CN107453336A - 一种级联全桥直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种级联全桥直流断路器，包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；主通流支路包括串联的第一全桥模块和机械开关；转移电流支路包括N个依次串联的第二全桥模块，能量吸收支路包括M个避雷器，全桥模块采用全控器件构成的桥臂电路或二极管桥臂电路。全本发明提供的技术方案采用非线性电阻均压，大幅度简化构成形式，有利于降低设备总体成本和体积；本发明有利于实现级联全桥直流断路器紧凑化布置，易于降低杂散参数和实现过电压抑制，提高整体应用可靠性，能够实现级联全桥高压直流断路器的在数毫秒内快速重合，扩展级联全桥直流断路器应用范围，进一步提高柔性多端及直流电网的运行可靠性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种级联全桥直流断路器。
背景技术
随着基于电压源换流器的多端柔性直流和直流电网技术的开始应用，高压直流断路器成为保证系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。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。高压直流断路器应用于的含有大容量的架空线柔性多端直流和直流电网时，除了具备快速和低损耗等特性外，还应具备强电流分断以及快速重合闸能力。
现有的级联全桥直流断路器能在3ms切断15A故障电流能力，具备了良好的技术性能，为工程应用奠定了坚实的基础。然而在其分断完成后各模块单元内部电容储存电压很难快速释放，导致其在快速重合闸应用存在发生直通短路而损坏直流断路器的风险。此外，断路器分断完成后泄露电流相对较大致使断路器内部泄放电阻发热较高的问题也需要进一步优化。且现有的级联全桥直流断路通过在全桥模块中增加二极管方式的解决所面临的上述技术问题，却增加了直流断路器所使用元器件数量，不利于降低成本以及总体体积。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种级联全桥直流断路器，采用非线性电阻均压，大幅度简化构成形式，有利于降低设备总体成本和体积；提供的不同结构的全桥模块有利于实现级联全桥直流断路器紧凑化布置，易于降低杂散参数和实现过电压抑制，提高整体应用可靠性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种级联全桥直流断路器，包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路，所述主通流支路包括串联的第一全桥模块和机械开关；
所述转移电流支路包括多个串联的第二全桥模块；
所述第一全桥模块和第二全桥模块均包括全桥模块，所述全桥模块包括桥臂电路以及与桥臂电路并联的非线性电阻；或者包括桥臂电路以及与桥臂电路并联的非线性电阻和全控器件；
所述能量吸收支路包括多个避雷器，各避雷器分别与所述转移电流支路中的各第二全桥模块并联或者与所述第二全桥模块中的各全桥模块并联。
所述桥臂电路包括全控器件1、全控器件2、全控器件3和全控器件4；
所述全控器件1、全控器件4位于上桥臂，所述全控器件2、全控器件3位于下桥臂，所述非线性电阻连接在桥臂电路的上桥臂和下桥臂之间。
所述桥臂电路包括全控器件1、全控器件2、全控器件3、全控器件4和RCD阻尼电路；
所述全控器件1、全控器件4位于上桥臂，所述全控器件2、全控器件3位于下桥臂，所述非线性电阻和RCD阻尼电路均连接在桥臂电路的上桥臂和下桥臂之间；
所述RCD阻尼电路包括阻尼电阻R、二极管D和阻尼电容C。
所述阻尼电阻R与二极管D并联，所述二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接阻尼电容C的一端，所述阻尼电容C的另一端连接非线性电阻的另一端。
所述阻尼电阻R与阻尼电容C并联，形成R//C支路，所述二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接R//C支路的一端，所述R//C支路的另一端连接非线性电阻的另一端。
所述全控器件采用IGBT，所述桥臂电路采用二极管桥臂电路，所述二极管桥臂电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；
