CN105870877B - 一种基于晶闸管的无源型混合直流断路器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于晶闸管的无源型混合直流断路器及其应用方法，无源型混合直流断路器包括并联连接的主通流支路、第一转移电流支路、第二转移电流支路和能量吸收支路。其中主通流支路由快速机械开关K和少量全控电力电子单元串联构成；第一转移电流支路由两组反向并联的晶闸管阀T1构成；第二转移电流支路由电容C、电感L和一组反并联的晶闸管阀T2构成，电感与晶闸管阀连接线与电阻一端相连，电阻R另一端接地；能量吸收支路由避雷器组串联构成。本发明提供的技术方案解决现有混合式直流断路器分断电流能力受制于单个全控器件关断能力，分断电流能力较小的问题。

Description

一种基于晶闸管的无源型混合直流断路器及其应用方法

技术领域

本发明涉及直流断路器及其应用方法，具体涉及一种基于晶闸管的无源型混合直流断路器及其应用方法。

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示范应用及规划建设，高压直流断路器作为保证直流系统稳定安全可靠运行的关键设备，其应用需求日益迫切。混合采用机械开关和全控型电力电子开关直流断路器技术兼具了机械开关的低损耗特性和电力电子开关的快速分断特性，是目前应用高压输电系统中直流分断最为有效的技术途径。迄今国外已公布研制成功的混合式直流断路器受限制于单个全控器件分断能力，均存在分断电流相对较低的问题，难以满足高压大容量直流系统的分断电流需求。

基于晶闸管的混合式直流断路器，能够显著提升直流断路器分断电流能力，但由于晶闸管无法自关断，需要配置额外的辅助电路增大了直流断路器的设计和集成难度。而通过配置辅助电源对基于晶闸管的混合式直流断路器中无源元件预充电的技术方式，更是降低了整体的可靠性和加大了设备的体积。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于晶闸管的无源型混合直流断路器及其应用方法，解决现有混合式直流断路器分断电流能力受制于单个全控器件关断能力，分断电流能力较小的问题。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于晶闸管的无源型混合直流断路器，其改进之处在于，所述无源型混合直流断路器包括并联连接的主通流支路、第一转移电流支路、第二转移电流支路和能量吸收支路。

进一步地，所述主通流支路由快速机械开关K和全控电力电子单元串联构成；

所述主通流支路用于在直流系统正常运行时导通负荷电流；所述主通流支路的耐受电压超过第一转移电流直流晶闸管阀T1的通态压降时能够保证故障电流从主通流支路的可靠转移。

进一步地，所述全控电力电子单元由全控器件反向串联构成，每个全控器件两端均反并联有续流二极管；

或所述全控电力电子单元由全控器件反向并联构成；

或所述全控电力电子单元由全控器件与电容构成桥式结构，每个全控器件两端都有反并联续流二极管。

进一步地，所述全控器件为IGCT、IGBT或GTO。

进一步地，所述第一转移电流支路由两组反向并联的晶闸管阀T1构成；所述第二转移电流支路由电容C、电感L和一组反并联的晶闸管阀T2构成，所述电容C的负极与电感L一端连接，电感的另一端和晶闸管阀T2的一端连接线均与电阻R一端相连，电阻R另一端接地；

所述第一转移电流支路用于导通直流系统故障短路电流以及为第二转移电流支路电容C和电感L提供振荡通路；所述第一转移电流支路导通由主通流支路转移过来的系统故障电流，为主通流支路快速机械开关K创造零电压和零电流分断条件；为第二转移电流支路电容C电压经电感L振荡反向提供放电通路；

所述第二转移电流支路用于向第一转移电流支路注入反向电流，强迫第一转移电流支路晶闸管阀T1关断；所述第二转移电流支路电容C、电感L通过晶闸管阀T2触发，向第一转移电流支路注入反向电流，强迫直流系统故障电流换相至第二转移电流支路；其中，接地电阻R在稳态运行时为电容C提供从直流系统取能通路，并限制直流系统对电容C充电电流。

