CN110460024A - 一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器及其控制方法。本发明的直流断路器包括三条直流母线、J个通流组件、K个潮流控制组件、N个隔离开关、1个断流组件、1个耗能组件、2N+2个二极管组件和N个外接端口；所述通流组件一端与第一直流母线相连，另一端与二极管组件钳位中点和一个隔离开关的一端相连，隔离开关的另一端作为直流断路器的外接端口；所述断流组件一端与第二直流母线相连，另一端与第三直流母线相连；所述耗能组件一端与第二直流母线相连，另一端与第三直流母线相连。本发明结合了直流故障隔离和直流潮流控制两块功能，实现了系统稳态和暂态两种工况下不同的功能运行。

Description

一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于直流电网领域，具体地说是一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器及其控制方法。

背景技术

直流电网系统阻抗较低，一旦发生故障，短时间内将产生极大的短路电流；同时，直流电流没有自然过零点，灭弧困难，这给直流断路器的研制带来了困难。在一个网状的直流电网中，直流电网可能会面临潮流控制问题。一般而言，直流电网的潮流控制是通过调节每个换流器的直流电压实现，但是在网状结构中，两个直流节点之间可能存在多个通路，以至于部分直流线路因潮流不可控发生过流问题。

为有效解决直流短路电流快速切断问题，学术界和工业界已提出了多种直流断路器拓扑，其中混合式直流断路器综合了机械式断路器和固态断路器的优点，具有通态损耗小、开端快速可控等优点，是目前高压直流断路器研发的主要方向。但是，高压混合式直流断路器的转移支路需要较多的电力电子器件，导致其造价较高，在一定程度上限制了混合式直流断路器的工程化应用。

此外，多种直流潮流控制装置被提出用于解决直流电网的潮流控制问题。其中，线间直流潮流控制器由于使用的器件个数少，具有较高性价比，被视为最具应用前景的直流潮流控制器之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明从同时解决直流故障隔离和直流潮流控制两大问题出发，提供一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器，在正常运行情况下，直流断路器可用于调节直流潮流，当收到跳闸信号后，可切断故障电流并将故障线路隔离。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器，其包括三条直流母线、J个通流组件、K个潮流控制组件、N个隔离开关、1个断流组件、1个耗能组件、2N+2个二极管组件和N个外接端口，其中，N对应于与直流断路器相连的换流器或直流线路的个数，0≤J≤N，1≤K≤N/2，1≤J+K≤N；

所述通流组件一端与第一直流母线相连，另一端与二极管组件钳位中点和一个隔离开关的一端相连，隔离开关的另一端作为直流断路器的外接端口；

所述潮流控制组件具有M个输入端和M个输出端，2≤M≤N；第一直流母线与潮流控制组件的M个输入端相连，潮流控制组件的每个输出端与二极管组件钳位中点和一个隔离开关的一端相连，隔离开关的另一端作为直流断路器的外接端口；

所述断流组件一端与第二直流母线相连，另一端与第三直流母线相连；所述耗能组件一端与第二直流母线相连，另一端与第三直流母线相连；

第二直流母线与第2j+1二极管组件的一端相连，0≤j≤N，第2j+1二极管组件的另一端与第2j+2二极管组件的一端相连，第2j+2二极管组件的另一端与第三直流母线相连；

第一二极管组件和第二二极管组件的连接点(二极管组件钳位中点)与第一直流母线相连，第2i+1二极管组件和第2i+2二极管组件的连接点(二极管组件钳位中点)分别连接第i外接端口所在支路，1≤i≤N。

与传统技术相比，本发明只需使用较少的电力电子器件实现两个核心功能。

作为上述技术方案的补充，所述的潮流控制组件具备两个输入端和两个输出端，其内部结构如下：

潮流控制组件第一输入端与第一IGBT模块的发射极相连，第一IGBT模块的集电极与第三IGBT模块的集电极、电容C的正极、第五IGBT模块的集电极相连，第三IGBT模块的发射极与第七IGBT模块的发射极和第一超快速机械开关相连，第一超快速机械开关的另一端为潮流控制组件的第一输出端；第二输入端与第二IGBT模块的集电极相连，第二IGBT模块的发射极与第六IGBT模块的发射极、电容C的负极、第四IGBT模块的发射极相连，第六IGBT模块的集电极与第八IGBT模块的集电极和第二超快速机械开关相连，第二超快速机械开关的另一端为潮流控制单元的第二输出端；第四IGBT模块的集电极和第七IGBT模块的集电极相连，第五IGBT模块的发射极与第八IGBT模块的发射极相连。

