一种分布式串联耦合潮流控制器的保护装置及方法与流程

本发明涉及交流输电系统技术领域，具体涉及一种分布式串联耦合潮流控制器的保护装置及方法。

背景技术：

分布式潮流控制器(DPFC)是一种利用分布式的小型化单相子单元对电网潮流进行控制的控制器，具有体积小、重量轻、成本低廉等特点；大量分布式子单元保障了设备的冗余性，进而提升了装置的可靠性；同时，DPFC装置可采用分布式的方式安装在输电线路上，其有效解决了变电站场地紧张等问题，同时可以大幅提高电网运行的稳定性、经济性和可靠性。

在交流输电系发生故障时，线路中会流经较大的故障电流，对于串联在线路中的分布式潮流控制器及其二次侧所连接的设备造成过流和过压的情况。

在无任何潮流控制装置的系统中，电网潮流主要根据系统输电线路等阻抗函数自然分布，较之于高阻抗输电线路，低阻抗输电线路将承担更大的系统潮流。但这种自然形成的、不受控制的潮流分布通常上不是系统运行所希望的潮流分布，还可能会给系统的运行带来输送能力不足、传输损耗大、电压越限，甚至破坏系统稳定等一系列问题。

此外，根据国家能源战略和电力规划措施的实行，当跨区域、大容量特高压直流输电中的直流功率分层接入电网后，引起的潮流控制与灵活消纳问题，以及大规模新能源集中接入后，对电网运行及潮流柔性控制的影响，使得电力系统对潮流控制、输电能力和稳定程度提出了更高的要求。

因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种分布式串联耦合潮流控制器的保护装置及其保护方法。

其保护装置包括：分别并联在耦合变压器副边的避雷器和电流互感器；避雷器与快速旁路开关并联，快速旁路开关经第一开关与电压换流器并联。

电流互感器包括：电流取能电路和电流采样电路；电流取能电路和电流采样电路经控制单元分别与快速旁路开关、第一开关及电压换流器相连。

避雷器并联在耦合变压器副边的二次侧出口处。

快速旁路开关包括：一对反并联的晶闸管及与反并联的晶闸管并联的第二开关。电压源换流器中的IGBT模块采用H桥连接方式；H桥的桥臂设有可关断器件IGBT及与可关断器件IGBT并联的二极管；IGBT模块与电容并联。

耦合变压器的铁芯呈圆筒状。耦合变压器的原边为输电线路，所述原边绕组与各副边绕组间采用独立的铁芯结构，其采用硅钢片压制而成。

避雷器为金属氧化物避雷器。控制单元包括无线通信模块。

其保护方法包括步骤：1)电压换流器检测到故障电流后，关断电压源换流器中的可关断器件IGBT；2)控制单元采样故障电流后，断开第一开关，判断故障类型，导通快速旁路开关中反并联的晶闸管；3)故障电流对电压换流器中的电容充电；4)故障电流完成从避雷器向反并联的晶闸管转移后，闭合第二旁路开关；5)第二开关载流至故障结束。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明通过一对反并联的晶闸管和机械开关组成的旁路开关BPS，使故障电流全部由旁路开关承载，并根据实际线路工况选定的金属氧化物避雷器MOV和带有内置过流保护的IGBT驱动模块，从而避免了旁路开关在旁路后意外误动断开，MOV因短路时间过长而超过其能量承载能力而损坏后，故障电流不得不经二极管给电容充电而造成电容、VSC电路电压过高而产生损毁的情况。

2、本发明通过协调优化动作顺序和完备的设备检测手段，实现了正常运行工况下器件故障所导致的设备故障监视保护，避免对线路正常运行产生其他负面影响，有效对故障情况下线路进行了设备保护。

3、本发明通过修改故障电流保护定值，以适应不同规划时期的电网线路故障保护需求，避免了其他设备选型需相互配合并考虑线路工况及故障类型的情况。

附图说明

图1为本发明的主电路图；

图2为本发明中耦合变压器的结构图；

图中:1-铁芯1,2-铁芯2,3-输电线路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种用于分布式潮流控制器(DPFC)的保护装置，旨在对线路存在故障电流的情况下，通过保护设备的配合动作为设备提供全方位的保护措施。

本发明涉及的分布式串联耦合潮流控制器保护装置，包括：分别并联在耦合变压器副边的避雷器和电流互感器；避雷器与快速旁路开关并联，快速旁路开关经第一开关与电压换流器并联。

本发明还涉及的分布式串联耦合潮流控制器保护方法，包括如下步骤：

1)电压换流器检测到故障电流后，关断电压源换流器中的可关断器件IGBT；

2)控制单元采样故障电流后，断开第一开关，判断故障类型，导通快速旁路开关中反并联的晶闸管；

3)故障电流对所述电压换流器中的电容充电；

4)故障电流完成从避雷器向所述反并联的晶闸管转移后，闭合第二旁路开关；

5)第二开关载流至故障结束。

具体的，如图1所示的分布式潮流控制器主要由耦合变压器、机械开关K1(上文方法中的第一开关)、晶闸管开关K2(上文方法中的第二开关)、包括全桥IGBT整流模块的电压换流器VSC(后文电压换流器简称为VSC)、包括取能电路和采样电路的电流互感器、金属氧化物避雷器MOV(后文避雷器简称为MOV)及包括无线通信模块的控制单元等组成。其利用耦合变压器二次侧的电压源换流器VSC电路来调节与线路电流垂直的无功电压，通过对无功电压大小和相位(超前或滞后于线路电流相位)的调节，来控制系统的潮流。

