CN106602531A - 模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路 - Google Patents

模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于换流器故障保护装置范围的一种模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路。该保护电路是通过在模块化多电平换流器每相的上、下桥臂之间设置一条由旁路晶闸管和旁路电阻串联构成的桥臂旁路实现的。正常运行时，旁路晶闸管处于关断状态，桥臂旁路不起作用。发生故障后，在闭锁子模块IGBT的同时使旁路晶闸管导通，桥臂旁路的分流作用不仅能够减小流过子模块器件的故障电流，还能加快交流断路器跳闸后直流侧电流的衰减，从而缩短故障恢复时间，对器件和交流***起到良好的故障保护作用。对于采用直流断路器的***而言，该保护电路能够减小直流侧的故障电流，降低对直流断路器开断电流的要求，提高经济性和可靠性。

Description

模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路
技术领域
本发明属于换流器短路故障的保护装置范围，特别涉及一种模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路。适用于伪双极结构的柔性高压直流输电***直流双极短路故障的情况，以及真双极结构的柔性高压直流输电***直流单极接地故障或双极短路故障的情况。
背景技术
目前，模块化多电平换流器一般采用半桥型子模块，***发生直流短路故障时的保护方式通常是先闭锁子模块IGBT，再利用交流断路器进行跳闸。在这种保护方式下，若要限制流过子模块器件的故障电流，唯一的方法是增大桥臂电感，然而增大电感的值虽然可以减小故障电流，但同时又延长了交流断路器跳闸后直流侧电流衰减的时间，这不仅会增加故障恢复所需的时间，还可能对交流***的稳定性产生严重的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，包括适用于伪双极结构的柔性高压直流输电***直流双极短路故障的情况，以及真双极结构的柔性高压直流输电***直流单极接地故障或双极短路故障的情况；其特征在于，所述桥臂旁路保护电路是通过在模块化多电平换流器的相单元的两个桥臂电感两端并联一个桥臂旁路实现的；即桥臂旁路的一端与上桥臂电感的上端相连，另一端与下桥臂电感的下端相连，使桥臂旁路与上下桥臂电感形成并联关系。其中，模块化多电平换流器的相单元由多个子模块串联后构成桥臂，上下桥臂再各串联一个桥臂电感后构成；桥臂旁路由两个旁路晶闸管反向并联后再与一个旁路电阻串联构成。两个旁路晶闸管反向并联是考虑到换流器有整流和逆变两种工作模式而设置的，以保证桥臂旁路中的电流能够双向流通。
在换流器正常运行状态下，旁路晶闸管处于关断状态，桥臂旁路不起作用，换流器按照常规的方式运行。换流器发生直流短路故障后，在闭锁子模块IGBT的同时使桥臂旁路中的一个旁路晶闸管导通，即导通方向与电感放电的电流方向一致的那个晶闸管开通，另一个仍处于关断状态。由于电感放电的电流方向取决于换流器的工作模式，故两个旁路晶闸管的开断状态也取决于换流器的工作模式：整流模式或逆变模式。此时，桥臂电感不仅通过子模块二极管和直流侧短路点放电，还能够通过桥臂旁路中的旁路晶闸管和旁路电阻放电。因此通过选择旁路电阻的值，能够使电感电流大部分从桥臂旁路流过，大大减小了流过子模块和直流侧的故障电流，从而对子模块器件起到故障保护作用。
***若采用交流断路器，跳闸后交流侧馈入的故障电流被切断，桥臂电感继续通过上述两条路径放电；桥臂旁路的分流作用加快了直流侧故障电流的衰减，从而缩短了故障恢复时间，减少了故障对交流***稳定性造成的不利影响。等故障点的电弧熄灭且周围介质的绝缘恢复之后，交流断路器重新合闸。若重合闸成功，则解锁子模块IGBT，***便可恢复正常运行；若重合闸失败，则进行二次跳闸。由于旁路电阻的存在，桥臂旁路中的电流也逐渐衰减，当电流衰减到旁路晶闸管的维持电流以下时，旁路晶闸管便自行关断了。
***若采用直流断路器，跳闸后直流侧的故障电流被立即切断，一段时间后再进行重合闸操作即可。这种情况下桥臂电感的剩余能量将全部通过桥臂旁路释放，随着旁路电流的衰减，旁路晶闸管可自行关断。由于故障后桥臂旁路起到了分流作用，减小了流过直流侧的故障电流，所以降低了需要直流断路器开断的短路电流，减轻了直流断路器的负担。
本发明的有益效果：在正常运行时，旁路晶闸管处于关断状态，桥臂旁路不起作用，不会对模块化多电平换流器的交流侧或直流侧造成任何影响。在发生故障后，不仅能够减小流过子模块器件的故障电流，还能加快交流断路器跳闸后直流侧电流的衰减，从而缩短故障恢复时间，对器件和交流***起到良好的故障保护作用。对于采用直流断路器的***，保护电路能够减小直流侧的故障电流，有助于减轻直流断路器的负担，降低对直流断路器额定开断电流的要求。本发明采用的旁路晶闸管经济性好，通流能力强，且随着旁路电流的衰减能够自行关断，避免了复杂的关断操作。
