CN106972479A - 一种直流微电网的设计方法及高低压直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流微电网的设计方法及高低压直流断路器,所述的方法为将各种负荷通过断路器连接到对应的母线上，同时公开了一种直流断路器，该断路器为限流电抗器LA（1）与限流电抗器LB（2）之间的线路上串联一个高压电气支路（3）或低压电气支路（4）组成一个直流微电网,采用本发明能实现双向快速关断，且结构简单，制作及操作方便，实用性强，可以克服现有技术的不足。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网的设计方法及高低压直流断路器，尤其是一种直流微电网的设计方法及高低压直流断路器，属于电力技术领域。
背景技术
随着经济的不断发展，由于化石能源枯竭和开采难度增大，同时造成了严重的环境问题。近年来，太阳能发电，燃料电池，风力发电等新能源得到大规模推广应用，于此同时，出现了电动汽车、变频设备、LED 照明灯、信息设备等大量直流负荷。而直流微网，作为分布式电源与直流负荷更高效率的接入形式，具有线路损耗低、传输容量大、传输距离远、电能质量高、以及不存在系统同步运行稳定性问题等优点，成为目前电力系统的发展趋势。而直流断路器是直流微网系统的重要设备，起着故障跳闸和保护系统中电力设备的关键作用，目前缺乏实用的直流断路器。
发明内容
本发明的目的是：针对目前发展直流微网的电力系统发展趋势，提供一种直流微电网的设计方法及高低压直流断路器，利用直流微电网的设计方法及高低压直流断路器实现双向快速关断，从而克服现有技术的不足。
本发明的技术方案为：一种直流微电网的设计方法,所述的方法为将风力发电、光伏发电、蓄电池、交、直流负荷经过换流器变为低压等级的直流电压，直接连接到低压直流母线上或通过直流断路器连接到低压直流母线上；低压直流母线电压经过直流变压器升压，通过直流断路器连接到中压直流母线上；同时燃料电池、微型燃气轮机、中压交、直流负荷经过换流器变为中压等级的直流电压，通过直流断路器连接到中压直流母线上；中压直流母线再经过DC/AC换流器，通过交流断路器连接到交流系统。
一种直流断路器，包括高压直流断路器和低压直流断路器，高压直流断路器为两个限流电抗器之间串联一个高压电气支路；低压直流断路器为两个限流电抗器之间串联一个低压电气支路。
所述的限流电抗器包括限流电抗器LA与限流电抗器LB。所述的高压电气支路包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联，第一支路由机械式的快速隔离开关和辅助开关串联；第二支路包括至少两个以上辅助开关串联组成；每个辅助开关由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管；第三支路由电阻和电容串联组成；第四支路为氧化锌避雷器构成的能量吸收回路。
所述的低压电气支路包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联；第一支路由机械式的快速隔离开关组成；第二支路包括至少两个以上IGBT模块串联组成；每个IGBT模块由两个IGBT单元反向串联，并在每个IGBT单元上反向并联二极管；第三支路由电阻和电容串联组成；第四支路为氧化锌避雷器构成的能量吸收回路。
所述的辅助开关由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明结构简单，制作及操作方便，实用性强，高低压直流断路器实现双向快速关断，可以克服现有技术的不足。
附图说明
附图1为本发明高压直流断路器的结构示意图；
附图2为本发明低压直流断路器的结构示意图；
图3为本发明运用在直流微网中的示意图；
图中标识为：1、限流电抗器LA，2、限流电抗器LB，3、高压电气支路，4、低压电气支路，5、IGBT，6、二极管，7、电阻，8、电容，9、氧化锌避雷器，10、快速隔离开关，11、辅助开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
如附图1所示，将风力发电、光伏发电、蓄电池、交、直流负荷等经过换流器变为低压等级的直流电压，通过直流断路器连接到低压直流母线上，某些直流负荷可以直接连接到低压直流母线上。低压直流母线电压经过直流变压器升压，通过直流断路器连接到中压直流母线上。同时，燃料电池、微型燃气轮机、中压交、直流负荷等经过换流器变为中压等级的直流电压，通过直流断路器连接到中压直流母线上。中压直流母线再经过DC/AC换流器，通过交流断路器连接到交流系统。
