本發(fā)明涉及交直流電網(wǎng)領(lǐng)域，具體涉及一種用于清除交直流系統(tǒng)故障電流的電路及其控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由交流輸電系統(tǒng)和直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)交直流系統(tǒng)中的任意節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路故障，比如常見(jiàn)的輸電線路對(duì)地短路故障，會(huì)產(chǎn)生幅值迅速上升的故障電流，如不及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至系統(tǒng)崩潰。為維持直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行并保護(hù)電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，一般切斷故障點(diǎn)所在線路限制故障電流發(fā)展，達(dá)到熄滅故障電流隔離故障的目的。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及故障點(diǎn)位置的不同，故障電流表現(xiàn)形式也不同，根據(jù)故障電流是否過(guò)零將其分為兩類。第一類為過(guò)零故障電流，該類故障電流呈振蕩上升趨勢(shì)，每個(gè)振蕩周期有兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)；第二類故障電流為非過(guò)零故障電流，該類故障電流有的以振蕩形式甚至以指數(shù)形式迅速上升。

對(duì)于第一類故障電流，一般采用如圖1所示的常規(guī)機(jī)械開(kāi)關(guān)，在電流過(guò)零點(diǎn)分?jǐn)鄼C(jī)械開(kāi)關(guān)達(dá)到熄滅電流目的；而對(duì)于電流不存在電流過(guò)零點(diǎn)的第二類故障，采用機(jī)械開(kāi)關(guān)滅弧則十分困難，一般需采用改造的規(guī)機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，增加LC振蕩環(huán)節(jié)，使振蕩電流與故障電流疊加形成過(guò)零點(diǎn)來(lái)輔助機(jī)械開(kāi)關(guān)滅弧。

故障電流自然過(guò)零或者輔助過(guò)零時(shí)通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗑€路切除故障的上述兩類開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定及通態(tài)損耗小等，但其觸頭易被開(kāi)斷電弧損壞，開(kāi)斷能力有限，且故障電流的切除時(shí)間長(zhǎng)，易造成事故擴(kuò)大化，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。

隨著電力電子器件容量、可控性及開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性的提升，逐漸用如圖3所示的全固態(tài)開(kāi)關(guān)電路來(lái)切除電力系統(tǒng)的故障電流。該電路由電力電子器件串聯(lián)構(gòu)成的電力電子開(kāi)關(guān)回路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)與控制電路以及緩沖、吸收回路構(gòu)成。該開(kāi)關(guān)電路串聯(lián)于線路的系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電力電子開(kāi)關(guān)通過(guò)運(yùn)行電流，當(dāng)故障電流發(fā)生時(shí)，檢測(cè)電路判斷故障電流的發(fā)生及故障電流方向，驅(qū)動(dòng)和控制電路根據(jù)檢測(cè)結(jié)果向電力電子開(kāi)關(guān)回路發(fā)出關(guān)斷信號(hào)切斷故障電流，故障電流切斷后形成的高壓能量由緩沖和吸收電路加以限制和釋放，保護(hù)串聯(lián)電力電子器件。基于電力電子器件的全固態(tài)開(kāi)關(guān)電路可以顯著提高故障電流切除能力，縮短故障切除時(shí)間，而且對(duì)故障電流是否過(guò)零沒(méi)有要求。但在正常導(dǎo)通時(shí)，由于串聯(lián)器件導(dǎo)通壓降的存在，損耗過(guò)大，經(jīng)濟(jì)性較差。

為克服上述缺點(diǎn)，近年來(lái)出現(xiàn)了如圖4所示的基于機(jī)械開(kāi)關(guān)和電力電子器件的混合式開(kāi)關(guān)電路，主通路由機(jī)械開(kāi)關(guān)K5和電力電子全控器件K6串聯(lián)構(gòu)成，旁路由限壓裝置和串聯(lián)電力電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)構(gòu)成的組件K7構(gòu)成，當(dāng)檢測(cè)到故障電流時(shí)，K7中的電力電子開(kāi)關(guān)組全部導(dǎo)通，之后主通路上的電力電子全控器件關(guān)斷切除故障電流，故障電流到達(dá)零點(diǎn)時(shí)附件機(jī)械開(kāi)關(guān)也隨之關(guān)斷，等到機(jī)械開(kāi)關(guān)完全關(guān)斷后，K7中的電力電子開(kāi)關(guān)組關(guān)斷，切斷故障電流，限壓裝置抑制關(guān)斷形成的高壓并吸收能量。這種混合式開(kāi)關(guān)電路既減低了通態(tài)損耗，又提高了分?jǐn)嗨俣?，但是將兩個(gè)方向線路的電流分?jǐn)?，需要大量的全控電力電子開(kāi)關(guān)正向串聯(lián)后再反向串聯(lián)，全控器件數(shù)量多，增加了直流斷路器設(shè)備成本。

