CN106230413A - 一种混合型高压直流断路器及其功率单元 - Google Patents

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蔚泉清
程铁汉
马俊海
王鹏
高树同
吴军辉
钟建英
卢敬伟
贾娜
渠学景
王勇
刘智全
刘浩
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Beijing Ping Da Da Technology Development Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Pinggao Group Co Ltd
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Beijing Ping Da Da Technology Development Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种混合型高压直流断路器及其功率单元，该混合型高压直流断路器由通流支路和转移支路构成；其中通流支路包括一个机械开关和一个通流支路功率单元；转移支路包括若干个改进的H桥结构的转移支路功率单元；改进的H桥结构包括三条并联支路，其中第一条支路包括一个电容器，第二条支路和第三条支路均包括两个反串联的全控型功率器件；混合型高压直流断路器功率单元的结构即为改进的H桥结构。在分断故障电流过程中，混合型高压直流断路器功率单元避免了故障电流对全控型功率器件反并联二极管的电流冲击，减小了功率单元的损耗，可有效提高混合型高压直流断路器的使用寿命。

Description

一种混合型高压直流断路器及其功率单元
技术领域
本发明涉及一种混合型高压直流断路器及其功率单元，属于直流断路器技术领域。
背景技术
目前，随着国内外研究机构对高压直流断路器的不断研究，混合型高压直流断路器已被广泛应用于高压柔性直流输电系统及多端柔性直流输电系统工程中。在混合型高压直流断路器功率单元的研究成果中，国外以ABB公司的IGBT直接串联方式为代表，国内以全球能源互联网研究院提出的H桥结构拓扑为代表。
如公开号为CN 104702256 A的发明专利“一种高压直流断路器的IGBT驱动方法”，公布了一种包含有H桥结构的一种高压直流断路器的IGBT的驱动方法。其中，包含有H桥结构的直流断路器在分断故障电流时，故障电流将通过功率器件反并联的二极管给电容充电，从而实现故障的均压控制和能量转移。直流断路器分断故障电流的过程中，由于功率器件的反并联二极管中会承受较大的故障电流，导致H桥模块的损耗、散热和寿命等都会受到影响。
因此，在混合型高压直流断路器转移功率单元闭锁过程中，如何避免功率器件的反并联二极管承受故障电流，直接实现对电容充电，以降低功率单元的损耗和散热要求，提高功率单元的可靠性和寿命，成为混合型高压直流断路器研究中亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合型高压直流断路器及其功率单元，用以解决在直流断路器分断故障电流过程中，全控型功率器件的反并联二极管承受故障电流的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种混合型高压直流断路器功率单元，包括三条并联支路，其中第一条支路包括一个电容器，第二条支路和第三条支路均包括两个反串联的全控型功率器件，且每个所述全控型功率器件的两端反并联有一个二极管，所述全控型功率器件采用IGBT或IGCT。
一种混合型高压直流断路器，所述直流断路器包括通流支路和转移支路。其中转移支路包括若干个串联连接的转移支路功率单元；所述转移支路功率单元采用改进的H桥结构，所述改进的H桥结构包括三条并联支路，其中第一条支路包括一个电容器，第二条支路和第三条支路均包括两个反串联的全控型功率器件，三条并联支路的并联点分别为所述改进的H桥结构的输入端和输出端。其中，所述全控型功率器件可以采用IGBT或IGCT。
所述通流支路包括一个机械开关和一个通流支路功率单元，该通流支路功率单元采用所述改进的H桥结构或H桥结构。
另外，该混合型高压直流断路器还包括由避雷器单元组成的耗能支路，用于消耗故障电流。
本发明和现有技术相比的改进效果是：
与现有其他方案相比，本发明的混合型高压直流断路器功率单元未增加成本，也没有增加电路结构的复杂性。在该功率单元中，通过对H桥拓扑结构进行改进，使得在功率单元闭锁后，故障电流不流过功率单元中全控型功率器件的反并联二极管，直接给电容器充电。该直流断路器功率单元具有可靠性高，器件寿命长、散热压力小的特点，可有效改善采用该直流断路器功率单元的混合型直流断路器的性能。
附图说明
图1是混合型高压直流断路器功率单元；
图2是混合型直流断路器示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种混合型高压直流断路器及其功率单元，其主要改进在于：在H桥结构的基础上，将H桥结构中原用于连接两桥臂的电容改为与两个桥臂并联连接的接线方式。下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
混合型高压直流断路器功率单元实施例；
参考图1，每个功率单元包括三条并联支路，其中第一条支路包括一个电容器C，第二条支路包括两个反串联的全控型功率器件D1和D2，第三条支路包括两个反串联的全控型功率器件D3和D4。三条并联支路的并联点分别为转移支路功率模块的输入端和输出端，分别记为P1和P2。
一种混合型高压直流断路器实施例；
参考图2，该直流断路器包括并联连接的通流支路和转移支路。其中转移支路包括若干个串联连接的转移支路功率单元，所述转移支路功率单元采用改进的H桥结构，所述改进的H桥结构包括三条并联支路，其中第一条支路包括一个电容器，第二条支路和第三条支路均包括两个反串联的全控型功率器件，三条并联支路的并联点分别为所述改进的H桥结构的输入端和输出端，其中全控型功率器件可以采用IGBT或IGCT。所述通流支路包括一个机械开关和一个通流支路功率单元，其中通流支路功率单元采用所述改进的H桥结构，也可采用H桥拓扑结构。
另外，该混合型高压直流断路器还包括由避雷器单元组成的耗能支路，用于消耗故障电流。
混合型高压直流断路器的工作原理：
当直流系统未发生短路故障时，直流断路器处于导通状态，功率单元中的可关断器件D1～D4全部触发开通。此时，如果系统电流从A端流向B端，电流分为两路，一路流经D1的反并联二极管和D2，另一路流经D3和D4的反并联二极管。如果系统电流从B端流向A端，电流也分为两路，一路流经D2的反并联二极管和D1，另一路流经D4和D3的反并联二极管。由于D1～D4及其反并联二极管导通时导通压降很低(几乎为零)，因此电容C上仅存在极低电压。
当系统发生短路故障时，直流断路器开始分断故障电流，功率单元中的可控器件D1～D4全部触发闭锁。若闭锁前的故障电流从A端流向B端，则由于D2和D3闭锁，故障电流无法流通功率器件，开始给电容C充电，流向为从A到B。电容电压升高至设计值时完成闭锁，直流断路器实现故障电流分断。若闭锁前的故障电流从B端流向A端，则由于D1和D4闭锁，故障电流无法流通功率器件，开始给电容C充电，流向为从B到A。电容电压升高至设计值时完成闭锁，直流断路器实现故障电流分断。

