CN104362663A - 基于多端直流系统的断路器装置 - Google Patents

Abstract

基于多端直流系统的断路器装置，属于能源传输及配送技术领域。本发明是为了解决电能在交流电网之间流动时，至少要经过两个断路器，产生的损耗大的问题。它的第一种方案：基于多端直流系统的断路器装置，多端直流系统的任意两个直流输出端之间通过一个断路器相互连接；第二种方案：基于多端直流系统的断路器装置，多端直流系统的所有直流输出端中，部分直流输出端相互之间呈断开状态，其它任意两个直流输出端之间通过一个断路器相互连接。本发明用于多端直流系统之间的连接。

Description

基于多端直流系统的断路器装置

技术领域

本发明涉及基于多端直流系统的断路器装置，属于能源传输及配送技术领域。

背景技术

近年来，直流输配电技术得到了广泛发展，该技术尤其适合风能、太阳能等可再生能源的传输及配送。对于陆上系统，当传输距离为几百千米时采用直流配电传输方式较为合适；对于海上系统，当传输距离大于几十千米时适合采用直流配电传输方式。

断路器在直流输配电系统中的连接方式，有效地保护了多端直流系统。多端是指在直流系统中某些连接点处存在多于两个相互连接的直流端。图1所示为一个三端直流输电系统，它的三个换流站在交流侧分别与三个交流电网连接，三个换流站的直流输出端a、b、c分别连接三个直流输电线路，该三个直流输电线路在直流连接点A处相互连接，直流输电线路可采用电缆或是架空线的形式。

根据目前交流系统的保护要求，每个直流输电线路均须经过断路器连接到直流连接点A处，从而可以将系统中所有故障隔离开来，以保护每个换流站的直流输出端。

图2为传统断路器的连接结构，三个断路器用来保护三个直流输出端，三个直流输出端分别通过断路器连接到直流连接点A所在的公共直流母线上。当故障发生后，保护系统监测到故障然后断开相应的断路器从而将故障隔离开来。故障被隔离后，系统可以重新启动并恢复运行。

对于传统断路器连接方式，结合图1和图2所示，当电流在任意两个交流电网之间流动时，均需要经过两个断路器。例如，当电能从一号交流电网向二号交流电网传递时，电流必须流经一号断路器和二号断路器，而当电流经过断路器时必然会产生损耗。

在交流系统中，交流断路器的等效内阻和电压降很低，因此其产生的损耗很小，与其流过的能量相比，这种损耗通常可以忽略。然而对于直流断路器，尤其对于高压系统中的直流断路器而言，其结构基于半导体器件产生，通态压降很大，因此有必要减少电流流经的断路器数量。

发明内容

本发明目的是为了解决电能在交流电网之间流动时，至少要经过两个断路器，产生的损耗大的问题，提供了一种基于多端直流系统的断路器装置。

本发明包括两种技术方案：

第一种技术方案：

基于多端直流系统的断路器装置，多端直流系统的任意两个直流输出端之间通过一个断路器相互连接。

所有断路器的功率等级相同或不同。

它连接于三端直流输电系统的直流连接点处，它包括一号断路器、二号断路器和三号断路器，

一号断路器连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和b之间，二号断路器连接于三端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间，三号断路器连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间。

它连接于四端直流输电系统的直流连接点处，它包括四号断路器、五号断路器、六号断路器、七号断路器、八号断路器和九号断路器，

四号断路器连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和b之间，五号断路器连接于四端直流输电系统的两个直流输出端d和b之间，六号断路器连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和d之间，七号断路器连接于四端直流输电系统的两个直流输出端d和c之间，八号断路器连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间，九号断路器连接于四端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间。

第二种技术方案：

基于多端直流系统的断路器装置，多端直流系统的所有直流输出端中，部分直流输出端相互之间呈断开状态，其它任意两个直流输出端之间通过一个断路器相互连接。

它连接于三端直流输电系统的直流连接点处，它包括二号断路器和三号断路器，

二号断路器连接于三端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间，三号断路器连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间。