因此，需要提供一種技術(shù)方案來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于清除交直流系統(tǒng)故障電流的電路及其控制方法。

用于清除交直流系統(tǒng)故障電流的電路包括：開(kāi)關(guān)支路，開(kāi)關(guān)支路的兩端分別連接兩個(gè)主支路和兩個(gè)轉(zhuǎn)移支路；主支路和所述轉(zhuǎn)移支路的另一端互聯(lián)后，串入交直流系統(tǒng)。

主支路包括：快速開(kāi)關(guān)和與其串聯(lián)的電力電子開(kāi)關(guān)；電力電子開(kāi)關(guān)包括：全控器件和與其反并聯(lián)的不控器件。

按交直流系統(tǒng)、不控器件到開(kāi)關(guān)支路的方向?qū)ā＾D(zhuǎn)移支路包括：串聯(lián)的不控器件。全控器件包括IGBT，所述不控器件包括二極管。

開(kāi)關(guān)支路包括：串聯(lián)的全控型器件組成的開(kāi)關(guān)組及與開(kāi)關(guān)組并聯(lián)的非線性電阻。開(kāi)關(guān)支路包括：至少兩組串聯(lián)的開(kāi)關(guān)組。

按主控支路、開(kāi)關(guān)支路到轉(zhuǎn)移支路的方向?qū)?。全控型器件和緩沖電路并聯(lián)。緩沖電路包括：電阻、電容和二極管構(gòu)成的串聯(lián)回路；

二極管的正極分別與電阻的一端及所述全控器件的一端相連，二極管的負(fù)極設(shè)于電阻和電容間，電容的另一端與全控器件的另一端相連。

其控制方法包括如下步驟：

1)正常狀態(tài)下，閉合快速開(kāi)關(guān)，兩條主支路導(dǎo)通；2)交直流系統(tǒng)檢測(cè)到故障電流時(shí)，關(guān)斷主支路中的全控器件；3)開(kāi)通開(kāi)關(guān)支路；4)當(dāng)主支路中的電流轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移支路后，斷開(kāi)非流通路徑中的快速開(kāi)關(guān)；5)關(guān)斷開(kāi)關(guān)支路；6)斷開(kāi)流通路徑中主支路的快速開(kāi)關(guān)，完成故障電流的切除。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下有益效果：

1、本發(fā)明的全控器件開(kāi)關(guān)組不需要雙向通流，只需同方向串聯(lián)構(gòu)成，不需要反并聯(lián)相同電壓電流等級(jí)的二極管，也不需要串聯(lián)方向相反的模塊或者組成H橋模塊，與相同規(guī)格的開(kāi)關(guān)電路相比，所用器件數(shù)量降低至少50％-75％，電路裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本大幅降低；

2、本發(fā)明由于主電力電子開(kāi)關(guān)為IGBT串聯(lián)，且采用RCD緩沖電路，回路物理布置上的雜散電感較低，所需緩沖電容值可以大幅降；

3、本發(fā)明進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)電路的損耗，減少全控電力電子開(kāi)關(guān)使用數(shù)量，降低成本，提高了經(jīng)濟(jì)性和可推廣性。

附圖說(shuō)明

圖1為常規(guī)機(jī)械開(kāi)關(guān)圖；

圖2為輔助分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)圖；

圖3為固態(tài)開(kāi)關(guān)圖；

圖4為混合式開(kāi)關(guān)隔離電路圖；

圖5為本發(fā)明的交直流系統(tǒng)故障快速隔離電路圖；

圖6為本發(fā)明的RCD緩沖電路圖；

圖7為本發(fā)明在正常通流狀態(tài)下的電流路徑；

圖8為本發(fā)明在正常通流狀態(tài)下的另一電流路徑；

圖9為本發(fā)明在故障電流下電流轉(zhuǎn)移的流通路徑圖；

圖10為本發(fā)明在故障電流下電流轉(zhuǎn)移的另一流通路徑圖；

圖11為本發(fā)明所有電力電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通方向反轉(zhuǎn)后的電路拓?fù)洌?/p>

