CN111244917A - 一种多端口直流断路器及控制方法 - Google Patents

一种多端口直流断路器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多端口直流断路器及控制方法，多端口直流断路器包括：多条通流主支路，每条通流主支路的输入端连接直流母线，输出端连接与其对应的接线端口，通流主支路上设置有固态开关和机械开关，用于控制对应的通流主支路的接通或断开；换流支路，包括一条转移支路，换流支路的输入端通过多个导通器件分别与每一条通流主支路连接，其中，输入端的每个导通器件的一端与对应的通流主支路连接；换流支路的输出端通过导通器件分别与通流主支路连接，其中，输出端的每个导通器件的另一端与对应的通流主支路连接。通过实施本发明，无需为每条支路单独配置各自的直流断路器，降低了电力系统中多端口直流断路器的成本。

Description

一种多端口直流断路器及控制方法
技术领域
本发明涉及直流断路器技术领域，具体涉及一种多端口直流断路器及控制方法。
背景技术
柔性直流输电技术(VSC-HVDC)作为一种新型的基于电压源的直流输电技术，具有潮流翻转时不改变电压极性，可以独立调节有功和无功功率，可为无源网络供电等优势，因此更适合构成多端直流系统(MT-HVDC)。在VSC-HVDC中，当发生直流侧短路故障时，若采用传统的故障隔离方法，VSC-HVDC只能跳开交流侧断路器，导致全系统短时停运，对并联运行的交流系统造成严重冲击，严重降低系统供电可靠性。所以多端直流系统有必要装设直流断路器，以切断故障电流并使故障部分退出运行，同时保证其他线路的正常运行。
目前研究的断路器类型主要包括机械式、固态式和混合式三种。混合直流断路器继承了机械断路器通态损耗低以及固态断路器开断迅速的特点，成为目前断路器研究的主要方向。混合式断路器根据所选用的电力电子器件不同，主要可分为两种类型，一种是基于半控型开关器件晶闸管，另外一种是基于全控型开关器件IGBT。比于IGBT的串联技术，晶闸管串联更容易实现，工程上应用也更为广泛，且成本大幅降低。
随着直流工程的普及，多端口直流系统得到了广泛的应用。但是，现有的多端口直流系统为每条支路单独配置各自的直流断路器，虽然保证了系统供电可靠性，但是成本较高，占用体积较大。
另一方面，现有基于转移支路的直流断路器不具备重合闸和预合闸功能，无法保证故障支路不影响其他支路正常工作，以及故障支路的快速恢复。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中多端口直流系统中需要为每条支路单独配置各自的直流断路器导致成本较高、占用体积较大，从而提供一种多端口直流断路器及控制方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种多端口直流断路器，包括：多条通流主支路，每条所述通流主支路的输入端连接直流母线，输出端连接与其对应的接线端口，所述通流主支路上设置有固态开关和机械开关，用于控制对应的所述通流主支路的接通或断开；换流支路，包括一条转移支路，所述换流支路的输入端通过多个导通器件分别与每一条通流主支路连接，其中，所述输入端的每个导通器件的一端与对应的通流主支路连接；所述换流支路的输出端通过导通器件分别与通流主支路连接，其中，所述输出端的每个导通器件的另一端与对应的通流主支路连接。
在一实施例中，所述换流支路，还包括：电容支路和避雷针支路，其中，转移支路、电容支路和避雷针支路并联。
在一实施例中，所述转移支路包括：晶闸管，一端与所述换流支路的输入端连接；SM子模块，一端与所述晶闸管的另一端连接，另一端与所述换流支路的输出端连接。
在一实施例中，所述SM子模块为半桥子模块或全桥子模块。
在一实施例中，所述导通器件为二极管或者晶闸管。
在一实施例中，每条通流主支路上分别设置一个机械开关和至少一个固态开关。
第二方面，本发明实施例提供一种多端口直流输电系统，包括：本发明实施例第一方面的多端口直流断路器，用于多端口直流断路器阻断故障、重合闸以及预合闸；控制器，与所述多端口直流断路器连接，用于控制所述多端口直流断路器阻断故障、重合闸以及预合闸。
