一种基于耦合电感的双向直流故障限流器及其控制方法

1.本发明涉及高压直流输电故障限流器技术领域，具体为一种基于耦合电感的双向直流故障限流器及其控制方法。


背景技术：

2.柔性直流输电系统的应用越来越广泛，但其发展受到诸多限制，其中柔性直流系统的故障清除方法是一个瓶颈。柔性直流输电系统的直流侧含有较大的电容，系统短路电流上升率可达到10ka/ms，电流幅值甚至能达到上千安，并且由于直流系统阻尼小，因此直流侧发生故障后，故障电流上升速度很快，还可能对系统中的设备造成损害。柔性直流输电系统对直流断路器开断容量要求很高，对技术和投资都将提出更为严格的要求。因此需要研究直流故障限流器，对故障电流进行限制，达到减轻直流断路器压力的目的。
3.已提出的直流故障限流器的拓扑很多，主要分为两大类：阻性限流器和感性限流器。其中阻性限流器主要是超导限流器，利用超导材料失超，呈现大电阻的特性进行限流，但需要冷却系统，增加了体积和成本，并且超导材料恢复速度慢。感性限流器分为：1)磁通耦合型，主要是利用电磁感应原理，根据电流产生磁场，改变电感值，使其在故障时呈现大电感进行限流，这种方案是应用最广泛、最易实现的；2)饱和铁心型，利用直流电源或永磁体提供磁场使铁心进入预饱和状态，呈现较小电感值，发生故障时，故障电流产生的磁场与预饱和磁场抵消，铁心退饱和从而呈现大电感值，该限流器响应速度快，但引入直流电源或永磁体，成本高、体积大；3)固态开关型，主要是基于电力电子器件进行故障电流的转移，然后利用限流元件进行限流，但使用大量电力电子器件，该限流器通态损耗高、成本高。因此有必要提出一种综合性能更优的直流故障限流器。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于耦合电感的双向直流故障限流器及其控制方法，其导通损耗低、限流效果好、仅使用半控器件，成本低，控制简单，能够显著降低故障电流水平。技术方案如下：
5.一种基于耦合电感的双向直流故障限流器，包括耦合电感、放电回路模块、能量吸收模块；
6.所述耦合电感包括三个绕组，一次绕组为串入主电路的限流线圈l1，用于限制故障电流的上升；二次绕组有两个绕组：正向感应线圈l2和反向感应线圈l3，分别用于限制正向故障电流和反向故障电流；
7.所述放电回路模块包括预充电电容c和限流触发开关模块；限流触发开关模块包括两组串联的晶闸管，一组串联的晶闸管作为正向开关，其a极连接到正向感应线圈l2的异名端；另一种串联的晶闸管作为反向开关，其a极连接到反向感应线圈l3的同名端；预充电电容c一端连接到正向感应线圈l2的同名端和反向感应线圈l3的异名端之间，另一端同时连接到两组串联的晶闸管的k极，构成正向故障放电回路和反向故障放电回路；
8.所述能量吸收模块包括串联的二极管和金属氧化物避雷器构成的能量吸收支路，所述能量吸收支路并联于预充电电容c的两端。
9.进一步的，还包括与所述限流器配合使用的混合式直流断路器，所述混合式直流断路器包括串联的快速机械开关和电流转移开关，以及串联到主电路中的主断开关；快速机械开关 电流转移开关，及主断开关还并联于金属氧化物避雷器的两端。
10.更进一步的，正常工作时：预充电电容c通过接地电阻充电至系统电压，正常运行电流流过耦合电感一次侧的限流线圈l1，限流触发开关闭锁：
11.直流系统故障时：
12.s1：检测到故障后，判断故障是正向故障还是反向故障；
13.s2：经过故障检测与判断后，根据故障方向选择导通限流触发开关的正向开关或反向开关；
14.s3：预充电电容c开始放电，放电电流流入耦合电感二次侧的正向感应线圈l2或反向感应线圈l3，在限流线圈l1产生与系统电压方向相反的感应电压，以抑制故障电流上升；
15.s4：直流断路器切断故障后，故障电流开始下降，电容放电完成并反向充电，当电容反向充电电压达到金属氧化物避雷器动作电压时，能量吸收模块导通，电容和直流系统的部分剩余能量由能量吸收模块吸收。
16.更进一步的，所述s1和s2中，检测到故障后，打开混合式直流断路器的电流转移开关，同时判断故障是正向故障还是反向故障，若是正向，导通正向开关模块；若是反向，导通反向开关模块；其中故障电流上升特性为：
