CN112865046A - 一种多功能多端口混合式直流断路器及控制方法 - Google Patents

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李弸智
刘远
张升
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Abstract

本发明提供的一种多功能多端口混合式直流断路器及控制方法，该断路器包括：潮流控制模块、多个通流模块、限流模块、耗能模块、开断模块及多个选择模块，其中，潮流控制模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与各通流模块的一端连接，各通流模块的另一端与每条直流线路接线端口连接，直流母线接线端口与直流线路接线端口一一对应设置；各选择模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与限流模块的一端连接；限流模块的另一端分别与耗能模块的一端及开断模块的一端连接；耗能模块的另一端及开断模块的另一端与直流母线连接。通过实施本发明，使得直流断路器设备投资大幅减少，且具备潮流控制能力，有利于推动多端及直流电网的发挥。

Description

一种多功能多端口混合式直流断路器及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种多功能多端口混合式直流断路器及控制方法。
背景技术
高压直流断路器是多端及直流电网构建的核心设备之一，其技术经济性直接影响了直流电网应用的灵活性与广泛性。随着风光等可再生能源大规模开发，直流电网传输容量及应用规模将不断增加，网架结构将日趋复杂，规模化应用对高压直流断路器技术经济性将提出更高的要求。
目前高压直流断路器主要有混合式与机械式两种技术路线。机械式方案存在小电流开断时间长、快速重合闸困难等瓶颈问题，限制了该方案开断性能的提升，且其成本随着重合闸次数的增加显著提升。因此，相较于机械式直流断路器，混合式方案在工程上应用更为广泛，然而目前的混合式直流断路器通常采用大量的全控型电力电子器件，随着开断电流需求的提升，将会造成器件进一步增大，导致成本大幅增加。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中混合式直流断路器成本高的缺陷，从而提供一种多功能多端口混合式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功能多端口混合式直流断路器，包括：潮流控制模块、多个通流模块、限流模块、耗能模块、开断模块及多个选择模块，其中，所述潮流控制模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与各所述通流模块的一端连接，各所述通流模块的另一端与每条直流线路接线端口连接，所述直流母线接线端口与所述直流线路接线端口一一对应设置；各所述选择模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与所述限流模块的一端连接；所述限流模块的另一端分别与所述耗能模块的一端及开断模块的一端连接；所述耗能模块的另一端及开断模块的另一端与所述直流母线连接。
可选地，所述潮流控制模块包括：与各直流线路一一对应设置的电力电子开关单元，以及设置于每两条相邻直流线路之间的电容，其中，每个电容的两端分别与两条相邻直流线路连接；所述电力电子开关单元包括电力电子开关器件及预充电电容。
可选地，所述通流模块包括至少一个机械开关。
可选地，所述选择模块包括：机械开关和至少一个双向电力电子开关单元，其中，所述机械开关与各所述双向电力电子开关单元串联连接。
可选地，所述选择模块包括：多个串联的双向电力电子开关单元和与多个串联的双向电力电子开关单元并联连接的非线性电阻。
可选地，所述限流模块为阻性限流模块、容性限流模块或感性限流模块。
可选地，所述耗能模块为避雷器。
可选地，所述开断模块包括至少一个双向电力电子开关单元。
第二方面，本发明实施例提供一种多功能多端口混合式直流断路器控制方法，应用于本发明实施例第一方面所述的多功能多端口混合式直流断路器控制方法，所述控制方法包括：在接受到线路潮流指令时，闭锁潮流控制模块中的各电力电子开关单元以调节线路潮流。
可选地，所述控制方法还包括：在接受到当前直流线路故障分断指令时，闭锁当前直流线路中的潮流控制模块电力电子开关单元同时导通开断模块及与当前直流线路连接的选择模块，以使所述当前直流线路的故障电流流入换流支路中；电流转移完成后，分断直流线路中的通流模块及与其他线路相连的选择模块；当故障电流在限流模块作用下下降至开断单元开断能力范围内，闭锁开断单元，将电流转移至耗能模块进行清除。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的多功能多端口混合式直流断路器，包括：潮流控制模块、多个通流模块、限流模块、耗能模块、开断模块及多个选择模块，其中，潮流控制模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与各通流模块的一端连接，各通流模块的另一端与每条直流线路接线端口连接，直流母线接线端口与直流线路接线端口一一对应设置；各选择模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与限流模块的一端连接；限流模块的另一端分别与耗能模块的一端及开断模块的一端连接；耗能模块的另一端及开断模块的另一端与直流母线连接。上述多功能多端口混合式直流断路器可应用在多端口结构中，具备多条直流线路潮流控制、短路电流限制与开断能力，减少了直流断路器整体体积和成本，使之具备良好的技术与经济性能，可满足高压直流断路器规模化应用需求。进一步地，通过共用换流支路，大幅降低了直流断路器的设备投资，有利于多端及直流电网的建设。
