CN107863760A - 一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法，限流式直流断路器包括主流通支路、强制转移支路、辅助支路以及能量吸收支路，控制方法包括限流式直流断路器的导通控制过程和关断控制过程。本发明提供的技术方案在直流线路正常工作情况下，直流线路的正常工作电流不经过强制转移支路中的第一限流电感和第二限流电感，使得柔性直流输电系统不会出现弱阻尼且不会产生低频振荡，保证了柔性直流输电系统的稳定性；且通过设置电容换流单元大大降低了直流断路器的设计成本，并解决了电力电子器件串联所需的动态均压问题，使基于电容换流单元的限流式直流断路器具有极好的动态性能，进而更适用于高压或特高压直流输电。

Description

一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法。

背景技术

随着柔性直流输电技术逐渐扩展到架空线输电场合，故障线路的快速识别和隔离显得尤为重要。柔性直流输电可以采用架空线路或电缆线路实现输电，相比于电缆线路，架空线路易发生短路和闪络等瞬时故障，必须采取相应措施隔离发生故障的线路，避免整个柔性直流输电系统停运。直流断路器作为隔离故障直流线路的核心设备受到了高度重视。目前，直流断路器可实现最小范围内的故障切除，保证剩余部分的正常运行，是最理想的故障隔离手段。

传统的混合式直流断路器由旁通支路和主断路器并联构成，其中的旁通支路由快速机械开关和电流转移开关串联构成，主断路器由多个开关单元串联而成。每个开关单元均包括若干正、反向串联的IGBT及反并联二极管，并配备独立的避雷器。但混合式直流断路器在高压柔性直流电网中需要串并联大量IGBT，以承受断开直流电流时产生的直流暂态电压。由于IGBT数量太多，且无法保证IGBT的动作一致性，导致传统的混合式直流断路器可靠性差，且成本高。虽然混合式直流断路器可以将主断路器结构变为全桥子模块结构，每个全桥子模块串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件，通过直流故障期间直流电流对直流电容的充电效应隔离直流故障电流。但该结构子模块元器件数量多，且成本依然高。

同时，为降低故障电流的上升速率，减小直流断路器承受的开断电流应力，现有的直流断路器拓扑均设有限流电感。在故障电流过大的场合，为了保证较好的故障电流抑制效果，限流电感往往设置较大，但是限流电感的增大不仅增加直流断路器的设计成本，还将影响整个柔性直流输电系统的动态特性，会导致整个柔性直流输电系统某些模态呈现弱阻尼，从而引起整个柔性直流输电系统的不稳定。

发明内容

为了克服上述现有技术中设置感值较大的限流电感导致的直流断路器设计成本增加以及柔性直流输电系统不稳定的不足，本发明提供一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法，

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于电容换流单元的限流式直流断路器，包括：

主流通支路，用于实现直流线路正常工作电流的双向导通；

强制转移支路，将主流通支路上直流线路的故障电流转移到强制转移支路，并降低故障电流的幅值和上升速率；

辅助支路，用于实现主流通支路或强制转移支路的导通；

能量吸收支路，用于吸收强制转移支路中电容换流单元存储的直流线路的能量。

所述能量吸收支路与主流通支路和强制转移支路并联，所述辅助支路与主流通支路或强制转移支路串联。

所述强制转移支路包括第一电容换流单元、与第一电容换流单元串联的第一限流电感、第二电容换流单元以及与第二电容换流单元串联的第二限流电感。

所述第一电容换流单元包括第一储能电容、第一卸能电阻、第一机械开关、第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂；

所述第一上桥臂和第一下桥臂串联，第二上桥臂和第二下桥臂串联，且第一卸能电阻与第一机械开关串联后，与第一储能电容并联。

所述第二换流单元包括第二储能电容、第二卸能电阻、第二机械开关、第三上桥臂、第三下桥臂、第四上桥臂和第四下桥臂；

所述第三上桥臂和第三下桥臂串联，第四上桥臂和第四下桥臂串联，且第二卸能电阻与第二机械开关串联后，与第二储能电容并联。

所述第一上桥臂、第二上桥臂、第三上桥臂和第四上桥臂均包括N个串联的二极管，N个二极管的方向相同；

所述第一下桥臂、第二下桥臂、第三下桥臂和第四下桥臂均包括N个串联的IGBT模块，所述IGBT模块包括IGBT和与IGBT反并联的二极管，且IGBT模块中IGBT的方向相同。

