CN103647263B - 基于半控型电力电子器件的直流断路器 - Google Patents

Abstract

一种基于半控型电力电子器件的直流断路器，由初始电流通路（4）和故障电流阻断通路（8）组成；初始电流通路（4）的第一引出端子与故障电流阻断通路（8）的第一引出端子（14）连接后与直流输电线路的一端连接，初始电流通路（4）的第二引出端子与故障电流阻断通路（8）的第二引出端子（15）连接后与直流输电线路另一端连接。初始电流通路（4）由机械开关模块和电力电子模块组成。故障电流阻断通路（8）由多个电容模块，多个半控型器件模块和二极管模块组成。

Description

基于半控型电力电子器件的直流断路器

技术领域

本发明涉及一种断路器，具体涉及一种直流断路拓扑。

背景技术

快速直流断路器是保证直流输配电系统和直流电网系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。与交流系统所不同的是，直流系统的电流并不存在自然过零点，因此直流系统中无法像交流系统一样利用电流的自然过零点关断，因此直流电流的开断问题一直是一个值得研究的课题。

目前开断直流电流通常有两种方式，第一种是纯电力电子断路器，如ABB申请的专利CN102870181A，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。

第二种是混合断路器技术，即在传统的交流机械断路器的基础上，通过增加辅助的电力电子电路，投入限流电阻以降低短路电流或在开断弧间隙的直流电流上叠加振荡电流，利用电流过零时开断电路。利用这种原理制造的混合式断路器，其对机械开关有特殊要求，在分断时间上较难满足直流输电系统的要求。

无论是混合断路器和纯电力电子断路器，均采用了全控型器件，在相同电压电流等级应用场合下，与半控型器件方案相比，采用全控型器件方案的成本均会显著增加。

西门子公司专利WO2013/093066A1提出的一种混合断路器，在主通路上串联机械开关和电力电子全控器件，另一条旁路由电容组成，当检测到故障电流时，主通路上电力电子全控器件断开，机械开关也开始开断，故障电流向旁路旁路电容充电，这种电路的旁路电容不能取值过小，否则机械开关尚未完全打开，若旁路电容在故障电流充电下电压上升过快会超过机械开关和电力电子器件承受电压等级。然而电容值取值大时，开断速度就会受到影响。

ABB公司专利WO2011141054A1提出的一种混合断路器，在主通路上串联机械开关和电力电子全控器件，另一条旁路由避雷器和压接IGBT并联组成，当检测到故障电流时，旁路上的压接IGBT全部导通，之后主通路上的电力电子全控器件断开，机械开关也开始关断，等到机械开关完全关断后，压接IGBT关断，避雷器接入电路抑制短路电流，这种断路器开断速度较快，但是整个旁路的压接IGBT承受电压之和必须要大于直流输电线路初始电压，这需要大量压接IGBT串联，造成整个直流断路器的成本较高。

并且上述两种专利主回路都必须采用全控开关器件与机械开关串联，导致正常时仍然会有较大的导通损耗。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于半控型器件的直流断路器。本发明具有整体成本低，稳态运行时损耗小，出现短路故障时无电弧切断，响应迅速等特点。

所述的直流断路器由初始电流通路和故障电流阻断通路组成。初始电流通路的第一引出端子与故障电流阻断通路的第一引出端子连接后与直流输电线路一端连接，初始电流通路的第二引出端子与故障电流阻断通路的第二引出端子连接后与直流输电线路另一端连接。

所述的直流断路器另一种连接方式为：所述的初始电流通路的第一引出端子与故障电流阻断通路的第一引出端子连接后可以与电感一端连接，电感的另一端作为直流断路器的第一引出端子与直流输电线路连接。

所述的初始电流通路的第二引出端子与故障电流阻断通路的第二引出端子连接后也可以与电感一端连接，电感的另一端作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。

所述的初始电流通路包括电力电子开关模块和机械开关模块，电力电子开关模块的一端与机械开关模块的一端连接，电力电子开关模块的另一端作为初始电流通路的第二引出端子，机械开关模块的另一端作为初始电流通路的第一引出端子，电力电子开关模块由至少一个的半控型器件串联组成，机械开关模块由至少一个的机械开关串联组成。

