本發(fā)明涉及輸電線路保護裝置研究領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于Boost變換器的單向變壓型高壓直流斷路器和變壓型高壓直流斷路器短路故障的切除方法。

背景技術(shù)：

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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，由于機械式的高壓直流斷路器的響應(yīng)時間過長難以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，以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(shè)備相結(jié)合，可以在幾毫秒之內(nèi)斷開一所大型發(fā)電站的輸出電流，這使得大規(guī)?？稍偕茉吹母咝Ъ珊徒粨Q以及建設(shè)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(guān)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。

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，這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)斷路器可以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)特性以及固態(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，但對于快速刀閘的制造要求很高，并且開斷時間還是受到快速刀閘的影響以及保護系統(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，還可以考慮增加限流器配合斷路器開關(guān)電流的方式，因為對于需要熄弧的機械開關(guān)，電流越大，熄弧越困難；而對于無需熄弧的電力電子器件，關(guān)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。

綜上所述，本申請發(fā)明人在實現(xiàn)本申請發(fā)明技術(shù)方案的過程中，發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)至少存在如下技術(shù)問題：

在現(xiàn)有技術(shù)中，現(xiàn)有的斷路器存在無法同時實現(xiàn)直流升壓變壓器、高壓直流斷路器功能的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種單向變壓型高壓直流斷路裝置及故障切除方法，解決了現(xiàn)有的斷路器存在無法同時能夠?qū)崿F(xiàn)直流升壓變壓器、高壓直流斷路器功能的技術(shù)問題，實現(xiàn)了高壓直流斷路裝置能夠同時實現(xiàn)直流升壓變壓器、高壓直流斷路器功能的技術(shù)效果。

為解決上述技術(shù)問題，本申請?zhí)峁┝艘环N基于Boost變換器的單向變壓型高壓直流斷路裝置，包括斷路器與控制系統(tǒng)，其中斷路器包括連接在正輸入端的電感L，電感L的輸出端與IGBT開關(guān)模塊組S1陽極相連，IGBT開關(guān)模塊組S1的陽極同時與二極管模塊組D1的陽極連接，二極管模塊組D1的陰極與正輸出端相連，IGBT開關(guān)模塊組S1的陰極與負輸入端、負輸出端同時接地，正輸入端與負輸入端之間連接有輸入電容Ci，正輸出端與負輸出端之間連接有輸出電容Co；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、以及高壓直流斷路器，電壓傳感器采集到高壓直流斷路器的輸出端電壓vo，輸出端電壓vo經(jīng)過外環(huán)低通濾波器LPF后與輸出電壓參考值vo*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iL，電感電流iL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iL*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)生器之間還增加有一個輔助控制器。本發(fā)明的高壓直流斷路器，是一個經(jīng)典的基于Boost變換器用作直流斷路器功能，在開關(guān)接通階段，電流依次經(jīng)過IGBT開關(guān)模塊組、電感L后輸出，計算分析式如下：

V_iDT_s-(V_o-V_i)(1-D)T_s＝0

計算得出該斷路器的輸出輸入電壓關(guān)系為：

V₀＝V_i/(1-D) (0≤D≤1)，

其中，V_i為輸入電壓，D為占空比，T_s為開關(guān)周期，V_o為輸出電壓。

由上述公式可知，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(guān)操作，切斷線路，直到故障排除，恢復(fù)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，如此通過占空比的檢測和調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)斷路器的功能，及時地對短路進行切斷，該輔助控制器既能在斷路器正常運行時保證斷路器升壓功能的正常執(zhí)行，又能夠在輸電線路發(fā)生短路故障時快速地對短路故障進行及時有效的切除，實現(xiàn)保護高壓直流輸電設(shè)備及負載設(shè)備。

