CN108462486B - 一种高压直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高压直流断路器，包括并联连接的主支路和转移支路，主支路和转移支路中串设的电子开关包括第一支路和第二支路，两支路并联连接，形成第一并联端O1和第二并联端O2；第一、二支路中均串设有N个二极管单元，相邻二极管单元的方向相反；其中N≥3，从O1到O2的方向，第一支路中的二极管单元分别记为A1，A2，…，Ai，…，AN，第二支路中的二极管单元分别记为B1，B2，…，Bi，…，BN；A1的阳极和B1的阴极均连接O1，Ai和Ai+1的串联点以及Bi和Bi+1的串联点之间连接有全控器件单元，全控器件单元的方向为从一条支路中二极管单元的阴极到另一支路中二极管单元的阳极。本发明通过将多个二极管及IGBT按照一定的结构串并联组成，所使用的二极管的数量大大减少，降低了混合直流断路器的造价。

Description

一种高压直流断路器
技术领域
本发明涉及一种高压直流断路器，属于高压直流输电技术领域。
背景技术
随着电力电子器件的深入研究，混合式直流断路器技术得到快速发展。目前，现有的混合式直流断路器包括并联连接的主支路、转移支路和耗能支路，在主支路和转移支路中均串设有多个开关功率模块。开关功率模块的拓扑主要有正反向串联结构的IGBT子模块、单级H桥结构的IGBT子模块、以及二极管桥组成的子模块等。当将多个这样的子模块串联连接组成高压单元时，均存在所用二极管数量或IGBT元件数量多以及结构复杂等特点，成本较高，给制造带来较大困难。
例如，公布号为CN107124167A的中国专利申请公开了一种直流电子开关及其开关功率模块，该开关功率模块是由4个整流二极管作为桥臂的一个子模块单元，其电路结构如图1所示。在该开关功率模块中，每个桥臂的二极管承受的电压是一个IGBT两端的电压。当将N个这样的开关功率模块串联时，所需要的整流二极管的数目为4N。
因此，由于混合式直流断路器需要大量的开关功率模块串联，在保证应用需求的情况下，如何进一步的减少所用二极管或IGBT元件的数量成为直流断路器研究中需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流断路器，用于解决直流断路器的高压单元所用二极管数量多的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压直流断路器，包括以下方案：
方案一：包括并联连接的主支路、转移支路和耗能支路，所述主支路中串设有主支路电子开关，所述转移支路中串设有转移支路电子开关，所述主支路电子开关和/或转移支路电子开关包括第一支路和第二支路，第一支路和第二支路并联连接，形成第一并联端O1和第二并联端O2；所述第一支路和第二支路中均串设有N个二极管单元，相邻二极管单元的方向相反；其中N≥3，从O1到O2的方向，第一支路中的二极管单元分别记为A1，A2，…，Ai，…，AN，第二支路中的二极管单元分别记为B1，B2，…，Bi，…，BN；A1的阳极和B1的阴极均连接O1，Ai和Ai+1的串联点以及Bi和Bi+1的串联点之间连接有全控器件单元，所述全控器件单元的方向为从一条支路中二极管单元的阴极到另一支路中二极管单元的阳极。
方案二：在方案一的基础上，各全控器件单元的两端还并联有与该全控器件单元的方向相同的电容单元，所述电容单元包括串联连接的二极管和充放电电容，所述二极管的两端还并联有电阻。
方案三：在方案一或二的基础上，各全控器件单元的两端还并联有短路开关。
方案四：在方案一或二的基础上，还包括与所述第一支路和第二支路并联连接的耗能单元。
方案五：在方案一或二的基础上，各二极管单元包括一个二极管或者串/并联连接的至少两个二极管。
方案六：在方案一或二的基础上，各全控器件单元包括一个全控开关或者串/并联连接的至少两个全控开关。