所述的故障电流阻断通路由第一半控型器件模块，第二半控型器件模块，第三半控型器件模块，第一电容模块，第二电容模块，以及二极管模块组成。

第一半控型器件模块的阴极与第一电容模块的一端连接，作为故障电流阻断通路的第二引出端子；第一电容模块的另一端与二极管模块的阴极连接后与第二电容模块的一端连接；第二电容模块的另一端与第三半控型器件模块的阴极连接；第三半控型器件的阳极与第二半控型器件模块的阳极连接，作为故障电流阻断通路的第一引出端子，第一半控型器件模块的阳极与二极管模块的阳极连接后与第二半控型器件模块的阴极连接。

所述的第一半控型器件模块、第二半控型器件模块和第三半控型器件模块都由至少一个的半控型器件串联组成。所述的二极管模块由至少一个的二极管串联组成。所述的第一电容模块与第二电容模块都由至少一个的电容串联或并联组成，所述的第一电容模块与第二电容模块均包含预充电电路。

在直流输电线路正常运行时，初始电流通路的机械开关模块为闭合状态，初始电流通路的电力电子开关模块为导通状态；当检测到线路短路故障以后，第一半控型器件模块和第二半控型器件模块收到触发信号，第一电容模块放电，故障电流由初始电流通路迅速切换至故障电流阻断通路，流经第二半控型器件模块，二极管模块和第一电容模块，初始电流通路电流迅速降为零，电力电子开关模块自然关断，机械开关模块开始开断。当第一电容模块放电结束进入反向充电过程时，第一半控型器件模块导通，故障电流此时流经第二半控型器件模块和第一半导体型器件模块。延时至机械开关模块触头开断一定距离之后，触发第三半控型器件，第二电容模块放电，第二半控型器件模自然关断。故障电流流经第三半控型器件模块，第二电容模块和第一电容模块，此时故障电流流经路径中，第一电容模块与第一电容模块呈串联状态，容值变小，电压上升速度加快，迅速阻断故障电流。

此外可以在初始电流通路两端并联限压器件，也可以在第一电容模块两端并联限压器件，也可以在第二电容模块两端并联限压器件，以避免电容电压上升过高损坏电容，或超过整个系统的绝缘等级。也可以在其他需要保护的部分两端并联限压器件。

所述的二极管模块也可由导线代替。

所述的二极管模块也可用第三电容模块代替。

所述的二极管模块用第三电容模块代替时，第一电容模块可以省略。

所述的二极管模块用第三电容模块代替时，第一电容模块也可用另一个二极管模块代替，此时第二电容模块可以省略。

两个所述的直流断路器可以采用反向并联方式，形成双向电流阻断能力的直流断路器，双向电流阻断形式可以由多种形式组成，例如附加二极管桥式电路等，并不仅限于本文中实施例所描述的方式。

所述的第一电容模块，第二电容模块，第三电容模块内均可增加泄放装置，从而在直流线路短路故障排除之后，能够快速泄放掉电容内多余电压，便于重新合闸。

本发明的优点：

a.该直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断；

b.所有的开关器件均采用半控型器件，整个装置过压过流能力更强，成本更低；

c.整个换流拓扑可采用常规部件，制造难度相对较小，可靠性高；

d.该直流断路器能够将短路电流控制在较低的水平，从而保护系统安全性；

e.该直流断路器拓扑能够减小短路电流对换流站的影响；

f.更容易与柔性直流输电系统结合，适宜于一体化设计；

g.与纯电力电子开关式直流断路器相比系统正常工作时的损耗更小；

h.正常导通时损耗更低。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的实施例1中的电路原理图；

图3为本发明的实施例2中的电路原理图；

图4为本发明的实施例3中的电路原理图；

图5为本发明的实施例4中的电路原理图；

图6为本发明实施例5中的电路原理图；

图7为本发明实施例6中的电路原理图；

图8为本发明的一种阻断双向故障电流的实施例结构示意图；

图9为本发明应用于双极性柔性直流输电时的实施例。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，所述的直流断路器由初始电流通路4和故障电流阻断通路8组成。初始电流通路4的第一引出端子与故障电流阻断通路8的第一引出端子14连接后与直流输电线路的一端连接，初始电流通路4的第二引出端子与故障电流阻断通路8的第二引出端子15连接后与直流输电线路另一端连接。

所述的初始电流通路包括电力电子开关模块17和机械开关模块16，电力电子开关模块17的一端与机械开关模块16的一端连接，电力电子开关模块17的另一端作为初始电流通路4的第二引出端子，机械开关模块16的另一端作为初始电流通路4的第一引出端子，电力电子开关模块17由至少一个的半控型器件串联组成，机械开关模块16由至少一个的机械开关串联组成。

