Система электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения, а также способ ее управления и защиты
DC POWER GRID SYSTEM WITH SEVERAL VOLTAGE LEVELS, AS WELL AS METHOD FOR CONTROLLING AND PROTECTING IT

Техническая область
[0001] Настоящее изобретение относится к области силовых электронных конвертеров тока, в частности относится к системе электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения, а также способу ее управления и защиты.
Уровень техники
[0002] В последние годы сфера применения технологий электросетей постоянного тока становится все шире; благодаря тому, что в электросетях постоянного тока вводится большое количество силовых электронных конвертеров тока, их режим работы становится более гибким и одновременно с этим более сложным. Таким образом, вопрос обеспечения надежной работы электросетей постоянного тока стал препятствием к их развитию.
[0003] Изобретатели обнаружили, что из-за достаточно низкого импеданса цепей систем постоянного тока, когда происходит короткое замыкание, с одной стороны, ток короткого замыкания повышается с чрезвычайно высокой скоростью, а силовые электронные трансформаторы тока состоят из полупроводников мощности и возможность образования сверхтока полупроводниковых элементов мощности ограничена, ток короткого замыкания может повредить или заблокировать трансформатор тока. С другой стороны, ток короткого замыкания, образованный при коротком замыкании выходящей линии, может снизить напряжение питающей линии постоянного тока, а снижение напряжения питающей линии постоянного тока может оказать влияние на все находящееся на этой питающей линии оборудование и нагрузку. Таким образом, существует необходимость принятия мер для ограничения тока короткого замыкания и стабилизации напряжения питающей линии постоянного тока в период сбоя для минимизации влияния, которое оказывает сбой.
Сущность изобретения
[0004] Для решения недостатков описанных выше решений настоящее изобретение раскрывает систему электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения, а также способ ее управления и защиты, где благодаря введению в работу блока токоограничительного резистора снижается коэффициент изменения тока и посредством подбора значения сопротивления резистора стабилизируется напряжение питающей линии постоянного тока, быстро устраняется сбой и в максимальной степени повышается надежность электросети постоянного тока.
[0005] Настоящее изобретение раскрывает систему электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения, характеризующуюся тем, что она включает: по крайней мере две питающие линии постоянного тока; по крайней мере один трансформатор постоянного тока, при этом один его конец соединяется с первой питающей линией постоянного тока, а другой со второй питающей линией постоянного тока или выходящей линией, что позволяет осуществлять преобразование напряжения постоянного тока; а также по крайней мере один ограничитель тока выходящей линии, при этом один конец упомянутого ограничителя тока выходящей линии соединяется с упомянутой второй питающей линией постоянного тока, а второй конец соединяется с выходящей линией; упомянутый ограничитель тока выходящей линии включает первый блок ограничения тока, при этом упомянутый первый блок ограничения тока включает переключатель постоянного тока, а также параллельно подключенные первый обходной переключатель и первый блок токоограничительного резистора.
[0006] Кроме того, упомянутый трансформатор постоянного тока включает блок преобразования постоянного тока, осуществляющий преобразование напряжения постоянного тока.
[0007] Кроме того, упомянутый трансформатор постоянного тока также включает: второй блок ограничения тока и третий блок ограничения тока, при этом упомянутый второй блок ограничения тока включает параллельно подключенные второй обходной переключатель и второй блок токоограничительного резистора; упомянутый третий блок ограничения тока включает параллельно подключенные третий обходной переключатель и третий блок токоограничительного резистора, упомянутый второй блок ограничения тока и упомянутый третий блок ограничения тока последовательно соединяются с двумя концами упомянутого блока преобразования постоянного тока соответственно.
[0008] Кроме того, упомянутый блок токоограничительного резистора включает несколько вспомогательных цепей, а каждая вспомогательная цепь включает последовательно подключенные селекторный переключатель и резистор, при этом значение сопротивления упомянутого блока токоограничительного резистора может регулироваться посредством контроля смыкания-размыкания упомянутого селекторного переключателя.