所述的輔助控制器包括零值檢測器和選擇開關(guān)，其中零值檢測器包括一個過零比較器和一個觸發(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)，其中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(guān)，選擇開關(guān)的兩個輸入端分別與內(nèi)環(huán)飽和環(huán)節(jié)的輸出端和零值信號連接，輸出端與PWM發(fā)生器連接。具體的講，輔助控制器主要包括選擇開關(guān)和零值檢測器，其中零值檢測器是由一個過零比較器和一個觸發(fā)子系統(tǒng)構(gòu)成的，觸發(fā)子系統(tǒng)的導通工作條件是過零比較器的輸出信號，即當過零比較器的輸出信號為大于零的時候，其輸出信號1，這個階躍信號使得觸發(fā)子系統(tǒng)導通，輸出脈沖使得選擇開關(guān)進行動作，進行線路短路故障的切除。

另一方面，本申請還提供了一種變壓型高壓直流斷路器短路故障切除方法，包括(a)外環(huán)控制：

(a1)電壓傳感器采集到高壓直流斷路器的輸出端電壓v_o；

(a2)輸出端電壓v_o經(jīng)過外環(huán)低通濾波器LPF后與輸出端電壓參考值v_o^*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)，輸出內(nèi)環(huán)電感電流參考值i_L^*；

(b)內(nèi)環(huán)控制：

(b1)電流傳感器采集到高壓直流斷路器中的電感電流i_L；

(b2)將該電感電流i_L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壓參考值i_L^*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。

(c)輔助控制：

(c1)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(guān)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D值變?yōu)榱愕臅r刻開始，輸出從0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D值變?yōu)榱愕哪强唐饛?至0的帶下降沿階躍信號；

(c5)選擇開關(guān)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D值置零并保持，直到故障完全隔離并清除。

本發(fā)明中的變壓型高壓直流斷路器短路故障的切除方法，采用在雙環(huán)控制方法中增加一個輔助控制輸出斷路器占空比D的步驟，從而可以實現(xiàn)高壓直流輸電線路的短路故障狀態(tài)監(jiān)測，當高壓直流線路處于短路狀態(tài)時，輸出斷路器的占空比發(fā)生變化從而反應(yīng)出輸電線路發(fā)生短路故障，從而實現(xiàn)切斷線路，起到保護的目的，相對于現(xiàn)有的高壓直流斷路器而言，具有變壓功能、高速反應(yīng)、快速執(zhí)行，切斷響應(yīng)時間只需要6ms左右，相對于機械式和混合式高壓直流斷路器來說是一個很短的時間，具有較大的優(yōu)勢，在沒有使用其他電流限制器的情況下故障電流值被限制在一個非常安全的范圍內(nèi)，當故障被切除后，通過重置輔助控制器，可使控制系統(tǒng)能恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。外環(huán)調(diào)節(jié)控制斷路器的輸出端電壓v_o：電壓傳感器采集到高壓直流斷路器輸出端電壓v_o，通過外環(huán)低通濾波器LPF過濾掉高次諧波后的反饋信號與輸出電壓參考值v_o^*進行比較，再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)和飽和環(huán)節(jié)作用輸出內(nèi)環(huán)電感電流調(diào)節(jié)控制的參考值i_L^*，計算公式如下：

內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)控制電感電流i_L：電流傳感器采集到高壓直流斷路器中電感電流i_L，通過內(nèi)環(huán)低通濾波器LPF過濾掉高次諧波后的反饋信號與輸出電壓參考值i_L^*進行比較，再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)和飽和環(huán)節(jié)作用輸出斷路器占空比D，計算如式如下：

為了解決傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法中不理想的問題，本發(fā)明采用對占空比進行零值檢測來進行控制：當故障發(fā)生時，由于雙閉環(huán)的調(diào)節(jié)作用，D由原來的穩(wěn)定值很快下降并降為零，此時零值檢測器檢測到就發(fā)送一個脈沖給二端開關(guān)，二端開關(guān)接受觸發(fā)將D值置零并保持，直到故障完全隔離并清除，該脈沖信號失效，雙閉環(huán)控制器恢復(fù)正常運行。

