CN109742724A - 一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路，由分断支路、第一换流桥臂和第二换流桥臂并联构成；分断支路由若干个分断功率单元串联而成，分断功率单元由一条功率模块支路和一条电容支路并联构成；所述的第一换流桥臂由第一通流支路和第三通流支路串联构成；所述的第二换流桥臂由第二通流支路和第四通流支路串联构成；第一通流支路和第二通流支路各包含一个高速机械开关及通流支路功率模块；第三通流支路和第四通流支路各包含一个机械开关；通流支路功率模块为一个带反并联二极管的全控型功率器件或半桥式功率单元。本发明配合通流支路及切换开关，可实现双向直流电流分断，具有器件少、损耗低、易模块化的优点。

Description

一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路

技术领域

本发明属于直流断路器技术领域，具体涉及一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路。

背景技术

随着高压柔性直流输电技术的不断发展以及多端柔性直流输电系统工程的开展，国内外研究机构对高压直流断路器的研究越来越深入，目前混合型高压直流断路器已被广泛应用于直流输电工程。在混合型高压直流断路器功率单元的研究成果中，国外以ABB公司的IGBT直接串联方式为代表，国内以全球能源互联网研究院提出的H桥结构拓扑为代表。

混合式高压直流断路器一般采用电力电子开关对机械开关进行分流，采用电容钳位电路为分流的电力电子开关提供正向导通电压，同时对电力电子开关和机械开关进行钳位。

如公开号为CN105990827A的发明专利“一种高压直流断路拓扑电路及实现方法”公布了一种高压直流断路拓扑电路，通过4个机械开关组成的换流支路将两个方向的电流切换成一个方向，由一个单向分断支路分断，分断支路由多个全控器件直接串联并通过并联的非线性电阻吸收过压。缺点是全控器件直接串联不易均压，每个全控器件驱动供电电源需要与电网电压相同的绝缘等级。

公开号为CN106230413A的发明专利“一种混合型高压直流断路器及其功率单元”公布了一种混合型高压直流断路器及其功率单元，在分断故障电流过程中，直接对钳位电容充电，避免了故障电流对全控型功率器件反并联二极管的电流冲击。缺点是由于钳位电容电压随开关分合充放电，电容需承受很大的反复冲击电流，且全控器件需要高隔离供电电源。

公开号为CN107482576A的发明专利“一种混合式高压直流断路器的启动控制策略”公布了一种混合式高压直流断路器的启动控制策略，其采用了两个反向全控器件和二极管及钳位电容组成的H桥型通流支路，及这种通流支路串联组成的转移支路，可直接通过钳位电容取能，无需外部供电，避免了工程中难以解决的绝缘及耐压问题。缺点是这种H桥型通流支路的结构决定了其无法直接采用双管同向串联的全控器件，以及采用层压母排形式将电容与全控器件连接，导致需要额外的非线性电阻用以吸收尖峰电压。

综合考虑以上具有典型代表性的混合型直流断路器优点及不足，如何采用较少的元器件，解决双向电流换向问题，全控器件驱动供电问题，减小钳位电容冲击电流问题，以及方便使用常用同向串联双管封装全控器件模块，避免使用非线性电阻吸收尖峰电压等问题，成为混合型高压直流断路器研究中亟需解决的问题。

发明内容

本发明根据现有技术的不足，提供一种半桥式混合型高压直流断路拓扑电路，能够快速的分断直流高压电流，且成本小、损耗低、可靠性高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路，由分断支路、第一换流桥臂和第二换流桥臂并联构成；其中，所述的分断支路由若干个分断功率单元串联而成，串联数量根据实际系统电压等级确定；所述的分断功率单元由一条功率模块支路和一条电容支路并联构成；所述的功率模块支路由一个二极管与一个带反并联二极管的全控型功率器件串联构成；所述的第一换流桥臂由第一通流支路和第三通流支路串联构成；所述的第二换流桥臂由第二通流支路和第四通流支路串联构成；

所述的第一通流支路包含串联的一个高速机械开关及第一通流支路功率模块；所述的第二通流支路包含串联的一个高速机械开关及第二通流支路功率模块；所述的第三通流支路和第四通流支路各包含一个机械开关；所述的第一通流支路功率模块和第二通流支路功率模块均为一个带反并联二极管的全控型功率器件或半桥式功率单元。

其中，所述的半桥式功率单元是由三条并联支路构成的H桥，第一条支路包括一个电容器，第二条支路包括两个同向串联的全控型功率器件，第三条支路包括两个同向串联的二极管。

其中，所述的全控型功率器件为IGBT或IGCT或GTO。

进一步，还包括由避雷器单元等非线性电阻组成的用于吸收关断过电压的耗能支路，所述的耗能支路与分断支路并联。

本发明和现有技术相比的改进效果是：

1，功率单元为半桥结构，相对于全桥结构功率单元，功率器件减半，极大降低系统成本；

2，每个功率单元仅一个二极管及一个全控器件，仅需一路驱动脉冲，减少了驱动系统脉冲数及驱动功率；

3，正常通流时，损耗仅由换流桥臂的功率器件产生，关断时损耗由转移至分断支路，分断支路功率器件数量少，总体损耗低。

4，功率器件同向串联，可采用常用的双管封装的器件模块，包括全控器件及二极管，以降低成本，简化结构；

5，可采用层压母排连接钳位电容与功率器件，以降低连接电感，减小关断电流时产生的过电压。

附图说明

图1是本发明第一实施例的结构示意图；

图2是本发明半桥式功率单元的结构示意图；

图3是本发明第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出了一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路，其主要改进在于：采用半桥式功率单元作为分断支路的基本单元，半桥式功率单元包含一只二极管、一只全控型功率器件及支撑电容，配合通流支路及切换开关，实现双向直流电流分断，具有器件少、损耗低、易模块化的优点。

