基于磁耦合增强特性限流器的直流电流源及其控制方法

摘要

本发明涉及一种基于磁耦合增强特性限流器的直流电流源，由三相桥式不控整流电路与快速开断电路所构成的串联电路组成；其中，快速开断电路包括两个耦合的电感线圈，一个快速晶闸管，一个电容元件以及一个快速开关构成，两个耦合电感线圈的异名端接在一起后，一端与快速晶闸管和快速开关串联，其中一个耦合电感线圈与晶闸管组成的串联电路又和一个电容元件相并联；两个相连的耦合电感线圈的另一端与三相桥式不控整流电路正极端口相连，且三相桥式不控整流电路与快速晶闸管同向串联；所述直流电流源作为偏置电源并联接到限流器的H桥式换流电路的两端，为限流器提供幅值大于限流器所安装线路最大负载电流的直流电流；本发明同时给出所述的基于磁耦合增强特性限流器的直流电流源控制方法。

权利要求

1.一种基于磁耦合增强特性限流器的直流电流源，所适用的限流器包括一个直流电流源、一个阻性元件、一个H桥式换流电路和全耦合电感模块，H桥式换流电路的四个桥臂中处于对角状态的两个桥臂电路桥臂1和桥臂4由串联二极管组构成，而另外的两个桥臂桥臂2和桥臂3,桥臂2在串联二极管组之外还串联一个阻性元件Ra，桥臂3在串联二极管组之外还串联一个全控型功率半导体器件T1；全耦合电感模块包括相互全耦合的第一全耦合电感线圈电路和第二全耦合电感线圈电路，其中，第一全耦合电感线圈电路与H桥式换流电路的桥臂1和桥臂3的公共端口相连，第二全耦合电感线圈电路串入H桥式换流电路的中央连接线中，第一全耦合电感线圈电路和第二全耦合电感线圈电路以异名端与桥臂1两端相连；第一全耦合电感线圈电路和第二全耦合电感线圈电路的自感相等，且两者之间的互感接近于它们的自感；直流电流源与避雷器并联后，跨接在H桥式换流电路的桥臂1和桥臂3的公共端口、桥臂2和桥臂4的公共端口之间；

所述的直流电流源，由三相桥式不控整流电路与快速开断电路所构成的串联电路组成；其中，快速开断电路包括两个耦合的电感线圈，一个快速晶闸管，一个电容元件以及一个快速开关构成，两个耦合的电感线圈的异名端接在一起后，一端与快速晶闸管和快速开关串联，其中一个耦合电感线圈与晶闸管组成的串联电路又和一个电容元件相并联；两个相连的耦合电感线圈的另一端与三相桥式不控整流电路正极端口相连，且三相桥式不控整流电路与快速晶闸管同向串联；

所述直流电流源作为偏置电源并联接到限流器的H桥式换流电路的两端，为限流器提供幅值大于限流器所安装线路最大负载电流的直流电流；

直流电流源控制方法，包括正常运行状态、故障限流状态的控制策略：在正常运行状态下，直流电流源中的快速开关、快速晶闸管处于导通状态；直流电流源电压设置为使直流电流源提供的偏置电流Ib大于正常运行时线路上可能出现的最大负荷电流；直流线路中发生故障后，线路上的故障电流迅速增大，由于限流器限流部分的限流作用，故障电流将流过直流电流源，快速开断部分中的偏置电流Ib上升，电流转移到电容元件中，待快速晶闸管中电流过零后，快速晶闸管自动关闭，随着电容元件两端电压的升高，流过直流电流源的电流迅速减小，此时关断快速开关切断剩余电流，直流电流源退出故障电流流通路径，故障电流转而流过限流器中的限流支路，实现限流器的限流功能；当直流系统故障点消失或被排查清除，直流电流源两端电压接近于0时，立即导通快速开关和快速晶闸管，直流电流源恢复至正常运行状态，以保证基于磁耦合增强特性的故障限流器对二次故障的处理能力。

说明书

基于磁耦合增强特性限流器的直流电流源及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及直流电源领域，特别是涉及一种适用于基于磁耦合增强特性限流器的直流电流源。

背景技术

[0002] 柔性直流系统典型的换流器类型主要包括两电平VSC、三电平VSC以及模块化多电平换流器。针对上 述典型换流器构造的柔性直流系统在直流故障后直流电压迅速跌落、直
流电流急剧上升以及故障隔离难度 大等问题，专利2019108963908提出一种基于磁耦合增
强特性的直流限流器，能够在直流线路发生短路故 障，故障电流上升后自动地响应限制故
障电流，为直流断路器切断故障线路提供了条件。根据上述直流限 流器的拓扑和原理可
知，其外部并联有一个提供偏置电流的直流电源，在故障状态下故障电流流过直流电 源，
不仅对直流电源造成极大的冲击，还会影响限流器的限流效果。因此，如何在上述直流限流
器进行故 障限流的同时，避免故障电流对直流电源造成的不利影响，并在故障发生后迅速
切除直流电源成为上述直 流限流器改进的关键课题。

