一种基于双耦合电感的串联型混合断路器

1.本发明涉及电力设备技术领域，具体的说是一种基于双耦合电感的串联型混合断路器， 适用于直流电力系统的故障保护。


背景技术：

2.近年来，随着新能源技术的大规模应用，直流电力系统受到广泛关注。然而，目前直流 电力系统的故障保护存在极大挑战，如线路阻抗小，故障电流上升过快；电流缺乏自然过零 点，常规交流断路器难以适用等。直流断路器是直流系统故障保护的关键设备，对直流系统 的稳定可靠具有极其重要的作用。
3.故障响应速度与通态损耗是评价直流断路器性能的两个关键指标。目前的机械式直流断 路器故障响应速度慢；固态直流断路器通态损耗高；混合式直流断路器结合了机械断路器和 固态断路器的优点，但其故障响应速度仍受限于机械开关的开关速度；改进型的混合直流断 路器在主支路中添加一个换流开关(功率器件)与机械开关串联，大幅提升了故障响应速度， 但是换流开关的通态损耗不可忽视。
4.为了解决直流断路器快响应速度与低通态损耗的矛盾，研究学者提出了串联型混合断路 器，其主支路不含功率器件，仅由耦合电感的绕组与机械开关导通电流，具有极低的通态损 耗；耦合电感产生感应电压使故障电流快速下降至零，无能量吸收支路，具有超快故障响应； 通过电压注入电路控制耦合电感的感应电压使故障电流维持近似为零的模态，机械开关可零 电流断开。
5.串联型混合断路器正常运行的关键是耦合电感的两电平注入电压，而其依赖于电压注入 电路中两个不同电压等级的预充电电容。文献《hvdc circuit breakers combining mechanicalswitches and a multilevel pwm converter:verifification by downscaled models》提出了不可控 整流单元向储能电容充电的方法，具有结构简单、成本低、效率高等优点，但是预充电电压 存在调节困难，且易受到交流电网的波动的干扰。
6.现有技术cn110277921b，一种动态无线充电系统效率优化方法提出了无线充电装置具 有充电速度快、高隔离电压、输出电压恒定等优点，能快速的完成储能电容的预充电，然而 额外的充电装置将导致的断路器的成本与控制复杂性剧增。因此，串联型混合断路器的储能 电容缺乏简单可靠的充电方案。
7.直流断路器的自适应重合闸控制策略对直流系统的可靠性与灵活性极为重要。文献《anadaptive reclosing scheme for mmc-hvdc systems based on pulse injection from parallelenergy absorption module》通过在断路器的能量吸收回路中添加igbt，控制igbt注入电压 脉冲，并结合行波分析法，实现自适应重合闸。文献《novel reclosing strategy based on transientoperating voltage in pseudobipolar dc system with mechanical dccb》基于对系统瞬时工作电 压或残余电压的分析，进行故障识别，提出了相应的重合闸控制策略。然而，这些方法需要 添加辅助电路或者检测信号，将导致断路器的成本增加。目前，串联型混合断路器的自适应 重合闸策略尚缺乏深入研究。
8.所以，简化储能电容的预充电电路与实现自适应重合闸是串联型混合断路器亟待解决的 问题。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本发明提供一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，解决现有技术 中储能电容的预充电与自适应重合闸功能导致直流断路器成本与控制复杂性剧增的问题，适用 于直流电力系统的故障保护。
10.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
11.一种基于双耦合电感的串联型混合断路器，包括主支路模块、电压注入电路模块与充电电 路模块；所述主支路模块不包含功率器件用以实现低通态损耗，所述电压注入电路模块用于在 发生短路故障时产生注入电压，以实现加快故障中断速度，所述充电电路模块用于为储能电容 充电。
12.进一步地，所述主支路模块包括机械开关、限流电感、高匝比耦合电感二次绕组与低匝比 耦合电感二次绕组；
13.所述电压注入电路模块包括储能电容、第一全控型功率器件、第二全控型功率器件、第一 续流二极管、第二续流二极管、高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组；
14.所述充电电路模块包括机械开关、第一限流电阻和第二限流电阻与普通二极管。
15.进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器在发生断短路故障时，有以下工作模态：
16.模态ⅰ：主支路模块的机械开关闭合，导通路径中仅包括机械开关、限流电感与耦合电感 二次绕组，不含任何功率器件；
17.模态ⅱ：发生短路故障后，主支路模块的电流快速增加；
18.模态ⅲ：当主支路模块的电流达到断路器的动作阈值，电压注入电路模块开启，第一全 控型功率器件和第二全控型功率器件导通，高匝比耦合电感二次绕组的电压和低匝比耦合电感 二次绕组的电压之和大于直流母线电压，迫使主支路模块的电流快速下降；
19.模态ⅳ：第一全控型功率器件关断，第二全控型功率器件导通，低匝比耦合电感一次绕组 与第一续流二极管构成续流回路；高匝比耦合电感二次绕组的电压与低匝比耦合电感二次绕组 的电压之和小于直流母线电压，故障电流增加；断路器在模态ⅲ与模态ⅳ之间高频切换，以实 现主支路模块电流为高频交流纹波状态；