所述的故障电流阻断通路由第一半控型器件模块5，第二半控型器件模块6，第三半控型器件模块7，第一电容模块1，第二电容模块2，以及二极管模块3组成。

第一半控型器件模块5的阴极与第一电容模块1的一端连接，作为故障电流阻断通路8的第二引出端子；第一电容模块1的另一端与二极管模块3的阴极连接后与第二电容模,2的一端10连接；第二电容模块2的另一端与第三半控型器件模块7的阴极连接；第三半控型器件7的阳极与第二半控型器件模块6的阳极连接作为故障电流阻断通路8的第一引出端子14，第一半控型器件模块5的阳极与二极管模块3的阳极连接后与第二半控型器件模块6的阴极连接12。所述的第一半控型器件模块5，第二半控型器件模块6，第三半控型器件模块7都由至少一个的半控型器件串联组成。所述的二极管模块3由至少一个的二极管串联组成。所述的第一电容模块1与第二电容模块2都由至少一个的电容串联或并联组成，所述的第一电容模块1与第二电容模块2均包含预充电电路。

实施例1

图2所示为本发明的实施例1。如图2所示，直流电源18为模拟换流站，电阻20为短路模拟电阻，电感L为直流电网中各换流站配置的直流电抗器，也可以为直流断路器内另外配置的限制故障电流上升速率的电抗器。

直流电源18的正极与电感L的一端连接，直流电源18的另一端与地或中性线连接。电感L的另一端直流断路器的第一引出端子连接，直流断路器的第二引出端子与电阻20的一端连接，电阻20的另一端与地或中性线连接。

直流断路器由初始电流通路4和故障电流阻断通路8组成。初始电流通路4的第一引出端子与故障电流阻断通路8的第一引出端子14连接后作为直流断路器的第一引出端子与电感L一端连接，初始电流通路4的第二引出端子与故障电流阻断通路8的第二引出端子15连接后作为直流断路器的第二引出端子与短路电阻连接。

所述的初始电流通路4包括电力电子开关模块17和机械开关模块16，电力电子开关模块17的一端与机械开关模块16的一端连接，电力电子开关模块17的另一端作为初始电流通路4的第二引出端子，机械开关模块16的另一端作为初始电流通路4的第一引出端子，电力电子开关模块17由至少一个的半控型器件串联组成，机械开关模块16由至少一个的机械开关串联组成。

所述的故障电流阻断通路8由第一半控型器件模块5，第二半控型器件模块6，第三半控型器件模块7，第一电容模块1，第二电容模块2，以及二极管模块3组成。

第一半控型器件模块5的阴极与第一电容模块1的一端连接作为故障电流阻断通路8的第二引出端子；第一电容模块1的另一端与二极管模块3的阴极连接后与第二电容模块的一端10连接；第二电容模块2的另一端与第三半控型器件模块7的阴极连接；第三半控型器件7的阳极与第二半控型器件模块6的阳极连接作为故障电流阻断通路8的第一引出端子14，第一半控型器件模块5的阳极与二极管模块3的阳极连接后与第二半控型器件模块6的阴极连接12。

所述的第一电容模块1与第二电容模块2均包含预充电电路。在直流输电线路正常运行时，初始电流通路2的机械开关模块16为闭合状态，初始电流通路4的电力电子开关模块17为导通状态，第一电容模块1和第二电容模块2通过预充电电路对电容进行充电，保持第一电容模块1和第二电容模块2近变流站侧为负，远换流站侧为正，本实施例中其充电电压为1000V。

当检测到线路短路故障以后，第一半控型器件模块5，第二半控型器件模块6收到触发信号，第一电容模块1放电，导致故障电流阻断通路中流经第二半控型器件模块6和二极管模块3，第一电容模块1的电流迅速增加。由于电感L上的电流不能突变，因此初始电流通路4上的电流迅速减小，故障电流由初始电流通路4迅速切换至故障电流阻断通路8，流经第二半控型器件模块5、二极管模块3和第一电容模块1；初始电流通路4的电流迅速降为零，电力电子开关模块17自然关断，机械开关模块16开始开断。当第一电容模块1放电结束进入反向充电过程时，第一半控型器件模块5导通，故障电流此时流经第二半控型器件模块6和第一半导体型器件模块5。延时至机械开关模块16的触头开断一定距离之后，触发第三半控型器件7，第二电容模块2放电，第二半控型器件模块6自然关断。故障电流流经第三半控型器件模块7、第二电容模块2和第一电容模块1，此时故障电流流经路径中，第一电容模块1与第二电容模块2呈串联状态，容值变小，电压上升速度加快，迅速阻断故障电流。

