[发明专利]一种直流配电网系统内部过电压防护系统与方法

权利要求书

1.一种直流配电网系统内部过电压防护方法，其特征在于：通过在直流配电网系统内部加设避雷器来防护过电压，避雷器按照以下一种或多种原则进行配置：

1)交流侧过电压由交流侧避雷器限制；

2)直流侧过电压由直流侧避雷器限制；

3)系统内包括有交直流母线、换流变压器、桥臂、电抗器、直流电平变换单元的关键设备由紧靠它的避雷器直接保护；

所述方法应用于直流配电网系统内部包括多端口电力电子变压器、电压源换流器、直流断路器的设备，

其中，所述多端口电力电子变压器包括中压交流端口、中压直流端口、低压交流端口、低压直流端口，

所述中压交流端口包括换流变压器、桥臂电抗器以及六个桥臂；所述中压交流端口为三相结构，每相均通过所述桥臂电抗器连接有上下对称的两个所述桥臂，每个所述桥臂由结构相同的功率子模块串联而成；其中，第一桥臂相连的所述桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第一桥臂位置的所述避雷器为第一避雷器，而后以此类推；第一、第二桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的A相连接，第三、第四桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的B相连接，第五、第六桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的C相连接；所述第一桥臂的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，所述第一桥臂的第二端与第三、第五桥臂的第二端相连，第二桥臂的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，所述第二桥臂的第二端与第四、第六桥臂的第二端相连，第三桥臂的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，所述第三桥臂的第二端与第一、第五桥臂的第二端相连，所述第四桥臂的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，所述第四桥臂的第二端与第二、第六桥臂的第二端相连，所述第五桥臂的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，所述第五桥臂的第二端与第一、第三桥臂的第二端相连，所述第六桥臂的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，所述第六桥臂的第二端与第二、第四桥臂的第二端相连；

所述中压直流端口包括多于1个的直流电平变换单元，每个所述直流电平变换单元，在中压侧，每个所述直流电平变换单元的第一输入端连接上一个直流电平变换单元的第二输入端，其中，第一个直流电平变换单元的第一输入端连接所述中压直流端口的一端，最后一个直流电平变换单元的第二输入端连接所述中压直流端口的另一端；在低压侧，每个所述直流电平变换单元的第一输出端接入变压器内部正极母线，每个所述直流电平变换单元的第二输出端接入所述多端口电力电子变压器内部负极母线；

所述低压直流端口包括有绝缘栅双极型晶体管反并联二极管模块、内部正负极直流母线、电容、电阻，其中，所述内部正负极直流母线分别通过两组两两并联的所述绝缘栅双极型晶体管反并联二极管模块通往输出端，在所述输出端再加设电容电阻接地线；

所述低压交流端口包括有绝缘栅双极型晶体管模块、第一三相电路中电抗器、第二换流变压器，其中，变压器系统内部正负极直流母线分别通过三组两两并联的所述绝缘栅双极型晶体管模块，分别连接所述第一三相电路中电抗器的第一端，所述第一三相电路中电抗器的第二端与第二换流变压器的第一端系统侧相连，所述第二换流变压器的第二端线路侧连接外部线路，

所述电压源换流器包括有第二绝缘栅双极型晶体管模块、第二三相电路中电抗器、第三换流变压器、第二电容，其中，所述电压源换流器的直流端口与交流端口之间分别通过三组两两并联的所述第二绝缘栅双极型晶体管模块，连接所述第二三相电路中电抗器的第一端，所述第二三相电路中电抗器的第二端与第三换流变压器的第一端相连，所述第三换流变压器的第二端连接外部线路，另外在直流端口两端之间加设所述第二电容，在所述第二三相电路中电抗器的第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器并接地，另外在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置避雷器并接地；

所述直流断路器分为三类拓扑结构：机械式结构、固态式结构和混合式结构；所述机械式结构包括第一开关、第一谐振电路、第一能量吸收单元和第一电抗器，其中，所述第一电抗器的第一端连接换流器侧电路，所述第一开关、第一谐振电路与第一能量吸收单元相互并联为第一并联电路，所述第一并联电路的一端连接所述第一电抗器的第二端，所述第一并联电路的另一端连接线路侧；所述固态式结构包括第一电力电子器件、第二能量吸收单元和第二电抗器，其中，所述第二电抗器的第一端连接所述换流器侧电路，所述第一电力电子器件与第二能量吸收单元相互并联为第二并联电路，所述第二并联电路的一端连接所述第二电抗器的第二端，所述第二并联电路的另一端连接所述线路侧；所述混合式结构包括第二开关、第二电力电子器件、第三能量吸收单元和第三电抗器，其中，所述第三电抗器的第一端连接所述换流器侧电路，所述第二开关、第二电力电子器件与第三能量吸收单元相互并联为第三并联电路，所述第三并联电路的一端连接所述第三电抗器的第二端，所述第三并联电路的另一端连接所述线路侧，

