CN103337851A - 一种半控型有源注入电流式高压直流断路器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流系统的断路器，具体涉及一种半控型有源注入电流式高压直流断路器及其实现方法。断路器包括高速开关-晶闸管模块支路、以及与该支路并联的避雷器支路和桥式电路；电容器-电抗器串联支路和电阻-晶闸管串联支路并联后连接于所述桥式电路两桥臂的中点处；在电容器两端并联有充电回路。本发明基于传统有源注入电流方式分断直流电流原理，在此基础上加入半控型电力电子器件，并采用高速机械开关，保持了在正常导通时低损耗的优点，而且能够实现快速、无弧地分断双向电流。电路拓扑结构简单，控制简便，技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，扩展能力强，且使用的电力电子器件数目少，极大程度上降低了成本。

Description

一种半控型有源注入电流式高压直流断路器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种直流系统的断路器，具体涉及一种半控型有源注入电流式高压直流断路器及其实现方法。

背景技术

随着基于电压源换流器（VSC）的多端柔性直流和直流电网技术的开始应用，快速直流断路器成为保证系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。在交流系统中，交流电流在一个周期内存在两个自然过零点，交流断路器正是利用电流的自然过零点关断电流，而在直流系统中，直流电流不存在自然过零点，因此直流电流的开断远比交流电流的开断困难。

开断直流电流通常有三种方式，一种是在常规交流机械断路器的基础上，通过增加辅助电路，在开断弧间隙的直流电流上迭加增幅的振荡电流，利用电流过零时开断电路，利用这种原理制造的机械式断路器，在分断时间上无法满足多端柔性直流输电系统的要求；一种是利用大功率可关断电力电子器件，直接分断直流电流，利用这种原理制造的固态断路器，在时间上虽然可以满足多端柔性直流系统的要求，但在正常导通时的损耗过大，经济性较差；一种是采用机械开关和电力电子器件混合的方式，正常运行由机械开关通流，故障时分断机械开关，利用产生的电弧电压将电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。基于该原理断路器既减低了通态损耗，又提高了分断速度，但是需要使用大量的全控器件串联，技术难度大，制造成本高，而且当短路电流超过单个全控器件所能耐受电流峰值时，其成本将接近翻倍。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种半控型有源注入电流式高压直流断路器，另一目的是提供一种半控型有源注入电流式高压直流断路器的实现方法，本发明基于传统有源注入电流方式分断直流电流原理，在此基础上加入半控型电力电子器件，并采用高速机械开关，保持了在正常导通时低损耗的优点，而且能够实现快速、无弧地分断双向电流。电路拓扑结构简单，控制简便，技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，扩展能力强，且使用的电力电子器件数目少，极大程度上降低了成本。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种半控型有源注入电流式高压直流断路器，其改进之处在于，所述断路器包括高速开关-晶闸管模块支路、以及与该支路并联的非线性电阻器支路和桥式电路；电容器-电抗器串联支路和电阻-晶闸管阀串联支路并联后连接于所述桥式电路两个桥臂的中点处；在电容器两端并联有充电回路。

其中，所述高速开关-晶闸管模块支路包括串联连接的高速开关K和至少一组晶闸管模块，所述晶闸管模块由反方向并联的晶闸管T₁₀和晶闸管T₂₀组成（主支路上的晶闸管只需要单只，保证低损耗）；所述高速开关K由至少一个机械开关组成，当包括两个以上机械开关时，为串联结构。

其中，所述晶闸管模块或由IGBT模块实现，所述IGBT模块包括两个反方向串联的IGBT，所述IGBT两端均并有反向续流二极管D。

其中，所述非线性电阻器支路采用金属氧化物限压器MOV实现；

由二极管阀串联支路和晶闸管阀串联支路并联后分别组成所述桥式电路的两个桥臂，所述二极管阀串联支路由反方向串联的二极管阀D₁和二极管阀D₂组成；所述晶闸管阀串联支路由反方向串联的晶闸管阀T₁和晶闸管阀T₂组成。

