CN110768203B - 一种基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑及其实现方法，它由普通断路器和辅助普通断路器完成无弧开断流操作的软开关电路、限压耗能组件构成，所述软开关电路由用无源电力元件和电力电子器件构成的通道隔离组件、换流启动组件、储能建压组件以一定的拓扑连接而成。本发明利用电力电子器件的可控性，加以适当的时序配合，并融入电力电子软开关技术原理实现了直流侧断路器的无弧零电流开断，有效降低了对直流断路器开断容量的要求，保证了设备的安全性，同时也保证了其开断故障线路的快速性和可靠性。

Description

一种基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑及其实现方法

技术领域

本发明专利属于电气工程技术领域，涉及一种新型直流断路器的电路拓扑设计，具体地说，涉及一种基于软开关技术的零电流开断无弧直流断路器拓扑设计。

背景技术

随着直流输电技术的逐渐成熟，它具有诸如供电容量大、线路损耗小、电能质量好、适用于多种电源和负载接入等优势；在大容量远距离输电、电力系统互联、海底电缆送电和直流微电网等领域直流输配电技术正在发挥着它独有的优势；此外，风电、光伏、燃料电池等新能源发电技术使用的是直流电，采用直流电网可以节省大量的换流环节，保证经济性的同时还能有效提高清洁能源电力的消纳能力。总之，随着电力电子技术、信息技术、材料技术等的发展融合和电网的日趋复杂，传统的输配电网结构已经不能满足当今社会快速发展的需要，直流电网的应用场合将日益广泛，其接入比例将逐年提升。因此，如何改进直流断路器特性，切断直流大电流成为一个亟待解决的问题。

在交流系统中.电流波每个周期有两次自然的过零点，交流断路器可以充分利用这个时机来完成电弧的熄灭，实现介质绝缘性能的恢复。而在直流系统中不存在自然的电流过零点，因此在直流侧切除故障要困难许多，同时也带来了过电压和系统剩余感性能量吸收等诸多问题。此外，直流短路故障造成的后果也非常严重，相比于交流电网，直流电网中直流输配电系统的阻尼较低，一旦发生严重短路故障，故障渗透极快且程度极深，短短几毫秒内就可能造成换流站失控。

目前的实际工程应用中经常采用断开交流侧来达到清除直流侧故障的目的，这样做需要关闭整个直流系统，直流电压和功率的恢复时间较长，大大降低了直流电网的利用效率。

直流输配电系统中大电流的开断问题成为一个制约直流技术发展的瓶颈问题，这包含断路器拓扑的设计、人工过零点的形成、开关速度的提升、成本的降低和安全可靠性的提升等问题。

发明专利内容

本发明专利的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种直流断路器的新型拓扑结构，从根本上改变现有直流断路器的工作方式，解决断路器在开断较大电流时因承受剧烈电弧造成断路器烧毁和开断流时间长等问题。该方法引入电力电子软开关技术为通流主回路创造电流的人工过零点，以实现直流侧断路器的零电流无弧关断，有效降低对直流断路器在开断容量、通流能力和耐压水平等方面的要求。

具体说，本发明专利围绕以下四个目标开展工作：

1、减小开断时间。把电力电子软开关技术思想引入到直流断路器的拓扑设计，利用电路谐振使换流速度相比于其他形式显著加快，有效保证断路器动作的快速性，减少电网切除故障的时间，有利于电力系统的稳定性；

2、提高安全性。利用储能装置在正常工作的时候起到一定的滤波作用，当发生故障需要拉开断路器时迅速放电，迫使送电主回路电流迅速过零，让主回路断路器在零电流无弧状态下断开，使得对断路器开断容量及灭弧能力的要求大为降低，有效保证断路器在断开大电流时的安全性；

3、缩短耗能时间。利用线性与非线性电阻组合而成的限压耗能组件构建移能、耗能支路，有效防止因开断感性电流而产生的过电压，保证输电线路和设备的安全性，防止它们遭受绝缘损伤，同时吸收系统中感性电路中储存的能量，并尽量缩短耗能时间，进一步提升快速性；

4、优化可靠性。充分发挥电力电子器件的可控性，在直流断路器拓扑设计的基础上，优化控制流程，实现各个过程中时序的配合，提高直流断路器工作的可靠性。

具体技术方案

本发明专利给直流断路器的电路拓扑设计提供了两种技术方案：一种是如图1中所示正极性电压侧的直流断路器拓扑结构I13，另一种是如图1中所示负极性电压侧的直流断路器拓扑结构II14。图1中包括A侧系统和B侧系统。

