CN112271116B - 双线路阻断集成式断路器及其控制方法 - Google Patents

双线路阻断集成式断路器及其控制方法 Download PDF

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    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems

Abstract

本发明涉及断路器技术领域，具体提供了一种双线路阻断集成式断路器及其控制方法，旨在解决如何简化直流断路器的拓扑结构、降低直流断路器的成本以及提高断路可靠性的技术问题。为此目的，根据本发明实施例的断路器，利用半控型电力电子器件以及少量的全控型电力电子器件就能够同时对两个直流线路进行短路保护，并且还能够利用断路器内的电路结构在半控型电力电子器件两端形成反向电压，使其在承受反向电压后自动关断，无需再增加额外的反向关断辅助电路。此外，还能够利用断路器内的电路结构一个用于对不同直流线路进行电流潮流控制的潮流控制器，通过控制电路结构内电力电子器件的导通和/或关断，即可实现不同直流线路之间的电流转移。

Description

双线路阻断集成式断路器及其控制方法
技术领域
本发明涉及断路器技术领域，具体涉及一种双线路阻断集成式断路器及其控制方法。
背景技术
随着电力电子技术(Power Electronical Technology)的快速发展，基于电力电子器件与机械开关构建的混合型直流断路器也得到了极大地发展与应用。目前常规的混合型直流断路器主要包括附图1-2所示的两种拓扑结构。参阅附图1，图1所示的直流断路器主要包括多个断路器结构(例如：负载换向开关LCS12、快速机械隔离开关UFD12、断路器主支路MB12和避雷器MOV12构成的一个断路器结构，负载换向开关LCS13、快速机械隔离开关UFD13、断路器主支路MB13和避雷器MOV13构成的另一个断路器结构)，每个断路器结构分别与一条直流线路连接，分别用于对各自连接的直流线路进行短路保护。由于每个直流线路都需要分别设置一个断路器结构，当对包含多条直流线路的线路/电网结构进行短路保护时就需要设置多个断路器结构，因而会显著增加直流断路器的构建成本。参阅附图2，图2所示的直流断路器虽然能够使两条线路(Line12和Line13)共用一个断路器主支路(MB1)与避雷器支路(MOV1)，在一定程度上简化了直流断路器的结构。但是，为了提高断路器主支路的通流能力，需要串联较多的电力电子器件。而目前混合型直流断路器主要是采用具备主动关断能力的全控型电力电子器件如IGBT，由于全控型电力电子器件的成本较高，如果增大这些电力电子器件的串联数量，会显著增加直流断路器的构建成本。如果将全控型电力电子器件替换成成本较低的半控型电力电子器件如可控硅(Silicon ControlledRectifier，SCR)，那么还需要在直流断路器中增加额外的辅助电路以控制半控型电力电子器件关断，这无疑会使直流断路器的拓扑结构以及控制逻辑更加复杂，不利于直流断路器的推广与使用。
相应地，本领域需要一种新的断路器方案来解决上述问题。
发明内容
为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决如何简化直流断路器的拓扑结构、降低直流断路器的成本以及提高断路可靠性的技术问题的双线路阻断集成式断路器及其控制方法。
第一方面，提供一种双线路阻断集成式断路器，所述断路器包括第一主通流电路、第二主通流电路、电流转移电路和能量吸收电路；
所述第一主通流电路的输入端与直流母线连接，所述第一主通流电路的输出端与第一直流线路连接端子连接；
所述第二主通流电路的输入端与所述直流母线连接，所述第二主通流电路的输出端与第二直流线路连接端子连接；
所述电流转移电路的第一端连接于所述第一主通流电路的输出端与所述第一直流线路连接端子之间，所述电流转移电路的第二端连接于所述第二主通流电路的输出端与所述第二直流线路连接端子之间；
所述能量吸收电路的第一端与所述直流母线连接，所述能量吸收电路的第二端与第一二极管的阳极连接，所述能量吸收电路的第三端与第二二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极连接于所述第一主通流电路的输出端与所述电流转移电路的第一端之间，所述第二二极管的阴极连接于所述第二主通流电路的输出端与所述电流转移电路的第二端之间。
在上述断路器的一个技术方案中，所述第一主通流电路包括第一负载换向开关和第一机械开关，所述第二主通流电路包括第二负载换向开关和第二机械开关；
所述第一负载换向开关包括第一全控型电力电子器件和第二全控型电力电子器件，所述第一全控型电力电子器件的第一主电极与所述第一主通流电路的输入端连接，所述第一全控型电力电子器件的第二主电极与所述第二全控型电力电子器件的第二主电极连接，所述第二全控型电力电子器件的第一主电极通过所述第一机械开关与所述第一主通流电路的第二端连接；
所述第二负载换向开关包括第三全控型电力电子器件和第四全控型电力电子器件，所述第三全控型电力电子器件的第一主电极与所述第二主通流电路的输入端连接，所述第三全控型电力电子器件的第二主电极与所述第四全控型电力电子器件的第二主电极连接，所述第四全控型电力电子器件的第一主电极通过所述第二机械开关与所述第二主通流电路的第二端连接；