上述两种技术方案中：所有断路器中，一个或多个断路器为双向直流断路器或者一个或多个断路器为单向直流断路器。

所有断路器中，一个或多个断路器为具有切断正常电流或故障电流的专用断路器或多功能电路。

所有断路器中，一个或多个断路器为直流电压变换装置。

所述直流电压变换装置由第一变换器、交流变压器和第二变换器组成，

第一变换器的一端连接直流输电系统的一个直流输出端，第一变换器的另一端连接交流变压器的一端，交流变压器的另一端连接第二变换器的一端，第二变换器的另一端连接直流输电系统的另一个直流输出端。

本发明的优点：本发明通过断路器连接形式的改变，实现了对多端直流系统的更有效保护，它使直流系统中的每个直流端均通过一个断路器与其它各个直流端相互连接。当电能量由一个电网向另一个电网传输时，减少了电流流经的断路器个数，从而减小了断路器所产生的损耗，进而提高了传输效率。并且，当一个或多个断路器发生故障时，本发明仍可进行不同电网系统之间能量的传递。

附图说明

图1是三端直流输电系统的原理示意图；

图2是三端直流输电系统中传统断路器的连接结构示意图；

图3是具体实施方式三的断路器连接示意图；

图4是具体实施方式四的断路器连接示意图；

图5是具体实施方式六的断路器连接示意图

图6是电压变换装置的具体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述基于多端直流系统的断路器装置，多端直流系统的任意两个直流输出端之间通过一个断路器相互连接。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一进一步说明，所述基于多端直流系统的断路器装置，所有断路器的功率等级相同或不同。

断路器功率等级：

在设计直流输电系统时，需要确定每个断路器的功率等级。断路器功率等级由很多因素决定，包括功率流大小及方向、发电方式、换流站技术方式以及故障保护等，对于本发明的断路器结构，每个断路器的功率等级可能相同也可能不同。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二进一步说明，本实施方式所述基于多端直流系统的断路器装置，它连接于三端直流输电系统的直流连接点处，它包括一号断路器1、二号断路器2和三号断路器3，

一号断路器1连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和b之间，二号断路器2连接于三端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间，三号断路器3连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间。

本实施方式所述三端直流输电系统的三个直流输出端通过断路器两两相接，当电流从一个直流输出端向另一个直流输出端传递时只需要经过一个断路器。三个直流输出端可以是独立的直流系统，也可以是新的直流系统连接到现有直流系统，此时通常需要将现有直流系统拆分，从而形成两个直流端，这两个直流端再与新的直流系统相互连接。

具体实施方式四：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二进一步说明，本实施方式所述基于多端直流系统的断路器装置，它连接于四端直流输电系统的直流连接点处，它包括四号断路器4、五号断路器5、六号断路器6、七号断路器7、八号断路器8和九号断路器9，

四号断路器4连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和b之间，五号断路器5连接于四端直流输电系统的两个直流输出端d和b之间，六号断路器6连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和d之间，七号断路器7连接于四端直流输电系统的两个直流输出端d和c之间，八号断路器8连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间，九号断路器9连接于四端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间。

本实施方式中，当采用MOSFET等半导体器件时，断路器具有电阻特性。图4的结构具有四条并联支路，通过对四端直流系统的损耗分析可知，其损耗大大低于传统断路器结构。此外，当其中两个断路器发生故障时，能量仍可在任意两个直流输出端之间传递，且只需降低系统功率等级即可；当三个断路器同时发生故障时，在特定条件下仍可以在任意两端之间传送能量。

具体实施方式五：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式所述基于多端直流系统的断路器装置，多端直流系统的所有直流输出端中，部分直流输出端相互之间呈断开状态，其它任意两个直流输出端之间通过一个断路器相互连接。

本实施方式中，用来连接各个直流端的断路器中一个或多个可以省去，因而有些直流端不再相互连接。

具体实施方式六：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式五进一步说明，本实施方式所述基于多端直流系统的断路器装置，它连接于三端直流输电系统的直流连接点处，它包括二号断路器2和三号断路器3，

二号断路器2连接于三端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间，三号断路器3连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间。

本实施方式用于三端直流系统中的两个直流输出端之间，即a和b之间不必传输能量时。图5所示，当两直流端均为送端且它们之间没有能量流动时，出于经济考虑可将它们之间的断路器省掉。由于a和b之间没有能量流动，因此省掉了它们之间的断路器。