从图1中可以看到，这两种技术方案均是由具有不同作用的组件按一定的拓扑连接而成，这其中的每个组件的具体电路均可由常见且易于获取的电力电子器件搭建而成。直流断路器拓扑结构I13与拓扑结构II14相比涉及的组件少，经济性好，但是在可靠性方面有所欠缺，具体原因在说明书具体实施方式板块中涉及。在实际运行中，如果采用单极直流输电，选一种方案即可；若采用双极或同极直流输电则可根据安全性、可靠性和经济性等方面的指标和具体要求，在各极侧采用相同的技术方案或者采用两种技术方案的搭配型式。

直流断路器拓扑结构I13由正极侧普通断路器1、通道隔离组件2、换流启动组件3、储能建压组件4和限压耗能组件5组合而成。其中普通断路器1接于主回路，用于实现电源侧和负荷侧间的电气隔离和接通功能；通道隔离组件2和换流启动组件3先并联后再与储能建压组件4串联构成“Y”形软开关换流电路，然后整体跨接在普通断路器1出口的极侧和大地之间，限压耗能组件5同样也并接于断路器出口的极侧和大地之间。

在直流输电线路正常运行时，在通道隔离组件2的控制下给储能建压组件4充电，为发生故障后的换流阶段积蓄能量。此时，换流启动组件3中的开关器件可靠截止，防止储能建压组件4中的能量泄漏。

当线路发生故障或需要手动断开正极侧普通断路器1时，换流启动组件3中的开关器件触发导通，提供给储能建压组件4一条释能通道，储能建压组件4中的电能迅速放出，迫使流经普通断路器1的电流迅速减小并过零，并在零电流无弧状态下断开普通断路器1，实现电源侧与负荷侧的隔离。

紧接着在负荷侧感性电流的作用下，储能建压组件4开始反向充电建压，当电压达到限压耗能组件5中非线性电阻的阀值电压时，限压耗能组件5投入工作，开始消耗系统剩余能量，以达到限制线路过电压的效果。

直流断路器拓扑结构II14是拓扑结构I13的改进方案，是由负极侧普通断路器6、反向叠压组件7、储能建压组件8、换流启动组件9、反向通流组件10、通道隔离组件11和限压耗能组件12组合而成。

直流断路器拓扑结构II14的软开关电路部分呈“H”桥形，反向叠压组件7和储能建压组件8分别连接于H桥左上和右下桥臂，换流启动组件9和反向通流组件10分别连接于H桥右上和左下桥臂，H桥中间桥臂连接通道隔离组件11。“H”桥形软开关电路整体跨接在断路器出口的极侧和大地之间，限压耗能组件12也同样并于普通断路器6出口的极侧和大地之间。

这种拓扑结构的工作机理与拓扑I相似，正常工作阶段，在通道隔离组件11的控制下给呈串联结构的反向叠压组件7和储能建压组件8充电；当直流输电线路发生故障或需要手动断开时，在换流启动组件9和反向通流组件10的控制下，反向叠压组件7和储能建压组件8呈并联结构迅速放电，并迫使通过负极侧普通断路器6的主回路电流过零，此时即可在零电流无弧状态下断开普通断路器6，实现电源侧与负荷侧的隔离；紧接着，在感性负荷侧电流的作用下，呈并联结构的反向叠压组件7和储能建压组件8反向充电并建压；最后关断换流启动组件9和反向通流组件10并导通通道隔离组件11，反向叠压组件7和储能建压组件8呈串联结构并接于限压耗能组件12两端，以他们建立的高电压迫使限压耗能组件12可靠投入工作并消耗掉负荷侧的剩余能量。

拓扑结构II14利用反向叠压组件7和储能建压组件8来共同完成储能和反向建压的功能，降低了对组件存储容量和绝缘等级的要求，因而这种拓扑结构更适用于较高的电压等级；此外，在故障后的耗能阶段，采用反向叠压组件7和储能建压组件8串联叠压的形式加在限压耗能组件两端，保证了限压耗能组件的可靠接入和工作，相比于拓扑结构I13增加了设备的可靠性。