其中，所述第一全控型电力电子器件、是第二全控型电力电子器件、所述第三全控型电力电子器件与所述第四全控型电力电子器件分别反向并联设置有一个二极管；第一主电极是电力电子器件中电源输入方向的主电极，第二主电极是电力电子器件中电源输出方向的主电极。
在上述断路器的一个技术方案中，所述电流转移电路包括第一电流转移模块和第二电流转移模块；
所述第一电流转移模块包括多个串联的电力电子器件模组，每个电力电子器件模组均包括反向并联的半控型电力电子器件；所述第二电流转移模块包括基于全控型电力电子器件构建的H桥功率子模块；
所述第一电流转移模块内电力电子器件模组的串联支路的第一端连接于所述第一主通流电路的输出端与所述第一直流线路连接端子之间，所述串联支路的第二端与所述H桥功率子模块的第一端连接，所述H桥功率子模块的第二端连接于所述第二主通流电路的输出端与所述第二直流线路连接端子之间。
在上述断路器的一个技术方案中，所述H桥功率子模块包括第五全控型电力电子器件、第六全控型电力电子器件、第七全控型电力电子器件、第八全控型电力电子器件和第二电容器；
所述第五全控型电力电子器件的第二主电极与第二电容器的负极连接，所述第五全控型电力电子器件的第一主电极与分别与所述H桥功率子模块的第一端以及所述第六全控型电力电子器件的第二主电极连接，所述第六全控型电力电子器件的第一主电极与所述第二电容器的正极连接；
所述第七全控型电力电子器件的第二主电极与第二电容器的负极连接，所述第七全控型电力电子器件的第一主电极与分别与所述H桥功率子模块的第二端以及所述第八全控型电力电子器件的第二主电极连接，所述第八全控型电力电子器件的第一主电极与所述第二电容器的正极连接；
其中，所述第五全控型电力电子器件、第六全控型电力电子器件、第七全控型电力电子器件与第八全控型电力电子器件分别反向并联设置有一个二极管；第一主电极是电力电子器件中电源输入方向的主电极，第二主电极是电力电子器件中电源输出方向的主电极。
在上述断路器的一个技术方案中，所述能量吸收电路包括并联的第一能量吸收支路和第二能量吸收支路；
所述第一能量吸收支路包括半控型电力电子器件和第一电容器，所述半控型电力电子器件的第一主电极与所述能量吸收电路的第一端连接，所述半控型电力电子器件的第二主电极与所述第一电容器的正极连接，所述第一电容器的负极与所述能量吸收电路的第二端；
所述第二能量吸收支路包括避雷器，所述避雷器的两端分别与所述第二能量吸收电路的第一端与第二端连接；
其中，所述第一主电极是电力电子器件中电源输入方向的主电极，所述第二主电极是电力电子器件中电源输出方向的主电极。
在上述断路器的一个技术方案中，所述半控型电力电子器件包括晶闸管。
第二方面，提供一种用于上述技术方案所述的断路器的控制方法，所述控制方法包括：
检测所述断路器内所述第一直流线路连接端子与所述第二直流线路连接端子连接的直流线路是否发生短路故障；
如果检测到某个直流线路发生短路故障，则控制所述电流转移电路导通，随后延迟一定时长后控制所述断路器内与所述发生故障的直流线路对应的主通流电路断开并且在所述主通流电路断开完全断开后立即控制所述电流转移电路断开，以使所述第一直流线路连接端子与所述第二直流线路连接端子连接的直流线路，以及能量吸收电路形成故障电流消耗回路，进行故障电流消耗；
其中，所述发生故障的直流线路对应的主通流电路是所述直流线路连接的直流线路连接端子直接相连的主通流电路。
在上述控制方法的一个技术方案中，“延迟一定时长后控制所述断路器内与所述发生故障的直流线路对应的主通流电路断开”的步骤具体包括：
当控制所述电流转移电路导通且延迟第一时长后，控制所述发生故障的直流线路对应的主通流电路中的负载换向开关断开，随后再延迟第二时长后控制所述主通流电路中的机械开关断开。
在上述控制方法的一个技术方案中，所述控制方法还包括：
根据直流线路的电流潮流控制需求，控制所述第一主通流电路、和/或所述第二主通流电路、和/或所述电流转移电路内的电力电子器件导通和/或关断，以使所述电流转移电路内的第二电容器向所述断路器内所述第一直流线路连接端子接入的直流线路施加正向电压或负向电压，以及向所述第二直流线路连接端子接入的直流线路施加负向电压或正向电压，调整所述直流线路的线路电流。
在上述控制方法的一个技术方案中，所述第一电容器的电容值C1的约束条件如下式所示：
Figure BDA0002681283020000051
其中，所述TSCR表示所述电流转移电路内第一电流转移模中的半控型电力电子器件的最小反向恢复时间，所述VC1(TSCR)表示在TSCR时刻所述第一电容器的电压值，所述VC2表示所述第二电容器的电压值，所述UDC表示所述第一主通流电路与所述第二主通流电路连接的直流母线的直流电压，所述L12表示发生短路故障的直流线路中的故障点，以及所述直流线路所连接的直流线路连接端子之间的电感，所述R12表示发生短路故障的直流线路中的故障点，以及所述直流线路连接的直流线路连接端子之间的电阻，所述i12(ta)表示在ta时刻发生短路故障的直流线路中的故障电流，所述ta是发生故障的直流线路对应的主通流电路完全断开且立即控制所述电流转移电路断开的时刻；
所述第二电容器的电容值C2的约束条件如下式所示：
Figure BDA0002681283020000052
其中，所述D表示所述第二电流转移模块内H桥功率子模块中的全控型电力电子器件导通/关断的占空比，所述I1表示所述第一主通流电路与所述第二主通流电路连接的直流母线的直流电流，所述ΔU表示所述直流母线的直流电压中的纹波峰峰值，所述f表示所述第一主通流电路、所述第二主通流电路和所述电流转移电路内全控型电力电子器件的开关频率。