作为上述技术方案的补充，所述的IGBT模块由至少二个含反并联二极管的IGBT串并联构成。

作为上述技术方案的补充，所述的断流组件由多个类半桥子模块级联而成，每个类半桥子模块内含有两个端口、一个IGBT及其反并联二极管、一个二极管和一个电容；类半桥子模块的一个端口与二极管阳极和IGBT集电极相连，二极管阴极和电容一端相连，电容另一端和IGBT发射极相连，并作为类半桥子模块的另一端。

作为上述技术方案的补充，所述的通流组件由一个超快速机械开关和一个负荷转移开关串联构成。

作为上述技术方案的补充，所述的负荷转移开关由至少二个含反并联二极管的IGBT串并联构成。

作为上述技术方案的补充，所述的耗能组件由氧化锌避雷器构成。

本发明采用的另一技术方案为：一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法，在正常运行情况下，通流组件和潮流控制组件内的超快速机械开关闭合，所有隔离开关闭合，通流组件内的负荷转移开关导通，潮流控制组件处于潮流控制状态或旁路状态，断流支路关断，直流电流从通流组件和潮流控制组件中流过；

潮流控制状态为：根据流过电流的大小和方向，调节潮流控制组件内八个IGBT模块的通断，实现直流潮流控制；第七IGBT模块和第八IGBT模块长期处于导通状态，其余六个IGBT模块根据现有控制方法进行控制；

旁路状态为：潮流控制组件内的第一、第三、第五、第八IGBT模块导通，其余IGBT模块关断；或潮流控制组件内的第一、第三、第五、第八IGBT模块关断，其余IGBT模块导通，此状态下潮流控制组件不参与直流系统潮流调控。

本发明采用的又一技术方案为：一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法，在发生直流故障后，若故障线路与潮流控制组件直接连接，直流断路器控制时序如下：

1)检测到直流故障并定位完成后，导通断流组件内所有IGBT；

2)根据故障检测定位情况，潮流控制组件采取两种方式：若故障线路与潮流控制组件的第一输出端相连，则导通潮流控制组件内的第二和第六IGBT模块，其余IGBT模块关断；若故障线路与潮流控制组件的第二输出端相连，则导通潮流控制组件内的第一和第三IGBT模块，其余IGBT模块关断；

3)分断与故障线路直接相连的潮流控制组件的超快速机械开关；

4)待超快速机械开关完全分断后，关断断流组件内所有IGBT，故障电流及能量通过耗能组件泄放；

5)待流过故障线路的电流为零时，断开对应的隔离开关，完成物理隔离。

本发明采用的再一技术方案为：一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法，在发生直流故障后，若故障线路与潮流控制组件不直接连接，直流断路器控制时序如下：

1)检测到直流故障并定位完成后，导通断流组件内所有IGBT；

2)潮流控制组件切换至旁路状态，同时，关断与故障线路直接相连的通流组件内的负荷转移开关；

3)分断与故障线路直接相连的通流组件内的超快速机械开关；

4)待超快速机械开关完全分断后，关断断流组件内所有IGBT，故障电流及能量通过耗能组件泄放；

5)待流过故障线路的电流为零时，断开对应的隔离开关，完成物理隔离；

6)潮流控制组件恢复至直流故障前状态，潮流控制状态或旁路状态。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

