CN104753044A - 一种混合式全固态高压直流断路器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合式全固态高压直流断路器拓扑结构，包括依次串联连接的全控型器件阀、半控型器件阀和电抗器，全控型器件阀和电抗器连接分别通过隔离开关连接直流断路器的低压端和高压端，所述全控型器件阀和所述半控型器件阀并联连接有避雷器；充分利用全控型器件和半控型器件的串联特点，以及直流开断过程中的特性，通过适当的控制策略可实现高电压、大电流的开断，满足开通关断过程中的不同要求，具有造价成本低、可靠性高，损耗小等优点，在高压直流输电系统出现故障时，可快速开断故障电流、切除故障点。

Description

一种混合式全固态高压直流断路器拓扑结构

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种混合式全固态高压直流断路器拓扑结构。

背景技术

多端直流输电技术能够实现多电源供电、多落点受电，是一种灵活、快捷、经济的输电方式。特别是基于电压源型换流器的柔性直流输电技术的出现使得多端高压直流电网的筹建发展成为可能，具有快速开断直流故障电流和隔离故障功能的直流断路器是实现多端高压直流电网必不可少和至关重要的核心设备。

直流系统中短路故障发生后，短路电流上升非常快，要求高压直流断路器能快速开断，并将高压直流电网与故障线路隔离。目前成功应用于高压直流输电系统中性母线开关的是直流转换开关，详见专利“一种高压直流输电用转换开关电路结构”，专利号：ZL2008 20029503.1，它可将系统正常运行电流从一个电路转换到另一电路，并利用电容器放电以制造过零点，最终在断路器断口形成过零点完成电流转换，其转换时间较长，系统欠稳定，不具备直接开断短路故障电流的能力，并且对地绝缘水平不高，因此不适合安装于高压直流输电系统极性母线上。

高压直流断路器仍然是多端高压直流系统发展的一个瓶颈，限制着直流电网的发展。特别是受制于目前全控型功率器件的技术水平，其价格非常昂贵，很难应用于实际工程中。

发明内容

本发明目的在于提供一种混合式全固态高压直流断路器拓扑结构，解决直流电容和功率体则无法直接分离的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混合式全固态高压直流断路器拓扑结构，包括依次串联连接的全控型器件阀、半控型器件阀和电抗器，全控型器件阀和电抗器连接分别通过隔离开关连接直流断路器的低压端和高压端，所述全控型器件阀和所述半控型器件阀并联连接有避雷器。

所述的全控型器件阀包括两组反向串联的全控型器件单元，每个全控型器件单元由至少2个全控型器件串联组成，所述的每个全控型器件并联有缓冲电路；所述的半控型器件阀包括至少2组串联的反并联半控型器件，所述的半控型器件并联有辅助电路。

所述的缓冲电路包括并联连接的静态均压电路、动态均压电路和非线性电阻；所述的静态均压电路为直流电阻，所述动态均压电路包括并联连接的第一缓冲电阻和缓冲二极管，缓冲电阻和缓冲二极管并联后与第一缓冲电容串联连接。

所述辅助电路包括并联连接的静态均压电路、动态均压电路和监控单元；所述的静态均压电路为直流分级电阻，所述的动态均压电路包括串联连接的第二缓冲电阻和第二缓冲电容。

所述全控型器件阀中，每组全控型器件单元的串联全控型器件发射极或集电极与另一组全控型器件单元的串联全控型器件发射极或集电极相连接；两组反向串联的全控型器件单元一端通过隔离开关连接于断路器的低压端，另一端与半控型器件阀相连接；所述半控型器件阀、电抗器相互串联后通过隔离开关接于断路器的高压端。

本发明利用了半控型器件容量大、耐压高、损耗小等特点；采用多个半控型器件串联，同时再串联少量全控型器件作为直流断路器，具有速度快、体积小及模块化设计易于成套等特点；充分利用全控型器件和半控型器件的串联特点，以及直流开断过程中的特性，通过适当的控制策略可实现高电压、大电流的开断，满足开通关断过程中的不同要求，其开断时间接近于纯全控型功率器件的直流断路器，适用于速动性要求高的场合。且该断路器具有开断时间短、造价低、损耗小、无弧、无光、无声响等优点。