本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
在实施本发明的技术方案中，双线路阻断集成式断路器主要包括第一主通流电路、第二主通流电路、电流转移电路和能量吸收电路。其中，电流转移电路主要包括由少量全控型电力电子器件构成的第一电流转移模块以及由半控型电力电子器件构成的第二电流转移模块，并且该断路器能够同时对两个直流线路(第一直流线路接线端子和第二直流线路接线端子接入的直流线路)进行短路保护。因而，相较于图1-2所示的直流断路器的拓扑结构，本发明能够极大地降低直流断路器的成本以及简化直流断路器的拓扑结构。
进一步，在实施本发明的技术方案中，能量吸收电路主要包括并联的第一能量吸收支路和第二能量吸收支路，第一能量吸收支路主要包括半控型电力电子器件和第一电容器，半控型电力电子器件的第一主电极与能量吸收电路的第一端连接，半控型电力电子器件的第二主电极与第一电容器的正极连接，第一电容器的负极与能量吸收电路的第二端。与此同时，能量吸收电路的第二端还通过二极管与电流转移电路连接。在对直流断路器进行断路控制时，可以利用能量吸收电路中的第一电容器以及第二电流转移模块中的第二电容器，在第一电流转移模块两端形成反向电压，使得第一电流转移模块中的半控型电力电子器件在承受反向电压后自动关断，无需再增加额外的辅助电路以控制半控型电力电子器件关断，进一步简化了直流断路器的拓扑结构以及成本。
进一步，在实施本发明的技术方案中，当需要对直流线路进行电流潮流控制时，可以控制第一主通流电路和第二主通流电路中的机械开关保持闭合状态，然后利用第一主通流电路和第二主通流电路中的负载换向开关以及电流转移电路中的第二电流转移模块形成一个用于对不同直流线路进行电流潮流控制的潮流控制器，通过控制负载换向开关和第二电流转移模块中的电力电子器件导通和/或关断，实现不同直流线路之间的电流转移。具体而言，可以根据直流线路的电流潮流控制需求，控制第一主通流电路、和/或第二主通流电路、和/或电流转移电路内的电力电子器件导通和/或关断，以使电流转移电路内的第二电容器向断路器内第一直流线路连接端子接入的直流线路施加正向电压或负向电压，调整直流线路的线路电流，以及向第二直流线路连接端子接入的直流线路施加负向电压或正向电压，调整直流线路的线路电流。
附图说明
下面参照附图来描述本发明的具体实施方式，附图中：
图1是常规的混合型直流断路器的拓扑结构示意图一；
图2是常规的混合型直流断路器的拓扑结构示意图二；
图3是根据本发明的一个实施例的双线路阻断集成式断路器的主要拓扑结构示意图；
图4a是图3所示断路器的电流路径示意图一；
图4b是图3所示断路器的电流路径示意图二；
图4c是图3所示断路器的电流路径示意图三；
图4d是图3所示断路器的电流路径示意图四；
图4e是图3所示断路器的电流路径示意图五；
图4f是图3所示断路器的电流路径示意图六；
图4g是图3所示断路器的电流路径示意图七；
图4h是图3所示断路器的电流路径示意图八；
图5是本发明的一个应用场景示意图；
图6是图3所示断路器阻断过程中的电流路径示意图一；
图7是图3所示断路器阻断过程中的电流路径示意图二；
图8是图3所示断路器阻断过程中的电流路径示意图三。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
这里先解释本发明涉及的一些术语。
全控型电力电子器件和半控型电力电子器件均是功率半导体器件，全控型电力电子器件可以包括但不限于：金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)或集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)等器件。半控型电力电子器件包括但不限于：可控硅(Silicon ControlledRectifier，SCR)。同时，这些电力电子器件均为三端器件，如MOSFET包含源极、漏极和门极，IGBT包含集电极、发射极和栅极，IGCT包含集电极、发射极和栅极，可控硅包括阳极、阴极和控制极。其中，源极、漏极、集电极、发射极、阳极和阴极是电力电子器件的主电极，门极、栅极和可控硅的控制极是电力电子器件的控制极。为了清楚描述断路器的结构，本发明中将电力电子器件中电源输入方向的主电极描述为第一主电极(如MOSFET的漏极、IGBT的集电极和SCR的阳极)，电源输出方向的主电极描述为第二主电极(如MOSFET的源极、IGBT的发射极和SCR的阴极)。
参阅附图3，图3是根据本发明的一个实施例的双线路阻断集成式断路器的主要拓扑结构示意图。如图3所示，本发明实施例中的双线路阻断集成式断路器主要包括第一主通流电路、第二主通流电路、电流转移电路和能量吸收电路。其中，第一主通流电路主要包括第一负载换向开关LCS1和第一机械开关UFD1，第二主通流电路主要包括第二负载换向开关LCS2和第二机械开关UFD2，电流转移电路主要包括由多个电力电子器件模组构成的第一电流转移模块T0以及由H桥功率子模块(图3所示电力电子器件S5-S8构成的功率模块)构成的第二电流转移模块，能量吸收电路主要包括由半控型电力电子器件T1和第一电容器C1构成的第一能量吸收支路以及由避雷器MOV构成的第二能量吸收支路。
下面分别对第一主通流电路、第二主通流电路、电流转移电路和能量吸收电路进行具体说明。