本发明的实施例1：如图2所示，一种高压直流断路器，由限流电抗器LA1、限流电抗器LB2、高压电气支路3、IGBT5、二极管6、电阻7、电容8、氧化锌避雷器9、快速隔离开关10、辅助开关11组成，在限流电抗器LA1与限流电抗器LB2之间的线路上串联一个高压电气支路3组成一个直流微电网，高压电气支路3包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联，第一支路由快速隔离开关10和辅助开关11串联；第二支路包括至少两个以上辅助开关11串联组成；每个辅助开关由两个IGBT5反向串联，并在每个IGBT5上反向并联二极管6；第三支路由电阻7和电容8串联组成；第四支路为氧化锌避雷器9构成的能量吸收回路，辅助开关由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管。
本发明的一种高压直流断路器，由四条并联支路两端串联两个限流电抗器组成，这四条并联支路第一支路为主支路，由快速隔离开关10和辅助快关11串联组成，用来导通正常负载电流；第二支路为转移支路，由辅助开关组成，该辅助开关由若干个IGBT5模块串联组成，每个IGBT5模块由两个IGBT5反向串联，并在每个IGBT5上反向并联二极管6，IGBT5模块个数根据所使用直流电压等级确定，该支路用来开通正常运行电流和关断双向故障电流；第三支路是由电阻7和电容8串联组成的缓冲回路，用来缓冲开断时线路电感能量，降低辅助开关电压上升率；第四支路为由氧化锌避雷器9构成的能量吸收回路，用来吸收开断时线路电感能量，保护辅助开关器件不受过电压威胁。
按照本发明的技术方案，将所需的设备及元器件进行连接，即可进行试验，试验时按照下述方法进行试验：
合闸操作：先触发第二支路的辅助开关11使其导通，紧接着闭合第一支路的快速隔离开关10，再导通辅助开关11,使其在零电压下导通,确认第一支路导通后关断第二支路的辅助开关11使其退出运行。第二支路的辅助开关11闭合后在限流电感的作用下，直流电流逐渐从零上升到稳态值，亦即限流电感在合闸初期阶段具有抑制直流电流上升率的作用，相当于对合闸过程起到了缓冲作用。合闸过程结束后，直流电源经第一支路的向负载供电，限流电感只对直流纹波具有平抑作用，因此装置通态压降与损耗均很小。
分闸操作：包括正常分闸与短路分闸，两者操作过程基本相同，区别只是前者分断正常工作电流，而后者分断短路电流，限流电抗均起到抑制初期短路电流上升率的作用。在收到分闸命令或是检测到短路电流超过动作设定值时，立即发出触通第二支路辅助开关11和关断第一支路辅助开关11信号。第一支路辅助开关11关断时产生的过电压迫使电流向第二支路辅助11开关中转移，当电流完全转移至第二支路辅助开关11后，无弧断开第一支路快速隔离开关11，随后向第二支路辅助开关11发出关断信号，其所有IGBT5阀组均快速关断，此期间电阻7、电容8和氧化锌避雷器9缓冲吸收回路自动投入工作，能够有效减缓开断电压上升速度，以确保阀组所承担的开断电压在其安全工作区范围内。
本发明的实施例2：一种低压直流断路器，由限流电抗器LA1、限流电抗器LB2、低压电气支路4、 IGBT5、二极管6、电阻7、电容8、氧化锌避雷器9、快速隔离开关10、辅助开关11组成，在限流电抗器LA1与限流电抗器LB2之间的线路上串联一个低压电气支路4组成一个直流微电网，低压电气支路4包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联；第一支路由机械开关组成；第二支路包括至少两个以上IGBT5模块串联组成；每个IGBT5模块由两个IGBT5单元反向串联，并在每个IGBT5单元上反向并联二极管6；第三支路由电阻7和电容8串联组成；第四支路为氧化锌避雷器9构成的能量吸收回路。