[0017][0018][0019]
其中，if为故障电流，v
dc
为直流电压，r
dc
为线路电阻，in为系统正常运行电流，τ1为线路充电时间常数，由式(2)决定；l为限流器的限流绕组电感值，l
line
为线路电感；t0为故障发生时刻，t为故障发生后、保护装置动作前的任意时刻；
[0020]
所述s3中感应电压值为：
[0021][0022]
其中，v
l-m
为感应电压，n
l
限流绕组匝数，为放电电流在一次侧的磁通量。
[0023]
本发明的有益效果是：本发明仅耦合电感一次绕组串入主电路，通态损耗低，仅使用半控器件，从而降低成本；使用预充电电容放电，在耦合电感中产生很大的反向电压，能在短时间内将故障电流降低到较低水平，减短故障清除时间，并且控制逻辑简单，降低了控制模块的成本。
附图说明
[0024]
图1为一种基于耦合电感的双向直流故障限流器的电路原理图。
[0025]
图2为一种基于耦合电感的双向直流故障限流器的控制流程图。
[0026]
图3为混合式直流断路器电路原理图。
[0027]
图4为一种基于耦合电感的双向直流故障限流器的仿真结果图。
[0028]
图5为一种基于耦合电感的双向直流故障限流器的双向限流仿真结果图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0030]
如图1所示，一种基于耦合电感的双向直流故障限流器，包括耦合电感、放电回路模块、能量吸收模块；耦合电感用于限制故障电流的上升；放电回路模块由预充电电容、限流触发开关模块；能量吸收模块包括串联二极管和金属氧化物避雷器(mov)，并联于预充电电容c的两端。
[0031]
耦合电感为三绕组结构，一次绕组为串入主电路的限流线圈l1，用于限制故障电流的上升；二次绕组有两个绕组：正向感应线圈l2和反向感应线圈l3，分别用于限制正向故障电流和反向故障电流。
[0032]
所述放电回路模块包括预充电电容c和限流触发开关模块；限流触发开关模块包括两组串联的晶闸管，一组串联的晶闸管作为正向开关，其a极连接到正向感应线圈l2的异名端；另一种串联的晶闸管作为反向开关，其a极连接到反向感应线圈l3的同名端；预充电电容c一端连接到正向感应线圈l2的同名端和反向感应线圈l3的异名端之间，另一端同时连接到两组串联的晶闸管的k极，构成正向故障放电回路和反向故障放电回路。
[0033]
本限流器与串入主电路的混合式直流断路器配合，故障后的动作流程如图2所示，混合式直流断路器电路原理图如图3所示，所述混合式直流断路器包括串联的快速机械开关和电流转移开关，以及串联到主电路中的主断开关；快速机械开关 电流转移开关，及主断开关还并联于金属氧化物避雷器的两端。
[0034]
直流系统故障时：
[0035]
a)进行故障检测，检测到故障后，打开混合式直流断路器的电流转移开关，同时判断故障是正向故障还是反向故障，若是正向，导通正向开关模块；若是反向，导通反向开关模块；其中故障电流上升特性为：
[0036][0037][0038]
其中，if为故障电流，v
dc
为直流电压，r
dc
为线路电阻，in为系统正常运行电流，τ1为线路充电时间常数，由式(2)决定，l为一种基于耦合电感的双向直流故障限流器的限流绕组电感，l
line
为线路电感，t0为故障发生时刻，t为故障发生后、保护装置动作前的任意时刻。
[0039]
b)电容开始放电，放电电流流入耦合电感二次侧，在耦合电感一次绕组产生与系统电压方向相反的感应电压，从而抑制故障电流上升，感应电压值为：
[0040][0041]
其中，v
l-m
为感应电压，n
l
限流绕组匝数，为放电电流在一次侧的磁通量。该感应电压的大小决定了限流效果。
[0042]
c)经过一定的限流时间后，打开混合式直流断路器的主断开关，故障电流开始下
降；
[0043]
d)直流断路器切断故障后，故障电流开始下降，电容放电完成并反向充电，当电容反向充电电压达到mov动作电压时，能量吸收模块导通，电容和直流系统的部分剩余能量由能量吸收模块吸收，限流效果的仿真结果如图4所示，双向限流效果仿真结果如图5所示。可见，故障电流峰值下降了51.2％，故障清除时间减少了48.6％。