一、第一主通流电路和第二主通流电路
第一主通流电路的输入端与直流母线(图3所示的DC BUS)连接，第一主通流电路的输出端与第一直流线路连接端子(第一直流线路连接端子可以连接图3所示的直流线路Line12)连接，第二主通流电路的输入端与直流母线(图3所示的DC BUS)连接，第二主通流电路的输出端与第二直流线路连接端子(第二直流线路连接端子可以连接图3所示的直流线路Line13)连接。
参阅附图3，在本实施例中第一主通流电路主要包括第一负载换向开关和第一机械开关。其中，第一负载换向开关主要包括第一全控型电力电子器件S1如IGBT和第二全控型电力电子器件S2如IGBT，第一全控型电力电子器件S1的第一主电极(如IGBT的集电极)与第一主通流电路的输入端连接，第一全控型电力电子器件S1的第二主电极(如IGBT的发射极)与第二全控型电力电子器件S2的第二主电极(如IGBT的发射极)连接，第二全控型电力电子器件S2的第一主电极(如IGBT的集电极)通过述第一机械开关UFD1与第一主通流电路的第二端连接。
在本实施例中第二主通流电路主要包括第二负载换向开关和第二机械开关。其中，第二负载换向开关包括第三全控型电力电子器件S3如IGBT和第四全控型电力电子器件S4如IGBT，第三全控型电力电子器件S3的第一主电极(如IGBT的集电极)与第二主通流电路的输入端连接，第三全控型电力电子器件S3的第二主电极(如IGBT的发射极)与第四全控型电力电子器件的第二主电极(如IGBT的发射极)连接，第四全控型电力电子器件S4的第一主电极(如IGBT的集电极)通过第二机械开关UFD2与第二主通流电路的第二端连接。
继续参阅附图3，在本实施例中第一主通流电路和第二主通流电路中的每个全控型电力电子器件分别反向并联一个二极管。如图3所示，电力电子器件S1、S2、S3和S4分别反向并联一个二极管。
二、电流转移电路
电流转移电路的第一端连接于第一主通流电路的输出端与第一直流线路连接端子之间，电流转移电路的第二端连接于第二主通流电路的输出端与第二直流线路连接端子之间。如图3所示，第一电流转移模块T0与电流转移电路的第一端连接，该第一端连接于第一主通流电路的输出端与第一直流线路连接端子(图3未示出)之间。H桥功率子模块与电流转移电路的第二端，该第二端连接于第二主通流电路的输出端与第二直流线路连接端子(图3未示出)之间。
参阅附图3，在本实施例中电流转移电路主要包括第一电流转移模块和第二电流转移模块。其中，第一电流转移模块包括多个串联的电力电子器件模组(图3所示的T0)，每个电力电子器件模组均包括反向并联的半控型电力电子器件。第二电流转移模块包括基于全控型电力电子器件构建的H桥功率子模块(图3所示的由电力电子器件S5、S6、S7和S8构成的H桥功率子模块)。第一电流转移模块内电力电子器件模组的串联支路的第一端连接于第一主通流电路的输出端与第一直流线路连接端子之间(如图3所示，T0的第一端连接于UFD1与直流线路Line12所接入的直流线路连接端子之间)，串联支路的第二端与H桥功率子模块的第一端连接(如图3所示，T0的第二端与H桥功率子模块连接)，H桥功率子模块的第二端连接于第二主通流电路的输出端与第二直流线路连接端子之间(如图3所示，H桥功率子模块的第二端连接于UFD2与直流线路Line13所接入的直流线路连接端子之间)。
继续参阅附图3，在本实施例的一个实施方式中，H桥功率子模块可以包括第五全控型电力电子器件(图3所示的S5)、第六全控型电力电子器件(图3所示的S6)、第七全控型电力电子器件(图3所示的S7)、第八全控型电力电子器件(图3所示的S8)和第二电容器(图3所示的C2)。如图3所示，第五全控型电力电子器件S5的第二主电极与第二电容器C2的负极连接，第五全控型电力电子器件S5的第一主电极与分别与H桥功率子模块的第一端以及第六全控型电力电子器件S6的第二主电极连接，第六全控型电力电子器件S6的第一主电极与第二电容器C2的正极连接。第七全控型电力电子器件S7的第二主电极与第二电容器C2的负极连接，第七全控型电力电子器件S7的第一主电极与分别与H桥功率子模块的第二端以及第八全控型电力电子器件S8的第二主电极连接，第八全控型电力电子器件S8的第一主电极与第二电容器C2的正极连接。其中，S5、S6、S7和S8分别反向并联设置有一个二极管。第一主电极指的是电力电子器件(S5、S6、S7和S8)中电源输入方向的主电极，第二主电极指的是电力电子器件(S5、S6、S7和S8)中电源输出方向的主电极。
三、能量吸收电路
能量吸收电路的第一端与直流母线(图3所示的DC BUS)连接，能量吸收电路的第二端与第一二极管(图3所示的二极管D1)的阳极连接，能量吸收电路的第三端与第二二极管(图3所示的二极管D2)的阳极连接，第一二极管的阴极连接于第一主通流电路的输出端与电流转移电路的第一端之间，第二二极管的阴极连接于第二主通流电路的输出端与电流转移电路的第二端之间。
参阅附图3，在本实施例中述能量吸收电路主要包括并联的第一能量吸收支路和第二能量吸收支路。其中，第一能量吸收支路主要包括半控型电力电子器件(图3所示的T1)和第一电容器(图3所示的C1)，半控型电力电子器件T1的第一主电极与能量吸收电路的第一端连接，半控型电力电子器件T1的第二主电极与第一电容器C1的正极连接，第一电容器C1的负极与能量吸收电路的第二端。第二能量吸收支路主要包括避雷器(图3所示的MOV)，避雷器MOV的两端分别与第二能量吸收电路的第一端与第二端连接。第一主电极是电力电子器件(T1)中电源输入方向的主电极，第二主电极是电力电子器件(T1)中电源输出方向的主电极。