所述第一上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点K，第N个二极管的阴极连接公共点G；

所述第一下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点K，第N个IGBT的发射极连接公共点H；

所述第二上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点E，第N个二极管的阴极连接公共点G；

所述第二下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点E，第N个IGBT的发射极连接公共点H；

所述第一储能电容一端连接公共点G，另一端连接公共点H；

所述第一机械开关一端连接公共点G，其另一端连接第一卸能电阻的一端，所述第一卸能电阻的另一端连接公共点H；

所述第一限流电感的一端连接公共点E，另一端连接公共点C。

所述第三上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点F，第N个二极管的阴极连接公共点I；

所述第三下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点F，第N个IGBT的发射极连接公共点J；

所述第四上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点D，第N个二极管的阴极连接公共点I；

所述第四下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点D，第N个IGBT的发射极连接公共点J；

所述第二储能电容一端连接公共点I，另一端连接公共点J；

所述第二机械开关一端连接公共点I，其另一端连接第二卸能电阻的一端，所述第二卸能电阻的另一端连接公共点J；

所述第二限流电感的一端连接公共点B，另一端连接公共点F。

所述主流通支路包括第三机械开关、第一主流通支路、第四机械开关和第二主流通支路；

所述第三机械开关与第一主流通支路串联后，一端连接公共点K，另一端连接公共点B；

所述第四机械开关与第二主流通支路串联后，一端连接公共点C，另一端连接公共点L；

所述第一主流通支路包括第一IGBT模块和第二IGBT模块；

所述第二主流通支路包括第三IGBT模块和第四IGBT模块；

所述第一IGBT模块包括IGBT1和与IGBT1反并联的二极管D1；

所述第二IGBT模块包括IGBT2和与IGBT2反并联的二极管D2；

所述第三IGBT模块包括IGBT3和与IGBT3反并联的二极管D3；

所述第四IGBT模块包括IGBT4和与IGBT4反并联的二极管D4；

所述IGBT1的方向与IGBT2的方向相反，所述IGBT3的方向与IGBT4的方向相反，且所述IGBT1的方向与IGBT3的方向相同，所述IGBT2的方向与IGBT4的方向相同。

所述辅助支路一端连接公共点B，另一端连接公共点C，其包括并联的第一辅助支路和第二辅助支路；

所述第一辅助支路和第二辅助支路均包括多个串联的晶闸管；

所述第一辅助支路中晶闸管的方向与第二辅助支路中晶闸管的方向相反，且所述第一辅助支路中晶闸管的方向与IGBT1和IGBT3的方向相同，所述第二辅助支路中晶闸管的方向与IGBT2和IGBT4的方向相同。

所述能量吸收支路包括多个串联的避雷器。

本发明还提供一种基于电容换流单元的限流式直流断路器的控制方法，包括限流式直流断路器的导通控制过程和关断控制过程；

所述导通控制过程为：

在直流线路正常工作情况下，第三机械开关和第四机械开关均闭合，第一电容换流单元和第二电容换流单元中的IGBT全部闭锁，向IGBT1、IGBT3和第一辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，或向IGBT2、IGBT4和第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，实现限流式直流断路器的快速导通控制；

所述关断控制过程为：

在直流线路发生故障情况下，向第一辅助支路或第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，使得强制转移支路导通，当强制转移支路的电压上升至避雷器的电压阈值时，所有避雷器动作，实现限流式直流断路器的快速关断控制。

所述向第一辅助支路或第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，使得强制转移支路导通包括：

向IGBT1和IGBT3发送闭锁信号，并向第一下桥臂和第三下桥臂中的所有IGBT以及第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，所述IGBT1和IGBT3闭锁完成后，断开第三机械开关和第四机械开关；

通过超高速保护装置检测直流线路发生的故障是否为永久性故障，若是永久性故障，向第一下桥臂和第三下桥臂中的所有IGBT发送闭锁信号，第一上桥臂、第二下桥臂、第三上桥臂以及第四下桥臂中的二极管均导通，故障电流给第一储能电容和第二储能电容充电，使得强制转移支路的电压上升。

所述向第一辅助支路或第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，使得强制转移支路导通包括：

向IGBT2和IGBT4发送闭锁信号，并向第二下桥臂和第四下桥臂中的所有IGBT以及第一辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，所述IGBT2和IGBT4闭锁完成后，断开第三机械开关和第四机械开关；

通过超高速保护装置检测直流线路发生的故障是否为永久性故障，若是永久性故障，向第二下桥臂和第四下桥臂中的所有IGBT发送闭锁信号，第一下桥臂、第二上桥臂、第三下桥臂以及第四上桥臂中的二极管均导通，故障电流给第一储能电容和第二储能电容充电，使得强制转移支路的电压上升。