第三方面，本发明实施例提供一种多端口直流断路器控制方法，包括：通流主支路发生故障后，控制转移支路接通，电流通过转移支路流入故障通流主支路；控制转移支路断开，电流通过电容支路流入故障通流主支路；当电容电压大于预设阈值时，控制电容支路断开，电流通过避雷针支路流入故障通流主支路；当故障通流主支路电压稳定时，控制避雷针支路断开，阻断故障通流主支路。
在一实施例中，还包括：发生故障的通流主支路故障清除后，控制转移支路接通，电流通过转移支路流入故障通流主支路；根据故障通流主支路的电流上升率和电流幅值判断故障是否清除；当判定故障已清除后，闭合故障通流主支路的机械开关和固态开关，并控制转移支路断开，直流线路导通。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的多端口直流断路器，可应用在多端口结构中，无需为每条支路单独配置各自的直流断路器，并且共用转移支路，减少了直流断路器整体体积和成本。
2、转移支路可以采用为晶闸管和IGBT混合结构，即保证了故障的快速分断，又降低了转移支路成本。多端口混合直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断以及对故障电流的双向阻断，同时具备预合闸及重合闸的功能。整个装置无源器件需求少，体积小，重量轻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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为本发明实施例中多端口直流断路器一个具体示例的结构图；
图2为本发明实施例中SM子模块的一个具体示例的拓扑结构图；
图3为本发明实施例中SM子模块的另一个具体示例的拓扑结构图；
图4为本发明实施例中多端口直流断路器另一个具体示例的结构图；
图5为本发明实施例中多端口直流断路器控制方法一个具体示例的流程图；
图6为本发明实施例中电流的流经路径一个具体示例图；
图7为本发明实施例中电流的流经路径另一个具体示例图；
图8为本发明实施例中电流的流经路径另一个具体示例图；
图9为本发明实施例中电流的流经路径另一个具体示例图；
图10为本发明实施例中多端口直流断路器控制方法另一个具体示例的流程图；
图11为本发明实施例中电流的流经路径另一个具体示例图；
图12为本发明实施例中电流的流经路径另一个具体示例图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种多端口直流断路器，如图1所示，包括：多条通流主支路，每条通流主支路的输入端连接直流母线，输出端连接与其对应的接线端口，通流主支路上设置有固态开关和机械开关，用于控制对应的通流主支路的接通或断开；换流支路，包括一条转移支路，换流支路的输入端通过多个导通器件分别与每一条通流主支路连接，其中，输入端的每个导通器件的一端与对应的通流主支路连接；换流支路的输出端通过导通器件分别与通流主支路连接，其中，输出端的每个导通器件的另一端与对应的通流主支路连接。
本发明实施例中，多端口直流断路器由多条通流主支路和通流主支路对应的换流支路构成，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，实现故障阻断功能。其中，每条通流主支路上分别设置一个UFD机械开关和至少一个LCS固态开关。
本发明提供的多端口直流断路器，可应用在多端口结构中，无需为每条支路单独配置各自的直流断路器，通过共用转移支路，减少了直流断路器整体体积和成本。多端口混合直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断以及对故障电流的双向阻断，同时具备预合闸及重合闸的功能。整个装置无源器件需求少，体积小，重量轻。
在一具体实施例中，换流支路，还包括：电容支路和避雷针支路，其中，转移支路、电容支路和避雷针支路并联。
本发明实施例中，换流支路由转移支路、电容支路和避雷针支路并联构成，其中，转移支路，用于短时承载故障电流、建立暂态分断电压。电容支路，用于在正常运行状态下利用直流系统电源为电容支路的电容C2充电，故障时放电。避雷针支路由金属氧化物电阻(metal oxide varistor，MOV)构成，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷针实现故障电流的快速衰减。
