CN107248730B - 柔性直流输电***的短路保护电路 - Google Patents
柔性直流输电***的短路保护电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种柔性直流输电***的短路保护电路、***、方法及换流阀级控制器，解决了现有技术中的平波电抗器串联在直流侧，在MMC换流阀闭锁后对该短路电流并不起作用，导致了当柔性直流输电***的直流侧发生双极短路时，由于现有的平波电抗器串联在直流侧，在MMC换流阀闭锁后无法抑制短路电流的上升速度，以及无法降低短路电流的最大值和稳态值，使得换流阀存在安全隐患的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力保护技术领域，尤其涉及一种柔性直流输电***的短路保护电路、***、方法及换流阀级控制器。
背景技术
2001年，德国学者R.Marquardt发明了采用半桥子模块的模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)拓扑结构，该型拓扑的桥臂采用基本子模块级联的形式，避免了大量开关器件直接串联和一致触发等难题。
半桥型MMC的子模块通常采用IGBT等电力电子器件，虽然这些器件可以实现控制开通和关断，但过流能力差，另外，半桥型MMC在直流侧发生短路故障时，除了直流电容等放电外，交流***也会通过换流阀向交流***提供短路电流，因此半桥型MMC本身不具备直流故障清除能力，如果故障电流上升太快会威胁换流阀特别是IGBT等电力电子开关器件的安全。
现有技术中，MMC型柔性直流输电***的平波电抗器方案是直接在直流侧正极和负极各串联一个电抗器，具有阻挡雷电波直接侵入换流站和滤波的作用，虽然能在MMC型柔性直流输电***发生直流短路故障前期短时间内可以发挥一定的抑制短路电流的作用，但当MMC换流阀发生闭锁时，短路电流则是由交流侧提供短路电流，现有技术中的平波电抗器串联在直流侧，对该短路电流并不起作用，导致了当MMC型柔性直流输电***的直流侧发生双极短路时，由于现有的平波电抗器串联在直流侧，在MMC换流阀闭锁后无法抑制短路电流的上升速度，以及无法降低短路电流的最大值和稳态值，使得换流阀存在安全隐患的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种柔性直流输电***的短路保护电路、***、方法及换流阀级控制器，用于解决现有技术中的平波电抗器串联在直流侧，在MMC换流阀闭锁后对该短路电流并不起作用，导致了当MMC型柔性直流输电***的直流侧发生双极短路时，由于现有的平波电抗器串联在直流侧，在MMC换流阀闭锁后无法抑制短路电流的上升速度，以及无法降低短路电流的最大值和稳态值，使得换流阀存在安全隐患的技术问题。
本发明提供的一种柔性直流输电***的短路保护电路，包括：
第一电抗器、第二电抗器、第三电抗器、第一晶闸管和第二晶闸管；
所述第一电抗器的第一端、所述第二电抗器的第一端和所述第三电抗器的第一端分别与柔性直流输电***的模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端连接，所述第一电抗器的第二端、所述第二电抗器的第二端和所述第三电抗器的第二端连接到第一节点；
所述第一晶闸管和所述第二晶闸管按照预设连接方法与所述桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端连接；
其中，所述预设连接方法为：所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端和第二相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端和第三相输出端之间；
或，所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第二相输出端和第三相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第二相输出端和第一相输出端之间；
或，所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第三相输出端和第一相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第三相输出端和第二相输出端之间。
优选地，所述第一电抗器、所述第二电抗器和所述第三电抗器的电抗值相等。
优选地，所述第一节点与直流线路连接。
优选地，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管为双向晶闸管。
本发明提供的一种用于控制本发明提及的任意一项所述的柔性直流输电***的短路保护电路的换流阀级控制器；
所述换流阀级控制器分别与第一晶闸管的控制端和第二晶闸管的控制端连接，用于控制所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的开断。
本发明提供的一种用于保护柔性直流输电***的短路保护***，包括本发明提及的一种柔性直流输电***的短路保护电路和本发明提及的一种换流阀级控制器。
优选地，所述换流阀级控制器包括：
第一控制模块，用于持续给第一晶闸管和第二晶闸管发送触发脉冲；
