CN110021919B

CN110021919B - 集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法

Info

Publication number: CN110021919B
Application number: CN201910350440.2A
Authority: CN
Inventors: 李猛; 罗易萍; 和敬涵; 许寅; 罗国敏; 王小君
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2019-04-28
Filing date: 2019-04-28
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2039-04-28
Also published as: CN110021919A

Abstract

本发明提供了一种集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法，包括：第一直流母线、第二直流母线、一条主断流支路、n条上通流支路、n条下通流支路和n个端口，n为不小于2的整数；每一条上通流支路和每一条下通流支路串联后作为一组串联支路，每个端口对应一组串联支路并连接在对应上、下通流支路的公共连接点上，主断流支路与每一组串联支路并联，两端分别为第一直流母线和第二直流母线；主断流支路包括多个断流单元串联，断流单元为主断流开关与避雷器并联；上通流支路由第一辅助开关和二极管串联；下通流支路由一个快速机械开关和第二辅助开关串联，然后再与二极管并联。本发明利用了二极管的自然换流特性，大幅的降低成本。

Description

集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法。

背景技术

直流断路器是建设柔性直流电网的关键设备之一，目前用于柔性直流电网的直流断路器主要分为基于常规开关的机械式直流断路器、基于纯固态电力电子器件的固态直流断路器和基于机械开关和电力电子开关相结合的混合直流断路器。其中，混合直流断路器因同时具备了机械开关的通流能力和固态开关的断流能力，因此，应用前景广阔。在针对混合直流断路器的研究中，2012年，ABB集团宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器。此后，基于该典型混合直流断路器拓扑，提出了基于晶闸管的混合直流断路器、模块级联型的混合式断路器等多种混合直流断路器方案。但在采用上述单个混合直流断路器隔离直流故障时，直流线路正负极和两端均需装设直流断路器，在柔性直流电网规模不断扩大的背景下，上述混合直流断路器方案存在使用个数多和投资成本过高的问题。

为此，进一步提出了将连接在同一直流母线上的多个直流断路器进行重新组合和统一控制，以实现在保证快速开断直流故障电流的同时减少电力电子器件使用个数的目的。现有技术中主要包括新型组合式混合直流断路器和多端混合直流断路器，图1为新型组合式混合直流断路器拓扑图，参照图1，该断路器采用将多条不同线路上的故障电流转移到同一电力电子断流支路上进行分断，从而大幅减少了电力电子开关的使用个数；图2为多端混合直流断路器拓扑图，参照图2，该断路器可以将故障电流分散到不同断流单元中进行分断，减少了单个避雷器吸收能量，降低了断路器的投资成本。但上述现有技术中，图1所示的混合直流断路器为尽量减少使用的电力电子器件数目，导致了断流功能上的缺陷，存在无法开断母线故障、多条线路相继故障等问题，由于直流母线故障时十分严重的故障，危害极大，因此在直流母线故障时，断路器失去了保护作用；图2所示的混合直流断路器使用的主断流支路器件仍然较多，实施的成本较高。

发明内容

本发明提供了集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法，以解决以上问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种集约型桥式多端口混合直流断路器，包括：第一直流母线、第二直流母线、一条主断流支路、n条上通流支路、n条下通流支路和n个端口，n为不小于2的整数；

所述的n条上通流支路和n条下通流支路中的每一条上通流支路和每一条下通流支路串联后作为一组串联支路，所述的n个端口中的每个端口对应一组串联支路并连接在所述的上、下通流支路的公共连接点上，所述的一条主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线和第二直流母线；

所述的主断流支路包括多个断流单元串联，所述的断流单元为主断流开关与避雷器并联；

所述的上通流支路由第一辅助开关和一个二极管串联，所述的第一辅助开关为一个电力电子开关和一个续流二极管反向并联；

所述的下通流支路由一个快速机械开关和第二辅助开关串联，然后再与二极管并联，第二辅助开关为两个电力电子开关反向串联，所述的两个电力电子开关均安装有与其反向并联的续流二极管。