所述二极管D1和二极管D4位于二极管桥臂电路的上桥臂，所述二极管D2和二极管D3位于二极管桥臂电路的下桥臂，所述IGBT和非线性电阻均连接在二极管桥臂电路的上桥臂和下桥臂之间。
所述全控器件采用IGBT，所述桥臂电路采用二极管桥臂电路，所述二极管桥臂电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、非线性电阻和RCD阻尼电路；
所述二极管D1和二极管D4位于二极管桥臂电路的上桥臂，所述二极管D2和二极管D3位于二极管桥臂电路的下桥臂，所述非线性电阻、IGBT和RCD阻尼电路均连接在二极管桥臂电路的上桥臂和下桥臂之间；
所述RCD阻尼电路包括阻尼电阻R、二极管D和阻尼电容C。
所述阻尼电阻R与二极管D并联，所述二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接阻尼电容C的一端，所述阻尼电容C的另一端连接非线性电阻的另一端。
所述阻尼电阻R与阻尼电容C并联，形成R//C支路，所述二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接R//C支路的一端，所述R//C支路的另一端连接非线性电阻的另一端。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、本发明提供的技术方案采用非线性电阻均压，大幅度简化构成形式，有利于降低设备总体成本和体积；且本发明提供的不同结构的全桥模块有利于实现级联全桥直流断路器紧凑化布置，易于降低杂散参数和实现过电压抑制，提高整体应用可靠性；
2、能够实现级联全桥高压直流断路器的在数毫秒内快速重合，扩展级联全桥直流断路器应用范围，进一步提高柔性多端及直流电网的运行可靠性和经济性；
3、本发明提供的技术方案消除了级联全桥直流断路器全桥模块中IGBT发生直通短路的风险，有利于简化级联全桥直流断路器的分断与关合控制；
4、本发明提供的技术方案显著降低了级联全桥直流断路器快速重合于故障线路工况下，全桥模块中IGBT关断损耗，提升了直流断路器连续开断能力和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例1中级联全桥直流断路器结构图；
图2是本发明实施例1中IGBT桥臂电路结构图；
图3是本发明实施例2中IGBT桥臂电路结构图；
图4是本发明实施例3中IGBT桥臂电路结构图；
图5是本发明实施例4中二极管桥臂电路结构图；
图6是本发明实施例5中二极管桥臂电路结构图；
图7是本发明实施例6中二极管桥臂电路结构图；
图8是本发明实施例1中级联全桥直流断路器分断示意图；
图9是本发明实施例1中级联全桥直流断路器分断原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供的级联全桥直流断路器结构图如图1所示，图1中的SM表示全桥模块，MOV表示避雷器，K表示机械开关，级联全桥直流断路器主要包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；
上述的主通流支路包括由全桥模块以矩阵形式构成的矩阵模块以及与全桥模块串联的机械开关；
上述的转移电流支路包括N个依次串联的全桥模块，N≥1，即转移电流支路上依次串联的全桥模块至少设置1个；
上述的能量吸收支路包括M个依次串联的避雷器，M≥1，即能量吸收支路上依次串联的避雷器至少设置1个，其中的避雷器也可以单独并联在一个或多个串联的全桥模块的两端。
上述的全桥模块采用全控器件构成的桥臂电路，本发明实施例1中的全控器件构成的桥臂电路采用IGBT桥臂电路，也可采用IGCT桥臂电路或GTO桥臂电路，以IGBT桥臂电路为例说明具体结构。IGBT桥臂电路基体结构如图2所示，其包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和非线性电阻，它们的连接关系具体如下：
其中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4构成IGBT全桥结构，其中IGBT1、IGBT4位于IGBT全桥结构的上桥臂，IGBT2、IGBT3位于IGBT全桥结构的下桥臂，非线性电阻连接在IGBT全桥结构的上桥臂和下桥臂之间。
本发明实施例1提供的级联全桥直流断路器分断示意图如图8所示，图8中，t0表示故障发生时刻，t1表示主通流支路闭锁时刻，t2表示机械开关分断时刻，t3表示转移电流支路闭锁时刻，级联全桥直流断路器分断原理如下：
故障发生后，收到系统分断命令，主通流支路上的全桥模块闭锁，实现电流从主通流支路向转移电流支路转移；
