CN108092253A - 一种直流电网用电容型混合直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电网用电容型混合直流断路器及其控制方法，该断路器拓扑包括：一个机械开关、两个IGBT及其反并联二极管、两个限流电感与N个子模块，其中第一个子模块包括三个电容、六个晶闸管、四个二极管；其余N‑1个子模块相同，每个模块包括一个电容、一个晶闸管和一个二极管。所述机械开关和两个IGBT及其反并联二极管组成载流支路，为正常工作通道；N个子模块组成故障电流转移支路，为短路时提供故障电流转移通道。正常情况下，系统通过载流支路传送功率，同时通过控制开关管给每个子模块中电容进行预充电；一旦发生故障，断路器通过转移支路将故障电流转移，实现机械开关零电压关断，同时电容的预充电压可以有效地限制短路电流。

Description

一种直流电网用电容型混合直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电容型混合直流断路器及其控制方法，属于电力电子技术领域，主要应用于多端直流输电场合。

背景技术

传统能源的不断消耗和环境问题的日益严重，使得清洁、可持续能源的发展和应用逐渐得到世界各国的重视。传统电网的消纳能力具有一定的局限，且新能源发电具有间歇性和不确定性，以致新能源的利用效率不高。多端直流输电和直流电网技术是解决上述问题的有效措施，是电力系统未来发展的重要组成部分。

然而，直流电网的低阻性、低惯性，较小的电压变化会引起很大电流变化，使得直流线路一旦发生短路故障，短路电流的上升速度非常快、峰值很大；当短路故障发生时，直流侧并联电容向故障点快速放电，短时间内较大的短路电流注入到故障点，其电流可以在几毫秒之内达到额定电流的几十倍甚至百倍。此外，系统一旦发生短路故障，不仅可能损坏换流站器件，而且故障可能短时间内扩散至整个系统，使系统的潮流迅速崩溃，危及整个直流电网。由于直流电网短路故障电流的上升速度快、峰值大、不存在自然过零点等问题，使得直流故障断路器成为目前直流电网发展的主要挑战。目前的直流断路器主要分为三类，机械型、固态型和混合型断路器。机械型直流断路器一般是对传统交流断路器的改造，增加振荡回路，使得短路电流切除过程中产生过零点。固态型直流断路器是主要采用大功率电力电子器件一种直流保护技术，与机械型断路器相比，它具有开关速度快、抑制短路电流、可靠性高等优点，但是通态损耗较大。混合型直流断路器，是综合了机械断路器和混合型断路器的优点，将两者并联且进行了一定的改进。

发明内容

发明目的：本发明针对多端直流输电系统中的短路故障线路切除问题，提出一种电容型混合直流断路器及其控制方法，提高了混合直流断路器的限流能力，降低了设备成本。

技术方案：本发明提出一种直流电网用电容型混合直流断路器，包括串联在直流电网一极中的载流支路，以及一端与载流支路并联，另一端连接到直流电网另一极的故障电流转移支路；

直流电网通过所述载流支路向负载传送功率，而故障电流转移支路则在发生短路故障时将载流支路的电流转移至故障电流转移支路。

优选地，所述载流支路包括相互串联的开关和开关管组。

优选地，所述开关为机械开关。

优选地，所述开关管组为两个反向串联的IGBT开关管，每个IGBT开关管均带有反并联二极管。

优选地，所述故障电流转移支路包括相互串联的多个模块，多个模块包括模块1至N，N为自然数。

优选地，所述模块1包括三个电容第十一电容、第十二电容和第十三电容，第一至第六晶闸管、第一至第四二极管；

第一晶闸管和第二二极管按照同样的由左向右的导通方向串联在一起，而第二晶闸管和第一二极管按照同样的由右向左的导通方向串联在一起，这两条串联支路再相互并联在载流支路的两端。同时第三晶闸管和第四晶闸管按照正极相向的背靠背方式串联在一起，而第三二极管和第四二极管按照负极相向的背靠背方式串联在一起，这两条串联支路又再经过左侧相互串联的第十二电容和第五晶闸管，以及右侧相互串联的第十三电容和第六晶闸管并联在载流支路的两端。而第十一电容将第一晶闸管和第二二极管的交点、第二晶闸管和第一二极管的交点以及第三晶闸管和第四晶闸管的交点连接起来。

优选地，所述模块2至N均包括相互串联的模块电容和模块二极管，模块晶闸管则与它们并联；

其中模块2的模块二二极管和模块二晶闸管的交点连接到第三二极管和第四二极管的交点；而其后的模块3中的模块二极管与模块晶闸管的交点又连接到模块2的模块二晶闸管和第二电容的交点，以此类推。