本发明还有以下优点：

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.整个换流拓扑大量采用常规半控型器件器件，制造难度相对较小，可靠性高；

c.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；

d.更容易与高压直流输电系统结合，适宜于一体化设计；

e.直流断路器导通时采用半控型器件代替全控型器件，其系统正常运行损耗能够降至更低；

f.具有多自由度优化设计的可能，所述半控型器件阀与所述全控型器件阀有不同成本的配置方法，根据实际工况要求灵活配置。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的接通开断过程波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细地描述。

本发明的混合式新型全固态高压直流断路器，用于关合在高压直流系统6中的额定电流和故障电流。

如图1所示，所述混合式新型全固态高压直流断路器包括：全控型器件阀1、半控型器件阀2、电抗器4和隔离开关51、52串联连接，以及与所述全控型器件阀和所述半控型器件阀并联连接的避雷器31、32。其中，所述全控型器件阀包括2组反向串联的全控型器件单元11，每个全控型器件单元至少由2个全控型器件串联组成，以及与所述全控型器件并联的缓冲电路12，所述缓冲电路用于全控型器件在开通和关断过程中均衡其两端电压；所述半控型器件阀包括至少2组串联的反并联半控型器件单元21，以及与所述半控型器件单元并联的辅助电路22，所述辅助电路用于半控型器件两端电压的均衡和器件状态的监测。

全控型器件阀1中每组全控型器件单元的串联全控型器件的发射极或集电极与另一组全控型器件单元的串联全控型器件的发射极或集电极相连接，两组反向串联的全控型器件单元11一端通过隔离开关51连接于断路器的低压端62，另一端与半控型器件阀2相连接。半控型器件阀2、电抗器4相互串联连接，最终通过隔离开关52接于混合式新型全固态高压直流断路器的高压端61。

所述全控型器件阀的每个缓冲电路12都包含三部分：静态均压电路、动态均压电路、和非线性电阻125。所述静态均压电路包括直流电阻121，所述动态均压电路包括第一缓冲电阻122、第一缓冲电容123和缓冲二极管124。缓冲电路可有效解决全控型器件的串联均压问题。

所述半控型器件阀的每个辅助电路22包含三部分：静态均压电路、动态均压电路和监控单元224。所述静态均压电路包括直流分级电阻221，所述动态均压电路包括第二缓冲电阻222、第二缓冲电容223。辅助电路可有效解决半控型器件的串联均压问题。

所述全控型器件阀1由2组全控型器件单元反向串联组成，所述半控型器件阀2至少由2个反并联半控型器件单元串联组成，这种配置方法可以使整个直流断路器具备双向电流阻断能力。

由于半控型器件的耐压值、耐流值均明显高于全控型器件，因此半控型器件的串联数一般大于全控型器件。在本发明设计的混合式新型全固态高压直流断路器中，与所述全控型器件阀并联的避雷器31能够吸收全控型器件阀两端的过电压能量，从而达到保护全控型器件阀、减少全控型器件的串联数量、降低全控型器件串联技术难度的目的；与所述半控型器件阀并联的避雷器32可限制半控型器件阀两端的过电压，从而保护整个高压直流断路器。

如图2所示，对混合式新型全固态高压直流断路器的原理与工作过程进行说明。

隔离开关51、52分别合闸，使高压直流断路器两端承受系统的直流电压；

t1～t2(区间Ⅰ)：t1时刻，同时向全控型器件阀和半控型器件阀发送导通命令，由于全控型器件阀导通时间远小于半控型器件阀，在全控型器件阀导通的过程中，半控型器件阀尚未导通，直流断路器的电流iB为零。t2时刻，全控型器件阀导通完成。

