CN109802365B - 一种具备能量转移支路的多端口直流断路器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具备能量转移支路的多端口直流断路器(multi‑port DC circuit breaker,Mp‑DCCB)拓扑及其控制方法，采用通流能力大的晶闸管作为主断路器和直流线路间的控制单元，采用单个主断路器保护多条直流线路，仅需要单向的电力电子元件，具备通态损耗低、降低避雷器耗能需求、提升分断速度等优势。本发明提供的多端口直流断路器的控制方法，分为多端口直流断路器所在的线路正常运行、多端口直流断路器所包括的一条直流线路检测到直流故障后进行断路、多端口直流断路器所包括的一条故障线路电流下降为零后进行耗能三种情况对具备能量转移支路的多端口直流断路器实现控制。

Description

一种具备能量转移支路的多端口直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种具备能量转移支路的多端口直流断路器及其控制方法。
背景技术
高压大容量的直流电网技术，是未来构建智能电网和全球能源互联网的重要环节。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术便于构建直流电网，因而成为电力工业界的一个新的期望。我国即将建成的张北直流电网采用半桥子模块(half bridge sub module)加架空线方案，是世界上首个直流电网工程实践。采用架空线具有明显的技术经济性优势，但是随之而来的问题就是直流侧故障概率高，结合半桥子模块不具备直流侧故障清除能力的特点，需要采用直流断路器切断故障电流。随着直流电网容量的提高，故障电流会在更短时间内达到电力电子器件耐流极限，这要求在更快的时间内切除故障，对故障检测速度和直流断路器切断容量带来极高挑战。
故障保护是直流电网研究的热点之一，随着直流电网端点增多，采用DCCB切除故障成为直流电网保护的主流方案。由于直流故障暂态过程发展迅速，容易产生较高的过电流，DCCB需要具备较高的额定电流和较快的分断速度。固态断路器(solid state circuitbreaker,SSCB)切断速度较快，但电网正常运行时通态损耗高达同电压等级换流器损耗的30％，机械式断路器(mechanical circuit breaker,MCB)通态损耗很低，但切断故障时间较长。混合式断路器(hybrid circuit breaker,HCB)结合了SSCB和MCB的优点。
但是混合式DCCB采用了大量电力电子器件，为减少造价，多条线路共用主断路支路的DCCB被提出，可在达到相同断路能力的基础上大大减少成本。现有文献提出一种多线路直流断路器，充分利用了混合式断路器结构，降低了电力电子器件投入数量。但在断路之前故障电流流经故障线路下桥臂，下桥臂LCS承受故障发生后的最大电流，对电力电子器件产生过电流冲击。
发明内容
为了克服上述现有技术中避雷器耗能需求大并且断路器制造成本高和设备体积大的问题，本发明提供一种具备能量转移支路的多端口直流断路器及其控制方法，具备能量转移支路的多端口直流断路器包括通流支路、换流支路、主断路器支路和能量转移支路。通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路，换流支路，用于选择性地将故障线路电流转移，并隔离正常线路，主断路器支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并利用避雷器切断故障电流；能量转移支路，用于在避雷器耗能阶段旁路直流电抗。分为多端口直流断路器所在的线路正常运行、多端口直流断路器所包括的一条直流线路检测到直流故障后进行断路、多端口直流断路器所包括的一条故障线路电流下降为零后进行耗能三种情况对具备能量转移支路的多端口直流断路器实现控制，具备能量转移支路的多端口直流断路器采用半控型器件，逻辑简单，经济性高，控制能力强。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一方面，本发明提供一种具备能量转移支路的多端口直流断路器，包括：
通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；
换流支路，用于在检测到故障后有选择性地将故障线路电流转移，并实现非故障线路与主断路器支路的隔离；
主断路器支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并通过避雷器将故障电流切断；
能量转移支路，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷器实现故障电流的快速衰减。
所述主断路器支路一端连接于直流母线，形成公共点A，另一端通过换流支路与通流支路并联，形成公共点B，所述能量转移支路一端连接于公共点B，另一端通过晶闸管与各线路直流电抗并联，形成公共点C；
所述通流支路包括超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的负载转换开关LCS；
所述负载转换开关包括N个IGBT单元，N个IGBT单元以串联、反串联结合方式组合；
所述IGBT单元包括IGBT和与IGBT反并联的二极管；
所述换流支路包括超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的晶闸管；
所述能量转移支路包括晶闸管Ta：将直流电抗旁路；预充电电容C：放电过程为晶闸管Ta提供可靠关断的反压，反向充电过程快速吸收直流电抗能量；耗能电阻R；利用晶闸管和换相电容配合投入吸能电容和耗能电阻，稳态损耗低，有效降低避雷器耗能需求。
另一方面，具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路正常运行或检测到具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路发生的故障前，本发明提供了一种具备能量转移支路的多端口直流断路器的控制方法，包括：
