基于电压钳位原理的多端口限流断路器及故障切除方法

摘要

本发明公开了一种基于电压钳位原理的多端口限流直流断路器，包括并联的主支路和电压钳位支路，所述主支路包括n条与直流母线相并连的支路，每条支路主要由快速机械开关、反并联晶闸管组、限流电感串联组成；所述电压钳位支路包括n+1个故障选择晶闸管、缓冲电感和可变钳位电压模块，n+1个故障选择晶闸管并联后与缓冲电感、可变钳位电压模块串联。本发明采用晶闸管作为主开关器件，通过电压钳位支路主动升压，利用晶闸管半控性切断故障，电压钳位支路与故障点形成LC振荡回路关断支路晶闸管，随后近端换流站对电压钳位支路进行充电，就此完成重合闸，具有通态损耗低、经济性良好、快速重合闸等优点。

权利要求

1.一种基于电压钳位原理的多端口限流断路器，包括并联的主支路和电压钳位支路，其特征在于：

所述主支路包括n条与直流母线相并连的支路，每条支路主要由快速机械开关、反并联晶闸管组、限流电感串联组成，其中，n≥1；

所述电压钳位支路包括n+1个故障选择晶闸管、缓冲电感和可变钳位电压模块，n+1个故障选择晶闸管并联后与缓冲电感、可变钳位电压模块串联，可变钳位电压模块一端通过缓冲电感、故障选择晶闸管分别与直流母线、主支路相连，可变钳位电压模块另一端与直流母线相连，同时还与主支路相连构成能量转移通路；

所述可变钳位电压模块包括两组电容、三个快速机械开关和四个反并联晶闸管组，四个反并联晶闸管组构成H桥晶闸管组，两组电容、三个快速机械开关构成串接在H桥晶闸管组两个桥臂之间的H桥电容组，通过调节三个快速机械开关，改变两组电容的串并联状态；

所述基于电压钳位原理的多端口限流断路器进行直流故障切除时包括：线路故障时：保护系统检测到故障，向近端限流断路器传递触发信号，通过可变钳位电压模块内三个快速机械开关的闭合，将两组电容由并联变成串联，电容电压上升为2倍预充电电压，确定故障线路并打开相应故障选择晶闸管，通过电压钳位支路电容极性选择电压钳位支路H桥晶闸管组导通形成通道，提高换流站出口处电压，经过一段时间的电流抑制，电流受压差影响迫降至零，随后主支路晶闸管组自行关断，快速机械开关约2ms后断开为主支路晶闸管组分压，完成换流站与故障点的隔离，此时电压钳位支路与故障线路形成LC振荡回路，经过一段时间后，LC回路振荡过零，H桥晶闸管组与故障选择晶闸管自动关断，随后根据故障性质决定是否重启系统；

母线故障时：保护系统检测到故障，向远端限流断路器传递触发信号，通过可变钳位电压模块内三个快速机械开关的闭合，将两组电容由并联变成串联，电容电压上升为2倍预充电电压，确定故障线路并打开相应故障选择晶闸管，通过电压钳位支路电容极性选择电压钳位支路H桥晶闸管组导通形成通道，提高远端换流站出口处电压，经过一段时间的电流抑制，电流受压差影响迫降至零，随后主支路晶闸管组自行关断，快速机械开关约2ms后断开为主支路晶闸管组分压，完成换流站与故障点的隔离，此时电压钳位支路与故障线路形成LC振荡回路，经过一段时间后，LC回路振荡过零，H桥晶闸管组与故障选择晶闸管自动关断，随后根据故障性质决定是否重启系统。

说明书

基于电压钳位原理的多端口限流断路器及故障切除方法

技术领域

[0001] 本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于电压钳位原理的多端口限流断路器及故障切除方法。

背景技术

[0002] 随着模块化多电平换流器的发展，利用模块化多电平换流器构成直流电网是电力工业界近年来备受关注的一个热点。直流电网需要在直流侧对直流输电线路进行互联，发
生直流故障时，需要快速隔离故障线路以避免直流电网电压崩溃，为此，直流断路器是大型
直流电网不可或缺的装置。多年来，直流断路器的研究取得了持续性的进展，从较早的机械
式、全固态式到当前主流的混合式，直流断路器在开断性能上得到了极大的提升。

