一種直流輸電保護裝置、換流器及保護方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種直流輸電保護裝置，包括電阻單元和雙向流通電流開關單元，該保護裝置由所述電阻單元和所述雙向流通電流開關單元并聯(lián)而成；其中所述電阻單元由至少一個電阻級聯(lián)而成，所述雙向流通電流開關單元由至少一個雙向流通電流開關級聯(lián)而成。另外還提供一種含有該保護裝置的換流器，在每一個相單元中，串聯(lián)至少一個所述保護裝置。本發(fā)明還提供一種該換流器的保護方法。本發(fā)明能夠快速的、有效的抑制直流短路電流、阻尼電流振蕩，既能更好的保護設備安全，又能大大縮短故障電流衰減時間、從而縮短直流停運時間，進一步的，最大程度減小停運帶來的經(jīng)濟損失和系統(tǒng)失穩(wěn)風險。而且該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有很好的可實現(xiàn)性和經(jīng)濟性。
【專利說明】一種直流輸電保護裝置、換流器及保護方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于直流輸電領域，特別涉及一種柔性直流輸電直流短路故障的保護裝置，使用該保護裝置構(gòu)成的換流器以及其保護方法。
【背景技術(shù)】
[0002]直流輸電技術(shù)(HVDC, High-Voltage Direct Current)是一種借助于大功率半控電力電子器件(如晶閘管)或全控電力電子器件(如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT，InsulatedGate Bipolar Transistor),集成門極換流晶閘管(IGCT, Intergrated Gate CommutatedThyristors)等)實現(xiàn)交流/直流以及直流/交流轉(zhuǎn)換，從而以直流形式輸送電力能源的傳輸技術(shù)。其中，使用半控型電力電子器件晶閘管的直流輸電稱為基于電流源型換流器的直流輸電系統(tǒng)(CSC-HVDC)，也稱為常規(guī)直流輸電；使用全控型電氣電子器件IGBT的直流輸電稱為基于電壓源型換流器的直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)，也稱為柔性直流輸電。
[0003]直流輸電系統(tǒng)屬于高壓、大電流電氣設備，一旦發(fā)生故障，就有可能使設備因過電壓或過電流沖擊而損耗。因此，適當?shù)谋Ｗo措施是直流輸電系統(tǒng)安全、可靠運行不可或缺的重要組成部分。
[0004]在各種可能的故障中，尤其以直流線路故障為代表的直流側(cè)故障為普遍。由于直流傳輸線路可能長達數(shù)千公里，且暴露在復雜的自然環(huán)境中，發(fā)生故障的概率最大。當直流線路發(fā)生短路等故障時，直流輸電系統(tǒng)將出現(xiàn)嚴重的過流，需要及時抑制短路電流，并協(xié)助直流系統(tǒng)盡快從故障中恢復正常運行。
[0005]常規(guī)直流使用晶閘管器件構(gòu)成的三相橋式換流器，在發(fā)生直流側(cè)短路故障時，可以通過對晶閘管觸發(fā)角的快速控制來抑制直流短路電流，具體做法是:在發(fā)生直流短路故障時，快速控制觸發(fā)角移相使直流電壓迅速反向，從而迅速抑制直流短路電流，待短路點自然斷弧后，恢復觸發(fā)角正?？刂?，并恢復直流輸電系統(tǒng)正常運行。如果是一次性的瞬時故障，直流輸電系統(tǒng)將保持繼續(xù)正常運行；如果是永久的短路故障，系統(tǒng)恢復后將再次出現(xiàn)短路電流，直流輸電控制保護系統(tǒng)根據(jù)預先制定的保護邏輯斷開交流進線開關，從而將整個直流輸電系統(tǒng)停運。幸運的是，這種永久故障在直流線路故障中只占非常小的比例，因此常規(guī)直流輸電系統(tǒng)很少因為直流線路短路而完全停運。
[0006]但這種很好保護方式用在柔性直流輸電中卻完全不可行。由于柔性直流輸電系統(tǒng)采用IGBT構(gòu)成電壓源型換流器，無法通過換流器控制使直流電壓反向，也因此無法以該方式來抑制短路電流。于是柔性直流輸電系統(tǒng)應對直流線路短路故障的措施是:直接斷開交流進線開關，從而將整個直流輸電系統(tǒng)停運。待故障電流衰減完畢后，再重新充電、運行。
[0007]在實際工程中，即使付出系統(tǒng)停運的代價來應對直流側(cè)短路故障也不足以很好的保護柔性直流輸電系統(tǒng)的設備不受安全威脅:
