[发明专利]一种具有自适应限流能力的直流固态断路器控制方法

说明书

本发明公开了一种具有自适应限流能力的直流固态断路器及其控制方法，所述直流固态断路器的拓扑结构为由两个单向导通可关断桥臂和两个二极管串联桥臂所构成的H桥电路；其中，两个单向导通可关断桥臂分别与两个二极管串联桥臂同向串联，构成两个串联支路，所述串联支路彼此并联，两个串联支路并联时遵循同类型桥臂构成公共连接点的原则；直流电抗器L与直流偏置电源的串联支路连接到两个单向导通可关断桥臂的公共连接点和两个二极管串联桥臂的公共连接点上；直流线路则分别与单向导通可关断桥臂和二极管串联桥臂的两个公共连接点相连。本发明能够实现故障限流、保护与断流之间的有效配合，确保剩余网络的可靠故障穿越。

技术领域

本发明涉及直流输/配/微电网领域，特别是涉及一种新型直流固态断路器控制方法。

背景技术

柔性直流系统典型的换流器类型主要包括两电平VSC、三电平VSC以及模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)。但是，基于上述换流器构造柔性直流系统时，均面临一大问题：直流故障以后，故障电流急剧上升，直流电压迅速跌落，严重危害系统安全运行；即使快速闭锁换流站，交流侧电源仍会经换流器续流二极管以不控整流形式向故障点持续馈入故障电流，直流故障电流无自然过零点，导致直流故障隔离存在熄弧困难的问题。

针对上述直流故障电流上升速度快、隔离难度大的问题，相关研究(例如美国专利US9130477B2)提出了具有故障自清除能力的换流器改进拓扑结构：改进后的拓扑结构在直流故障以后，通过快速闭锁就能实现故障电流的快速自清除。在点对点式柔性直流系统中，直流故障必然导致功率传输中断，不存在所谓的剩余网络，利用具有自清除能力的换流器实现故障电流的清除具有较好的适用性。但是在多端直流电网中，直流线路在直流场内通过直流母线直接互连，一条线路故障以后各端换流站与剩余线路构成的剩余网络应保证可靠的故障穿越，从而提高系统的供电可靠性。换流器自清除技术由于仍会导致全网的短暂停电，因此不具备足够的可行性。利用直流断路器配合选择性保护实现故障线路的快速、有选择性切除，保证剩余网络的可靠故障穿越，成为最为理想的故障处理方案。

结合柔性直流故障暂态特性可知，直流故障发展速度极快，故障后故障电流急剧上升，直流电压快速跌落，几个毫秒甚至几百微秒内就会导致换流器因IGBT自保护而快速闭锁及全网由于电压大幅跌落而迅速瘫痪。因此，要求选择性保护与直流断路器能在几个毫秒甚至几百个微秒内就实现故障的可靠定位(区段定位)和快速隔离。目前来讲，最快的直流断路器已经能够做到数百微秒的故障隔离速度，例如美国专利US5999388提出的直流固态断路器。但是，现有直流固态断路器数百微秒的故障快速隔离建立在选择性保护在故障后百微秒级(甚至更快)实现故障可靠定位的前提之下。现有的继电保护技术尚无能够在百微秒等级内就实现故障快速定位的保护原理；而且保护的动作可靠性与其判断时窗直接相关，百微秒级至毫秒级的判断时窗内极难区分故障与扰动，因此这一判断时窗下的保护原理即使存在，其动作可靠性仍有待工程检验。针对直流故障发展速度快，但保护与隔离无法快速动作这一矛盾，通过有效的限流技术延缓柔性直流系统直流故障发展速度，在保证系统剩余网络可靠故障穿越的同时，给选择性保护与断路器留出足够的时间裕量实现可靠动作，是最为合理的故障处理方案。

专利US5999388中所提出的固态电路拓扑除了能实现故障断流，同样可实现故障限流功能，但是需要对可控开关器件进行高频的开关控制，对设备使用寿命是极为不利的。而且，其限流特性主要呈阻性限流，事实上，在直流故障初期故障电流快速上升阶段阻性限流对电流上升率的限制效果并不理想。因此，目前直流系统中更倾向于在线路两端安装直流电抗器，在直流故障以后利用电抗器限制故障电流的快速上升和直流电压的快速跌落，延缓故障发展速度，以降低对保护和直流断路器的动作速度要求。但是，在直流电网中直接安装大量的电抗器对系统暂态响应特性、稳定性等方面是极为不利的；而且电抗器续电流的存在，也会导致断路器故障断流时间大大增加，从而降低断路器的故障隔离速度，不利于故障的快速切除和剩余网络的快速恢复。因此，如何在限流的同时，避免其对系统造成的不利影响，并实现与断流功能之间的协调匹配成为柔性直流系统直流故障处理的关键课题。