柔性直流輸電系統的短路保護電路的制作方法

本發明涉及電力保護技術領域，尤其涉及一種柔性直流輸電系統的短路保護電路、系統、方法及換流閥級控制器。

背景技術：

2001年，德國學者r.marquardt發明了采用半橋子模塊的模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，mmc)拓撲結構，該型拓撲的橋臂采用基本子模塊級聯的形式，避免了大量開關器件直接串聯和一致觸發等難題。

半橋型mmc的子模塊通常采用igbt等電力電子器件，雖然這些器件可以實現控制開通和關斷，但過流能力差，另外，半橋型mmc在直流側發生短路故障時，除了直流電容等放電外，交流系統也會通過換流閥向交流系統提供短路電流，因此半橋型mmc本身不具備直流故障清除能力，如果故障電流上升太快會威脅換流閥特別是igbt等電力電子開關器件的安全。

現有技術中，mmc型柔性直流輸電系統的平波電抗器方案是直接在直流側正極和負極各串聯一個電抗器，具有阻擋雷電波直接侵入換流站和濾波的作用，雖然能在mmc型柔性直流輸電系統發生直流短路故障前期短時間內可以發揮一定的抑制短路電流的作用，但當mmc換流閥發生閉鎖時，短路電流則是由交流側提供短路電流，現有技術中的平波電抗器串聯在直流側，對該短路電流并不起作用，導致了當mmc型柔性直流輸電系統的直流側發生雙極短路時，由于現有的平波電抗器串聯在直流側，在mmc換流閥閉鎖后無法抑制短路電流的上升速度，以及無法降低短路電流的最大值和穩態值，使得換流閥存在安全隱患的技術問題。

技術實現要素：

本發明提供了一種柔性直流輸電系統的短路保護電路、系統、方法及換流閥級控制器，用于解決現有技術中的平波電抗器串聯在直流側，在mmc換流閥閉鎖后對該短路電流并不起作用，導致了當mmc型柔性直流輸電系統的直流側發生雙極短路時，由于現有的平波電抗器串聯在直流側，在mmc換流閥閉鎖后無法抑制短路電流的上升速度，以及無法降低短路電流的最大值和穩態值，使得換流閥存在安全隱患的技術問題。

本發明提供的一種柔性直流輸電系統的短路保護電路，包括：

第一電抗器、第二電抗器、第三電抗器、第一晶閘管和第二晶閘管；

所述第一電抗器的第一端、所述第二電抗器的第一端和所述第三電抗器的第一端分別與柔性直流輸電系統的模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端、第二相輸出端和第三相輸出端連接，所述第一電抗器的第二端、所述第二電抗器的第二端和所述第三電抗器的第二端連接到第一節點；

所述第一晶閘管和所述第二晶閘管按照預設連接方法與所述橋臂的第一相輸出端、第二相輸出端和第三相輸出端連接；

其中，所述預設連接方法為：所述第一晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端和第二相輸出端之間，所述第二晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端和第三相輸出端之間；

或，所述第一晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第二相輸出端和第三相輸出端之間，所述第二晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第二相輸出端和第一相輸出端之間；

或，所述第一晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第三相輸出端和第一相輸出端之間，所述第二晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第三相輸出端和第二相輸出端之間。

優選地，所述第一電抗器、所述第二電抗器和所述第三電抗器的電抗值相等。

優選地，所述第一節點與直流線路連接。

優選地，所述第一晶閘管和所述第二晶閘管為雙向晶閘管。

本發明提供的一種用于控制本發明提及的任意一項所述的柔性直流輸電系統的短路保護電路的換流閥級控制器；

所述換流閥級控制器分別與第一晶閘管的控制端和第二晶閘管的控制端連接，用于控制所述第一晶閘管和所述第二晶閘管的開斷。

本發明提供的一種用于保護柔性直流輸電系統的短路保護系統，包括本發明提及的一種柔性直流輸電系統的短路保護電路和本發明提及的一種換流閥級控制器。

優選地，所述換流閥級控制器包括：

第一控制模塊，用于持續給第一晶閘管和第二晶閘管發送觸發脈沖；

第一觸發模塊，用于根據獲取到的柔性直流輸電系統是否發生雙極短路故障的第一判斷結果進行對應觸發操作，若所述第一判斷結果為柔性直流輸電系統是發生雙極短路故障，則觸發第二控制模塊，若否，則再次觸發第一控制模塊；