如图2所示的耦合变压器结构，其铁芯为圆筒状，由多层硅钢片压制而成，将耦合变压器穿套在架空输电线或线路转角耐张塔的跳线上，紧密的卡合在一起，并用螺栓紧固，形成闭合磁路。耦合变压器为多绕组变压器，变压器原边为一匝，即输电线路；变压器副边为多匝多绕组结构，副边主绕组将电压、电流调整为与电压源换流器相适应的数值，各副边绕组与原边绕组间采用独立的铁芯，各副边绕组对应的是铁芯2，原边绕组对应的是铁芯1。各绕组之间互不影响。

变压器的副边出口依次并联金属氧化物避雷器、快速旁路开关BPS(包含一对反并联的晶闸管和机械开关)以及电压源换流器VSC。电压源换流器VSC功率器件采用可关断器件IGBT，H桥连接方式及两电平输出PWM整流交流方波。

取能电路采用与耦合变压器独立的电流互感器作为供电方式之一，除此之外还可采用直流电压的取能方式，在换流器工作稳定后，可以实现建立直流支撑电压。

分布式潮流控制器的保护装置，耦合变压器铁芯通过螺栓等附件卡合紧固在输电线路上，多匝缠绕的二次侧绕组出口接所有保护和控制装置，连接顺序及设计理念依次如下：

正常工作情况下的模式切换：

①从正常工作状态切换为旁路电抗模式：同时发出TBS旁路晶闸管的开通触发脉冲信号和晶闸管开关K2的闭合信号。

由于晶闸管动作速度快，先导通，随后开关K闭合，待控制器检测到K闭合之后再闭锁晶闸管触发脉冲，完成电流从VSC部分向BPS转移。

②当需要切换至开路模式，需先切换至旁路电抗模式，使BPS先导通，然后发出机械开关K1断开信号指令。

这种情况下，机械开关K1选型不需要选择额定开断能力很大的型号。

故障情况下的保护设备及其作用：

当线路发生短路故障时，故障电流经耦合变压器感应到二次侧绕组。若分布式潮流控制器处于正常工作模式下，当控制器通过瞬时电流检测法检测到故障电流后(保护动作定值可根据实际情况进行修改)，迅速发出BPS旁路命令，操作顺序如上所述，晶闸管先触发导通，随后晶闸管开关K2闭合，闭锁晶闸管触发脉冲。当副变端口电压降为0，故障电流全部由旁路承载。

MOV并联在耦合变压器的二次侧出口即熔断器下游侧，用来限制变压器二次侧过压。经仿真验证，在故障发生初期，控制器在检测故障电流及处理发送晶闸管触发脉冲的几十毫秒内，由于旁路回路还未形成，故障电流仍会流经VSC回路，且IGBT等元件对过流和过压非常敏感，若不限制则会迅速损坏器件，MOV的主要作用就是在此几十毫秒内提供故障电流的回路。二次侧故障电流经二极管向直流电容充电，当电压达到并超过MOV的标称放电电压时，MOV会依据自身伏安特性将副边电压稳定在故障电流下对应的残压值。故障电流将完全经由MOV进行泄放。MOV选型需使得其在线路最大故障电流时，可以将二次侧端口电压限制在各器件的额定电压值以下。

IGBT模块选择含有内置过流保护的型号，如三菱M57962、英飞凌2ED300C17。该类驱动控制模块在检测到IGBT管子出现过流后，会在几微秒之内闭锁触发信号，使得IGBT关断。该类驱动模块有两种检测过流的方法，一种是通过检测V_CE电压高于内部设定值后，闭锁触发信号；另一种是通过测量V_GE的电压高于通过外部RC回路设置的门限值后，闭锁触发脉冲。IGBT闭锁后，直流电容电压通过二极管的充电回路建立，当其值高于MOV在此时故障电流下的泄放电压后，所有电流将通过MOV构成回路流通。

机械开关K1：不仅是模式切换时的必要设备，也是保护动作中的一个关键设备。

在故障过程中，当BPS旁路后，故障电流完全转移至开关晶闸管开关K2后，控制器发出机械开关K1的断开信号，使VSC与耦合变压器断开连接。这个开关的目的一个是为了确保DPFC在故障后重新投入运行时不会遭受VSC与耦合变压器副边端口电压不相等时，产生的短时电流及电压变化率过大而损伤器件的问题；二是为了防止旁路开关在旁路后意外误动断开，MOV因短路时间过长而超过其能量承载能力而损坏，导致故障电流不得不经二极管给电容充电，造成电容、VSC电路电压过高产生损毁的情况。

故障情况下的保护设备动作顺序：

故障情况下线路流经短路电流，在耦合变压器原边感应产生高电压，同理副边也会产生高电压及大电流。在故障电流产生后的几微秒内，IGBT驱动电路检测到过流后瞬间闭锁IGBT的触发脉冲，同时控制器也通过连续数个点的电流瞬时值采样判断故障，并发出BPS(晶闸管及旁路开关K)的触发及导通命令。

但在控制器判断短路电流并发送BPS导通命令的十几至二十毫秒时间内，故障电流会通过VSC电路中的二极管对电容迅速充电，变压器的副变端口电压将会在几毫秒内升至MOV的标称放电电压，因此，在电压建立至控制器旁路导通信号到达BPS回路的十几毫秒内，短路电流会通过MOV流通，进而限制了副边端口电压。BPS在收到导通命令后，瞬间触发晶闸管，完成故障电流从MOV向晶闸管的转移，随后旁路开关K完成闭合动作，晶闸管中的电流转移至旁路开关K，并由旁路开关K载流至故障结束，自此故障情况下的各保护设备完成保护动作。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。