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：

本发明提供的基于电容换流单元的限流式直流断路器设有用于实现直流线路正常工作电流的双向导通的主流通支路、将主流通支路上直流线路的故障电流转移到强制转移支路并降低故障电流的幅值和上升速率的强制转移支路、用于实现主流通支路或强制转移支路的导通辅助支路以及用于吸收强制转移支路中电容换流单元存储的直流线路能量的能量吸收支路，最终实现限流式直流断路器的快速导通和快速关断；

本发明提供的基于电容换流单元的限流式直流断路器的控制方法包括限流式直流断路器的导通控制过程和关断控制过程，通过在不同时刻向不同位置的IGBT发送触发信号和闭锁信号，并向辅助支路中的晶闸管发送触发信号，实现限流式直流断路器的快速导通控制和快速关断控制；

本发明提供的技术方案在直流线路正常工作情况下，直流线路的正常工作电流不经过强制转移支路中的第一限流电感和第二限流电感，使得柔性直流输电系统不会出现弱阻尼且不会产生低频振荡，保证了柔性直流输电系统的稳定性；

本发明提供的技术方案中第一限流电感和第二限流电感相对于传统混合式直流断路器中的限流电感来说，感值较低，进而使得限流式直流断路器的设计成本较低；

本发明提供的技术方案中的强制转移支路采用模块化的电容换流单元，主流通支路采用模块化的第一主流通支路和第二主流通支路，通过电容换流单元替代传统混合直流断路器中的固态直流断路器，大大降低了直流断路器的设计成本，并解决了电力电子器件串联所需的动态均压问题，使基于电容换流单元的限流式直流断路器具有极好的动态性能，进而更适用于高压或特高压直流输电；

本发明提供的限流式直流断路器在直流线路发生的故障被检测到的瞬间进行快速关断，可有效抑制故障电流的上升速率，提供给超高速保护装置足够的时间检测直流线路是否发生永久性故障，若超高速保护装置检测出直流线路发生永久性故障，限流式直流断路器快速断开；

本发明提供的技术方案中通过超高速保护装置检测直流线路是否发生永久性故障，不仅有效避免故障的误判断，而且能够进一步提高柔性直流输电系统的可靠性；

本发明提供的技术方案能够提升限流式直流断路器的开断容量，为通流能力弱的IGBT起到保护作用，且本发明提供的限流式直流断路器在直流线路发生故障后可用于对直流线路进行限流，能够对直流线路起到很好的保护作用。

附图说明

图1是本发明实施例1中基于电容换流单元的限流式直流断路器结构图；

图2是本发明实施例3中基于电容换流单元的限流式直流断路器结构图；

图3是本发明实施例4中基于电容换流单元的限流式直流断路器导通控制过程示意图；

图4是本发明实施例4中基于电容换流单元的限流式直流断路器关断控制过程中第一阶段示意图；

图5是本发明实施例4中基于电容换流单元的限流式直流断路器关断控制过程中第二阶段示意图；

图6是本发明实施例4中基于电容换流单元的限流式直流断路器关断控制过程中第三阶段示意图。

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提供了一种基于电容换流单元的限流式直流断路器，其具体结构如图1所示，图1中的K3表示第三机械开关，K4表示第四机械开关，本发明实施例1提供的基于电容换流单元的限流式直流断路器包括主流通支路、强制转移支路、辅助支路和能量吸收支路，下面分别介绍上述几种支路的功能：

其中的主流通支路，用于实现直流线路正常工作电流的双向导通；

其中的强制转移支路，将主流通支路上直流线路的故障电流转移到强制转移支路，并降低故障电流的幅值和上升速率；

其中的辅助支路，用于实现主流通支路或强制转移支路的导通；

其中的能量吸收支路，与主流通支路和强制转移支路并联，用于吸收强制转移支路中电容换流单元存储的直流线路的能量。

上述的辅助支路包括并联的第一辅助支路和第二辅助支路，其中第一辅助支路与主流通支路串联，用于实现主流通支路的导通；其中的第二辅助支路与强制转移支路串联，用于实现强制转移支路的导通。

上述的强制转移支路包括第一电容换流单元、与第一电容换流单元串联的第一限流电感、第二电容换流单元以及与第二电容换流单元串联的第二限流电感；下面分别介绍上述的第一电容换流单元和第二电容换流单元：

1)其中的第一电容换流单元包括第一储能电容、第一卸能电阻、第一机械开关、第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂；