根据配置原则1)、3)，在多端口电力电子变压器中压交流端口对外接口侧靠近换流变压器位置上设置避雷器，同时在桥臂电抗器连接桥臂一侧靠近桥臂电抗器位置上设置避雷器，其中，将所述第一避雷器的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，将所述第一避雷器的第二端接地；将第二避雷器的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，将所述第二避雷器的第二端接地；将第三避雷器的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，将所述第三避雷器的第二端接地；将第四避雷器的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，将所述第四避雷器的第二端接地；将第五避雷器的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，将所述第五避雷器的第二端接地；将第六避雷器的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，将所述第六避雷器的第二端接地；将第七避雷器的第一端连接在所述换流变压器线路侧靠近换流变压器位置上，将所述第七避雷器的第二端接地，

多端口电力电子变压器中压交流端口对外接口侧靠近换流变压器位置的避雷器和在桥臂电抗器连接桥臂一侧靠近桥臂电抗器位置的避雷器的型号为YH5WZ-17-45kV，其中，选取所述第一避雷器至第七避雷器型号为YH5WZ-17-45kV，当换流变压器对外接口侧受到过电压的侵害时，所述第七避雷器直接将过电压限制隔离并引入地下，当换流变压器发生操作过电压或换流变压器内部换流阀由功能及结构故障产生过电压时，所述第一至第六避雷器直接将过电压限制隔离并引入地下；

根据所述配置原则2)、3)，在多端口电力电子变压器中压直流端口对外接口侧正负极两端靠近直流电平变换单元位置上分别设置避雷器DB10k并接地，当过电压从外界传递入所述中压直流端口时，所述避雷器DB10k直接将过电压限制隔离并引入地下；

根据所述配置原则2)，在多端口电力电子变压器低压直流端口对外接口侧正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，当外界过电压传递入所述低压直流端口时，所述避雷器DB375直接将过电压限制隔离并引入地下；

根据所述配置原则1)、3)，在多端口电力电子变压器低压交流端口三相线路上电抗器连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A₂380并接地，当所述低压交流端口系统内部产生过电压时，所述避雷器A₂380直接将过电压限制隔离并引入地下；

根据所述配置原则1)、2)、3)，在电压源换流器的交流端口三相线路上电抗器连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A₂380并接地，当系统内部产生过电压并传递入低压交流端口时，所述避雷器A₂380直接将过电压限制隔离并引入地下；在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，当过电压传入所述低压直流端口时，所述避雷器DB375直接将过电压限制隔离并引入地下，

所述避雷器DB10k的避雷器的型号为YH5WZ-17-45kV，所述避雷器DB375的避雷器的型号为DB375，所述避雷器A₂380的避雷器的型号为HY1.5W-0.5/2.6，

根据所述配置原则2)、3)，在直流断路器连接线路一侧加装避雷器并接地，直接将来自外部线路侧的过电压限制隔离并引入地下。

2.一种直流配电网系统内部过电压防护系统，其特征在于：系统包括在交流侧靠近换流变压器及桥臂电抗器位置上配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压交流端口、在直流端口侧配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压直流端口、在交流侧靠近电抗器位置上配置有避雷器的多端口电力电子变压器的低压交流端口、在直流端口侧配置有避雷器的多端口电力电子变压器的低压直流端口、在交流侧靠近电抗器位置上以及直流侧均配置有避雷器的电压源换流器、在直流线路侧配置有避雷器的直流断路器；

其中多端口电力电子变压器的中压交流端口为三相结构，每相均通过桥臂电抗器连接有上下对称的两个桥臂，每个桥臂由若干结构相同的功率子模块串联而成；其中，与第一桥臂相连的桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第一桥臂位置的避雷器为第一避雷器，与第二桥臂相连的桥臂电抗器为第二桥臂电抗器，配置于第二桥臂位置的避雷器为第二避雷器，与第三桥臂相连的桥臂电抗器为第三桥臂电抗器，配置于第三桥臂位置的避雷器为第三避雷器，与第四桥臂相连的桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第四桥臂位置的避雷器为第四避雷器，与第五桥臂相连的桥臂电抗器为第五桥臂电抗器，配置于第五桥臂位置的避雷器为第五避雷器，与第六桥臂相连的桥臂电抗器为第六桥臂电抗器，配置于第六桥臂位置的避雷器为第六避雷器；第一、第二桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的A相连接，第三、第四桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的B相连接，第五、第六桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的C相连接；

