[发明专利]一种改进的自适应限流直流固态断路器及其控制方法

说明书

本发明公开了一种改进的自适应限流直流固态断路器及其控制方法，该结构包括桥臂一至桥臂四及其所构成的H桥电路，所述桥臂一、所述桥臂三构成的串联支路与所述桥臂二、所述桥臂四构成的串联支路并联；针对自适应限流直流固态断路器的控制方法包括初始化、检测到故障信号时、收到跳闸信号后、故障消失或被处理后；当i_L接近i_dc时，同时导通桥臂一和桥臂二的主支路，然后导通负荷支路，最后断开主支路，固态断路器完全恢复，为下次故障做好准备。与现有技术相比，本发明用于多端柔性直流电网，尤其是电压等级较低的直流配电、直流微电网；正常运行时可大大降低通态损耗；发生直流故障以后可快速恢复至正常运行状态，保证对二次故障的处理能力。

技术领域

本发明涉及直流输/配/微电网领域，特别涉及一种改进的自适应限流直流固态断路器及.针对断路器拓扑结构的控制策略。

背景技术

直流系统控制灵活性高、供电密度大、电能质量好、相比交流线路损耗小、不需要无功补偿设备，并且适合各类电源和负载接入，使得其在配电网领域具有广泛的应用前景。电压源型换流器(voltage source converter，VSC)以及模块化多电平换流器(modularmulti-level converter，MMC)技术的快速发展，使得直流配电网的工程应用得以推广。然而，直流配电网故障阻尼小、传播速度快、危害大，对直流故障的有效应对与处理提出了极为苛刻的要求。直流故障后，为了确保直流系统健全网络的可靠故障穿越，要求快速检测、识别并切除故障线路。目前，根据不同的工作原理，直流断路器主要分为三类：机械断路器、固态断路器和混合断路器。机械式断路器成本低、运行损耗小，但是其动作速度仍有待提高。固态断路器和混合式断路器由于其较高的运行速度，更适用于直流系统。而且，在电压等级相对较低的直流配电网中，固态断路器由于动作速度快、控制策略简单，因此具有较好应用前景。

为实现有选择地切除故障线路，在隔离故障之前，需要保护准确地确定故障线路，因此仅靠断路器本身快速跳闸难以满足工程实际需求。目前直流保护最快动作速度为2～3ms，而此时的故障电流早已超过电力电子器件所能耐受的最大稳态电流，导致换流站闭锁。由此看来，直流故障选择性切除速度远无法匹配直流故障发展速度。有效的直流故障限流技术能够限制故障电流的快速上升，降低对保护和故障隔离动作速度的要求，被认为是直流系统安全可靠运行的核心关键技术。

直接安装直流电抗器是限制直流配单网直流故障电流的有效途径之一，且安装的电抗器越大，故障限流效果越好。但随着电抗值的增大，建设成本大大增加，系统动态特性变差，故障电流的衰减速度下降。目前，已有的直流故障限流器有超导限流器和基于电力电子器件的限流器两类。其中，混合式固态限流器能够结合电力电子器件和机械开关的优势，成功解决限流电感抑制故障电流衰减问题。

美国发明专利US5999388公开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。