第二控制模塊，用于停止給所述第一晶閘管和所述第二晶閘管發送觸發脈沖。

優選地，所述換流閥級控制器還包括：

第二觸發模塊，用于根據獲取到的柔性直流輸電系統雙極短路故障是否清除的第二判斷結果進行對應觸發操作，若所述第二判斷結果為柔性直流輸電系統雙極短路故障清除，則觸發第一控制模塊，若所述第二判斷結果為柔性直流輸電系統雙極短路故障未清除，則執行第二控制模塊。

本發明提供的一種柔性直流輸電系統的短路保護方法，包括：

s1：持續給第一晶閘管和第二晶閘管發送觸發脈沖信號；

s2：根據獲取到的柔性直流輸電系統是否發生雙極短路故障的第一判斷結果進行對應觸發操作，若所述第一判斷結果為柔性直流輸電系統是發生雙極短路故障，則執行步驟s3，若否，則返回執行步驟s1；

s3：停止給所述第一晶閘管和所述第二晶閘管發送觸發脈沖。

優選地，所述步驟s3之后還包括：

s4：根據獲取到的柔性直流輸電系統雙極短路故障是否清除的第二判斷結果進行對應觸發操作；

若所述第二判斷結果為柔性直流輸電系統雙極短路故障未清除，則返回執行步驟s3；

若所述第二判斷結果為柔性直流輸電系統雙極短路故障清除，則返回執行步驟s1。

從以上技術方案可以看出，本發明具有以下優點：

本發明提供的一種柔性直流輸電系統的短路保護電路，包括：第一電抗器、第二電抗器、第三電抗器、第一晶閘管和第二晶閘管；所述第一電抗器的第一端、所述第二電抗器的第一端和所述第三電抗器的第一端分別與柔性直流輸電系統的模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端、第二相輸出端和第三相輸出端連接，所述第一電抗器的第二端、所述第二電抗器的第二端和所述第三電抗器的第二端連接到第一節點；所述第一晶閘管和所述第二晶閘管按照預設連接方法與所述橋臂的第一相輸出端、第二相輸出端和第三相輸出端連接；其中，所述預設連接方法為：所述第一晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端和第二相輸出端之間，所述第二晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端和第三相輸出端之間；或，所述第一晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第二相輸出端和第三相輸出端之間，所述第二晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第二相輸出端和第一相輸出端之間；或，所述第一晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第三相輸出端和第一相輸出端之間，所述第二晶閘管連接在所述模塊化多電平換流器一側橋臂的第三相輸出端和第二相輸出端之間。本發明中當發生雙極短路時，第一晶閘管和第二晶閘管關斷，使得第一電抗器、第二電抗器和第三電抗器分別串聯在模塊化多電平換流器一側橋臂上，相當于三個電抗器接到交流側，可以抑制短路電流的上升速度、降低短路電流的最大值和穩態值。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發明提供的一種柔性直流輸電系統的短路保護電路的一個實施例的結構示意圖；

圖2為本發明提供的一種柔性直流輸電系統的短路保護電路的一個實施例的拓撲示意圖；

圖3為本發明提供的一種用于保護柔性直流輸電系統的短路保護系統的一個實施例的結構示意圖；

圖4為本發明提供的一種用于保護柔性直流輸電系統的短路保護系統的另一個實施例的結構示意圖；

圖5為本發明提供的一種柔性直流輸電系統的短路保護方法的一個實施例的流程示意圖；

其中，附圖標記如下：

l1、第一電抗器；l2、第二電抗器；l3、第三電抗器；1、第一晶閘管；2、第二晶閘管；3、換流閥級控制器；4、第一控制模塊；5、第一觸發模塊；6、第二控制模塊；7、第二觸發模塊。