t2～t3(区间Ⅱ)：半控型器件阀开始导通，直流断路器的电流iB上升，t3时刻，半控型器件阀导通完成。

t3～t4(区间Ⅲ)：直流线路正常供电，直流断路器处于导通状态，两端电压为全控型器件阀和半控型器件阀的导通压降之和，相比于系统直流电压可视为零。

t4～t5(区间Ⅳ)：t4时刻发生故障(或线路需要开断时)，电抗器开始抑制短路电流的上升。t5时刻，向全控型器件阀发出关断信号。

t5～t6(区间Ⅴ)：在全控型器件阀的关断过程中，直流断路器仍有电流流过，半控型器件阀无法恢复正向阻断特性，仍处于导通状态，其两端电压仍为其导通电压，全控型器件阀两端电压vT上升，直流断路器电流iB下降。此时避雷器开始发挥作用，在半控型器件阀恢复正向阻断能力前，限制全控型器件阀开断过程中的两端电压，避免直流电压直接加于全控型器件阀两端，从而损坏器件。

t6～t7(区间Ⅵ)：t6时刻，全控型器件阀完全关断，半控型器件阀开始恢复其正向阻断能力，其两端电压vS上升，全控型器件阀两端电压vT下降后亦继续上升。t7时刻，半控型器件阀恢复正向阻断能力，直流断路器完全关断。

最后再将隔离开关51、52分别分闸，实现可视断口，最终完成混合式新型全固态高压直流断路器的全部操作。

由于固态高压直流断路器在开通、关断时承受的电压和电流应力都非常大，考虑到半控型器件的容量大、通态压降小、损耗低、价格便宜等优点，同时利用全控型器件的可关断性，本发明设计了适用于更高电压等级和更低制造成本的混合式新型全固态高压直流断路器。

本发明在功率器件数量的选择上可综合考虑两种元件的性价比，实现技术和经济的优化配合；在结构设计上可借鉴传统高压直流输电换流阀的设计技术，优化结构，提高可靠性，无需研制由大量全控型器件组成的主开断回路和快速隔离开关。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (5)

1.一种混合式全固态高压直流断路器拓扑结构，其特征在于：包括依次串联连接的全控型器件阀(1)、半控型器件阀(2)和电抗器(4)，全控型器件阀(1)和电抗器(4)连接分别通过隔离开关(51、52)连接直流断路器的低压端(62)和高压端(61)，所述全控型器件阀(1)和所述半控型器件阀(2)并联连接有避雷器(31、32)。

2.根据权利要求1所述的混合式全固态高压直流断路器拓扑结构，其特征在于：所述的全控型器件阀(1)包括两组反向串联的全控型器件单元(11)，每个全控型器件单元由至少2个全控型器件串联组成，所述的每个全控型器件并联有缓冲电路(12)，缓冲电路(12)用于全控型器件在开通和关断过程中均衡其两端电压；所述的半控型器件阀(2)包括至少2组串联的反并联半控型器件(21)，所述的半控型器件并联有辅助电路(22)，辅助电路(22)用于半控型器件两端电压的均衡和器件状态的监测。

3.根据权利要求2所述的混合式全固态高压直流断路器拓扑结构，其特征在于：所述的缓冲电路(12)包括并联连接的静态均压电路、动态均压电路和非线性电阻(125)；所述的静态均压电路为直流电阻(121)，所述动态均压电路包括并联连接的第一缓冲电阻(122)和缓冲二极管(124)，缓冲电阻(122)和缓冲二极管(124)并联后与第一缓冲电容(123)串联连接。

4.根据权利要求2所述的混合式全固态高压直流断路器拓扑结构，其特征在于：所述辅助电路(22)包括并联连接的静态均压电路、动态均压电路和监控单元(224)；所述的静态均压电路为直流分级电阻(221)，所述的动态均压电路包括串联连接的第二缓冲电阻(222)和第二缓冲电容(223)。

5.根据权利要求2所述的混合式全固态高压直流断路器拓扑结构，其特征在于：所述全控型器件阀(1)中，每组全控型器件单元的串联全控型器件发射极或集电极与另一组全控型器件单元的串联全控型器件发射极或集电极相连接；两组反向串联的全控型器件单元(11)一端通过隔离开关(51)连接于断路器的低压端(62)，另一端与半控型器件阀(2)相连接；所述半控型器件阀(2)、电抗器(4)相互串联后通过隔离开关(52)接于断路器的高压端(61)。