优选地，当所述断路器安装在直流系统的正极时，所述第一辅助开关的电力电子开关的集电极连接在第一直流母线侧，发射极指向端口侧，所述上通流支路的二极管的阳极连接在端口侧，阴极指向第一直流母线侧；

所述下通流支路的二极管的阴极连接在端口侧，阳极指向第二直流母线侧；

所述主断流开关中的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向第二直流母线侧。

优选地，当所述断路器安装在直流系统的负极时，所述第一辅助开关的电力电子开关的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向端口侧，所述上通流支路的二极管的阴极连接在端口侧，阳极指向第一直流母线侧；

所述下通流支路的二极管的阳极连接在端口侧，阴极指向第二直流母线侧；

所述主断流开关中的发射极连接在第二直流母线侧，集电极指向第一直流母线侧。

优选地，主断流开关为多个电力电子开关同向串联。

优选地，避雷器为金属氧化物避雷器。

优选地，下通流支路中的快速机械开关和第二辅助开关为双向可关断开关。

优选地，n个端口中的每个端口还串联有一个隔离刀闸。

本发明的另一方面提供了一种集约型桥式多端口混合直流断路器的控制方法，包括以下步骤：

a)直流电力系统正常工作阶段：闭锁所有的上通流支路中的第一辅助开关；导通所有下通流支路中的机械开关和第二辅助开关；闭锁主断流支路中的主断流开关，工作电流仅流经下通流支路；

b)当单条线路故障：

导通所有上通流支路的第一辅助开关和主断流支路上的主断流开关；闭锁所有下通流支路上的第二辅助开关，流过下通流支路的快速机械开关的电流逐渐减小；当下通流支路快速机械开关电流过零时，分断所有下通流支路上的快速机械开关；

当快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的所有电力电子开关，同时电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器，故障电流能量最后通过避雷器耗散；

当故障电流衰减至零后，闭锁故障端口对应的上通流支路的第一辅助开关，并打开故障端口处的隔离刀闸，对故障线路进行物理隔离；

待故障线路隔离后，对于所有无故障的端口，首先闭锁其对应上通流支路的第一辅助开关，同时给其对应下通流支路的快速机械开关发送合闸指令，然后导通对应的下通流支路的第二辅助开关，此时断路器恢复初始运行状态；

c)当直流母线故障：

导通所有上通流支路的第一辅助开关和主断流支路上的主断流开关；闭锁所有下通流支路上的第二辅助开关，流过下通流支路机械开关的电流逐渐减小；当机械开关电流过零时，分断所有下通流支路上的快速机械开关；

当故障电流衰减至零后，闭锁所有上通流支路中的第一辅助开关，然后打开所有端口处的隔离刀闸，对所有连接在第二直流母线上的线路进行物理隔离。

优选地，该控制方法还包括当直流线路相继故障时，断路器因上一直流线路故障跳闸，主断流支路在跳闸过程中处于关闭状态，不需要对所述断路器进行操作。

由上述本发明的集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法提供的技术方案可以看出，本发明依据组合使用直流断路器的设计理念，利用二极管的自然换流特性，将不同线路上的故障电流换流至同一断流支路开断，本发明的主要有益效果如下：

1)本发明的集约型桥式多端口混合直流断路器在保证同等开断能力情况下，可以大大减少所使用的全控型电力电子器件数目，节约建设成本；

2)本发明的集约型桥式多端口混合直流断路器采用了更少的电力电子器件数，兼顾了较好的断流特性和经济性；

3)本发明的集约型桥式多端口混合直流断路器，能够解决母线故障的开断问题；

4)本发明的集约型桥式多端口混合直流断路器能够有效解决断路器因单一线路故障跳闸后，在其未恢复正常运行期间发生其他线路相继故障时，换流器失去断路器保护的问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的新型组合式混合直流断路器拓扑图；