附图说明：
图1是适用的故障类型示意图，其中a)是伪双极***直流双极短路故障示意图，b)是真双极***直流单极接地故障和双极短路故障示意图；
图2是带有桥臂旁路保护电路的模块化多电平换流器结构示意图；
图3是单相桥臂电感放电路径示意图；
图4是桥臂旁路晶闸管并联结构示意图；
图5是桥臂旁路晶闸管串联结构示意图。
图中标号代表的部件依次为：1.子模块，2.由多个子模块串联构成的单相桥臂，3.桥臂电感，4.桥臂旁路，4-1.旁路晶闸管，4-2.旁路晶闸管，4-3.旁路电阻，5.交流断路器，6.直流侧线路，7.短路过渡电阻。
具体实施方式
本发明提供一种模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，本发明适用于伪双极结构的柔性高压直流输电***直流双极短路故障的情况，以及真双极结构的柔性高压直流输电***直流单极接地故障或双极短路故障的情况，下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，适用于a)伪双极***直流双极短路故障示意图，b)真双极***直流单极接地故障和双极短路故障示意图；以采用交流断路器的适用于伪双极结构***为例，具体结构如图2所示，图中的换流器由多个子模块1串联后构成桥臂2，上下桥臂2各串联一个桥臂电感3后构成模块化多电平换流器的相单元；桥臂旁路4由4-1旁路晶闸管和4-2旁路晶闸管反向并联后再与旁路电阻4-3串联构成，桥臂旁路4的一端与上桥臂电感3的上端相连，另一端与下桥臂电感3的下端相连，使桥臂旁路4与上下桥臂电感3形成并联关系。***正常运行时，4-1旁路晶闸管和4-2旁路晶闸管均处于关断状态。当直流侧线路6发生双极短路故障后，立即闭锁子模块1内部的IGBT，同时使桥臂旁路4中的一个旁路晶闸管导通：以换流器工作在整流模式为例，触发旁路晶闸管4-1；若换流器工作在逆变模式，则触发旁路晶闸管4-2，即两个旁路晶闸管中只有一个导通，另一个仍处于关断状态。此时，桥臂电感3按照图3所示的放电路径进行放电，在图3中，电感电流一方面通过上下桥臂2中的二极管以及直流侧的短路过渡电阻7形成回路，另一方面通过旁路晶闸管4-1和旁路电阻4-3形成回路。通过选择旁路电阻4-3的值，可以使电感电流大部分从桥臂旁路4流过，从而减小了流过桥臂2的故障电流，避免了器件受到过电流的损坏。
交流断路器5跳闸后，桥臂电感3继续通过图3所示的两条路径放电，桥臂旁路4的分流作用加快了流过短路过渡电阻7的故障电流的衰减，从而缩短了故障恢复时间，加速了***的恢复过程。由于旁路电阻4-3的存在，旁路中的电流也逐渐衰减，当电流衰减到4-1旁路晶闸管的维持电流以下时，4-1旁路晶闸管便自行关断了。
整个故障清除的过程分为以下几个步骤：
1.***正常运行状态下发生直流短路故障；
2.检测到故障后闭锁子模块IGBT，并触发旁路晶闸管4-1(或4-2)；
3.交流断路器5跳闸；
4.直流侧电流逐渐衰减，经过一段时间后交流断路器5重合闸；
5.在步骤4的同时，桥臂旁路4中的电流逐渐衰减，衰减到一定值后4-1(或4-2)旁路晶闸管自行关断；
6.重合闸成功后解锁子模块IGBT，***重新启动；若重合闸失败，则进行二次跳闸。
***若采用直流断路器，只需把上述第3和第4个步骤中的交流断路器换为直流断路器即可，但有一点不同之处在于：步骤3直流断路器跳闸后，步骤4中直流侧故障电流立即被切断，此时桥臂电感的剩余能量将全部通过桥臂旁路释放。
在4-1旁路晶闸管和4-2旁路晶闸管的设置上，为了避免旁路晶闸管承受过电流，可以采用多个晶闸管并联的结构来实现分流(如图4所示)。为了避免旁路晶闸管并联在桥臂电感两侧而承受过电压，可以采用多个晶闸管串联的结构来实现分压(如图5所示)。当把多个晶闸管并联或串联时，应尽量选取性能一致的晶闸管，以保证各个晶闸管分得的电流或电压均等，且能够同时导通或关断。
在旁路电阻4-3的选取上，从保护子模块器件的角度来看，旁路电阻的值越小，流过桥臂旁路4的故障电流越大，流过桥臂2的故障电流就越小，越有利于器件的保护。但是，旁路电阻的取值过小，会导致桥臂旁路中的电流衰减过慢，4-1(或4-2)旁路晶闸管会承受长时间的过电流，有可能因过热而烧坏。所以，应综合考虑这两方面的因素来选取旁路电阻。桥臂旁路分流的电流值正比于短路过渡电阻和旁路电阻的比值，考虑实际工程中最严重的情况，即故障发生在换流器直流出口处，此时短路过渡电阻的值最小(一般在零点几欧姆到几欧姆之间)，则可按最小短路过渡电阻的值来确定旁路电阻的上限值。另一方面，桥臂旁路中电流衰减的时间常数取决于桥臂电感和旁路电阻的比值，桥臂电感的值不同，电流衰减的时间常数也不同，所以旁路电阻的下限值需要与换流器桥臂电感的取值相配合。此外，与旁路晶闸管的设置类似，为避免旁路电阻承受过电流或过电压，也可以采用将多个电阻并联或串联的结构。