其中，所述二极管阀串联支路由晶闸管阀串联支路代替，所述晶闸管阀串联支路由反向串联的晶闸管阀T₄和晶闸管阀T₅实现；

二极管阀均由二极管串联组成；晶闸管阀均由晶闸管串联组成。

其中，所述充电回路包括直流电源DC、至少一个全控器件、晶闸管阀T₆串联支路和电容器C；所述直流电源DC通过至少一个全控器件和晶闸管阀T₆串联支路与电容器C相连；所述全控器件采用IGBT以及与其反并联的二极管实现；所述晶闸管阀T₆串联支路由晶闸管串联组成。

其中，所述电容器-电抗器串联支路由电容器C和电抗器L串联组成；所述电阻-晶闸管阀串联支路由电阻R与晶闸管阀T₃串联组成。

其中，所述电阻-晶闸管阀串联支路或由电阻R、晶闸管阀T₃和电抗器L₁串联组成。

本发明基于另一目的提供的一种半控型有源注入电流式高压直流断路器的实现方法，其改进之处在于，所述方法针对直流系统正常运行和发生接地短路故障两种情况实施不同的操作；当发生接地短路故障时，通过控制充电回路中的全控器件实现直流电源DC与电容器C的隔离。

其中，当直流系统发生接地短路故障时，首先闭锁充电回路中全控器件，将直流电源DC与电容器C隔离，同时停发晶闸管T₂₀和T₁₀的触发脉冲；随后依据短路电流方向，触发晶闸管阀T₁或者T₂，预充电电容器C经过电抗器L放电注入方向电流，流过高速开关K的短路电流向晶闸管阀T₂、电容器C、电抗器L和二极管阀D₂所在支路，或者晶闸管阀T₁、电容器C、电抗器L和二极管阀D₁所在支路转移直至过零；

高速开关-晶闸管模块支路电流过零后，分断高速开关K；

短路电流对电容器C充电，电容器C电压极性反转并逐渐增大，达到第一电压水平时，非线性电阻器阻抗降低，短路电流转移至非线性电阻器支路中被消耗吸收，断路器完成分断；所述第一电压水平指的是高于系统电压的电压水平；

在短路电流完全转移至非线性电阻器支路后，触发晶闸管阀T₃，电容器C电压将会振荡反向，电阻R消耗能量，电容器C电压恢复至断路器动作前的预充电电压水平，随后触发充电回路，维持电容器C电压，使断路器准备投入下一次使用。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明所提供的断路器正常运行时，由高速机械开关和少量电力电子器件流通，通态损耗小；

2、本发明所提供的断路器能够实现高速机械开关的无弧分断，能够延长开关的使用寿命，提高开关的分断速度，易于实现开关串联连接时的均压问题；

3、本发明所提供的断路器动作时在直流系统中串入电容，兼有限流作用；

4、本发明所提供的断路器拓扑所使用主要为半控型电力电子器件，而且数目少，具备双向切断电流的能力，极大降低了制造成本；

5、本发明所提供的断路器能够快速实现充电电源的接入与切除；

6、本发明所提供的断路器能够快速消耗系统对电容所充能量，并能将此部分能量转换为下一次断路器动作电容所需能量，可以迅速投入下一次使用。应用于动作频繁，低、中压系统时，所提断路器需要充电电源只需要在断路器第一次投入时给电容预充电，不存在快速投入和隔离问题，将进一步降低断路器成本；

7、本发明所提供的断路器结构新颖、简单，动作迅速，分断电流能力大，耐受电压等级高，易于实现和扩展。

附图说明

图1是本发明提供的半控型有源注入电流式高压直流断路器的拓扑结构图；

图2是本发明提供的代替晶闸管模块的IGBT模块的拓扑结构图；

图3是本发明提供的半控型有源注入电流式高压直流断路器的另一实施例。

图4是本发明提供的半控型有源注入电流式高压直流断路器充电回路拓扑结构图；

图5是本发明提供的电阻-晶闸管阀串联支路的另一实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的半控型有源注入电流式高压直流断路器的拓扑结构图如图1所示，通过端口1、2串联接入直流系统中，包含高速开关-晶闸管模块支路，以及与该支路并联连接的非线性电阻器支路和由电力电子器件、电容器、电抗器、电阻组成桥式电路。非线性电阻器支路采用金属氧化物限压器MOV（避雷器）实现。

