述限流器后，可以适当减小直流线路两端及换流站与直流母线之间的限流电抗器，提高直流控制系统的动态特性；采用电阻型元件限流增大故障回路的阻尼，能够吸收故障回路能量，配合现有混合型直流断路器，能够降低直流断路器所需的开断容量，提高故障隔离的速度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的适用于直流电网的阻容型混合式限流器的拓扑结构图。

图2为本发明实施例利用本限流器配合混合型直流断路器应用于柔性直流电网的示意图。

图3为本发明实施例中限流器在正常状态时，以方向为n1至n2为例的电流路径ⅲ的示意图。

图4为本发明实施例中限流器在限流状态时，以方向为n1至n2为例的电流路径ⅰ的示意图。

图5为本发明实施例中限流器在限流状态时，以方向为n1至n2为例的电流路径ⅱ的示意图。

图6为本发明实施例中限流器在直流电网中配合直流断路器的保护动作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例提供了一种适用于直流电网的阻容型混合式限流器，拓扑结构图如图1所示，包括三条并联支路，其中有两条完全一样的限流支路ⅰ和限流支路ⅱ；另外一条支路为正常通流支路ⅲ；所述限流支路ⅰ和限流支路ⅱ分别串联有两串全控型开关及核心限流元件，核心限流元件串联在两串全控型开关之间，所述两串全控型开关反向串联，使限流器具有双向限流能力，且全控型开关均含有反并联二极管，以保证电流能够双向流通；所述正常通流支路ⅲ反向串联有两串全控型开关，且全控型开关均含有反并联二极管，超快速机械开关与全控型开关串联；其中，所述核心限流元件为电阻并联限压电容器。另外，所述正常通流支路ⅲ的全控型开关两端并联了mov避雷器，以防止限流器承受过电压而损坏。

其中，所有全控型开关均采用igbt管，限流支路ⅰ、限流支路ⅱ的igbt代号分别为t121、t122、t211、t212，正常通流支路ⅲ的igbt代号分别为t12、t21；其他开关还有不可控二极管，限流支路的二极管代号分别为d121、d122、d211、d212，正常通流支路ⅲ的二极管代号分别为d12、d21，还有超快速机械开关s。

具体地，从图1中还可知，限流支路中电阻代号分别为r1、r2，电容代号分别为c1、c2，电阻并联电容组成了核心限流元件；在正常通流支路的双向电流转移开关t12、t21，d12、d21两端并联了mov避雷器，防止限流器承受过电压而损坏。

当系统出现扰动或故障发生后，直流电流上升至限流器动作整定值后，根据实际电流的方向触发限流支路中相应方向的全控型开关导通，并且限流支路ⅰ、限流支路ⅱ相应方向的全控型开关应交替导通；待限流支路交替导通后，立即关闭正常通流支路ⅲ全控型开关的触发信号，使得正常通流支路的电流完全转移到限流支路，随后立即跳开正常通流支路的超快速机械开关，保证在限流过程中正常通流支路全控型开关不会承受过大电压，随后电流在两条限流支路中轮换，限流器进入限流状态；

限流器进入限流状态后，电流进入限流器的任意端口后，随着电流在两条限流支路间轮换，在任意时刻电流通过其中一条限流支路的路径应该是，导通的全控型开关→核心限流元件(电阻并联电容)→关断的全控开关上的反并联二极管，电流流出限流器另一端口；

限流支路的电阻并联电容的目的在于：限制电流流过限流电阻两端产生的电压，其本质是降低限流初始时刻限流核心元件的等效阻抗模值，随着电容充电，限流核心元件的等效阻抗模值会快速上升，线路电流也会随之下降；

电流在两条限流支路之间轮换的目的在于：避免单个电容充电过快，限流器两端电压快速上升，超出超快速机械开关拉开的耐压间隙承受能力，同时利用接近相同的导通占空比可以保证限流支路的全控型开关只承受较低的电压，电流的轮换也保证了电容对限流电阻有短暂的放电过程；

本实施例所述的一种适用于直流电网的电阻型固态限流器，可以在直流系统疑似故障或扰动时快速投入，随后若判定扰动或暂时性故障，可以在系统恢复平稳后快速将限流器的限流支路ⅰ、支路ⅱ旁路；

更进一步的，系统恢复平稳后，将限流器限流支路旁路的步骤是根据实际的电流方向触发导通限流器正常通流支路相应方向的全控型开关，同时闭合超快速机械开关，随后关闭两条限流支路所有全控型开关的触发脉冲，即退出限流状态；

具体地，本限流器的双向导通及双向限流过程完全一致，并且可以通过电流方向检测，启动不同方向的限流操作，所以仅对一个方向进行说明，例如电流从限流器的n1端口流入，从n2端口流出；

限流器处于正常状态：当电流方向为n1端口流入，n2端口流出，限流器中两条限流支路的所有igbt开关t121、t122、t211、t212，全都保持关断状态；正常通流支路的t12开关获得持续的触发，保持导通状态，如图3中虚线可知，电流路径为n1→t12→d12→超快速机械开关s→n2；

限流器转换为限流状态：当测量装置检测到过电流后，0.3ms即可判定为疑似故障，启动限流器的限流状态，先根据实际电流方向触发限流支路ⅰ、限流支路ⅱ相应的igbt开关交替导通，这里采用5000hz轮换频率和50％的导通占空比；电流方向为n1端口流入，n2端口流出，触发t121、t122交替导通，然后立即关闭t12的触发脉冲，将电流转移到限流支路，这里特别说明由于t12关闭较早(故障发生后0.3ms)，所以t12不会流过很大的电流，不需要并联大量的igbt，同时为了保证t12在限流过程中不会承受过大的电压，需要立即跳开超快速机械开关s；

电流从正常通流支路ⅲ转移到限流支路ⅰ的流通情况如图4所示，电流路径为n1→t121→核心限流元件(r1并联c1)→d121→n2，特别说明电流转移到限流支路的初始阶段，由于电容的存在，限流支路的全控型开关不会立即承受大电压，这是由于限流初期电容并联电阻的等效阻抗模值比电阻阻值小很多；

随着限流支路的轮换导通，电流从限流支路ⅰ转移到限流支路ⅱ的流通情况如图5所示，电流路径为n1→t122→核心限流元件(r2并联c2)→d122→n2；

随着限流核心元件中的电容不断充电，电容元件通过的电流会越来越小，限流核心元件的等值阻抗模值会越来越大，限流能力会也会上升，故障电流上升速度减缓，甚至出现下降，此时限流器两端的电压会接近线路额定电压；这里要特别说明，虽然限流器两端的电压较高，但是由于两条限流支路的高频切换使得，限流器中限流支路ⅰ、ⅱ中的所有igbt开关承受的电压远远小于线路额定电压(调整参数可以小于十分之一)，所以不需要串联大量的igbt；

图2是利用本限流器配合混合型直流断路器应用于柔性直流电网的示意图，当限流状态持续1-2ms后，继电保护装置若将故障判定为永久性故障，便会立即发信号跳开直流断路器；由于采用了本限流器，线路不需要装很大的电感，且限流过程增大了故障回路阻尼，可以降低直流断路器实际需要的开断容量，提升故障隔离的速度；

图6是本实施例中限流器在直流电网中配合直流断路器的保护动作流程图，当限流状态持续1-2ms后，继电保护装置若将故障判定为暂时性故障或扰动，这时不会发送信号跳开直流断路器，而是待系统恢复到相对稳定后，发信号给限流器使其退出限流状态，本限流器可以在毫秒级的时间退出限流状态，使得系统快速恢复到正常运行状态。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。