[0008](I)柔性直流輸電換流器中并聯(lián)有二極管器件，在發(fā)生直流短路故障時，為直流短路電流提供了回路，即使交流進線開關打開，直流回路中的斷流電流也會由于二極管的存在而衰減困難，一方面是設備將更長時間的暴露在大電流沖擊下，另一方面也大大延長了整個系統(tǒng)恢復的時間，從而加劇經(jīng)濟損失和系統(tǒng)失穩(wěn)風險。
[0009](2)在短路發(fā)生時，柔性直流輸電系統(tǒng)的電感和電容等設備將使短路電流發(fā)生振蕩，進一步加劇了其對設備和外部系統(tǒng)的破壞力。
[0010]一種最直接的解決方法是在直流回路中增加直流斷路器，在短路故障發(fā)生時，通過直流斷路器迅速斷開直流短路電流。但由于該設備的技術(shù)成熟度還不足以實現(xiàn)工程應用，因此在很長的一段時間內(nèi)還無法采用。未來，即使在應用技術(shù)成熟后，其設備復雜、造價高昂，運行維護工作量大、經(jīng)濟性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種直流輸電保護裝置、換流器及保護方法，有效的解決柔性直流輸電系統(tǒng)短路電流衰減困難、存在振蕩的的固有缺陷，且實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟性好。
[0012]為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種直流輸電保護裝置，其特征在，包括電阻單元和雙向流通電流開關單元，該保護裝置由所述電阻單元和所述雙向流通電流開關單元并聯(lián)而成；其中所述電阻單元由一個電阻構(gòu)成，或者由多個電阻級聯(lián)而成，所述雙向流通電流開關單元由一個雙向流通電流開關構(gòu)成，或者由多一個雙向流通電流開關級聯(lián)而成。
[0013]進一步地，所述雙向流通電流開關由二極管單元和開關管單元的并聯(lián)而成，其中，所述開關管單元的正極、所述二極管單元的負極以及所述電阻單元的一端連接在一起，定義為所述保護裝置的正端；
[0014]所述開關管單元的負極、所述二極管單元的正極以及所述電阻單元的另一端連接在一起，定義為所述保護裝置的負端；
[0015]所述二極管單元由一個二極管構(gòu)成，或者由多個二極管級聯(lián)而成，所述開關管單元由一個開關管構(gòu)成，或者由多個開關管級聯(lián)而成。
[0016]進一步地，所述開關管為具有可關斷功能的功率半導體器件。
[0017]進一步地，所述雙向流通電流開關采用IGBT，以所述IGBT的集電極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述IGBT的發(fā)射極作為所述雙向流通電流開關的負極；
[0018]或者，所述雙向流通電流開關采用至少一個IGCT或至少一個GTO構(gòu)成，以所述IGCT或所述GTO的陽極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述IGCT或GTO的陰極作為所述雙向流通電流開關的負極；
[0019]或者，所述雙向流通電流開關采用至少一個MOSFET構(gòu)成，以所述MOSFET的漏極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述MOSFET的源極作為所述雙向流通電流開關的負極。
[0020]進一步地，所述保護裝置還配置相應的冷卻設備。
[0021]進一步地，還包括在所述保護裝置的正負極之間并聯(lián)電壓保護元件。
[0022]進一步地，還包括在所述保護裝置的正負極之間并聯(lián)旁路開關元件。
[0023]進一步地，所述電阻R取值范圍在0.1?100歐姆。
[0024]本發(fā)明還提供一種含有該保護裝置的換流器，所述換流器包括三相，每一相包括上下兩個橋臂，所述每個橋臂由一個電抗器單元和至少一個子模塊串聯(lián)而成；每一相的上下兩個橋臂合在一起成為一個相單元，上下橋臂的連接點為中點，三個上橋臂的引出端連接在一起，為所述換流器正端；三個下橋臂的引出端連接在一起，為所述換流器的負端，其特征在于，在每一個相單元中，串聯(lián)至少一個所述保護裝置。
[0025]進一步地，串聯(lián)至少一個所述保護裝置具體指:至少一個所述保護裝置串聯(lián)在所述電抗器與所述子模塊之間，或者串聯(lián)在所述電抗器與所述中點之間，或者串聯(lián)在兩個所述子模塊之間，或者串聯(lián)在所述子模塊與所述換流器正端之間，或者串聯(lián)在所述子模塊與所述換流器負端之間。
[0026]進一步地，每個相單元中所串聯(lián)的保護裝置的數(shù)量相等。
[0027]進一步地，其特征在于，所述換流器適用于電壓源型拓撲，可以是模塊化多電平柔性直流系統(tǒng)、兩電平柔性直流系統(tǒng)或者三電平柔性直流系統(tǒng)。