优选地，所述模块1至N上的的各个电容上都并联了一组相互串联的电阻和开关。

一种电容型混合直流断路器的控制方法，包括以下步骤：

1)直流电网正常工作时，控制各个子模块的晶闸管给第十一电容、第二至第N电容进行预充电，且使所有电容电压之和为电网电压；

2)假设在t₀时刻，电容型混合直流断路器的一侧发生短路故障；

3)在t₁时刻，短路故障所在支路的电流采样值超过短路控制设定的阈值，混合直流断路器的转移支路开始投入，立即触发导通位于模块1另一侧的第一晶闸管和第三晶闸管，转移故障电流，同时旁路M个子模块，系统将进一步给未旁路的N-M个子模块充电；

4)在t₂时刻，立即关断载流支路的开关管组，关断故障电流转移后载流支路的剩余电流，由于第一晶闸管和第二二极管支路的导通，使在几乎零电压的条件下关断；

5)在t₃时刻，立即关断机械开关，此时机械开关在零电压、零电流的条件下关断，从而实现故障线路的机械隔离；

6)在t₄时刻，停止触发第一晶闸管和第三晶闸管，为关断第一晶闸管和第三晶闸管做准备；

7)在t₅时刻，立即触发第五晶闸管，使得电容给充电，产生反向电流，强迫第一晶闸管和第三晶闸管，所有电流转移至第五晶闸管所在支路，直至子模块充电结束，完成直流故障切除工作。

有益效果：本发明具有以下优点：1)该电容型混合直流断路器使用的半导体器件为半控型器件晶闸管，相比于全控型器件IGBT，大大降低了设备成本；2)子模块预充电压的存在可以有效抑制故障电流，避免直流系统电压的崩溃；3)降低了载流支路的开关管的电压应力，减少了器件使用，有效减小了通态损耗。

附图说明

图1是本发明的一种电容型混合直流断路器的电路拓扑示意图；

图2是该电容型混合直流断路器的电流参考正方向示意图；

图3是该电容型混合直流断路器在正常工作状况下的导通模态图；

图4是该电容型混合直流断路器在故障状况下转移短路电流的导通模态图；

图5是该电容型混合直流断路器在故障状况下切断载流支路的导通模态图；

图6是该直流断路器在故障状况下强迫关断转移支路晶闸管的导通模态图；

图7是该直流断路器在故障状况下完全转移故障电流之后的导通模态图；

图8是基于该电容型混合直流断路器投入运行的仿真系统模型；

图9是基于该电容型混合直流断路器投入运行的仿真结果；

图10是该电容型混合直流断路器的拓展拓扑结构。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例一种电容型混合直流断路器，连接在直流电网的两极之间，包括一个机械开关S、与机械开关S串联的由两个串联IGBT及其反并联二极管组成的开关管组Q₁、以及与上述串联支路并联的模块1至模块N，模块1至模块N相互串联。机械开关S和两个串联IGBT及其反并联二极管组成了载流支路，该载流支路为正常情况下直流电网的电流通道。为了减缓短路电流的上升速率，通常在断路器两侧还会串联第一限流电感L₁和第二限流电感L₂。

其中模块1包括：三个电容第十一电容C_{1_1}、第十二电容C_{1_2}和第十三电容C_{1_3}，第一至第六晶闸管T₁～T₆、第一至第四二极管D₁～D₄。第一晶闸管T₁和第二二极管D₂按照同样的由左向右的导通方向串联在一起，而第二晶闸管T₂和第一二极管D₁按照同样的由右向左的导通方向串联在一起，这两条串联支路再相互并联在载流支路的两端。同时第三晶闸管T₃和第四晶闸管T₄按照正极相向的背靠背方式串联在一起，而第三二极管D₃和第四二极管D₄按照负极相向的背靠背方式串联在一起，这两条串联支路又再经过左侧相互串联的第十二电容C_{1_2}和第五晶闸管T₅，以及右侧相互串联的第十三电容C_{1_3}和第六晶闸管T₆并联在载流支路的两端。而第十一电容C_{1_1}将第一晶闸管T₁和第二二极管D₂的交点、第二晶闸管T₂和第一二极管D₁的交点以及第三晶闸管T₃和第四晶闸管T₄的交点连接起来。

其余N-1个模块相同，每个模块均包括一个模块电容、一个模块晶闸管和一个模块二极管，例如模块2包括相互串联的第二电容C₂和模块二二极管DD₂，而模块二晶闸管TT₂则与它们并联。其中模块二二极管DD₂和模块二晶闸管TT₂的交点连接到第三二极管D₃和第四二极管D₄的交点。而其后的模块三中的模块三二极管与模块三晶闸管的交点又连接到，模块二晶闸管TT₂和第二电容C₂的交点，以此类推。