图2为现有技术中的多端混合直流断路器拓扑图；

图3为本实施例的一种集约型桥式多端口混合直流断路器拓扑结构图

图4为当断路器安装在直流系统的正极时的拓扑图；

图5为当断路器安装在直流系统的负极时的拓扑图；

图6为实施例2的集约型桥式多端口混合直流断路器安装示意图；

图7为实施例2电力系统正常工作拓扑示意图；

图8为实施例2单条线路故障时断路器控制过程拓扑示意图；

图9为实施例2直流母线故障时断路器控制过程拓扑示意图。

附图说明：

IMB为集成后的主断路器，ILCS为集成后的电流转移开关；

UFD_k—线路端口k对应的快速机械开关；

LCS_k—线路端口k对应的负载转移开关；

MB_k—线路端口k对应的主断路器；

SA_k—线路端口k对应的避雷器；

DS_k—线路端口k对应的剩余电流分断开关；

—线路端口k对应的限流电抗器；

P—端口；

T_t—上通流支路上的第一辅助开关；

D_t—上通流支路上的二极管；

T_b—下通流支路上的第二辅助开关；

D_b—下通流支路上的二极管；

S—下通流支路上的快速机械开关；

MB—主断流开关；

当断路器含有多个端口时，各端口和支路中的开关符号表示为：

P_k—第k个端口；

T_t,k—第k个端口对应的上通流支路上的第一辅助开关；

D_t,k—第k个端口对应的上通流支路上的二极管；

T_b,k—第k个端口对应的下通流支路上的第二辅助开关；

D_b,k—第k个端口对应的下通流支路上的二极管；

S_k—第k个端口对应的下通流支路上的快速机械开关。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

图3为本实施例的一种集约型桥式多端口混合直流断路器拓扑结构图，参照图3，该断路器包括：第一直流母线、第二直流母线、一条主断流支路、n条上通流支路、n条下通流支路和n个端口，n为不小于2的整数。

其中，n条上通流支路和n条下通流支路中的每一条上通流支路和每一条下通流支路串联后作为一组串联支路，所述的n个端口中的每个端口对应一组串联支路并连接至所述的上、下通流支路的公共连接点，所述的一条主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线和第二直流母线。

主断流支路包括多个断流单元串联，所述的断流单元为主断流开关MB与避雷器并联；上通流支路由第一辅助开关T_t和二极管D_t串联，所述的第一辅助开关为一个电力电子开关(此处采用绝缘栅双极型晶体管，IGBT)和一个续流二极管反向并联；下通流支路由一个快速机械开关S和第二辅助开关T_b串联，然后再与二极管D_b并联，第二辅助开关T_b为两个电力电子开关反向串联，两个电力电子开关均安装有与其反向并联的续流二极管。

上通流支路和下通流支路中的二极管电压、电流等级相同，通常采用一个大容量整流二极管或者多个二极管串联，但二极管的具体参数和使用二叔需根据系统电压等级和断路器的容量决定。

进一步地，图4为当断路器安装在直流系统的正极时的拓扑图，参照图4，具体链接方式如下：

第一辅助开关T_t的电力电子开关的集电极连接在第一直流母线侧，发射极指向端口侧，所述上通流支路的二极管D_t的阳极连接在端口侧，阴极指向第一直流母线侧；

下通流支路的二极管D_b的阴极连接在端口侧，阳极指向第二直流母线侧；

主断流开关中的的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向第二直流母线侧。

图5为当断路器安装在直流系统的负极时的拓扑图，参照图5，具体连接步骤如下：

第一辅助开关Tt的电力电子开关的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向端口侧，上通流支路的二极管D_t的阴极连接在端口侧，阳极指向第一直流母线侧；下通流支路的二极管D_b的阳极连接在端口侧，阴极指向第二直流母线侧；主断流开关中的的发射极连接在第二直流母线侧，集电极指向第一直流母线侧。