[0009] В предпочтительном техническом решении упомянутый обходной переключатель включает два встречно-последовательно подключенных полупроводниковых коммутационных элемента мощности с диодом встречно-параллельного соединения.
[0010] В предпочтительном техническом решении упомянутый обходной переключатель включает скоростной механический контактор.
[0011] Кроме того, в упомянутом ограничителе тока выходящей линии первый блок токоограничивающего резистора вводится в работу в случае короткого замыкания на стороне выходящей линии данной цепи, в результате чего аварийный ток данной цепи снижается приблизительно до установленного значения.
[0012] Кроме того, в упомянутом ограничителе тока выходной линии упомянутый первый блок токоограничительного резистора не вводится в работу в случае короткого замыкания на стороне выходящей линии другой цепи.
[0013] Кроме того, в упомянутом трансформаторе постоянного тока упомянутые второй блок токоограничительного резистора и третий блок токоограничительного резистора вводятся в работу в случае короткого замыкания на подключенной питающей линии, благодаря чему в трансформаторе постоянного тока не происходит перегрузки по току.
[0014] Кроме того, в упомянутом трансформаторе постоянного тока упомянутый второй блок токоограничительного резистора и третий блок токоограничительного резистора не вводятся в работу в случае короткого замыкания на стороне выходящей линии цепи.
[0015] Варианты осуществления настоящего изобретения также раскрывают способ управления и защиты системы электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения, характеризующийся тем, что, когда на какой-либо выходящей линии в электросети постоянного тока происходит короткое замыкание, упомянутый способ включает следующие этапы: когда обнаруживается, что аварийный ток превышает порог срабатывания ограничения тока, на выходящей линии, соответствующей сбою, размыкается обходной переключатель упомянутого ограничителя тока выходящей линии, в результате чего вводится в работу упомянутый первый блок токоограничительного резистора, аварийный ток ограничивается и поддерживается на уровне установленного значения; срабатывает защита от сверхтока соответствующей выходящей линии; размыкается переключатель постоянного тока упомянутого ограничителя тока выходящей линии и удаляется место сбоя.
[0016] В предпочтительном техническом решении перед упомянутым срабатыванием защиты от сверхтока соответствующей выходящей линии упомянутый способ также включает следующие этапы: измерение напряжения питающей линии постоянного тока, подключенной к упомянутой выходящей линии, на которой произошел сбой; когда упомянутое напряжение находится в нормальном диапазоне, стратегия управления упомянутого трансформатора постоянного тока, подключенного к упомянутой питающей линии постоянного тока, не меняется; когда напряжение выходит за рамки определенного диапазона, упомянутый трансформатор постоянного тока, подключенный к упомянутой питающей линии постоянного тока, осуществляет регулирование напряжения постоянного тока по замкнутому циклу.
[0017] Кроме того, при упомянутом вводе в работу упомянутого первого блока токоограничительного резистора, аварийный ток ограничивается и поддерживается на уровне установленного значения, и можно в соответствии со значением тока, предшествующим сбою, и установленным значением защиты от сверхтока, вычислить эквивалентное значение сопротивления ввода в работу упомянутого первого блока токоограничительного резистора, и посредством контроля смыкания-размыкания селективного переключателя упомянутого первого блока токоограничительного резистора приблизить фактическое значение сопротивления ввода в работу к упомянутому эквивалентному значению сопротивления.