方案七：在方案六的基础上，所述全控开关为IGBT或IGCT。
方案八：在方案四的基础上，所述耗能单元为避雷器或非线性电阻器。
本发明的有益效果是：通过将二极管单元按照设定的导通方向串联，即相邻二极管单元的方向相反，分别构成并联连接第一支路和第二支路，并在第一支路中两相邻二极管单元的串联点之间以及对应的第二支路中两相邻二极管单元的串联点之间设置全控器件单元，不仅能够保持双向导通的特性，并且所使用的二极管的数量大大减少，降低了高压直流断路器的造价，结构简单，便于推广应用。
附图说明
图1为现有技术中开关功率模块的电路原理图；
图2为本发明高压直流断路器的结构示意图；
图3为本发明直流电子开关的电路原理图；
图4为本发明直流电子开关的正向导通通路；
图5为本发明直流电子开关的反向导通通路；
图6为本发明直流电子开关的扩容电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供了一种高压直流断路器，其结构示意图如图2所示，包括并联连接的主支路、转移支路和耗能支路。其中，主支路中串设有快速机械开关和主支路电子开关，转移支路中串设有多个转移支路电子开关，耗能支路中串设有多个避雷器。
具体的，主支路电子开关或转移支路电子开关包括并联连接的第一支路和第二支路，第一支路和第二支路的并联点记为O1和O2。其中，第一支路和第二支路中均串设有N个二极管单元，N≥3且为正整数。从O1到O2的方向，第一支路中的二极管单元分别记为A1，A2，…，Ai，…，AN，第二支路中的二极管单元分别记为B1，B2，…，Bi，…，BN。图2给出了第一支路和第二支路中的二极管单元的数目N均等于3的电子开关的电路原理图，图3给出了第一支路和第二支路中的二极管单元的数目N均等于7的电子开关的电路原理图。
在第一支路中，任意相邻的二极管单元Ai和Ai+1的方向相反，即Ai的阳极与Ai+1的阳极连接或者是Ai的阴极与Ai+1的阴极连接。同样的，在第二支路中，任意相邻的二极管单元Bi和Bi+1的方向相反。并且，若第一支路中二极管单元A1的阳极连接并联点O1时，第二支路中二极管单元B1的阴极连接并联点O1；若第一支路中二极管单元A1的阴极连接并联点O1时，第二支路中二极管单元B1的阳极连接并联点O1。
在第一支路的二极管单元Ai和Ai+1的串联点以及第二支路的二极管单元Bi和Bi+1的串联点之间还设置有第i个全控器件单元Ci以及第i个电容单元Di。Ci和Di的方向均为从Ai和Bi中的阴极到阳极，也就是若Ai的阳极和Ai+1的阳极串联，且Bi的阴极和Bi+1的阴极串联，则Ci和Di的方向均为从第二支路中Bi(Bi+1)的阴极到第一支路中Ai(Ai+1)的阳极；若Ai的阴极和Ai+1的阴极串联，且Bi的阳极和Bi+1的阳极串联，则Ci和Di的方向均为从第一支路中Ai(Ai+1)的阴极到第二支路中Bi(Bi+1)的阳极。
具体的，任意一个电容单元包括串联连接的二极管和充放电电容，二极管的两端还并联有电阻。各二极管单元包括一个二极管，各全控器件单元包括一个全控开关，该全控开关为IGBT。此时，以图3中C1为例，IGBT的集电极连接A1和A2的阴极串联点，IGBT的射极连接B1和B2的阳极串联点。
另外，在任意一个全控器件单元的两端还并联有短路开关，当该全控器件单元发生故障时，可以通过闭合该短路开关旁路掉该全控器件单元，以保证整个开关拓扑结构的正常工作。在两支路的并联点O1和O2之间，还连接有耗能单元，该耗能单元为避雷器或非线性电阻器。
对于图3中给出的电子开关，在正常工作过程中，当电流方向为从O1到O2时，如图4所示，该电流依次经过A1、C1、B2、C2、A3、C3、B4、C4、A5、C5、B6、C6和A7；而当电流方向为从O2到O1时，如图5所示，该电流依次经过B7、C6、A6、C5、B5、C4、A4、C3、B3、C2、A2、C1和B1。
