一種分裂電抗型直流限流斷路器的製作方法

2023-08-03 08:51:36 1

本發明涉及一種分裂電抗型直流限流斷路器，特別涉及一種柔性直流電網的高壓直流限流斷路器。

背景技術：

隨著風電、太陽能等新能源的開發與應用，基於電壓源型換流器的多端柔性直流輸電技術在直流輸電領域佔據越來越重要的位置。風能、太陽能發電等新能源接入電網的最大障礙是其間歇性和不確定性，而柔性直流輸電技術可以有效地控制電能，隔離電網故障的擴散，而且還能根據電網需求，快速、靈活、可調地發出或者吸收一部分能量，從而優化電網的潮流分布、增強電網穩定性、提升電網的智能化和可控性。

多端柔性直流電網的直流側線路上一旦發生短路故障，相當於換流器直流側的電容直接放電，其短路電流會在幾個毫秒到達峰值，最大值一般有幾千安到幾十千安。較大的電流上升率將帶來熱量集中、電弧火花、電磁應力等問題，同時，因為換流器一般採用igbt或igct器件，其反並聯二極體會形成不控整流橋，所以單純控制換流器無法切斷故障電流，短路電流甚至會損壞換流站。直流短路電流沒有過零點，且其峰值和上升速率都要遠遠高於交流電網，因此，給直流短路故障斷開提出了更高的要求。

故障電流的開斷還受到直流斷路器等技術發展的制約。文獻「直流斷路器技術發展綜述」(南方電網技術，2015年02期)給機械斷路器增加並聯諧振電路實現和吸能支路，實現直流開斷。但是，存在開斷和滅弧時間較長的問題。如果採用給並聯諧振電路預充電的方式來提高斷路器的滅弧速度，不但實現難度大，而且開斷速度也難以滿足直流電網的需求。國網智能電網研究院以舟山五端直流網絡的仿真結果為例，得出高壓直流斷路器需分斷15ka的電流(柔性直流輸電網用新型高壓直流斷路器設計方案，電力系統自動化,2013,37(15):95-102.)，abb於2012年完成的320kv/2ka的混合型高壓直流斷路器(thehybridhvdcbreakeraninnovationbreakthroughenablingreliablehvdcgrids.abbgridsystems,technicalpapernov』2012)，可分斷9ka的故障電流，但因造價太高而未投入商用，並且增加開斷容量只能依賴更多igbt單元的串並聯，這會大幅度增加斷路器成本，降低可靠性。總之，短路故障電流開斷問題成為柔性直流輸電網發展的一個瓶頸。

技術實現要素：

為了克服已有技術的不足，本發明提出一種用於柔性直流電網的直流限流斷路器，本發明結構簡單、成本低，能夠有效限制直流電網故障電流。

本發明採用的技術方案為：

本發明分裂電抗型直流限流斷路器包括n個限流單元u1、u2、……、un和n個第三類開關w1、w2、……、wn-1，兩個限流單元之間串聯一個第三類開關，n＝1，2，……，n。

其中，限流單元u1由第一類開關s11、s12、s13和s14、第二類開關k1和限流器件m1組成，限流器件m1由電感l11和電感l12組成；限流單元u2由第一類開關s21、s22、s23和s24、第二類開關k2和限流器件m2組成，限流器件m2由電感l21和電感l22組成；依次類推，限流單元un由第一類開關sn1、sn2、sn3和sn4、第二類開關kn和限流器件mn組成，限流器件mn由電感ln1和電感ln2組成，n＝1，2，……，n。

限流單元u1中，所述的第一類開關s11、電感l11和第一類開關s12依次串聯形成串聯支路，第一類開關s13、電感l12和第一類開關s14依次串聯形成串聯支路，兩個串聯支路並聯在連接點a和b之間。第二類開關k1的一端連接在電感l11和第一類開關s12的連接點上，第二類開關k1的另一端連接在第一類開關s13和電感l12的連接點上，組成限流單元u1；第一類開關s21、電感l21和第一類開關s22依次串聯形成串聯支路，第一類開關s23、電感l22和第一類開關s24依次串聯形成串聯支路，兩個串聯支路並聯在連接點a和b之間，第二類開關k2的一端連接在電感l21和第一類開關s22的連接點上，第二類開關k2的另一端連接在第一類開關s23和電感l22的連接點上，組成限流單元u2；依次類推，第一類開關sn1、電感ln1和第一類開關sn2依次串聯形成串聯支路，第一類開關sn3、電感ln2和第一類開關sn4依次串聯形成串聯支路，兩個串聯支路並聯在連接點a和b之間，第二類開關kn的一端連接在電感ln1和第一類開關sn2的連接點上，第二類開關kn的另一端連接在第一類開關sn3和電感ln2的連接點上，組成限流單元un。第三類開關w1的一端連接在限流單元u1的電感l12和第一類開關s14的連接點，第三類開關w1的另一端連接限流單元u2的第一類開關s21和電感l21的連接點；第三類開關wn-1的一端連接限流單元un的第一類開關sn1和電感ln1的連接點上，n＝1，2，……，n。

