本發(fā)明涉及一種適用于混合式高壓直流斷路器雙向并聯(lián)負(fù)載換流開關(guān)(load commutation switch，LCS)的緩沖電路，屬于高壓直流輸電領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于電力電子技術(shù)的柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)以其功率控制靈活、無(wú)換相失敗等優(yōu)點(diǎn)在大電網(wǎng)互聯(lián)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功率傳輸方面已取得蓬勃發(fā)展，同時(shí)柔性直流輸電也為隨機(jī)性較強(qiáng)的太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)展迅猛的新能源并網(wǎng)和消納提供了解決方案。高壓直流斷路器作為直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)也是直流電網(wǎng)運(yùn)行、控制、保護(hù)的基礎(chǔ)。混合式高壓直流斷路器因其具有可靠性高、動(dòng)作迅速、損耗低等特點(diǎn)，在高壓直流系統(tǒng)中最具實(shí)用性。

混合式高壓直流斷路器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其載流支路通常由LCS和超快速機(jī)械開關(guān)(ultrafast disconnector，UFD)串聯(lián)組成。LCS作為混合式高壓直流斷路器正常載流和故障換流的關(guān)鍵元件，其結(jié)構(gòu)可分為雙向串聯(lián)和雙向并聯(lián)等兩種類型。雙向并聯(lián)的LCS結(jié)構(gòu)相比于雙向串聯(lián)的LCS結(jié)構(gòu)，可以降低混合式高壓直流斷路器的通態(tài)損耗。故本發(fā)明基于混合式高壓直流斷路器雙向并聯(lián)的LCS結(jié)構(gòu)展開進(jìn)一步討論。

在實(shí)際工程中，混合式高壓直流斷路器合閘，應(yīng)先閉合UFD機(jī)械觸頭，使LCS導(dǎo)通前有一定的正向壓降，以保證LCS能正常觸發(fā)導(dǎo)通；混合式高壓直流斷路器分閘，應(yīng)先觸發(fā)LCS開斷，以保證固態(tài)主開關(guān)(main breaker，MB)能正常觸發(fā)導(dǎo)通。這都會(huì)導(dǎo)致LCS中的IGBT承受很大的電壓變化率，因此LCS兩端必須配置降低電壓變化率的緩沖電路，以保證LCS正常工作。

目前LCS的緩沖電路主要有RCD(電阻、電容、二極管)緩沖電路和基于RCD的改進(jìn)緩沖電路。RCD電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在混合式高壓直流斷路器分閘過(guò)程中，載流支路向固態(tài)主開關(guān)支路換流時(shí)，緩沖電容會(huì)經(jīng)UFD放電，導(dǎo)致UFD分?jǐn)嚯娏髟黾?，UFD觸頭分離時(shí)間變長(zhǎng)，降低了混合式高壓直流斷路器的速動(dòng)性；基于RCD的改進(jìn)緩沖電路，去掉了緩沖電容經(jīng)UFD的放電支路，但卻導(dǎo)致混合式高壓直流斷路器分閘結(jié)束后，緩沖電容上剩余電壓較高，降低了混合式高壓直流斷路器短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次分合閘動(dòng)作的可靠性。因此，針對(duì)雙向并聯(lián)LCS，需要研究性能更優(yōu)的緩沖電路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種適用于混合式高壓直流斷路器雙向并聯(lián)LCS的緩沖電路，其通過(guò)串聯(lián)在緩沖電容與UFD之間的二極管D3p、D3n，阻斷了緩沖電容C1p、C1n經(jīng)UFD放電，提高了斷路器的速動(dòng)性；通過(guò)絕緣柵雙極型晶體管T1p、T1n分別與小電阻R1p、R1n相連，為緩沖電容C1p、C1n形成了阻值可控變化的并聯(lián)放電支路，降低了混合式高壓直流斷路器分閘動(dòng)作結(jié)束后緩沖電容上剩余電壓，提高了斷路器短時(shí)間多次動(dòng)作的可靠性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種適用于混合式高壓直流斷路器雙向并聯(lián)LCS的緩沖電路，其結(jié)構(gòu)特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的正反向電流緩沖模塊，并聯(lián)接于節(jié)點(diǎn)X1、X2之間。其中一個(gè)電流方向的緩沖模塊，包括：緩沖電容C1p，絕緣柵雙極型晶體管T1p，二極管D1p、D2p、D3p，電阻R1p、R2p。T1p的集電極、發(fā)射極分別與D1p的陰極、陽(yáng)極相連；R1p的一端與T1p的發(fā)射極相連，另一端與節(jié)點(diǎn)X2相連；C1p的一端與T1p的集電極相連，另一端與及節(jié)點(diǎn)X2相連；R2p與D2p并聯(lián)；D2p的陽(yáng)極、陰極分別與D3p的陰極、T1的集電極相連；D3p的陽(yáng)極與節(jié)點(diǎn)X1相連。

