CN112865055A - 一种电感耦合型直流故障限流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感耦合型直流故障限流器及其控制方法，该结构包括桥臂一至桥臂四及其所构成的H桥电路，所述桥臂一和所述桥臂二串联，所述桥臂四和所述桥臂三串联，所述桥臂一、所述桥臂二构成的串联支路与所述桥臂三、所述桥臂四构成的串联支路并联；针对电感耦合型直流故障限流器的控制方法包括初始化、检测到故障信号时、关断IGBT组，使电感回路的电流消耗至零；再次触发IGBT组；限流器恢复，为下次故障做准备。与现有技术相比，本发明用于低压柔性直流配电网，1)正常运行时，不会对直流系统的暂态响应特性和运行稳定性产生不利影响；2)直流故障以后，能够有效限制故障电流快速上升，为保护与故障隔离创造充足的动作时间。

Description

一种电感耦合型直流故障限流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及多端柔性直流配电网领域，特别是涉及一种基于耦合电感与避雷器配合的直流故障限流器拓扑结构及其控制策略。

背景技术

近些年，随着分布式电源及新能源数量的增加，低压直流配电网具有线路损耗小、供电可靠性高便于分布式电源及储能装置等接入等优势，因此，基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流配电系统已成为目前研究的重要课题。而在基于VSC型换流器的柔性直流配电系统中发生双极短路故障时，换流器中的电容会向故障点放电，放电电流上升速率快，幅值大，同时伴随整个系统的电压下降，如不及时将故障隔离则可能会造成电力电子器件的损毁进而导致整个电网陷入瘫痪。为了解决这一问题，需要在线路两端安装断路器，当故障发生时切断故障线路，将故障点隔离，进而保障剩余线路的正常运行。在低压直流配电网中，通常要求在发生故障后的几毫秒内将故障切除，而传统的机械式断路器不能满足这一需求，为此，则需要在线路中安装限流器，限制电流的上升速率和电流幅值，进而为断路器提供足够的时间进行故障隔离。传统限流器通常采用直接将电感串接进线路的方式进行限流，虽然这一方法能够起到限制电流上升速率的效果，但在系统正常运行时，在线路中串接电感会影响系统的动态响应特性，同时也会增加故障电流的清除时间。当直流系统中发生短路故障时，由于电容放电，故障电流快速上升、直流电压迅速跌落，严重危及整个直流电网。为解决这一问题，直流故障限流器需要在线路中发生故障后线路电流上升至门槛值后快速限流，而在线路正常运行时不会对系统造成影响。

发明内容

为了保障直流系统的安全运行以及可靠供电，本发明提出一种电感耦合型直流故障限流器及其控制方法，构建基于耦合电感与避雷器相互配合的限流器拓扑模型，有效限制直流故障后故障电流的快速上升，进而实现系统可靠故障穿越。

本发明的一种电感耦合型直流故障限流器，该直流故障限流器的结构包括桥臂一至桥臂四及其所构成的H桥电路，其中：

所述桥臂一和所述桥臂二串联，所述桥臂四和所述桥臂三串联，所述桥臂一、所述桥臂二构成的串联联支路与所述桥臂三、所述桥臂四构成的串联支路并联；在所述桥臂一、所述桥臂二连接点和所述桥臂三、所述桥臂四连接点之间串接IGBT组，并在IGBT组上并联一个避雷器。

所述桥臂一、所述桥臂三分别由一个二极管与一个电阻串联构成；所述桥臂二、所述桥臂四则分别由一个耦合电感构成，且耦合电感的电感值相等。

本发明的电感耦合型直流故障限流器的控制方法，包括以下步骤：

首先初始化限流器；

当检测到短路故障发生时，立即移除对IGBT组的触发信号，则故障电流通过桥臂四后，通过一条支路流经桥臂三，通过另一条支路流经避雷器A与桥臂二之后一起馈入故障点；

在限流阶段，限流器两端的电压即为避雷器A两端的电压；在避雷器两端残压的作用下，故障电流上升的速率和幅值被有效限制；

当检测到短路故障发生并向DCCB发出跳闸信号后，DCCB开始动作，故障线路中的故障电流开始下降，桥臂二的电感回路的电流快速地下降为零，避雷器A不再导通；流经桥臂四的续电流通过桥臂三-桥臂四-桥臂一形成环流，故障电流通过桥臂四和桥臂三的负荷支路导通，最终在断路器的作用下故障电流被切断至零，故障点被有效隔离；

故障电流被切断以后，桥臂四的电感回路电流被桥臂一和桥臂二的负荷支路消耗至零；触发IGBT组，限流器恢复，为下次故障做准备。

本发明设计提出的耦合电感型直流故障限流器适用于低压柔性直流配电网。与直接利用直流电抗器限流相比，本发明主要包括以下优点：

1)正常运行时，电流流经两个异名端相连的耦合电感，对外等效电感为零，因此不会对直流系统的暂态响应特性和运行稳定性产生不利影响；

2)直流故障以后，避雷器可快速接入到故障回路中，电流流经避雷器，其两端的残压发挥限流作用，能够有效限制故障电流快速上升，为保护与故障隔离创造充足的动作时间；

3)直流断路器跳闸以后，直流线路中的故障电流开始下降，当电流下降至避雷器启动电流以下后，避雷器自动退出运行，电感中储存的能量最终被回路中的电阻吸收，断路器中避雷器仅需消纳故障回路中的能量，而不用消耗电感中储存的能量，进而大大缩短了故障电流清除时间；