20.模态v：主支路模块的机械开关断开，第一全控型功率器件和第二全控型功率器件导通， 以抑制主支路模块中机械开关开启过程的电弧；
21.模态ⅵ：第一全控型功率器件和第二全控型功率器件关断，主支路模块的机械开关承受 直流母线电压，高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组储存的能量耗散在高匝比 耦合电感一次绕组、低匝比耦合电感一次绕组、第一续流二极管和第二续流二极管的内阻上。
22.更进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器为避免出现电压注入电路模块失效的异 常工作模态，其高匝比耦合电感一次绕组与低匝比耦合电感一次绕组的电压需满足以下关系：
[0023][0024]
其中，u
11
、u
21
分别为低匝比耦合电感一次绕组侧电压、高匝比耦合电感一次绕组侧电 压，uc为储能电容的预充电电压。
[0025]
进一步地，所述基于双耦合电感的串联型混合断路器的储能电容为直流母线取电。
[0026]
更进一步地，所述充电电路模块的机械开关闭合，通过第一限流电阻、第二限流电阻与 普通二极管对储能电容充电，充满电后，充电电路模块的机械开关断开。
[0027]
更进一步地，所述储能电容电压
[0028]
故障电流
[0029]
其中，r1为第一限流电阻，r2为第二限流电阻，uc为储能电容的预充电电压，u
dc
直流 母线电压。
[0030]
进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器系统中短路故障为永久故障，模态ⅳ中的 主支路模块电流的上升率或下降率不变。
[0031]
更进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器系统中短路故障为非永久故障，主支路 模块电流的上升率变化值与下降率变化值满足以下关系：
[0032][0033]
其中，δi2为模态ⅳ的电流纹波，r
l
为负载电阻，l3为限流电感，l
′4为短路故障点至断路 器安装位置的寄生电感。
[0034]
进一步地，通过主支路模块电流的上升率变化值与下降率变化值用于识 别系统短路故障的性质。
[0035]
更进一步地，基于双耦合电感的串联型混合断路器收到合闸指令，立即进入交流纹波模 态进行短路故障识别，若无短路故障，关闭电压注入电路模块，断路器切换至导通状态，否 则恢复至断开状态。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0037]
(1)本发明通过高匝比和低匝比两个不同匝比的耦合电感产生两电平注入电压，减少了 储能电容的数量。
[0038]
(2)本发明提出了从直流母线取电的储能电容充电方案，无需额外的充电装置，进一步 简化了储能电容的充电，降低了断路器的成本及控制的复杂性。
[0039]
(3)本发明无需添加额外的元件或者检测信号，通过分析δdi
2_ⅲ/dt或δdi
2_ⅳ/dt识别直 流系统中短路故障的性质，实现了自适应重合闸，提升了直流系统的可靠性。
附图说明
[0040]
图1是本发明的拓扑结构图；
[0041]
图2是本发明中断短路故障时的关键波形图；
[0042]
图3a是本发明中断短路故障时的工作模态ⅰ(其中灰色部分为未导通电路)；
[0043]
图3b是本发明中断短路故障时的工作模态ⅱ(其中灰色部分为未导通电路)；
[0044]
图3c是本发明中断短路故障时的工作模态ⅲ(其中灰色部分为未导通电路)；
[0045]
图3d是本发明中断短路故障时的工作模态ⅳ(其中灰色部分为未导通电路)；
[0046]
图3e是本发明中断短路故障时的工作模态
ⅴ
(其中灰色部分为未导通电路)；
[0047]
图3f是本发明中断短路故障时的工作模态ⅵ(其中灰色部分为未导通电路)；
[0048]
图4a是本发明的异常工作模态ⅲ(其中灰色部分为未导通电路)；
[0049]
图4b是本发明的异常工作模态ⅳ(其中灰色部分为未导通电路)；
[0050]
图5是本发明的储能电容充电方案示意图(其中灰色部分为未导通电路)；
[0051]
图6是本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不 是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明的保护范围。需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、
ꢀ“
竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于 描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定 的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0053]
如图1所示为本发明的拓扑结构图，本发明包括主支路模块1、电压注入电路模块2与 充电电路模块3。主支路模块1包括机械开关s1、限流电感l3、高匝比耦合电感二次绕组l
22
与 低匝比耦合电感二次绕组l
12
。电压注入电路模块2包括储能电容c、第一全控型功率器件q1、 第二全控型功率器件q2、第一续流二极管d1、第二续流二极管d2、高匝比耦合电感一次绕组 l
21
与低匝比耦合电感一次绕组l
11