通流支路中的所有IGBT导通，稳态电流或故障电流流经通流支路。
再一方面，检测到具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路发生的故障后，本发明还提供另一种抑制故障电流到零且迅速转移故障能量的多端口直流断路器的控制方法，包括：
t1时刻，保护装置发出指令，通态低损耗支路的所有IGBT关断，触发晶闸管T1’所在的换流支路和主断路器支路IGBT’，导通主断路器中IGBT，关断故障线路通流支路的LCS模块，并且给故障线路的通流支路及非故障线路的换流支路超快速机械开关发出分闸指令，电流流经主断路器支路；
t2时刻，超快速机械开关完成分断，关断主断路器支路IGBT’，导通能量转移支路中晶闸管T1和Ta，将直流电抗旁路。主断路器支路两端电压上升，达到避雷器动作电压，电流转移至避雷器中。
t3时刻，避雷器将剩余能量全部吸收，线路电流下降为0，导通Tb，电容C开始放电，Ta承受反压，经过一段时间关断；
t4时刻，Ta关断，直流电抗与R、C构成回路，向电容充电，并经电阻放电。由于吸收电容存在，能量快速转移；
t5时刻直流电抗上的电流下降为0，晶闸管T1及T1’关断，直流电抗能量全部耗散，此后，电容经电阻放电耗能。将UFDi’(i＝2,3…,n)合闸。
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：
本发明提供的具备能量转移支路的多端口直流断路器及其控制方法，具备能量转移支路的多端口直流断路器包括通流支路、换流支路、主断路器支路和能量转移支路。通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路，换流支路，用于选择性地将故障线路电流转移，并隔离正常线路，主断路器支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并利用避雷器切断故障电流；能量转移支路，用于在避雷器耗能阶段旁路直流电抗。
本发明提供的具备能量转移支路的多端口直流断路器的控制方法分为多端口直流断路器所在的线路正常运行、多端口直流断路器所包括的一条直流线路检测到直流故障后进行断路、多端口直流断路器所包括的一条故障线路电流下降为零后进行耗能三种情况对具备能量转移支路的多端口直流断路器实现控制，控制方式简单，可控性强；
本发明的中通流支路起到导通直流线路的稳态电流、降低直流线路损耗和节约成本的作用，换流支路起到选择故障线路并隔离正常线路的作用，能量转移支路起到旁路直流电抗，减小避雷器耗能需求的作用；
本发明提供的技术方案充分利用了主断路器支路，能够保护同一直流母线处的多条直流线路，节约了断路器投资成本；
本发明提供的技术方案在具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路正常运行或检测到具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路发生的故障前，电流流经通流支路，通流支路具备较小的损耗电阻，稳态时经济性较好；
本发明提供的技术方案在故障电流流经避雷器时，充分利用能量转移支路，将直流电抗能量屏蔽，降低了避雷器的耗能需求；
本发明提供的技术方案使用低成本的半控型器件，可以有效节约投资。
附图说明
图1是本发明实施例1中具备能量转移支路的多端口直流断路器结构图；
图2是本发明实施例2中线路正常运行的电流流经路径示意图；
图3是本发明实施例3中检测到故障前直流线路故障电流的流经路径示意图；
图4是本发明实施例4中检测到故障后S101中直流线路故障电流的流通路径示意图。
图5是本发明实施例4中检测到故障后S102中直流线路故障电流的流通路径示意图。
图6是本发明实施例4中检测到故障后S201中直流线路故障电流的流通路径示意图。
图7是本发明实施例4中检测到故障后S202中直流线路故障电流的流通路径示意图。
图8是本发明实施例4中检测到故障后S203中直流线路故障电流的流通路径示意图。
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提供一种具备能量转移支路的多端口直流断路器，具体包括通流支路、换流支路、主断路器支路和能量转移支路，各个支路的功能如下：
其中的通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；
其中的换流支路，用于在检测到故障后有选择性地将故障线路电流转移，并实现非故障线路与主断路器支路的隔离。
其中的主断路器支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并通过避雷器将故障电流切断；
其中的能量转移支路，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷器实现故障电流的快速衰减。
本发明实施例1提供的具备能量转移支路的多端口直流断路器结构示意图如图1所示。
上述主断路器支路一端连接于直流母线，形成公共点A，另一端通过换流支路与通流支路并联，形成公共点B，上述能量转移支路一端连接于公共点B，另一端通过晶闸管与各线路直流电抗并联，形成公共点C；
上述通流支路包括超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的负载转换开关LCS；
上述负载转换开关包括N个IGBT单元，N个IGBT单元以串联、反串联结合方式组合；
上述IGBT单元包括IGBT和与IGBT反并联的二极管；
上述换流支路包括超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的晶闸管；
上述能量转移支路包括晶闸管Ta：将直流电抗旁路；预充电电容C：放电过程为晶闸管Ta提供可靠关断的反压，反向充电过程快速吸收直流电抗能量；耗能电阻R；利用晶闸管和换相电容配合投入吸能电容和耗能电阻，稳态损耗低，有效降低避雷器耗能需求。