所述高速开关-晶闸管模块支路包括串联连接的高速开关K和至少一组晶闸管模块，所述晶闸管模块由反方向并联的晶闸管T₁₀和晶闸管T₂₀组成（主支路上的晶闸管只需要单只，保证低损耗）。所述高速开关K由至少一个机械开关组成，当包括两个以上机械开关时，为串联结构，简称高速机械开关。

晶闸管模块或由IGBT模块实现，所述IGBT模块包括两个反方向串联的IGBT，所述IGBT两端均并有反向续流二极管D，如图2所示。

由二极管阀串联支路和晶闸管阀串联支路并联后分别组成所述桥式电路的两个桥臂，所述二极管阀串联支路由反方向串联的二极管阀D₁和二极管阀D₂组成；所述晶闸管阀串联支路由反方向串联的晶闸管阀T₁和晶闸管阀T₂组成。本发明提供的半控型有源注入电流式高压直流断路器的另一实施例如图3所示。

二极管阀串联支路由晶闸管阀串联支路代替，所述晶闸管阀串联支路由反向串联的晶闸管阀T₄和晶闸管阀T₅实现；二极管阀均由二极管串联组成；晶闸管阀均由晶闸管串联组成。

充电回路包括直流电源DC、至少一个全控器件、晶闸管阀T₆串联支路和电容器C；所述直流电源DC通过至少一个全控器件和晶闸管阀T₆串联支路与电容器C相连；所述全控器件采用IGBT以及与其反并联的二极管实现；所述晶闸管阀T₆串联支路由晶闸管串联组成。充电回路拓扑结构图如图4所示。

电容器-电抗器串联支路由电容器C和电抗器L串联组成；所述电阻-晶闸管阀串联支路由电阻R与晶闸管阀T₃串联组成。电阻-晶闸管阀串联支路或由电阻R、晶闸管阀T₃和电抗器L₁串联组成，如图5所示。

本发明还提供了一种半控型有源注入电流式高压直流断路器的实现方法。

实施例1

该方法针对直流系统正常运行和发生接地短路故障两种情况实施不同的操作；当发生接地短路故障时，通过控制充电回路中的全控器件实现直流电源DC与电容器C的隔离。

由二极管阀串联支路和晶闸管阀串联支路并联后分别组成所述桥式电路的两个桥臂，实现方法如下：

（1）当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，晶闸管T₂₀和T₁₀保持触发。流过图1中箭头所示方向电流时，则晶闸管T₂₀处于导通状态，晶闸管阀T₁、T₂、T₃保持闭锁，充电回路全控器件和晶闸管阀T₆触发对电容C充电。由于反并联晶闸管所需要耐受的电压低，一般而言一组晶闸管即能满足要求，因此系统正常运行时，所发明断路器产生的损耗很小。

（2）当系统在端口2侧发生接地短路故障时，首先闭锁充电电路中全控器件，将电源与电容器C隔离，与此同时停发反并联晶闸管T₂₀和T₁₀的触发脉冲，那么晶闸管T₁₀处于关断状态。紧接着触发晶闸管阀T₂，电容器C经过电抗器L放电，流过高速机械开关的短路电流迅速向晶闸管阀T₂、电容器C、电抗器L和二极管阀D₂所在支路转移直至过零，此过程中可以选择合适电抗器感值来控制电流的转移速度。高速机械开关K电流过零后，对其进行分断，该高速机械开关的分断延迟为百微秒级，动作时间为毫秒级。电容器C上剩余的正向电压通过二极管阀D1-T2-L-C释放，而由于晶闸管的单向导通性使得流过高速机械开关的电流将会在此段时间内维持为零，时间长短取决于短路电流发展特性、电容的预充电电压、电容值以及电感值。在这段时间内高速机械开关作用类似于交流系统中所用的隔离开关，将其分断不会产生电弧，不会对开关触头造成损伤，而且有利于让机械开关快速耐受达到避雷器保护电压水平的系统过电压。

当电容器C电压极性反转，短路电流经T₂-C-L-D₂流通，对电容器C反向充电，电压升至避雷器动作电压时，避雷器阻抗迅速降低，短路电流转移至避雷器支路中被消耗吸收，断路器完成分断。在此过程中，需要选择合适的电容器容值，保证其两端的电压上升率不得高于高速机械开关在断开过程中所能耐受的电压上升率。

