CN112615611A - 一种多端口直流断路器及多端口直流系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多端口直流断路器及多端口直流系统。所述多端口直流断路器，包括：n个开断模块和n个出线端口；其中，n为大于或等于3的整数；所述开断模块包括第一端和第二端，且n个所述开断模块依次首尾相连；第i个所述出线端口从第i个所述开断模块的第一端引出；1≤i≤n；一个所述出线端口用于与多端口直流系统中的一条直流母线电连接；当一条所述直流母线故障时，与所述直流母线电连接的两个所述开断模块均断开。本发明实施例提供的多端口直流断路器，具有结构简单，设备集成度高、占地面积小以及造价低的优势；可以实现多端口直流电网潮流的灵活调节，提高系统运行可靠性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及直流断路器技术领域，尤其涉及一种多端口直流断路器及多端口直流系统。
背景技术
多端直流电网具备有功和无功功率独立控制、能够向无源网络供电、高度的灵活性和冗余性等优势，成为远距离输电以及新能源并网的理想选择。如今在世界范围内已经提出或者正在建设多个多端直流电网工程。随着直流配电应用场景的不断扩大，在配电领域越来越需要多端口的直流断路器，以满足不同电网之间、不同负荷之间的断开和闭合需要。
虽然直流电网具有传统交流电网所不具备的优势，但是其在实际运行过程中仍然存在诸多挑战，尤其是直流电网中发生短路故障后，故障电流上升速度非常快并且不存在过零点，这导致直流故障电流的分断问题不可忽视。一条直流线路的故障会影响整个直流电网的运行。现有的多端口直流系统通常是每条支路单独配置各自的直流断路器，存在结构复杂及潮流不可控的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种多端口直流断路器及多端口直流系统，以实现多端口直流电网潮流的灵活调节，提高系统运行可靠性；且本发明实施例提供的多端口直流断路器具有结构简单，设备集成度高、占地面积小以及造价低的优势。
第一方面，本发明实施例提供了一种多端口直流断路器，包括：n个开断模块和n个出线端口；其中，n为大于或等于3的整数；
所述开断模块包括第一端和第二端，且n个所述开断模块依次首尾相连；第i个所述出线端口从第i个所述开断模块的第一端引出；1≤i≤n；一个所述出线端口用于与多端口直流系统中的一条直流母线电连接；当一条所述直流母线故障时，与所述直流母线电连接的两个所述开断模块均断开。
可选地，所述多端口直流断路器还包括：n个开关；第i个所述开关的第一端与第i个所述出线端口电连接，第i个所述开关的第二端与第i个所述开断模块的第一端电连接。
可选地，所述多端口直流断路器还包括：n个限流电抗器；第i个所述限流电抗器的第一端与第i个所述出线端口电连接，第i个所述限流电抗器的第二端与第i个所述开断模块的第一端电连接。
可选地，所述开断模块包括：固态式直流断路器；所述固态式直流断路器的第一端为所述开断模块的第一端，所述固态式直流断路器的第二端为所述开断模块的第二端。
可选地，所述固态式直流断路器为串联式固态式直流断路器；或者，所述固态式直流断路器为并联式固态式直流断路器。
可选地，所述开断模块包括：混合式直流断路器；所述混合式直流断路器的第一端为所述开断模块的第一端，所述混合式直流断路器的第二端为所述开断模块的第二端。
可选地，所述混合式直流断路器包括：主通流支路、电流转移支路、能耗支路和电容支路；所述主通流支路、所述电流转移支路、所述能耗支路和所述电容支路并联连接。
可选地，所述主通流支路包括：机械开关和电力电子开关；所述机械开关和所述电力电子开关串联连接。
可选地，所述能耗支路包括：氧化锌避雷器。
第二方面，本发明实施例还提供了一种多端口直流系统，包括：如本发明任意实施例所提供的多端口直流断路器。
本发明实施例所提供的多端口直流断路器，用于不同线路之间、不同负荷之间的断开和闭合需要，具有结构简单、设备集成度高、占地面积小以及造价低的优势。并且，设置多端口直流系统中的每条直流母线(每条支路)均与两个开断模块连接，一方面，每个开断模块均具备能量双向流动的功能，使得相邻直流母线间可以提供功率的相互支撑，比如当一条直流母线存在过负荷时，其他相邻直流母线可以通过开断模块向该母线提供能量，以避免过负荷运行的影响；另一方面，当某条直流母线故障时，与其连接的两个开断模块断开即可隔离该故障母线对其他支路的影响。