优选地，主断流开关为多个电力电子开关同向串联，所述的避雷器为金属氧化物避雷器MOA。

优选地，n个端口中的每个端口还串联有一个隔离刀闸。

实施例二

本实施例针对图6所示的集约型桥式多端口混合直流断路器安装方式，提供一种应用于集约型桥式多端口混合直流断路器的控制方法，参照图6，断路器安装在直流系统的正极，故障F1表示线路1正极接地故障，故障F2表示换流器A出口处的正极母线故障，同时也表示断路器中的第二直流母线故障。此外，为清晰的描述断路器正常工作时的控制方法，此处假设线路故障和母线故障时，保护都能正确地给断路器发送动作信号。

具体包括以下步骤：

1)直流电力系统正常工作阶段：闭锁所有的上通流支路中的第一辅助开关；导通所有下通流支路中的机械开关和第二辅助开关；闭锁主断流支路中的主断流开关，工作电流仅流经下通流支路，图7为电力系统正常工作拓扑示意图。

需要说明的是，由于下通流支路中的机械开关和第二辅助开关都是双向的，因此，工作电流可以双向流动；此外，由于机械开关闭合时，阻抗小于二极管，因此，工作电流将流经机械开关而非二极管，这样使得断路器正常工作损耗非常小。

2)当单条线路故障：

以图6中线路AC发生故障F1为例，单条线路故障时，断路器控制过程包括故障检测、故障电流转移、故障能量耗散、故障线路隔离和断路器恢复5个阶段，如图8所示。

(a)故障电流检测阶段：该阶段从故障发生到保护检测到故障并发出断路器动作指令。在本阶段中，断路器仍保持系统无故障运行状态，非故障端口通过下通流支路向故障端口注入故障电流。如图8(b)所示。

(b)故障电流转移阶段：如图8(c)所示，断路器收到端口3的开断指令后：

第一步立即导通所有上通流支路的第一辅助开关T_t和主断流支路上的主断流开关MB；

第二步闭锁所有下通流支路上的第二辅助开关T_b，流过下通流支路的快速机械开关的电流逐渐减小；

第三步，当下通流支路快速机械开关电流过零时，分断所有下通流支路上的快速机械开关S。

在此阶段中，由于下通流支路上的第二辅助开关T_b闭锁和机械开关的分闸，故障电流换流到上、下通流支路的二极管中，进而转移到主断流支路上。从主断流支路看进去，所有上、下通流支路中的二极管构成了支持电流双向导通的二极管自然换流桥。因此，可以支持电流的双向流动。

(c)故障能量耗散阶段：为避免快速机械开关S的关断电弧在过压下重燃，在故障电流转移至主断流支路上后，还需等待快速机械开关触头达到额定开距。当快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的所有IGBT，同时IGBT的关断过电压将击穿与之并联的避雷器MOA，故障电流能量最后通过避雷器得以耗散，如图8(d)所示。

(d)故障线路隔离阶段：当故障电流衰减至零，闭锁故障端口对应上通流支路的第一辅助开关，并打开故障端口处的隔离刀闸，对故障线路进行物理隔离。如图8(e)所示。

(e)断路器恢复阶段：待故障线路隔离后，对于所有无故障的端口，首先闭锁其对应上通流支路的第一辅助开关，同时给其对应下通流支路的快速机械开关发送合闸指令，然后导通对应的下通流支路的第二辅助开关，此时断路器恢复初始运行状态，如图8(f)所示。