技术特征：
1.一种基于耦合电感的双向直流故障限流器，其特征在于，包括耦合电感、放电回路模块、能量吸收模块；所述耦合电感包括三个绕组，一次绕组为串入主电路的限流线圈l1，用于限制故障电流的上升；二次绕组有两个绕组：正向感应线圈l2和反向感应线圈l3，分别用于限制正向故障电流和反向故障电流；所述放电回路模块包括预充电电容c和限流触发开关模块；限流触发开关模块包括两组串联的晶闸管，一组串联的晶闸管作为正向开关，其a极连接到正向感应线圈l2的异名端；另一种串联的晶闸管作为反向开关，其a极连接到反向感应线圈l3的同名端；预充电电容c一端连接到正向感应线圈l2的同名端和反向感应线圈l3的异名端之间，另一端同时连接到两组串联的晶闸管的k极，构成正向故障放电回路和反向故障放电回路；所述能量吸收模块包括串联的二极管和金属氧化物避雷器构成的能量吸收支路，所述能量吸收支路并联于预充电电容c的两端。2.根据权利要求1所述的基于耦合电感的双向直流故障限流器，其特征在于，还包括与所述限流器配合使用的混合式直流断路器，所述混合式直流断路器包括串联的快速机械开关和电流转移开关，以及串联到主电路中的主断开关；快速机械开关 电流转移开关，及主断开关还并联于金属氧化物避雷器的两端。3.一种权利要求2所述的基于耦合电感的双向直流故障限流器的控制方法，其特征在于，包括：正常工作时：预充电电容c通过接地电阻充电至系统电压，正常运行电流流过耦合电感一次侧的限流线圈l1，限流触发开关闭锁：直流系统故障时：s1：检测到故障后，判断故障是正向故障还是反向故障；s2：经过故障检测与判断后，根据故障方向选择导通限流触发开关的正向开关或反向开关；s3：预充电电容c开始放电，放电电流流入耦合电感二次侧的正向感应线圈l2或反向感应线圈l3，在限流线圈l1产生与系统电压方向相反的感应电压，以抑制故障电流上升；s4：直流断路器切断故障后，故障电流开始下降，电容放电完成并反向充电，当电容反向充电电压达到金属氧化物避雷器动作电压时，能量吸收模块导通，电容和直流系统的部分剩余能量由能量吸收模块吸收。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述s1和s2中，检测到故障后，打开混合式直流断路器的电流转移开关，同时判断故障是正向故障还是反向故障，若是正向，导通正向开关模块；若是反向，导通反向开关模块；其中故障电流上升特性为：正向开关模块；若是反向，导通反向开关模块；其中故障电流上升特性为：其中，i
f
为故障电流，v
dc
为直流电压，r
dc
为线路电阻，i
n
为系统正常运行电流，τ1为线路充电时间常数，由式(2)决定；l为限流器的限流绕组电感值，l
line
为线路电感；t0为故障发生
时刻，t为故障发生后、保护装置动作前的任意时刻；所述s3中感应电压值为：其中，v
l-m
为感应电压，n
l
限流绕组匝数，为放电电流在一次侧的磁通量。

技术总结
本发明公开一种基于耦合电感的双向直流故障限流器及其控制方法，包括耦合电感、放电回路模块、能量吸收模块；耦合电感用于限制故障电流的上升；放电回路模块由预充电电容、限流触发开关模块；能量吸收模块包括二极管和金属氧化物避雷器；耦合电感为三绕组结构，一次绕组串入主电路，起限流作用，二次绕组有两个绕组，分别用于限制正向故障电流和反向故障电流；限流触发开关模块由晶闸管串联构成，包括正向开关和反向开关。本发明仅耦合电感一次绕组串入主电路，通态损耗低，仅使用半控器件，从而降低成本；使用预充电电容放电，在耦合电感中产生很大的反向电压，能在短时间内将故障电流降低到较低水平，减短故障清除时间，降低了控制模块的成本。控制模块的成本。控制模块的成本。


技术研发人员：王顺亮 周俊杰 马俊鹏 舒稷 秦科军 刘天琪
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2022.04.01
技术公布日：2022/5/25