与现有技术相比，本发明专利的有益效果

1、实现了直流侧对故障的切除，杜绝了在直流输电线路发生短路故障后由于断路器断流容量不足，在承受超高电流和电气强度电弧后造成直流断路器烧毁的事故；

2、突破传统直流断路器瓶颈，创新直流断路器工作机理，利用电力电子器件的可控性，加以适当的时序配合，提升装置工作的可靠性；

3、利用新的直流断路器拓扑结构，引入电力电子软开关技术，辅以对各类组件进行控制为断路器工作创造过零点，实现了断路器的零电流无弧断开，加快换流速度的同时降低了对断路器断流容量的要求；

4、该发明专利拓扑简单，应用常规无源电力电子器件，具有较高的性价比，维护和更换成本低，简单可靠。

附图说明

图1为基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑结构图；

图2为基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑具体原理图；

图3为新型直流断路器拓扑结构I工作流程示意图，其中，(a)充电、(b)换流、(c)建压、(d)耗能；

图4为新型直流断路器拓扑结构II工作流程示意图，其中，(a)充电、(b)换流、(c)建压、(d)耗能；

图5为新型直流断路器拓扑结构I控制时序示意图；

图6为新型直流断路器拓扑结构II控制时序示意图；

图7为故障后普通断路器零电流无弧断开仿真波形图；

图8为故障后限压耗能组件的暂态电压、电流仿真波形图；

图中，13为新型直流断路器拓扑结构I，其中包含：1正极侧普通断路器，2通道隔离组件，3换流启动组件，4储能建压组件，5限压耗能组件；14为新型直流断路器拓扑结构II，其中包含：6负极侧普通断路器，7反向叠压组件，8储能建压组件，9换流启动组件，10反向通流组件，11通道隔离组件，12限压耗能组件。

具体实施方式

下面结合本发明专利实施示例及相关附图来对本发明专利的技术方案作进一步详细地论述和说明，这些实施示例是为了方便相关人员理解而设计的，本发明专利的保护范围包含但不仅限于这些示例。下面结合图2中的两种直流断路器拓扑结构原理图和图3、图4中两种拓扑各自的工作流程示意图，以及图5、图6中的各组件控制时序图来详细分别说明这两种拓扑各自的具体实施方式。图2中包括A侧系统和B侧系统。

直流断路器拓扑I的具体实施方式

直流断路器拓扑I中的通道隔离组件2由电力二极管D₁和充电阻尼电阻R₁串联构成，换流启动组件3由门极可关断晶闸管GTO₁构成，储能建压组件4由电力电容C₁和阻尼电阻R₂串联组成，限压耗能组件5采用非线性电阻R₄并联线性电阻R₃的组合耗能方式，利用电力二极管D₂控制其投入时机。

直流断路器拓扑I13的工作流程如图3所示，其工作过程可分为四步：充电、换流、建压、耗能。

①充电阶段：充电时该装置的工作状态如图3中(a)图所示：此时普通断路器1处在闭合位置，直流输电线路处在正常工作状态，此时通道隔离模块2中的电力二极管D₁导通，通过普通断路器1的电流除大部分供给负荷外，还有一小部分电流通过回路①→③→④给储能建压组件4中的电容C₁充电储能，建立如图3所示上正下负的电容极板间电压。

②换流阶段：这是本发明专利最为关键的一步，此时该装置的工作状态如图3中(b)所示：当直流输电线路发生故障或需手动跳闸时，迅速导通换流启动组件3中的GTO₁，储能建压组件4中电容C₁储存的能量将通过回路④→③→②经负载放出，形成b图所示电流i₂,对于图中节点②有i₀+i₂＝i₁，当电容C₁释能形成的电流i₂＝i₁时，通过断路器1的电流i₀将在电容释能回路电流i₂的迫使下过零，此时即可拉开普通断路器1，实现其零电流无弧断开。

③建压阶段：此时该装置的工作状态如图3中(c)所示：该阶段感性负荷电流将沿支路④→③→②给储能建压组件4中的电容C₁反向充电，并建立如图所示的上负下正的电容极板间电压；与此同时，限压耗能组件5中的电力二极管D₂会在电流作用下导通，线性电阻R₃率先投入工作消耗一少部分能量。