3)当直流母线故障：

直流母线故障时，断路器的控制过程包括故障检测、故障电流转移、故障能量耗散、故障线路隔离4个阶段，如图9所示。针对图6的故障F2，阐述母线故障的控制方法。

(a)故障电流检测阶段：如图9(a)所示，由于第二直流母线发生故障，所有线路端口通过下通流支路向第二直流母线注入故障电流。

(b)故障电流转移阶段：如图9(b)所示，当保护检测到母线故障时，向断路器发送指令，开断该母线上连接的所有线路。

第一步：立即导通所有上通流支路的第一辅助开关T_t和主断流支路上的主断流开关MB；

第二步：闭锁所有下通流支路上的第二辅助开关T_b，流过下通流支路机械开关的电流逐渐减小；

第三步：当机械开关电流过零时，分断所有下通流支路上的快速机械开关S。

在此阶段中，由于下通流支路上的辅助开关T_b闭锁和机械开关的分闸，故障电流转移到上通流支路的二极管中，并流经主断流支路，最后注入到第二直流母线中。

(c)故障能量耗散阶段：为避免快速机械开关S的关断电弧在过压下重燃，在故障电流转移至主断流支路上后，还需等待快速机械开关触头达到额定开距。当快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的所有IGBT，同时IGBT的关断过电压将击穿与之并联的避雷器MOA，故障电流能量最后通过避雷器得以耗散，如图9(c)所示。

(d)故障线路隔离阶段：当故障电流衰减至零，闭锁所有上通流支路中的第一辅助开关，然后打开所有端口处的隔离刀闸，对所有连接在第二直流母线上的线路进行物理隔离。如图9(d)所示。

优选地，该控制方法还包括当直流线路相继故障：

直流断路器因某一线路故障已跳闸但断路器还未恢复正常运行期间，其他线路若发生故障，则称为直流线路相继故障。对现有的组合式直流断路器来说，但由于断路器因前一条直流线路故障已跳闸，相关的开关已动作，新增的直流故障电流无法转移至主断流支路，但在此期间各个端口间的通流支路始终导通，新增故障电流将流经通流支路且不断增大，最终导致换流站损坏。

本发明方案的断路器拓扑结构设计能有效地避免该问题：如图8(e)所示，断路器因上一直流线路故障已跳闸，尽管端口间存在双向导通的二极管桥，但由于主断流支路在跳闸过程中处于关闭状态，因此剩余端口间无法进行能量交换，即使发生直流线路相继故障，也不会有故障电流流过换流器。因此，不需要对所述断路器进行操作，仅当断路器恢复正常运行后，如图8(f)所示，剩余端口间才会重新进行能量交换，此时若相继故障仍然存在，断路器将再次跳闸。

用本发明实施例的断路器进行控制的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例通过利用二极管的自然换流特性，将不同线路上的故障电流换流至统一断流支路开断。该方案具备与多个混合直流断路器组合使用时相同的快速、无弧分断能力，能够有效开断直流线路故障；同时能够解决现有组合式直流断路器存在的母线故障无法开断的问题，能够有效避免单一线路跳闸后换流器失去断路器保护的问题；在可实现多个直流断路器功能的同时，大大减少了全控性电力电子器件和快速机械开关的使用数量，降低了成本。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法的实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，包括：第一直流母线、第二直流母线、一条主断流支路、n条上通流支路、n条下通流支路和n个端口，n为不小于2的整数；

2.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，当所述断路器安装在直流系统的正极时，所述第一辅助开关的电力电子开关的集电极连接在第一直流母线侧，发射极指向端口侧，所述上通流支路的二极管的阳极连接在端口侧，阴极指向第一直流母线侧；

3.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，当所述断路器安装在直流系统的负极时，所述第一辅助开关的电力电子开关的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向端口侧，所述上通流支路的二极管的阴极连接在端口侧，阳极指向第一直流母线侧；

4.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，所述的主断流开关为多个电力电子开关同向串联。

5.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，所述的避雷器为金属氧化物避雷器。

6.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，所述的下通流支路中的快速机械开关和第二辅助开关为双向可关断开关。

7.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，所述的n个端口中的每个端口还串联有一个隔离刀闸。

8.一种应用于权利要求1-7的任一断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

b)当单条线路故障：

c)当直流母线故障：

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括当直流线路相继故障时，断路器因上一直流线路故障跳闸，主断流支路在跳闸过程中处于关闭状态，不需要对所述断路器进行操作。