[0003] 近年来，得益于强大的输电能力与相对低廉的建设成本，基于架空线路的大容量高压直流电网备受关注，被认为是未来直流电网的主流形式。这就对直流断路器提出了更
高的要求，主要体现在故障清除时间、限流能力、重合闸速度3个方面。直流电网电压水平越
高，在相同的故障清除时间内，故障电流越大，越有可能导致换流站在故障清除前闭锁，出
现功率传输中断的情况，严重威胁电网稳定性。这就要求直流断路器以更短的故障清除时
间、更强的限流能力，对故障电流进行限流、开断，避免换流站先于故障清除前闭锁。对于架
空线路发生概率较高的瞬时性故障，在故障清除后，直流断路器还需能够实现快速重合闸，
减少故障带来的损失，提升输电可靠性。

[0004] 基于此，国内外学者对直流断路器展开了更为深入的研究。专利文献WO2013/093066A中公开了一种混合型高压直流断路器，该型直流断路器通过直流故障时将故障电
流转移到电容器的方式，实现隔离直流故障，其可以克服常规的混合型高压直流断路器主
支路成本高昂的缺陷等缺陷，但是，其因为限流电感和电容器构成串联回路，一方面其在开
断故障电流期间存在电感‑电容谐振，需要经较长时间才能关断直流故障电流，同时其完成
一次关断后，其电容器的电压被充电至高压状态，需要对电容放电后才能实现重合闸，而对
电容放电需要一定的时间，为此上述方案无法实现快速重合闸，而且其电力电子器件阀组
全部由全控型电力电子器件构成，电力电子器件阀组4成本较高。

[0005] 专利文献CN105656019A公开了一种电容充电型直流断路器，其包括并联的辅助支路和主支路，其中辅助支路由第一机械开关和电力电子器件阀组串联而成，主支路由直流
电容和二极管阀组串联而成，通过直流故障期间直流电流对直流电容的充电效应隔离直流
故障电流。重合闸时，检测到直流断路器线路侧直流电压高于某一阈值时才发出重合闸指
令。本发明可避免目前直流断路器的直流电容与线路电感容易形成电感‑电容振荡的缺陷，
而且其开断直流故障电流稳定可靠，可实现快速重合闸。但是，该方案中，由于直流故障电
流仅能单向地给直流充电，其只能隔离直流断路器线路侧直流故障，存在无法隔离直流母
线侧直流故障的问题，也无法对联接于相同直流母线的其他直流线路提供后备保护。

发明内容

[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于电压钳位原理的多端口限流断路器及故障切除方法，具有通态损耗低、经济性良好、快速重合闸等优点。

[0007] 为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

[0008] 一种基于电压钳位原理的多端口限流断路器，包括并联的主支路和电压钳位支路，

[0009] 所述主支路包括n条与直流母线相并连的支路，每条支路主要由快速机械开关、反并联晶闸管组、限流电感串联组成，其中，n≥1；

[0010] 所述电压钳位支路包括n+1个故障选择晶闸管、缓冲电感和可变钳位电压模块，n+1个故障选择晶闸管并联后与缓冲电感、可变钳位电压模块串联，可变钳位电压模块一端通
过缓冲电感、故障选择晶闸管分别与直流母线、主支路相连，可变钳位电压模块另一端与直
流母线相连，同时还与主支路相连构成能量转移通路；

[0011] 所述可变钳位电压模块包括两组电容、三个快速机械开关和四个反并联晶闸管组，四个反并联晶闸管组构成H桥晶闸管组，两组电容、三个快速机械开关构成串接在H桥晶
闸管组两个桥臂之间的H桥电容组，通过调节三个快速机械开关，改变两组电容的串并联状
态。

[0012] 一种利用上述多端口限流断路器进行直流故障切除的方法，包括：

[0013] 线路故障时：保护系统检测到故障，向近端限流断路器传递触发信号，通过可变钳位电压模块内三个快速机械开关的闭合，将两组电容由并联变成串联，电容电压上升为2倍
预充电电压，确定故障线路并打开相应故障选择晶闸管，通过电压钳位支路电容极性选择
电压钳位支路H桥晶闸管组导通形成通道，提高换流站出口处电压，经过一段时间的电流抑
制，电流受压差影响迫降至零，随后主支路晶闸管组自行关断，快速机械开关约2ms后断开
为主支路晶闸管组分压，完成换流站与故障点的隔离，此时电压钳位支路与故障线路形成
LC振荡回路，经过一段时间后，LC回路振荡过零，H桥晶闸管组与故障选择晶闸管自动关断，
随后根据故障性质决定是否重启系统；