Claims (6)

1.一种混合型高压直流断路器功率单元，其特征在于，
所述转移支路功率单元包括三条并联支路，其中第一条支路包括一个电容器，第二条支路和第三条支路均包括两个反串联的全控型功率器件。
2.根据权利要求1所述的一种混合型高压直流断路器功率单元，所述全控型功率器件为IGBT或IGCT。
3.一种混合型高压直流断路器，所述直流断路器包括并联连接的通流支路和转移支路，所述通流支路包括一个机械开关和至少一个通流支路功率单元，所述机械开关和通流支路功率单元串联连接，所述转移支路包括若干个串联连接的转移支路功率单元，其特征在于，所述转移支路功率单元采用改进的H桥结构，所述改进的H桥结构包括三条并联支路，其中第一条支路包括一个电容器，第二条支路和第三条支路均包括两个反串联的全控型功率器件；所述三条并联支路的并联点分别为所述改进的H桥结构的输入端和输出端。
4.根据权利要求3所述的一种混合型高压直流断路器，其特征在于，所述通流支路功率单元的结构为所述改进的H桥结构。
5.根据权利要求3或4所述的一种混合型高压直流断路器，其特征在于，所述全控型功率器件为IGBT或IGCT。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的一种混合型高压直流断路器，其特征在于，所述高压直流断路器包括由避雷器单元组成的耗能支路。
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