(1)本发明结合了直流故障隔离和直流潮流控制两块功能，实现了系统稳态和暂态两种工况下不同的功能运行。

(2)与传统直流断路器和直流潮流控制器分开的方式相比，本发明装置能够有效减少设备成本和占地面积。

附图说明

图1为本发明多端口直流断路器的结构示意图；

图2为本发明通流组件的结构示意图；

图3为本发明断流组件的结构示意图；

图4为本发明耗能组件的结构示意图；

图5为本发明二极管组件的结构示意图；

图6为本发明潮流控制组件的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器，如图1所示，包括三条直流母线、J个通流组件、K个潮流控制组件、N个隔离开关、1个断流组件、1个耗能组件、2N+2个二极管组件和N个外接端口，其中，N对应于与直流断路器相连的换流器或直流线路的个数，0≤J≤N，1≤K≤N/2，1≤J+K≤N。

如图1所示，通流组件一端与第一直流母线相连，另一端与二极管组件钳位中点和一个隔离开关的一端相连，隔离开关的另一端作为直流断路器的外接端口。通流组件由一个超快速机械开关和一个负荷转移开关串联构成，如图2所示。负荷转移开关由至少二个含反并联二极管的IGBT串并联构成。

潮流控制组件具有M个输入端和M个输出端，2≤M≤N，图中给出了两输入两输出的情况。第一直流母线与潮流控制组件的M个输入端相连，潮流控制组件的每个输出端与二极管组件钳位中点和一个隔离开关的一端相连，隔离开关的另一端作为直流断路器的外接端口。

断流组件一端与第二直流母线相连，另一端与第三直流母线相连，如图3所示。断流组件由多个类半桥子模块级联而成，每个类半桥子模块内含有两个端口、一个IGBT及其反并联二极管、一个二极管和一个电容。类半桥子模块的一个端口与二极管阳极和IGBT集电极相连，二极管阴极和电容一端相连，电容另一端和IGBT发射极相连，并作为类半桥子模块的另一端。

耗能组件一端与第二直流母线相连，另一端与第三直流母线相连，如图4所示，耗能组件由氧化锌避雷器构成。

第二直流母线与第2j+1(0≤j≤N)二极管组件的一端相连，第2j+1二极管组件的另一端与第2j+2二极管组件的一端相连，第2j+2二极管组件的另一端与第三直流母线相连。另外，第一二极管组件和第二二极管组件的连接点(二极管组件钳位中点)与第一直流母线相连，第2i+1(1≤i≤N)二极管组件和第2i+2二极管组件的连接点(二极管组件钳位中点)分别连接第i外接端口所在支路。二极管组件由多个二极管串并联构成，如图5所示。

潮流控制组件具备多端输入输出特性，但一般更为常用的是两个输入端和两个输出端情况，如图6所示。由于输入输出端个数不同，潮流控制组件内部结构也不同，但工作原理相似。本发明以两输入两输出情况为例进行说明。

潮流控制组件第一输入端A₁与第一IGBT模块T_C1的发射极相连，第一IGBT模块T_C1的集电极与第三IGBT模块T_C3的集电极、电容C的正极、第五IGBT模块T_C5的集电极相连，第三IGBT模块T_C3的发射极与第七IGBT模块T_C4r的发射极和第一超快速机械开关S_K1相连，第一超快速机械开关S_K1的另一端为潮流控制组件的第一输出端B₁。第二输入端A₂与第二IGBT模块T_C2的集电极相连，第二IGBT模块T_C2的发射极与第六IGBT模块T_C6的发射极、电容C的负极、第四IGBT模块T_C4的发射极相连，第六IGBT模块T_C6的集电极与第八IGBT模块T_C5r的集电极和第二超快速机械开关S_K2相连，第二超快速机械开关S_K2的另一端为潮流控制单元的第二输出端B₂。第四IGBT模块T_C4的集电极和第七IGBT模块T_C4r的集电极相连，第五IGBT模块T_C5的发射极与第八IGBT模块T_C5r的发射极相连。IGBT模块由至少二个含反并联二极管的IGBT串并联构成。

实施例2

本实施例提供一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法。

正常运行情况下，通流组件和潮流控制组件内的超快速机械开关闭合，所有隔离开关闭合，通流组件内的负荷转移开关导通，潮流控制组件处于潮流控制状态或旁路状态，断流支路关断，直流电流从通流组件和潮流控制组件中流过。