具體實施方式

本發明實施例提供了一種柔性直流輸電系統的短路保護電路、系統、裝置、方法及換流閥級控制器，用于解決現有的平波電抗器串聯在直流側，在mmc換流閥閉鎖后無法抑制短路電流的上升速度，以及無法降低短路電流的最大值和穩態值，使得換流閥存在安全隱患的技術問題。

為使得本發明的發明目的、特征、優點能夠更加的明顯和易懂，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而非全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”、“第三”等是用于區別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數據在適當的情況下可以互換。

請參閱圖1和圖2，本發明實施例提供的一種柔性直流輸電系統的短路保護電路，包括：

第一電抗器l1、第二電抗器l2、第三電抗器l3、第一晶閘管1和第二晶閘管2；

需要說明的是，為了使得電路能夠對柔性直流輸電系統短路故障時快速切斷故障，電路的第一晶閘管1和第二晶閘管2為關斷時間在個位數毫秒級，且具有一定開斷短路電流的開關。

需要說明的是，第一電抗器l1、第二電抗器l2和第三電抗器l3的電抗值越大，對于短路電流的抑制效果越明顯。

第一電抗器l1的第一端、第二電抗器l2的第一端和第三電抗器l3的第一端分別與柔性直流輸電系統的模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端、第二相輸出端和第三相輸出端連接，第一電抗器l1的第二端、第二電抗器l2的第二端和第三電抗器l3的第二端連接到第一節點；

需要說明的是，mmc一共擁有6個橋臂，每個橋臂都是由多個子模塊(sub-module，sm)和1個橋臂電抗器串聯而成，mmc能夠實現交流與直流之電能轉換，基于mmc結構的柔性直流輸電換流器拓撲結構包括1個聯接變壓器、包括有6個橋臂的兩側橋臂(每個橋臂由多個子模塊和一個橋臂電抗器串聯)，本發明實施例中的第一電抗器l1、第二電抗器l2和第三電抗器l3是接在一側橋臂(包括3個橋臂)的輸出端上的。

第一晶閘管1和第二晶閘管2按照預設連接方法與橋臂的第一相輸出端、第二相輸出端和第三相輸出端連接；

其中，預設連接方法為：第一晶閘管1連接在模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端和第二相輸出端之間，第二晶閘管2連接在模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端和第三相輸出端之間；

或，第一晶閘管1連接在模塊化多電平換流器一側橋臂的第二相輸出端和第三相輸出端之間，第二晶閘管2連接在模塊化多電平換流器一側橋臂的第二相輸出端和第一相輸出端之間；

或，第一晶閘管1連接在模塊化多電平換流器一側橋臂的第三相輸出端和第一相輸出端之間，第二晶閘管2連接在模塊化多電平換流器一側橋臂的第三相輸出端和第二相輸出端之間。

需要說明的是，第一晶閘管1和第二晶閘管2分別接在三相輸出端的(a端與b端、a端與c端)(b端與a端、b端與c端)(c端與a端、c端與b端)之間，其中，a端、b端、c端分別指模塊化多電平換流器一側橋臂的a相輸出、b相輸出、c相輸出(分別對應模塊化多電平換流器一側橋臂的第一相輸出端、第二相輸出端和第三相輸出端)，實際實施中可按照具體需求去設置，這里不做限定。

以上是對柔性直流輸電系統的短路保護電路進行的描述，下面將對用于控制發明實施例提及的任意一項柔性直流輸電系統的短路保護電路的換流閥級控制器3進行詳細的描述。

本發明實施例提供的一種換流閥級控制器3，換流閥級控制器3分別與第一晶閘管1的控制端和第二晶閘管2的控制端連接，用于控制第一晶閘管1和第二晶閘管2的開通、關斷。

需要說明的是，柔性直流輸電系統的控制器可以分為：系統-換流站級控制、換流器級控制和換流閥級控制，其中換流閥級控制器3的功能包括向igbt、晶閘管等電力電子功率器件的驅動電路發送控制指令，由驅動電路來觸發igbt和晶閘管的開通、關斷。