在电流完全转移至避雷器后，触发晶闸管阀T₃，电容器C电压将会振荡反向，经电阻消耗部分能量，可使其电压恢复至断路器动作前的预充电电压水平，保证了断路器可以迅速投入下一次使用。在这个过程同样需要考虑对晶闸管阀T₃开通时电流上升率的抑制，必要的话需要在电阻和晶闸管阀T₃支路上添加一个电抗器L₁。

当系统接地短路故障发生在端口1侧时，与端口2侧故障动作时序一样，依次触发对应的晶闸管阀即可。

实施例2

本发明提供的电阻-晶闸管阀串联支路的另一实施例如图3所示，当二极管阀串联支路由晶闸管阀串联支路代替时，实现方法如下：

（1）当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，晶闸管T₂₀和T₁₀保持触发。流过图1中箭头所示方向电流时，则晶闸管T₂₀处于导通状态，晶闸管阀T₁、T₂、T₃、T₄、T₅保持闭锁，充电回路全控器件和晶闸管阀T₆触发对电容C充电。由于反并联晶闸管所需要耐受的电压低，一般而言一组晶闸管即能满足要求，因此系统正常运行时，所发明断路器产生的损耗很小。

（2）当系统在端口2侧发生接地短路故障时，首先闭锁充电电路中全控器件，将电源与电容器C隔离，与此同时停发反并联晶闸管T₂₀和T₁₀的触发脉冲，那么晶闸管T₁₀处于关断状态。紧接着触发晶闸管阀T₂、T₅，电容器C经过电抗器L放电，流过高速机械开关的短路电流迅速向晶闸管阀T₂、电容器C、电抗器L和晶闸管阀T₅所在支路转移直至过零，此过程中可以选择合适电抗器感值来控制电流的转移速度。随后，触发晶闸管阀T₄，电容器剩余的正向电压经T₄-T₁-L-C流通，与此同时，对高速机械开关进行分断，该开关的分断延迟为百微秒级，动作时间为毫秒级。由于晶闸管的单向导通性使得流过高速机械开关的电流将会在晶闸管阀T₄导通期间维持为零，时间长短取决于短路电流发展特性、电容的预充电电压、电容值以及电感值。在这段时间内高速机械开关作用类似于交流系统中所用的隔离开关，将其分断不会产生电弧，不会对开关触头造成损伤，而且有利于让机械开关快速耐受达到避雷器保护电压水平的系统过电压。

当电容器C电压极性反转，晶闸管阀T₄电流过零关断后，短路电流经T₂-C-L-T₅流通，对电容器C反向充电，电压升至避雷器动作电压时，避雷器阻抗迅速降低，短路电流转移至避雷器支路中被消耗吸收，断路器完成分断。在此过程中，需要选择合适的电容器容值，保证其两端的电压上升率不得高于高速机械开关在断开过程中所能耐受的电压上升率。

在电流完全转移至避雷器后，触发晶闸管阀T₃，电容器C电压将会振荡反向，经电阻消耗部分能量，可使其电压恢复至断路器动作前的预充电电压水平，保证了断路器可以迅速投入下一次使用。在这个过程同样需要考虑对晶闸管阀T₃开通时电流上升率的抑制，必要的话需要在电阻和晶闸管阀T₃支路上添加一个电抗器L₁。

当系统接地短路故障发生在端口1侧时，与端口2侧故障动作时序一样，依次触发对应的晶闸管阀即可。

在图1中与高速机械开关串联连接的至少一组晶闸管，可以用任意一组具有双向通流能力组合全控器件所代替，如图2所示，为至少一组反向串联的IGBT阀组成，且均反并联有二极管D。

本发明基于传统有源注入电流方式分断直流电流原理，在此基础上加入半控型电力电子器件，并采用高速机械开关，保持了在正常导通时低损耗的优点，而且能够实现快速、无弧地分断双向电流。电路拓扑结构简单，控制简便，技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，扩展能力强，且使用的电力电子器件数目少，极大程度上降低了成本。