[0014] 母线故障时：保护系统检测到故障，向远端限流断路器传递触发信号，通过可变钳位电压模块内三个快速机械开关的闭合，将两组电容由并联变成串联，电容电压上升为2倍
预充电电压，确定故障线路并打开相应故障选择晶闸管，通过电压钳位支路电容极性选择
电压钳位支路H桥晶闸管组导通形成通道，提高远端换流站出口处电压，经过一段时间的电
流抑制，电流受压差影响迫降至零，随后主支路晶闸管组自行关断，快速机械开关约2ms后
断开为主支路晶闸管组分压，完成换流站与故障点的隔离，此时电压钳位支路与故障线路
形成LC振荡回路，经过一段时间后，LC回路振荡过零，H桥晶闸管组与故障选择晶闸管自动
关断，随后根据故障性质决定是否重启系统。

[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0016] 采用晶闸管作为主开关器件，通过电压钳位支路主动升压，利用晶闸管半控性切断故障，电压钳位支路与故障点形成LC振荡回路关断支路晶闸管，随后近端换流站对电压
钳位支路进行充电，就此完成重合闸，具有通态损耗低、经济性良好、快速重合闸等优点。

附图说明

[0017] 图1为本发明的基于电压钳位原理的多端口限流断路器拓扑。

[0018] 图2为电压钳位支路充电状态示意图。

[0019] 图3为线路故障t0‑t1时刻状态图。

[0020] 图4为线路故障t1‑t2时刻状态图。

[0021] 图5为线路故障t2‑t3时刻状态图。

[0022] 图6为母线故障t0‑t1时刻状态图。

[0023] 图7为母线故障t1‑t2时刻状态图。

[0024] 图8为母线故障t2‑t3时刻状态图。

[0025] 图9为线路故障等效图t0‑t1。

[0026] 图10为线路故障等效图t1‑t2。

[0027] 图11为线路故障等效图t2‑t3。

[0028] 图12为母线故障等效图t0‑t1。

[0029] 图13为母线故障等效图t1‑t2。

[0030] 图14为母线故障等效图t2‑t3。

[0031] 图15为四端直流电网拓扑及故障点示意图。

[0032] 图16为VSC1系统电压与N点电压Un示意图。

[0033] 图17为VSC3系统电压与N3电位电压Un3示意图。

[0034] 图18为电压钳位支路电流id示意图。

[0035] 图19为电压钳位支路电流id3示意图。

[0036] 图20为VSC2系统电压与N2电位电压Un2示意图。

[0037] 图21为电压钳位支路电流id2示意图。

具体实施方式

[0038] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0039] 在以下的描述中，首先阐明本发明的多端口限流断路器的工作原理，并以四端柔性直流电网为例构建了完整的柔性直流电网短路故障等效电路，提出了母线、线路两种故
障时的建模与表达式的计算，进而针对其关断过程设计相关参数。利用PSCAD/EMTDC中的四
端直流电网模型验证其有效性与适用性，并分别对两种故障仿真加以分析，通过故障电流
分析、系统电压及支路电压对比分析等证明该断路器可代替多个常规断路器，减少主断路
器需求。

[0040] 如图1和图15所示，一种基于电压钳位原理的多端口限流断路器，包括并联的主支路和电压钳位支路。

[0041] 对于换流站VSC1，主支路包括Line1和Line2两条与直流母线相连的支路。其中，Line1支路由快速机械开关Sm1、反并联晶闸管组(Tm1、Tm2)、限流电感L1串联而成，反并联晶闸
管组(Tm1、Tm2)可实现支路的双向导通。Line2支路由快速机械开关Sm2、反并联晶闸管组(Tm3、
Tm4)、限流电感L2串联而成。

