一种线路侧故障耗能支路及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种线路侧故障耗能支路及其控制方法。

背景技术：

高压大容量的直流电网技术，是未来构建智能电网和全球能源互联网的重要环节。基于模块化多电平换流器（modularmultilevelconverter,mmc）的柔性直流输电技术便于构建直流电网，因而成为电力工业界的一个新的期望。我国即将建成的张北直流电网采用半桥子模块（halfbridgesubmodule）加架空线方案，是世界上首个直流电网工程实践。采用架空线具有明显的技术经济性优势，但是随之而来的问题就是直流侧故障概率高，结合半桥子模块不具备直流侧故障清除能力的特点，需要采用直流断路器切断故障电流。随着直流电网容量的提高，故障电流会在更短时间内达到电力电子器件耐流极限，这要求在更快的时间内切除故障，对故障检测速度和直流断路器切断容量带来极高挑战。

当柔性直流系统处于稳态时，若忽略直流电流的波动，直流电抗器上的电压近似为0。当直流线路发生故障后，直流电抗器电压瞬间达到峰值，这对直流电抗的耐压等级提出了严格的要求。

为可靠切断故障，要求断路器不断地通过器件的串并联来满足断路过程中的电气应力，断路器切断过程中避雷器的投入会引起避雷器内的电流冲击，其造成的电动力将加速避雷器老化，影响其使用寿命，降低直流断路器的可靠性，且避雷器吸收的能量越大，其老化程度越快。针对避雷器使用寿命和可靠性问题，目前大多数研究集中于避雷器剩余寿命的诊断和预判，从而在避雷器出现故障之前进行更换。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中避雷器耗散能量大且经济性差以及断路过程对直流电抗耐压等级要求高的问题，本发明提供一种线路侧故障耗能支路及其控制方法，线路侧故障耗能支路包括通态旁路和耗能模块。通态旁路，用于在直流线路发生故障后使得直流电抗和线路等效电抗的续流电流流经线路侧故障耗能支路，避免电流由换流站一侧馈入；耗能模块，用于在闭锁通态旁路igbt后，给电容充电，并将电阻串入回路，消耗线路上电抗器和等效电感的能量，减小流入避雷器中的耗散能量，延长避雷器使用寿命，提高直流断路器可靠性；分为线路侧故障耗能支路所在的直流线路正常运行或线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开前以及线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开后两种情况对线路侧故障耗能支路实现控制，线路侧故障耗能支路利用全控器件和不控型器件，逻辑简单，经济性高，控制能力强。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种线路侧故障耗能支路，包括：

通态旁路，用于在直流线路发生故障后使得直流电抗和线路等效电抗的续流电流流经线路侧故障耗能支路，避免电流由换流站一侧馈入；

耗能模块，用于在闭锁通态旁路igbt后，给电容充电，并将电阻串入回路，消耗线路上电抗器和等效电感的能量，减小流入避雷器中的耗散能量，延长避雷器使用寿命，提高直流断路器可靠性。

所述线路侧故障耗能支路一侧接地，一侧与直流电抗相连，形成公共点a。

所述通态旁路包括igbt、二极管，igbt与二极管da串联，与二极管db反并联。

所述耗能模块包括电容、电阻。电容、电阻与通态旁路中的igbt。

所述耗能模块利用igbt导通将直流电抗旁路，直流电抗一侧机械开关断开，将故障线路与换流站隔离。

所述耗能模块利用电容形成缓冲支路，防止过电压，利用电阻形成耗能支路，减小避雷器耗散能量，延长避雷器使用寿命，提高直流断路器可靠性。

另一方面，线路侧故障耗能支路所在的直流线路正常运行或线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开前，本发明提供了一种线路侧故障耗能支路的控制方法，包括：

线路侧故障耗能支路中igbt关断，稳态电流或故障电流流经直流电抗。

再一方面，线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开后，本发明还提供另一种线路侧故障耗能支路的控制方法，包括：

t1时刻，保护装置发出指令，导通通态旁路中的igbt，将直流电抗旁路，并给电抗器一侧机械隔离开关发出分闸指令，屏蔽换流站匮入电流，与igbt反并联的二极管用于避免igbt反向电压击穿；

t2时刻，机械隔离开关完成分断，关断耗能模块中igbt，确保闭锁igbt后的耗能过程不再影响换流站一侧。igbt上电流瞬间转移至耗能模块中电容和电阻支路，直流电抗放电，同时给电容充电。

t3时刻，电容电压高于电抗电压，二极管承受反向电压而不再续流，电容作为耗能模块唯一的电源，能量向电阻转移，电容能量释放完毕后，线路侧故障耗能支路动作完成。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的线路侧故障耗能支路包括通态旁路和耗能模块。通态旁路，用于在直流线路发生故障后使得直流电抗和线路等效电抗的续流电流流经线路侧故障耗能支路，避免电流由换流站一侧馈入；耗能模块，用于在闭锁通态旁路igbt后，给电容充电，并将电阻串入回路，消耗线路上电抗器和等效电感的能量，减小流入避雷器中的耗散能量，延长避雷器使用寿命，提高直流断路器可靠性；