因此，与现有技术相比，本发明实施例可以实现多端口直流电网潮流的灵活调节，提高系统运行可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多端口直流断路器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种多端口直流断路器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的又一种多端口直流断路器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的又一种多端口直流断路器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种开断模块的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种开断模块的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的又一种开断模块的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的又一种开断模块的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的又一种开断模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供了一种多端口直流断路器。图1是本发明实施例提供的一种多端口直流断路器的结构示意图。参见图1，该多端口直流断路器包括：n个开断模块(分别用10-1、10-2、……、10-n表示)和n个出线端口(分别用Port1、Port2、……、Portn表示)；其中，n为大于或等于3的整数。
开断模块10包括第一端和第二端，且n个开断模块10依次首尾相连；第i个出线端口Porti从第i个开断模块10-i的第一端引出；1≤i≤n；一个出线端口Port用于与多端口直流系统中的一条直流母线电连接；当一条直流母线故障时，与直流母线电连接的两个开断模块10均断开。
其中，该多端口直流断路器适用于直流系统中包含3条及以上支路的应用场景。可选地，该多端口直流断路器可以应用于配电级别，比如电压等级大于等于10kV的系统。
开断模块10用于断开直流母线上的正常直流电流或故障电流，以及闭合线路；每个开断模块10均支持能量的双向流动。可选地，开断模块可以由开关和电力电子器件等构成。出线端口Port用于连接外部线路，出线端口Port的数量根据系统中直流母线的数量确定。
如图1所示，在该多端口直流断路器中，n个开断模块10首尾相接连成环形。第一个出线端口Port1与第一个开断模块10-1的第一端和第n个开断模块10-n的第二端电连接；第二个出线端口Port2与第二个开断模块10-2的第一端和第一个开断模块10-1的第二端电连接，以此类推。
该多端口直流断路器的工作模式分为：正常工作模式、功率支撑模式和故障处理模式。在正常工作模式下，所有开断模块10均导通，每条直流母线均为自身连接的负荷提供能量；在功率支撑模式下，所有开断模块10均导通，能量冗余的直流母线通过其连接的开断模块10向能量不足的直流母线传输功率；在故障处理模式下，与出现故障的直流母线连接的两个开断模块10均断开，以将该直流母线与其他正常运行的直流母线隔离，防止故障蔓延到其他母线，防止故障对直流系统的影响扩大。
本发明实施例所提供的多端口直流断路器，用于不同线路之间、不同负荷之间的断开和闭合需要，具有结构简单、设备集成度高、占地面积小以及造价低的优势。并且，设置多端口直流系统中的每条直流母线(每条支路)均与两个开断模块10连接，一方面，每个开断模块10均具备能量双向流动的功能，使得相邻直流母线间可以提供功率的相互支撑，比如当一条直流母线存在过负荷时，其他相邻直流母线可以通过开断模块10向该母线提供能量，以避免过负荷运行的影响；另一方面，当某条直流母线故障时，与其连接的两个开断模块10断开即可隔离该故障母线对其他支路的影响。因此，本发明实施例可以实现多端口直流电网潮流的灵活调节，提高系统运行可靠性。
图2是本发明实施例提供的另一种多端口直流断路器的结构示意图。下面结合图2，以多端口直流断路器包括三个开断模块10和三个出线端口Port为例，对该多端口直流断路器的结构和工作原理进行具体说明。
该多端口直流断路器的结构为：三个开断模块10首尾相接连成环形。第一个出线端口Port1与第一个开断模块10-1的第一端和第三个开断模块10-3的第二端电连接；第二个出线端口Port2与第二个开断模块10-2的第一端和第一个开断模块10-1的第二端电连接；第三个出线端口Port3与第三个开断模块10-3的第一端和第二个开断模块10-2的第二端电连接。
在正常工作模式下，三个开断模块10均导通，每条直流母线独立运行。
在功率支撑模式下，三个开断模块10均导通，某个直流母线能量不足，比如第二个出线端口Port2连接的直流母线(称为第二支路)出现了过负荷运行的问题，但第一个出线端口Port1连接的直流母线(称为第一支路)和第三个出线端口Port3(称为第三支路)连接的直流母线均存在能量剩余。那么，第一支路通过第一个开断模块10-1向第二支路提供能量，第三支路通过第二个开断模块10-2向第二支路提供能量。如此，实现各支路间的功率相互支撑，避免第二支路长期过负荷运行
在故障处理模式下，与故障相关的开断模块10断开。比如第二支路出现了短路故障，此时，第一个开断模块10-1与第二个开断模块10-2均断开，断开第一支路和第二支路的联系；同时，断开第三支路和第二支路的联系。但第三个开断模块10-3仍导通，第一支路与第三支路间仍可以实现能量交换。
