一种双向变压型高压直流断路装置及短路故障切除方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双向变压型高压直流断路装置及短路故障切除方法，包括断路器与控制系统，其中，控制系统包括内环调节控制电流、外环调节控制电压，通过在双闭环调节增加辅助控制器来进行高压直流断路器的变压和保护控制；本发明专利技术实现了相比于传统高压断路器具有更多的功能、开断速度快、节约成本等优点，既能在高压直流输电系统正常运行时实现断路器的双向升压和降压功能，可以实现灵活地应用于不同电压等级的电力线路中；同时，也能够实现在输电线路发生短路故障时对短路故障进行及时有效的切除，实现保护高压直流输电设备及负载设备的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种双向变压型高压直流断路装置及短路故障切除方法
本专利技术涉及输电线路保护装置研究领域，具体地，涉及一种基于新型全桥拓扑变换器的双向变压型高压直流断路装置及变压型高压直流断路器短路故障的切除方法。
技术介绍
在高压交流输电系统中，输电线路的正常投入和事故切除，是通过高压交流断路器来实现的。而在高压直流输电系统中，则是利用换流阀控制(栅)极的控制来消除暂时性故障或者当发生短路故障时采用机械式高压断路器进行切除，但随着VSC-HVDC输电技术的发展和应用，由于机械式的高压直流断路器的响应时间过长难以满足短路故障的快速切除需求。因此，研制新型快速高压直流断路器，以促使高压直流输电系统的发展，甚为必要。ABB公司于2012年11月开发出了世界上第一台混合式高压直流断路器，将机械动力学与电力电子设备相结合，可以在几毫秒之内断开一所大型发电站的输出电流，这使得大规模可再生能源的高效集成和交换以及建设全新高效电网进行远距离电力传输成为可能。高压直流断路器的类型主要有机械式断路器、固态断路器、混合式断路器、Z-source断路器和基于转换器的断路器。与高压直流转换开关只能开断正常运行电流不同的是，高压直流断路器具有故障电流的切断能力。目前的机械式高压直流断路器，能够在数十毫秒内切断短路电流，这种故障电流的切断速度尚不能满足新型VSC-HVDC输电系统的要求。固态断路器可以很容易地克服开断速度的限制，但在稳态运行时会产生大量损耗。混合式断路器兼具机械断路器良好的静态特性以及固态断路器无弧分断的动态特性，具有运行损耗低、使用寿命长、可靠性高和稳定性好等优点，但对于快速刀闸的制造要求很高，并且开断时间还是受到快速刀闸的影响以及保护系统和通信时间的影响。除了上述直接开断短路电流的方式之外，还可以考虑增加限流器配合断路器开关电流的方式，因为对于需要熄弧的机械开关，电流越大，熄弧越困难；而对于无需熄弧的电力电子器件，关断大电流会引起器件的动态过压，电流幅值越大，过压越高。综上所述，本申请专利技术人在实现本申请专利技术技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：在现有技术中，现有的断路器存在无法同时实现升降压功能及断路器功能的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种双向变压型高压直流断路装置及短路故障切除方法，现有的断路器存在无法同时实现升降压功能及断路器功能的技术问题，实现了高压直流断路装置能够同时实现升降压功能及断路器功能的技术效果。为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于新型全桥拓扑变换器的双向变压型高压直流断路装置，包括断路器与控制系统，其中：断路器包括连接在正输入端的IGBT开关模块组S1，IGBT开关模块组S1的阴极连接至IGBT开关模块组S3的阳极和电感L输入端，电感L的输出端连接至IGBT开关模块组S2的阴极和二极管模块组D1的阴极，IGBT开关模块组S2的阳极和正输出端相连。正输入端与负输入端之间连接有输入电容Ci，正输出端与负输出端之间连接有输出电容Co。IGBT开关模块S3的阴极、二极管模块组D1的阳极、断路器负输入端和断路器负输出端相连接并同时接地；控制系统包括依次连接的外环PI调节器、外环饱和环节、内环PI调节器、内环饱和环节、PWM发生器、以及高压直流断路器，电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压vo，输出端电压vo经过外环低通滤波器LPF后与输出电压参考值vo*进行比较然后输入到外环PI调节器，电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流iL，电感电流iL经过内环低通滤波器LPF后与外环饱和环节输出的内环电感电流参考值iL*进行比较，比较的结果输入内环PI调节器，在所述的内环饱和环节与PWM发生器之间还增加有一个辅助控制器。本专利技术的基于新型全桥拓扑变换器的双向变压型高压直流断路器运行导通态时，功率开关组S1和S2导通，功率流经Ldc充电，功率开关组S1断开态时，Ldc存储的能量通过二极管续流或者通过功率开关组S2和S3导通续流，电感电流连续时的运行模态，在一个开关周期Ts内，通过电感的直流电压平均值在不计损耗的情况下为零得出等式，计算分析式如下：ViDTs+(-Vo)(1-D)Ts＝0由上式可得，输出电压与输入电压之间的关系为：其中D为占空比，计算式如下：其中，Vi为输入电压，D为占空比，Ts为开关周期，Vo为输出电压，ton为开关周期。