CN110034545A - 一种桥式多端口固态直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥式多端口固态直流断路器，上通流支路的一端与上直流母线相连接，另一端与下通流支路的一端相连接；下通流支路的另一端与下直流母线相连接；固态电力电子支路的一端与上直流母线相连接，另一端与下直流母线相连接；能量吸收支路的一端与上直流母线相连接，另一端与下直流母线相连接；上通流支路与下通流支路相连的端口用于连接需要保护的器件或线路。本发明利用一条共用的单向固态电力电子支路进行断流，即可实现故障电流的双向、无弧、快速分断；而且多条线路的故障电流可以用同一固态电力电子支路进行分断，可以减少断路器中电力电子器件的使用个数，显著降低了固态直流断路器的实施成本。

Description

一种桥式多端口固态直流断路器

技术领域

本发明实施例涉及直流电网直流断路器技术领域，具体涉及一种桥式多端口固态直流断路器。

背景技术

柔性直流电网中的换流器以全控型的绝缘栅双极型晶体管(IGBT，InsulatedGate Bipolar Transistor)为换流单元，采用脉宽调制技术，具备有功和无功解耦控制、无需滤波和无功补偿设备、传输容量大和孤岛供电等优点，为可再生能源的集中规模化开发和大容量远距离输送以及提升电网运行的灵活性和可靠性提供了有效的解决方案，在世界范围内正保持高速发展的趋势。柔性直流系统阻抗很小，直流侧发生故障时，故障电流通常在几毫秒内攀升至额定电流的数十倍，若不尽快隔离直流故障将对输电系统设备造成不可逆转的损害。采用直流断路器隔离直流故障可以保证输电系统在故障隔离过程中正常运行，因此，直流断路器成为了保障柔性直流电网安全稳定运行的关键设备之一。

目前用于柔性直流电网的直流断流器大体可以分为三类，分别是：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结合的混合直流断路器。

但是，采用上述固态直流断路器隔离直流故障时，为了保证故障电流的双向分断，电力电子支路上需要反向并联或串联大量的全控型电力电子开关，导致固态直流断路器成本过高；而且为有效保护柔性直流电网，在每条直流线路的正负极和两端都需要安装固态直流断路器，随着直流线路和换流站的增加，需要的固态直流断路器个数增加，导致实施成本过高。因此降低固态直流断路器的建设成本是亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种桥式多端口固态直流断路器，在保留固态直流断路器的开断能力的情况下，减少柔性直流电网中采用固态直流断路器进行保护时所需要的全控型电力电子器件数目，降低固态直流断路器实施成本。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种桥式多端口固态直流断路器，包括：上通流支路、下通流支路、固态电力电子支路和能量吸收支路；

所述上通流支路的一端与上直流母线相连接，另一端与所述下通流支路的一端相连接；所述下通流支路的另一端与下直流母线相连接；

所述固态电力电子支路的一端与上直流母线相连接，另一端与下直流母线相连接；

所述能量吸收支路的一端与上直流母线相连接，另一端与下直流母线相连接；

所述上通流支路与所述下通流支路相连的端口用于连接需要保护的器件或线路。

进一步的，所述固态电力电子支路，包括：断流单元；

其中，采用多个所述断流单元时，多个所述断流单元同向串联构成所述固态电力电子支路。

可选的，所述断流单元包括：一个全控的电力电子开关。

其中，所述电力电子开关，包括：绝缘栅双极型晶体管以及与绝缘栅双极型晶体管反向并联的续流二极管。

可选的，所述断流单元包括：全控的电力电子开关以及与全控的电力电子开关并联的RCD缓冲电路。

其中，所述RCD缓冲电路包括：缓冲电阻、缓冲电容和缓冲二极管；

所述缓冲电阻与所述缓冲二极管并联，所述缓冲二极管的阴极与缓冲电容的一端相连接。

其中，所述电力电子开关，包括：绝缘栅双极型晶体管以及与绝缘栅双极型晶体管反并联的续流二极管；

所述电力电子开关的发射极与所述缓冲电容的另一端相连接，集电极与所述缓冲二极管的阳极相连接。

进一步的，其特征在于，所述上通流支路和所述下通流支路均为二极管；

其中，所述上通流支路采用的二极管的阴极与上直流母线相连接，阳极与所述下通流支路采用的二极管的阴极相连接；

所述下通流支路采用的二极管的阳极与下直流母线相连接。

进一步的，所述能量吸收支路采用：RLC构成的缓冲吸收电路、金属氧化物避雷器和非线性电阻中的一种或多种。

优选的，所述能量吸收支路为金属氧化物避雷器。

本发明所述的一种桥式多端口固态直流断路器，利用一条共用的单向固态电力电子支路进行断流，即可实现故障电流的双向、无弧、快速分断；而且多条线路的故障电流可以用同一固态电力电子支路进行分断，可以减少断路器中电力电子器件的使用个数，显著降低了固态直流断路器的实施成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器的拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器中断流单元的电路图；