本發(fā)明實現(xiàn)了相比于傳統(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)斷路器的升壓變壓器功能，實現(xiàn)靈活應(yīng)用在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)生短路故障時快速地對短路故障進行有效的切除，實現(xiàn)保護高壓直流輸電設(shè)備及負載設(shè)備的目的。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

1、本申請中的基于Boost變換器的單向變壓型高壓直流斷路裝置，在裝置結(jié)構(gòu)上，只采用了一個IGBT開關(guān)模塊組，相對于其他多個IGBT開關(guān)模塊組的拓撲，在實現(xiàn)設(shè)備升壓功能和斷路器功能的基礎(chǔ)上，大大降低了設(shè)備成本，降低了設(shè)備運行損耗，因為該高壓直流斷路器的IGBT開關(guān)模塊組需要非常的多價格昂貴的IGBT單元串并聯(lián)而成，而且該設(shè)備的主要損耗來自于IGBT的開關(guān)損耗和導通損耗；

2、本申請中的基于Boost變換器的單向變壓型高壓直流斷路裝置，本裝置實現(xiàn)了相比于傳統(tǒng)高壓斷路器更多的功能，既能在高壓直流輸電系統(tǒng)正常運行時實現(xiàn)斷路器的升壓功能，也能夠?qū)崿F(xiàn)在輸電線路發(fā)生短路故障時快速地對短路故障進行及時有效的切除，實現(xiàn)保護高壓直流輸電設(shè)備及負載設(shè)備。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定；

圖1為本發(fā)明控制與保護系統(tǒng)的框圖；

圖2為基于Boost變換器的高壓直流斷路器的拓撲圖；

圖3為基于Boost變換器的高壓直流斷路器的拓撲圖局部A放大圖；

圖4為基于Boost變換器的高壓直流斷路器的拓撲圖局部B放大圖；

圖5為基于Boost變換器的高壓直流斷路器導通階段的運行原理圖；

圖6為基于Boost變換器的高壓直流斷路器關(guān)斷階段的運行原理圖；

圖7為基于Boost變換器的高壓直流斷路器的工作波形圖；

圖8為本發(fā)明短路故障切除高壓仿真結(jié)果圖；

圖9為本發(fā)明短路故障切除高壓仿真結(jié)果對應(yīng)的低壓實驗驗證結(jié)果圖；

圖10為圖9對應(yīng)的低壓仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種單向變壓型高壓直流斷路裝置及故障切除方法，解決了現(xiàn)有的斷路器存在無法同時能夠?qū)崿F(xiàn)直流升壓變壓器、高壓直流斷路器功能的技術(shù)問題，實現(xiàn)了高壓直流斷路裝置能夠同時實現(xiàn)直流升壓變壓器、高壓直流斷路器功能的技術(shù)效果。

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在相互不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述范圍內(nèi)的其他方式來實施，因此，本發(fā)明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

實施例一：

在實施例一中，請參考圖1，提供了一種基于Boost變換器的單向變壓型高壓直流斷路裝置，包括斷路器與控制系統(tǒng)，其中斷路器包括連接在正輸入端的電感L，電感L的輸出端與IGBT開關(guān)模塊組S₁陽極相連，IGBT開關(guān)模塊組S₁的陽極同時與二極管模塊組D₁的陽極連接，二極管模塊組D₁的陰極與正輸出端相連，IGBT開關(guān)模塊組S₁的陰極與負輸入端、負輸出端同時接地，正輸入端與負輸入端之間連接有輸入電容C_i，正輸出端與負輸出端之間連接有輸出電容C_o，具體拓撲如圖2所示，圖2中的IGBT開關(guān)模塊組是由多個IGBT模塊串并聯(lián)而成，局部放大圖如圖3所示，圖2中的二極管模塊組是由多個二極管模塊串并聯(lián)而成，局部放大圖如圖4所示；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、以及高壓直流斷路器，電壓傳感器采集到高壓直流斷路器的輸出端電壓v_o，輸出端電壓v_o經(jīng)過外環(huán)低通濾波器LPF后與輸出電壓參考值v_o^*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i_L，電感電流i_L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i_L^*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)生器之間還增加有一個輔助控制器。