④耗能阶段：此时装置的状态如图3中(d)所示：当储能建压组件4中的电容C₁建立的反压大于限压耗能组件5中非线性电阻R₄的残压时，非线性电阻R₄阻值急剧降低并投入工作，和线性电阻R₃一起消耗完装置的剩余能量。

直流断路器拓扑I13的控制时序如图5所示。线路故障发生在t₀时刻，在t₀以前通道隔离组件2中电力二极管D₁导通，该装置投入运行，直至故障发生或手动跳闸启动；t₀时刻故障发生或手动启动跳闸后，经过一定的继电保护动作时间，在t₁时导通换流启动组件3中的GTO₁启动换流；经过一定的谐振换流时间直至t₂时刻普通断路器所在线路电流降为零，在零电流无弧状态下拉开普通断路器1，实现其零电流关断，对于电源侧而言，故障也在t₂时刻切除。

直流断路器拓扑II具体实施方式

直流断路器拓扑II14中的反向叠压组件7由电力电容C₂和阻尼电阻R₅串联组成，储能建压组件8由电力电容C₃和阻尼电阻R₇串联组成，换流启动组件9由门极可关断晶闸管GTO₂构成，反向通流组件10由全控型器件GTO₃构成，通道隔离组件11由电力二极管D₃和充电阻尼电阻R₆串联构成，限压耗能组件12采用非线性电阻R₉并联线性电阻R₈的组合耗能方式，利用电力二极管D₄控制其投入时机。

直流断路器拓扑II14的工作流程如图4所示，依然分“充电、换流、建压、耗能”四步。

①充电阶段：此阶段该装置的状态如图4中(a)图所示：此时普通断路器6处在合位，输电线路处在正常工作状态，此时通道隔离模块11中的电力二极管D₃导通，通过普通断路器6的电流除大部分供给负荷外，还有一小部分电流通过回路①→③→④→⑥给反向叠压组件7和储能建压组件8中的两个电容C₂、C₃充电储能，建立如图(b)中所示上正下负的电容极板间电压。

②换流阶段：此阶段该装置的状态如图4中(b)所示：当发生故障或需手动跳闸时，迅速导通换流启动组件9和反向通流组件10，反向叠压组件7和储能建压组件8中电容C₂、C₃储存的能量将分别通过支路⑤→③→①和⑥→④→②经负载放出，分别形成图中所示电流i₃和i₄,对于图b中存在有电流关系有i₀+i₃+i₄＝i₅，当电流满足i₃+i₄＝i₅时，通过断路器的电流i₀将强迫过零，此时拉开普通断路器6，则实现了断路器的零电流无弧断开。

③建压阶段：此阶段该装置的状态如图4中(c)所示：该阶段感性负荷电流将分别沿支路⑤→③→①和⑥→④→②给反向叠压组件7和储能建压组件8中的电容C₂、C₃反向充电建压；同时，限压耗能组件12中的电力二极管D₄导通，线性电阻R₈率先投入工作并消耗一少部分能量。

④耗能阶段：此时装置的状态如图4中(d)所示：当反向叠压组件7和储能建压组件8中的电容C₂、C₃建立的反压之和大于限压耗能组件12中非线性电阻R₉的残压时，关断换流启动组件9和反向通流组件10中的可关断器件GTO₂、GTO₃，此时通道隔离组件11中的电力二极管D₃将导通，反向叠压组件7和储能建压组件8将串联起来向非线性电阻施压，迫使并保证非线性电阻R₉可靠导通，之后非线性电阻R₉将同线性电阻R₈一起消耗完装置的剩余能量。

直流断路器拓扑II的控制时序如图6所示。在t₀以前，线路处在正常工作状态，通道隔离组件11中电力二极管D₃导通，给反向叠压组件7和储能建压组件8充电储能，直至故障发生或手动跳闸；t₀时刻故障发生或手动跳闸后，经过一定延时的继电保护动作时间，在t₁时导通换流启动组件9和反向通流组件10中的全控型器件GTO₂、GTO₃启动换流；经过一定的谐振换流直至t₂时刻普通断路器6所在线路电流降为零，此时在零电流状态下拉开普通断路器6，实现其零电流关断，实现对故障的切除。在t₃时刻，当反向叠压组件7和储能建压组件8中的电容C₂、C₃建立的反压之和大于限压耗能组件(20)中非线性电阻R₉的残压时，控制关断换流启动组件9和反向通流组件10中的全控型器件GTO₂、GTO₃，通道隔离组件11中的电力二极管D₃将导通再次投入工作，使两电容C₂、C₃串联起来向非线性电阻R₉施压以保证其可靠导通，直至系统剩余能量消耗完毕。