转移完成后，机械开关分断，在机械开关分断完成后，闭锁转移电流支路上的全桥模块，电流换流至全桥模块非线性电阻(如图9所示)，非线性电阻电压随着电流增大而增加，直至达到能量吸收支路避雷器动作电压，使得电流从转移电流支路向能量吸收支路的转移，完成故障电流分断。
本发明实施例1提供的级联全桥直流断路器快速重合闸原理如下：
首先转移电流支路导通，若重合于健全线路，则触发主通流支路；若重合于故障线路，则闭锁转移电流支路。
传统的级联全桥直流断路器全桥模块闭锁后，故障电流对全桥模块电容充电，全桥模块电容会储存电压，该电压在直流断路器快速重合闸应用时无法完全释放，需要在全桥模块电容支路串联一个二极管阻止全桥模块在导通时该电容对全桥模块IGBT直通放电。若直流断路器快速重合于故障线路上，直流断路器需再次分断，此时由于全桥模块电容上带有电压，IGBT将会在电容电压下完成故障电流分断，显著增大IGBT关断损耗，在IGBT已经完成过一次故障电流分断的情况下，传统级联全桥断路器在快速重合下关断将会达到IGBT运行结温上限，降低关断可靠性。
本发明实施例提供的技术方案中，全桥模块闭锁后，非线性电阻在钳制关断电压的同时，呈现出低阻抗，故障电流会将转移至非线性电阻上。全桥模块中所配置的非线性电阻主要作用是限制IGBT关断过电压，而并联连接于转移电流支路两端的能量吸收支路中的避雷器主要用于吸收系统感性元件储存能量，因此，当电流从IGBT转移至非线性电阻后，在数十微秒内将又会从非线性电阻转移至避雷器中。基于非线性电阻的级联全桥直流断路器在快速重合应用时，由于非线性电阻为耗能元件，而非储能元件，在全桥模块的IGBT全部导通时，其不会经IGBT放电，造成其直通短路。进一步当重合故障线路时，级联全桥直流断路器需要再次分断时，IGBT依然在零电压关断，与正常分断完全一样，大大降低IGBT关断损耗，提高可靠性。
实施例2
本发明实施例2提供一种级联全桥直流断路器，其主要包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；
上述的主通流支路包括由全桥模块以矩阵形式构成的矩阵模块以及与全桥模块串联的机械开关；
上述的转移电流支路包括N个依次串联的全桥模块，N≥1，即转移电流支路上依次串联的全桥模块至少设置1个；
上述的能量吸收支路包括M个依次串联的避雷器，M≥1，即能量吸收支路上依次串联的避雷器至少设置1个。
上述的全桥模块采用全控器件构成的桥臂电路，本发明实施例2中的全控器件构成的桥臂电路采用IGBT桥臂电路，也可采用IGCT桥臂电路或GTO桥臂电路，以IGBT桥臂电路为例说明具体结构。IGBT桥臂电路基体结构如图3所示，其包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、非线性电阻和RCD阻尼电路，它们的连接关系具体如下：
IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4构成IGBT全桥结构，其中IGBT1、IGBT4位于IGBT全桥结构的上桥臂，IGBT2、IGBT3位于IGBT全桥结构的下桥臂，非线性电阻和RCD阻尼电路均连接在IGBT全桥结构的上桥臂和下桥臂之间；
上述的RCD阻尼电路包括阻尼电阻R、二极管D和阻尼电容C；其中的阻尼电阻R与二极管D并联，二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接阻尼电容C的一端，阻尼电容C的另一端连接非线性电阻的另一端。
本发明实施例2通过上述配置RCD阻尼电路抑制电压上升速率，同时大幅降低所需要配置无源元件的体积，可实现紧凑化布置。
实施例3
本发明实施例3提供一种级联全桥直流断路器，其主要包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；
上述的主通流支路包括由全桥模块以矩阵形式构成的矩阵模块以及与全桥模块串联的机械开关；
上述的转移电流支路包括N个依次串联的全桥模块，N≥1，即转移电流支路上依次串联的全桥模块至少设置1个；
上述的能量吸收支路包括M个依次串联的避雷器，M≥1，即能量吸收支路上依次串联的避雷器至少设置1个。
上述的全桥模块采用全控器件构成的桥臂电路，本发明实施例3中的全控器件构成的桥臂电路采用IGBT桥臂电路，也可采用IGCT桥臂电路或GTO桥臂电路，以IGBT桥臂电路为例说明具体结构。IGBT桥臂电路基体结构如图4所示，其包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、非线性电阻和RCD阻尼电路，它们的连接关系具体如下：
IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4构成IGBT全桥结构，其中IGBT1、IGBT4位于IGBT全桥结构的上桥臂，IGBT2、IGBT3位于IGBT全桥结构的下桥臂，非线性电阻和RCD阻尼电路均连接在IGBT全桥结构的上桥臂和下桥臂之间；
上述的RCD阻尼电路包括阻尼电阻R、二极管D和阻尼电容C，其中阻尼电阻R与阻尼电容C并联，形成R//C支路，二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接R//C支路的一端，R//C支路的另一端连接非线性电阻的另一端。
本发明实施例3通过上述配置RCD阻尼电路抑制电压上升速率，同时大幅降低所需要配置无源元件的体积，可实现紧凑化布置。
实施例4
本发明实施例4提供一种级联全桥直流断路器，其主要包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；
上述的主通流支路包括由全桥模块以矩阵形式构成的矩阵模块以及与全桥模块串联的机械开关；
上述的转移电流支路包括N个依次串联的全桥模块，N≥1，即转移电流支路上依次串联的全桥模块至少设置1个；
上述的能量吸收支路包括M个依次串联的避雷器，M≥1，即能量吸收支路上依次串联的避雷器至少设置1个。
上述的全桥模块采用二极管桥臂电路，该二极管桥臂电路结构图如图5所示，其包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、非线性电阻和IGBT；它们的连接关系如下：
其中的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成二极管全桥结构，二极管D1和二极管D4位于二极管全桥结构的上桥臂，二极管D2和二极管D3位于二极管全桥结构的下桥臂，IGBT和非线性电阻均连接在二极管全桥结构的上桥臂和下桥臂之间。
实施例5
本发明实施例5提供一种级联全桥直流断路器，其主要包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；
上述的主通流支路包括由全桥模块以矩阵形式构成的矩阵模块以及与全桥模块串联的机械开关；
上述的转移电流支路包括N个依次串联的全桥模块，N≥1，即转移电流支路上依次串联的全桥模块至少设置1个；
上述的能量吸收支路包括M个依次串联的避雷器，M≥1，即能量吸收支路上依次串联的避雷器至少设置1个。
上述的全桥模块采用二极管桥臂电路，该二极管桥臂电路结构图如图6所示，其包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、非线性电阻、IGBT和RCD阻尼电路，它们的连接关系如下：
其中的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成二极管全桥结构，二极管D1和二极管D4位于二极管全桥结构的上桥臂，二极管D2和二极管D3位于二极管全桥结构的下桥臂，非线性电阻、IGBT和RCD阻尼电路均连接在二极管全桥结构的上桥臂和下桥臂之间；
上述的RCD阻尼电路包括阻尼电阻R、二极管D和阻尼电容C，其中的阻尼电阻R与二极管D并联，二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接阻尼电容C的一端，阻尼电容C的另一端连接非线性电阻的另一端。
实施例6
本发明实施例6提供一种级联全桥直流断路器，其主要包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；
上述的主通流支路包括由全桥模块以矩阵形式构成的矩阵模块以及与全桥模块串联的机械开关；
上述的转移电流支路包括N个依次串联的全桥模块，N≥1，即转移电流支路上依次串联的全桥模块至少设置1个；
上述的能量吸收支路包括M个依次串联的避雷器，M≥1，即能量吸收支路上依次串联的避雷器至少设置1个。
上述的全桥模块采用二极管桥臂电路，该二极管桥臂电路结构图如图7所示，其包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、非线性电阻、IGBT和RCD阻尼电路，它们的连接关系如下：
其中的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成二极管全桥结构，二极管D1和二极管D4位于二极管全桥结构的上桥臂，二极管D2和二极管D3位于二极管全桥结构的下桥臂，非线性电阻、IGBT和RCD阻尼电路均连接在二极管全桥结构的上桥臂和下桥臂之间；