实施例2

图3所示为本发明的实施例2。图3中的初始电流通路4的两端，故障电流阻断通路8的第一电容模块1的两端并联限压器件20，第二电容模块2的两端并联限压器件21，初始电流通路4的两端并联了限压器22。也可以选择性的在需要保护的地方两端增加限压器件。

实施例3

图4所示为本发明的实施例3。如图4所示、，二极管模块3由图4中的导线代替。当检测到线路短路故障以后，第一半控型器件模块5，第二半控型器件模块6收到触发信号，第一电容模块1放电，导致故障电流阻断通路8的电流流经第二半控型器件模块5和二极管模块3，第一电容模块1的电流迅速增加。由于电感L上的电流不能突变，因此初始电流通路4上的电流迅速减小，故障电流由初始电流通路4迅速切换至故障电流阻断通路8，故障电流流经第二半控型器件模块5，二极管模块3和第一电容模块1；初始电流通路4的电流迅速降为零，电力电子开关模块17自然关断，机械开关模块1开始开断。当第一电容模块1放电结束进入反向充电过程时，第一半控型器件模块5导通，故障电流此时流经第二半控型器件模块6和第一半导体型器件模块5。延时至机械开关模块16的触头开断一定距离之后，触发第三半控型器件7，第二电容模块2放电，第二半控型器件模6自然关断。故障电流流经第三半控型器件模块7，第二电容模块2和第一半控型器件模块5，因此第一电容模块1不存在过压情况，无需并联限压器件。

实施例4

图5所示为本发明的实施例4。如图5所示，二极管模块3由图5中的第三电容模块300代替。当检测到线路短路故障以后，第一半控型器件模块5，第二半控型器件模块6收到触发信号，第一电容模块1放电，导致故障电流阻断通路8中的电流流经第二半控型器件模块5和第三电容模块300，第一电容模块1的电流迅速增加。由于电感L上的电流不能突变，因此初始电流通路4上的电流迅速减小，故障电流由初始电流通路4迅速切换至故障电流阻断通路8，流经第二半控型器件模块5、第三电容模块300和第一电容模块；初始电流通路4的电流迅速降为零，电力电子开关模块17自然关断，机械开关模块16开始开断。当第一电容模块1放电结束进入反向充电过程时，第一半控型器件模块5导通，此时第三电容模块300两端的电压近似为0；故障电流此时流经第二半控型器件模块6和第一半导体型器件模块5。延时至机械开关模块16的触头开断一定距离之后，触发第三半控型器件7，第二电容模块2放电，第二半控型器件模块6自然关断。故障电流流经第三半控型器件模块7，第二电容模块2，第三电容模块300和第一半控型器件模块5，此时第二电容模块2和第三电容模块300呈串联连接方式，第二电容模块2和第三电容模块300的总电容值减小电容电压快速上升，故障电流迅速阻断，第一电容模块1不存在过压可能，不用并联限压器件。

实施例5

图6所示为本发明的实施例5。如图6所示，二极管模块3由图6中的第三电容模块300代替，第一电容模块1用导线代替。当检测到线路短路故障以后，第一半控型器件模块5，第二半控型器件模块6收到触发信号，第三电容模块300放电，导致故障电流阻断通路8中的电流流经第二半控型器件模块5，第三电容模块300的电流迅速增加。由于电感L上的电流不能突变，因此初始电流通路4上的电流迅速减小，故障电流由初始电流通路4迅速切换至故障电流阻断通路8，流经第二半控型器件模块5和第三电容模块300；初始电流通路4的电流迅速降为零，电力电子开关模块17自然关断，机械开关模块16开始开断。当第三电容模块300放电结束进入反向充电过程时，第一半控型器件模块5导通，此时第三电容模块300两端电压近似为0；故障电流此时流经第二半控型器件模块6和第一半导体型器件模块5。延时至机械开关模块16的触头开断一定距离之后，触发第三半控型器件7，第二电容模块2放电，第二半控型器件模块6自然关断。故障电流流经第三半控型器件模块7，第二电容模块2，第三电容模块300和第一半控型器件模块5，此时第二电容模块和第三电容模块呈串联连接方式，电容电压快速上升，故障电流迅速阻断。

实施例6

图7为本发明的实施例6。如图所示，二极管模块3由图7中的第三电容模块300代替，图7中的第一电容模块1由二极管模块400代替，第二电容模块2由直流导线代替。

实施例7

图8为本直流断路器的一种阻断双向故障电流实现方式。如图8所示，第一故障电流阻断通路31和第二故障电流阻断通路32反并联在初始故障电流阻断通路30两端，初始故障电流阻断通路的电力电子模块33采用反并联半控型器件形式33。

