CN109193625B - 一种新型组合式直流断路器拓扑 - Google Patents

一种新型组合式直流断路器拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型组合式直流断路器拓扑，所述拓扑结构在每条直流母线上仅采用一个主断开关，一个失灵辅助开关，与主断开关串联的一个转移开关TS0，两组不同方向的二极管，以及对应m条线路的转移开关TS1‑TSm；所述转移开关TS0与失灵辅助开关并联后与主断开关串联，主断开关一端与直流母线相连，另一端通过转移开关TS0与流入线路方向的二极管组相连，还通过失灵辅助开关与流出线路方向的二极管组相连，转移开关TS1‑TSm分别连接在母线与对应的线路1‑线路m之间。所述新型组合式直流断路器在系统正常运行时，各部分开关两端承受的电压均为零，可以有效降低器件被击穿的概率，提高系统整体的运行可靠性，且采用的主要器件较少，经济性更好。

Description

一种新型组合式直流断路器拓扑
技术领域
本发明涉及柔性直流输电系统领域，具体涉及一种具备重合闸功能与快速机械开关失灵保护功能的新型组合式直流断路器拓扑。
背景技术
近年来我国对能源结构的调整，促进了以风电为主的新能源发电技术的发展。同时为提升电网消纳不稳定新能源的能力，基于电压源换流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流输电技术也受到了广泛的关注。
柔性直流输电系统中，传统VSC换流站不具备清除直流侧故障的能力，是研究的一大热点。改造换流站采用自清除子模块或采用直流断路器是该问题的两个解决办法，前者一方面自清除子模块自身损耗相对较高，另一方面动作时会引起直流系统短时停电；相比而言，后者既可于系统正常运行时改变运行方式，又可在直流系统不停电情况下快速切除故障元件，具备一定优势。
相较于寿命较短的机械式直流断路器，以及通态损耗极高的固态式直流断路器，基于强迫换流原理的混合式直流断路器有着更好的应用前景，其具备良好的速动性，可低损耗经济运行，同时使用寿命较长。但混合式直流断路器分散应用于柔性直流电网每条线路中时一次成本造价昂贵。
为此，研究人员提出了组合式直流断路器，其通过在换流站对应的每条母线上仅采用一个昂贵的主断部分，可有效切除所连任一线路上发生的故障，大大节约制造成本。但这种组合式断路器正常运行时器件长时间持续承受高电压，任一线路故障动作时存在主断接地过程，同时不具备对快速机械开关的失灵保护功能，故仍须进一步的改进。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种新型组合式直流断路器拓扑，能够在系统正常运行时，有效降低电力电子器件的压力，降低器件被击穿的概率，提高系统整体的运行可靠性；同时，所述新型组合式直流断路器采用的主要器件较少，经济性更好。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种新型组合式直流断路器拓扑，其在每条直流母线上仅采用一个主断开关，一个失灵辅助开关，与主断开关串联的一个转移开关TS0，两组不同方向的二极管，以及对应m条线路的转移开关TS1-TSm；所述转移开关TS0与失灵辅助开关并联后与主断开关串联，主断开关一端与直流母线相连，另一端通过转移开关TS0与流入线路方向的二极管组相连，还通过失灵辅助开关与流出线路方向的二极管组相连，转移开关TS1-TSm分别连接在母线与对应的线路1-线路m之间。
进一步地，所述主断开关由n个全桥子模块串与避雷器相互并联构成，每个全桥子模块串由m个全桥子模块串联组成，总体需要的全桥子模块数量为n*m个。