其中的第一上桥臂和第一下桥臂串联，第二上桥臂和第二下桥臂串联，且第一卸能电阻与第一机械开关串联后，与第一储能电容并联。

2)其中的第二换流单元包括第二储能电容、第二卸能电阻、第二机械开关、第三上桥臂、第三下桥臂、第四上桥臂和第四下桥臂；

其中的第三上桥臂和第三下桥臂串联，第四上桥臂和第四下桥臂串联，且第二卸能电阻与第二机械开关串联后，与第二储能电容并联。

上述的第一电容换流单元中的第一下桥臂和第二下桥臂以及第二电容换流单元中的第三下桥臂和第四下桥臂均包括N个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括一个IGBT和一个与IGBT反并联的二极管，且第一下桥臂中所有IGBT的方向相同，第二下桥臂中所有IGBT的方向相同，第三下桥臂中所有IGBT的方向相同，第四下桥臂中所有IGBT的方向相同，且有如下关系：

第一下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点K，第N个IGBT的发射极连接公共点H；

第二下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点E，第N个IGBT的发射极连接公共点H；

第三下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点F，第N个IGBT的发射极连接公共点J；

第四下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点D，第N个IGBT的发射极连接公共点J。

上述的第一电容换流单元中的第一储能电容一端连接公共点G，另一端连接公共点H；

第一卸能电阻与第一机械开关串联后，一端连接公共点H，另一端连接公共点G。

第一限流电感的一端连接公共点E，另一端连接公共点C。

上述第一上桥臂、第二上桥臂、第三上桥臂和第四上桥臂均包括N个串联的二极管，第一上桥臂中N个二极管的方向相同，第二上桥臂中N个二极管的方向相同，第三上桥臂中N个二极管的方向相同，且第四上桥臂中N个二极管的方向相同，且有如下关系：

第一上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点K，第N个二极管的阴极连接公共点G；

第二上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点E，第N个二极管的阴极连接公共点G；

第三上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点F，第N个二极管的阴极连接公共点I；

第四上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点D，第N个二极管的阴极连接公共点I。

上述的第二电容换流单元中的第二储能电容一端连接公共点I，另一端连接公共点J；

第二卸能电阻与第二机械开关串联后，一端连接公共点I，另一端连接公共点J。

第二限流电感的一端连接公共点B，另一端连接公共点F。

上述的主流通支路包括第三机械开关K3、第一主流通支路、第四机械开关K4以及与第四机械开关串联的第二主流通支路；

其中的第三机械开关K3与第一主流通支路串联后，一端连接公共点K，另一端连接公共点B；

其中的第四机械开关K4与第二主流通支路串联后，一端连接公共点C，另一端连接公共点L。

下面分别介绍上述的第一主流通支路和第二主流通支路：

1)第一主流通支路包括第一IGBT模块和第二IGBT模块；

第一IGBT模块包括IGBT1和与IGBT1反并联的二极管D1，第二IGBT模块包括IGBT2和与IGBT2反并联的二极管D2。

2)第二主流通支路包括第三IGBT模块和第四IGBT模块；

第三IGBT模块包括IGBT3和与IGBT3反并联的二极管D3，第四IGBT模块包括IGBT4和与IGBT4反并联的二极管D4。

上述第一IGBT模块中IGBT1的方向与第二IGBT模块中IGBT2的方向相反，第三IGBT模块中IGBT3的方向与第四IGBT模块中IGBT4的方向相反，且IGBT1的方向与IGBT3的方向相同，IGBT2的方向与IGBT4的方向相同。

上述的辅助支路一端连接公共点B，另一端连接公共点C，其包括并联的第一辅助支路和第二辅助支路；

第一辅助支路和第二辅助支路均包括多个串联的晶闸管；

第一辅助支路中晶闸管的方向与第二辅助支路中晶闸管的方向相反，且第一辅助支路中晶闸管的方向与IGBT1和IGBT3的方向相同，第二辅助支路中晶闸管的方向与IGBT2和IGBT4的方向相同。

上述的能量吸收支路包括多个串联的避雷器。

实施例2

本发明实施例2提供了一种针对于实施例1中基于电容换流单元的限流式直流断路器的控制方法，该控制方法包括实施例1中限流式直流断路器的导通控制过程和关断控制过程，下面分别详细介绍上述两个个控制过程：

1、限流式直流断路器的导通控制过程具体分为以下两种情况：

情况一：

在直流线路正常工作情况下，主流通支路中的第三机械开关K3和第四机械开关K4均闭合，第一电容换流单元和第二电容换流单元中的IGBT全部闭锁，向IGBT1、IGBT3和第一辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，实现限流式直流断路器的快速导通控制，线路的正常工作电流从公共点K到公共点L；

情况二：

在直流线路正常工作情况下，主流通支路中的第三机械开关K3和第四机械开关K4均闭合，第一电容换流单元和第二电容换流单元中的IGBT全部闭锁，向IGBT2、IGBT4和第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，实现限流式直流断路器的快速导通控制，线路的正常工作电流从公共点L到公共点K。