如图1所示，本发明的一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路，由分断支路、第一换流桥臂和第二换流桥臂并联构成；所述的分断支路由若干个分断功率单元串联而成。如图2所示，每个分断功率单元由一只二极管与一只带反并联二极管的全控型功率器件串联后与支撑电容并联构成。

所述的第一换流桥臂由第一通流支路和第三通流支路串联构成；所述的第二换流桥臂由第二通流支路和第四通流支路串联构成；所述的第一通流支路包含串联的一个高速机械开关及第一通流支路功率模块；所述的第二通流支路包含串联的一个高速机械开关及第二通流支路功率模块；所述的第三通流支路和第四通流支路各包含一个机械开关；所述的第一通流支路功率模块和第二通流支路功率模块均为一个带反并联二极管的全控型功率器件或半桥式功率单元。所述的全控型功率器件为IGBT或IGCT或GTO。

图3是半桥式混合型高压直流断路器的另一种型式示意图，这种实现形式包括通流支路和分断支路，通流支路由一个通流支路开关以及通流支路功率模块串联构成，其中通流支路功率模块由两个带反并联二极管的全控型功率器件反向串联构成；分断支路由4个机械开关及若干个串联的分断功率单元组成，分断功率单元只能实现单向分断，4个机械开关通过两两切换，实现分断功率单元单方向分断直流电流。

本发明半桥式混合型高压直流断路器的工作原理为：

以图1为例，当直流系统正常运行时，第一通流支路功率模块及第二通流支路功率模块全部触发开通，分断功率单元的所有全控器件触发导通，第一通流支路开关和第二通流支路开关闭合，第三通流支路开关和第四通流支路开关断开。此时，如果系统电流从A端流向B端，电流流经第一通流支路开关、第一通流支路功率模块反并联二极管、第二通流支路功率模块、第二通流支路开关；如果系统电流从B端流向A端，电流流经第二通流支路开关、第二通流支路功率模块反并联二极管、第一通流支路功率模块、第一通流支路开关。

当系统需要正常分断直流电流或发生短路故障需分断直流电流时，直流断路器开始分断故障电流。若短路发生在A母线处，短路电流由B向A流动，此时，需先闭合第三通流支路开关，第一通流支路功率模块和第二通流支路功率模块立即触发分断，之后分断第一通流支路开关，此时，短路电流由B流经第二通流支路开关、第二通流支路功率模块反并联二极管、分断支路、第三通流支路开关到A，此时闭锁分断支路的所有分断功率模块，每个分断功率单元的支撑电容充电，电容电压升高至设计值时完成闭锁，直流断路器实现故障电流分断；若短路发生在B母线处，短路电流由A向B流动，此时，需先闭合第四通流支路开关，第一通流支路功率模块和第二通流支路功率模块立即触发分断，之后分断第二通流支路开关，此时，短路电流由A流经第一通流支路开关、第一通流支路功率模块反并联二极管、分断支路、第四通流支路开关到B，此时闭锁分断支路的所有分断功率模块，每个分断功率单元的支撑电容充电，电容电压升高至设计值时完成闭锁，直流断路器实现故障电流分断。

以图3为例，当直流系统正常运行时，通流支路功率模块触发开通，通流支路开关，分段支路的分断功率单元的所有全控器件触发导通，分段支路开关1、2、3、4断开，系统电流由通流支路通过。

当系统需要正常分断直流电流或发生短路故障需分断直流电流时，直流断路器开始分断故障电流。若短路发生在A母线处，短路电流由B向A流动，此时，需先闭合分断支路开关2和3，通流支路功率模块立即触发分断，之后分断通流支路开关，此时，短路电流由B流经分断支路开关2、分断支路功率单元、分断支路开关3到A，此时闭锁分断支路的所有分断功率模块，每个分断功率单元的支撑电容充电，电容电压升高至设计值时完成闭锁，直流断路器实现故障电流分断；若短路发生在B母线处，短路电流由A向B流动，此时，需先闭合分断支路开关1和4，通流支路功率模块立即触发分断，之后分断通流支路开关，此时，短路电流由A流经分断支路开关1、分断支路功率单元、分断支路开关4到B，此时闭锁分断支路的所有分断功率模块，每个分断功率单元的支撑电容充电，电容电压升高至设计值时完成闭锁，直流断路器实现故障电流分断。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路，其特征在于：由分断支路、第一换流桥臂和第二换流桥臂并联构成；

所述的分断支路由若干个分断功率单元串联而成；所述的分断功率单元由一条功率模块支路和一条电容支路并联构成；所述的功率模块支路由一个二极管与一个带反并联二极管的全控型功率器件串联构成；

所述的第一换流桥臂由第一通流支路和第三通流支路串联构成；所述的第二换流桥臂由第二通流支路和第四通流支路串联构成；

所述的第一通流支路和第二通流支路各包含一个高速机械开关及通流支路功率模块；所述的第三通流支路和第四通流支路各包含一个机械开关；所述的通流支路功率模块为一个带反并联二极管的全控型功率器件或半桥式功率单元。

2.根据权利要求1所述的一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述的半桥式功率单元是由三条并联支路构成的H桥，第一条支路包括一个电容器，第二条支路包括两个同向串联的全控型功率器件，第三条支路包括两个同向串联的二极管。

3.根据权利要求1或2所述的一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述的全控型功率器件为IGBT或IGCT或GTO。

4.根据权利要求3所述的一种半桥式混合型高压直流断路器拓扑电路，其特征在于，还包括由避雷器单元组成的用于吸收关断过电压的耗能支路，所述的耗能支路与分断支路并联。