发明内容

[0003] 本发明针对一种基于磁耦合增强特性的直流限流器，设计了直流电流源及其控制方法。技术方案如下：

[0004] 一种基于磁耦合增强特性限流器的直流电流源，所适用的限流器包括一个直流电流源、一个阻性元件、 一个H桥式换流电路、全耦合电感模块组成，H桥式换流电路的四个桥
臂中处于对角状态的两个桥臂电路 桥臂1和桥臂4由串联二极管组构成，而另外的两个桥
臂桥臂2和桥臂3在串联二极管组之外还分别串联 一个阻性元件Ra和一个全控型功率半导
体器件T1，全耦合电感模块包括两个相互全耦合的电感线圈电路， 其中，第一全耦合电感
线圈电路与H桥式换流电路的桥臂1和桥臂3的公共端口相连，第二全耦合电感线 圈电路串
入H桥式换流电路的中央连接线中，两个全耦合电感线圈以异名端与桥臂1两端相连。两个
全耦 合电感线圈的自感相等，且两者之间的互感约等于它们的自感。直流电流源与避雷器
并联后，跨接在桥式 换流电路的桥臂1和桥臂3的公共端口、桥臂2和桥臂4的公共端口之
间，其特征在于，

[0005] 所述的直流电流源，由三相桥式不控整流电路与快速开断电路所构成的串联电路组成；其中，快速开 断电路包括两个耦合的电感线圈，一个快速晶闸管，一个电容元件以及
一个快速开关构成，两个耦合电感 线圈的异名端接在一起后，一端与快速晶闸管和快速开
关串联，其中一个耦合电感线圈与晶闸管组成的串 联电路又和一个电容元件相并联；两个
相连的耦合电感线圈的另一端与三相桥式不控整流电路正极端口相 连，且三相桥式不控
整流电路与快速晶闸管同向串联；

[0006] 所述直流电流源作为偏置电源并联接到限流器的H桥式换流电路的两端，为限流器提供幅值大于限流 器所安装线路最大负载电流的直流电流；

[0007] 所述的基于磁耦合增强特性限流器的直流电流源控制方法，包括正常运行状态、故障限流状态的控制 策略：

[0008] 在正常运行状态下，直流电流源中的快速开关、快速晶闸管处于导通状态；直流电流源电压设置为使 直流电流源提供的偏置电流Ib大于正常运行时线路上可能出现的最大
负荷电流；直流线路中发生故障后， 线路上的故障电流迅速增大，由于限流器限流部分的
限流作用，故障电流将流过直流电流源，快速开断部 分中的偏置电流Ib随之上升，电流转
移到电容元件Cs中，待快速晶闸管中电流过零后，快速晶闸管自动关 闭，随着电容元件两
端电压的升高，流过直流电流源的电流迅速减小，此时关断快速开关切断剩余电流， 直流
电流源退出故障电流流通路径，故障电流转而流过限流器中的限流支路，实现限流器的限
流功能；当 直流系统故障点消失或被排查清除，电流源两端电压接近于0时，立即导通快速
开关和快速晶闸管。直流 电流源恢复至正常运行状态，以保证基于磁耦合增强特性的故障
限流器对二次故障的处理能力。

[0009] 本发明设计提出的直流电源适用于基于磁耦合增强特性的直流限流器。与现有技术相比，本发明的有 益效果是：

[0010] 1)结合基于磁耦合增强特性限流器偏置支路直流电抗器的滤波作用，本发明能很好的输出所需直流 偏置电流，减少了设备重量、体积和投资；

[0011] 2)在故障发生后直流电源保护电路动作，一方面保护所述直流电源不被损坏，另一方面可以保证故 障电流流过限流器的限流支路，实现故障限流；

[0012] 3)直流电源可以迅速地从限流器中切除。本装置可以在线路电流增大到限流器的设定值后自动切除， 仅需要快速开关断开以形成物理上的隔离，与限流器的自触发限流功
能相契合，不会因为控制和检测的延 时影响限流器限流效果。

附图说明

[0013] 图1为直流电源的拓扑结构示意图

[0014] 图2为基于磁耦合增强特性的阻感混合型故障限流器的工作原理示意图，(a)为该限流器的拓扑结 构(b)为限流器正常运行状态电流路径，(c)为限流器故障限流状态电流
路径。

[0015] 图3基于磁耦合增强特性的阻感混合型故障限流器的结构示意图及直流电源的安装位置

[0016] 图4为正常运行状态下直流电流源内的电流流通路径，(a)为正常运行状态下直流电流源内的电流流 通路径；(b)为正常运行状态下限流器内部的偏置电流流通路径

[0017] 图5为晶闸管关断前的直流电源内的电流流通路径，(a)为晶闸管关断前的直流电源内的电流流通路 径；(b)为晶闸管关断前的电源快速开断部分的电流流通路径