本發明的主要優點：

1.本發明通過限流器件與第一類、第二類和第三類開關相配合，實現了對柔性直流電網的直流側短路故障電流的有效限制和快速開斷；

2.本發明的分裂電抗型直流限流斷路器實現了限流器件在穩態時並聯運行，減小了直流限流斷路器運行損耗，減小了其對電網的影響；

3.本發明的分裂電抗型直流限流斷路器，在故障限流過程中，通過第一類、第二類和第三類開關實現了電感由並聯結構向串聯結構的轉變，從而產生了較大的限流電阻和電感，有效限制了故障電流，提升了限流器的限流能力。

4.本發明的分裂電抗型直流限流斷路器，其限流單元採用兩個耦合或非耦合、常規或超導電感結構，克服了已有無感線圈端電壓較低的缺點，有利於實現輸電級柔性直流電網的故障限流和快速開斷。

附圖說明

圖1為本發明具體實施例1的原理圖；

圖2為限流器件的同名端耦合電感電路原理圖；

圖3為限流器件的異名端耦合電感電路原理圖；

圖4為本發明igbt開關管反向串聯結構圖；

圖5為本發明igbt開關管與二極體串聯結構圖；

圖6為本發明晶閘管串聯結構圖；

圖7為本發明具體實施例2的原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。

圖1所示為本發明的實施例1用於柔性直流電網的分裂電抗型直流限流斷路器。該分裂電抗型直流限流斷路器包括多個限流單元u1、u2、……、un和多個第三類開關w1、w2、……、wn-1。其中，限流單元u1由第一類開關s11、s12、s13和s14、第二類開關k1和限流器件m1組成，限流器件m1由電感l11和電感l12組成；限流單元u2由第一類開關s21、s22、s23和s24、第二類開關k2和限流器件m2組成，限流器件m2由電感l21和電感l22組成；依次類推，限流單元un由第一類開關sn1、sn2、sn3和sn4、第二類開關kn和限流器件mn組成，限流器件mn由電感ln1和電感ln2組成。n＝1，2，……，n。

所述的第一類開關s11、電感l11和第一類開關s12依次串聯形成串聯支路，第一類開關s13、電感l12和第一類開關s14依次串聯形成串聯支路，兩個串聯支路並聯在連接點a和b之間。第二類開關k1的一端連接在電感l11和第一類開關s12的連接點，第二類開關k1的另一端連接在第一類開關s13和電感l12的連接點上，組成限流單元u1；第一類開關s21、電感l21和第一類開關s22依次串聯形成串聯支路，第一類開關s23、電感l22和第一類開關s24依次串聯形成串聯支路，兩個串聯支路並聯在連接點a和b之間。第二類開關k2的一端連接在電感l21和第一類開關s22的連接點，第二類開關k2的另一端連接在第一類開關s23和電感l22的連接點上，組成限流單元u2。依次類推，第一類開關sn1、電感ln1和第一類開關sn2依次串聯形成串聯支路，第一類開關sn3、電感ln2和第一類開關sn4依次串聯形成串聯支路，兩個串聯支路並聯在連接點a和b之間。第二類開關kn的一端連接在電感ln1和第一類開關sn2的連接點，第二類開關kn的另一端連接在第一類開關sn3和電感ln2的連接點上，組成限流單元un。第三類開關w1的一端連接在限流單元u1的電感l12和第一類開關s14的連接點，第三類開關w1的另一端連接在限流單元u2的第一類開關s21和電感l21的連接點上；第三類開關wn-1的一端連接在限流單元un的第一類開關sn1和電感ln1的連接點上。

所述的限流器件m1的電感l11和電感l12、限流器件m2的電感l21和電感l22、……、及限流器件mn的電感ln1和電感ln2，或是非耦合電感，或是非耦合超導電感，或是同名端耦合電感，或是同名端耦合超導電感，或是異名端耦合超導電感；n＝1，2，……，n。

圖2所示為由同名端耦合電感或同名端耦合超導電感組成的限流器件的結構。限流器件mn由電感ln1和電感ln2組成，電感ln1的埠1和電感ln2的埠3為一對同名端，電感ln1的埠2和電感ln2的埠4為一對同名端。電感ln1和電感ln2的結構和匝數相同，當電流分別從電感ln1的埠1和電感ln2的埠3流入時，電感ln1和電感ln2的磁通方向相同；n＝1，2，……，n。