潮流控制状态为：根据流过电流的大小和方向，调节八个IGBT模块的通断，实现直流潮流控制。第七和第八IGBT模块长期处于导通状态，其余六个IGBT模块根据现有控制方法进行控制。

旁路状态为：导通潮流控制组件内的第一、第三、第五、第八IGBT模块导通，其余IGBT模块关断；或导通潮流控制组件内的第一、第三、第五、第八IGBT模块关断，其余IGBT模块导通。此状态下潮流控制组件不参与直流系统潮流调控。

实施例3

本实施例提供一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法。

发生直流故障后，若故障线路与潮流控制组件直接连接，直流断路器控制时序如下：

1)检测到直流故障并定位完成后，导通断流组件内所有IGBT；

2)根据故障检测定位情况，潮流控制组件采取两种方式：若故障线路与潮流控制组件的第一输出端相连，则导通潮流控制组件内的第二和第六IGBT模块，其余IGBT模块关断；若故障线路与潮流控制组件的第二输出端相连，则导通导通潮流控制组件内的第一和第三IGBT模块，其余IGBT模块关断；

3)分断与故障线路直接相连的潮流控制组件的超快速机械开关；

4)待超快速机械开关完全分断后，关断断流组件内所有IGBT，故障电流及能量通过耗能组件泄放；

5)待流过故障线路的电流为零时，断开对应的隔离开关，完成物理隔离。

实施例4

本实施例提供一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法。

发生直流故障后，若故障线路与潮流控制组件不直接连接，直流断路器控制时序如下：

1)检测到直流故障并定位完成后，导通断流组件内所有IGBT；

2)潮流控制组件切换至旁路状态，同时，关断与故障线路直接相连的通流组件内的负荷转移开关；

3)分断与故障线路直接相连的通流组件内的超快速机械开关；

4)待超快速机械开关完全分断后，关断断流组件内所有IGBT，故障电流及能量通过耗能组件泄放；

5)待流过故障线路的电流为零时，断开对应的隔离开关，完成物理隔离；

6)潮流控制组件恢复至直流故障前状态，潮流控制状态或旁路状态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器，其特征在于，包括三条直流母线、J个通流组件、K个潮流控制组件、N个隔离开关、1个断流组件、1个耗能组件、2N+2个二极管组件和N个外接端口，其中，N对应于与直流断路器相连的换流器或直流线路的个数，0≤J≤N，1≤K≤N/2，1≤J+K≤N；

所述通流组件一端与第一直流母线相连，另一端与二极管组件钳位中点和一个隔离开关的一端相连，隔离开关的另一端作为直流断路器的外接端口；

所述潮流控制组件具有M个输入端和M个输出端，2≤M≤N；第一直流母线与潮流控制组件的M个输入端相连，潮流控制组件的每个输出端与二极管组件钳位中点和一个隔离开关的一端相连，隔离开关的另一端作为直流断路器的外接端口；

所述断流组件一端与第二直流母线相连，另一端与第三直流母线相连；所述耗能组件一端与第二直流母线相连，另一端与第三直流母线相连；

第二直流母线与第2j+1二极管组件的一端相连，0≤j≤N，第2j+1二极管组件的另一端与第2j+2二极管组件的一端相连，第2j+2二极管组件的另一端与第三直流母线相连；

第一二极管组件和第二二极管组件的连接点与第一直流母线相连，第2i+1二极管组件和第2i+2二极管组件的连接点分别连接第i外接端口所在支路，1≤i≤N。

2.根据权利要求1所述的直流电网潮流可控型多端口直流断路器，其特征在于，所述的潮流控制组件具备两个输入端和两个输出端，其内部结构如下：

潮流控制组件第一输入端与第一IGBT模块的发射极相连，第一IGBT模块的集电极与第三IGBT模块的集电极、电容C的正极、第五IGBT模块的集电极相连，第三IGBT模块的发射极与第七IGBT模块的发射极和第一超快速机械开关相连，第一超快速机械开关的另一端为潮流控制组件的第一输出端；第二输入端与第二IGBT模块的集电极相连，第二IGBT模块的发射极与第六IGBT模块的发射极、电容C的负极、第四IGBT模块的发射极相连，第六IGBT模块的集电极与第八IGBT模块的集电极和第二超快速机械开关相连，第二超快速机械开关的另一端为潮流控制单元的第二输出端；第四IGBT模块的集电极和第七IGBT模块的集电极相连，第五IGBT模块的发射极与第八IGBT模块的发射极相连。