其中所述的低压直流断路器结构如附图3所示，限流电抗器LA1与限流电抗器LB2为限流电抗器，电抗器在直流系统中并不体现其电抗特性，因此电抗的接入对直流系统的正常运行无影响，而故障时可起到明显的限流作用，可降低直流短路电流上升率，从而降低对机械开关速动性的要求，限流电抗器LA1与限流电抗器LB2位于辅助开关的两端可限制双向故障电流。与两个限流电抗器串联的是四条并联支路，第一支路为主支路，由机械开关组成，用来导通正常负载电流；第二支路为转移支路，由辅助开关11组成，该辅助开关由若干个IGBT5模块串联组成，IGBT5模块个数根据所使用直流电压等级确定，每个IGBT5模块由两个IGBT5反向串联，并在每个IGBT5上反向并联二极管6，该支路用来开通正常运行电流和关断双向故障电流；第三支路是由电阻7和电容8串联组成的缓冲回路，用来缓冲开断时线路电感能量，降低辅助开关电压上升率；第四支路为由氧化锌避雷器9构成的能量吸收回路，用来吸收开断时线路电感能量，保护辅助开关器件不受过电压威胁。
按照本发明的技术方案，将所需的设备及元器件进行连接，即可进行试验，试验时按照下述方法进行试验：
合闸操作：先触发第二支路的辅助开关11使其导通，紧接着闭合第一支路的快速隔离开关10，再导通辅助开关11,使其在零电压下导通,确认第一支路导通后关断第二支路的辅助开关11使其退出运行。第二支路的辅助开关11闭合后在限流电感的作用下，直流电流逐渐从零上升到稳态值，亦即限流电感在合闸初期阶段具有抑制直流电流上升率的作用，相当于对合闸过程起到了缓冲作用。合闸过程结束后，直流电源经第一支路的向负载供电，限流电感只对直流纹波具有平抑作用，因此装置通态压降与损耗均很小。
分闸操作：包括正常分闸与短路分闸，两者操作过程基本相同，区别只是前者分断正常工作电流，而后者分断短路电流，限流电抗均起到抑制初期短路电流上升率的作用。在收到分闸命令或是检测到短路电流超过动作设定值时，立即发出触通第二支路辅助开关11和关断第一支路辅助开关11信号，第一支路辅助开关11关断时产生的过电压迫使电流向第二支路辅助开关11中转移，当电流完全转移至第二支路辅助开11后，无弧断开第一支路快速隔离开关10；随后向第二支路辅助开关11发出关断信号，其所有IGBT5阀组均快速关断，此期间电阻7、电容8和氧化锌避雷器9缓冲吸收回路自动投入工作，能够有效减缓开断电压上升速度，以确保阀组所承担的开断电压在其安全工作区范围内。
Claims (6)
1.一种直流微电网的设计方法,其特征在于：所述的方法为将风力发电、光伏发电、蓄电池、交、直流负荷经过换流器变为低压等级的直流电压，直接连接到低压直流母线上或通过直流断路器连接到低压直流母线上；低压直流母线电压经过直流变压器升压，通过直流断路器连接到中压直流母线上；同时燃料电池、微型燃气轮机、中压交、直流负荷经过换流器变为中压等级的直流电压，通过直流断路器连接到中压直流母线上；中压直流母线再经过DC/AC换流器，通过交流断路器连接到交流系统。
2.一种直流断路器，包括高压直流断路器和低压直流断路器，其特征在于：高压直流断路器为两个限流电抗器之间串联一个高压电气支路（3）；低压直流断路器为两个限流电抗器之间串联一个低压电气支路（4）。
3.根据权利要求2所述的一种直流断路器，其特征在于：所述的限流电抗器包括限流电抗器LA（1）与限流电抗器LB（2）。
4.根据权利要求2所述的一种直流断路器，其特征在于：所述的高压电气支路（3）包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联，第一支路由机械式的快速隔离开关（10）和辅助开关（11）串联；第二支路包括至少两个以上辅助开关（11）串联组成；每个辅助开关（11）由两个IGBT（5）反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管（6）；第三支路由电阻（7）和电容（8）串联组成；第四支路为氧化锌避雷器（9）构成的能量吸收回路。
5.根据权利要求2所述的一种直流断路器，其特征在于：所述的低压电气支路（4）包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联；第一支路由机械式的快速隔离开关（10）组成；第二支路包括至少两个以上IGBT（5）模块串联组成；每个IGBT（5）模块由两个IGBT（5）单元反向串联，并在每个IGBT（5）单元上反向并联二极管（6）；第三支路由电阻（7）和电容（8）串联组成；第四支路为氧化锌避雷器（9）构成的能量吸收回路。
6.根据权利要求4所述的一种直流断路器，其特征在于：所述的辅助开关（11）由两个IGBT（5）反向串联，并在每个IGBT（5）上反向并联二极管（6）。
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