[發明專利]一種改進的自適應限流直流固態斷路器及其控制方法

有效

• 申請號: 202110025643.1
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN113162000B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發明（設計）人: 李斌;呂慧婕;何佳偉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02H7/26
• 分類號: H02H7/26;H02H3/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明公開了一種改進的自適應限流直流固態斷路器及其控制方法，該結構包括橋臂一至橋臂四及其所構成的H橋電路，所述橋臂一、所述橋臂三構成的串聯支路與所述橋臂二、所述橋臂四構成的串聯支路并聯；針對自適應限流直流固態斷路器的控制方法包括初始化、檢測到故障信號時、收到跳閘信號后、故障消失或被處理后；當i_L接近i_dc時，同時導通橋臂一和橋臂二的主支路，然后導通負荷支路，最后斷開主支路，固態斷路器完全恢復，為下次故障做好準備。與現有技術相比，本發明用于多端柔性直流電網，尤其是電壓等級較低的直流配電、直流微電網；正常運行時可大大降低通態損耗；發生直流故障以后可快速恢復至正常運行狀態，保證對二次故障的處理能力。

技術領域

本發明涉及直流輸/配/微電網領域，特別涉及一種改進的自適應限流直流固態斷路器及.針對斷路器拓撲結構的控制策略。

背景技術

直流系統控制靈活性高、供電密度大、電能質量好、相比交流線路損耗小、不需要無功補償設備，并且適合各類電源和負載接入，使得其在配電網領域具有廣泛的應用前景。電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)以及模塊化多電平換流器(modularmulti-level converter，MMC)技術的快速發展，使得直流配電網的工程應用得以推廣。然而，直流配電網故障阻尼小、傳播速度快、危害大，對直流故障的有效應對與處理提出了極為苛刻的要求。直流故障后，為了確保直流系統健全網絡的可靠故障穿越，要求快速檢測、識別并切除故障線路。目前，根據不同的工作原理，直流斷路器主要分為三類：機械斷路器、固態斷路器和混合斷路器。機械式斷路器成本低、運行損耗小，但是其動作速度仍有待提高。固態斷路器和混合式斷路器由于其較高的運行速度，更適用于直流系統。而且，在電壓等級相對較低的直流配電網中，固態斷路器由于動作速度快、控制策略簡單，因此具有較好應用前景。

為實現有選擇地切除故障線路，在隔離故障之前，需要保護準確地確定故障線路，因此僅靠斷路器本身快速跳閘難以滿足工程實際需求。目前直流保護最快動作速度為2～3ms，而此時的故障電流早已超過電力電子器件所能耐受的最大穩態電流，導致換流站閉鎖。由此看來，直流故障選擇性切除速度遠無法匹配直流故障發展速度。有效的直流故障限流技術能夠限制故障電流的快速上升，降低對保護和故障隔離動作速度的要求，被認為是直流系統安全可靠運行的核心關鍵技術。

直接安裝直流電抗器是限制直流配單網直流故障電流的有效途徑之一，且安裝的電抗器越大，故障限流效果越好。但隨著電抗值的增大，建設成本大大增加，系統動態特性變差，故障電流的衰減速度下降。目前，已有的直流故障限流器有超導限流器和基于電力電子器件的限流器兩類。其中，混合式固態限流器能夠結合電力電子器件和機械開關的優勢，成功解決限流電感抑制故障電流衰減問題。

美國發明專利US5999388公開的固態電路拓撲除了能實現故障斷流，同樣可實現故障限流功能，但是需要對可控開關器件進行高頻的開關控制，對設備使用壽命是極為不利的。而且，其限流特性主要呈阻性限流，事實上，在直流故障初期故障電流快速上升階段阻性限流對電流上升率的限制效果并不理想。因此，目前直流系統中更傾向于在線路兩端安裝直流電抗器，在直流故障以后利用電抗器限制故障電流的快速上升和直流電壓的快速跌落，延緩故障發展速度，以降低對保護和直流斷路器的動作速度要求。但是，在直流電網中直接安裝大量的電抗器對系統暫態響應特性、穩定性等方面是極為不利的；而且電抗器續電流的存在，也會導致斷路器故障斷流時間大大增加，從而降低斷路器的故障隔離速度，不利于故障的快速切除和剩余網絡的快速恢復。因此，如何在限流的同時，避免其對系統造成的不利影響，并實現與斷流功能之間的協調匹配成為柔性直流系統直流故障處理的關鍵課題。