模块1至N共同组成了故障电流转移支路，为短路时故障电流的转移通道。正常情况下，直流电网通过载流支路传送功率，同时通过控制各个晶闸管给每个模块中的电容进行预充电；一旦发生故障，直流断路器通过转移支路将故障电流转移，实现机械开关零电压关断，同时电容的预充电压可以有效地限制短路电流。

由于本实施例电容型混合直流断路器具有双向传输电流和双向切断能力，因此本实施例仅以左侧为直流源，装置右端发生直流故障对该电容型混合直流断路器的控制特性进行分析，各电气量的参考方向如图2中所示。断路器工作过程如下：

1)直流电网正常运行时主要通过载流支路传送功率，同时触发导通模块1中的第一晶闸管T₁和第三晶闸管T₃，使直流电网给第十一电容C_{1_1}以及第二至第N电容C₂～C_N进行预充电，直至第十一电容C_{1_1}和第二至第N电容C₂～C_N的电压之和达到电网电压，具体导通状态如图3所示。

2)假设在t₀时刻，电容型混合直流断路器的右侧发生短路故障；在t₁时刻，故障所在支路的电流采样值超过短路控制设定的阈值，本实施例混合直流断路器的转移支路开始投入，立即触发第一晶闸管T₁和第三晶闸管T₃，转移故障电流。同时根据不同故障电流转移时间和限流要求，选择旁路M(M<N)个子模块，系统将进一步给未旁路的N-M个子模块充电，具体导通状态如图4所示。

3)在t₂时刻，立即关断载流支路的开关管组Q₁，关断故障电流转移后载流支路的剩余电流。由于第一晶闸管T₁和第二二极管D₂支路的导通，使开关管组Q₁在几乎零电压的条件下关断；在t₃时刻，立即关断机械开关S，此时机械开关在零电压、零电流的条件下关断，从而实现故障线路的机械隔离，具体导通状态如图5所示。

4)在t₄时刻，停止触发第一晶闸管T₁和第三晶闸管T₃，为关断第一晶闸管T₁和第三晶闸管T₃做准备。在t₅时刻，立即触发导通第五晶闸管T₅，使得第十一电容C_{1_1}给第十二电容C_{1_2}充电，产生反向电流，当反向电流大于正向电流，强迫第一晶闸管T₁和第三晶闸管T₃关断，所有电流转移至第五晶闸管T₅所在支路，直至各模块电容充电结束，完成直流故障切除工作，具体导通状态如图6～7所示。

下面以具有7个子模块的电容型混合直流断路器为例，结合仿真进一步分析该断路器的工作原理。仿真系统模型如图8所示，仿真参数如下：

系统直流侧电压U_DC＝200kV，电感L₁＝L₂＝50mH，子模块电容均为4000uF，正常工作情况下电流为1kA，短路时刻为t＝1.5s。

系统的仿真结果如图9所示。

从图中可以看出，从电流波形来看，t₀时刻故障发生，线路电流I₁迅速上升，t₁时刻系统检测到故障，触发导通模块1的第一晶闸管T₁和第三晶闸管T₃，旁路模块2，即触发模块二晶闸管TT₂，故障电流部分转移至第一晶闸管T₁所在的支路，I₃从零开始逐渐增大，I₃电流除了通过第二二极管D₂(即为电流I₄)，同时给第十一电容C_{1_1}充电；在t₂时刻，关断载流支路的开关管组Q₁，故障电流全部转移至第一晶闸管T₁所在的支路，I₃快速上升；t₃时刻，关断机械开关S；t₄时刻，停止触发导通第一晶闸管T₁和第三晶闸管T₃；t₅时刻，触发第五晶闸管T₅，由于反向电流的存在，强迫关断第一晶闸管T₁和第三晶闸管T₃，电流全部转至电容C_{1_2}-C₃-C₄-C₅-C₆-C₇充电回路，直至最终其电压之和达到系统电压。从图中I₁可以看出，该断路器不仅在较短时间内有效切断故障线路，还可以有效限制抑制故障电流、降低切除故障过程中的电流峰值。

实施例2

如图10所示，本实施例在所有模块的各个电容上都并联了一组相互串联的电阻和开关。例如模块1中第十一电容C_{1_1}并联着相互串联的第十一电阻R_{1_1}和第十一开关S_{1_1}。模块1中第二电容C₃并联着相互串联的第二电阻R₂和第二开关S₂。

增加的电阻和开关形成了一个放电回路，可以在故障切除之后有效释放子模块的电容电压，实现断路器的重复使用，保障该混合直流断路器的可靠性。

本实施例的其他部分与实施例1相同。

Claims (9)