图3是本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器的电路原理图；

图4是单个固态直流断路器的实施方式的电路图；

图5是本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器的实施方式的电路图；

图6是本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器正常运行阶段的电流流向示意图；

图7是本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器故障检测阶段的电流流向示意图；

图8是本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器故障阻断及能量耗散阶段的电流流向示意图；

图9是本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器故障线路隔离及恢复阶的电流流向示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种桥式多端口固态直流断路器，参见图1，该桥式多端口固态直流断路器，包括：上通流支路1、下通流支路2、固态电力电子支路3和能量吸收支路4；

上通流支路1与下通流支路2串联后设置在上直流母线与下直流母线之间；固态电力电子支路3与能量吸收支路4并联后设置在上直流母线与下直流母线之间；

其中，上通流支路1的一端与上直流母线相连接，另一端与下通流支路2的一端相连接；下通流支路2的另一端与下直流母线相连接。固态电力电子支路3的一端与上直流母线相连接，另一端与下直流母线相连接。能量吸收支路4的一端与上直流母线相连接，另一端与下直流母线相连接。

上通流支路1与下通流支路2相连的端口用于连接需要保护的器件或线路。

需要说明的是，可以选取多个上通流支路1和多个下通流支路2，多个上通流支路1与多个下通流支路2一一对应，其中，每一个上通流支路1与每一个下通流支路2串联后设置在上直流母线与下直流母线之间，多个上通流支路1与多个下通流支路2串联后得到多个端口，形成桥式多端口固态直流断路器。在本实施例中，参见图1，以三个上通流支路1与三个下通流支路2构成的三端口的固态直流断路器为例进行详细介绍。

在实施时，上通流支路1和下通流支路2均采用二极管；其中，上通流支路1采用的二极管(以下称为上通流二极管)的阴极与上直流母线相连接，阳极与下通流支路2采用的二极管(以下称为下通流二极管)的阴极相连接；下通流支路2采用的二极管的阳极与下直流母线相连接。

多对上通流二极管、下通流二极管形成了支持电流双向流动的二极管桥，主要用于辅助通流。上通流二极管、下通流二极管的电压、电流等级相同，通常采用大容量整流二极管，但具体参数根据使用需求以及由系统电压等级与断路器的断流容量决定。

在实施时，固态电力电子支路3，包括：断流单元；其中，采用多个断流单元时，多个断流单元同向串联构成固态电力电子支路3。

固态电力电子支路3承担通流和断流双重功能，电流仅从固态电力电子支路3与上直流母线连接的一端流向固态电力电子支路3与下直流母线连接的一端。由于多对上通流二极管、下通流二极管形成了支持电流双向流动的二极管整流桥，因此，即使固态电力电子支路3仅能单向通流也可以实现故障电流的双向开断。

在一个具体实施方式当中，断流单元的电路图如图2所示，包括：全控的电力电子开关以及与全控的电力电子开关并联的RCD缓冲电路。

电力电子开关，包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT21，绝缘栅双极型晶体管IGBT21带有独立的与绝缘栅双极型晶体管IGBT21反向并联的续流二极管D21。

RCD缓冲电路包括：缓冲电阻R21、缓冲电容C21和缓冲二极管D22；缓冲电阻R21与缓冲二极管D22并联，缓冲二极管D22的阴极与缓冲电容C21的一端相连接。

其中，电力电子开关的发射极与缓冲电容C21的另一端相连接，集电极与缓冲二极管D22的阳极相连接。

需要说明的是，电力电子开关的个数以及电压、电流等级也由系统电压等级和断路器的断流容量决定。

在实施时，能量吸收支路采用：RLC构成的缓冲吸收电路、金属氧化物避雷器和非线性电阻中的一种或多种来实现故障能量的吸收和释放。在本实施例中，能量吸收支路至少包含了一个金属氧化物避雷器构成的避雷器单元，用于吸收开断过程中释放的能量。

参见图3，在本实施例中，断流单元优选的实施方式是采用全控的电力电子开关以及与全控的电力电子开关并联的RCD缓冲电路；能量吸收支路优选的实施方式是采用金属氧化物避雷器。

从上述描述可知，本发明实施例提供的一种桥式多端口固态直流断路器，利用二极管构成的管桥实现双向通流，以及利用一条共用的单向固态电力电子支路进行断流，即可实现故障电流的双向、无弧、快速分断，具备与多个固态直流断路器分别安装使用时相同的快速、无弧和分断的能力；而且多条线路的故障电流可以用同一固态电力电子支路进行分断，在线路数目较多的情况下，可以减少断路器中电力电子器件的使用个数，显著降低了固态直流断路器的实施成本。