当需要关断电流时，只要关断电子开关中的IGBT即可。IGBT由导通到关断时，系统电流对充放电电容器充电，当电容器电压超过耗能单元的保护电压时，系统电流转移到耗能单元中，由耗能单元消耗掉系统能量，同时耗能单元限制了电子开关两端的电压。由二极管和充放电电容串联组成的电容单元的主要作用是保证各IGBT关断时的电压保持一致，即均压的作用，同时限制杂散电感引起的过电压。在该直流电子开关中，每个二极管单元所承受的电压是两个全控器件单元的电压和，而不是一个全控器件单元的端电压。
在工程应用时，可以根据高压直流断路器的电压等级以及切断电流的大小来确定每条支路中具体需要串联的二极管单元的数目以及对应全控开关的数目，以提高电子开关关断直流电流的能力。并且，对于多级全控器件单元串联，本发明所用二极管单元的数量减少几乎一半。例如，由于每个二极管单元仅包含1个二极管，当2个全控器件单元串联时，本发明所用二极管的数量为6，相对于图1中的2个开关功率模块串联需要8个二极管，节省了2个二极管；而当6个全控器件单元串联时，本发明所用二极管的数量为14，相对于图1中的6个开关功率模块串联需要24个二极管，节省了10个二极管，结构大为简化。
当然，作为其他的实施方式，各二极管单元也可以由至少两个二极管串联或并联连接组成，各全控器件单元也可以由至少两个全控开关串并联连接组成，该全控开关可以是IGCT等其他全控型功能器件。与图3中的电子开关相比，为了增加分断电流的能力，图6给出了全控器件单元包括两个并联全控开关时的电子开关示意图。
本发明的直流断路器中串设的电子开关由多个二极管及IGBT按照一定的结构串、并联组成，无论电流正向或反向，结构简单，元件数量少，可方便地关断正反向直流电流，极大的降低了高压直流断路器的成本。

Claims (8)

1.一种高压直流断路器，包括并联连接的主支路、转移支路和耗能支路，所述主支路中串设有主支路电子开关，所述转移支路中串设有转移支路电子开关，其特征在于，所述主支路电子开关和/或转移支路电子开关包括第一支路和第二支路，第一支路和第二支路并联连接，形成第一并联端O1和第二并联端O2；所述第一支路和第二支路中均串设有N个二极管单元，相邻二极管单元的方向相反；其中N≥3，从O1到O2的方向，第一支路中的二极管单元分别记为A1，A2，…，Ai，…，AN，第二支路中的二极管单元分别记为B1，B2，…，Bi，…，BN；A1的阳极和B1的阴极均连接O1，Ai和Ai+1的串联点以及Bi和Bi+1的串联点之间连接有全控器件单元，所述全控器件单元的方向为从一条支路中二极管单元的阴极到另一支路中二极管单元的阳极。
2.根据权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，各全控器件单元的两端还并联有与该全控器件单元的方向相同的电容单元，所述电容单元包括串联连接的二极管和充放电电容，所述二极管的两端还并联有电阻。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流断路器，其特征在于，各全控器件单元的两端还并联有短路开关。
4.根据权利要求1或2所述的高压直流断路器，其特征在于，还包括与所述第一支路和第二支路并联连接的耗能单元。
5.根据权利要求1或2所述的高压直流断路器，其特征在于，各二极管单元包括一个二极管或者串联连接的至少两个二极管或者并联连接的至少两个二极管或者既有串联又有并联的至少两个二极管。
6.根据权利要求1或2所述的高压直流断路器，其特征在于，各全控器件单元包括一个全控开关或者串联连接的至少两个全控开关或者并联连接的至少两个全控开关或者既有串联又有并联的至少两个全控开关。
7.根据权利要求6所述的高压直流断路器，其特征在于，所述全控开关为IGBT或IGCT。
8.根据权利要求4所述的高压直流断路器，其特征在于，所述耗能单元为避雷器或非线性电阻器。
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