基于Sepic變換器拓撲的高壓直流斷路器及其切除故障的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種高壓直流輸電變壓及保護控制系統(tǒng)，具體是指一種基于Sepic變 換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路器及其短路故障的切除方法。
【背景技術】
[0002] 在高壓交流輸電系統(tǒng)中，輸電線路的正常投入和事故切除，是通過高壓交流斷路 器來實現(xiàn)的。而在高壓直流輸電系統(tǒng)中，則是利用換流閥控制（柵）極的控制來消除暫時 性故障或者當發(fā)生短路故障時采用機械式高壓斷路器進行切除，但隨著VSC-HVDC輸電技 術的發(fā)展和應用，由于機械式的高壓直流斷路器的響應時間過長難W滿足短路故障的快速 切除需求。因此，研制新型快速高壓直流斷路器，W促使高壓直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展，甚為必 要。ABB公司于2012年11月開發(fā)出了世界上第一臺混合式高壓直流斷路器，將機械動力學 與電力電子設備相結(jié)合，可W在幾毫秒之內(nèi)斷開一所大型發(fā)電站的輸出電流，該使得大規(guī) ?？稍偕茉吹母咝Ъ珊徒粨QW及建設全新高效電網(wǎng)進行遠距離電力傳輸成為可能。高 壓直流斷路器的類型主要有機械式斷路器、固態(tài)斷路器、混合式斷路器、Z-source斷路器和 基于轉(zhuǎn)換器的斷路器。與高壓直流轉(zhuǎn)換開關只能開斷正常運行電流不同的是，高壓直流斷 路器具有故障電流的切斷能力。
[0003] 目前的機械式高壓直流斷路器，能夠在數(shù)十毫秒內(nèi)切斷短路電流，該種故障電流 的切斷速度尚不能滿足新型VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的要求。固態(tài)斷路器可W很容易地克服開 斷速度的限制，但在穩(wěn)態(tài)運行時會產(chǎn)生大量損耗?；旌鲜綌嗦菲骷婢邫C械斷路器良好的靜 態(tài)特性W及固態(tài)斷路器無弧分斷的動態(tài)特性，具有運行損耗低、使用壽命長、可靠性高和穩(wěn) 定性好等優(yōu)點，但對于快速刀閩的制造要求很高，并且開斷時間還是受到快速刀閩的影響 W及保護系統(tǒng)和通信時間的影響。除了上述直接開斷短路電流的方式之外，還可W考慮增 加限流器配合斷路器開關電流的方式，因為對于需要焰弧的機械開關，電流越大，焰弧越困 難；而對于無需焰弧的電力電子器件，關斷大電流會引起器件的動態(tài)過壓，電流幅值越大， 過壓越高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有斷路器設備成本高，響應速度慢，設備運行損耗高等 問題，提供了一種基于Sepic變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路器及其短路故障 的切除方法，達到同時能夠?qū)崿F(xiàn)在同一功率流方向?qū)崿F(xiàn)升降壓功能及斷路器功能的目的。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用W下技術方案：
[0006] 一種基于Zeta變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路器，包括斷路器與控 制系統(tǒng)，
[0007] 高壓直流斷路器包括：包括連接正輸入端和負輸入端之間的輸入電容Ci，輸入電 容器的正輸入端與電感Li輸入端連接，電感L1的輸出端與IGBT開關模塊組S1輸入端和中 間電容器C的正端相連，電容器C的負端與電感L2的輸入端和二極管正極相連，二極管的 負極與輸出電容器C。相連，IGBT開關模塊組S1輸出端、電感L2負端、輸出電容器C。負端、 負輸入端和負輸出端相連且接地；