进一步地，所述晶闸管阀T1由反并联的两个晶闸管阀T11和T12构成；所述晶闸管阀T2由反并联的两个晶闸管阀T21和T22构成。

进一步地，所述能量吸收支路由避雷器组串联构成；所述能量吸收支路用于消耗直流系统故障电流，并抑制分断过电压。

本发明提供一种基于晶闸管的无源型混合直流断路器的应用方法，其改进之处在于，所述方法针对直流系统直流断路器线路侧发生故障时和直流短路器电源侧发生故障时两种情况实施不同的操作。

进一步地，当直流断路器线路侧发生故障时：

1)闭锁主通流支路，同时触发第一转移电流支路的晶闸管阀T11和第二转移电流支路的晶闸管阀T21；

2)电流全部转移至第一转移电流支路后，分断快速机械开关K；

3)快速机械开关K完成分断后，触发第二转移电流支路的晶闸管阀T22。

进一步地，当直流短路器电源侧发生故障时：

1)闭锁主通流支路，同时触发第一转移电流支路的晶闸管阀T12；

2)电流全部转移至第一转移电流支路后，分断快速机械开关K；

3)快速机械开关K完成分断后，触发第二转移电流支路的晶闸管阀T21。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1、本发明所提直流断路器能够实现直流电流的双向、快速和无弧分断，且具备强过载能力，分断电流可达到数十kA，满足高压大容量直流电网应用需求；

2、本发明所提直流断路器主要采用半控型电力电子器件，技术成熟，成本较低，承载电流能力强，且易于实现；

3、本发明所提直流断路器电容可经过系统进行充电，不需要配备高压隔离辅助电源，简化了设备结构，提高了可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的基于晶闸管的无源型混合直流断路器拓扑图；

图2是本发明提供的全控电力电子单元示意图；其中：(a)器件反向串联示意图；(b)器件反向并联示意图；(c)全桥模块级联示意图；

图3是本发明提供的基于晶闸管的无源型混合式直流断路器一种实施例示意图；

图4是本发明提供的直流断路器应用系统示例图。

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。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明主要针对基于晶闸管的无源型混合直流断路器及应用方法进行。

图1为所提出的基于晶闸管的无源型混合直流断路器拓扑。所述直流断路器由机械开关、大功率半导体器件、电阻和避雷器单元构成，包含有4条并联支路，主通流支路、第一转移电流支路、第二转移电流支路和能量吸收支路，如图1所示。其中主通流支路由快速机械开关K和全控电力电子单元串联构成；第一转移电流支路由两组反向并联的晶闸管阀T1构成；第二转移电流支路由电容C、电感L和一组反并联的晶闸管阀T2构成，电感与晶闸管阀连接线与电阻一端相连，电阻R另一端接地；能量吸收支路由避雷器组串联构成。

所述全控电力电子模块单元可以由全控器件反向串联构成，每个全控器件两端都有反并联续流二极管，如图2(a)所示；或由全控器件反向并联构成，如图2(b)所示；或为全控器件与电容构成的桥式结构，每个全控器件两端都有反并联续流二极管，如图2(c)所示。所选用全控器件可以为IGCT、IGBT或GTO。

直流断路器主通流支路用于在直流系统正常运行时导通负荷电流。主通流支路中所包含的全控电力电子模块单元数量较少，其耐受电压超过第一转移电流直流晶闸管阀T1的通态压降，即能够保证故障电流从主通流支路的可靠转移。因此，所提直流断路器拓扑具备低通态损耗。

第一转移电流支路用于导通直流系统故障短路电流，和为第二转移电流支路电容、电感提供振荡通路。第一转移电流支路导通由主通流支路转移过来的系统故障电流，为主通流支路快速机械开关创造零电压、零电流分断条件。同时，还为第二转移电流支路电容电压经电感振荡反向创造了放电通路。

第二转移电流支路用于向第一转移电流支路注入反向电流，强迫第一转移电流支路晶闸管阀T1关断。第二转移电流支路电容、电感通过晶闸管阀T2触发，向第一转移电流支路注入反向电流，强迫系统故障电流换相至第二转移电流支路。其中，接地电阻R在稳态运行时为电容C提供从系统取能通路，并限制系统对电容充电电流。