第一触发模块，用于根据获取到的柔性直流输电***是否发生双极短路故障的第一判断结果进行对应触发操作，若所述第一判断结果为柔性直流输电***是发生双极短路故障，则触发第二控制模块，若否，则再次触发第一控制模块；
第二控制模块，用于停止给所述第一晶闸管和所述第二晶闸管发送触发脉冲。
优选地，所述换流阀级控制器还包括：
第二触发模块，用于根据获取到的柔性直流输电***双极短路故障是否清除的第二判断结果进行对应触发操作，若所述第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障清除，则触发第一控制模块，若所述第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障未清除，则执行第二控制模块。
本发明提供的一种柔性直流输电***的短路保护方法，包括：
S1：持续给第一晶闸管和第二晶闸管发送触发脉冲信号；
S2：根据获取到的柔性直流输电***是否发生双极短路故障的第一判断结果进行对应触发操作，若所述第一判断结果为柔性直流输电***是发生双极短路故障，则执行步骤S3，若否，则返回执行步骤S1；
S3：停止给所述第一晶闸管和所述第二晶闸管发送触发脉冲。
优选地，所述步骤S3之后还包括：
S4：根据获取到的柔性直流输电***双极短路故障是否清除的第二判断结果进行对应触发操作；
若所述第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障未清除，则返回执行步骤S3；
若所述第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障清除，则返回执行步骤S1。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种柔性直流输电***的短路保护电路，包括：第一电抗器、第二电抗器、第三电抗器、第一晶闸管和第二晶闸管；所述第一电抗器的第一端、所述第二电抗器的第一端和所述第三电抗器的第一端分别与柔性直流输电***的模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端连接，所述第一电抗器的第二端、所述第二电抗器的第二端和所述第三电抗器的第二端连接到第一节点；所述第一晶闸管和所述第二晶闸管按照预设连接方法与所述桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端连接；其中，所述预设连接方法为：所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端和第二相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端和第三相输出端之间；或，所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第二相输出端和第三相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第二相输出端和第一相输出端之间；或，所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第三相输出端和第一相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第三相输出端和第二相输出端之间。本发明中当发生双极短路时，第一晶闸管和第二晶闸管关断，使得第一电抗器、第二电抗器和第三电抗器分别串联在模块化多电平换流器一侧桥臂上，相当于三个电抗器接到交流侧，可以抑制短路电流的上升速度、降低短路电流的最大值和稳态值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种柔性直流输电***的短路保护电路的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的一种柔性直流输电***的短路保护电路的一个实施例的拓扑示意图；
图3为本发明提供的一种用于保护柔性直流输电***的短路保护***的一个实施例的结构示意图；
图4为本发明提供的一种用于保护柔性直流输电***的短路保护***的另一个实施例的结构示意图；
图5为本发明提供的一种柔性直流输电***的短路保护方法的一个实施例的流程示意图；
其中，附图标记如下：
L1、第一电抗器；L2、第二电抗器；L3、第三电抗器；1、第一晶闸管；2、第二晶闸管；3、换流阀级控制器；4、第一控制模块；5、第一触发模块；6、第二控制模块；7、第二触发模块。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种柔性直流输电***的短路保护电路、***、装置、方法及换流阀级控制器，用于解决现有的平波电抗器串联在直流侧，在MMC换流阀闭锁后无法抑制短路电流的上升速度，以及无法降低短路电流的最大值和稳态值，使得换流阀存在安全隐患的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当的情况下可以互换。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种柔性直流输电***的短路保护电路，包括：
第一电抗器L1、第二电抗器L2、第三电抗器L3、第一晶闸管1和第二晶闸管2；
需要说明的是，为了使得电路能够对柔性直流输电***短路故障时快速切断故障，电路的第一晶闸管1和第二晶闸管2为关断时间在个位数毫秒级，且具有一定开断短路电流的开关。