进一步，在一个实施方式中，不仅可以在检测到直流线路发生短路故障后对断路器进行断路控制，以对发生故障的直流线路进行短路保护，还可以根据直流线路的电流潮流控制需求，控制断路器内的电力电子器件导通/关断，实现对不同直流线路之间的电流潮流控制。下面分别对本实施方式中的断路器断路控制以及断路器潮流控制进行说明。
一、断路器断路控制
在本实施方式中可以检测断路器内第一直流线路连接端子与第二直流线路连接端子连接的直流线路是否发生短路故障，如果检测到某个直流线路发生故障，则按照以下步骤进行断路器断路控制，以对发生故障的直流线路进行短路保护：
当检测到某个直流线路发生短路故障后，控制电流转移电路导通，随后延迟一定时长后控制断路器内与发生故障的直流线路对应的主通流电路断开并且在主通流电路断开完全断开后立即控制电流转移电路断开，以使未发生故障的直流线路、能量吸收电路和发生故障的直流线路形成电能消耗回路，利用能量吸收电路来吸收/消耗故障电流。其中，发生故障的直流线路对应的主通流电路指的是这个直流线路连接的直流线路连接端子直接相连的主通流电路。例如：如果发生故障的直流线路连接的是第一直流线路连接端子，那么发生故障的直流线路对应的主通流电路就是第一主通流电路。参阅附图3，如果检测到直流线路Line12发生故障，那么首先控制电流转移电路导通，在电流转移电路导通后，第一主通流电路上流过的直流线路Line12的电流将转移到电流转移电路中，随后延迟一定时长(通过延迟一定时长使得第一主通流电路上流过的直流线路Line12的电流完全经电流转移电路消耗掉，以便于可以在零电流条件下控制第一主通流电路断开，即控制第一主通流电路中的第一机械开关在零电流条件下断开)控制第一主通流电路断开并且在第一主通流电路完全断开后立即控制电流转移电路断开，从而使直流线路Line13、能量吸收电路和直流线路Line12形成电能消耗回路。
在本实施方式中，可以按照以下步骤控制断路器内与发生故障的直流线路对应的主通流电路断开：当检测到某个直流线路发生短路故障并且控制电流转移电路导通后，首先延迟第一时长(例如：2微秒)，在延迟结束后控制“发生故障的直流线路对应的主通流电路”中的负载换向开关断开；然后再次延迟第二时长(例如：2微秒)，在延迟结束后控制“发生故障的直流线路对应的主通流电路”中的机械开关断开。
下面结合附图5-8对本实施方式中的断路器的断路控制过程做进一步描述。
首先参阅附图5，在由模块化多电平换流器MMC1、MMC2、MMC3组成的三端电力系统中，MMC1的直流输出侧设置有直流断路器，该断路器采用的是本实施例中图3所示的双线路阻断集成式断路器。当检测到直流线路Line12(图5中直流电流I12流经的线路)发生短路故障后，立即对直流断路器进行断路控制，以保护直流线路Line12中接入的电力设备。具体可以包括如下步骤11-步骤13。
步骤11：在检测到直流线路Line12发生短路故障后，首先立即控制电流转移电路内第二电流转移模块的第五全控型电力电子器件S5和第七全控型电力电子器件S7导通。然后延迟第一时长后控制第一全控型电力电子器件S1和第二全控型电力电子器件S2关断，随后再延迟第二时长后控制第一机械开关UFD1断开。参阅附图6，图6中的虚线表示当前状态下断路器内电流的流通路径。如图6所示，直流线路Line13(图6中直流电流I13流经的线路)中的直流电流(故障电流)依次流经第二直流线路接线端子(图6未示出)、S7、S5、第一电流转移模块(图6所示的T0)和第一直流线路接线端子(图6未示出)流入直流线路Line12。
步骤12：在第一机械开关UFD1完全断开后，控制S5和S7关断。继续参阅附图6可知，S5和S7导通过程中，故障电流是由第二电流转移模块流向第一电流转移模块，如果以第一电流转移模块为上、以第二电流转移模块流为下，那么此时第一电流转移模块的上端承受的是负极电压，下端承受的是正极电压。参阅附图7，由于第一电容器C1的电压是0，第二电容器C2存在一定的电压值，因此在S5和S7的关断瞬间，在第一电容器C1、第一二极管D1、第一电流转移模块、第二电容器C2和第二主通流电路构成的回路中，第一电流转移模块的上端承受正极电压，下端承受负极电压(与故障电流方向相反)，导致第一电流转移模块中的半控型电力电子器件承受反向电压而被关断，即“第一电容器C1、第一二极管D1、第一电流转移模块、第二电容器C2和第二主通流电路构成的回路”并不会形成导通回路，直流线路Line13(图7中直流电流I13流经的线路)中的直流电流(故障电流)只能依次流经第二直流线路接线端子(图7未示出)、S4、S3、T1、C1、D1和第一直流线路接线端子(图7未示出)流入直流线路Line12，此时C1能够消耗一部分故障电流。
步骤13：参阅附图8，当第一电容器C1的电压值达到避雷器的保护电压时，直流线路Line13(图8中直流电流I13流经的线路)中的直流电流(故障电流)会依次流经第二直流线路接线端子(图8未示出)、S4、S3、MOV、D1和第一直流线路接线端子(图8未示出)流入直流线路Line12，此时MOV能够消耗剩余的故障电流，当故障电流减小至无法导通D1时表明故障已被清除。
二、断路器潮流控制