[0028]本發(fā)明還提供一種該換流器的保護方法，其特征在于，包括步驟:檢測并判斷是否發(fā)生直流側(cè)短路故障，如果發(fā)生，則對串聯(lián)在所述橋臂中的所有所述保護裝置的所述雙向流通電流開關施加關斷信號；并在故障電流衰減完畢后恢復系統(tǒng)運行。
[0029]本發(fā)明的有益效果是:為柔性直流輸電提供了 一種保護裝置、換流器及保護方法，能夠快速的、有效的抑制直流短路電流、阻尼電流振蕩，既能更好的保護設備安全，又能大大縮短故障電流衰減時間、從而縮短直流停運時間，進一步的，最大程度減小停運帶來的經(jīng)濟損失和系統(tǒng)失穩(wěn)風險。而且該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有很好的可實現(xiàn)性和經(jīng)濟性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是一種模塊化多電平柔性直流輸電拓撲；
[0031]圖2是本發(fā)明實施例的一種保護裝置的單元結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖3是本發(fā)明實施例的一種含有保護裝置的換流器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明實施例的一種含有保護裝置換流器發(fā)生短路故障的示意圖。
【具體實施方式】
[0034]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0035]如圖1所示，是一個換流器的拓撲結(jié)構(gòu)。該換流器包括三相，每一相包括上下兩個橋臂，共由6個橋臂構(gòu)成。每個橋臂由一個電抗器L和N個子模塊SM串聯(lián)而成,每一相的上下兩個橋臂合在一起成為一個相單元。上下橋臂的連接點稱為中點。三個上橋臂的引出端連接在一起，為換流器正端；三個下橋臂的引出端連接在一起，為換流器的負端。
[0036]本發(fā)明提供一種保護裝置，包括一個電阻單元和一個雙向流通電流開關單元，該保護裝置由所述電阻單元和所述雙向流通電流開關單元并聯(lián)而成。其中所述電阻單元可以是一個電阻，或者是多個電阻通過串聯(lián)或者并聯(lián)等方式級聯(lián)而成，同樣的，該雙向流通電流開關單元也可以是一個雙向開關，或者是由多個雙向流通電流開關級聯(lián)而成。
[0037]進一步的，該雙向流通電流開關可以由二極管單元和開關管單元的并聯(lián)而成，其中，所述開關管單元的正極、所述二極管單元的負極以及所述電阻單元的一端連接在一起，定義為所述保護裝置的正端；開關管單元的負極、所述二極管單元的正極以及所述電阻單元的另一端連接在一起，定義為所述保護裝置的負端；所述二極管單元可以是一個二極管，或者由多個二極管級聯(lián)而成，所述開關管單元可以是一個開關管，或者是由多個開關管級聯(lián)而成。開關管為具有可關斷功能的功率半導體器件。[0038]雙向流通電流開關還可以采用IGBT，以所述IGBT的集電極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述IGBT的發(fā)射極作為所述雙向流通電流開關的負極。
[0039]或者，所述雙向流通電流開關采用至少一個IGCT或至少一個門級關斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor, GT0)加上其他輔助裝置構(gòu)成，以所述IGCT或所述GTO的陽極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述IGCT或GTO的陰極作為所述雙向流通電流開關的負極。
[0040]或者，雙向流通電流開關還可以采用所述雙向流通電流開關采用金氧半場效晶體管((Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)加上其他輔助裝置構(gòu)成，以所述MOSFET的漏極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述MOSFET的源極作為所述雙向流通電流開關的負極。
[0041]另外，保護裝置的開關管將流過橋臂電流，因此該保護裝置還可以配置相應的冷卻設備。優(yōu)選地，可以采用水冷散熱。
[0042]另外，所述保護裝置的正負極之間還可以并聯(lián)電壓保護元件，以抑制開關兩端的過電壓。
[0043]另外，所述保護裝置的正負極之間還可以并聯(lián)旁路開關元件，以方便的切除保護 >J-U ρ?α裝直。
[0044]另外，保護裝置里的電阻R取值范圍在0.1~100歐姆。