圖3所示為由異名端耦合超導電感組成的限流器件的結構圖。限流器件mn由電感ln1和電感ln2組成，電感ln1的埠1和電感ln2的埠4為一對同名端，電感ln1的埠2和電感ln2的埠3為一對同名端，電感ln1和電感ln2的結構和匝數相同，均為超導線圈，當電流分別從電感ln1的埠1和電感ln2的埠3流入時，電感ln1和電感ln2的磁通方向相反，磁通相互抵消；n＝1，2，……，n。

所述的第一類開關或是igbt開關管反向串聯結構，或是igbt開關管與二極體串聯結構。

所述的第二類開關或是igbt開關管反向串聯結構，或是igbt開關管與二極體串聯結構，或是晶閘管串聯結構。

所述的第三類開關或是igbt開關管反向串聯結構，或是igbt開關管與二極體串聯結構，或是晶閘管串聯結構。

圖4所示為igbt開關管反向串聯結構，igbt開關管g1和g2反向串聯；

圖5所示為igbt開關管與二極體串聯結構，igbt開關管g1和二極體d1正向串聯；

圖6所示為晶閘管串聯結構，晶閘管p1和p2同方向串聯；

所述的開關s11和sn4，或是第一類開關，或是導線直連代替。

電網穩態時，本發明分裂電抗型直流限流斷路器中，第一類開關s11、s12、……、s14、s21、s22、……、s24、……、sn1、sn2、……、sn4均處於導通狀態，第二類開關k1、k2、……、kn均處於關斷狀態，第三類開關w1、w2、……、wn-1均處於關斷狀態，從而形成了2n個電流通路，即電流通過第一類開關s11、電感l11和第一類開關s12形成的串聯支路而導通，電流通過第一類開關s13、電感l12和第一類開關s14形成的串聯支路而導通，電流通過第一類開關s21、電感l21和第一類開關s22形成的串聯支路而導通，電流通過第一類開關s23、電感l22和第一類開關s24形成的串聯支路而導通，依次類推，電流通過第一類開關sn1、電感ln1和第一類開關sn2形成的串聯支路而導通，電流通過第一類開關sn3、電感ln2和第一類開關sn4形成的串聯支路而導通。多個限流單元u1、u2、……、un均處於並聯狀態，限流器件m1的電感l11和l12、限流器件m2的電感l21和l22、……、限流器件mn的電感ln1和ln2均等效於並聯，線路電流在多個限流單元中平均分配。通過並聯結構的實現，減小了分裂電抗型直流限流斷路器穩態運行損耗，提高了限流器運行的可靠性。

電網發生短路故障時，第二類開關k1、k2、……、kn處於導通狀態，第三類開關w1、w2、……、wn-1處於導通狀態，第一類開關s12、s13、s14、s21、s22、……、s24、……、sn1、sn2、sn3處於關斷狀態，第一類開關s11和sn4處於導通狀態，電流依次通過第一類開關s11、電感l11、第二類開關k1、電感l12、第三類開關w1、電感l21、第二類開關k2、電感l22、……、第三類開關wn-1、電感ln1、第二類開關kn、電感ln2、第一類開關sn4。形成了電感l11、l12、l21、l22、……、ln1、ln2的依次串聯，從而產生較大的限流阻抗。通過第一類開關、第二類開關和第三類開關實現了電感由並聯結構向串聯結構的轉變，從而產生了較大的限流電阻和限流電感，有效限制了故障電流，提升了限流器的限流能力。在限流過程中，同時關斷第一類開關s11和sn4，關斷第二類開關k1、k2、……、kn，關斷第三類開關w1、w2、……、wn-1，從而實現了在限流過程中開斷短路故障電流。

所述的限流器件m1的電感l11和電感l12、限流器件m2的電感l21和電感l22、……、限流器件mn的電感ln1和電感ln2為非耦合電感，如果電感l11、l12、l21、l22、……、ln1、ln2的電感值均為l，則所述分裂電抗型直流限流斷路器的穩態和限流時的電感zl為：

zl＝2nl,n＝1,2,…,n

所述的限流器件m1的電感l11和電感l12、限流器件m2的電感l21和電感l22、……、限流器件mn的電感ln1和電感ln2是非耦合超導電感，如果電感l11、l12、l21、l22、……、ln1、ln2的電感值均為l，失超電阻均為r，則所述分裂電抗型直流限流斷路器穩態和限流時的電感zl為：

zl＝2nl,n＝1,2,…,n

本發明分裂電抗型直流限流斷路器穩態和限流時的電阻zr為：

其中，steasy-state表示穩態，fault-state表示故障限流態。

所述的限流器件m1的電感l11和l12、限流器件m2的電感l21和l22、……、限流器件mn的電感ln1和ln2為同名端耦合電感，如果電感l11、l12、l21、l22、……、ln1、ln2的電感值均為l，電感l11和l12的互感、電感l21和l22的互感、……、電感ln1和ln2的互感均為m，則所述分裂電抗型直流限流斷路器的穩態和限流時的電感zl為：

