CN107749616B - 一种降损式电容型直流断路器及其直流故障处理策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降损式电容型直流断路器及其直流故障处理策略，包括正常通流支路、断流支路、电抗器以及隔离开关，正常通流支路由超快速机械开关和负载转移开关串联组成，断流支路由主断路器构成，负载转移开关由多个具有双向通流能力的子模块串并联组成，主断路器可由多个精简型半桥子模块串并联组成。本发明断路器利用电容器改变故障电流性质，进而将故障电流阻断，并且所使用的IGBT数量较少，能够大大降低工程造价和运行损耗，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

Description

一种降损式电容型直流断路器及其直流故障处理策略

技术领域

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种降损式电容型直流断路器及其直流故障处理策略。

背景技术

直流电网有两种基本的构网方式：第一种构网方式采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC)加直流断路器方案，这种构网方式适用于端数任意多的直流电网；第二种构网方式采用具有直流故障自清除能力的MMC，例如采用基于全桥子模块的MMC，但无需直流断路器，这种构网方式适用于端数小于10的小规模直流电网。采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间通常要求换流站继续运行，不能闭锁，故障线路由直流断路器快速切除，其故障处理原则与交流电网类似。采用无直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间网内相关换流器闭锁，闭锁后10ms左右故障电流到零并稳定于零值，再通过隔离开关隔离故障线路，然后相关换流器解锁重新恢复送电，从故障开始到恢复送电的时间一般在20ms左右，通常对交流电网的冲击在可以承受的范围之内。

当采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流断路器就成为直流电网的关键性元件。目前高压直流断路器构造方案主要集中于3种类型，分别是基于常规开关的传统机械型断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于二者结合的混合型断路器。虽然目前已开发出技术上可行的高压直流断路器，但其成本高昂，体积巨大，难以像交流断路器那样在电网中广泛使用。因此，直流断路器仍然是发展直流电网的根本性技术瓶颈。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种降损式电容型直流断路器及其直流故障处理策略，该断路器利用电容器改变故障电流性质，进而将故障电流阻断，并且所使用的IGBT数量较少，能够大大降低工程造价和运行损耗，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

一种降损式电容型直流断路器，包括正常通流支路、断流支路、电抗器以及隔离开关，正常通流支路与断流支路并联后一端与隔离开关的一端相连，另一端与直流输电线路相连，隔离开关的另一端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端与换流站相连；所述正常通流支路由超快速机械开关和负载转移开关串联组成，所述断流支路由主断路器构成，所述主断路器由多个子模块串并联组成，所述负载转移开关由多个具有双向通流能力的子模块串并联组成。

进一步地，所述主断路器的子模块采用全桥子模块结构、增强型半桥子模块结构或精简型半桥子模块结构。

进一步地，所述负载转移开关的子模块采用全桥子模块结构或增强型半桥子模块结构。

进一步地，所述增强型半桥子模块结构包括两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2以及一个电容C1；其中，IGBT管T1的发射极与二极管D1的阴极相连并作为子模块的一端，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的集电极以及电容C1的一端相连，IGBT管T2的发射极与二极管D2的阴极相连并作为子模块的另一端，二极管D1的阳极与二极管D2的阳极以及电容C1的另一端相连，IGBT管T1～T2的基极均接外部控制电路提供的开关控制信号。

进一步地，所述精简型半桥子模块结构包括一个电容C2、一个IGBT管T3以及一个二极管D3；其中，IGBT管T3的集电极与电容C2的一端相连并作为子模块的一端，电容C2的另一端与二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与IGBT管T3的发射极相连并作为子模块的另一端，IGBT管T3的基极接外部控制电路提供的开关控制信号。

所述降损式电容型直流断路器的直流故障处理策略，包括如下步骤：

(1)正常运行时，使隔离开关和超快速机械开关闭合，负载转移开关内所有子模块处于开通状态，主断路器内所有子模块处于关断状态，则直流电流从正常通流支路流过；

(2)直流输电线路发生接地故障情况下，当检测到故障电流后，对负载转移开关内所有子模块施加关断信号，同时对主断路器内所有子模块施加开通信号；

(3)经过一小段延时，断开超快速机械开关；待超快速机械开关完全处于关断状态后，将主断路器内所有子模块设置为关断状态，阻断故障电流通路。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1.稳态运行时，直流电流流过正常通流支路，由于本发明的负载转移开关子模块数量很少，因此稳态运行损耗低。

2.由于本发明的主断路器子模块可以采用精简型半桥子模块，因此所用的器件数量可以大大减少，断路器的投资成本得到大幅度降低。

附图说明

图1为本发明电容型直流断路器的拓扑结构示意图。

图2(a)为全桥子模块的拓扑结构示意图。

图2(b)为增强型半桥子模块的拓扑结构示意图。

图2(c)为精简型半桥子模块的拓扑结构示意图。

图3为本发明降损式电容型直流断路器的仿真波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明降损式电容型直流断路器包括正常通流支路、断流支路、电抗器以及隔离开关，其中：正常通流支路与断流支路并联连接，并联连接后的一端与直流线路相连，另一端与隔离开关的一端相连；隔离开关的另一端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端与换流站相连。