圖12為本發(fā)明的電路動(dòng)作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖5為本發(fā)明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路由2個(gè)主支路S11和S22、2個(gè)轉(zhuǎn)移支路S12和S21、及1個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)支路S0構(gòu)成。整個(gè)電路由兩個(gè)端點(diǎn)N1和N2串入交直流系統(tǒng)線路中。S11和S21支路的一端與N1聯(lián)結(jié)，S12和S22支路的一端與N2聯(lián)結(jié)，S11和S21支路的另一端分別與S12和S22支路的另一端連接，S11支路與S22支路的連接點(diǎn)為M1，S21與S12的連接點(diǎn)為M2，S0支路的兩端分別與M1、M2連接。主支路S11、S22由快速開(kāi)關(guān)K_ii(i＝1,2)和一個(gè)可雙向?qū)ǖ碾娏﹄娮娱_(kāi)關(guān)G_ii(i＝1,2)串聯(lián)構(gòu)成，可雙向?qū)ǖ碾娏﹄娮娱_(kāi)關(guān)由一個(gè)全控器件(如IGBT)T_ii(i＝1,2)和不控器件(如二極管)D_ii(i＝1,2)反并聯(lián)構(gòu)成。S11中的不控器件D₁₁的導(dǎo)通方向?yàn)镹1指向M1，S22中的不控器件D₂₂的導(dǎo)通方向?yàn)镹2指向M1。S21和S12支路為不控器件(如二極管)同方向串聯(lián)構(gòu)成的組件G21和G12，G21中不控器件導(dǎo)通方向由M2指向N1，G12中不控器件的導(dǎo)通方向由M2指向N2。S0由全控型電力電子器件串聯(lián)開(kāi)關(guān)組T0與非線性電阻MOV并聯(lián)構(gòu)成,也可由多個(gè)這樣的單元串聯(lián)構(gòu)成，T0的導(dǎo)通方向?yàn)镸1指向M2。

主支路及電力電子開(kāi)關(guān)支路中的所有全控器件均并聯(lián)有如圖6所示的RCD緩沖電路，RCD緩沖電路由電阻R與二極管D并聯(lián)后再與電容C串聯(lián)。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電力電子開(kāi)關(guān)支路S0處于截止?fàn)顟B(tài)，主支路中的快速開(kāi)關(guān)(K11,K22)均處于閉合狀態(tài)，雙向?qū)娏﹄娮娱_(kāi)關(guān)(G11,G22)中的全控器件均處于導(dǎo)通狀態(tài)，可以雙向通流。如圖7所示，若電流由N1處流入，N2處流出，則其流通路徑為N1-K11-D11-M1-T22-N2；如圖8所示，若電流由N2處流入，N1處流出，則其流通路徑為N2-K22-D22-M1-T11-N2。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電路接收到故障分閘命令時(shí)，首先開(kāi)通主電力電子開(kāi)關(guān)支路S0，然后立即關(guān)斷主支路S11和S22中的全控器件。如圖9所示，若故障電流從N1端流入，N2端流出，則主支路中的全控器件全部關(guān)斷后，電流流過(guò)S0支路，主支路S22中的電流全部轉(zhuǎn)移至S12支路，整個(gè)電路中的電流流通路徑為N1-K11-D11-M1-T0-M2-G12-N2。電流轉(zhuǎn)移完成后，分閘快速開(kāi)關(guān)K22，在快速開(kāi)關(guān)可以耐受恢復(fù)電壓時(shí)刻，關(guān)斷S0支路中的T0將故障電流切除，同時(shí)非線性電阻MOV抑制關(guān)斷產(chǎn)生的過(guò)電壓并吸收能量，完成故障快速隔離任務(wù)。如圖10所示，若故障電流從N2端流入，N1端流出，則主支路中的全控器件全部關(guān)斷后，電流流過(guò)S0支路，主支路S11中的電流全部轉(zhuǎn)移至S21支路，電流在整個(gè)電路中的流通路徑為N2-K22-D22-M1-T0-M2-G21-N1。

如圖11所示，如果將上述電路結(jié)構(gòu)中主支路S11和S22、電力電子開(kāi)關(guān)支路S0及轉(zhuǎn)移支路S21和S12中所有電力電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通方向反轉(zhuǎn)，電路同樣可以按照上述原理工作，也為本發(fā)明的一種實(shí)施方案。

如圖12所示的電路動(dòng)作步驟，電流轉(zhuǎn)移完成后，分閘快速開(kāi)關(guān)K11，在快速開(kāi)關(guān)可以耐受恢復(fù)電壓時(shí)刻，關(guān)斷電力電子開(kāi)關(guān)支路S0支路中的T0將故障電流切除，同時(shí)非線性電阻MOV抑制關(guān)斷產(chǎn)生的過(guò)電壓并吸收能量,完成故障快速隔離任務(wù)。

最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。