实施例8

图9作为本发明应用于双极性柔性直流输电时的实施例，第一断路器60的第一引出端子61与双极输电线路的正极连接，第一断路器60的第二引出端子62与模拟短路电阻一端连接。第二断路器65的第一引出端子63与双极输电线路的负极连接，第二断路器65的第二引出端子64与模拟短路电阻的另一端连接。

Claims (9)

1.一种基于半控型电力电子器件的直流断路器，其特征在于：所述的直流断路器由初始电流通路(4)和故障电流阻断通路(8)组成；初始电流通路(4)的第一引出端子与故障电流阻断通路(8)的第一引出端子(14)连接后与直流输电线路的一端连接，初始电流通路(4)的第二引出端子与故障电流阻断通路(8)的第二引出端子(15)连接后与直流输电线路另一端连接；

所述的初始电流通路(4)包括电力电子开关模块(17)和机械开关模块(16)，电力电子开关模块(17)的一端与机械开关模块(16)的一端连接，电力电子开关模块(17)的另一端作为初始电流通路(4)的第二引出端子，机械开关模块(16)的另一端作为初始电流通路(4)的第一引出端子，电力电子开关模块(17)由至少一个的半控型器件串联组成，机械开关模块(16)由至少一个的机械开关串联组成；

所述的故障电流阻断通路(8)由第一半控型器件模块(5)，第二半控型器件模块(6)，第三半控型器件模块(7)，第一电容模块(1)，第二电容模块(2)，以及二极管模块(3)组成；

第一半控型器件模块(5)的阴极与第一电容模块(1)的一端连接，作为故障电流阻断通路(8)的第二引出端子；第一电容模块(1)的另一端与二极管模块(3)的阴极连接后与第二电容模块(2)的一端(10)连接；第二电容模块(2)的另一端与第三半控型器件模块(7)的阴极连接；第三半控型器件模块(7)的阳极与第二半控型器件模块(6)的阳极连接作为故障电流阻断通路(8)的第一引出端子(14)，第一半控型器件模块(5)的阳极与二极管模块(3)的阳极连接后与第二半控型器件模块(6)的阴极连接；

在直流输电线路正常运行时，初始电流通路(4)的机械开关模块(16)为闭合状态，初始电流通路(4)的电力电子开关模块(17)为导通状态；当检测到线路短路故障以后，第一半控型器件模块(5)，第二半控型器件模块(6)收到触发信号，第一电容模块(1)放电，故障电流由初始电流通路(4)切换至故障电流阻断通路(8)，流经第二半控型器件模块(6)，二极管模块(3)和第一电容模块(1)；初始电流通路(4)的电流迅速降为零，电力电子开关模块(17)自然关断，机械开关模块(16)开始开断；当第一电容模块(1)放电结束进入反向充电过程时，第一半控型器件模块(5)导通，故障电流此时流经第二半控型器件模块(6)和第一半导体型器件模块(5)；延时至机械开关模块(16)的触头开断一定距离之后，触发第三半控型器件模块(7)，第二电容模块(2)放电，第二半控型器件模块(6)自然关断；故障电流流经第三半控型器件模块(7)，第二电容模块(2)和第一电容模块(1)，此时故障电流流经路径中，第一电容模块(2)与第一电容模块(2)呈串联状态，容值变小，电压上升速度加快，迅速阻断故障电流。

2.按照权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述的第一半控型器件模块(5)，第二半控型器件模块(6)和第三半控型器件模块(7)都由至少一个的半控型器件串联组成。

3.按照权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述的二极管模块(3)由至少一个二极管串联组成。

4.按照权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述的第一电容模块(1)与第二电容模块(2)都由至少一个电容串联或并联组成，所述的第一电容模块(1)与第二电容模块(2)均包含预充电电路。

5.按照权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：在初始电流通路(4)的两端与地线之间，第一电容模块(1)的两端，第二电容模块(2)的两端并联限压器件。

6.按照权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：两个所述的故障电流阻断通路(31、32)反向并联，然后与初始电流通路(30)并联，初始电流通路的电力电子模块采用反并联半控型器件组件(33)，形成双向电流阻断能力的直流断路器。

7.按照权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述的二极管模块(3)用第三电容模块(300)或导线代替。

8.按照权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述的第二电容模块(2)用导线代替。

9.按照权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述的第一电容模块(1)用另一个二极管模块(400)或者导线代替。