上述的RCD阻尼电路包括阻尼电阻R、二极管D和阻尼电容C，阻尼电阻R与阻尼电容C并联，形成R//C支路，二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接R//C支路的一端，R//C支路的另一端连接非线性电阻的另一端。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以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参照上述实施例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)
1.一种级联全桥直流断路器，包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路，其特征在于；
所述主通流支路包括串联的第一全桥模块和机械开关；
所述转移电流支路包括多个串联的第二全桥模块；
所述第一全桥模块和第二全桥模块均包括全桥模块，所述全桥模块包括桥臂电路以及与桥臂电路并联的非线性电阻；或者包括桥臂电路以及与桥臂电路并联的非线性电阻和全控器件；
所述能量吸收支路包括多个避雷器，各避雷器分别与所述转移电流支路中的各第二全桥模块并联或者与所述第二全桥模块中的各全桥模块并联。
2.根据权利要求1所述的级联全桥直流断路器，其特征在于，所述桥臂电路包括全控器件1、全控器件2、全控器件3和全控器件4；
所述全控器件1、全控器件4位于上桥臂，所述全控器件2、全控器件3位于下桥臂，所述非线性电阻连接在桥臂电路的上桥臂和下桥臂之间。
3.根据权利要求1所述的级联全桥直流断路器，其特征在于，所述桥臂电路包括全控器件1、全控器件2、全控器件3、全控器件4和RCD阻尼电路；
所述全控器件1、全控器件4位于上桥臂，所述全控器件2、全控器件3位于下桥臂，所述非线性电阻和RCD阻尼电路均连接在桥臂电路的上桥臂和下桥臂之间；
所述RCD阻尼电路包括阻尼电阻R、二极管D和阻尼电容C。
4.根据权利要求3所述的级联全桥直流断路器，其特征在于，所述阻尼电阻R与二极管D并联，所述二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接阻尼电容C的一端，所述阻尼电容C的另一端连接非线性电阻的另一端。
5.根据权利要求3所述的级联全桥直流断路器，其特征在于，所述阻尼电阻R与阻尼电容C并联，形成R//C支路，所述二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接R//C支路的一端，所述R//C支路的另一端连接非线性电阻的另一端。
6.根据权利要求1所述的级联全桥直流断路器，其特征在于，所述全控器件采用IGBT，所述桥臂电路采用二极管桥臂电路，所述二极管桥臂电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；
所述二极管D1和二极管D4位于二极管桥臂电路的上桥臂，所述二极管D2和二极管D3位于二极管桥臂电路的下桥臂，所述IGBT和非线性电阻均连接在二极管桥臂电路的上桥臂和下桥臂之间。
7.根据权利要求1所述的级联全桥直流断路器，其特征在于，所述全控器件采用IGBT，所述桥臂电路采用二极管桥臂电路，所述二极管桥臂电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、非线性电阻和RCD阻尼电路；
所述二极管D1和二极管D4位于二极管桥臂电路的上桥臂，所述二极管D2和二极管D3位于二极管桥臂电路的下桥臂，所述非线性电阻、IGBT和RCD阻尼电路均连接在二极管桥臂电路的上桥臂和下桥臂之间；
所述RCD阻尼电路包括阻尼电阻R、二极管D和阻尼电容C。
8.根据权利要求7所述的级联全桥直流断路器，其特征在于，所述阻尼电阻R与二极管D并联，所述二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接阻尼电容C的一端，所述阻尼电容C的另一端连接非线性电阻的另一端。
9.根据权利要求7所述的级联全桥直流断路器，其特征在于，所述阻尼电阻R与阻尼电容C并联，形成R//C支路，所述二极管D的阳极连接非线性电阻的一端，其阴极连接R//C支路的一端，所述R//C支路的另一端连接非线性电阻的另一端。
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