本发明提供的线路侧故障耗能支路的控制方法分为线路侧故障耗能支路所在的直流线路正常运行或线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开前以及线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开后两种情况对线路侧故障耗能支路实现控制，控制方式简单，可控性强；

本发明中的耗能模块起到耗散直流电抗能量、减小断路对换流站的影响、降低断路后直流电抗上的冲击电压和节约成本的作用；

本发明中的通态旁路，用于在直流线路发生故障后使得直流电抗和线路等效电抗的续流电流流经线路侧故障耗能支路，避免电流由换流站一侧馈入，采用单向igbt和二极管，节约器件成本；

本发明提供的技术方案充分利用了电容形成缓冲支路，防止过电压；

本发明提供的技术方案在线路侧故障耗能支路所在的直流线路正常运行或线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开前，电流流经直流电抗支路；

本发明提供的技术方案在线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开后，伴随着二极管和igbt的导通，可强迫故障电流流经通态旁路，将故障线路和换流站隔离；

本发明提供的技术方案使用低成本的半控型器件，可以有效节约投资。

附图说明

图1是本发明实施例1中线路侧故障耗能支路结构图；

图2是本发明实施例2中稳态电流路径示意图；

图3是本发明实施例3中断路器动作前直流线路故障电流的流经路径示意图；

图4是本发明实施例4中断路器动作后s101中直流线路故障电流的流通路径示意图。

图5是本发明实施例4中断路器动作后s102中直流线路故障电流的流通路径示意图。

图6是本发明实施例4中断路器动作后s103中直流线路故障电流的流通路径示意图。

图7是本发明实施例4中断路器动作后s104中直流线路故障电流的流通路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种线路侧故障耗能支路，具体包括通态旁路和耗能模块，各个支路的功能如下：

其中的通态旁路，用于在直流线路发生故障后使得直流电抗和线路等效电抗的续流电流流经线路侧故障耗能支路，避免电流由换流站一侧馈入；

其中的耗能模块，用于在闭锁通态旁路igbt后，给电容充电，并将电阻串入回路，消耗线路上电抗器和等效电感的能量，减小流入避雷器中的耗散能量，延长避雷器使用寿命，提高直流断路器可靠性；。

本发明实施例1提供的线路侧故障耗能支路结构示意图如图1所示，图1中，所述线路侧故障耗能支路一侧接地，一侧与直流电抗相连，形成公共点a。

上述通态旁路包括igbt、二极管，igbt与二极管da串联，与二极管db反并联。

上述耗能模块包括电容、电阻。电容、电阻与通态旁路中的igbt。

上述耗能模块利用igbt导通将直流电抗旁路，直流电抗一侧机械开关断开，将故障线路与换流站隔离。

上述耗能模块利用电容形成缓冲支路，防止过电压，利用电阻形成耗能支路，减小避雷器耗散能量，延长避雷器使用寿命，提高直流断路器可靠性。

实施例2

本发明实施例2提供了一种线路侧故障耗能支路的控制方法，具体过程如下：

线路侧故障耗能支路所在的直流线路正常运行情况下，线路侧故障耗能支路中igbt关断，稳态电流流经直流电抗。直流线路正常运行时稳态电流的流经路径示意图如图2所示。

实施例3

本发明实施例3提供的线路侧故障耗能支路的控制方法，具体过程如下：

线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开前，线路侧故障耗能支路中igbt均关断，故障电流流经直流电抗。断路器断开前直流线路故障电流的流经路径示意图如图3所示。

实施例4

本发明实施例4提供的线路侧故障耗能支路的控制方法，适用于线路侧故障耗能支路所在的直流线路断路器断开后，具体过程如下：

s101：t1时刻，保护装置发出指令，导通通态旁路中的igbt，将直流电抗旁路，并给电抗器一侧机械隔离开关发出分闸指令，屏蔽换流站匮入电流，与igbt反并联的二极管用于避免igbt反向电压击穿，故障电流的流通路径示意图如图4所示；

s102：t2时刻，机械隔离开关完成分断，关断耗能模块中igbt，确保闭锁igbt后的耗能过程不再影响换流站一侧。igbt上电流瞬间转移至耗能模块中电容和电阻支路，直流电抗放电，同时给电容充电，故障电流的流通路径示意图如图5所示；

s103：电容充满电后，开始反向向电阻放电，故障电流仅流过耗能电阻，故障电流的流通路径示意图如图6所示；

s104：t3时刻，电容电压高于电抗电压，二极管承受反向电压而不再续流，电容作为耗能模块唯一的电源，能量向电阻转移，电容能量释放完毕后，线路侧故障耗能支路动作完成，故障电流的流通路径示意图如图7所示；

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。