需要说明的是，第一电抗器L1、第二电抗器L2和第三电抗器L3的电抗值越大，对于短路电流的抑制效果越明显。
第一电抗器L1的第一端、第二电抗器L2的第一端和第三电抗器L3的第一端分别与柔性直流输电***的模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端连接，第一电抗器L1的第二端、第二电抗器L2的第二端和第三电抗器L3的第二端连接到第一节点；
需要说明的是，MMC一共拥有6个桥臂，每个桥臂都是由多个子模块(Sub-Module，SM)和1个桥臂电抗器串联而成，MMC能够实现交流与直流之电能转换，基于MMC结构的柔性直流输电换流器拓扑结构包括1个联接变压器、包括有6个桥臂的两侧桥臂(每个桥臂由多个子模块和一个桥臂电抗器串联)，本发明实施例中的第一电抗器L1、第二电抗器L2和第三电抗器L3是接在一侧桥臂(包括3个桥臂)的输出端上的。
第一晶闸管1和第二晶闸管2按照预设连接方法与桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端连接；
其中，预设连接方法为：第一晶闸管1连接在模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端和第二相输出端之间，第二晶闸管2连接在模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端和第三相输出端之间；
或，第一晶闸管1连接在模块化多电平换流器一侧桥臂的第二相输出端和第三相输出端之间，第二晶闸管2连接在模块化多电平换流器一侧桥臂的第二相输出端和第一相输出端之间；
或，第一晶闸管1连接在模块化多电平换流器一侧桥臂的第三相输出端和第一相输出端之间，第二晶闸管2连接在模块化多电平换流器一侧桥臂的第三相输出端和第二相输出端之间。
需要说明的是，第一晶闸管1和第二晶闸管2分别接在三相输出端的(A端与B端、A端与C端)(B端与A端、B端与C端)(C端与A端、C端与B端)之间，其中，A端、B端、C端分别指模块化多电平换流器一侧桥臂的A相输出、B相输出、C相输出(分别对应模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端)，实际实施中可按照具体需求去设置，这里不做限定。
以上是对柔性直流输电***的短路保护电路进行的描述，下面将对用于控制发明实施例提及的任意一项柔性直流输电***的短路保护电路的换流阀级控制器3进行详细的描述。
本发明实施例提供的一种换流阀级控制器3，换流阀级控制器3分别与第一晶闸管1的控制端和第二晶闸管2的控制端连接，用于控制第一晶闸管1和第二晶闸管2的开通、关断。
需要说明的是，柔性直流输电***的控制器可以分为：***-换流站级控制、换流器级控制和换流阀级控制，其中换流阀级控制器3的功能包括向IGBT、晶闸管等电力电子功率器件的驱动电路发送控制指令，由驱动电路来触发IGBT和晶闸管的开通、关断。
参照图3和图4，本发明实施例提供的一种用于保护柔性直流输电***的短路保护***，包括：
如图1、图2实施例中提及的一种柔性直流输电***的短路保护电路，以及发明实施例中提及的换流阀级控制器3。
进一步的，换流阀级控制器3包括：
第一控制模块4，用于持续给第一晶闸管1和第二晶闸管2发送触发脉冲；
第一触发模块5，用于根据获取到的柔性直流输电***是否发生双极短路故障的第一判断结果进行对应触发操作，若第一判断结果为柔性直流输电***是发生双极短路故障，则触发第二控制模块6，若否，则再次触发第一控制模块4；
第二控制模块6，用于停止给第一晶闸管1和第二晶闸管2发送触发脉冲；
第二触发模块7，用于根据获取到的柔性直流输电***双极短路故障是否清除的第二判断结果进行对应触发操作，若第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障清除，则触发第一控制模块4，若第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障未清除，则执行第二控制模块6。
以上是对一种用于保护柔性直流输电***的短路保护***进行的描述，下面将对基于图3和图4实施例提及的柔性直流输电***的短路保护电路的柔性直流输电***的短路保护方法进行详细的描述。
参照图5，本发明实施例提供的一种基于图1和图2提及的用于保护柔性直流输电***的短路保护***的一种柔性直流输电***的短路保护方法，包括：
S501：持续给第一晶闸管1和第二晶闸管2发送触发脉冲信号；
S502：根据获取到的柔性直流输电***是否发生双极短路故障的第一判断结果进行对应触发操作，若第一判断结果为柔性直流输电***是发生双极短路故障，则执行步骤S503，若否，则返回执行步骤S501；
S503：停止给第一晶闸管1和第二晶闸管2发送触发脉冲；
S504：根据获取到的柔性直流输电***双极短路故障是否清除的第二判断结果进行对应触发操作；
若第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障未清除，则返回执行步骤S503；
若第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障清除，则返回执行步骤S501。
需要说明的是，当判断柔性直流输电***双极短路故障已经清除后，控制第一晶闸管1和第二晶闸管2导通，使得柔性直流输电***的短路保护电路进入正常工作状态。