图3是本发明实施例提供的又一种多端口直流断路器的结构示意图。参见图2，在上述各实施方式的基础上，可选地，该多端口直流断路器还包括：n个开关(分别用SW1、SW2、……、SWn表示)；第i个开关SWi的第一端与第i个出线端口Porti电连接，第i个开关SWi的第二端与第i个开断模块10-i的第一端电连接(比如第n个出线端口Portn接在第n个开关SWn的第一端)。
可选地，开关SW可以是负荷开关等具备开关能力的设备，其可通过线路电流，但不具备带电流断开功能。本发明实施例这样设置，使得当需要停电检修或开展试验时，通过开关SW产生物理上的断开，给每条支路产生物理上的端口，而无需开断模块10动作，从而延长开关模块10的使用时间。
继续参见图3，在上述各实施方式的基础上，可选地，该多端口直流断路器还包括：n个限流电抗器(分别用L1、L2、……、Ln表示)；第i个限流电抗器Li的第一端与第i个出线端口Porti电连接，第i个限流电抗器Li的第二端与第i个开断模块10-i的第一端电连接(比如第n个出线端口Portn接在第n个限流电抗器Ln的第一端)。本发明实施例通过设置限流电抗器L，限制支路线路上电流突变，起到对多端口直流断路器的过流保护功能。
继续参见图3，在上述各实施方式的基础上，可选地，该多端口直流断路器可以包括：n个开关SW和n个限流电抗器L一一对应电连接。在此基础上，图4给出了该多端口直流断路器的一种可能结构。参见图4，该多端口直流断路器为四端口直流断路，四个开断模块10首尾相接连成环形。第一个开关SW1和第一个限流电抗器L1串联连接在第一个出线端口Port1和第一个开断模块10-1的第一端之间；第二个开关SW2和第二个限流电抗器L2串联连接在第二个出线端口Port2和第二个开断模块10-2的第一端之间；第三个开关SW3和第三个限流电抗器L3串联连接在第三个出线端口Port3和第三个开断模块10-3的第一端之间；第四个开关SW4和第四个限流电抗器L4串联连接在第四个出线端口Port4和第四个开断模块10-4的第一端之间。
上述各实施例示例性地给出了多端口直流断路器的整体结构和工作原理。在上述各实施例的基础上，可选地，开断模块10的结构有多种。下面就其中的几种结构进行说明，但不作为对本发明的限定。
图5是本发明实施例提供的一种开断模块的结构示意图。参见图5，在一种实施方式中，可选地，开断模块10包括：固态式直流断路器；固态式直流断路器的第一端为开断模块10的第一端，固态式直流断路器的第二端为开断模块10的第二端。
可选地，该固态式直流断路器包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第一晶体管T1、第二晶体管T2和避雷器MOV。其中，第一二极管D1和第一晶体管T1反向并联连接构成第一单元211，第二二极管D2和第二晶体管T2反向并联连接构成第二单元212。第一单元211与第二单元212串联连接后，与避雷器MOV并联连接。由于第一单元211和第二单元212的电流可流通方向相反，二者串联连接使得固态式直流断路器具有能量双向流动的功能，通过控制晶体管的关断和导通就可以控制功率流动，实现每一个端口都可以对其它端口进行功率支撑。避雷器MOV的作用是抑制线路上产生的过电压，以及在固态式直流断路器关断的时候，吸收关断过程中产生的能量。
本发明实施例提供的开断模块10，由固态式直流断路器构成，通过晶体管的导通和关断就可以实现线路的连接和断开，无需额外的换流回路提供直流过零点，结构较为简单，且通流能力大，故障电流关断速度快，有利于快速切除故障，防止故障范围扩大。
继续参见图5，在上述各实施方式的基础上，可选地，第一晶体管T1和第二晶体管T2可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或集成栅极换流晶闸管(integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)等电力电子器件；避雷器MOV可以是氧化锌避雷器。
上述各实施例提供了固态式直流断路器的结构，可选地，在实际应用时，为了满足开断电压和电流的需求，可以将图5所示的固态式直流断路器的结构作为一个开断单元，将多个开断单元连接起来构成开断模块10。下面，就多个开断单元的连接方式进行说明。
图6是本发明实施例提供的另一种开断模块的结构示意图。参见图6，在一种实施方式中，可选地，固态式直流断路器为串联式固态式直流断路器。此时，开断模块10由多个开断单元210串联而成，第一个开断单元210的第一端为开断模块10的第一端，最后一个开断单元210的第二端为开断模块10的第二端。
图7是本发明实施例提供的又一种开断模块的结构示意图。参见图7，在一种实施方式中，可选地，固态式直流断路器为并联式固态式直流断路器。此时，开断模块10由多个开断单元210串联而成。任一个(此处为第一个)开断单元210的第一端为开断模块10的第一端，任一个(此处为最后一个)开断单元210的第二端为开断模块10的第二端。
在其他实施方式中，还可以根据实际需求，将多个开断单元210设置为串并联结合的形式。
