一种基于耦合电抗器的高压直流限流器的制作方法

本发明属于高压直流限流器领域，更具体地，一种基于耦合电抗器的高压直流限流器。

背景技术：

由于分布式能源接入直流电网对系统的直流影响较小，因此直流输电是解决绿色可再生能源接入电网的有效措施，相比于交流输电，直流输电具有输电距离远、输电量大等优点，全球多国开展了相关建设。而柔性直流输电，对比传统两端的直流输电，因其输送距离远，损耗小、无功/有功功率独立控制，无需滤波及无功补偿设备，可向无源负荷供电，潮流反转时电压极性不改变等优势，直流输电技术逐渐成为国内外研究热点。

由于柔性直流输电网的直流侧阻抗很小，当直流侧发生短路故障时，故障电流快速上升，如果不在短时间内切除故障，会导致换流侧交流断路器动作，换流阀组闭锁，影响整个系统的正常运行，极大地降低了柔性直流输电系统的可靠性和灵活性。直流断路器能短时间内快速切除故障电流、隔离故障点，保证系统的正常运行，各国专家开展了广泛研究。但是由于直流系统阻抗小，故障电流上升快，使得断路器开断压力大，而且直流系统里面存在的感性元件，当开断的故障电流过大时，感性元件存储的能量大，存储的能量通过避雷器吸收导致避雷器吸能压力过大，影响避雷器使用寿命。为了保护避雷器，减小断路器开断压力，提高系统的安全性，节省投资，直流限流器的研制尤为必要，该方案解决了高压直流断路器运行过程中的许多技术问题，对于发展柔性直流输电网变得尤为重要，对提高直流输电系统的可靠性和灵活性具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于耦合电抗器的高压直流限流器，旨在解决现有技术中由于开断大故障电流困难以及开断大故障电流导致避雷器吸能过高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于耦合电抗器的高压直流限流器，包括：限流模块，吸能模块和直流断路器模块；限流模块用于发生故障时限制故障电流的上升率；限流模块包括：第一反向耦合电抗器L1、第二反向耦合电抗器L2和平波电抗器L3，第一反向耦合电抗器L1和第二反向耦合电抗器L2反向耦合后其一端用于连接平波电抗器L3，另一端用于连接直流断路器模块；发生故障时第一反向耦合电抗器L1所在支路的电流与第二反向耦合电抗器L2所在支路的电流不相等；吸能模块并联连接在所述限流模块的两端，用于当直流断路器开断后抑制所述限流模块存储的能量；直流断路器模块用于开断故障电流并吸收线路中残余的能量。

更进一步地，限流模块还包括：预充电电容C，其并联在第二反向耦合电抗器L2两端，故障时触发晶闸管SCR4导通，预充电电容C和第二反向耦合电抗器L2振荡产生一个反向电流，使得第一反向耦合电抗器L1和第二反向耦合电抗器L2内的电流有一个不相等的趋势，从而使耦合电抗器等效出一个大电感限流。

更进一步地，限流模块还包括：吸能回路二极管D，其与第一反向耦合电抗器L1串联，用于阻止预充电电容C与所述第一反向耦合电抗器L1之间形成振荡。

更进一步地，限流模块还包括：可触发晶闸管SCR4，其与预充电电容C串联，用于在故障时导通，将预充电电容C投入使用。

更进一步地，限流模块还包括：触发器，与可触发晶闸管SCR4的控制端连接，用于当出现故障时触发所述可触发晶闸管SCR4导通，使得所述预充电电容放电。

更进一步地，吸能模块包括：第一吸能单元、第二吸能单元和第三吸能单元；第一吸能单元并联连接在第一反向耦合电抗器L1的两端，用于抑制第一反向耦合电抗器L1储存的能量向避雷器泄放；第二吸能单元并联连接在第二反向耦合电抗器L2的两端，用于抑制第二反向耦合电抗器L2储存的能量向避雷器泄放；第三吸能单元并联连接在平波电抗器L3的两端，用于抑制平波电抗器L3储存的能量向避雷器泄放。

更进一步地，第一吸能单元、第二吸能单元和第三吸能单元的结构相同，均包括依次串联连接的电阻和可触发晶闸管。

更进一步地，直流断路器模块包括：直流断路器，与限流模块串联连接。

更进一步地，直流断路器模块还包括避雷器，用于吸收电路中多余的电感能量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)显著减小了避雷器的吸能和断路器开断压力，正常工作时反向耦合电抗器L1、L2两端电流相等，铁心中磁通量几乎为零，等效电感为反向耦合电抗器的漏感，等效电感小，不会对系统造成很大影响，故障时触发晶闸管SCR4导通，预充电电容C和耦合电抗器L2部分振荡产生一个反向电流，使得L1、L2两回线路电流有不相等的趋势，此时耦合电抗器部分会等效出一个较大的电感，该电感配合平波电抗器部分共同为故障回路限流，显著减小了断路器的开断压力；同时使得开断时电流小，线路电感储能降低，电流减小也降低了故障期间电源向故障侧提供的能量，两者共同限制了避雷器吸能。

(2)吸能模块采用晶闸管串联电阻吸能，显著降低了平波电抗器和反向耦合电抗器能量向避雷器的传递，避雷器吸能减小，延长了避雷器的使用寿命，改善了经济效益。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于耦合电抗器的高压直流限流器的原理框图；

图2为本发明提供的一种基于耦合电抗器的高压直流限流器的具体电路结构示意图；

其中，1为限流模块，2为吸能模块，3为直流断路器模块；DCCB为直流断路器，C为预充电电容，SCR4为可触发晶闸管，D为吸能回路二极管，R1、R2、R3分别为吸能回路电阻，L1，L2分别为反向耦合电抗器，L3为平波电抗器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的目的是提供一种基于耦合电抗器的高压直流限流器，旨在保证高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流和承受高电压的基础上，可限制故障电流，减小吸能，在开断能力范围之内，增加开断的可靠性，同时吸能降低可极大地减小避雷器的负担。