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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种半控型有源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述断路器包括高速开关-晶闸管模块支路、以及与该支路并联的非线性电阻器支路和桥式电路；电容器-电抗器串联支路和电阻-晶闸管阀串联支路并联后连接于所述桥式电路两个桥臂的中点处；在电容器两端并联有充电回路。

2.如权利要求1所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述高速开关-晶闸管模块支路包括串联连接的高速开关K和至少一组晶闸管模块，所述晶闸管模块由反方向并联的晶闸管T₁₀和晶闸管T₂₀组成；所述高速开关K由至少一个机械开关组成，当包括两个以上机械开关时，为串联结构。

3.如权利要求2所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述晶闸管模块或由IGBT模块实现，所述IGBT模块包括两个反方向串联的IGBT，所述IGBT两端均并有反向续流二极管D。

4.如权利要求1所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述非线性电阻器支路采用金属氧化物限压器MOV实现；

由二极管阀串联支路和晶闸管阀串联支路并联后分别组成所述桥式电路的两个桥臂，所述二极管阀串联支路由反方向串联的二极管阀D₁和二极管阀D₂组成；所述晶闸管阀串联支路由反方向串联的晶闸管阀T₁和晶闸管阀T₂组成。

5.如权利要求4所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述二极管阀串联支路或由晶闸管阀串联支路代替，所述晶闸管阀串联支路由反向串联的晶闸管阀T₄和晶闸管阀T₅实现；

二极管阀均由二极管串联组成；晶闸管阀均由晶闸管串联组成。

6.如权利要求1所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述充电回路包括直流电源DC、至少一个全控器件、晶闸管阀T₆串联支路和电容器C；所述直流电源DC通过至少一个全控器件和晶闸管阀T₆串联支路与电容器C相连；所述全控器件采用IGBT以及与其反并联的二极管实现；所述晶闸管阀T₆串联支路由晶闸管串联组成。

7.如权利要求1所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述电容器-电抗器串联支路由电容器C和电抗器L串联组成；所述电阻-晶闸管阀串联支路由电阻R与晶闸管阀T₃串联组成。

8.如权利要求7所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述电阻-晶闸管阀串联支路或由电阻R、晶闸管阀T₃和电抗器L₁串联组成。

9.一种半控型有源注入电流式高压直流断路器的实现方法，其特征在于，所述方法针对直流系统正常运行和发生接地短路故障两种情况实施不同的操作；当发生接地短路故障时，通过控制充电回路中的全控器件实现直流电源DC与电容器C的隔离。

10.如权利要求9所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器的实现方法，其特征在于，当直流系统正常运行时，所述高速开关K闭合，晶闸管T₂₀和T₁₀保持触发，电流经高速开关K和晶闸管模块流通，晶闸管阀T₁、T₂、T₃保持闭锁，充电回路全控器件和晶闸管阀T₆触发对电容C充电。

11.如权利要求9所述的半控型有源注入电流式高压直流断路器的实现方法，其特征在于，当直流系统发生接地短路故障时，首先闭锁充电回路中全控器件，将直流电源DC与电容器C隔离，同时停发晶闸管T₂₀和T₁₀的触发脉冲；随后依据短路电流方向，触发晶闸管阀T₁或者T₂，预充电电容器C经过电抗器L放电注入方向电流，流过高速开关K的短路电流向晶闸管阀T₂、电容器C、电抗器L和二极管阀D₂所在支路，或者晶闸管阀T₁、电容器C、电抗器L和二极管阀D₁所在支路转移直至过零；

高速开关-晶闸管模块支路电流过零后，分断高速开关K；

短路电流对电容器C充电，电容器C电压极性反转并逐渐增大，达到第一电压水平时，非线性电阻器阻抗降低，短路电流转移至非线性电阻器支路中被消耗吸收，断路器完成分断；所述第一电压水平指的是高于系统电压的电压水平；

在短路电流完全转移至非线性电阻器支路后，触发晶闸管阀T₃，电容器C电压将会振荡反向，电阻R消耗能量，电容器C电压恢复至断路器动作前的预充电电压水平，随后触发充电回路，维持电容器C电压，使断路器准备投入下一次使用。

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