2、限流式直流断路器的关断控制过程具体分为两种情况，第一种情况中故障电流从公共点K到公共点L，第二种情况中故障电流从公共点L到公共点K，下面分别介绍这两种情况下限流式直流断路器的关断控制过程：

情况一：

在直流线路发生故障情况下，向第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，使得强制转移支路导通，该过程具体如下：

1)向IGBT1和IGBT3发送闭锁信号，并向第一下桥臂和第三下桥臂中的所有IGBT以及第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，IGBT1和IGBT3闭锁完成后，断开第三机械开关K3和第四机械开关K4；

2)通过超高速保护装置检测直流线路发生的故障是否为永久性故障，若是永久性故障，向第一下桥臂和第三下桥臂中的所有IGBT发送闭锁信号，第一上桥臂、第二下桥臂、第三上桥臂以及第四下桥臂中的二极管均导通，故障电流给第一储能电容C1和第二储能电容C2充电，使得强制转移支路的电压上升；

3)当强制转移支路的电压上升至避雷器的电压阈值时，能量吸收支路中的所有避雷器动作，实现限流式直流断路器的快速关断控制。

情况二：

在直流线路发生故障情况下，向第一辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，使得强制转移支路导通，该过程具体如下：

1)向IGBT2和IGBT4发送闭锁信号，并向第二下桥臂和第四下桥臂中的所有IGBT以及第一辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，IGBT2和IGBT4闭锁完成后，断开第三机械开关K3和第四机械开关K4；

2)通过超高速保护装置检测直流线路发生的故障是否为永久性故障，若是永久性故障，向第二下桥臂和第四下桥臂中的所有IGBT发送闭锁信号，第一下桥臂、第二上桥臂、第三下桥臂以及第四上桥臂中的二极管均导通，故障电流给第一储能电容C1和第二储能电容C2充电，使得强制转移支路的电压上升；

3)当强制转移支路的电压上升至避雷器的电压阈值时，能量吸收支路中的所有避雷器动作，实现限流式直流断路器的快速关断控制。

实施例3

本发明实施例3提供了一种基于电容换流单元的限流式直流断路器，其具体结构如图2所示，图2中的C1表示第一储能电容，C2表示第二储能电容，K1表示第一机械开关，K2表示第二机械开关，R1表示第一卸能电阻，R2表示第二卸能电阻，L1表示第一限流电感，L2表示第二限流电感，K3表示第三机械开关，K4表示第四机械开关。本发明实施例3提供的基于电容换流单元的限流式直流断路器包括主流通支路、强制转移支路、辅助支路和能量吸收支路，下面分别介绍上述几种支路的功能：

其中的主流通支路，用于实现直流线路正常工作电流的双向导通；

其中的强制转移支路，将主流通支路上直流线路的故障电流转移到强制转移支路，并降低故障电流的幅值和上升速率；

其中的辅助支路，用于实现主流通支路或强制转移支路的导通；

其中的能量吸收支路，与主流通支路和强制转移支路并联，用于吸收强制转移支路中电容换流单元存储的直流线路的能量。

上述的辅助支路包括并联的第一辅助支路和第二辅助支路，其中第一辅助支路与主流通支路串联，用于实现主流通支路的导通；其中的第二辅助支路与强制转移支路串联，用于实现强制转移支路的导通。

上述的强制转移支路包括第一电容换流单元、与第一电容换流单元串联的第一限流电感L1、第二电容换流单元以及与第二电容换流单元串联的第二限流电感L2；下面分别介绍上述的第一电容换流单元和第二电容换流单元：

1)其中的第一电容换流单元包括第一储能电容C1、第一卸能电阻R1、第一机械开关K1、第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂；

其中的第一上桥臂和第一下桥臂串联，第二上桥臂和第二下桥臂串联，且第一卸能电阻R1与第一机械开关K1串联后，与第一储能电容C1并联。

2)其中的第二换流单元包括第二储能电容C2、第二卸能电阻R2、第二机械开关K2、第三上桥臂、第三下桥臂、第四上桥臂和第四下桥臂；

其中的第三上桥臂和第三下桥臂串联，第四上桥臂和第四下桥臂串联，且第二卸能电阻R2与第二机械开关K2串联后，与第二储能电容C2并联。

如图2，第一电容换流单元中的第一下桥臂和第二下桥臂均包括1个IGBT模块，其中第一下桥臂中的IGBT模块包括IGBT33和与IGBT33反并联的二极管D33，其中第二下桥臂中的IGBT模块包括IGBT34和与IGBT34反并联的二极管D34。