图1示出了本发明提供的一种基于耦合电抗器的高压直流限流器的原理；图2示出了本发明提供的一种基于耦合电抗器的高压直流限流器的具体电路结构；现参照图1和图2对本发明进行详述如下：

本发明提供的基于耦合电抗器的高压直流限流器包括：限流模块1，吸能模块2和直流断路器模块3；

限流模块1由耦合电抗器、平波电抗器、预充电电容C和晶闸管SCR4构成，耦合电抗器L1、L2反向耦合，保持两回路制作对称，尽可能使之全耦合，正常工作时两回路电流相同，耦合电抗器铁芯的磁通量几乎为0，此时耦合电抗器部分电感等效为电感很小的漏感，对系统影响很小。出现故障时，触发晶闸管SCR4导通，预充电电容和耦合电抗器L2部分振荡，产生一个反向电流，使得L1、L2两回线路电流有不相等的趋势，此时耦合电抗器部分会等效出一个较大的电感，该电感配合平波电抗器部分共同为故障回路限流。二极管D的作用是为了阻止预充电电容C和耦合电抗器的L1部分振荡。

由于限流模块1包括反向耦合电抗器(L1、L2)，当故障时触发晶闸管SCR4导通，预充电电容和L2部分振荡产生一个反向电流，使得L1、L2两回线路电流有不相等的趋势，反向耦合电抗器部分等效出一个较大的电感，该电感配合平波电抗器部分共同为故障回路限流。

吸能模块2包括：多个由晶闸管与电阻串联组成的单元，分别并联在耦合电抗器L1、L2和平波电抗器L3两端，可抑制耦合电抗器和平波电抗器能量向避雷器传递，降低避雷器吸能。作为本发明的一个实施例，吸能模块2包括第一吸能单元、第二吸能单元和第三吸能单元，第一吸能单元包括吸能电阻R1和吸能回路晶闸管SCR1，吸能电阻R1的一端连接至耦合电抗器L1的同名端，吸能电阻R1的另一端连接至吸能回路晶闸管SCR1的阴极，吸能回路晶闸管SCR1的阳极连接至二极管D的阴极；用于抑制第一反向耦合电抗器L1储存的能量向避雷器泄放。

第二吸能单元包括依次串联连接的吸能电阻R2和吸能回路晶闸管SCR2，吸能电阻R2的非串联连接端连接至电容C的负端，吸能回路晶闸管SCR2的非串联连接端连接至SCR4的阴极；用于抑制第二反向耦合电抗器L2储存的能量向避雷器泄放。

第三吸能单元包括依次串联连接的吸能电阻R3和吸能回路晶闸管SCR3；吸能电阻R3的非串联连接端以及吸能回路晶闸管SCR3的非串联连接端分别连接在平波电抗器L3的两端；用于抑制平波电抗器L3储存的能量向避雷器泄放。

直流断路器模块3包含直流断路器和避雷器，断路器开断故障电流，避雷器吸收电感储存的能量。直流断路器模块3包括直流断路器(DCCB)，用于开断故障电流，内含避雷器部分，当直流断路器断开主回路后吸收电力系统中感性元件存储的能量。

在正常工况下，限流模块1中的反向耦合电抗器(L1、L2)通过系统额定电流，其运行损耗小。预充电电容C和晶闸管SCR4用于在故障工况下和反向耦合电抗器的L2振荡，使得L1、L2两回线路电流有不相等的趋势，反向耦合电抗器部分等效出一个较大的电感，该电感配合平波电抗器部分共同为故障回路限流，从而减小避雷器吸能，使直流断路器开断难度降低。直流断路器模块3用于在直流断路器开断故障电流后，吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关的保护。

在本发明实施例中，限流模块的主要功能是在故障时等效出一个大电感限流；吸能模块的晶闸管串联电阻能消耗反向耦合电抗器(L1、L2)和平波电抗器L3中的能量，抑制能量向避雷器传递；直流断路器模块其主要功能是开断故障电流，吸收直流断路器开断后线路电感中所含的能量。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于耦合电抗器的高压直流限流器，现详述其工作过程如下：当系统正常工作时，直流断路器DCCB闭合，系统电流流过直流断路器DCCB和反向耦合电抗器，此时直流回路电阻没有增加，运行回路损耗小。当系统发生短路故障，预充电电容C和晶闸管SCR4用于在故障工况下和反向耦合电抗器的L2振荡，使得L1、L2两回线路电流有不相等的趋势，反向耦合电抗器部分等效出一个较大的电感，该电感配合平波电抗器部分共同为故障回路限流，吸能模块晶闸管(SCR1、SCR2、SCR3)和吸能电阻(R1、R2、R3)，可吸收耦合电抗器和平波电抗器中电感的能量，从而抑制了能量向避雷器的传送，减小了避雷器的吸能，延长了避雷器的使用寿命、提高了经济效益。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于耦合电抗器的高压直流限流器能够解决现有技术中由于开断大故障电流困难以及开断大故障电流导致避雷器吸能过高的技术问题，并能达到良好的限流效果和吸能效果；现对其仿真实例进行详述如下：

当吸能电阻R1、R2、R3的阻值均均为10Ω时，高压直流断路器器开断25kA大故障电流时，无直流限流器时线路电流最大值为25kA，有直流限流器时线路电流最大值为13.6kA，无直流限流器避雷器吸能为121MJ，有直流限流器避雷器吸能为17.8MJ，由此可见，直流限流器的限流效果和吸能效果显著。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。