[0045]如圖2所示是保護裝置的一個優(yōu)選實施例，包括一個電阻、一個開關管和一個二極管。開關管T的正極、二極管的負極以及電阻的一端連接在一起，定義為該保護裝置的正端，開關管的T的負極、二極管的正極以及電阻另一端連接在一起，定義為該保護裝置的負端。
[0046]需要注意的是，這里的一個電阻單元可以是一個電阻，也可以是多個電阻通過串聯(lián)、并聯(lián)等級聯(lián)方式構(gòu)成，而不局限于一個實際的電阻。同樣的，開關管、二極管均可由多個級聯(lián)而成。這里的圖2是保護裝置實施例的一個等效電路圖。
[0047]本發(fā)明還提供一種該保護裝置的換流器，該換流器包括三相，每一相包括上下兩個橋臂，所述每個橋臂由一個電抗器單元和至少一個子模塊串聯(lián)而成；每一相的上下兩個橋臂合在一起成為一個相單元，上下橋臂的連接點為中點，三個上橋臂的引出端連接在一起，為所述換流器正端；三個下橋臂的引出端連接在一起，為所述換流器的負端，其特征在于，在每一個相單元中，串聯(lián)至少一個所述保護裝置。
[0048]這里所說的電抗器單元可以是一個電抗器或者多個電抗器級聯(lián)而成。
[0049]優(yōu)選的，每個相單元中所串聯(lián)的保護裝置的數(shù)量相等。
[0050]保護裝置可以串聯(lián)在相單元中的任意位置，例如可以串聯(lián)在所述電抗器與所述子模塊之間，或者串聯(lián)在所述電抗器與所述中點之間，或者串聯(lián)在兩個所述子模塊之間，或者串聯(lián)在所述子模塊與所述換流器正端之間，或者串聯(lián)在所述子模塊與所述換流器負端之間。
[0051 ] 所述保護裝置可以同時串聯(lián)在上下橋臂中的對稱位置，也可以不對稱。
[0052]各個相單元中所串聯(lián)的保護裝置可以串在對應位置，也可以不對應。
[0053]這里的換流器可以是模塊化多電平柔性直流系統(tǒng)、兩電平柔性直流系統(tǒng)或者三電平柔性直流系統(tǒng)。[0054]一種較優(yōu)的實施方案如圖3所示，是將保護裝置串聯(lián)在圖1所給出的換流器中，在三個上橋臂的子模塊與電抗器之間各串聯(lián)一個保護裝置。
[0055]本發(fā)明提供的這種換流器中保護裝置的串聯(lián)方式，屬于在換流器的交流側(cè)的串聯(lián)。這樣具有益效果是:(1)保護裝置可與換流器一體化設計、工程可實現(xiàn)性好、節(jié)省空間。保護裝置可采用模塊化設計理念，直接與換流器子模塊采用標準化設計和組裝，與子模塊外形、尺寸、接線一致，直接裝設在換流器中，不占據(jù)額外空間，這一優(yōu)勢在非常強調(diào)緊湊型設計的柔性直流輸電工程中至關重要。(2)無需獨立取能。保護裝置中的開關管及其控制回路需要適當?shù)碾娫垂╇?，在交流?cè)安裝，可以與換流閥共用取能回路。(3)可以不用配置獨立冷卻設備，與其他設備共用冷卻設備。保護裝置中的大功率電力電子器件需要水冷循環(huán)來降溫，在換流閥交流側(cè)安裝，可以與換流閥共用水冷設備。(4)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低。相比直流側(cè)，交流側(cè)電流有效值小，保護裝置的開關管可以選擇換流器同型號開關管即可，而無需采用多開關管并聯(lián)結(jié)構(gòu)來提升電流額定值。(5)抑制電流振蕩效果更好。理論分析與試驗結(jié)果表明，保護裝置串聯(lián)在換流器交流側(cè)在故障初期對電流振蕩的抑制效果好，能有效抑制橋臂的故障電流峰值，降低整個橋臂的子模塊電流應力。
[0056]對于本發(fā)明所提供的含有保護裝置的換流器，當該換流器正端與負端所連線路等設備發(fā)生短路時，各橋臂會流過較大的短路電流，且受整個回路中電容和電感的影響，短路電流還會發(fā)生振蕩，從而嚴重危及整個系統(tǒng)設備的安全。圖4為該發(fā)生短路時的示意圖。
[0057]針對此問題，本發(fā)明還提供一種利用所述保護裝置來抑制直流短路電流、阻尼電流振蕩的保護方法，一個優(yōu)選的實施例中，可以包括如下步驟:
[0058](I)檢測并判斷是否發(fā)生直流側(cè)短路故障，如果是，轉(zhuǎn)步驟(2)。
[0059](2)對串聯(lián)在橋臂的所有保護裝置的雙向流通電流開關施加關斷信號。
[0060](3)檢測并判斷故障電流是否衰減完畢，如果是，轉(zhuǎn)步驟(4)。
[0061](4)恢復柔性直流輸電系統(tǒng)運行。
[0062]本發(fā)明中所稱的級聯(lián)，包括串聯(lián)、并聯(lián)等連接方式。
[0063]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種直流輸電保護裝置，其特征在于，包括電阻單元和雙向流通電流開關單元，該保護裝置由所述電阻單元和所述雙向流通電流開關單元并聯(lián)而成；其中所述電阻單元由一個電阻構(gòu)成，或者由多個電阻級聯(lián)而成，所述雙向流通電流開關單元由一個雙向流通電流開關構(gòu)成，或者由多個雙向流通電流開關級聯(lián)而成。