本实施方式中，a点与c点没有连接关系，因此当a点故障时，断开三号断路器，此时b和c之间正常工作。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一、二、三、四、五或六进一步说明，所有断路器中，一个或多个断路器为双向直流断路器或者一个或多个断路器为单向直流断路器。

本实施方式中，一个或多个断路器可以采用双向直流断路器，也可以采用单向直流断路器。

断路器技术：

可用于多端直流系统的潜在断路器类型有很多种，其中包括基于功率半导体器件的断路器、功率半导体器件和机械开关相结合的复合型断路器以及具有断路器功能的变换器。这种变换器是一种多功能电路，它具有断路器特性，因此可以用来切断直流电流。对于本发明，直流端之间的断路器不依赖于上述具体断路器类型，只要可以直接或是间接地提供断路器功能就可以适用于本发明。

提供切断操作是断路器的一个基本功能，它还可以分为单向和双向两种。单向断路器仅可以切断单向流动的直流电流，而双向断路器可以切断双向流动的直流电流。本发明所提断路器结构可采用这两种断路器相结合的形式，从而可以切断单向和双向的直流电流及电压。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式一、二、三、四、五、六或七进一步说明，所有断路器中，一个或多个断路器为具有切断正常电流或故障电流的专用断路器或多功能电路。

本实施方式中一个或多个断路器可以为专用断路器，被触发时这种专用断路器具有切断正常电流或故障电流的基本功能；其中一个或多个断路器可以为多功能电路，这种电路具有断路器特性，因此被适当触发时可以切断正常电流或故障电流。

具体实施方式九：本实施方式对实施方式一、二、三、四、五、六、七或八进一步说明，所有断路器中，一个或多个断路器为直流电压变换装置。

具体实施方式十：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式九进一步说明，所述断路器由第一变换器1-1、交流变压器1-2和第二变换器1-3组成，

第一变换器1-1的一端连接直流输电系统的一个直流输出端，第一变换器1-1的另一端连接交流变压器1-2的一端，交流变压器1-2的另一端连接第二变换器1-3的一端，第二变换器1-3的另一端连接直流输电系统的另一个直流输出端。

本实施方式所述的断路器结构，使用于多端直流输电系统中相互连接的直流输出端电压不同的情况，所述断路器结构实质为一种直流电压变换装置，它能够实现电压的匹配。

不同电压等级系统的相互连接：

有时候需要将不同电压等级的直流系统相互连接到一起，并需要采取适当的保护措施，如断路器等。这种相互连接需要采用直流电压变换装置，从而实现电压的升高或是降低。在众多直流电压变换装置中，一个可行的技术方案为将两个变换器通过一个交流变压器连接在一起，每个变换器均可以起到断路器的功能，而交流变压器则用来实现电压变换。图6使用了三个这种直流电压变换装置，每个电压变换装置均由两个变换器和一个交流变压器组成。由于第一变换器1-1和第二变换器1-3均可在直流端a、c之间独立实现断路器功能，因此这种结构具有很好的冗余性。此外，互连系统之间的电压可以相同，也可以不同，当它们相同时采用这种电压变换装置是为了满足系统的电气隔离要求。三直流端之间的电压可以互不相同，此外还可能其中两端电压相同，例如当直流端a和b电压相同时，可以直接用普通断路器来取代直流电压变换装置。

与图2所示传统结构为例来说明本发明的技术优势：

图2中，当能量由a流向b时，电流必须流经一号断路器和二号断路器，而采用IGBT技术的半导体断路器的电压降是固定的，因此产生的损耗与电流流经的断路器个数成正比，进而得出传统结构中断路器的损耗约为本发明的两倍。

MOSFET等半导体器件的导通电阻是固定的，图3所示的断路器结构在电流流经时产生的损耗仅为传统结构的1/3左右，这是由于能量流经时存在两个并联支路，例如，当电流由a流向b时，一条并联支路是一号断路器所在支路，另一条并联支路是二号断路器和三号断路器串联所组成的支路。假定每个断路器的内阻为单位1，则所述两条并联支路的等效电阻为2/3，而采用传统断路器结构时相应的等效电阻为2，因此对于三端直流系统而言，本发明设计的断路器结构产生的损耗仅为传统断路器结构的1/3左右。