参阅附图3，当需要对直流线路进行电流潮流控制时，首先控制第一机械开关UFD1和第一机械开关UFD2导通，然后利用第一负载换向开关、第二负载换向开关和H桥功率子模块形成一个用于对不同直流线路之间进行电流潮流控制的潮流控制器，通过控制第一负载换向开关、第二负载换向开关和H桥功率子模块中的电力电子器件导通和/或关断，实现不同直流线路之间的电流转移。具体而言，可以根据直流线路的电流潮流控制需求，控制第一主通流电路、和/或第二主通流电路、和/或电流转移电路内的电力电子器件导通和/或关断，以使电流转移电路内的第二电容器向断路器内第一直流线路连接端子接入的直流线路施加正向电压或负向电压，调整直流线路的线路电流，以及向第二直流线路连接端子接入的直流线路施加负向电压或正向电压，调整直流线路的线路电流。
通过控制第一负载换向开关、第二负载换向开关和H桥功率子模块中的电力电子器件导通和/或关断，可以形成如下表1-2所示的八种潮流控制模式。
表1(I1>0)
Figure BDA0002681283020000131
Figure BDA0002681283020000141
表2(I1<0)
Figure BDA0002681283020000142
在表1-2中，数字“1”表示电力电子器件导通信号，数字“0”表示电力电子器件关断信号，符号“↓”表示电流下降，符号“↑”表示电流上升，“充电”表示第二电容器C2处于充电状态，“放电”表示第二电容器C2处于放电状态。要说明的是，根据前述步骤11-步骤13描述的断路器的断路控制过程可知，在断路控制过程中，第二电容器C2能够向第一电流转移模块中的半控型电力电子器件提供反向电压，使得半控型电力电子器件承受反向电压而关断。所以，在断路器潮流控制中，第二电容器C2处于充放电状态。通过控制第二电容器C2的电压，使其保持在一个稳定的电压值，可以保证断路器具备稳定的断路能力。
下面结合附图4a-附图4h对表1-2所示的八种潮流控制模式进行具体说明。
(1)潮流控制模式1-2
在本实施例中通过控制电力电子器件导通/关断，控制断路器交替工作于潮流控制模式1(阶段1)和潮流控制模式2(阶段2)，以使直流线路Line12中的电流上升，直流线路Line13中的电流下降，即相当于将输出至直流线路Line13中的一部分电流转移到直流线路Line12中，实现了直流线路Line12与直流线路Line13的电流转移。下面分别对潮流控制模式1和2的具体控制过程做具体说明。
潮流控制模式1(阶段1)：参阅附图4a，在S1、S6和S7导通后，直流母线的直流电流I1(I1>0)在流经S1，以及与S2反向并联的二极管之后会形成两条电流流通路径。第一电流流通路径是电流经第一直流线路接线端子(图4a未示出)流入直流线路Line12，第二电流流通路径是电流经T0、S6、C2、S7和第二直流线路接线端子(图4a未示出)流入直流线路Line13，在第二电流流通路径中直流线路Line13对C2进行充电，相当于在直流线路Line13引入负电压。。
潮流控制模式2(阶段2)：参阅附图4b，在S3、S6和S7导通后，直流母线的直流电流I1(I1>0)在流经S3，以及与S4反向并联的二极管之后会形成两条电流流通路径。第一电流流通路径是电流经第二直流线路接线端子(图4b未示出)流入直流线路Line13，第二电流流通路径是电流经S7、C2、S6、T0和第一直流线路接线端子(图4a未示出)流入直流线路Line12，在第二电流流通路径中C2向直流线路Line12放电，相当于在直流线路Line12引入正电压。
(2)潮流控制模式3-4
在本实施例中通过控制电力电子器件导通/关断，控制断路器交替工作于潮流控制模式3(阶段3)和潮流控制模式3(阶段3)，以使直流线路Line12中的电流下降，直流线路Line13中的电流上升，即相当于将输出至直流线路Line12中的一部分电流转移到直流线路Line13中，实现了直流线路Line12与直流线路Line13的电流转移。下面分别对潮流控制模式3和4的具体控制过程做具体说明。
潮流控制模式3(阶段3)：参阅附图4c，在S1、S5和S8导通后，直流母线的直流电流I1(I1>0)在流经S1，以及与S2反向并联的二极管之后会形成两条电流流通路径。第一电流流通路径是电流经第一直流线路接线端子(图4c未示出)流入直流线路Line12，第二电流流通路径是电流经T0、S5、C2、S8、和第二直流线路接线端子(图4c未示出)流入直流线路Line13，在第二电流流通路径中C2向直流线路Line13放电，相当于在直流线路Line13引入正电压。
潮流控制模式4(阶段4)：参阅附图4d，在S3、S5和S8导通后，直流母线的直流电流I1(I1>0)在流经S3，以及与S4反向并联的二极管之后会形成两条电流流通路径。第一电流流通路径是电流经第二直流线路接线端子(图4d未示出)流入直流线路Line13，第二电流流通路径是电流经S8、C2、S5、T0和第一直流线路接线端子(图4d未示出)流入直流线路Line12，在第二电流流通路径中直流线路Line12对C2进行充电，相当于在直流线路Line12引入负电压。
(3)潮流控制模式5-8的潮流控制过程，与上述潮流控制模式1-4的潮流控制过程类似，为了描述简洁，在此不再赘述。其中，在潮流控制模式5-8下断路器内的电流流通路径分别如附图4e-附图4h所示。
根据上述断路器断路控制以及断路器潮流控制的描述可知，第一电容器C1和第二电容器C2的电容值会直接影响断路器的工作性能，为了保证断路器具备可靠、稳定的短路保护以及潮流控制能力，在一个实施方式中可以按照下式(1)和(2)所示的约束条件来选取第一电容器C1和第二电容器C2的电容值。