由上述公式可知，该改进的拓扑的性能相似于全桥拓扑变换器，当D>0.5时，输出电压大于输入电压；当D<0.5时，输出电压小于输入电压；当D＝0.5时，输出电压和输入电压相等；辅助控制器对占空比进行零值检测，当检测出零值时，判断出故障状态，执行选择开关操作，切断线路，直到故障排除，恢复正常后，零值检测器检测出占空比不为零，判断出属于正常状态，不动作，如此通过占空比的检测和调节，可以实现断路器的功能，及时地对短路进行切断，也就是说，该辅助控制器既能在断路器正常运行时保证断路器升降压功能的正常执行，又能够在输电线路发生短路故障时快速地对短路故障进行及时有效的切除，实现保护高压直流输电设备及负载设备，以上是正向输电时工作原理，反向输电时的原理和正向时输电相同，只是传输的能量流方向相反。所述的辅助控制器包括零值检测器和选择开关，其中零值检测器包括一个过零比较器和一个触发子系统，内环饱和环节的输出信号同时发送给过零比较器和触发子系统，其中过零比较器的输出信号作为触发子系统导通的条件，触发子系统的输出信号经过反向器输出至选择开关，选择开关的两个输入端分别与内环饱和环节的输出端和零值信号连接。具体的讲，辅助控制器主要包括选择开关和零值检测器，其中零值检测器是由一个过零比较器和一个触发子系统构成的，触发子系统的导通工作条件是过零比较器的输出信号，即当过零比较器的输出信号为大于零的时候，其输出信号1，这个阶跃信号使得触发子系统导通，输出脉冲使得选择开关进行动作，进行线路短路故障的切除。本申请还提供了一种变压型高压直流断路器短路故障的切除方法，包括(a)外环控制步骤、(b)内环控制步骤、(c)辅助控制步骤。其中(a)内环控制步骤包括以下步骤：(a1)电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压vo；(a2)输出端电压vo经过外环低通滤波器LPF后与输出端电压参考值vo*进行比较；(a3)比较的结果输入到外环PI调节器和外环饱和环节进行调节，输出内环电感电流参考值iL*。其中(b)内环控制步骤包括以下步骤：(b1)电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流iL；(b2)将该电感电流iL通过低通滤波器LPF过滤掉高次谐波后得到反馈信号；(b3)将反馈信号与输出电压参考值iL*进行比较；(b4)比较的结果再经内环PI调节器、内环饱和环节的调节作用，输出断路器占空比D；(b5)将步骤(b4)得到的输出信号D经PWM发生器进行调制，控制高压直流断路器实现变压和故障切除功能。其中(c)辅助控制步骤包括以下步骤：(c1)当高压直流输电系统正常运行时，占空比D保持一个稳定值，选择开关连接内环饱和环节输入端；(c2)当高压直流输电线路短路故障发生时，占空比D由稳定值快速下降为零；(c3)过零比较器进行比较输出值为1，触发子系统导通工作；(c4)在输入D值变为零的时刻开始，输出从0至1带上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向变压型高压直流断路装置，其特征在于，所述装置包括：包括断路器与控制系统，其中：断路器包括：连接在正输入端的IGBT开关模块组S

【技术特征摘要】
1.一种双向变压型高压直流断路装置，其特征在于，所述装置包括：包括断路器与控制系统，其中：断路器包括：连接在正输入端的IGBT开关模块组S1，IGBT开关模块组S1的阴极连接至IGBT开关模块组S3的阳极和电感L输入端，电感L的输出端连接至IGBT开关模块组S2的阴极和二极管模块组D1的阴极，IGBT开关模块组S2的阳极和装置的正输出端相连；装置的正输入端与装置的负输入端之间连接有输入电容Ci，装置的正输出端与装置的负输出端之间连接有输出电容Co；IGBT开关模块S3的阴极、二极管模块组D1的阳极、装置的负输入端和装置的负输出端相连接并同时接地；控制系统包括：依次连接的外环PI调节器、外环饱和环节、内环PI调节器、内环饱和环节、PWM发生器；电压传感器采集到高压直流断路器的输出端电压vo，输出端电压vo经过外环低通滤波器LPF后与输出电压参考值vo*进行比较，然后输入到外环PI调节器，电流传感器采集到高压直流断路器中的电感电流iL，电感电流iL经过内环低通滤波器LPF后与外环饱和环节输出的内环电感电流参考值iL*进行比较，比较的结果输入内环PI调节器，在内环饱和环节与PWM发生器之间设有辅助控制器。2.根据权利要求1所述的双向变压型高压直流断路装置，其特征在于，所述辅助控制器包括：零值检测器和选择开关，其中，零值检测器包括：过零比较器和触发子系统，内环饱和环节的输出信号同时发送给过零比较器和触发子系统，其中，过零比较器的输出信号作为触发子系统导通的条件，触发子系统的输出信号经过反向器输出至选择开关，选择开关的两个输入端分别与内环饱和环节的输出端和零值信号连接，输出端与PWM发生器连接。3.根据权利要求1所述的双向变压型高压直流断路装置，其特征在于，计算公式为：ViDTs+(-Vo)(1-D)Ts＝0其中，Vi为输入电压，D为占空比，Ts为开关周期，Vo为输出电压，ton为开关周期。4.一种变压型高压直流断路装置短路故障切除方法，应用于权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐良义，杨坤，王坤，林俊洁，向路先，李红柳，崔开源，余杰，张璞，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司成都供电公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：四川,51