进一步地，所述全桥子模块由4个二极管以及一个单方向的IGBT桥式连接组成。
进一步地，所述避雷器采用氧化锌避雷器。
进一步地，所述转移开关由快速机械开关与电流转移开关组成，快速机械开关具备快速动作的特性，在2ms时间内能够完全打开，电流转移开关具备一定冗余，由双方向的IGBT串并联组成，并联串数为i，串联个数为j。
进一步地，所述失灵辅助开关由多个单方向的晶闸管串并联组成，并联串数为x，串联个数为y。
进一步地，所述新型组合式直流断路器拓扑在线路侧还配置有避雷器，线路避雷器并联在直流线路两侧并与地相连。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明提供的新型组合式直流断路器拓扑，采用的电力电子器件更少，以连接m条线路为例，略去造价低的转移开关与二极管组，对现已提出的组合式直流断路器与本发明提出的新型组合式直流断路器所采用的主要器件数量进行对比，现已提出的组合式断路器须采用：1个单方向主断开关，m个单方向晶闸管组成的辅助放电开关；新型组合式断路器须采用：1个双方向主断开关(虽为双方向，但采用桥式子模块结构仅须要单方向的IGBT即可实现电流双向流动)，1个单方向晶闸管组成的失灵辅助开关。综上可见，新型组合式断路器采用的主要器件较少，经济性更好。
2、本发明提供的新型组合式直流断路器拓扑，正常运行时，各部分器件无须承受系统对地电压，在高压直流系统中，直流断路器内部的高压电力电子器件价格高昂，内部电力电子器件被击穿，系统的稳定运行存在安全隐患，同时维修更换所损坏的器件成本较高，因而应尽可能降低器件被击穿的概率，提高器件的绝缘水平，新型组合式直流断路器在系统正常运行时，各部分开关两端承受的电压均为零，可以有效降低电力电子器件的压力，降低器件被击穿的概率，提高系统整体的运行可靠性。
3、本发明提供的新型组合式直流断路器拓扑，不存在主断长时间接地的过程，适用于限流电抗器集中配置、分散配置、混合配置的直流电网，实际工程中采用分散配置或混合配置的直流电抗器配置方式具有重要的实践意义和作用，这两种配置在直流线路两端设置限流电抗器，除了可以进一步限制系统的故障电流，又有利于为保护区内故障与所有类型的区外故障之间设置边界，从而提高保护的选择性；现已提出的组合式直流断路器在任一线路故障后的动作过程中，存在主断长时间接地的过程，此时MMC直接经过母线电抗器Lbus对地放电，线路电抗器Lline的限流作用无法充分发挥，须采用数值较大的母线电抗器实现限流，但这样做会削弱线路电抗器的边界作用，不利于其在限流电抗器分散配置或混合配置的直流电网中的应用；而新型组合式直流断路器在任一线路故障的动作过程中，故障电流均可流经线路电抗器Lline与母线电抗器Lbus，可以起到限制故障电流和为保护提供边界的作用，可适用于限流电抗器集中配置、分散配置、混合配置的直流电网中。
4、本发明提供的新型组合式直流断路器拓扑，功能更完备，具备重合闸功能和对快速机械开关的失灵保护，所提出的新型组合式直流断路器通过失灵辅助开关对不同方向的二极管的选择，可以在某一故障线路的转移开关的快速机械开关失灵后，为其余正常线路的转移开关提供电流转移支路，从而可以实现失灵保护动作；同时，重合闸时只须将主断开关闭合即可快速检测线路是否发生永久性故障，迅速闭合两侧的转移开关即可快速实现重合；新型组合式直流断路器功能完备，有利于应对直流电网中各类突发情况，确保无故障系统持续可靠运行。
附图说明
图1为现有技术中的组合式直流断路器整体拓扑结构。
图2为现有技术中的组合式直流断路器分断部分拓扑结构。
图3为本实施例中的新型组合式直流断路器拓扑结构。
图4为本实施例中的新型组合式直流断路器线路故障时的动作过程。
