基于Buck-Boost变换器拓扑的高压直流断路器及其切除故障的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高压直流输电变压及保护控制系统，具体是指一种基于 Buck-Boost变换器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器。
【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W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，W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W在几毫秒之内断开一所大型发电站的输出电流，该使得大规 模可再生能源的高效集成和交换W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，该种故障电流 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W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W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，但对于快速刀闽的制造要求很高，并且开断时间还是受到快速刀闽的影响 W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W考虑增 加限流器配合断路器开关电流的方式，因为对于需要焰弧的机械开关，电流越大，焰弧越困 难；而对于无需焰弧的电力电子器件，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] 本发明的目的在于解决现有断路器设备成本高，响应速度慢，设备运行损耗高等 问题，提供了一种基于Buck-Boost变换器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器，达到同 时能够实现在同一功率流方向实现升降压功能及断路器功能的目的。
[0005] 为了实习上述目的本发明采用W下技术方案：
[0006] 一种基于Buck-Boost变换器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器，包括断路 器与控制系统，
[0007] 高压直流断路器包括连接在正输入端的IGBT开关模块组Si，IGBT开关模块组Si 的输出端连接至电感以电感L的输出端作为负输出端，正输入端与负输入端之间连接有输 入电容。，正输出端与负输出端之间连接有输出电容C。，IGBT开关模块Si的输出端同时与 二极管模块组Di的负极连接，二极管模块组D1的正极与正输出端相连；
[000引控制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，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电感电流i店圣过内环低通滤波器LPF后与 外环饱和环节输出的内环电感电流参考值1^>进行比较，比较的结果输入内环口1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。
[0009] 本发明的基于Buck-Boost变换器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器运行导 通态时，功率开关组Si导通，功率流经Ld。充电，断开态时，Ld。存储的能量通过二极管续流， 电感电流连续时的运行模态，在一个开关周期L内，通过电感的直流电压平均值在不计损 耗的情况下为零得出等式，计算分析式如下：
[0010] 在开关模态l[0，tJ中，t= 0时，功率开关组Si处于导通状态，而二极管Di则处 于反向截止状态，输入电源Vi对电抗器Ld。充磁，具体如图5所示，根据基尔霍夫电压定理 可得下式：
[0011]
【主权项】
1. 一种基于Buck-Boost变换器拓扑的新型单向变压型高压直流断路器，其特征在于， 包括高压直流断路器和控制系统， 高压直流断路器包括：与正输入端连接的IGBT开关模块组SI，IGBT开关模块组Sl输 出端连接有电感L和二极管模组块组Dl，电感L另一端和二极管模块组Dl的正极均与正输 出端连接，正输入端和负输入端间设置有输入电容C i,正输出端与负输出端之间设置有输 出电容C。； 控制系统包括：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，还包括外环低通滤波器LPF和内环低通滤波器LPF ;高压直流断路器正输出 端电压v。经过外环低通滤波器LPF后与输出电压参考值 <进行比较后输入到外环PI调节 器； 高压直流断路器中的电感电流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<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发生器之间还设置有一个辅助控制器。
2. 根据权利要求1所述的一种基于Buck-Boost变换器拓扑的新型单向变压型高压直 流断路器，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，零值检测器包括过 零比较器和触发子系统，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， 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，选择开关的两个输入端分别与内环饱和环节的输出端和辅助控制器的零值 信号连接，输出端与PWM发生器连接。
3. 根据权利要求2所述一种基于Buck-Boost变换器拓扑的新型单向变压型高压直流 断路器，其特征在于：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，判断出属于正常状态，不动作。
4. 一种根据1-4任一所述的基于Buck-Boost变换器拓扑的新型单向变压型高压直流 断路器的短路故障的切除方法，包括外环控制步骤、内环控制步骤、辅助控制步骤； 其中外环控制步骤包括以下步骤： (al)电压传感器采集高压直流断路器的正输出端电压v。； (a2)正输出端电压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； (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，外环饱和环节输出 内环电感电流参考值 其中内环控制步骤包括以下步骤： (bl)电流传感器采集高压直流断路器中的电感电流 (b2)将该电感电流1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流参考值〈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)得到的输出信号占空比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； 其中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)在输入占空比D值变为零的时刻开始，输出从O至1带上升沿阶跃信号，再经过反 向器，触发子系统输出为在占空比D值变为零的那刻起从1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 信号连接将占空比D值置零并保持，直到故障完全隔离并清除。
【专利摘要】基于Buck-Boost变换器拓扑的高压直流断路器及其切除故障的方法，目的在于解决现有断路器设备成本高，响应速度慢，设备运行损耗高等问题，该高压直流断路器，包括断路器与控制系统，其中控制系统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，实现相比于传统高压断路器具有更多的功能、开断速度快、节约成本等优点，既能在高压直流输电系统正常运行时实现断路器的升降压功能，并且能够在升压态和降压态之间进行切换，可以实现灵活地应用于不同电压等级的电力线路中；同时，也能够实现在输电线路发生短路故障时对短路故障进行及时有效的切除。
【IPC分类】H02M3-155, H02H3-08
【公开号】CN104767169
【申请号】CN201510176819
【发明人】唐良义, 陈维荣, 唐立, 刘志祥, 李奇, 戴朝华, 张雪霞
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月15日