[0018] Настоящее изобретение также раскрывает способ управления и защиты системы электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения, характеризующийся тем, что, когда на какой-либо питающей линии в системе постоянного тока происходит короткое замыкание, упомянутый способ включает следующие этапы: когда трансформатор постоянного тока, подключенный к питающей линии, на которой произошел сбой, обнаруживает, что значение аварийного тока превышает порог срабатывания ограничения тока, то размыкается второй обходной переключатель и/или третий обходной переключатель упомянутого трансформатора постоянного тока, подключенного к упомянутой питающей линии, на которой произошел сбой, в результате чего вводится в работу второй блок токоограничительного резистора и/или третий блок токоограничительного резистора; стратегия управления упомянутого трансформатора постоянного тока переходит в режим ограничения тока, то есть поддерживается ток, который был до сбоя; если обнаруживается, что сбой устранен, то напряжение питающей линии постоянного тока восстанавливается до нормального диапазона, а упомянутый трансформатор постоянного тока возвращается в режим стандартного управления; если же сбой по-прежнему сохраняется в течение определенного времени, то он считается продолжительным сбоем и полупроводниковый элемент мощности блока преобразования постоянного тока в упомянутом трансформаторе постоянного тока блокируется, а данные о сбое передаются на сервер.
[0019] В техническом решении по варианту осуществления настоящего изобретения благодаря введению блока токоограничительного резистора в настоящем изобретении достигается снижение коэффициента изменения аварийного тока, что способствует защите оборудования в электросети постоянного тока, и во время сбоя не требуется блокировка трансформатора постоянного тока, а после устранения сбоя это способствует быстрому восстановлению системы.
Краткое описание прилагаемых чертежей
[0020] Для более четкого разъяснения технических решений по вариантам осуществления настоящего изобретения далее приводится обзор прилагаемых чертежей, необходимых для описания вариантов осуществления. При этом совершенно очевидно, что чертежи в приведенном ниже описании изображают только некоторые варианты осуществления, и рядовой технический персонал данной отрасли может, не применяя созидательного труда, вывести из этих чертежей другие чертежи.
[0021] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение элементов системы электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0022] Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение элементов трансформатора постоянного тока по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0023] Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение элементов ограничителя тока выходящей линии по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0024] Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение элементов блока токоограничительного резистора по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0025] Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение элементов блока преобразования постоянного тока по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0026] Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение элементов обходного переключателя по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0027] Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение условий распределения аварийных точек в электросети постоянного тока по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0028] Фиг. 8 представляет собой эквивалентную электрическую схему в условиях сбоя на выходящей линии постоянного тока по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
[0029] Фиг. 9 представляет собой эквивалентную электрическую схему в условиях сбоя на питающей линии постоянного тока по другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Конкретные варианты осуществления
[0030] Для более четкого разъяснения цели, технического решения и преимуществ вариантов осуществления настоящего изобретения далее на основе чертежей и вариантов осуществления приводится подробное и детальное описание конкретных вариантов осуществления технического решения по настоящему изобретению. При этом, приведенное ниже описание конкретных способов и вариантов осуществления приводится только с целью разъяснения и никоим образом не ограничивает настоящее изобретение. Здесь приводятся некоторые, а не все варианты осуществления настоящего изобретения, и другие варианты осуществления, полученные техническим персоналом данной отрасли посредством внесения различных изменений в настоящее изобретение, также находятся в диапазоне защиты настоящего изобретения.
[0031] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение элементов системы электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения по одному варианту осуществления настоящего изобретения, включающую два трансформатора постоянного тока, две питающие линии постоянного тока, два ограничителя тока выходящих линий, а также три выходящие линии.
[0032] Один конец трансформатора постоянного тока 1 соединяется с питающей линией постоянного тока 1, а другой конец - с питающей линией постоянного тока 2, что позволяет осуществлять преобразование напряжения постоянного тока. Один конец трансформатора постоянного тока 2 соединяется с питающей линией постоянного тока 2, а другой конец - с питающей линией постоянного тока 3, что позволяет осуществлять преобразование напряжения постоянного тока. Один конец ограничителя тока выходящей линии 1 соединяется с питающей линией постоянного тока 2, а другой конец - с выходящей линией 1. Один конец ограничителя тока выходящей линии 2 соединяется с питающей линией постоянного тока 2, а другой конец - с выходящей линией 2.