[0042] 电压钳位支路包括3个故障选择晶闸管(Vg1、Vg2、Vg3)、缓冲电感Ld和可变钳位电压模块。可变钳位电压模块包括两组电容(C1，C2)、三个快速机械开关(Sc1、Sc2、Sc3)和四个用于
极性选择的反并联反晶闸管组(VT1、VT2；VT3、VT4；VT5、VT6；VT7、VT8)。

[0043] 反并联反晶闸管组(VT1、VT2；VT3、VT4；VT5、VT6；VT7、VT8)构成H桥晶闸管组，电容(C1，C2)、三个快速机械开关(Sc1、Sc2、Sc3)构成串接在H桥晶闸管组两个桥臂之间的H桥电容组，
通过调节三个快速机械开关(Sc1、Sc2、Sc3)，改变两组电容(C1，C2)的串并联状态。

[0044] 故障选择晶闸管(Vg1、Vg2、Vg3)并联后与缓冲电感Ld、可变钳位电压模块串联，可变钳位电压模块一端通过缓冲电感Ld、故障选择晶闸管(Vg1、Vg2、Vg3)分别与直流母线、Line1支
路、Line2支路相连。可变钳位电压模块另一端与直流母线相连，同时还与Line1支路、Line2
支路通过快速机械开关相连，构成能量转移通路。

[0045] 对于换流站VSC3，与Line1支路对应的Line3支路由快速机械开关、反并联晶闸管组(Tm5、Tm6)、限流电感L3串联而成。

[0046] 电压钳位支路包括与Line3支路相连的故障选择晶闸管Vh1、缓冲电感Ld2和由两组电容、三个快速机械开关(Sf1、Sf2、Sf3)、四个用于极性选择的反并联反晶闸管组(VP1、VP2；
VP3、VP4；VP5、VP6；VP7、VP8)构成的可变钳位电压模块，其余省略。

[0047] 1.工作原理

[0048] 如图15所示，假设正常电流方向为流出VSC1、VSC2、VSC3，流入VSC4，故稳态运行时Tm1、Tm3和Tm6正常导通。VSC1系统开启时，首先对多端口限流断路器(Mp‑VCCB)进行充电，如
图2所示。

[0049] (1)线路故障

[0050] t0时刻发生故障，故障电流迅速上升，Tm1持续导通，此时Tm3承受反向电压关断，如图3所示。

[0051] t1时刻，保护系统检测到故障，向近端Mp‑VCCB传递触发信号，断开Sc1和Sc3，闭合Sc2，将电容C1和C2变成串联，电容电压上升为2倍预充电电压，打开晶闸管Vg2、VT1、VT7，提高
换流站出口处电压，如图4所示。

[0052] t2时刻，电流受压差影响迫降至零，随后Tm1自行关断，快速机械开关Sm1约2ms后断开为Tm1分压，完成换流站与故障点的隔离，此时电压钳位支路与故障形成LC振荡回路，如图
5所示。

[0053] t3时刻，振荡过零，H桥晶闸管组与故障选择晶闸管自动关断，随后根据故障性质决定是否重启系统。

[0054] (2)母线故障

[0055] 当母线发生故障，如图6所示。

[0056] t1时刻，保护系统检测到故障，向远端Mp‑VCCB传递触发信号，断开Sf1和Sf3，闭合Sf2，将电容C1和C2变成串联，电容电压上升为2倍预充电电压，打开晶闸管VP1、VP7，提高远端
换流站出口处电压，如图7所示。

[0057] t2时刻，电流受压差影响迫降至零，随后Tm6自行关断，对应的快速机械开关约2ms后断开为Tm6分压。此时电压钳位支路与故障形成LC振荡回路，如图8所示。

[0058] t3时刻，振荡过零点，H桥晶闸管与故障选择晶闸管自动关断，随后根据故障性质可重启系统。此过程中，故障点与各端口近端电压钳位支路呈并联状态，其他线路切断过程
相似于上述过程，故不再赘述。

[0059] 2.参数分析

[0060] (1)线路故障

[0061] 将短路故障进行等效模型的建立与分析，其等效图过程如图9所示。

[0062] 设udc为系统电压，idc为故障电流，L1为线路平波电抗器，Un为换流站出口处电压，Uc为电容电压，id为电容释放电流，im为id与idc之和，在t0公式(2‑3)可以得出，idc的上升速率取决于L0,L1的大小，电感总值越大，idc上升速率越慢。