1.一种直流电网用电容型混合直流断路器，其特征在于：包括串联在直流电网一极中的载流支路，以及一端与载流支路并联，另一端连接到直流电网另一极的故障电流转移支路；

直流电网通过所述载流支路向负载传送功率，而故障电流转移支路则在发生短路故障时将载流支路的电流转移至故障电流转移支路。

2.根据权利要求1所述的直流电网用电容型混合直流断路器，其特征在于：所述载流支路包括相互串联的开关和开关管组。

3.根据权利要求2所述的直流电网用电容型混合直流断路器，其特征在于：所述开关为机械开关。

4.根据权利要求2所述的直流电网用电容型混合直流断路器，其特征在于：所述开关管组为两个反向串联的IGBT开关管，每个IGBT开关管均带有反并联二极管。

5.根据权利要求1所述的直流电网用电容型混合直流断路器，其特征在于：所述故障电流转移支路包括相互串联的多个模块，多个模块包括模块1至N，N为自然数。

6.根据权利要求5所述的直流电网用电容型混合直流断路器，其特征在于：所述模块1包括三个电容第十一电容(C_{1_1})、第十二电容(C_{1_2})和第十三电容(C_{1_3})，第一至第六晶闸管(T₁～T₆)、第一至第四二极管(D₁～D₄)；

第一晶闸管(T₁)和第二二极管(D₂)按照同样的由左向右的导通方向串联在一起，而第二晶闸管(T₂)和第一二极管(D₁)按照同样的由右向左的导通方向串联在一起，这两条串联支路再相互并联在载流支路的两端。同时第三晶闸管(T₃)和第四晶闸管(T₄)按照正极相向的背靠背方式串联在一起，而第三二极管(D₃)和第四二极管(D₄)按照负极相向的背靠背方式串联在一起，这两条串联支路又再经过左侧相互串联的第十二电容(C_{1_2})和第五晶闸管(T₅)，以及右侧相互串联的第十三电容(C_{1_3})和第六晶闸管(T₆)并联在载流支路的两端。而第十一电容(C_{1_1})将第一晶闸管(T₁)和第二二极管(D₂)的交点、第二晶闸管(T₂)和第一二极管(D₁)的交点以及第三晶闸管(T₃)和第四晶闸管(T₄)的交点连接起来。

7.根据权利要求6所述的直流电网用电容型混合直流断路器，其特征在于：所述模块2至N均包括相互串联的模块电容和模块二极管，模块晶闸管则与它们并联；

其中模块2的模块二二极管(DD₂)和模块二晶闸管(TT₂)的交点连接到第三二极管(D₃)和第四二极管(D₄)的交点；而其后的模块3中的模块二极管与模块晶闸管的交点又连接到模块2的模块二晶闸管(TT₂)和第二电容(C₂)的交点，以此类推。

8.根据权利要求7所述的直流电网用电容型混合直流断路器，其特征在于：所述模块1至N上的的各个电容上都并联了一组相互串联的电阻和开关。

9.根据权利要求7所述的一种电容型混合直流断路器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)直流电网正常工作时，控制各个子模块的晶闸管给第十一电容(C_{1_1})、第二至第N电容(C₂～C_N)进行预充电，且使所有电容电压之和为电网电压；

2)假设在t₀时刻，电容型混合直流断路器的一侧发生短路故障；

3)在t₁时刻，短路故障所在支路的电流采样值超过短路控制设定的阈值，混合直流断路器的转移支路开始投入，立即触发导通位于模块1另一侧的第一晶闸管(T₁)和第三晶闸管(T₃)，转移故障电流，同时旁路M个子模块，系统将进一步给未旁路的N-M个子模块充电；

4)在t₂时刻，立即关断载流支路的开关管组(Q₁)，关断故障电流转移后载流支路的剩余电流，由于第一晶闸管(T₁)和第二二极管(D₂)支路的导通，使(Q₁)在几乎零电压的条件下关断；

5)在t₃时刻，立即关断机械开关(S)，此时机械开关在零电压、零电流的条件下关断，从而实现故障线路的机械隔离；

6)在t₄时刻，停止触发第一晶闸管(T₁)和第三晶闸管(T₃)，为关断第一晶闸管(T₁)和第三晶闸管(T₃)做准备；

7)在t₅时刻，立即触发第五晶闸管(T₅)，使得电容(C_{1_1})给(C_{1_2})充电，产生反向电流，强迫第一晶闸管(T₁)和第三晶闸管(T₃)，所有电流转移至第五晶闸管(T₅)所在支路，直至子模块充电结束，完成直流故障切除工作。