圖5至圖7為本發(fā)明高壓直流斷路器運行原理圖和工作波形圖，Ldc值的選取考慮斷路器工作在連續(xù)模態(tài)，電感電流紋波系數(shù)5％，輸出電容的選取考慮在變換器額定工作狀態(tài)下輸出電壓紋波系數(shù)為10％，傳輸線的阻抗也考慮在測試之中，線路阻抗值選取多端直流系統(tǒng)中200km的傳輸線路，阻抗按0.11155mH/km和0.014Ω/km計算，仿真測試中線路電阻和電抗分別選為3Ω和20mH。圖8為該發(fā)明的斷路器在短路故障時的高壓仿真結(jié)果圖，在圖中可以看出，輸出電壓由原來的200kV升壓到300kV達到穩(wěn)定，當短路故障在0.6s時刻突然發(fā)生時，此時輸出端電壓很快降為零，此時短路故障電流急劇上升，但是由于控制系統(tǒng)中雙閉環(huán)的調(diào)節(jié)作用，此時，占空比也很快下降為零，并且經(jīng)輔助控制器檢測到故障的發(fā)生，將占空比鎖定在零值并保持直至短路故障切除，從而實現(xiàn)短路故障的有效快速切除，從而使得故障電流峰值被限制在一個相對安全的值，起到保護整個高壓輸電系統(tǒng)設(shè)備及負載安全。為了更好地驗證該高壓直流斷路器拓撲和控制系統(tǒng)的變壓功能和短路故障切除功能，如圖9所示的低壓低功率實驗驗證結(jié)果圖，使用的拓撲和控制方法和高壓一樣，只是變壓等級不同，從圖中可以看出，輸出端電壓從100V升壓到150V并達到穩(wěn)態(tài)，驗證了該發(fā)明拓撲的變壓功能。在穩(wěn)定態(tài)時，加入一個短路故障，由于雙閉環(huán)控制和輔助控制的共同作用下，故障在6ms內(nèi)將故障有效切除，很好地將短路故障電流控制在一個安全是數(shù)值內(nèi)，這驗證了該發(fā)明拓撲的斷路器功能。其中圖10為圖9實驗驗證結(jié)果相應(yīng)的低壓低功率仿真結(jié)果，可以看出圖9和圖10的波形很相似，這樣更好地驗證了高壓和低壓仿真的結(jié)果的有效性。

上述本申請實施例中的技術(shù)方案，至少具有如下的技術(shù)效果或優(yōu)點：

1、本申請中的基于Boost變換器的單向變壓型高壓直流斷路裝置，在裝置結(jié)構(gòu)上，只采用了一個IGBT開關(guān)模塊組，相對于其他多個IGBT開關(guān)模塊組的拓撲，在實現(xiàn)設(shè)備升壓功能和斷路器功能的基礎(chǔ)上，大大降低了設(shè)備成本，降低了設(shè)備運行損耗，因為該高壓直流斷路器的IGBT開關(guān)模塊組需要非常的多價格昂貴的IGBT單元串并聯(lián)而成，而且該設(shè)備的主要損耗來自于IGBT的開關(guān)損耗和導通損耗；

2、本申請中的基于Boost變換器的單向變壓型高壓直流斷路裝置，本裝置實現(xiàn)了相比于傳統(tǒng)高壓斷路器更多的功能，既能在高壓直流輸電系統(tǒng)正常運行時實現(xiàn)斷路器的升壓功能，也能夠?qū)崿F(xiàn)在輸電線路發(fā)生短路故障時快速地對短路故障進行及時有效的切除，實現(xiàn)保護高壓直流輸電設(shè)備及負載設(shè)備。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。