3.根据权利要求2所述的直流电网潮流可控型多端口直流断路器，其特征在于，所述的IGBT模块由至少二个含反并联二极管的IGBT串并联构成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的直流电网潮流可控型多端口直流断路器，其特征在于，所述的断流组件由多个类半桥子模块级联而成，每个类半桥子模块内含有两个端口、一个IGBT及其反并联二极管、一个二极管和一个电容；类半桥子模块的一个端口与二极管阳极和IGBT集电极相连，二极管阴极和电容一端相连，电容另一端和IGBT发射极相连，并作为类半桥子模块的另一端。

5.根据权利要求1-3任一项所述的直流电网潮流可控型多端口直流断路器，其特征在于，所述的通流组件由一个超快速机械开关和一个负荷转移开关串联构成。

6.根据权利要求5所述的直流电网潮流可控型多端口直流断路器，其特征在于，所述的负荷转移开关由至少二个含反并联二极管的IGBT串并联构成。

7.根据权利要求1-3任一项所述的直流电网潮流可控型多端口直流断路器，其特征在于，所述的耗能组件由氧化锌避雷器构成。

8.权利要求1-7任一项所述直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法，其特征在于，正常运行情况下，通流组件和潮流控制组件内的超快速机械开关闭合，所有隔离开关闭合，通流组件内的负荷转移开关导通，潮流控制组件处于潮流控制状态或旁路状态，断流支路关断，直流电流从通流组件和潮流控制组件中流过；

潮流控制状态为：根据流过电流的大小和方向，调节潮流控制组件内八个IGBT模块的通断，实现直流潮流控制；第七IGBT模块和第八IGBT模块长期处于导通状态，其余六个IGBT模块根据现有控制方法进行控制；

旁路状态为：潮流控制组件内的第一、第三、第五、第八IGBT模块导通，其余IGBT模块关断；或潮流控制组件内的第一、第三、第五、第八IGBT模块关断，其余IGBT模块导通，此状态下潮流控制组件不参与直流系统潮流调控。

9.权利要求1-7任一项所述直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法，其特征在于，发生直流故障后，若故障线路与潮流控制组件直接连接，直流断路器控制时序如下：

1)检测到直流故障并定位完成后，导通断流组件内所有IGBT；

2)根据故障检测定位情况，潮流控制组件采取两种方式：若故障线路与潮流控制组件的第一输出端相连，则导通潮流控制组件内的第二和第六IGBT模块，其余IGBT模块关断；若故障线路与潮流控制组件的第二输出端相连，则导通潮流控制组件内的第一和第三IGBT模块，其余IGBT模块关断；

3)分断与故障线路直接相连的潮流控制组件的超快速机械开关；

4)待超快速机械开关完全分断后，关断断流组件内所有IGBT，故障电流及能量通过耗能组件泄放；

5)待流过故障线路的电流为零时，断开对应的隔离开关，完成物理隔离。

10.权利要求1-7任一项所述直流电网潮流可控型多端口直流断路器的控制方法，其特征在于，发生直流故障后，若故障线路与潮流控制组件不直接连接，直流断路器控制时序如下：

1)检测到直流故障并定位完成后，导通断流组件内所有IGBT；

2)潮流控制组件切换至旁路状态，同时，关断与故障线路直接相连的通流组件内的负荷转移开关；

3)分断与故障线路直接相连的通流组件内的超快速机械开关；

4)待超快速机械开关完全分断后，关断断流组件内所有IGBT，故障电流及能量通过耗能组件泄放；

5)待流过故障线路的电流为零时，断开对应的隔离开关，完成物理隔离；

6)潮流控制组件恢复至直流故障前状态，潮流控制状态或旁路状态。