[000引控制系統(tǒng)包括依次連接的外環(huán)PI調(diào)節(jié)器、外環(huán)飽和環(huán)節(jié)、內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器、內(nèi)環(huán)飽 和環(huán)節(jié)、PWM發(fā)生器，電壓傳感器采集到高壓直流斷路器的輸出端電壓V。，輸出端電壓V。經(jīng) 過外環(huán)低通濾波器LPF后與輸出電壓參考值進行比較然后輸入到外環(huán)PI調(diào)節(jié)器，電流 傳感器采集到高壓直流斷路器中的電感電流電感電流i店圣過內(nèi)環(huán)低通濾波器LPF后與 外環(huán)飽和環(huán)節(jié)輸出的內(nèi)環(huán)電感電流參考值1^進行比較，比較的結(jié)果輸入內(nèi)環(huán)口1調(diào)節(jié)器，在 所述的內(nèi)環(huán)飽和環(huán)節(jié)與PWM發(fā)生器之間還增加有一個輔助控制器。
[0009] 本發(fā)明的基于S巧ic變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路器運行導通態(tài) 時，功率開關組Si導通，功率流經(jīng)Ld。充電，斷開態(tài)時，Ld。存儲的能量通過二極管續(xù)流，電感 電流連續(xù)時的運行模態(tài)，在一個開關周期L內(nèi)，通過電感的直流電壓平均值在不計損耗的 情況下為零得出等式，計算分析式如下：
[0010] 在開關模態(tài)l[0，tj中，t= 0時，功率開關組Si導通，二極管截止。斷路器在該 個模態(tài)下有=個回路，第一個回路是輸入電源、電感Li和功率開關組Si組成的回路，在Vi作 用下，電感電流iu線性增長；第二個回路是電容器C，功率開關組Si和電感L2組成的回路， 電容器C通過功率開關組Si和電感L2放電，電感電流i。增長；第S個回路是濾波電容器 C。向負載供電的回路，電容器C。電壓下降，因C。較大，故Vc"=V。下降很少。流過功率開關 組Si的電流iiu+i^2。具體如圖5所示，根據(jù)基爾霍夫電壓定理可得W下二式：
【主權項】
1. 一種基于SepiC變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路器，包括高壓直流斷路 器和控制系統(tǒng)， 高壓直流斷路器包括：包括連接正輸入端和負輸入端之間的輸入電容Ci,輸入電容器 的正輸入端與電感L1輸入端連接，電感L i的輸出端與IGBT開關模塊組S 1輸入端均和中間 電容器C的正端相連，中間電容器C的負端與電感L2的輸入端和二極管正極相連，二極管 的負極與輸出電容器C。相連，IGBT開關模塊組S i輸出端、電感L 2輸出端、輸出電容器C。負 端、負輸入端和負輸出端相連且接地； 控制系統(tǒng)包括：依次連接的外環(huán)PI調(diào)節(jié)器、外環(huán)飽和環(huán)節(jié)、內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器、內(nèi)環(huán)飽和環(huán) 節(jié)、PWM發(fā)生器，還包括外環(huán)低通濾波器LPF和內(nèi)環(huán)低通濾波器LPF ; 高壓直流斷路器正輸出端電壓v。經(jīng)過外環(huán)低通濾波器LPF后與輸出電壓參考值V；：進 行比較后輸入到外環(huán)PI調(diào)節(jié)器； 高壓直流斷路器中的電感電流k經(jīng)過內(nèi)環(huán)低通濾波器LPF后與外環(huán)飽和環(huán)節(jié)輸出的 內(nèi)環(huán)電感電流參考值<進行比較，比較的結(jié)果輸入內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器； 在所述的內(nèi)環(huán)飽和環(huán)節(jié)與PWM發(fā)生器之間還設置有一個輔助控制器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于Sepic變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路 器，其特征在于：所述的輔助控制器包括零值檢測器和選擇開關，零值檢測器包括過零比較 器和觸發(fā)子系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)飽和環(huán)節(jié)的輸出信號同時發(fā)送給過零比較器和觸發(fā)子系統(tǒng)，過零比 較器的輸出信號作為觸發(fā)子系統(tǒng)導通的條件，觸發(fā)子系統(tǒng)的輸出信號經(jīng)過反向器輸出至選 擇開關，選擇開關的兩個輸入端分別與內(nèi)環(huán)飽和環(huán)節(jié)的輸出端和輔助控制器的零值信號連 接，輸出端與PWM發(fā)生器連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述一種基于S印ic變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路 器，其特征在于：輔助控制器對占空比進行零值檢測，當檢測出零值時，判斷出故障狀態(tài)，執(zhí) 行選擇開關操作，切斷線路，直到故障排除，恢復正常后，零值檢測器檢測出占空比不為零， 判斷出屬于正常狀態(tài)，不動作。
