基于限流器与断路器配合的直流故障快速开断电路

本发明属于电力电子领域，具体涉及故障限流器和基于限流器与断路器配合的直流故障快速开断电路。

背景技术：

柔性直流输电技术(vsc-hvdc)出现以后，构建柔性直流电网已经逐渐成为电力工业界的一个新的发展方向。经过10余年的研究和发展，电压源型换流器(vsc)已广泛应用于异步电网互联、分布式能源接入、海岛供电等场合，成为柔性直流电网技术的基础和核心。现如今，模块化多电平换流器(mmc)已经在国内外多项柔性直流电网工程中使用，成为该领域最具价值的拓扑。

在由mmc换流站构成的柔性直流电网中，如何应对直流侧发生的短路故障(包括单极接地和双极短路)是目前应用中存在的主要问题：一方面直流电网故障和交流电网故障不同，故障电流没有过零点，因而无法将技术成熟的交流断路器直接应用到直流故障中；另一方面，直流电网故障电流上升速度大大高于交流电网，因此对直流断路器的开断容量要求很高，为降低目前对直流断路器的开断要求，研究人员提出了多种电感型故障限流器拓扑，在故障发生后将限流电感串入故障线路，从而抑制故障电流上升率，从而降低直流断路器开断需求。

但限流电感串入线路后会增大系统阻抗，从而减慢故障电流切断速度，可能会导致故障保护时间过长。因此研究故障限流器投入下的故障电流快速切断电路，对缩短高压直流电网保护时间，提高电网运行可靠性，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种基于限流器与断路器配合的直流故障快速开断电路。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于直流故障快速开断电路的故障限流器，是由主支路和辅助支路并联组成；其中，在主支路中，第二晶闸管阀组t2和第三晶闸管阀组t3反向并联后与辅助电容c串接，然后与限流电感l和第四晶闸管阀组t4并联构成主支路，第四晶闸管阀组t4的方向与故障电流方向相同；在辅助支路中，超快速机械开关ufd和辅助通流开关lcs串接。

本发明中，所述辅助通流开关lcs是由串连的igbt阀组t1构成。

本发明进一步提供了一种基于限流器与断路器配合的直流故障快速开断电路，是将前述故障限流器与直流断路器串联接于直流电路系统中。

本发明中，所述直流电路系统包括直流电压源，并以等效电感ldc和等效电阻rdc与其串接构成单端直流等效电路系统。

本发明中，所述直流断路器是基于moa投入的混合式直流断路器，或者是使用辅助电容投入限流电感的混合式直流断路器。

发明原理描述：

本发明使用的故障限流器是电感型限流器，并且包含辅助电容和其他开关器件，用于辅助限流电感的投入。通过将限流器与断路器串联在故障线路中，依靠向故障线路串入mov实现故障电流切断。除去直流断路器提供的反向电压外，限流器也能够提供部分反向电压，从而加快故障开断速度。

因此，在限流过程的等效电路为，辅助电容与限流电感并联，且随着限流电感的投入，辅助电容电压不断上升，直到其电流为零，电容所在支路关断，故障电流完全转移到限流电感所在支路。在故障开断阶段，直流断路器将mov串入故障线路，此时故障限流器的等效电路为辅助电容与电感并联，且电容初始电压方向与mov所提供反压方向相同。在故障线路电流完全开断后，故障限流器中的电容和电感保持并联，电感储存能量向电容中转移，直到回路电流过零，回路由半导体开关器件关断，开断过程完全结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过利用故障限流器投入过程中被充电的辅助电容，为开断过程提供额外反压。能够在限制故障电流上升的同时，实现电感能量快速转移。从而加快故障开断速度，能有效缩短直流故障保护时间，提高电网系统运行可靠性。