Claims (8)

1.模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，包括适用于伪双极结构的柔性高压直流输电***直流双极短路故障以及真双极结构的柔性高压直流输电***直流单极接地故障或双极短路故障的情况；其特征在于：所述的桥臂旁路保护电路是通过在模块化多电平换流器的相单元的两个桥臂电感(3)的两端并联一个桥臂旁路(4)实现的，即桥臂旁路(4)的一端与上桥臂电感(3)的上端相连，另一端与下桥臂电感(3)的下端相连，使桥臂旁路(4)与上下桥臂电感(3)形成并联关系；其中，模块化多电平换流器的相单元由多个子模块(1)串联后构成桥臂(2)，上、下桥臂再各串联一个桥臂电感(3)后构成；桥臂旁路(4)由4-1旁路晶闸管和4-2旁路晶闸管反向并联后再与旁路电阻(4-3)串联构成；所述两个旁路晶闸管反向并联是考虑到换流器有整流和逆变两种工作模式而设置的，以保证桥臂旁路中的电流能够双向流通。
2.根据权利要求1所述模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，其特征在于：所述旁路晶闸管在换流器正常运行状态下处于关断状态，桥臂旁路不起作用，换流器按照常规的方式运行。
3.根据权利要求1所述模块化多电平换流器应对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，其特征在于：所述模块化多电平换流器发生直流短路故障后，在闭锁子模块IGBT的同时使桥臂旁路中的一个旁路晶闸管导通，桥臂电感可通过桥臂旁路和直流侧回路两条路径进行放电；此时，只有导通方向与电感放电的电流方向一致的那个晶闸管开通，另一个旁路晶闸管仍处于关断状态。
4.根据权利要求3所述模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，其特征在于：所述桥臂电感放电的电流方向取决于换流器的工作模式即整流模式或逆变模式，故两个旁路晶闸管的开断状态也取决于换流器的工作模式；桥臂电感不仅通过子模块二极管和直流侧短路点放电，还能够通过桥臂旁路中的旁路晶闸管和旁路电阻放电；因此通过选择旁路电阻的值，可使电感电流大部分从桥臂旁路流过，大大减小了流过桥臂子模块的故障电流，从而对子模块器件起到故障保护作用。
5.根据权利要求3所述模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，其特征在于：柔性直流输电***若采用交流断路器，跳闸后交流侧馈入的故障电流被切断，桥臂电感继续通过桥臂旁路和直流侧回路两条路径放电；桥臂旁路的分流作用加快了直流侧故障电流的衰减，从而缩短了故障恢复时间，减少了故障对交流***稳定性造成的不利影响；等故障点的电弧熄灭且周围介质的绝缘恢复之后，交流断路器重新合闸；若重新合闸成功，则解锁IGBT，***便可恢复正常运行；若重新合闸失败，则进行二次跳闸；由于旁路电阻的存在，桥臂旁路中的电流也逐渐衰减，当电流衰减到旁路晶闸管的维持电流以下时，旁路晶闸管便自行关断。
6.根据权利要求3所述模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，其特征在于：柔性直流输电***若采用直流断路器，跳闸后直流侧的故障电流被立即切断，一段时间后再进行重合闸操作即可；这种情况下桥臂电感的剩余能量将全部通过桥臂旁路释放，随着旁路电流的衰减，旁路晶闸管可自行关断；由于故障后桥臂旁路起到分流作用，减小了流过直流侧的故障电流，所以降低了需要直流断路器开断的短路电流，减轻了直流断路器的负担。
7.根据权利要求1所述模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，其特征在于：所述两个旁路晶闸管反向并联，当避免旁路晶闸管承受过电流时，各自采用多个晶闸管先并联后再反向并联来实现分流；当避免旁路晶闸管并联在桥臂电感两侧而承受过电压时，各自采用多个晶闸管先串联后再反向并联来实现分压。
8.根据权利要求1所述模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路，其特征在于：所述旁路电阻与反向并联后的旁路晶闸管串联，当避免旁路电阻承受过电流时，采用多个电阻并联来实现分流；当避免旁路电阻承受过电压时，采用多个电阻串联来实现分压。
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