上述第一上桥臂和第二上桥臂均包括1个二极管，第一上桥臂包括二极管D31，第二上桥臂包括二极管D32。

更进一步地存在如下关系：

IGBT33的集电极连接公共点K，IGBT33发射极连接公共点H；

IGBT34的集电极连接公共点E，IGBT34的发射极连接公共点H；

二极管D31的阳极连接公共点K，二极管D31的阴极连接公共点G；

二极管D32的阳极连接公共点E，二极管D32的阴极连接公共点G。

上述的第一电容换流单元中的第一储能电容C1一端连接公共点G，另一端连接公共点H；

第一卸能电阻R1与第一机械开关K1串联后，一端连接公共点H，另一端连接公共点G。

第一限流电感L1的一端连接公共点E，另一端连接公共点C。

如图2，上述第二电容换流单元中的第三下桥臂和第四下桥臂均包括1个IGBT模块，其中的第三下桥臂中的IGBT模块包括IGBT43和与IGBT43反并联的二极管D43，其中的第四下桥臂中的IGBT模块包括IGBT44和与IGBT44反并联的二极管D44。

上述第三上桥臂和第四上桥臂均包括1个二极管，第一上桥臂包括二极管D41，第四上桥臂包括二极管D42。

更进一步地存在如下关系：

IGBT43的集电极连接公共点F，IGBT43的发射极连接公共点J；

IGBT44的集电极连接公共点D，IGBT44的发射极连接公共点J。

二极管D41的阳极连接公共点F，二极管D41的阴极连接公共点I；

二极管D42的阳极连接公共点D，二极管D42的阴极连接公共点I。

上述的第二电容换流单元中的第二储能电容C2一端连接公共点I，另一端连接公共点J；

第二卸能电阻R2与第二机械开关K2串联后，一端连接公共点I，另一端连接公共点J。

第二限流电感L2的一端连接公共点B，另一端连接公共点F。

上述的主流通支路包括第三机械开关K3、与第三机械开关K3串联的第一主流通支路、第四机械开关K4以及与第四机械开关K4串联的第二主流通支路；

其中的第三机械开关K3与第一主流通支路串联后，一端连接公共点K，另一端连接公共点B；

其中的第四机械开关K4与第二主流通支路串联后，一端连接公共点C，另一端连接公共点L。

下面分别介绍上述的第一主流通支路和第二主流通支路：

1)第一主流通支路包括第一IGBT模块和第二IGBT模块；

第一IGBT模块包括IGBT1和与IGBT1反并联的二极管D1，第二IGBT模块包括IGBT2和与IGBT2反并联的二极管D2。

2)第二主流通支路包括第三IGBT模块和第四IGBT模块；

第三IGBT模块包括IGBT3和与IGBT3反并联的二极管D3，第四IGBT模块包括IGBT4和与IGBT4反并联的二极管D4。

上述第一IGBT模块中IGBT1的方向与第二IGBT模块中IGBT2的方向相反，第三IGBT模块中IGBT3的方向与第四IGBT模块中IGBT4的方向相反，且IGBT1的方向与IGBT3的方向相同，IGBT2的方向与IGBT4的方向相同。

上述的辅助支路第一辅助支路一端连接公共点B，另一端连接公共点C，上述的第二辅助支路一端连接公共点B，另一端连接公共点C。

第一辅助支路包括晶闸管T1，第二辅助支路包括晶闸管T2，且晶闸管T1的方向与晶闸管T2的方向相反，且晶闸管T1的方向与IGBT1和IGBT3的方向相同，晶闸管T2的方向与IGBT2和IGBT4的方向相同，具体是：

晶闸管T1的阳极连接公共点B，其阴极连接公共点C，晶闸管T2的阴极连接公共点B，其阳极连接公共点C；且IGBT1的集电极连接第三机械开关K3，其发射极连接IGBT2的发射极，IGBT2的集电极再连接公共点B，IGBT3的集电极连接公共点C，其发射极连接IGBT4的发射极，IGBT4的集电极连接第四机械开关K4。

上述的能量吸收支路包括避雷器A1。

实施例4

本发明实施例4提供了一种针对于实施例3中基于电容换流单元的限流式直流断路器的控制方法，该控制方法包括实施例4中限流式直流断路器的导通控制过程和关断控制过程，下面分别详细介绍上述两个个控制过程：

1、限流式直流断路器的导通控制过程具体分为以下两种情况：

情况一：

在直流线路正常工作情况下，第三机械开关K3和第四机械开关K4均闭合，IGBT33、IGBT34、IGBT43和IGBT44全部闭锁，向IGBT1、IGBT3和晶闸管T1发送触发信号，实现限流式直流断路器的快速导通控制，导通控制过程示意图如图3所示，线路的正常工作电流从公共点K到公共点L；

