一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间；本发明专利技术可以实现电流双向的限控制流功能，具有完全对称的电路拓扑，不受电网潮流方向的影响。通过调节电力电子开关开通的占空比，可以实现限流电流双向连续设置，因此其具有宽范围的适应性，可适用于出自不同程度的短路状况。

A Fault Current Controller for Current Bidirectional HVDC Transmission Network

The invention discloses a fault current controller for current bidirectional HVDC transmission network, which comprises a first hybrid one-way switching circuit connected to the pole line and a second hybrid one-way switching circuit connected to the neutral line, and also includes a pole line reactor connected to the pole line and a high temperature superconductor, which is connected between a high temperature superconductor and a hybrid one-way switching circuit. The invention can realize the function of bi-directional current limiting and control current, and has a fully symmetrical circuit topology, which is not affected by the direction of power flow of the power grid. By adjusting the duty cycle of power electronic switch, two-way continuous setting of current limiting can be realized. Therefore, it has wide adaptability and can be applied to short circuit situations from different degrees.

【技术实现步骤摘要】
一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器
本专利技术属于直流输电
，具体涉及一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器。
技术介绍
直流输电以及配电系统起始于上世纪20年代，因为以当时的技术储备，不足以实现直流电压变换，潮流控制以及故障断路限流等功能。这在很大程度上制约着直流输电电网的发展。如今，伴随着电力电子半导体器件与其相关控制等技术，高温超导材料，以及液态金属等新材料的蓬勃发展，直流系统因具有相对于交流系统独特的优势，又一次的被提及并越来越多的运用在新的输电以及配电系统的建设项目当中。然而，随着直流电压等级以及输电功率的提升，传统接入限流电感或电阻因为需要的电感、电阻值大，制造困难，且功能单一，高度定制化，限流大小不可控等因素，已经不能满足现代直流电网的发展要求，从而给直流电网的故障电流控制带来了新的挑战与机遇。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间；还包括电力电子开关Q1、Q2、Q3和Q4，所述电力电子开关Q1与Q2的发射极对接，Q3与Q4的集电极对接后与Q1和Q2的发射极连接，其中，电力电子开关Q1的集电极连接第一混合式单向开关电路的一端，Q3的发射极连接第一混合式单向开关电路的另一端；电力电子开关Q2的集电极连接第二混合式单向开关电路的一端，Q4的发射极连接第二混合式单向开关电路的另一端。混合式单向开关电路包括第一支路和第二支路，其中：第一支路包括机械开关以及与机械开关串联的辅助开关，第二支路包括旁路开关，且第一支路与第二支路并联。所述旁路开关由若干个IGBT串联组成。所述辅助开关采用机械开关、半导体IGBT或IGCT。所述电力电子开关为串联IGBT模块。所述高温超导采用高温超导材料。极线电抗器为大数值电感，电感数值为100mH；所述高温超导材料可直接通过电流，温度或是磁场等方法作为高温超导材料失超媒介间接串入电网线路当中。旁路开关串入的数目根据电压等级进行相应调整。电力电子开关为IGBT组，IGBT组由若干个IGBT依次串联组成。基于现有的高压直流故障电流限流器或控制器存在的问题，本专利技术提供一种可以应用在中高压直流输电网络的且具有主动限流控制功能的双向故障电流控制器，此种控制器拓扑结合电力电子控制技术与超导材料的特点，具有主动检测并抑制故障电流的优点，使得其在中高压直流输电系统中具有快速的反应以及良好的故障电流控制性能，相信该技术在未来直流输电网中有很好的运用前景；本专利技术所提出的拓扑，相比于其它直流限流器或短路电流控制器拓扑，本专利技术可以实现电流双向的限控制流功能，具有完全对称的电路拓扑，不受电网潮流方向的影响。通过调节电力电子开关开通的占空比，可以实现限流电流双向连续设置，因此其具有宽范围的适应性，可适用于出自不同程度的短路状况。附图说明图1为电流双向主动控制式中高压直流故障电流控制器拓扑。图2为机械开关与单相固态换流器拓扑。图3为控制器在电网中连接简化框图。