[0033] Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение элементов трансформатора постоянного тока по одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 2, трансформатор постоянного тока включает блок преобразования постоянного тока, второй блок ограничения тока и третий блок ограничения тока.
[0034] Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение элементов блока преобразования постоянного тока по одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 5, блок преобразования постоянного тока осуществляет преобразование напряжения постоянного тока посредством блока силового электронного преобразования. Блок преобразования постоянного тока состоит из двух мостов Н и осуществляет функцию преобразования постоянного тока с помощью DC-АС и AC-DC.
[0035] Второй блок ограничения тока включает параллельно подключенные второй обходной переключатель и второй блок токоограничительного резистора. Третий блок ограничения тока включает параллельно подключенные третий обходной переключатель и третий блок токоограничительного резистора. Второй блок ограничения тока и третий блок ограничения тока последовательно соединяются с двумя концами блока преобразования постоянного тока соответственно.
[0036] Второй блок токоограничительного резистора и третий блок токоограничительного резистора включают несколько вспомогательных цепей, а каждая вспомогательная цепь включает последовательно подключенные селекторный переключатель и резистор, при этом значение сопротивления блока токоограничительного резистора может регулироваться посредством контроля смыкания-размыкания упомянутого селекторного переключателя.
[0037] Кроме того, в трансформаторе постоянного тока второй блок токоограничительного резистора и третий блок токоограничительного резистора вводятся в работу в случае короткого замыкания на подключенной питающей линии, благодаря чему в трансформаторе постоянного тока не происходит перегрузки по току. В трансформаторе постоянного тока второй блок токоограничительного резистора и третий блок токоограничительного резистора не вводятся в работу в случае короткого замыкания на стороне выходящей линии цепи.
[0038] Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение элементов ограничителя тока выходящей линии по одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 3, ограничитель тока выходящей линии включает первый токоограничительный блок, при этом первый токоограничительный блок включает переключатель постоянного тока, а также параллельно подключенные первый обходной переключатель и первый блок токоограничительного резистора. Первый блок токоограничительного резистора включает несколько вспомогательных цепей, а каждая вспомогательная цепь включает последовательно подключенные селекторный переключатель и резистор, при этом значение сопротивления упомянутого первого блока токоограничительного резистора может регулироваться посредством контроля смыкания-размыкания упомянутого селекторного переключателя.
[0039] Кроме того, переключатель постоянного тока может прерывать постоянный ток. Эквивалентные значения сопротивления каждого блока токоограничивающего резистора могут быть равными или различными.
[0040] В ограничителе тока выходящей линии первый блок токоограничивающего резистора вводится в работу в случае короткого замыкания на стороне выходящей линии данной цепи, в результате чего аварийный ток данной цепи снижается приблизительно до установленного значения. В ограничителе тока выходной линии первый блок токоограничительного резистора не вводится в работу в случае короткого замыкания на стороне выходящей линии другой цепи.
[0041] Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение элементов блока токоограничительного резистора по одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 4, в данном варианте осуществления все блоки токоограничительного резистора включают три вспомогательные цепи, при этом каждая вспомогательная цепь включает селективный переключатель и резистор, а значение сопротивления каждого резистора составляет 60 Ом; когда K1, К2 и КЗ смыкаются, эквивалентное значение сопротивления составляет 20 Ом; когда два из трех переключателей K1, К2 и КЗ смыкаются, эквивалентное значение сопротивления составляет 30 Ом; если смыкается только один из переключателей, то эквивалентное значение сопротивления составляет 60 Ом.
[0042] Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение элементов обходного переключателя по одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 6, обходной переключатель включает два встречно-последовательно подключенных полупроводниковых коммутационных элемента мощности с диодом встречно-параллельного соединения.
[0043] Кроме того, каждый обходной переключатель также может состоять из скоростного механического контактора и этим не ограничивается.