4. 一種根據(jù)1-4任一所述的一種基于S印ic變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷 路器的短路故障的切除方法，包括外環(huán)控制步驟、內(nèi)環(huán)控制步驟、輔助控制步驟； 其中外環(huán)控制步驟包括以下步驟： (al)電壓傳感器采集高壓直流斷路器的正輸出端電壓v。； (a2)正輸出端電壓V。經(jīng)過外環(huán)低通濾波器LPF后與輸出端電壓參考值 <進行比較； (a3)比較的結(jié)果輸入到外環(huán)PI調(diào)節(jié)器和外環(huán)飽和環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)，外環(huán)飽和環(huán)節(jié)輸出 內(nèi)環(huán)電感電流參考值<。 其中內(nèi)環(huán)控制步驟包括以下步驟： (bl)電流傳感器采集高壓直流斷路器中的電感電流 (b2)將該電感電流1通過低通濾波器LPF過濾掉高次諧波后得到反饋信號； (b3)將反饋信號與輸出電流參考值^進行比較； (b4)比較的結(jié)果再經(jīng)內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器、內(nèi)環(huán)飽和環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用，輸出斷路器占空比 D ； (b5)將步驟（b4)得到的輸出信號占空比D經(jīng)PWM發(fā)生器進行調(diào)制，控制高壓直流斷路 器實現(xiàn)變壓和故障切除功能； 其中輔助控制步驟包括以下步驟： (cl)當高壓直流輸電系統(tǒng)正常運行時，占空比D保持一個穩(wěn)定值，選擇開關連接內(nèi)環(huán) 飽和環(huán)節(jié)輸入端； (c2)當高壓直流輸電線路短路故障發(fā)生時，占空比D由穩(wěn)定值快速下降為零； (c3)過零比較器進行比較輸出值為1，觸發(fā)子系統(tǒng)導通工作； (c4)在輸入占空比D值變?yōu)榱愕臅r刻開始，輸出從O至1帶上升沿階躍信號，再經(jīng)過反 向器，觸發(fā)子系統(tǒng)輸出為在占空比D值變?yōu)榱愕哪强唐饛?至O的帶下降沿階躍信號； (c5)選擇開關接收到反向器輸入的下降沿階躍信號后，從上端位切換到下端位與零值 信號連接將占空比D值置零并保持，直到故障完全隔離并清除。
【專利摘要】基于Sepic變換器拓撲的高壓直流斷路器及其切除故障的方法，目的在于解決現(xiàn)有斷路器設備成本高，響應速度慢，設備運行損耗高等問題，該高壓直流斷路器，包括斷路器與控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)控制電流、外環(huán)調(diào)節(jié)控制電壓，通過在雙閉環(huán)調(diào)節(jié)增加輔助控制器來進行高壓直流斷路器的變壓和保護控制，實現(xiàn)相比于傳統(tǒng)高壓斷路器具有更多的功能、開斷速度快、節(jié)約成本等優(yōu)點，既能在高壓直流輸電系統(tǒng)正常運行時實現(xiàn)斷路器的升降壓功能，并且能夠在升壓態(tài)和降壓態(tài)之間進行切換，可以實現(xiàn)靈活地應用于不同電壓等級的電力線路中；同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)在輸電線路發(fā)生短路故障時對短路故障進行及時有效的切除。
【IPC分類】H02H7-26
【公開號】CN104767187
【申請?zhí)枴緾N201510176341
【發(fā)明人】唐良義, 陳維榮, 唐立, 劉志祥, 李奇, 戴朝華, 張雪霞
【申請人】西南交通大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月15日