在一具体实施例中，转移支路包括：晶闸管，一端与换流支路的输入端连接；SM子模块，一端与晶闸管的另一端连接，另一端与换流支路的输出端连接。本发明实施例中，SM子模块为半桥子模块或全桥子模块。如图2所示，为半桥子模块，如图3所示，为全桥子模块。
在一具体实施例中，导通器件为二极管或者晶闸管。本发明实施例中，如图1所示，当导通器件为二极管时，每条通流主支路上分别设置一个UFD机械开关和两个LCS固态开关。换流支路的输入端通过多个二极管分别与每一条通流主支路连接，其中，输入端的每个二极管的正极与对应的通流主支路连接；换流支路的输出端通过二极管分别与通流主支路连接，其中，输出端的每个二极管的负极与对应的通流主支路连接。如图4所示，当导通器件为晶闸管时，每条通流主支路上分别设置一个UFD机械开关和一个LCS固态开关。换流支路的输入端通过多个晶闸管分别与每一条通流主支路连接，其中，输入端的每个晶闸管的一端与对应的通流主支路连接；换流支路的输出端通过晶闸管分别与通流主支路连接，其中，输出端的每个晶闸管的另一端与对应的通流主支路连接。
本发明提供的多端口直流断路器，可应用在多端口结构中，无需为每条支路单独配置各自的直流断路器，并且共用转移支路，减少了直流断路器整体体积和成本。其中，转移支路为晶闸管和IGBT混合结构，即保证了故障的快速分断，又降低了转移支路成本。多端口混合直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断以及对故障电流的双向阻断，同时具备预合闸及重合闸的功能。整个装置无源器件需求少，体积小，重量轻。
实施例2
本发明实施例提供一种多端口直流输电系统，包括：本发明实施例第一方面的多端口直流断路器，用于多端口直流断路器阻断故障、重合闸以及预合闸；控制器，与多端口直流断路器连接，用于控制多端口直流断路器阻断故障、重合闸以及预合闸。
本发明提供的多端口直流输电系统，通过配置多端口直流断路器，并共用转移支路，减少了直流断路器整体体积和成本。其中，转移支路为晶闸管和IGBT混合结构，即保证了故障的快速分断，又降低了转移支路成本。多端口混合直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断以及对故障电流的双向阻断，同时具备预合闸及重合闸的功能。整个装置无源器件需求少，体积小，重量轻。
实施例3
本发明实施例提供一种多端口直流断路器控制方法，可应用于如图1所示的多端口直流断路器，也可应用于如图4所示的多端口直流断路器。多端口直流断路器阻断故障过程，如图5所示，包括如下步骤：
S11：通流主支路发生故障后，控制转移支路接通，电流通过转移支路流入故障通流主支路。
S12：控制转移支路断开，电流通过电容支路流入故障通流主支路。
S13：当电容电压大于预设阈值时，控制电容支路断开，电流通过避雷针支路流入故障通流主支路。
S14：当故障通流主支路电压稳定时，控制避雷针支路断开，阻断故障通流主支路。
本发明实施例中，多端口直流断路器故障阻断过程如图6所示，当通流主支路1发送故障后，首先闭合转移支路T1和子模块SM中S1，电流通过D1n和D21流入到端口1。之后如图7所示，断开转移支路T1和子模块SM中S1，电流通过电容C2流入故障通流主支路。当电容电压大于端口外部设备电压时，如图8所示，控制电容支路断开，电流通过避雷针支路MOV流入故障通流主支路。当故障通流主支路电压稳定时，控制避雷针支路MOV断开，如图9所示，阻断故障通流主支路。当其他通流主支路发送故障后，可同样使用如上步骤，实现故障电流的双向阻断。
在一实施例中，如图10所示，多端口直流断路器重合闸过程包括如下步骤：
S21：发生故障的通流主支路故障清除后，控制转移支路接通，电流通过转移支路流入故障通流主支路。
S22：根据故障通流主支路的电流上升率和电流幅值判断故障是否清除。
S23：当判定故障已清除后，闭合故障通流主支路的机械开关和固态开关，并控制转移支路断开，直流线路导通。
