基于Buck-Boost變換器拓撲的高壓直流斷路器及其切除故障的方法
【技術(shù)領(lǐng)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 Buck-Boost變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路器。
【背景技術(shù)】
[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(shù)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) 模可再生能源的高效集成和交換W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(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。
[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。混合式斷路器兼具機械斷路器良好的靜 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(guān)電流的方式，因為對于需要焰弧的機械開關(guān)，電流越大，焰弧越困 難；而對于無需焰弧的電力電子器件，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。

【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Buck-Boost變換器拓撲的新型單向變壓型高壓直流斷路器，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] 為了實習上述目的本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于Buck-Boost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連接在正輸入端的IGBT開關(guān)模塊組Si，IGBT開關(guān)模塊組Si 的輸出端連接至電感以電感L的輸出端作為負輸出端，正輸入端與負輸入端之間連接有輸 入電容。，正輸出端與負輸出端之間連接有輸出電容C。，IGBT開關(guān)模塊Si的輸出端同時與 二極管模塊組Di的負極連接，二極管模塊組D1的正極與正輸出端相連；
[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Buck-Boost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(guān)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(guān)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(guān)模態(tài)l[0，tJ中，t= 0時，功率開關(guān)組Si處于導通狀態(tài)，而二極管Di則處 于反向截止狀態(tài)，輸入電源Vi對電抗器Ld。充磁，具體如圖5所示，根據(jù)基爾霍夫電壓定理 可得下式：
[0011]
【主權(quán)項】
1. 一種基于Buck-Boost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， 包括高壓直流斷路器和控制系統(tǒng)， 高壓直流斷路器包括：與正輸入端連接的IGBT開關(guān)模塊組SI，IGBT開關(guān)模塊組Sl輸 出端連接有電感L和二極管模組塊組Dl，電感L另一端和二極管模塊組Dl的正極均與正輸 出端連接，正輸入端和負輸入端間設置有輸入電容C i,正輸出端與負輸出端之間設置有輸 出電容C。； 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 <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(quán)利要求1所述的一種基于Buck-Boost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(guān)，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(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(quán)利要求2所述一種基于Buck-Boost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(guān)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任一所述的基于Buck-Boost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(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(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Buck-Boost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】H02M3-155, H02H3-08
【公開號】CN104767169
【申請?zhí)枴緾N201510176819
【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