第一电容器C1的电容值的约束条件如下式(1)所示：
Figure BDA0002681283020000161
公式(1)中各参数含义是：
TSCR表示电流转移电路内第一电流转移模中的半控型电力电子器件的最小反向恢复时间，该时间可以根据实际选取的电力电子器件得到，例如通过电力电子器件的供应商提供的器件参数表中获取。VC1(TSCR)表示在TSCR时刻第一电容器的电压值，VC2表示第二电容器的电压值，UDC表示第一主通流电路与第二主通流电路连接的直流母线的直流电压，L12表示发生短路故障的直流线路中的故障点，以及该直流线路所连接的直流线路连接端子之间的电感，R12表示发生短路故障的直流线路中的故障点，以及该直流线路所连接的直流线路连接端子之间的电阻，i12(ta)表示在ta时刻发生短路故障的直流线路中的故障电流，ta是发生故障的直流线路对应的主通流电路完全断开且立即控制电流转移电路断开的时刻，C1表示第一电容器的电容值。
第二电容器的电容值C2的约束条件如下式(2)所示：
Figure BDA0002681283020000162
公式(2)中各参数含义是：
D表示第二电流转移模块内H桥功率子模块中的全控型电力电子器件导通/关断的占空比，I1表示第一主通流电路与第二主通流电路连接的直流母线的直流电流，ΔU表示直流母线的直流电压中的纹波峰峰值，f表示所述第一主通流电路、所述第二主通流电路和所述电流转移电路内全控型电力电子器件的开关频率。
需要指出的是，尽管上述实施例中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时(并行)执行或以其他顺序执行，这些变化都在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员能够理解的是，本发明实现上述一实施例的方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器、随机存取存储器、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
进一步，应该理解的是，由于各个模块的设定仅仅是为了说明本发明的系统的功能单元，这些模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，图中的各个模块的数量仅仅是示意性的。
本领域技术人员能够理解的是，可以对系统中的各个模块进行适应性地拆分或合并。对具体模块的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。
至此，已经结合附图所示的一个实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双线路阻断集成式断路器，其特征在于，所述断路器包括第一主通流电路、第二主通流电路、电流转移电路和能量吸收电路；
所述第一主通流电路的输入端与直流母线连接，所述第一主通流电路的输出端与第一直流线路连接端子连接；
所述第二主通流电路的输入端与所述直流母线连接，所述第二主通流电路的输出端与第二直流线路连接端子连接；
所述电流转移电路的第一端连接于所述第一主通流电路的输出端与所述第一直流线路连接端子之间，所述电流转移电路的第二端连接于所述第二主通流电路的输出端与所述第二直流线路连接端子之间；
所述能量吸收电路的第一端与所述直流母线连接，所述能量吸收电路的第二端与第一二极管的阳极连接，所述能量吸收电路的第三端与第二二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极连接于所述第一主通流电路的输出端与所述电流转移电路的第一端之间，所述第二二极管的阴极连接于所述第二主通流电路的输出端与所述电流转移电路的第二端之间；
所述电流转移电路包括第一电流转移模块和第二电流转移模块；
所述第一电流转移模块包括多个串联的电力电子器件模组，每个电力电子器件模组均包括反向并联的半控型电力电子器件；所述第二电流转移模块包括基于全控型电力电子器件构建的H桥功率子模块；
所述第一电流转移模块内电力电子器件模组的串联支路的第一端连接于所述第一主通流电路的输出端与所述第一直流线路连接端子之间，所述串联支路的第二端与所述H桥功率子模块的第一端连接，所述H桥功率子模块的第二端连接于所述第二主通流电路的输出端与所述第二直流线路连接端子之间。
2.根据权利要求1所述的双线路阻断集成式断路器，其特征在于，所述第一主通流电路包括第一负载换向开关和第一机械开关，所述第二主通流电路包括第二负载换向开关和第二机械开关；
所述第一负载换向开关包括第一全控型电力电子器件和第二全控型电力电子器件，所述第一全控型电力电子器件的第一主电极与所述第一主通流电路的输入端连接，所述第一全控型电力电子器件的第二主电极与所述第二全控型电力电子器件的第二主电极连接，所述第二全控型电力电子器件的第一主电极通过所述第一机械开关与所述第一主通流电路的第二端连接；
所述第二负载换向开关包括第三全控型电力电子器件和第四全控型电力电子器件，所述第三全控型电力电子器件的第一主电极与所述第二主通流电路的输入端连接，所述第三全控型电力电子器件的第二主电极与所述第四全控型电力电子器件的第二主电极连接，所述第四全控型电力电子器件的第一主电极通过所述第二机械开关与所述第二主通流电路的第二端连接；