[0044] Вариант осуществления настоящего изобретения также раскрывает способ управления и защиты системы электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения. Когда на одной из выходящих линий электросети постоянного тока происходит короткое замыкание, способ ее управления и защиты включает следующие этапы.
[0045] Этап 110: когда обнаруживается, что значение аварийного тока превышает порог срабатывания ограничения тока, размыкается обходной переключатель соответствующего ограничителя тока выходящей линии, в результате чего вводится в работу упомянутый первый блок токоограничительного резистора, аварийный ток ограничивается и поддерживается на уровне установленного значения.
[0046] Этап 120: срабатывает защита от сверхтока соответствующей выходящей линии.
[0047] Этап 130: размыкается переключатель постоянного тока соответствующего ограничителя тока выходящей линии и удаляется место сбоя.
[0048] Кроме того, на этапе ПО можно в соответствии со значением тока, предшествующим сбою, и установленным значением защиты от сверхтока, вычислить эквивалентное значение сопротивления ввода в работу упомянутого первого блока токоограничительного резистора, и посредством контроля смыкания-размыкания селективного переключателя упомянутого первого блока токоограничительного резистора приблизить фактическое значение сопротивления ввода в работу к упомянутому эквивалентному значению сопротивления.
[0049] Вариант осуществления настоящего изобретения также раскрывает еще один способ управления и защиты системы электросети постоянного тока с несколькими уровнями напряжения. Когда на одной из выходящих линий электросети постоянного тока происходит короткое замыкание, способ ее управления и защиты включает следующие этапы.
[0050] Этап 110: когда обнаруживается, что аварийный ток превышает порог срабатывания ограничения тока, на выходящей линии, соответствующей сбою, размыкается обходной переключатель упомянутого ограничителя тока выходящей линии, в результате чего вводится в работу упомянутый первый блок токоограничительного резистора, аварийный ток ограничивается и поддерживается на уровне установленного значения.
[0051] Этап 111: измерение напряжения питающей линии постоянного тока, подключенной к выходящей линии, на которой произошел сбой.
[0052] Этап 112: когда напряжение находится в нормальном диапазоне, стратегия управления трансформатора постоянного тока, подключенного к питающей линии постоянного тока, не меняется.
[0053] Этап 113: когда напряжение выходит за рамки определенного диапазона, трансформатор постоянного тока, подключенный к питающей линии постоянного тока, осуществляет регулирование напряжения постоянного тока по замкнутому циклу.
[0054] Этап 120: срабатывает защита от сверхтока соответствующей выходящей линии.
[0055] Этап 130: размыкается переключатель постоянного тока соответствующего ограничителя тока выходящей линии и удаляется место сбоя.
[0056] Кроме того, на этапе 110 можно в соответствии со значением тока, предшествующим сбою, и установленным значением защиты от сверхтока, вычислить эквивалентное значение сопротивления ввода в работу упомянутого первого блока токоограничительного резистора, и посредством контроля смыкания-размыкания селективного переключателя упомянутого первого блока токоограничительного резистора приблизить фактическое значение сопротивления ввода в работу к упомянутому эквивалентному значению сопротивления.
[0057] В качестве примера, как показано на Фиг. 7, когда точка сбоя - это D1, то есть происходит сбой выходящей линии, в данном варианте осуществления напряжение источника питания составляет 10,5 кВ, импеданс системы составляет 0,5 Ом, первый блок токоограничительного резистора такой, как показано на Фиг. 4.
[0058] Если во время сбоя не вводится в работу токоограничительный резистор, то напряжение постоянного тока на месте второй питающей линии постоянного тока на конце, ближайшем к точке сбоя, будет близко к 0, при этом на всей питающей линии может произойти падение напряжения и будет невозможно поддерживать электроснабжение при сбое.