实施例2
本发明实施例2提供了一种具备能量转移支路的多端口直流断路器的控制方法，具体过程如下：
具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路正常运行情况下，电流转移支路中晶闸管均关断，通态低损耗支路中的IGBT1和IGBT2导通，稳态电流流经通流支路，直流线路正常运行时稳态电流的流经路径示意图如图2所示。
实施例3
本发明实施例3提供的具备能量转移支路的多端口直流断路器的控制方法，具体过程如下：
检测到具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路发生的故障前，通流支路中的IGBT1和IGBT2导通，故障电流流经通态低损耗支路，检测到故障前直流线路故障电流的流经路径示意图如图3所示。
实施例4
本发明实施例4提供的具备能量转移支路的多端口直流断路器的控制方法，适用于检测到具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路发生的故障后，抑制故障电流降至零并能迅速转移故障能量，具体过程如下：
S101：t1时刻，保护装置发出指令，通态低损耗支路的所有IGBT关断，触发换流支路T1’和主断路器支路IGBT’，导通主断路器中IGBT，关断故障线路通流支路的LCS模块，并且给故障线路的通流支路及非故障线路的换流支路超快速机械开关发出分闸指令，电流流经主断路器支路，故障电流的流通路径示意图如图4所示；
S102：t2时刻，超快速机械开关完成分断，关断主断路器支路IGBT’，导通能量转移支路中晶闸管T1和Ta，将直流电抗旁路。主断路器支路两端电压上升，达到避雷器动作电压，电流转移至避雷器中，故障电流的流通路径示意图如图5所示；
S201：t3时刻，避雷器将剩余能量全部吸收，线路电流下降为0，导通Tb，电容C开始放电，Ta承受反压，经过一段时间关断，故障电流的流通路径示意图如图6所示；
S202：t4时刻，Ta关断，直流电抗与R、C构成回路，向电容充电，并经电阻放电。由于吸收电容存在，能量快速转移，故障电流的流通路径示意图如图7所示；
S203：t5时刻直流电抗上的电流下降为0，晶闸管T1及T1’关断，直流电抗能量全部耗散，电容经电阻放电耗能。将UFDi’(i＝2,3…,n)合闸，电流的流通路径示意图如图8所示；
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 (5)

1.一种具备能量转移支路的多端口直流断路器，其特征在于，包括：
通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；
换流支路，用于在检测到故障后有选择性地将故障线路电流转移，并实现非故障线路与主断路器支路的隔离；
主断路器支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并通过避雷器将故障电流切断；
能量转移支路，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷器实现故障电流的快速衰减；
所述的具备能量转移支路的多端口直流断路器各支路连接关系为：所述主断路器支路一端连接于直流母线，形成公共点A，另一端通过换流支路与通流支路并联，形成公共点B，所述能量转移支路一端连接于公共点B，另一端通过晶闸管与各线路直流电抗并联，形成公共点C。
2.根据权利要求1所述的具备能量转移支路的多端口直流断路器，其特征在于，所述换流支路包括超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的晶闸管。
3.根据权利要求1所述的具备能量转移支路的多端口直流断路器，其特征在于，所述能量转移支路包括晶闸管Ta：将直流电抗旁路；预充电电容C：放电过程为晶闸管Ta提供可靠关断的反压，反向充电过程快速吸收直流电抗能量；耗能电阻R；利用晶闸管和换相电容配合投入吸能电容和耗能电阻，稳态损耗低，有效降低避雷器耗能需求。
4.一种如权利要求1-3任一所述的具备能量转移支路的多端口直流断路器的控制方法，其特征在于，具备能量转移支路的多端口直流断路器所包括的一条直流线路正常运行或检测到具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路发生的故障前，所述方法包括：
通流支路中的所有IGBT导通，稳态电流或故障电流流经通流支路。
5.一种如权利要求1-3任一所述的具备能量转移支路的多端口直流断路器的控制方法，其特征在于，检测到具备能量转移支路的多端口直流断路器所在的直流线路发生的故障后，控制多端口直流断路器所包含的一条故障线路电流下降为零并实现能量快速转移，所述方法包括：
t 1时刻，保护装置发出指令，通态低损耗支路的所有IGBT关断，触发晶闸管T1’所在的换流支路和主断路器支路IGBT’，导通主断路器中IGBT，关断故障线路通流支路的LCS模块，并且给故障线路的通流支路及非故障线路的换流支路超快速机械开关发出分闸指令，电流流经主断路器支路；
t 2时刻，超快速机械开关完成分断，关断主断路器支路IGBT’，导通能量转移支路中晶闸管T1和Ta，将直流电抗旁路，主断路器支路两端电压上升，达到避雷器动作电压，电流转移至避雷器中；
t 3时刻，避雷器将剩余能量全部吸收，线路电流下降为0，导通Tb，电容C开始放电，Ta承受反压，经过一段时间关断；
t 4时刻，Ta关断，直流电抗与R、C构成回路，向电容充电，并经电阻放电，由于吸收电容存在，能量快速转移；
t 5时刻直流电抗上的电流下降为0，晶闸管T1及T1’关断，直流电抗能量全部耗散，此后，电容经电阻放电耗能，将UFD i ’ (i=2,3…,n)合闸。
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