其中，所述第一全控型电力电子器件、是第二全控型电力电子器件、所述第三全控型电力电子器件与所述第四全控型电力电子器件分别反向并联设置有一个二极管；第一主电极是电力电子器件中电源输入方向的主电极，第二主电极是电力电子器件中电源输出方向的主电极。
3.根据权利要求1所述的双线路阻断集成式断路器，其特征在于，所述H桥功率子模块包括第五全控型电力电子器件、第六全控型电力电子器件、第七全控型电力电子器件、第八全控型电力电子器件和第二电容器；
所述第五全控型电力电子器件的第二主电极与第二电容器的负极连接，所述第五全控型电力电子器件的第一主电极与分别与所述H桥功率子模块的第一端以及所述第六全控型电力电子器件的第二主电极连接，所述第六全控型电力电子器件的第一主电极与所述第二电容器的正极连接；
所述第七全控型电力电子器件的第二主电极与第二电容器的负极连接，所述第七全控型电力电子器件的第一主电极与分别与所述H桥功率子模块的第二端以及所述第八全控型电力电子器件的第二主电极连接，所述第八全控型电力电子器件的第一主电极与所述第二电容器的正极连接；
其中，所述第五全控型电力电子器件、第六全控型电力电子器件、第七全控型电力电子器件与第八全控型电力电子器件分别反向并联设置有一个二极管；第一主电极是电力电子器件中电源输入方向的主电极，第二主电极是电力电子器件中电源输出方向的主电极。
4.根据权利要求3所述的双线路阻断集成式断路器，其特征在于，所述能量吸收电路包括并联的第一能量吸收支路和第二能量吸收支路；
所述第一能量吸收支路包括半控型电力电子器件和第一电容器，所述半控型电力电子器件的第一主电极与所述能量吸收电路的第一端连接，所述半控型电力电子器件的第二主电极与所述第一电容器的正极连接，所述第一电容器的负极与所述能量吸收电路的第二端；
所述第二能量吸收支路包括避雷器，所述避雷器的两端分别与所述第二能量吸收电路的第一端与第二端连接；
其中，所述第一主电极是电力电子器件中电源输入方向的主电极，所述第二主电极是电力电子器件中电源输出方向的主电极。
5.根据权利要求1所述的双线路阻断集成式断路器，其特征在于，所述半控型电力电子器件包括晶闸管。
6.一种权利要求4所述的双线路阻断集成式断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
检测所述断路器内所述第一直流线路连接端子与所述第二直流线路连接端子连接的直流线路是否发生短路故障；
如果检测到某个直流线路发生短路故障，则控制所述电流转移电路导通，随后延迟一定时长后控制所述断路器内与所述发生故障的直流线路对应的主通流电路断开并且在所述主通流电路断开完全断开后立即控制所述电流转移电路断开，以使所述第一直流线路连接端子与所述第二直流线路连接端子连接的直流线路，以及能量吸收电路形成故障电流消耗回路，进行故障电流消耗；
其中，所述发生故障的直流线路对应的主通流电路是所述直流线路连接的直流线路连接端子直接相连的主通流电路。
7.根据权利要求6所述的双线路阻断集成式断路器的控制方法，其特征在于，“延迟一定时长后控制所述断路器内与所述发生故障的直流线路对应的主通流电路断开”的步骤具体包括：
当控制所述电流转移电路导通且延迟第一时长后，控制所述发生故障的直流线路对应的主通流电路中的负载换向开关断开，随后再延迟第二时长后控制所述主通流电路中的机械开关断开。
8.根据权利要求6所述的双线路阻断集成式断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
根据直流线路的电流潮流控制需求，控制所述第一主通流电路、和/或所述第二主通流电路、和/或所述电流转移电路内的电力电子器件导通和/或关断，以使所述电流转移电路内的第二电容器向所述断路器内所述第一直流线路连接端子接入的直流线路施加正向电压或负向电压，以及向所述第二直流线路连接端子接入的直流线路施加负向电压或正向电压，调整所述直流线路的线路电流。
9.根据权利要求6所述的双线路阻断集成式断路器的控制方法，其特征在于，
所述第一电容器的电容值C1的约束条件如下式所示：
Figure FDA0003836583640000041
其中，TSCR表示所述电流转移电路内第一电流转移模中的半控型电力电子器件的最小反向恢复时间，VC1(TSCR)表示在TSCR时刻所述第一电容器的电压值，VC2表示所述第二电容器的电压值，UDC表示所述第一主通流电路与所述第二主通流电路连接的直流母线的直流电压，L12表示发生短路故障的直流线路中的故障点，以及所述直流线路所连接的直流线路连接端子之间的电感，R12表示发生短路故障的直流线路中的故障点，以及所述直流线路连接的直流线路连接端子之间的电阻，i12(ta)表示在ta时刻发生短路故障的直流线路中的故障电流，ta是发生故障的直流线路对应的主通流电路完全断开且立即控制所述电流转移电路断开的时刻；
所述第二电容器的电容值C2的约束条件如下式所示：
Figure FDA0003836583640000042
其中，D表示所述第二电流转移模块内H桥功率子模块中的全控型电力电子器件导通/关断的占空比，I1表示所述第一主通流电路与所述第二主通流电路连接的直流母线的直流电流，ΔU表示所述直流母线的直流电压中的纹波峰峰值，f表示所述第一主通流电路、所述第二主通流电路和所述电流转移电路内全控型电力电子器件的开关频率。
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