[0059] А при введении в работу токоограничительного резистора, как показано на Фиг. 8, после введения резистора напряжение на второй питающей линии постоянного тока на ближайшем конце составляет: 10,5×R/(R+0.5); когда сопротивление введенного резистора составляет 30 Ом, напряжение постоянного тока составляет 10,3 кВ, то есть отклонение от нормального напряжения менее 2%; таким образом происходит стабилизация напряжения питающей линии постоянного тока в условиях сбоя.
[0060] Наконец, срабатывает защита от сверхтока выходящей линии 1, размыкается переключатель постоянного тока соответствующего ограничителя тока выходящей линии и удаляется точка сбоя.
[0061] Когда на одной из питающих линий электросети постоянного тока происходит короткое замыкание, способ ее управления и защиты включает следующие этапы.
[0062] Этап 310: если трансформатор постоянного тока, подключенный к питающей линии, на которой произошел сбой, обнаруживает, что значение аварийного тока превышает порог срабатывания ограничения тока, то размыкается обходной переключатель, в результате чего вводится в работу второй блок токоограничительного резистора или третий блок токоограничительного резистора, подключенный к питающей линии, на которой произошел сбой.
[0063] Этап 320: стратегия управления трансформатора постоянного тока переходит в режим ограничения тока, то есть поддерживается ток, который был до сбоя.
[0064] Этап 330: если обнаруживается, что сбой устранен, то напряжение питающей линии постоянного тока восстанавливается до нормального диапазона, а трансформатор постоянного тока возвращается в режим стандартного управления.
[0065] Этап 340: если же сбой по-прежнему сохраняется в течение определенного времени, то он считается продолжительным сбоем и полупроводниковый элемент мощности блока преобразования постоянного тока в упомянутом трансформаторе постоянного тока блокируется, а данные о сбое передаются на сервер.
[0066] В качестве примера, как показано на Фиг. 7, когда точка сбоя это D2, то есть на питающей линии постоянного тока 2 происходит короткое замыкание, в этот момент трансформатор постоянного тока 1 и трансформатор постоянного тока 2 обнаруживают сверхток, а напряжение питающей линии постоянного тока 2 снижается до значения, близкого к 0.
[0067] Когда в трансформаторе постоянного тока отсутствует блок токоограничительного резистора, сверхток может привести к отключению блокировки сверхтока или повреждению трансформатора постоянного тока. В данном варианте осуществления трансформатор постоянного тока 1 может осуществлять скоростное размыкание третьего обходного переключателя и вводить в работу третий блок токоограничительного резистора, а трансформатор постоянного тока 2 может осуществлять скоростное размыкание второго обходного переключателя и вводить в работу второй блок токоограничительного резистора, в это время посредством токоограничительного резистора совместно с регулировкой стратегии управления трансформатора постоянного тока можно обеспечить поддержание выходного тока трансформатора постоянного тока на уровне, на котором он был до сбоя.
[0068] Как показано на Фиг. 9, когда напряжение питающей линии равно 0, значения сопротивления ввода в работу составляет 20 Ом; когда выходное напряжение составляет 10 кВ, ток можно ограничить в пределах 500 А.
[0069] Отключение блокировки не может произойти по причине сбоя; если сбой D2 является мгновенным сбоем, после устранения сбоя система быстро восстанавливает нормальную работу и осуществляется поддержка электроснабжения.
[0070] Необходимо заметить, что приведенные выше для описания чертежей варианты осуществления предназначены только для разъяснения настоящего изобретения и ни в коем случае не ограничивают его диапазон; рядовой технический персонал должен понимать, что любые модификации и тождественные замены, вносимые в настоящее изобретение, при соблюдении сути и диапазона настоящего изобретения также находятся в диапазоне защиты настоящего изобретения. При этом, если иное не следует из контекста, все приведенные здесь формы единственного числа также включают формы множественного числа и наоборот. Кроме того, если явно не указано иное, любой из вариантов осуществления может полностью или частично применяться в сочетании с другим вариантом осуществления, как полным, так и его частью.