[0063]

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] t1

[0068]

[0069]

[0070]

[0071] im＝idc+id   (2‑8)

[0072]

[0073]

[0074]

[0075] 在t2图11所示，换流站出口处电压持续提高，直至电流过零晶闸管自动关断。由公式(2‑13)可
得，id先增大后减小，于t2时刻过零，支路晶闸管组自然关断。

[0076]

[0077]

[0078] t2

[0079]

[0080]

[0081] (2)母线故障

[0082] 设idc2为线路电流，udc2为远端系统电压，idc2为远端故障电流，L3为远端线路平波电抗器，Un2为换流站出口处电压，Uc2为电容电压，id2为电容释放电流，im2为id2与idc2之和。
在t0大小，电感总值越大，idc2上升速率越慢。

[0083]

[0084]

[0085]

[0086]

[0087] t1

[0088]

[0089]

[0090]

[0091] im2＝idc2+id2   (2‑23)

[0092]

[0093]

[0094]

[0095] 在t2出口处电压持续提高，直至电流过零晶闸管自动关断。

[0096]

[0097] 与此同时，在晶闸管组关断后，电容电感形成振荡回路，电流迅速过零，随后支路晶闸管自然关断，即可重启系统。由公式(2‑27)可得，id先增大后减小，于t3时刻过零，支路
晶闸管组自然关断。

[0098]

[0099] t2

[0100]

[0101]

[0102] 3.仿真分析

[0103] 为了证明本文断路器于四端口仿真系统结构可正常运行，搭建如图15所示仿真模型，本文所提断路器如表1所示，假设t＝2.2s时分别发生如图15所示的换流站出口正极接
地故障F1及母线故障A。

[0104] 表1断路器参数

[0105]

[0106] (1)线路故障

[0107] 于t0时刻发生双极短路故障，系统电压下降。t1时刻，保护系统确定故障，向Mp‑VCCB传递触发信号，电压钳位支路并入电网，提高母线与换流器出口处电压。t2时刻，线路
电流至零，系统被切割成两部分，源侧与故障网测不再构成回路，换流站出口处电压不再被
系统电压追随，因此换流站出口处电压在2.2042s短暂增大，随后继续持续下降，如图16所
示。

[0108] 如图17所示，对于VSC3端口，由于与故障点较远，线路感抗较大，因此当VSC3近端支路打开后，远端换流站出口处电压更稳定，与VSC3系统电压压差更大，其故障电流快速过零
分割电路，因此作为远端端口受影响更小，可以在短暂的波动后立即恢复正常运行模式。将
图16与图17进行对比，远端换流站出口处电压明显下降更缓，是由线路电感Lb与VSC3平波电
抗器L3共同决定，Lb和L3总值与换流站出口处电压下降速率成反比。对于远端换流站出口处
电压短暂上升同理，与前述同理故不再赘述。

[0109] 如图16、17所示，切断故障后，近端、远端电压钳位支路分别与故障点形成LC振荡回路，通过公式(1)可知，由于Lb较大，远端支路需要更长时间完成振荡至零。

[0110] 如图18所示，电压钳位支路于t1时刻并入系统，支路电流持续上升，直至t2时刻支路与系统分隔成两部分，此刻开始LC形成振荡回路，支路电流呈正弦波直至振荡为零，随后
支路晶闸管自然关断。将图18与图19对比可佐证上述电压对比时振荡时长。

[0111] (2)母线故障

[0112] 于t0时刻发生双极短路故障，系统电压骤降。t1时刻，保护系统确定故障，向Mp‑VCCB传递触发信号，电压钳位支路并入电网，提高母线与换流站出口处电压。t2时刻，线路
电流至零，系统被切割成两部分，源侧与故障网测不再构成回路，换流站出口处电压不再被
系统电压追随，因此换流站出口处电压在2.2035s短暂增大，随后继续持续下降，如图20所
示。

[0113] 如图21所示，电压钳位支路于t1时刻并入系统，支路电流持续上升直至t2时刻，支路与系统分隔成两部分，此时为LC振荡电路，支路电流呈正弦波直至振荡为零，随后支路晶
闸管自然关断。

[0114] 上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡
是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。