图5为本实施例中的新型组合式直流断路器快速机械开关故障时动作过程。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
现有的组合式直流断路器，具体拓扑如图1、图2所示，其通过在换流站对应的每条母线上仅采用一个昂贵的主断部分，可有效切除所连任一线路上发生的故障，大大节约制造成本。但这种组合式断路器正常运行时器件长时间持续承受高电压，任一线路故障动作时存在主断接地过程，同时不具备对快速机械开关的失灵保护功能，故仍须进一步的改进。
针对上述不足，本实施例提供了一种新型组合式直流断路器拓扑，拓扑结构图如图3所示，所述新型组合式直流断路器拓扑在每条直流母线上仅采用一个主断开关，一个失灵辅助开关，与主断开关串联的一个转移开关TS0，两组不同方向的二极管，以及对应m条线路的转移开关TS1-TSm；所述转移开关TS0与失灵辅助开关并联后与主断开关串联，主断开关一端与直流母线相连，另一端通过转移开关TS0与流入线路方向的二极管组相连，还通过失灵辅助开关与流出线路方向的二极管组相连，转移开关TS1-TSm分别连接在母线与对应的线路1-线路m之间。
具体地，所述主断开关由n个全桥子模块串与避雷器相互并联构成，每个全桥子模块串由m个全桥子模块串联组成，总体需要的全桥子模块数量为n*m个。
具体地，所述全桥子模块由4个二极管以及一个单方向的IGBT桥式连接组成。
具体地，所述避雷器采用氧化锌避雷器。
具体地，所述转移开关由快速机械开关与电流转移开关组成，快速机械开关具备快速动作的特性，在2ms时间内能够完全打开，电流转移开关具备一定冗余，由双方向的IGBT串并联组成，并联串数为i，串联个数为j。
具体地，所述失灵辅助开关由多个单方向的晶闸管串并联组成，并联串数为x，串联个数为y。
具体地，所述新型组合式直流断路器拓扑在线路侧还配置有避雷器，线路避雷器并联在直流线路两侧并与地相连。
上述新型组合式直流断路器拓扑，正常运行时合闸、分闸，任一线路故障时分闸、重合闸和某一快速机械开关失灵保护动作的工作原理如下：
(1)正常合闸：正常运行时，MB(主断开关)闭合，TS0闭合，失灵辅助开关断开，正常运行时电流可通过MB与相连的单方向二极管组流入部分线路，起到降低运行损耗的作用。若将线路m投入运行，先合上线路两侧的隔离开关，此时通过闭合的主断开关与二极管入射的电压波，会使得线路产生过电压，使正极线路电位高于系统电压，负极线路同理，此时线路避雷器动作，抑制过电压使线路电位维持在系统电压值，从而使线路两侧转移开关TSm的两端电压一致，随后可以依次将两侧的转移开关内的快速机械开关闭合、电流转移开关导通，实现线路投运。
(2)正常分闸：在将线路m切除以改变运行方式时，若同时切除线路两侧转移开关TS内的电流转移开关，通过闭合的MB与二极管入射的电压波，会使得线路产生过电压，容易使电流转移开关承受过压而击穿，故将两侧的转移开关TS分时切除。以流出母线的电流方向作为正方向，先将线路m两侧中电流为正方向的一侧上转移开关TS内的电流转移开关与快速机械开关依次断开，再将该侧的MB断开，随后再按同样的动作过程依次断开另一侧上的电流转移开关、快速机械开关、主断开关MB。最后断开线路m两侧的隔离开关，实现正常运行时分闸。
(3)故障分闸：若线路m发生故障，应迅速切除和隔离故障线路，如图4中所示，已闭合的主断开关MB与转移开关TS0为故障线路上的转移开关TSm提供了电流转移支路，即此时其余正常线路经过自身的转移开关TS，再经过主断开关MB、TS0、二极管向故障线路放电。故只须依次关断故障线路上的电流转移开关与快速机械开关，即可切断故障电流，若此时系统须进行重合闸，按所述步骤(4)进行重合闸，之后再将故障线路隔离开关断开，实现故障线路的隔离。
