CN107645291B - 一种igbt模块级联的单向直流断路器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种IGBT模块级联的单向直流断路器及其应用方法，包括并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；主通流支路由快速机械开关K和全控电力电子单元串联构成；能量吸收支路由避雷器组构成；转移电流支路由IGBT模块单元级联构成；应用方法包括：稳态下，主通流支路快速机械开关闭锁，全控电力电子单元导通；接受到分断命令时，主通流支路全控电力电子单元闭锁，同时触发转移电流支路级联新型IGBT模块；分断快速机械开关；闭锁转移电流支路级联新型IGBT模块，将电流换相至避雷器中。本发明的直流断路器能够实现直流电流的单向、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，可满足远海风电并网及常规多端直流输电系统应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种断路器及其应用方法，具体涉及一种IGBT模块级联的单向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。
现有的混合式直流断路器具备双向电流分断能力，但所用电力电子器件数量较多，成本高昂。在远海风电接入的多端及直流电网中，或者是多端常规直流输电应用领域，高压直流断路器具备单向分断能力即可以有效的满足应用需求。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，而基于现有双向拓扑方案形成的单向直流断路器，无法在器件成倍降低的情况下兼顾电流分断能力，难以满足高压大容量直流系统应用需求。
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IGBT模块级联的单向直流断路器及其应用方法，本发明的直流断路器适应直流电流单向分断的应用需求场合，具备高技术经济性。
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IGBT模块级联的单向直流断路器，所述单向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；能量吸收支路由避雷器组构成；其改进之处在于，所述转移电流支路由IGBT模块单元级联构成。
进一步地，所述全控电力电子单元采用由全控器件、二极管与电容器构成的桥式电路结构。
进一步地，所述桥式电路结构的两个桥臂均由全控器件与二极管串联祖成；其中一个桥臂中的全控器件的集电极与二极管的阳极连接，二极管的阴极分别与电容器的一端和另一个桥臂中全控器件的集电极连接；另一个桥臂中的全控器件的发射极与二极管的阴极连接，二极管的阳极分别与电容器的另一端和其中一个桥臂中全控器件的发射极连接。
进一步地，所述全控器件为IGCT、IGBT或GTO器件。
进一步地，所述IGBT模块单元由IGBT器件IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4、电容器C1和C2及二极管D构成，所述IGBT1和IGBT3同向串联组成串联支路I，所述IGBT2和IGBT2同向串联组成串联支路II，所述串联支路I和串联支路II并联；在两条并联支路之间依次连接有电容器C1、二极管D和电容器C2。
本发明提供一种IGBT模块级联的单向直流断路器的应用方法，其改进之处在于，所述应用方法包括：
(一)当直流系统稳态运行时，主通流支路快速机械开关K闭锁，全控电力电子单元导通；
(二)当直流系统系统发生故障时，闭锁主通流支路IGBT，同时触发转移电流支路IGBT模块单元，故障电流由主通流支路向转移电流支路换相；
主通流支路电流下降至零后，分断快速机械开关K，故障电流经IGBT模块单元中并联的串联支路I和串联支路II；
快速机械开关完全分断后，闭锁转移电流支路IGBT模块单元，故障电流经新型IGBT模块单元中电容器C1、二极管D和电容器C2流通，对IGBT模块单元中的电容器充电，直流断路器两端电压上升直至避雷器组动作，故障电流换相至避雷器组中被消耗吸收。
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单向、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，可满足远海风电并网及常规多端直流输电系统应用需求；
2、本发明所提直流断路器采用级联IGBT模块设计，降低了对电力电子器件一致性要求和实现动态电气均衡的技术难度，提高了设备可靠性；
3.、本发明所提直流断路器实现了快速机械开关的零电压、零电流分断，以及IGBT软关断，有利于提升机械开关的分断速度和IGBT的关断电流能力；
4、本发明所提直流断路器相较于传统IGBT模块结构，在保证分断能力的前提下，大大降低了所使用的器件数量，提高了设备技术经济性；
5、本发明所提直流断路器拓扑结构新颖，具备预启动和限流能力，功能全面，控制简单；
6、本发明所提供的直流断路器应用方法，能够安全、有序、可靠的保证直流断路器正常运行。
附图说明
图1是本发明提供的基于新型IGBT模块的单向直流断路器拓扑结构图；
图2是本发明提供的桥式电力电子模块单元拓扑结构图；
图3是本发明提供的IGBT模块单元拓扑结构图；
图4是本发明提供的IGBT模块级联的单相直流断路器一种实施例结构拓扑图。