正常通流支路包括超快速机械开关和负载转移开关，其中超快速机械开关和负载转移开关串联在一起；断流支路包含主断路器。负载转移开关由若干个子模块SM1串并联构成，主断路器由许多子模块SM2串并联构成。子模块SM1具有双向通流能力，其结构有很多种，包括全桥子模块结构、增强型半桥子模块结构等；子模块SM2的结构有很多种，包括全桥子模块结构、增强型半桥子模块结构和精简型半桥子模块结构等。

本发明中负载转移开关的子模块需要采用具有双向通流能力的子模块，而主断路器中的子模块可以有很多类型，图2(a)～图2(c)分别所示的全桥子模块、增强型半桥子模块和精简型半桥子模块是三种可行的方案。需要注意的是，由于稳态运行时断流支路不流过电流，而发生直流故障时流过主断路器的电流极性是单一的，所以主断路器中的子模块可以采用较为经济的精简型半桥子模块。

精简型半桥子模块分为导通状态和关断状态：当IGBT开通时，电流从IGBT流过，电容被旁路，记为导通状态；当IGBT关断时，电流从电容支路流过，记为关断状态。

本发明降损式电容型直流断路器的直流故障处理策略包括：

(1)故障发生前，隔离开关闭合，超快速机械开关闭合，负载转移开关所有子模块处于导通状态，主断路器所有子模块处于断开状态，直流电流从正常流通支路流过；

(2)当检测到直流故障后，将负载转移开关的所有子模块设置成关断状态，同时将主断路器所有子模块设置成导通状态；

(3)经过一小段延时，断开超快速机械开关；

(4)待超快速机械开关完全处于关断状态后，将主断路器所有子模块设置成关断状态，阻断故障电流通路。

以下采用单端400kV、400MW的测试系统进行仿真验证，直流断路器采用如图1所示的断路器，其中负载转移开关采用增强型半桥子模块，主断路器采用精简型半桥子模块，主断路器等效电容值为100μF。

设仿真开始时(t＝0ms)测试系统已进入稳态运行，t＝10ms时在平波电抗器出口处发生单极接地短路，t＝13ms时负载转移开关加关断指令，t＝13.1ms时高速机械开关加断开指令，t＝15ms时高速机械开关完全打开，t＝15.1ms时对断流支路施加关断指令。图3给出了正常通流支路电流、断流支路电流、断流支路承受的电压和MMC直流侧电压变化曲线。

从图3中可以看出，降损式电容型直流断路器能够快速隔断直流电流，且故障处理过程中的过电压控制在600kV以内，说明断路器具有良好的断流特性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种降损式电容型直流断路器，其特征在于：包括正常通流支路、断流支路、电抗器以及隔离开关，正常通流支路与断流支路并联后一端与隔离开关的一端相连，另一端与直流输电线路相连，隔离开关的另一端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端与换流站相连；所述正常通流支路由超快速机械开关和负载转移开关串联组成，所述断流支路由主断路器构成，所述主断路器由多个子模块串并联组成，所述负载转移开关由多个具有双向通流能力的子模块串并联组成；

所述主断路器的子模块采用全桥子模块结构、增强型半桥子模块结构或精简型半桥子模块结构；所述负载转移开关的子模块采用全桥子模块结构或增强型半桥子模块结构；

所述增强型半桥子模块结构包括两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2以及一个电容C1；其中，IGBT管T1的发射极与二极管D1的阴极相连并作为子模块的一端，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的集电极以及电容C1的一端相连，IGBT管T2的发射极与二极管D2的阴极相连并作为子模块的另一端，二极管D1的阳极与二极管D2的阳极以及电容C1的另一端相连，IGBT管T1～T2的基极均接外部控制电路提供的开关控制信号；

所述精简型半桥子模块结构包括一个电容C2、一个IGBT管T3以及一个二极管D3；其中，IGBT管T3的集电极与电容C2的一端相连并作为子模块的一端，电容C2的另一端与二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与IGBT管T3的发射极相连并作为子模块的另一端，IGBT管T3的基极接外部控制电路提供的开关控制信号。

2.如权利要求1所述降损式电容型直流断路器的直流故障处理策略，包括如下步骤：

(1)正常运行时，使隔离开关和超快速机械开关闭合，负载转移开关内所有子模块处于开通状态，主断路器内所有子模块处于关断状态，则直流电流从正常通流支路流过；

(2)直流输电线路发生接地故障情况下，当检测到故障电流后，对负载转移开关内所有子模块施加关断信号，同时对主断路器内所有子模块施加开通信号；

(3)经过一小段延时，断开超快速机械开关；待超快速机械开关完全处于关断状态后，将主断路器内所有子模块设置为关断状态，阻断故障电流通路。