所述緩沖電路的控制策略包括在混合式高壓直流斷路器合閘時(shí)T1p、T1n的控制策略，以及在混合式高壓直流斷路器分閘時(shí)T1p、T1n的控制策略。在混合式直流斷路器合閘時(shí)，保持T1p、T1n一直處于開斷狀態(tài)；混合式直流斷路器分閘時(shí)，T1p、T1n的初始狀態(tài)為開斷，T1p、T1n的導(dǎo)通信號(hào)與UFD的觸頭分離信號(hào)同步，T1p、T1n的開斷信號(hào)與MB的開斷信號(hào)同步。

本發(fā)明的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)在于：

二極管D3p、D3n串聯(lián)在緩沖電容與UFD之間，阻斷了緩沖電容C1p、C1n經(jīng)UFD放電，提高了混合式高壓直流斷路器的速動(dòng)性；絕緣柵雙極型晶體管T1p、T1n分別與小電阻R1p、R1n相連，為緩沖電容C1p、C1n形成了阻值可控變化的并聯(lián)放電支路，降低了混合式高壓直流斷路器分閘動(dòng)作結(jié)束后緩沖電容上剩余電壓，提高了混合式高壓直流斷路器短時(shí)間進(jìn)行多次分合閘動(dòng)作的可靠性；絕緣柵雙極型晶體管T1p、T1n的控制與混合式高壓直流斷路器中UFD、MB的控制相結(jié)合，緩沖電路控制策略簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種適用于混合式高壓直流斷路器雙向并聯(lián)LCS的緩沖電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明在混合式高壓直流斷路器分閘時(shí)的控制策略流程圖。

圖3為采用本發(fā)明的混合式高壓直流斷路器在合閘時(shí)的等效電路。

圖4為采用本發(fā)明的混合式高壓直流斷路器在分閘時(shí)的等效電路

圖5為采用本發(fā)明的混合式高壓直流斷路器的某一工程實(shí)例

圖6為采用本發(fā)明的混合式高壓直流斷路器在單次分閘時(shí)UFD電流曲線。

圖7為采用本發(fā)明的混合式高壓直流斷路器在短時(shí)間多次動(dòng)作時(shí)緩沖電容與LCS的電壓曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。有必要指出的是本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。

本發(fā)明提出的一種適用于混合式高壓直流斷路器雙向并聯(lián)LCS緩沖電路的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為保證混合式高壓直流斷路器分合雙向的電流能力，本發(fā)明包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的正反向電流緩沖模塊，并聯(lián)接于節(jié)點(diǎn)X1、X2之間。其中一個(gè)電流方向的緩沖模塊，包括：緩沖電容C1p，絕緣柵雙極型晶體管T1p，二極管D1p、D2p、D3p，電阻R1p、R2p。T1p的集電極、發(fā)射極分別與D1p的陰極、陽(yáng)極相連；R1p的一端與T1p的發(fā)射極相連，另一端與節(jié)點(diǎn)X2相連；C1p的一端與T1p的集電極相連，另一端與及節(jié)點(diǎn)X2相連；R2p與D2p并聯(lián)；D2p的陽(yáng)極、陰極分別與D3p的陰極、T1的集電極相連；D3p的陽(yáng)極與節(jié)點(diǎn)X1相連。

本發(fā)明提出一種適用于混合式高壓直流斷路器雙向并聯(lián)LCS緩沖電路的控制策略，包括在混合式高壓直流斷路器合閘時(shí)T1p、T1n的控制策略，以及在混合式高壓直流斷路器分閘時(shí)T1p、T1n的控制策略。在混合式高壓直流斷路器合閘時(shí)，只需保持T1p、T1n一直處于開斷狀態(tài)即可。而在混合式高壓直流斷路器分閘時(shí)，T1p、T1n的初始狀態(tài)為開斷，T1p、T1n的導(dǎo)通信號(hào)與UFD的觸頭分離信號(hào)同步，T1p、T1n的開斷信號(hào)與MB的開斷信號(hào)同步，控制策略流程圖如圖3所示。應(yīng)說(shuō)明，從分閘開始到分閘結(jié)束，混合式高壓直流斷路器即完成一次分閘動(dòng)作。圖中所有的判斷邏輯皆為混合式高壓直流斷路器已有控制電路所必需，故T1p、T1n的控制只需對(duì)混合式高壓直流斷路器已有控制電路稍作改進(jìn)即可。

因混合式高壓直流斷路器分合正、反向電流時(shí)，正反向緩沖電流模塊工作原理相同。故僅以單方向電流緩沖模塊為例，對(duì)其工作原理進(jìn)行分析。

混合式高壓直流斷路器合閘時(shí)，等效電路如圖3所示。其中開關(guān)S1、S2分別代表LCS與UFD，電感Ls代表混合式高壓直流斷路器的限流電抗器，Udc和Rl分別代表直流電源和直流負(fù)荷。