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新型IGBT模块级联的单向直流断路器及应用方法进行。
图1为所提出的基于新型IGBT模块级联的单向直流断路器拓扑。所述直流断路器由机械开关、全控电力电子单元、新型IGBT模块单元和避雷器单元构成，包含有3条并联支路，主通流支路、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和少量全控电力电子单元串联构成；转移电流支路由大量新型IGBT模块单元串联构成；能量吸收支路由避雷器组构成。
所述全控电力电子模块单元可以由全控器件串联构成；全控电力电子单元采用由全控器件、二极管与电容器构成的桥式电路结构，所述桥式电路结构的两个桥臂均由全控器件与二极管串联祖成；其中一个桥臂中的全控器件的集电极与二极管的阳极连接，二极管的阴极分别与电容器的一端和另一个桥臂中全控器件的集电极连接；另一个桥臂中的全控器件的发射极与二极管的阴极连接，二极管的阳极分别与电容器的另一端和其中一个桥臂中全控器件的发射极连接，如图2所示。所选用全控器件可以为IGCT、IGBT或GTO。
所述的新型IGBT模块单元由4个IGBT、2个电容C及1个二极管D构成，包含有2条并联支路，每条并联支路包含2个同向串联IGBT；在两条并联支路之间分别连接有2个电容和1个二极管，如图3所示。
以全控电力电子模块单元采用全控器件为实施例来阐述所述单向直流断路器工作原理，如图4所示。系统稳态运行时，负荷电流由图示左端单向右端流通，经过快速机械开关K和少数同向串联的IGBT；系统发生故障时，闭锁主通流支路IGBT，同时触发转移电流支路新型IGBT模块，故障电流由主通流支路向转移电流支路换相。主通流支路电流下降至零后，分断快速机械开关K，故障电流经新型IGBT模块单元中IGBT1、IGBT3和IGBT2、IGBT4两条并联支路导通。快速机械开关完全分断后，闭锁转移电流支路IGBT模块单元，故障电流经新型IGBT模块单元中电容器C1、二极管D和电容器C2流通，对IGBT模块单元中的电容器充电，直流断路器两端电压上升直至避雷器组动作，故障电流换相至避雷器组中被消耗吸收
所述单向直流断路器在电流单向导通的直流系统中的应用方法如下：
1)稳态下，主通流支路快速机械开关闭锁，全控电力电子单元导通；
2)接受到分断命令时，主通流支路全控电力电子单元闭锁，同时触发转移电流支路级联新型IGBT模块；
3)分断快速机械开关；
4)闭锁转移电流支路级联新型IGBT模块，将电流换相至避雷器中。
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 (5)
1.一种IGBT模块级联的单向直流断路器，所述单向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；能量吸收支路由避雷器组构成；其特征在于，所述转移电流支路由IGBT模块单元级联构成；
所述IGBT模块单元由IGBT器件IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4、电容器C1和C2及二极管D构成，所述IGBT1和IGBT3同向串联组成串联支路I，所述IGBT2和IGBT4同向串联组成串联支路II，所述串联支路I和串联支路II并联；在两条并联支路之间依次连接有电容器C1、二极管D和电容器C2；
转移电流支路输入端与IGBT1的集电极连接；电容器C1连接于IGBT1的集电极与IGBT2的发射极之间，二级管D正极连接于IGBT2的发射极，二极管D负极连接于IGBT3的集电极电容器C2连接于IGBT4的发射极与IGBT3的集电极漏极之间；转移电流支路输出端与IGBT4的发射极连接。
2.如权利要求1所述的IGBT模块级联的单向直流断路器，其特征在于，所述全控电力电子单元采用由全控器件、二极管与电容器构成的桥式电路结构。
3.如权利要求2所述的IGBT模块级联的单向直流断路器，其特征在于，所述桥式电路结构的两个桥臂均由全控器件与二极管串联祖成；其中一个桥臂中的全控器件的集电极与二极管的阳极连接，二极管的阴极分别与电容器的一端和另一个桥臂中全控器件的集电极连接；另一个桥臂中的全控器件的发射极与二极管的阴极连接，二极管的阳极分别与电容器的另一端和其中一个桥臂中全控器件的发射极连接。
4.如权利要求2或3所述的IGBT模块级联的单向直流断路器，其特征在于，所述全控器件为IGCT、IGBT或GTO器件。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的IGBT模块级联的单向直流断路器的应用方法，其特征在于，所述应用方法包括：
(一)当直流系统稳态运行时，主通流支路快速机械开关K闭锁，全控电力电子单元导通；
(二)当直流系统发生故障时，闭锁主通流支路的全控电力电子单元，同时触发转移电流支路IGBT模块单元，故障电流由主通流支路向转移电流支路换相；
主通流支路电流下降至零后，分断快速机械开关K，故障电流经IGBT模块单元中并联的串联支路I和串联支路II；
快速机械开关完全分断后，闭锁转移电流支路IGBT模块单元，故障电流经转移电流支路IGBT模块单元中电容器C1、二极管D和电容器C2流通，对IGBT模块单元中的电容器充电，直流断路器两端电压上升直至避雷器组动作，故障电流换相至避雷器组中被消耗吸收。
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