能量吸收支路用于消耗系统故障电流，并抑制分断过电压。

以选用图2(a)所示全控电力电子模块单元为实施例，如图3所示所用器件优选为IGCT，和以图4所示直流系统来阐述所提高压直流断路器器应用方法。

直流断路器线路侧发生故障时：

1)闭锁主通流支路IGCT，同时触发第一转移电流支路晶闸管阀T11和第二转移电流支路晶闸管阀T21；

2)电流全部转移至第一转移电流支路后，分断快速机械开关K；

3)快速机械开关K完成分断后，触发第二转移电流支路晶闸管阀T22。

直流短路器电源侧发生故障时：

1)闭锁主通流支路IGCT，同时触发第一转移电流支路晶闸管阀T12；

2)电流全部转移至第一转移电流支路后，分断快速机械开关K；

3)快速机械开关K完成分断后，触发第二转移电流支路晶闸管阀T21。

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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于晶闸管的无源型混合直流断路器，其特征在于，所述无源型混合直流断路器包括并联连接的主通流支路、第一转移电流支路、第二转移电流支路和能量吸收支路；

所述第一转移电流支路由两组反向并联的晶闸管阀T1构成；所述第二转移电流支路由电容C、电感L和一组反并联的晶闸管阀T2构成，所述电容C的负极与电感L一端连接，电感的另一端和晶闸管阀T2的一端连接线均与电阻R一端相连，电阻R另一端接地；

所述第一转移电流支路用于导通直流系统故障短路电流以及为第二转移电流支路电容C和电感L提供振荡通路；所述第一转移电流支路导通由主通流支路转移过来的系统故障电流，为主通流支路快速机械开关K创造零电压和零电流分断条件；为第二转移电流支路电容C电压经电感L振荡反向提供放电通路；

所述第二转移电流支路用于向第一转移电流支路注入反向电流，强迫第一转移电流支路晶闸管阀T1关断；所述第二转移电流支路电容C、电感L通过晶闸管阀T2触发，向第一转移电流支路注入反向电流，强迫直流系统故障电流换相至第二转移电流支路；其中，接地电阻R在稳态运行时为电容C提供从直流系统取能通路，并限制直流系统对电容C充电电流。

2.如权利要求1所述的无源型混合直流断路器，其特征在于，所述主通流支路由快速机械开关K和全控电力电子单元串联构成；

所述主通流支路用于在直流系统正常运行时导通负荷电流；所述主通流支路的耐受电压超过第一转移电流直流晶闸管阀T1的通态压降时能够保证故障电流从主通流支路的可靠转移。

3.如权利要求2所述的无源型混合直流断路器，其特征在于，所述全控电力电子单元由全控器件反向串联构成，每个全控器件两端均反并联有续流二极管；或所述全控电力电子单元由全控器件反向并联构成；

或所述全控电力电子单元由全控器件与电容构成桥式结构，每个全控器件两端都有反并联续流二极管。

4.如权利要求3所述的无源型混合直流断路器，其特征在于，所述全控器件为IGCT、IGBT或GTO。

5.如权利要求1所述的无源型混合直流断路器，其特征在于，所述晶闸管阀T1由反并联的两个晶闸管阀T11和T12构成；所述晶闸管阀T2由反并联的两个晶闸管阀T21和T22构成。

6.如权利要求1所述的无源型混合直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路由避雷器组串联构成；所述能量吸收支路用于消耗直流系统故障电流，并抑制分断过电压。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的基于晶闸管的无源型混合直流断路器的应用方法，其特征在于，所述方法针对直流系统直流断路器线路侧发生故障时和直流短路器电源侧发生故障时两种情况实施不同的操作。

8.如权利要求7所述的应用方法，其特征在于，当直流断路器线路侧发生故障时：

1)闭锁主通流支路，同时触发第一转移电流支路的晶闸管阀T11和第二转移电流支路的晶闸管阀T21；

2)电流全部转移至第一转移电流支路后，分断快速机械开关K；

3)快速机械开关K完成分断后，触发第二转移电流支路的晶闸管阀T22。

9.如权利要求7所述的应用方法，其特征在于，当直流短路器电源侧发生故障时：

1)闭锁主通流支路，同时触发第一转移电流支路的晶闸管阀T12；

2)电流全部转移至第一转移电流支路后，分断快速机械开关K；

3)快速机械开关K完成分断后，触发第二转移电流支路的晶闸管阀T21。