各桥臂在系统内的连接关系如下：第一桥臂的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，第一桥臂的第二端与第三、第五桥臂的第二端相连，第二桥臂的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，第二桥臂的第二端与第四、第六桥臂的第二端相连，第三桥臂的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，第三桥臂的第二端与第一、第五桥臂的第二端相连，第四桥臂的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，第四桥臂的第二端与第二、第六桥臂的第二端相连，第五桥臂的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，第五桥臂的第二端与第一、第三桥臂的第二端相连，第六桥臂的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，第六桥臂的第二端与第二、第四桥臂的第二端相连；

各避雷器在系统内的连接关系如下：第一避雷器的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，第一避雷器的第二端接地，第二避雷器的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，第二避雷器的第二端接地，第三避雷器的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，第三避雷器的第二端接地，第四避雷器的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，第四避雷器的第二端接地；第五避雷器的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，第五避雷器的第二端接地，第六避雷器的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，第六避雷器的第二端接地，中压交流端口中换流变压器的一次侧为线路侧，连接外部线路；二次侧为系统侧，连接系统内部，第七避雷器的第一端连接在换流变压器线路侧靠近换流变压器位置上，第二端接地；

多端口电力电子变压器中压交流端口对外接口侧靠近换流变压器位置的避雷器和在桥臂电抗器连接桥臂一侧靠近桥臂电抗器位置的避雷器的型号为YH5WZ-17-45kV,其中，第一避雷器至第七避雷器型号为YH5WZ-17-45kV；

多端口电力电子变压器的中压直流端口包含有多个直流电平变换单元，每个直流电平变换单元可以分为低压侧和中压侧两部分，在中压侧，直流电平变换单元的第一输入端连接上一个直流电平变换单元的第二输入端，其中第一个直流电平变换单元的第一输入端连接中压直流端口的一端，最后一个直流电平变换单元的第二输入端连接中压直流端口的另一端，在低压侧，直流电平变换单元的第一输出端接入变压器内部正极母线，直流变换单元的第二输出端接入变压器内部负极母线，在中压直流端口对外接口两端靠近直流电平变换单元位置上分别设置避雷器DB10k并接地，

多端口电力电子变压器的低压直流端口中主要包括有IGBT反并联二极管模块、内部正负极母线、电容、电阻；内部正负极直流母线分别通过两组两两并联的IGBT反并联二极管模块通往输出端，输出端加设电容电阻接地线，在对外接口正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，

多端口电力电子变压器的低压交流端口主要包括有IGBT模块、电抗器、换流变压器；变压器系统内部正负极直流母线分别通过三组两两并联的IGBT模块，分别连接低压交流端口三相电路中电抗器的第一端，三相电路中电抗器的第二端与换流变压器的第一端系统侧相连，换流变压器的第二端线路侧连接外部线路，在低压交流端口三相线路上电抗器第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A₂380并接地，

电压源换流器主要包括有IGBT模块、电抗器、换流变压器、电容；直流端口与交流端口之间分别通过三组两两并联的IGBT模块，连接电压源换流器三相电路中电抗器的第一端，三相电路中电抗器的第二端与换流变压器的第一端相连，换流变压器的第二端连接外部线路，另外在直流端口两端之间加设电容，在交流端口三相线路上电抗器第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A₂380并接地，另外在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，

所述避雷器DB10k的避雷器的型号为YH5WZ-17-45kV，所述避雷器DB375的避雷器的型号为DB375，所述避雷器A₂380的避雷器的型号为HY1.5W-0.5/2.6；

其中直流断路器可分为三类拓扑结构：机械式结构、固态式结构和混合式结构；机械式结构直流断路器主要由开关、谐振电路LC、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，开关电路、谐振电路LC、与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；固态式结构直流断路器主要由电力电子器件PE、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，电力电子器件PE与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；混合式结构直流断路器主要由开关、电力电子器件PE、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，开关电路、电力电子器件PE与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；在上述三种直流断路器连接线路一侧加装避雷器并接地。