图4为机械开关于单向电力电子开关换流过程示意图。图5a为占空比为0.8时直流侧故障电流仿真结果。图5b为占空比为0.9时直流侧故障电流仿真结果。图5c为占空比为0.9时直流侧故障电流方向逆时针仿真结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。如图1所示，本专利技术包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间；还包括电力电子开关Q1、Q2、Q3和Q4，所述电力电子开关Q1与Q2的发射极对接，Q3与Q4的集电极对接后与Q1和Q2的发射极连接，其中，电力电子开关Q1的集电极连接第一混合式单向开关电路的一端，Q3的发射极连接第一混合式单向开关电路的另一端；电力电子开关Q2的集电极连接第二混合式单向开关电路的一端，Q4的发射极连接第二混合式单向开关电路的另一端。在本专利技术的某一实施例中，电力电子开关为IGBT组，IGBT组由若干个IGBT依次串联组成；辅助开关采用机械开关、半导体IGBT或IGCT；高温超导采用高温超导材料。如图2所示，混合式单向开关电路包括第一支路和第二支路，其中：第一支路包括机械开关以及与机械开关串联的辅助开关，第二支路包括旁路开关，且第一支路与第二支路并联；旁路开关由若干个IGBT串联组成；旁路开关串入的数目根据电压等级进行相应调整，在图2所示的实施例中，旁路开关由三个IGBT串联而成，在本专利技术的优选实施例中，极线电抗器为大数值电感，电感数值为100mH；所述高温超导材料可直接通过电流，温度或是磁场等方法作为高温超导材料失超媒介间接串入电网线路当中。以直流输电线路极线与中性线发生短路故障为例，做简化如图3所示。图3中，为了简化模型，设直流源输出电压为定值，短路类型为极地短路，并设有短路电阻。传输线为架空线设计，并有等效传输阻抗。本专利技术的故障电流控制器运行过程中，包括以下控制步骤，步骤一，刚出现直流短路时刻，电流流经短路点，此时两个混合式单向开关电路中的机械开关尚处于闭合状态，单向电力电子限流器也未启动，高温超导材料仍处于超导状态，短路电流原本将急剧上升，但因极线电抗器的存在，缓解上升率；步骤二，因为大电流的原因，高温超导材料失超，此时等效于电路串入电阻，使得短路电流上升速度得到减缓，但仍不能阻止上升的趋势，机械开关和单向电力电子开关也此时得到信号，准备将故障电流转移至混合式单向开关电路中的第二支路，即图2中下部支路的IGBT串部分。因此，混合式单向开关电路超导材料之间的作用时间配合起到限流能否成功的关键。步骤三，当混合式单向开关电路(即机械开关与单相固态换流器)收到换流信号后开始换流，具体换流过程从初始状态(即a图)至换流完成(即f图)如图4所示，其中，图4中的a图是电路的总体结构，包括第一支路(即图中的上支路)和第二支路(即图中的下支路)，其中：第一支路包括机械开关以及与机械开关串联的辅助电力电子开关，第二支路包括旁路开关，旁路开关由三个IGBT串连组成，且第一支路与第二支路并联；b-f图描述的是混合单向开关从电网正常运行到断路的过程，其中，灰色代表断路，黑色代表通路，b图中为电网正常运行时，上支路的辅助电力电子开关与机械开关正常导通；c图是当检测到电流过大，出现故障短路情况时，下支路旁路串联电力电子开关导通，为短路电流创造第二条导通支路。d图是上支路电力电子开关关闭，此时故障电流流入下支路，关闭上支路的电力电子开关，此时上支路电力电子开关承受的电压为下支路所有电力电子开关导通压降串联之和。e图为当上支路电力电子开关开路，完成上支路断路。6图为下支路串联电力电子开关也在同一时刻关断，此时完成整个控制器的断路功能。步骤四，当换流完成后，短路电流将进入短路电流控制器全桥电力电子开关部分。对于顺时针短路电流，首先导通IGBTQ1和Q3，短路电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间；还包括电力电子开关Q1、Q2、Q3和Q4，所述电力电子开关Q1与Q2的发射极对接，Q3与Q4的集电极对接后与Q1和Q2的发射极连接，其中，电力电子开关Q1的集电极连接第一混合式单向开关电路的一端，Q3的发射极连接第一混合式单向开关电路的另一端；电力电子开关Q2的集电极连接第二混合式单向开关电路的一端，Q4的发射极连接第二混合式单向开关电路的另一端。

【技术特征摘要】
1.一种电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，包括连接在极线上的第一混合式单向开关电路和连接在中性线上的第二混合式单向开关电路，还包括连接在极线上的极线电抗器和高温超导，所述极线电抗器连接在高温超导与混合式单向开关电路之间；还包括电力电子开关Q1、Q2、Q3和Q4，所述电力电子开关Q1与Q2的发射极对接，Q3与Q4的集电极对接后与Q1和Q2的发射极连接，其中，电力电子开关Q1的集电极连接第一混合式单向开关电路的一端，Q3的发射极连接第一混合式单向开关电路的另一端；电力电子开关Q2的集电极连接第二混合式单向开关电路的一端，Q4的发射极连接第二混合式单向开关电路的另一端。2.根据权利要求1所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，其特征在于，混合式单向开关电路包括第一支路和第二支路，其中：第一支路包括机械开关以及与机械开关串联的辅助开关，第二支路包括旁路开关，且第一支路与第二支路并联。3.根据权利要求2所述的电流双向高压直流输电网用故障电流控制器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卓超然，杨旭，张笑天，张雄，马鑫，黄燕飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61