需要说明的是，SM由两个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)、两个与IGBT反并联的二极管和一个直流电容器组成的半桥型电路，当柔性直流输电***的直流侧发生双极短路时，柔性直流输电***的控制器会控制所有SM的IGBT都处于截止状态(MMC换流器闭锁状态)，此时电流完全从二极管上流过。
柔性直流输电***正常工作时，第一晶闸管1和第二晶闸管2导通，第一电抗器L1、第二电抗器L2和第三电抗器L3并联后串接在直流侧，此时保护电路与传统平波电抗器的作用相同，可以起到阻挡雷电波直接侵入换流站和滤波的作用；当柔性直流输电***发生双极短路时，第一晶闸管1和第二晶闸管2关断，第一电抗器L1、第二电抗器L2和第三电抗器L3分别和模块化多电平换流器的三个桥臂连接，相当于三个电抗器接到了交流侧，可以抑制短路电流的上升速度、降低短路电流的最大值和稳态值。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，***和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种柔性直流输电***的短路保护电路，其特点在于，包括：
第一电抗器、第二电抗器、第三电抗器、第一晶闸管和第二晶闸管；
所述第一电抗器的第一端、所述第二电抗器的第一端和所述第三电抗器的第一端分别与柔性直流输电***的模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端连接，所述第一电抗器的第二端、所述第二电抗器的第二端和所述第三电抗器的第二端连接到第一节点；
所述第一晶闸管和所述第二晶闸管按照预设连接方法与所述桥臂的第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端连接；
其中，所述预设连接方法为：所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端和第二相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第一相输出端和第三相输出端之间；
或，所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第二相输出端和第三相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第二相输出端和第一相输出端之间；
或，所述第一晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第三相输出端和第一相输出端之间，所述第二晶闸管连接在所述模块化多电平换流器一侧桥臂的第三相输出端和第二相输出端之间。
2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电***的短路保护电路，其特征在于，所述第一电抗器、所述第二电抗器和所述第三电抗器的电抗值相等。
3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电***的短路保护电路，其特征在于，所述第一节点与直流线路连接。
4.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电***的短路保护电路，其特征在于，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管为双向晶闸管。
5.一种用于控制权利要求1至4中任意一项所述的柔性直流输电***的短路保护电路的换流阀级控制器，其特征在于，所述换流阀级控制器分别与第一晶闸管的控制端和第二晶闸管的控制端连接，用于控制所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的开断。
6.一种用于保护柔性直流输电***的短路保护***，其特征在于，包括权利要求1至4中任意一项所述的柔性直流输电***的短路保护电路和权利要求5所述的换流阀级控制器。
7.根据权利要求6所述的一种用于保护柔性直流输电***的短路保护***，其特征在于，所述换流阀级控制器包括：
第一控制模块，用于持续给第一晶闸管和第二晶闸管发送触发脉冲；
第一触发模块，用于根据获取到的柔性直流输电***是否发生双极短路故障的第一判断结果进行对应触发操作，若所述第一判断结果为柔性直流输电***是发生双极短路故障，则触发第二控制模块，若否，则再次触发第一控制模块；
第二控制模块，用于停止给所述第一晶闸管和所述第二晶闸管发送触发脉冲。
8.根据权利要求7所述的一种用于保护柔性直流输电***的短路保护***，其特征在于，所述换流阀级控制器还包括：
第二触发模块，用于根据获取到的柔性直流输电***双极短路故障是否清除的第二判断结果进行对应触发操作，若所述第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障清除，则触发第一控制模块，若所述第二判断结果为柔性直流输电***双极短路故障未清除，则执行第二控制模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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