(4)故障重合闸：在线路m发生故障后进行重合闸，先将主断开关MB重新闭合，若MB内流过的电流在一定时间内快速上升，超过额定最大运行电流，则判断线路发生永久性故障，重新断开MB迅速切除故障电流；若主断开关内电流在一定时间内维持在额定最大电流以下，则判断线路发生暂时性故障，将故障线路上已断开的快速机械开关重合，再将电流转移开关重新导通，恢复运行。
(5)失灵保护动作：若在线路m发生故障后，故障线路TSm内的电流转移开关断开后，快速机械开关失灵动作失败，新型组合式直流断路器的失灵保护启动。首先将TSm内已断开的电流转移开关重新闭合，触发导通失灵辅助开关，再如图5所示，此时正常线路依次通过二极管、失灵辅助开关、主断开关MB，再经过故障线路的转移开关TSm，向故障线路放电，为转移开关TS0与其余正常线路上的转移开关提供了转移支路。从而可以同时将TS0与其余正常线路上转移开关内的电流转移开关与快速机械开关断开，此时系统只通过MB和TSm向故障点提供短路电流，只需再断开MB即可实现失灵保护功能。最后将其余正常线路上的隔离开关断开，实现失灵保护动作。
从上述对新型组合式直流断路器的工作原理的分析中可以看出，新型组合式直流断路器具备正常运行时合闸、分闸，线路故障时分闸、重合闸和对转移开关的快速机械开关失灵保护的功能，功能完备。
本实施例提出的一种新型组合式直流断路器具备良好的经济性，在正常运行时各器件无须承受系统对地电压，任一线路故障动作过程中不存在主断接地的过程，适用于限流电抗器集中配置、分散配置、混合配置的直流电网中，同时功能完善，可实现对快速机械开关的失灵保护与故障线路的重合闸，可作为未来直流电网内直流断路器的一种选择。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型组合式直流断路器拓扑，其特征在于：所述新型组合式直流断路器拓扑在每条直流母线上仅采用一个主断开关，一个失灵辅助开关，与主断开关串联的一个转移开关TS0，两组不同方向的二极管，以及对应m条线路的转移开关TS1-TSm；所述转移开关TS0与失灵辅助开关并联后与主断开关串联，主断开关一端与直流母线相连，另一端通过转移开关TS0与流入线路方向的二极管组相连，TS0通过各组二极管分别连接至各个直流支路，还通过失灵辅助开关与流出线路方向的二极管组相连，失灵辅助开关通过流出线路方向的二极管组分别连接到各个直流支路，转移开关TS1-TSm分别连接在母线与对应的线路1-线路m之间。
2.根据权利要求1所述的新型组合式直流断路器拓扑，其特征在于：所述主断开关由n个全桥子模块串与避雷器相互并联构成，每个全桥子模块串由m个全桥子模块串联组成，总体需要的全桥子模块数量为n*m个。
3.根据权利要求2所述的新型组合式直流断路器拓扑，其特征在于：所述全桥子模块由4个二极管以及一个单方向的IGBT桥式连接组成。
4.根据权利要求2所述的新型组合式直流断路器拓扑，其特征在于：所述避雷器采用氧化锌避雷器。
5.根据权利要求1所述的新型组合式直流断路器拓扑，其特征在于：所述转移开关由快速机械开关与电流转移开关组成，快速机械开关具备快速动作的特性，在2ms时间内能够完全打开，电流转移开关具备一定冗余，由双方向的IGBT串通过并联组成。
6.根据权利要求1所述的新型组合式直流断路器拓扑，其特征在于：所述失灵辅助开关由多个单方向的晶闸管串通过并联组成。
7.根据权利要求1所述的新型组合式直流断路器拓扑，其特征在于：所述新型组合式直流断路器拓扑在线路侧还配置有避雷器，线路避雷器并联在直流线路两侧并与地相连。
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