[0018] 图6为晶闸管关断后的直流电源内的电流流通路径

[0019] 图7为直流电流源被隔离后的限流器限流阶段内的电流流通路径

[0020] 附图标记：

[0021] 1、三相桥式不控整流电路；2、快速开断电路；3、快速晶闸管；4、串联二极管组；5、快速开关；6、 耦合电感线圈；7、电容元件；

具体实施方式

[0022] 图1为适用于基于磁耦合增强特性的限流器的直流电源的拓扑结构。该结构为整流电路1和快速开断 部分2构成的串联电路。具体结构详细描述如下：

[0023] 所述快速开断部分2由快速晶闸管3、一对耦合电感6、电容元件7和快速开关MS串并联组成，三相 桥式不控整流电路1与快速晶闸管3同向串联。所述三相桥式不控整流电路
1由三相交流电源和二极管 全桥电路组成，二极管(D1M～D6M)可以连续串联M个构成二极管
模块。

[0024] 图2(a)为基于磁耦合增强特性的限流器的拓扑结构。该限流器包含一对全耦合电感、一个直流电流 源及其保护电路、一个阻性元件、一个H桥式换流电路。如图2(a)所示，桥
式换流支路的4个桥臂中的 电路3、电路4由串联二极管组构成，而另外的两个桥臂电路2和
电路5在二极管组的基础上分别串联了 一个阻性元件Ra和一个全控型功率半导体器件T1
(以IGBT开关为例)。耦合电感模块由两个全耦合的电 感线圈电路1和电路5组成，其中，电
路1位于H桥电路的入口处，电路5横跨于H桥的中间，两个电感 线圈以异名端与电路2两端
相连。两者的自感相等，且两者之间的互感约等于它们的自感。电路6由直流 电流源与避雷
器并联而成，直流电流源为限流器提供幅值略大于限流器所安装线路最大负载电流的直流
电 流，在专利2019108963908中以电流源符号代替，可以根据本专利内容实际制造。如图2
(b)所示，在限 流器正常运行过程中，由于电流源提供幅值略大于线路最大负荷电流的恒
定直流，直流线路电流从两个全 耦合电感线圈的异名端流入，等效电感为零。如图2(c)所
示，当故障发生后，线路故障电流增大进而超 过直流电流源提供的电流，故障电流从而流
过限流电阻并从两个全耦合电感线圈的同名端流入，限流器的 电阻和电感同时投入限制
故障电流。

[0025] 图3为该直流电源在基于磁耦合增强特性的限流器中的安装位置示意图。该直流电源安装于限流器内 部，电源外部并联有避雷器以防止过电压。

[0026] 图4(a)为该直流偏置电源的正常运行状态工作示意图。正常运行时，快速晶闸管Ts处于导通状态，快 速开关MS闭合，该直流电源的整流电路输出的直流电流经耦合电感组
Ls1和Ls2滤波后输出到限流器内部， 为限流器的正常运行提供偏置电流，该电流幅值大于
直流线路的最大负荷电流。图4(b)为该直流电源 中的电流流经限流器内部的路径。

[0027] 图5(a)该直流偏置电源的故障切除状态初期的工作过程示意图。图5(b)为故障切除状态中直流 电源快速开断部分的解耦电路示意图。为了便于说明直流电源原理，下面详
细分析直流电源快速开断部 分的开断过程。

[0028] 当直流线路发生短路故障后，直流线路和串接于直流线路上的限流器中的故障电流迅速增大，大部分 短路电流流过直流电源所在支路，快速开断部分主支路中的电流ib快
速增大。

[0029] 根据基尔霍夫电压定律，对此阶段内的去耦等效电路列方程，可以得到

[0030]

[0031]

[0032] Us1＝Us2+UCs   (3)

[0033] 根据基尔霍夫电流定律，有

[0034] ib＝ib1+ib2   (4)

[0035] 联立以上4式可得

[0036]

[0037] 由于电容C两端的初始电压Uc(0‑)＝0，故流过电容的电流ib2从0开始增大，而流经电流源的故障电流 上升率dib/dt非常大，故可以认为在短路发生后的数毫秒内，由此得到
dib1/dt<0，这说明流过Ls1和快速 晶闸管的电流ib1在短路发生后的一小段时间是下降的，
这个下降速度主要由故障电流上升率dib/dt决定。 通过合理地选择电感Ls1、互感Ms和电容
Cs的参数，可使得ib1快速过零。随着ib1过零，快速晶闸管将自然 关断，故障电流自动转移到
电容支路上，此时直流电源内的故障电流流通路径如图5所示。随着故障电流 不断给电容
Cs充电，电容两端电压不断升高，流经快速开关的电流逐渐下降，此后由快速开关MS开断， 
形成物理上的隔离，从而完成直流电源的开断。在直流电源被隔离之后，限流器可以正常发
挥限流作用， 限流器中的故障电流流通路径如图7所示。

[0038] 当直流系统故障点消失或被排查清除，电流源两端电压接近于0时，导通快速开关和快速晶闸管。直 流电源恢复至正常运行状态，以保证基于磁耦合增强特性的故障限流器
对二次故障的处理能力。