4)在非故障线路中，限流器中的避雷器进行限流使电流下降至动作电流以下后，电流会被自动转移至电阻R₂支路，不会中断非故障线路间的功率传输。

附图说明

图1为本发明的电感耦合型直流故障限流器拓扑结构图；

图2为系统正常运行时本发明的电感耦合型直流故障限流器的电流通路(虚线部分)示意图；

图3为本发明的电感耦合型直流故障限流器的限流过程中的电流通路(虚线部分)示意图；

图4为本发明的电感耦合型直流故障限流器的故障电流清除过程中的电流通路(虚线部分)；浅色虚线表示电感中的续电流在限流器内部的环流；深色色虚线表示线路中的故障电流)示意图；

图5为本发明的电感耦合型直流故障限流器的控制方法整体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明的电感耦合型直流故障限流器拓扑结构图。该拓扑结构为桥臂一～桥臂四构成的H桥结构。其中：桥臂一由第一二极管组D₁与第一电阻R₁串联构成；桥臂三由第二二极管组D₂与第二电阻R₂串联构成；桥臂四、桥臂二则分别由第一耦合电感L₁与第二耦合电感L₂构成，两个耦合电感的电感值相等。耦合电感的同名端如图中所示。

在桥臂一、二连接点和桥臂三、四连接点之间串接IGBT组，并在IGBT组上并联一个避雷器。

检测到电感回路中的电流下降为零时，限流器恢复，触发IGBT。

如图5所示，为本发明的电感耦合型直流故障限流器的控制方法整体流程图。针对上述本发明的电感耦合型直流故障限流器拓扑结构提出相应的控制方法，初始化限流器，对IGBT施加触发信号，导通IGBT；直流电流上升至限流器的动作门槛值时，立即关断对IGBT的触发信号；具体流程如下：

首先初始化限流器，对IGBT施加触发信号，导通IGBT；

正常运行时，直流电流分别流入互感电抗L₁与L₂的异名端；限流器的等效电感为L_eq＝L₁+L₂-2M，若使得两个耦合电感的互感值M与两个电感值相等，即可使限流器正常运行时的等效电感L_eq≈0，即当系统发生功率波动时，限流器不会对系统的动态性能造成不良影响；

当系统中发生短路故障时，直流电流上升至限流器的动作门槛值时，立即移除对IGBT的触发信号，则线路中的故障电流通过电感L₁后，一条支路流经二极管D₂与电阻R₂，另一条支路流经避雷器A与电感L₂后一起馈入故障点。在限流阶段，限流器两端的电压即为避雷器A两端的电压，因此在限流过程中起到限流作用的是避雷器A的残压。在避雷器两端残压的作用下，故障电流上升的速率和幅值可以被有效限制。当安装在线路中的保护装置检测到故障发生并向DCCB发出跳闸信号后，DCCB开始动作，故障线路中的故障电流开始下降，流过电感L₂的电流很快下降为零，避雷器A不再导通，电感L₁中的续电流通过电阻R₂，电感L₂和R₁形成环流，此时二极管D₁和D₂在电感L₁的反电动势作用下导通，故障电流通过电感L₁和电阻R₂支路导通，最终在断路器的作用下被切断至零，故障点被有效隔离。线路中的故障电流被切断以后，电感L₁中储存的剩余能量会被电阻R₁和R₂消耗至零，限流器完全恢复，为下次故障做准备。

Claims (3)

1.一种电感耦合型直流故障限流器，其特征在于，该直流故障限流器的结构包括桥臂一至桥臂四及其所构成的H桥电路，其中：

所述桥臂一和所述桥臂二串联，所述桥臂四和所述桥臂三串联，所述桥臂一、所述桥臂二构成的串联联支路与所述桥臂三、所述桥臂四构成的串联支路并联；在所述桥臂一、所述桥臂二连接点和所述桥臂三、所述桥臂四连接点之间串接IGBT组，并在IGBT组上并联一个避雷器。

2.如权利要求1所述的一种电感耦合型直流故障限流器，其特征在于，所述桥臂一、所述桥臂三分别由一个二极管与一个电阻串联构成；所述桥臂二、所述桥臂四则分别由一个耦合电感构成，且耦合电感的电感值相等。

3.针对权利要求1所述的电感耦合型直流故障限流器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

首先初始化限流器；

当检测到短路故障发生时，立即移除对IGBT组的触发信号，则故障电流通过桥臂四后，通过一条支路流经桥臂三，通过另一条支路流经避雷器A与桥臂二之后一起馈入故障点；

在限流阶段，限流器两端的电压即为避雷器A两端的电压；在避雷器两端残压的作用下，故障电流上升的速率和幅值被有效限制；

当断路器跳闸以后，故障线路中的故障电流开始下降，桥臂二的电感回路的电流快速地下降为零，避雷器A不再导通；流经桥臂四的续电流通过桥臂三-桥臂四-桥臂一形成环流，故障电流通过桥臂四和桥臂三的负荷支路导通，最终在断路器的作用下故障电流被切断至零，故障点被有效隔离；

故障电流被切断以后，桥臂四的电感回路电流被桥臂一和桥臂二的负荷支路消耗至零；触发IGBT组，限流器恢复，为下次故障做准备。

Images