假設(shè)緩沖電容C1p無(wú)初始電壓。在t0＝0s時(shí)刻，開關(guān)S2閉合，直流斷路器合閘動(dòng)作開始，則t0～t1時(shí)段，可得電路方程為：

式中：v_C0為t0～t1時(shí)段電容C1p電壓；i₀為t0～t1時(shí)段流經(jīng)電感L_S的電流。

在t1時(shí)刻，開關(guān)S1閉合，直流斷路器完成合閘動(dòng)作，則t1時(shí)刻以后，針對(duì)緩沖電路，可得電路方程為：

式中：v_C1為t1時(shí)刻后電容C1p電壓。

混合式高壓直流斷路器分閘時(shí)，等效電路如圖4所示。其中S1、S2、Ls、Udc、Rl與合閘時(shí)相同，開關(guān)S3代表MB，電感Lm代表UFD和MB的雜散電感，Rm代表MB的電阻，開關(guān)S和電阻Rf代表接地故障。

假設(shè)緩沖電容C1p無(wú)初始電壓，在t0＝0s時(shí)刻以前，開關(guān)S1、S2已長(zhǎng)時(shí)間閉合。在t0＝0s時(shí)刻，系統(tǒng)突然發(fā)生接地故障(即開關(guān)S在t0時(shí)刻閉合)，可得電路方程為：

式中：i₀為t0～t1時(shí)段流經(jīng)電感Ls的電流。

在t1時(shí)刻，保護(hù)動(dòng)作，直流斷路器開始分閘動(dòng)作，開關(guān)S1斷開。則t1～t2時(shí)段，可得電路方程為：

式中：i₁為t1～t2時(shí)段流經(jīng)電感Ls的電流；v_C1為t1～t2時(shí)段電容C1p電壓。

在t2時(shí)刻，開關(guān)S3閉合，故障電流由載流支路向MB支路轉(zhuǎn)移。則t2～t3時(shí)段，可得電路方程為：

式中：i₂為t2～t3時(shí)段流經(jīng)電感Ls的電流；i₂₁為t2～t3時(shí)段流經(jīng)電感Ls的電流；v_C2為t2～t3時(shí)段電容C1p電壓。

在t3時(shí)刻，載流支路電流減小為零，開關(guān)S2開始斷開、T1p閉合，則t3時(shí)刻后，針對(duì)緩沖電路，可得電路方程為：

式中：v_C2為t3時(shí)刻后電容C_S電壓。

實(shí)施例：

下面以采用本發(fā)明的混合式高壓直流斷路器應(yīng)用于簡(jiǎn)單直流系統(tǒng)為例，說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。一個(gè)簡(jiǎn)單的320kV/2kA的直流系統(tǒng)如圖5所示，為說(shuō)明本發(fā)明與雙向并聯(lián)LCS的具體連接關(guān)系，圖中僅詳細(xì)畫出了雙向并聯(lián)LCS的具體結(jié)構(gòu)，對(duì)混合式高壓直流斷路器中其余元件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。假設(shè)混合式高壓直流斷路器在0.02s時(shí)刻進(jìn)行合閘，合閘后系統(tǒng)正常運(yùn)行；0.1s時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)生永久性直流故障，混合式高壓直流斷路器檢測(cè)到直流故障后進(jìn)行分閘，故障切除0.06s后，混合式高壓斷路器再次合閘，合閘成功后再次檢測(cè)到直流故障，混合式高壓直流斷路器還需進(jìn)行第二次分閘。

在該實(shí)例中，緩沖電路的參數(shù)如下表。

混合式高壓直流斷路器單次分閘時(shí)，UFD的電流如圖6所示。由圖可知，采用本發(fā)明的混合式高壓直流斷路器因二極管D1、D2的存在，阻斷了緩沖電容C1經(jīng)UFD的放電支路，在換流過(guò)程中，UFD電流減小為零后就幾乎一致保持在零，保證了UFD的零電流分?jǐn)?，提高了混合式高壓直流斷路器的速?dòng)性。

混合式高壓直流斷路器短時(shí)間多次動(dòng)作時(shí)，緩沖電容與LCS的電壓曲線如圖7所示。應(yīng)先說(shuō)明，在斷路器兩次分閘時(shí)，兩種緩沖電路中緩沖電容的初始電壓都為零，因此LCS兩端的電壓都是從零開始變化，只要合理地選擇緩沖電容的大小，就能對(duì)LCS中的IGBT起到較好緩沖保護(hù)作用。在斷路器重合閘時(shí)，本發(fā)明通過(guò)對(duì)T1p、T1n的控制以及并聯(lián)電阻R1p、R1n阻值的合理選擇，在斷路器首次分?jǐn)嗤瓿汕熬彌_電容就已經(jīng)完全放電，因此在重合閘時(shí)，LCS上的電壓也從零開始變化，保證了斷路器多次動(dòng)作的可靠性。