仿真验证

以10kV直流输电线路发生短路故障为例，搭配基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑II，利用MATLAB软件进行仿真实验，得到如图7和如图8所示的仿真波形图。

如图7所示，为故障后普通断路器零电流无弧断开仿真波形图，可以看到故障后通过直流断路器的电流换流迅速，断路器是在通过其电流降为零后拉开的，实现了断路器的无弧零电流断开，成功断开高达20kA的短路电流的。通过图7的局部放大图，我们可以看到：3s时装置启动换流，主回路电流在储能组件释放的巨大电流的作用下于3.004s过零，整个换流过程非常迅速，仅消耗4ms；断路器于3.02s左右拉开，实现电源与故障的隔离，整个断开过程仅消耗20ms,满足对直流断路器动作的快速性要求。

如图8所示为故障后限压耗能组件的暂态电压、电流仿真波形图，可以看到：在线性和非线性电阻的配合下，耗能阶段于3.8s左右结束，整个过程消耗0.8s，线路对地电压即耗能装置两端电压被限制在了10kV以下，低于线路的额定电压，不会对线路和设备带来绝缘损伤，保证了线路和设备的安全性。通过仿真有效地证明了基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑的可行性。

以上所述，仅为本发明专利的两种具体实施方式，本发明专利的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利披露的技术范围内，技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑系统，其特征在于：所述直流断路器由普通断路器和辅助普通断路器完成无弧开断流操作的软开关电路、限压耗能组件构成；所述软开关电路是由无源电力元件和电力电子器件构成的用以实现不同作用的组件以一定的拓扑连接而成，其中涉及的组件有通道隔离组件、换流启动组件、储能建压组件；

该拓扑根据实际应用的电压等级和可靠性与经济性方面的要求有两种连接方式，根据软开关电路部分的拓扑形状分为Y形和H形； Y形连接方式的特征为：普通断路器串接于主电流回路，通道隔离组件和换流启动组件先并联后再与储能建压组件串联然后整体跨接在断路器出口的极侧和大地之间，限压耗能组件也并接于断路器出口的极侧和大地之间； H形连接方式的特征为：反向叠压组件和储能建压组件分别连接于H桥左上和右下桥臂，换流启动组件和反向通流组件分别连接于H桥右上和左下桥臂，H桥中间桥臂连接通道隔离组件，H形软开关电路整体跨接在断路器出口的极侧和大地之间，反向叠压组件由电力电容和阻尼电阻串联组成，反向通流组件由全控型器件GTO构成，限压耗能组件也同样并于断路器出口的极侧和大地之间。

2.一种权利要求1所述基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑系统的实现方法，其特征在于：利用电力电子器件的可控性，加以适当的时序配合，并引入电力电子软开关技术为通流主回路创造电流的人工过零点，实现直流侧断路器的零电流无弧断开，有效降低对直流断路器在开断容量、通流能力的要求，并显著提高换流速度。

3.根据权利要求2所述的基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑系统的实现方法，其特征在于：利用储能元件，在直流输电线路正常工作时储存电能，为故障后的换流积蓄足够的能量，而不需要外接电源，对线路的正常工作不会构成影响；故障后在换流启动组件的控制下让储能装置迅速放出电能，提供一条换流通道，迫使流经普通断路器的电流迅速过零，实现普通断路器的无弧软关断。

4.根据权利要求3所述的基于软开关技术的无弧直流断路器拓扑系统的实现方法，其特征在于：包含以下四个阶段：

（1）充电阶段：在通道隔离组件的控制下给储能装置充电，为换流积蓄足够的电能；

（2）换流阶段：在换流启动组件的控制下，为储能装置电能的释放提供通路，迫使主回路电流过零，并在此时拉开普通断路器，实现其零电流无弧断开；

（3）建压阶段：在感性负荷侧电流的作用下，为储能建压组件中的电容反向建压，以辅助限压耗能组件投入工作，并保证非线性电阻的可靠导通；

（4）耗能阶段：在足够电容反压的作用下，使线性和非线性电阻投入工作并消耗掉系统的剩余能量，防止系统过电压的产生。