參照圖3和圖4，本發明實施例提供的一種用于保護柔性直流輸電系統的短路保護系統，包括：

如圖1、圖2實施例中提及的一種柔性直流輸電系統的短路保護電路，以及發明實施例中提及的換流閥級控制器3。

進一步的，換流閥級控制器3包括：

第一控制模塊4，用于持續給第一晶閘管1和第二晶閘管2發送觸發脈沖；

第一觸發模塊5，用于根據獲取到的柔性直流輸電系統是否發生雙極短路故障的第一判斷結果進行對應觸發操作，若第一判斷結果為柔性直流輸電系統是發生雙極短路故障，則觸發第二控制模塊6，若否，則再次觸發第一控制模塊4；

第二控制模塊6，用于停止給第一晶閘管1和第二晶閘管2發送觸發脈沖；

第二觸發模塊7，用于根據獲取到的柔性直流輸電系統雙極短路故障是否清除的第二判斷結果進行對應觸發操作，若第二判斷結果為柔性直流輸電系統雙極短路故障清除，則觸發第一控制模塊4，若第二判斷結果為柔性直流輸電系統雙極短路故障未清除，則執行第二控制模塊6。

以上是對一種用于保護柔性直流輸電系統的短路保護系統進行的描述，下面將對基于圖3和圖4實施例提及的柔性直流輸電系統的短路保護電路的柔性直流輸電系統的短路保護方法進行詳細的描述。

參照圖5，本發明實施例提供的一種基于圖1和圖2提及的用于保護柔性直流輸電系統的短路保護系統的一種柔性直流輸電系統的短路保護方法，包括：

s501：持續給第一晶閘管1和第二晶閘管2發送觸發脈沖信號；

s502：根據獲取到的柔性直流輸電系統是否發生雙極短路故障的第一判斷結果進行對應觸發操作，若第一判斷結果為柔性直流輸電系統是發生雙極短路故障，則執行步驟s503，若否，則返回執行步驟s501；

s503：停止給第一晶閘管1和第二晶閘管2發送觸發脈沖；

s504：根據獲取到的柔性直流輸電系統雙極短路故障是否清除的第二判斷結果進行對應觸發操作；

若第二判斷結果為柔性直流輸電系統雙極短路故障未清除，則返回執行步驟s503；

若第二判斷結果為柔性直流輸電系統雙極短路故障清除，則返回執行步驟s501。

需要說明的是，當判斷柔性直流輸電系統雙極短路故障已經清除后，控制第一晶閘管1和第二晶閘管2導通，使得柔性直流輸電系統的短路保護電路進入正常工作狀態。

需要說明的是，sm由兩個絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)、兩個與igbt反并聯的二極管和一個直流電容器組成的半橋型電路，當柔性直流輸電系統的直流側發生雙極短路時，柔性直流輸電系統的控制器會控制所有sm的igbt都處于截止狀態(mmc換流器閉鎖狀態)，此時電流完全從二極管上流過。

柔性直流輸電系統正常工作時，第一晶閘管1和第二晶閘管2導通，第一電抗器l1、第二電抗器l2和第三電抗器l3并聯后串接在直流側，此時保護電路與傳統平波電抗器的作用相同，可以起到阻擋雷電波直接侵入換流站和濾波的作用；當柔性直流輸電系統發生雙極短路時，第一晶閘管1和第二晶閘管2關斷，第一電抗器l1、第二電抗器l2和第三電抗器l3分別和模塊化多電平換流器的三個橋臂連接，相當于三個電抗器接到了交流側，可以抑制短路電流的上升速度、降低短路電流的最大值和穩態值。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統，系統和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統，裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特征可以忽略，或不執行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。

另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現，也可以采用軟件功能單元的形式實現。

以上所述，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。