情况二：

在直流线路正常工作情况下，第三机械开关K3和第四机械开关K4均闭合，IGBT33、IGBT34、IGBT43和IGBT44全部闭锁，向IGBT2、IGBT4和晶闸管T2发送触发信号，实现限流式直流断路器的快速导通控制，线路的正常工作电流从公共点L到公共点K。

2、限流式直流断路器的关断控制过程具体分为两种情况，第一种情况中故障电流从公共点K到公共点L，第二种情况中故障电流从公共点L到公共点K，下面分别介绍这两种情况下限流式直流断路器的关断控制过程：

情况一：

在直流线路发生故障情况下，向晶闸管T2发送触发信号，使得强制转移支路导通，该过程具体如下：

1)向IGBT1和IGBT3发送闭锁信号，并向IGBT33、IGBT43以及晶闸管T2发送触发信号，IGBT1和IGBT3闭锁完成后，断开第三机械开关K3和第四机械开关K4，该过程为限流式直流断路器的关断控制过程的第一阶段，故障电流的具体流向如图4所示；

2)通过超高速保护装置检测直流线路发生的故障是否为永久性故障，若是永久性故障，向IGBT33和IGBT43发送闭锁信号，二极管D31、二极管D34、二极管D41和二极管D44均导通，故障电流给第一储能电容C1和第二储能电容C2充电，使得强制转移支路的电压上升，该过程为限流式直流断路器的关断控制过程的第二阶段，故障电流的具体流向如图5所示；

3)当强制转移支路的电压上升至避雷器的电压阈值时，能量吸收支路中的所有避雷器动作，实现限流式直流断路器的快速关断控制，该过程为限流式直流断路器的关断控制过程的第三阶段，故障电流的具体流向如图6所示。

情况二：

在直流线路发生故障情况下，向晶闸管T1发送触发信号，使得强制转移支路导通，该过程具体如下：

1)向IGBT2和IGBT4发送闭锁信号，并向IGBT44、IGBT34以及晶闸管T1发送触发信号，IGBT2和IGBT4闭锁完成后，断开第三机械开关K3和第四机械开关K4；

2)通过超高速保护装置检测直流线路发生的故障是否为永久性故障，若是永久性故障，向IGBT44和IGBT34发送闭锁信号，二极管D33、二极管D32、二极管D43以及二极管D42均导通，故障电流给第一储能电容C1和第二储能电容C2充电，使得强制转移支路的电压上升；

3)当强制转移支路的电压上升至避雷器的电压阈值时，能量吸收支路中的所有避雷器动作，实现限流式直流断路器的快速关断控制。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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 (14)

1.一种基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，包括：

主流通支路，用于实现直流线路正常工作电流的双向导通；

强制转移支路，将主流通支路上直流线路的故障电流转移到强制转移支路，并降低故障电流的幅值和上升速率；

辅助支路，用于实现主流通支路或强制转移支路的导通；

能量吸收支路，用于吸收强制转移支路中电容换流单元存储的直流线路的能量。

2.根据权利要求1所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路与主流通支路和强制转移支路并联，所述辅助支路与主流通支路或强制转移支路串联。

3.根据权利要求2所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述强制转移支路包括第一电容换流单元、与第一电容换流单元串联的第一限流电感、第二电容换流单元以及与第二电容换流单元串联的第二限流电感。

4.根据权利要求3所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述第一电容换流单元包括第一储能电容、第一卸能电阻、第一机械开关、第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂；

所述第一上桥臂和第一下桥臂串联，第二上桥臂和第二下桥臂串联，且第一卸能电阻与第一机械开关串联后，与第一储能电容并联。

5.根据权利要求4所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述第二换流单元包括第二储能电容、第二卸能电阻、第二机械开关、第三上桥臂、第三下桥臂、第四上桥臂和第四下桥臂；

所述第三上桥臂和第三下桥臂串联，第四上桥臂和第四下桥臂串联，且第二卸能电阻与第二机械开关串联后，与第二储能电容并联。

6.根据权利要求5所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述第一上桥臂、第二上桥臂、第三上桥臂和第四上桥臂均包括N个串联的二极管，N个二极管的方向相同；

所述第一下桥臂、第二下桥臂、第三下桥臂和第四下桥臂均包括N个串联的IGBT模块，所述IGBT模块包括IGBT和与IGBT反并联的二极管，且IGBT模块中IGBT的方向相同。

7.根据权利要求6所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述第一上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点K，第N个二极管的阴极连接公共点G；

所述第一下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点K，第N个IGBT的发射极连接公共点H；

所述第二上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点E，第N个二极管的阴极连接公共点G；

所述第二下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点E，第N个IGBT的发射极连接公共点H；

所述第一储能电容一端连接公共点G，另一端连接公共点H；

所述第一机械开关一端连接公共点G，其另一端连接第一卸能电阻的一端，所述第一卸能电阻的另一端连接公共点H；

所述第一限流电感的一端连接公共点E，另一端连接公共点C。

8.根据权利要求7所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述第三上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点F，第N个二极管的阴极连接公共点I；