2.如權(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，所述雙向流通電流開關由二極管單元和開關管單元的并聯(lián)而成，其中，所述開關管單元的正極、所述二極管單元的負極以及所述電阻單元的一端連接在一起，定義為所述保護裝置的正端； 所述開關管單元的負極、所述二極管單元的正極以及所述電阻單元的另一端連接在一起，定義為所述保護裝置的負端； 所述二極管單元由一個二極管構(gòu)成，或者由多個二極管級聯(lián)而成，所述開關管單元由一個開關管構(gòu)成，或者由多個開關管級聯(lián)而成。
3.如權(quán)利要求2所述的保護裝置，其特征在于，所述開關管為具有可關斷功能的功率半導體器件。
4.如權(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，所述雙向流通電流開關采用IGBT，以所述IGBT的集電極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述IGBT的發(fā)射極作為所述雙向流通電流開關的負極； 或者，所述雙向流通電流開關采用至少一個IGCT或至少一個GTO構(gòu)成，以所述IGCT或所述GTO的陽極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述IGCT或GTO的陰極作為所述雙向流通電流開關的負極； 或者，所述雙向流通電流開關采用至少一個MOSFET構(gòu)成，以所述MOSFET的漏極作為所述雙向流通電流開關的正極，以所述MOSFET的源極作為所述雙向流通電流開關的負極。
5.如權(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，所述保護裝置還配置相應的冷卻設備。
6.如權(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，還包括在所述保護裝置的正負極之間并聯(lián)電壓保護元件。
7.如權(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，還包括在所述保護裝置的正負極之間并聯(lián)旁路開關元件。
8.如權(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，所述電阻取值范圍在0.1~100歐姆。
9.一種含有權(quán)利要求1所述保護裝置的換流器，其特征在于，所述換流器包括三相，每一相包括上下兩個橋臂，所述每個橋臂由一個電抗器單元和至少一個子模塊串聯(lián)而成；每一相的上下兩個橋臂合在一起成為一個相單元，上下橋臂的連接點為中點，三個上橋臂的引出端連接在一起，為所述換流器正端；三個下橋臂的引出端連接在一起，為所述換流器的負端；在每一個相單元中，串聯(lián)至少一個所述保護裝置；其中所述電抗器單元由一個電抗器構(gòu)成或者由多個電抗器級聯(lián)而成。
10.如權(quán)利要求9所述的換流器，其特征在于，串聯(lián)至少一個所述保護裝置具體指:至少一個所述保護裝置串聯(lián)在所述電抗器與所述子模塊之間，或者串聯(lián)在所述電抗器與所述中點之間，或者串聯(lián)在兩個所述子模塊之間，或者串聯(lián)在所述子模塊與所述換流器正端之間，或者串聯(lián)在所述子模塊與所述換流器負端之間。
11.如權(quán)利要求9或10所述的換流器，其特征在于，每個相單元中所串聯(lián)的保護裝置的數(shù)量相等。
12.如權(quán)利要求9所述的換流器，其特征在于，所述換流器適用于電壓源型拓撲，可以是模塊化多電平柔性直流系統(tǒng)、兩電平柔性直流系統(tǒng)或者三電平柔性直流系統(tǒng)。
13.—種如權(quán)利要求9所述換流器的保護方法，其特征在于，包括步驟:檢測并判斷是否發(fā)生直流側(cè)短路故障，如果發(fā)生，則對串聯(lián)在所述橋臂中的所有所述保護裝置的所述雙向流通電流開關單元施加關斷信號；并在故障電流衰減完畢后恢復系統(tǒng)運行。
【文檔編號】H02M7/217GK104009446SQ201410069444
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】曹冬明, 謝曄源, 邵震霞, 盧宇, 李敏, 劉海彬, 李海英 申請人:南京南瑞繼保電氣有限公司, 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司