zl＝2nl+nm,n＝1,2,…,n

所述的限流器件m1的電感l11和電感l12、限流器件m2的電感l21和電感l22、……、限流器件mn的電感ln1和電感ln2為同名端超導耦合電感，如果電感l11、l12、l21、l22、……、ln1、ln2的電感值均為l，電感l11和l12的互感、電感l21和電感l22的互感、……、電感ln1和電感ln2的互感均為m，失超電阻均為r，則所述分裂電抗型直流限流斷路器的限流電感zl為：

zl＝2nl+2nm,n＝1,2,…,n

本發明分裂電抗型直流限流斷路器的限流電阻zr為：

其中，steasy-state表示穩態時，fault-state表示限流時。

所述的限流器件m1的電感l11和電感l12、限流器件m2的電感l21和電感l22、……、限流器件mn的電感ln1和電感ln2為異名端超導耦合電感，如果電感l11、l12、l21、l22、……、ln1、ln2的電感值均為l，電感l11和電感l12的互感、電感l21和電感l22的互感、……、電感ln1和電感ln2的互感均為m，失超電阻均為r，則所述分裂電抗型直流限流斷路器的限流電感zl為：

zl＝2nl-2nm,n＝1,2,…,n

分裂電抗型直流限流斷路器的限流電阻zr為：

圖7所示為本發明的實施例2，為用於柔性直流電網的分裂電抗型直流限流斷路器。該分裂電抗型直流限流斷路器在圖1所示結構的基礎上增加了輔助限流器件z11、z12、z21、z22、……、zn1、zn。其中，限流單元u11由第一類開關s11、s12、s13和s14、第二類開關k1、限流器件m1、輔助限流器件z11和z12組成；限流單元u12由第一類開關s21、s22、s23和s24、第二類開關k2、限流器件m2、輔助限流器件z21和z22組成。依次類推，限流單元u1n由第一類開關sn1、sn2、sn3和sn4、第二類開關kn、限流器件mn、輔助限流器件zn1和zn2組成；n＝1，2，……，n。

所述的電感l11與輔助限流器件z11並聯、電感l12與輔助限流器件z12並聯、電感l21與輔助限流器件z21並聯、電感l22與輔助限流器件z22並聯、……、電感ln1與輔助限流器件zn1並聯、電感ln2與輔助限流器件zn2並聯。

所述的輔助限流器件z11、z12、z21、z22、……、zn1、zn，或是電感，或是電阻，或是電感和電阻的組合。

電網穩態時，實施例2的工作原理與實施例1相同，電流不通過輔助限流器件z11、z12、z21、z22、……、zn1、zn。

電網發生短路故障時，第二類開關k1、k2、……、kn處於導通狀態，第三類開關w1、w2、……、wn-1處於導通狀態，第一類開關s12、s13、s14、s21、s22、……、s24、……、sn1、sn2、sn3關斷狀態，第一類開關s11和sn4處於導通狀態，電流依次通過第一類開關s11、電感l11和輔助限流器件z11的並聯迴路、第二類開關k1、電感l12和輔助限流器件z12的並聯迴路、第三類開關w1、電感l21和輔助限流器件z21的並聯迴路、第二類開關k2、電感l22和輔助限流器件z22的並聯迴路、……、第三類開關wn-1、電感ln1和輔助限流器件zn1的並聯迴路、第二類開關kn、電感ln2和輔助限流器件zn2的並聯迴路、第一類開關sn4。電流通過並聯迴路時，自動在電感和輔助限流器件之間進行分流，形成了電感l11和輔助限流器件z11並聯迴路、l12和輔助限流器件z12並聯迴路、電感l21和輔助限流器件z21並聯迴路、l22和輔助限流器件z22並聯迴路、……、電感ln1和輔助限流器件zn1並聯迴路、ln2和輔助限流器件zn2的並聯迴路依次串聯。通過輔助限流器件的併入，提高了分裂電抗型直流限流斷路器的耐電流衝擊能力。在限流過程中，同時關斷第一類開關s11和sn4，關斷第二類開關k1、k2、……、kn，關斷第三類開關w1、w2、……、wn-1，從而實現了在限流過程中開斷短路故障電流。

因此，本發明分裂電抗型直流限流斷路器實現了限流器件在穩態時並聯運行，減小了分裂電抗型直流限流斷路器運行損耗，減小了其對電網的影響；在故障限流過程中，通過第一類開關、第二類開關和第三類開關實現了電感由並聯結構向串聯結構的轉變，從而產生了較大的限流電阻和電感，有效限制了故障電流，提升了限流器的限流能力。