所述第三下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点F，第N个IGBT的发射极连接公共点J；

所述第四上桥臂中第一个二极管的阳极连接公共点D，第N个二极管的阴极连接公共点I；

所述第四下桥臂中第一个IGBT的集电极连接公共点D，第N个IGBT的发射极连接公共点J；

所述第二储能电容一端连接公共点I，另一端连接公共点J；

所述第二机械开关一端连接公共点I，其另一端连接第二卸能电阻的一端，所述第二卸能电阻的另一端连接公共点J；

所述第二限流电感的一端连接公共点B，另一端连接公共点F。

9.根据权利要求8所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述主流通支路包括第三机械开关、第一主流通支路、第四机械开关和第二主流通支路；

所述第三机械开关与第一主流通支路串联后，一端连接公共点K，另一端连接公共点B；

所述第四机械开关与第二主流通支路串联后，一端连接公共点C，另一端连接公共点L；

所述第一主流通支路包括第一IGBT模块和第二IGBT模块；

所述第二主流通支路包括第三IGBT模块和第四IGBT模块；

所述第一IGBT模块包括IGBT1和与IGBT1反并联的二极管D1；

所述第二IGBT模块包括IGBT2和与IGBT2反并联的二极管D2；

所述第三IGBT模块包括IGBT3和与IGBT3反并联的二极管D3；

所述第四IGBT模块包括IGBT4和与IGBT4反并联的二极管D4；

所述IGBT1的方向与IGBT2的方向相反，所述IGBT3的方向与IGBT4的方向相反，且所述IGBT1的方向与IGBT3的方向相同，所述IGBT2的方向与IGBT4的方向相同。

10.根据权利要求9所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述辅助支路一端连接公共点B，另一端连接公共点C，其包括并联的第一辅助支路和第二辅助支路；

所述第一辅助支路和第二辅助支路均包括多个串联的晶闸管；

所述第一辅助支路中晶闸管的方向与第二辅助支路中晶闸管的方向相反，且所述第一辅助支路中晶闸管的方向与IGBT1和IGBT3的方向相同，所述第二辅助支路中晶闸管的方向与IGBT2和IGBT4的方向相同。

11.根据权利要求10所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路包括多个串联的避雷器。

12.一种如权利要求11所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括限流式直流断路器的导通控制过程和关断控制过程；

所述导通控制过程为：

在直流线路正常工作情况下，第三机械开关和第四机械开关均闭合，第一电容换流单元和第二电容换流单元中的IGBT全部闭锁，向IGBT1、IGBT3和第一辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，或向IGBT2、IGBT4和第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，实现限流式直流断路器的快速导通控制；

所述关断控制过程为：

在直流线路发生故障情况下，向第一辅助支路或第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，使得强制转移支路导通，当强制转移支路的电压上升至避雷器的电压阈值时，所有避雷器动作，实现限流式直流断路器的快速关断控制。

13.根据权利要求12所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器的控制方法，其特征在于，所述向第一辅助支路或第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，使得强制转移支路导通包括：

向IGBT1和IGBT3发送闭锁信号，并向第一下桥臂和第三下桥臂中的所有IGBT以及第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，所述IGBT1和IGBT3闭锁完成后，断开第三机械开关和第四机械开关；

通过超高速保护装置检测直流线路发生的故障是否为永久性故障，若是永久性故障，向第一下桥臂和第三下桥臂中的所有IGBT发送闭锁信号，第一上桥臂、第二下桥臂、第三上桥臂以及第四下桥臂中的二极管均导通，故障电流给第一储能电容和第二储能电容充电，使得强制转移支路的电压上升。

14.根据权利要求12所述的基于电容换流单元的限流式直流断路器的控制方法，其特征在于，所述向第一辅助支路或第二辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，使得强制转移支路导通包括：

向IGBT2和IGBT4发送闭锁信号，并向第二下桥臂和第四下桥臂中的所有IGBT以及第一辅助支路中的所有晶闸管发送触发信号，所述IGBT2和IGBT4闭锁完成后，断开第三机械开关和第四机械开关；

通过超高速保护装置检测直流线路发生的故障是否为永久性故障，若是永久性故障，向第二下桥臂和第四下桥臂中的所有IGBT发送闭锁信号，第一下桥臂、第二上桥臂、第三下桥臂以及第四上桥臂中的二极管均导通，故障电流给第一储能电容和第二储能电容充电，使得强制转移支路的电压上升。