本发明所述断路器结构在能量传输时，流量可经过并联支路从一端向另一端传送，而当其中一个断路器发生故障时这种并联支路的存在使得能量仍可以在各端之间传送。如图3所示，当一个断路器发生故障后，会对系统可传送的功率等级产生影响，但是仍可以在三端之间相互传送能量，这时只需对功率流加以限制即可。而对于传统结构，当其中一个断路器发生故障时能量仅能在两端之间传送，因此本发明对于断路器故障具有很好的鲁棒性。

单极和双极系统：

本发明既可应用于单极直流系统，也可应用于双极系统。在将断路器配置于电路中的节点处时，本发明不依赖于节点的电势，相对大地而言，不论节点为正电势、负电势、零电势还是悬浮的，因此本发明可应用于直流系统中的任意节点处。对于以大地为回路的一个双极系统而言，在系统连接点处可能有三种节点，它们通常分别为正电势、负电势和零电势，在这三种节点处均可以有三端或多于三端的相互连接，如图3和图4所示。

本发明的图1至图6中，采用简化框图的形式说明直流端通过断路器的相互连接方式。实际应用中还涉及必需的隔离开关、熔断器、能量及浪涌抑制器、隔离装置、监测及控制元件等。

Claims (10)

1.一种基于多端直流系统的断路器装置，其特征在于，多端直流系统的任意两个直流输出端之间通过一个断路器相互连接。

2.根据权利要求1所述的基于多端直流系统的断路器装置，其特征在于，所有断路器的功率等级相同或不同。

3.根据权利要求1或2所述的基于多端直流系统的断路器装置，它连接于三端直流输电系统的直流连接点处，其特征在于，它包括一号断路器(1)、二号断路器(2)和三号断路器(3)，

一号断路器(1)连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和b之间，二号断路器(2)连接于三端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间，三号断路器(3)连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间。

4.根据权利要求1或2所述的基于多端直流系统的断路器装置，它连接于四端直流输电系统的直流连接点处，其特征在于，它包括四号断路器(4)、五号断路器(5)、六号断路器(6)、七号断路器(7)、八号断路器(8)和九号断路器(9)，

四号断路器(4)连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和b之间，五号断路器(5)连接于四端直流输电系统的两个直流输出端d和b之间，六号断路器(6)连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和d之间，七号断路器(7)连接于四端直流输电系统的两个直流输出端d和c之间，八号断路器(8)连接于四端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间，九号断路器(9)连接于四端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间。

5.一种基于多端直流系统的断路器装置，其特征在于，多端直流系统的所有直流输出端中，部分直流输出端相互之间呈断开状态，其它任意两个直流输出端之间通过一个断路器相互连接。

6.根据权利要求5所述的基于多端直流系统的断路器装置，它连接于三端直流输电系统的直流连接点处，其特征在于，它包括二号断路器(2)和三号断路器(3)，

二号断路器(2)连接于三端直流输电系统的两个直流输出端b和c之间，三号断路器(3)连接于三端直流输电系统的两个直流输出端a和c之间。

7.根据权利要求1、2或5所述的基于多端直流系统的断路器装置，其特征在于，所有断路器中，一个或多个断路器为双向直流断路器或者一个或多个断路器为单向直流断路器。

8.根据权利要求1、2或5所述的基于多端直流系统的断路器装置，其特征在于，所有断路器中，一个或多个断路器为具有切断正常电流或故障电流的专用断路器或多功能电路。

9.根据权利要求1、2或5所述的基于多端直流系统的断路器装置，其特征在于，所有断路器中，一个或多个断路器为直流电压变换装置。

10.根据权利要求9所述的基于多端直流系统的断路器装置，其特征在于，所述直流电压变换装置由第一变换器(1-1)、交流变压器(1-2)和第二变换器(1-3)组成，

第一变换器(1-1)的一端连接直流输电系统的一个直流输出端，第一变换器(1-1)的另一端连接交流变压器(1-2)的一端，交流变压器(1-2)的另一端连接第二变换器(1-3)的一端，第二变换器(1-3)的另一端连接直流输电系统的另一个直流输出端。