本发明实施例中，当通流主支路1故障恢复后，多端口直流断路器重合闸过程如图11所示，首先闭合转移支路T1和子模块SM中S1，电流通过D1n和D21流入到端口1，若此时电流上升率和电流幅值在额定工作范围内，即此时线路短路故障已经清除，则闭合主支路机械开关UFD1和固态开关LCS21，同时断开转移支路T1和S1，电流流通路径如图12所示，系统恢复正常工作。当转移支路电流上升率和电流幅值超过额定工作范围时，认定故障依然存在下，电流按照阻断过程继续转移，执行多端口直流断路器阻断故障步骤。
多端口直流断路器预合闸过程同重合闸过程类似，线路没有故障条件下，首先闭合转移支路T1和子模块SM中S1，电流通过D1n和D21流入到端口1，若此时电流上升率和电流幅值在额定工作范围内，即此时线路短路故障已经清除，则闭合主支路机械开关UFD1和固态开关LCS21，同时断开转移支路T1和S1，电流流通路径如图12所示，系统恢复正常工作。当转移支路电流上升率和电流幅值超过额定工作范围时，认定故障依然存在下，电流按照阻断过程继续转移，执行多端口直流断路器阻断故障步骤。
本发明提供的多端口直流断路器控制方法，在多端口直流系统中配置多端口直流断路器，并共用转移支路，减少了直流断路器整体体积和成本。其中，转移支路为晶闸管和IGBT混合结构，即保证了故障的快速分断，又降低了成本。多端口混合直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断以及对故障电流的双向阻断，同时具备预合闸及重合闸的功能。整个装置无源器件需求少，体积小，重量轻。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种多端口直流断路器，其特征在于，包括：
多条通流主支路，每条所述通流主支路的输入端连接直流母线，输出端连接与其对应的接线端口，所述通流主支路上设置有固态开关和机械开关，用于控制对应的所述通流主支路的接通或断开；
换流支路，包括一条转移支路，所述换流支路的输入端通过多个导通器件分别与每一条通流主支路连接，其中，所述输入端的每个导通器件的一端与对应的通流主支路连接；所述换流支路的输出端通过导通器件分别与通流主支路连接，其中，所述输出端的每个导通器件的另一端与对应的通流主支路连接。
2.根据权利要求1所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述换流支路，还包括：电容支路和避雷针支路，其中，转移支路、电容支路和避雷针支路并联。
3.根据权利要求2所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述转移支路包括：
晶闸管，一端与所述换流支路的输入端连接；
SM子模块，一端与所述晶闸管的另一端连接，另一端与所述换流支路的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述SM子模块为半桥子模块或全桥子模块。
5.根据权利要求1所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述导通器件为二极管或者晶闸管。
6.根据权利要求1所述的多端口直流断路器，其特征在于，每条通流主支路上分别设置一个机械开关和至少一个固态开关。
7.一种多端口直流输电系统，其特征在于，包括：
权利要求1-6任一所述的多端口直流断路器，用于多端口直流断路器阻断故障、重合闸以及预合闸；
控制器，与所述多端口直流断路器连接，用于控制所述多端口直流断路器阻断故障、重合闸以及预合闸。
8.一种多端口直流断路器控制方法，其特征在于，包括：
通流主支路发生故障后，控制转移支路接通，电流通过转移支路流入故障通流主支路；
控制转移支路断开，电流通过电容支路流入故障通流主支路；
当电容电压大于预设阈值时，控制电容支路断开，电流通过避雷针支路流入故障通流主支路；
当故障通流主支路电压稳定时，控制避雷针支路断开，阻断故障通流主支路。
9.根据权利要求8所述的多端口直流断路器控制方法，其特征在于，还包括：
发生故障的通流主支路故障清除后，控制转移支路接通，电流通过转移支路流入故障通流主支路；
根据故障通流主支路的电流上升率和电流幅值判断故障是否清除；
当判定故障已清除后，闭合故障通流主支路的机械开关和固态开关，并控制转移支路断开，直流线路导通。
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