附图说明

图1本方法示例使用的abb混合式断路器拓扑；

图2本方法示例使用的单端直流系统电路图；

图3本方法开断过程中的单端直流系统等效电路；

图4本方法与其他方法的故障电流波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明的一种实施方式进行介绍。需要注意的是，本方法适用于一切基于moa投入的混合式直流断路器以及使用辅助电容投入限流电感的混合式直流断路器配合，此处对实施例的描述是为了本技术领域的普通人员能更好地利用和实施本发明，而本发明的保护范围并不仅限于该实例。

图1所示为abb公司市售的混合式直流断路器产品，由辅助支路和主支路并联组成，其中辅助支路由超快速机械开关ufd(ultrafastdisconnector)和辅助通流开关lcs(loadcommutationswitch)串联构成，主支路由igbt阀组t2并联金属氧化物避雷器moa组成。该产品的基本工作原理为：正常工作时，电流流经辅助支路；当故障发生后，t2阀组导通，lcs关断，将故障电流从辅助支路转移到主支路。待辅助支路电流过零后，ufd开断开始打开。约2ms之后，ufd达到额定开距，此时将t2阀组关断，即可将moa投入到故障线路中。moa自身的非线性伏安特性使其在线路中呈现反压，从而将故障电流切除。

图2是本方法示例使用的单端直流系统电路图，其中使用直流电压源、等效电感ldc和等效电阻rdc表示单端直流等效系统，故障限流器与直流断路器串联在线路中。图2中所示的混合式电感型故障限流器拓扑，同样由辅助支路和主支路并联组成。其辅助支路结构与图1类似，此处不再赘述。故障限流器的主支路由限流电感l、辅助电容c以及晶闸管阀组t2-t4构成，且电容c被预充电。当故障发生后，首先导通t4阀组，关断lcs，将故障电流转移到主支路，待辅助支路电流过零后，将ufd打开。约2ms后，ufd达到额定开距，此时导通给t2阀组，由于电容c被预充电，通过t2阀组向t4提供一段时间的反压，并撤去t4导通信号。待t4阀组关断后，辅助电容与限流电感等效为并联后串入故障线路。电感电流平滑上升，电容正向电压也不断上升。当电容电流过零时，其正向电压达到峰值，此时撤去t2阀组导通信号，t2阀组自然关断，认为限流电感完全投入线路，开始抑制故障电流上升，且辅助电容c被正向充电到很高的电压峰值。

本发明的具体快速开断电路的等效电路如图3所示，当直流断路器投入moa的同时，导通晶闸管阀组t3，使得电容与电感等效为并联后串入故障线路。由于电容在限流过程中已被正向充电，此时会在故障线路中呈现与直流断路器电压方向相同的反压，进而加快故障电流的下降速度，最终加快故障清除速度。

除去本发明所述快速开断电路外，在故障限流器完全投入线路后，目前主要的开断电路为直流断路器直接开断，或是由限流器将限流电感暂时旁路，由直流断路器开断的方法。本发明对不使用故障限流器、以及使用故障限流器后的前述三种开断电路下的故障电流波形进行了仿真对比。图4中的四条曲线1-4代表四种工况下的故障电流波形，其中曲线1为仅使用直流断路器开断，曲线2为故障限流器限流后，限流电感保留在故障回路内使用直流断路器开断，曲线3为故障限流器限流后，将限流电感旁路后由直流断路器开断，曲线4为故障限流器限流后，由限流器和直流断路器构成本发明所提的快速开断电路进行开断。从图中可以看到，基于故障限流器的使用能够将故障开断电流从14.3ka减少到6.9ka。当使用直流断路器对限流器投入后的故障线路直接开断时，故障开断时间为4ms，当使用限流电感旁路后进行开断时，故障开断时间为2ms，而使用本方法的开断时间为1ms。对比可见，本方法能够在故障限流器投入的情况下，大大加快故障开断速度，从而缩短保护时间，提高系统运行可靠性。

总体来说，本发明提出的基于限流器与断路器配合的新型故障开断电路，能够在限流电感投入线路的情况下，大大加快故障开断速度，从而缩短故障保护时间，提高系统运行可靠性。