上述各实施方式示例性地给出了开断模块10由固态式支路断路器构成的方案，但不作为对本发明的限定。在其他实施方式中，也可以将开断模块10设置为混合式直流断路器。下面，对混合式直流断路器的几种结构进行说明。
图8是本发明实施例提供的又一种开断模块的结构示意图。参见图8，在一种实施方式中，可选地，开断模块10包括：混合式直流断路器；混合式直流断路器的第一端为开断模块的第一端，混合式直流断路器的第二端为开断模块的第二端。
其中，混合式直流断路器由机械式开关与电力电子开关共同构成。相比于纯固态式直流断路器，混合式直流断路器的造价更低，可靠性更高。
继续参见图8，在上述各实施方式的基础上，可选地，混合式直流断路器包括：主通流支路320、电流转移支路330、能耗支路310和电容支路340；主通流支路320、电流转移支路330、能耗支路310和电容支路340并联连接。
混合式直流断路器的工作原理为：当出现故障时，电流转移支路330导通，提供故障电流的通路或为主流通支路320提供强迫过零点，使主流通支路320易于断开。其中，能耗支路310的作用是抑制线路上产生的过电压，当混合式直流断路器关断的时候，吸收关断过程中产生的能量。可选地，能耗支路310包括氧化锌避雷器。电容支路340的作用是可以快速吸收主流通支路320动作时产生的电流，进而更有效保护主流通支路320中的开关器件。可选地，电容支路340可以通过单独的电容构成。
进一步地，主通流支路320包括：机械开关321和电力电子开关322；机械开关321和电力电子开关322串联连接。其中，为了保证开断时效，机械开关321可以是快速机械开关，其具有快速关断主通流支路320的电流的能力，一般动作时间小于5ms。电力电子开关322可以由IGBT和二极管反向并联构成。IGBT还可以通过具有相同功能的电力电子器件替换，如IGCT等。二极管具有正向通流、反向截断的功能。
上述各实施例示例性地给出了混合式直流断路器为半桥式的情况，但不作为对本发明的限定。在其他实施方式中，可选地，如图9所示，电力电子开关321和电流转移之路330均可以由并联的电力电子器件构成。
本发明实施例还提供了一种多端口直流系统，包括本发明任意实施例所提供的多端口直流断路器，具有相应的有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种多端口直流断路器，其特征在于，包括：n个开断模块和n个出线端口；其中，n为大于或等于3的整数；
所述开断模块包括第一端和第二端，且n个所述开断模块依次首尾相连；第i个所述出线端口从第i个所述开断模块的第一端引出；1≤i≤n；一个所述出线端口用于与多端口直流系统中的一条直流母线电连接；当一条所述直流母线故障时，与所述直流母线电连接的两个所述开断模块均断开。
2.根据权利要求1所述的多端口直流断路器，其特征在于，还包括：n个开关；第i个所述开关的第一端与第i个所述出线端口电连接，第i个所述开关的第二端与第i个所述开断模块的第一端电连接。
3.根据权利要求1所述的多端口直流断路器，其特征在于，还包括：n个限流电抗器；第i个所述限流电抗器的第一端与第i个所述出线端口电连接，第i个所述限流电抗器的第二端与第i个所述开断模块的第一端电连接。
4.根据权利要求1所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述开断模块包括：固态式直流断路器；所述固态式直流断路器的第一端为所述开断模块的第一端，所述固态式直流断路器的第二端为所述开断模块的第二端。
5.根据权利要求4所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述固态式直流断路器为串联式固态式直流断路器；或者，所述固态式直流断路器为并联式固态式直流断路器。
6.根据权利要求1所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述开断模块包括：混合式直流断路器；所述混合式直流断路器的第一端为所述开断模块的第一端，所述混合式直流断路器的第二端为所述开断模块的第二端。
7.根据权利要求6所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述混合式直流断路器包括：主通流支路、电流转移支路、能耗支路和电容支路；所述主通流支路、所述电流转移支路、所述能耗支路和所述电容支路并联连接。
8.根据权利要求7所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述主通流支路包括：机械开关和电力电子开关；所述机械开关和所述电力电子开关串联连接。
9.根据权利要求7所述的多端口直流断路器，其特征在于，所述能耗支路包括：氧化锌避雷器。
10.一种多端口直流系统，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一项所述的多端口直流断路器。
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