。充电电路模块3包括机械开关s2、第一限流电阻r1、第 二限流电阻r2与普通二极管d3。其中，t1为低匝比耦合电感，t2为高匝比耦合电感，u
11
为t1的 一次绕组电压、u
21
为t2的一次绕组电压，u
12
为t1的二次绕组电压、u
22
为t2二次绕组电压，i
11
为t1的一次绕组电流、i
12
为t2一次绕组电流，i2为主支路模块1的电流，uc为储能电容c的 预充电电压。
[0054]
如图2、如图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f所示为本发明中断短路故障时的关 键波形图，如图4a、图4b所示为本发明中断短路故障时的工作模态。其中，l4为正常运行 时线路的寄生电感，l
′4为短路故障点至断路器的寄生电感，u
dc
为直流电源，r
l
为负载；在发 生断短路故障时，本发明有以下工作模态：
[0055]
如图3a，模态ⅰ(t0时刻前)：机械开关s1闭合，第一全控型功率器件q1、 第二全控型功率器件q2断开，导通路径中仅有低匝比耦合电感二次绕组l
12
、高 匝比耦合电感二次绕组l
22
、限流电感l3、正常运行时线路的寄生电感l4、机械 开关s1，不含第一全控型功率器件q1和第二全控型功率器件q2，具有低通态损耗。
[0056]
如图3b，模态ⅱ(t0≤t＜t1)：t0时刻发生短路故障，主支路模块1的电流i2快 速增加。
[0057]
如图3c，模态ⅲ(t1≤t＜t2)：t1时刻主支路模块1的电流i2达到断路器的 动作阈值i
th
，电压注入电路模块2开启，第一全控型功率器件q1与第二全控型 功率器件q2导通，u
11
＝u
21
＝uc，n1uc n2uc》u
dc
，迫使主支路模块1的电流i2快 速下降。
[0058]
如图3d，模态ⅳ(t2≤t＜t3)：t2时刻主支路模块1的电流i2下降至0，第二 全控型功率器件q2导通，第一全控型功率器件q1关断，低匝比耦合电感一次绕 组l
11
与第一续流二极管d1构成续流回路，u
11
＝0，u
21
＝uc，n2uc《u
dc
，主支路
[0059]
如图3e，模态v(t3≤t＜t4)：t3时刻，机械开关s1断开，第一全控型功率 器件q1与第二全控型功率器件q2导通，机械开关s1承 受反向电压，随着储能电容的放电，u
s1
将进一步下降。
[0060]
如图3f，模态ⅵ(t4时刻后)：t4时刻，第一全控型功率器件q1与第二全控 型功率器件q2关断，机械开关s1承受系统电压，高匝比耦合电感二次绕组l
22
与 低匝比耦合电感二次绕组l
12
储存的能量耗散在高匝比耦合电感二次绕组l
22
与 低匝比耦合电感二次绕组l
12
的内阻与第一续流二极管d1和第二续流二极管d2的 内阻上。
[0061]
如图4a、图4b所示为本发明的异常工作模态，第一全控型功率器件q1与第二全控型功 率器件q2的反并联二极管导通，第一全控型功率器件q1与第二全控型功率器件q2失去对t1的 一次绕组电流i
11
和t2一次绕组电流i
12
的控制，电压注入电路模块2失效；为避免出现该异常 工作模态，本发明的t1的一次绕组电压u
11
、t2的一次绕组电压u
21
需满足以下关系：
[0062][0063]
如图5所示为本发明的c的充电方案，机械开关s2闭合，直流母线通过第一限流电阻r1、 第二限流电阻r2与普通二极管d3对储能电容c充电，充至后，故障电流 在中低电压应用中，可取第二限流电阻r2＝∞，以简化充电电路；值得注 意的是，储能电容c的预充电电压uc将跟随直流母线电压u
dc
的变化而变化，在直流母线电 压出现较大波动时，本发明仍能可靠运行。
[0064]
本发明可识别系统是否存在短路故障，无需添加额外的元件或检测信号，原理如下：
[0065]
主支路模块1中各元件的电压满足以下方程：
[0066][0067]
其中，为r
l
的电压。
[0068]
低匝比耦合电感t1、高匝比耦合电感t2的电压电流的关系满足以下关系：
[0069][0070]
[0071]
其中，m1、m2分别为低匝比耦合电感t1和高匝比耦合电感t2的互感。
[0072]
为简化分析，假定低匝比耦合电感t1、高匝比耦合电感t2为全耦合电感，它们的二次侧 与一次侧的匝比分别定义为n1与n2，低匝比耦合电感t1和高匝比耦合电感t2的互感m1、m2分 别满足以下关系：
[0073][0074]
联立上式可得断路器关键工作模态主支路模块1的电流i2，t1的一次绕组电流i
11
， t2一次绕组电流i
12
的变化率，若系统中存在短路故障，交流纹波模态中主支路模块1的电流i2的上升率或下降率不变，系统中无短路故障，交流纹波模态中主支路模块1的电流i2的上升 率变化值与下降率变化值满足以下关系：
[0075][0076]
其中，δi2为交流纹波模态的电流纹波。
[0077]
因此，分析上升率变化值或者下降率变化值即可识别直流系统短路故障 的性质(永久故障与非永久故障)。
[0078]
如图6所示为本发明的控制方法流程，其故障中断过程不再赘述，本发明的自适应重合 闸控制策略为断路器收到合闸指令，先进入交流纹波模态进行短路故障识别，若无短路故障， 关闭电压注入电路模块2，断路器切换至导通状态，否则恢复至断开状态。
[0079]
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行 了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同 替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。