本发明实施例提供的桥式多端口固态直流断路器能够更加快速地开断直流故障电流，且控制简单，易于实现；保证同等开断能力情况下，实现多个固态直流断路器功能的同时，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。

为更近一步的对本发明的桥式多端口固态直流断路器进行详细说明，本法明从桥式多端口固态直流断路器的使用场景、安装方式和工作原理三方面进行详细说明，具体内容如下：

(一)使用场景：

本发明实施例所提供的断路器具有多个端口，每个端口的故障电流都能被有效阻断。因此，本发明实施例所提供的断路器可以安装在具有多条出线的直流节点或直流母线处。如图4所示，现有单个固态直流断路器在一个具有4条出线的节点上的安装方式。

(二)安装方式：

参见图5，显示了本发明实施例提供的固态直流断路器在同样的节点处的安装方式。采用本发明实施例所提供的固态直流断路器时，断路器中的上直流母线和下直流母线相当于输电系统原有的直流母线。

(三)工作原理：

以图5所示的断路器安装方式为例，并假设图5中线路1发生故障，以此来阐述本发明实施例所提供的断路器的工作原理。本发明实施例提供的断路器提供了两种运行模式，分别是正常运行模式和故障断流模式。

(1)正常运行模式：

如图6所示，输电系统无故障时，固态电力电子支路中的全控型电力电子开关处于导通状态。各个端口的工作电流将首先流过上通流二极管，然后流经固态电力电子支路中的全控型电力电子开关，最后通过下通流二极管注入到其他端口中。

(2)故障断流模式：

故障断流模式包含故障检测、故障阻断及能量耗散和故障线路隔离及断路器恢复3个阶段。为便于描述，此处将与故障线路相连的端口称作故障端口，其余端口称作非故障端口。

(a)故障电流检测阶段：

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。如图7所示，由于线路1发生直流故障，因此其他非故障端口将通过上通流二极管，固态电力电子支路以及故障端口连接的下通流二极管向故障端口注入故障电流。

(b)故障阻断及能量耗散阶段：

如图8所示，断路器收到故障线路的开断指令后，立即闭锁固态电力电子支路上的全控型电力电子开关，同时电力电子的关断过电压将击穿与之并联的避雷器，故障电流从固态电力电子支路转移到避雷器上，故障电流能量最后通过避雷器得以耗散。

(c)故障线路隔离及系统恢复阶段：

如图9所示，当故障电流衰减至零后，打开故障线路端口处的隔离刀闸，进行物理隔离。此后解锁固态电力电子支路上的全控型电力电子开关，断路器将恢复正常运行模式。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，包括：上通流支路、下通流支路、固态电力电子支路和能量吸收支路；

所述上通流支路的一端与上直流母线相连接，另一端与所述下通流支路的一端相连接；所述下通流支路的另一端与下直流母线相连接；

所述固态电力电子支路的一端与上直流母线相连接，另一端与下直流母线相连接；

所述能量吸收支路的一端与上直流母线相连接，另一端与下直流母线相连接；

所述上通流支路与所述下通流支路相连的端口用于连接需要保护的器件或线路。

2.根据权利要求1所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述固态电力电子支路，包括：断流单元；

其中，采用多个所述断流单元时，多个所述断流单元同向串联构成所述固态电力电子支路。

3.根据权利要求2所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述断流单元包括：一个全控的电力电子开关。

4.根据权利要求3所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述电力电子开关，包括：绝缘栅双极型晶体管以及与绝缘栅双极型晶体管反向并联的续流二极管。

5.根据权利要求2所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述断流单元包括：全控的电力电子开关以及与全控的电力电子开关并联的RCD缓冲电路。

6.根据权利要求5所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述RCD缓冲电路包括：缓冲电阻、缓冲电容和缓冲二极管；

所述缓冲电阻与所述缓冲二极管并联，所述缓冲二极管的阴极与缓冲电容的一端相连接。

7.根据权利要求6所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述电力电子开关，包括：绝缘栅双极型晶体管以及与绝缘栅双极型晶体管反并联的续流二极管；

其中，所述电力电子开关的发射极与所述缓冲电容的另一端相连接，集电极与所述缓冲二极管的阳极相连接。

8.根据权利要求1所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述上通流支路和所述下通流支路均为二极管；

其中，所述上通流支路采用的二极管的阴极与上直流母线相连接，阳极与所述下通流支路采用的二极管的阴极相连接；

所述下通流支路采用的二极管的阳极与下直流母线相连接。

9.根据权利要求1所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路采用：RLC构成的缓冲吸收电路、金属氧化物避雷器和非线性电阻中的一种或多种。

10.根据权利要求9所述的桥式多端口固态直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路为金属氧化物避雷器。