本发明提供的多功能多端口混合式直流断路器控制方法，通过在多端口直流系统中配置多功能多端口混合式直流断路器控制方法，利用电流注入式直流断路器即可实现同时多条直流线路潮流控制、短路电流限制与开断，减少了直流断路器整体体积和成本，可满足高压直流断路器规模化应用需求，同时大幅降低了直流断路器的设备投资，有利于多端及直流电网的建设。
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功能多端口混合式直流断路器一个具体示例的结构图；
图2为本发明实施例中潮流控制模块的一个具体示例的拓扑结构图；
图3为本发明实施例中电力电子开关单元的一个具体示例的拓扑结构图；
图4为本发明实施例中电力电子开关单元的另一个具体示例的拓扑结构图；
图5为本发明实施例中电力电子开关单元的另一个具体示例的拓扑结构图；
图6为本发明实施例中选择模块的一个具体示例的拓扑结构图；
图7为本发明实施例中选择模块的另一个具体示例的拓扑结构图；
图8为本发明实施例中选择模块的另一个具体示例的拓扑结构图；
图9为本发明实施例中阻性限流模块的一个具体示例的拓扑结构图；
图10为本发明实施例中容性限流模块的一个具体示例的拓扑结构图；
图11为本发明实施例中感性限流模块的一个具体示例的拓扑结构图；
图12为本发明实施例中多功能多端口混合式直流断路器的另一个具体示例的结构图；
图13为本发明实施例中多功能多端口混合式直流断路器控制方法的一个具体示例的流程图。
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。
本发明实施例提供一种多功能多端口混合式直流断路器，应用于多端及柔直电网。上述多功能多端口混合式直流断路器，如图1所示，包括：潮流控制模块、多个通流模块、限流模块、耗能模块、开断模块及多个选择模块，其中，潮流控制模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与各通流模块的一端连接，各通流模块的另一端与每条直流线路接线端口连接，直流母线接线端口与直流线路接线端口一一对应设置；各选择模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与限流模块的一端连接；限流模块的另一端分别与耗能模块的一端及开断模块的一端连接；耗能模块的另一端及开断模块的另一端与直流母线连接。
在一具体实施例中，多功能多端口混合式直流断路器安装在直流电网中，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换流支路，实现故障阻断功能。在本发明实施例中，直流母线接线端口与直流线路接线端口在图1中未示出。
本发明提供的多功能多端口混合式直流断路器，包括：潮流控制模块、多个通流模块、限流模块、耗能模块、开断模块及多个选择模块，其中，潮流控制模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与各通流模块的一端连接，各通流模块的另一端与每条直流线路接线端口连接，直流母线接线端口与直流线路接线端口一一对应设置；各选择模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与限流模块的一端连接；限流模块的另一端分别与耗能模块的一端及开断模块的一端连接；耗能模块的另一端及开断模块的另一端与直流母线连接。上述多功能多端口混合式直流断路器可应用在多端口结构中，具备多条直流线路潮流控制、短路电流限制与开断能力，减少了直流断路器整体体积和成本，使之具备良好的技术与经济性能，可满足高压直流断路器规模化应用需求。进一步地，通过共用换流支路，大幅降低了直流断路器的设备投资，有利于多端及直流电网的建设。
在一实施例中，如图2所示，潮流控制模块包括：与各直流线路一一对应设置的电力电子开关单元，以及设置于每两条相邻直流线路之间的电容，其中，每个电容的两端分别与两条相邻直流线路连接；电力电子开关单元包括电力电子开关器件及预充电电容。
在一具体实施例中，潮流控制模块要用于实现系统稳态下各线路潮流控制，及系统故障后故障线路电流转移。当电力电子开关单元闭锁后，投入电力电子开关单元中的预充电电容，在直流线路之间形成压差，调节潮流，并通过设置于每两条相邻直流线路之间的电容实现相邻直流线路投入的电容电压的平衡。在本发明实施例中，电力电子开关单元有多种构成形成，包括如图3所示的全控器件反向串联形式，其中，带有储能功能的预充电电容并联于反向串联器件两端；包括如图4所示的全控器件构成的全桥模块形式，其中，带有储能功能的预充电电容并联于桥臂之间；包括如图5所示的二极管构成的全桥模块形式，其中，预充电电容并联于桥臂之间。在本发明实施例中，电力电子开关器件包括：IGBT、二极管等，仅以此为例，不以此为限。通过配置带有储能功能的预充电电容及极线电容，可以灵活实现各直流线路之间的潮流转移，可显著提升直流电网的灵活性。
在一实施例中，通流模块包括至少一个机械开关。
在一具体实施例中，通流模块由至少一个快速机械开关构成，主要用于导通系统稳态运行时额定电流，及耐受系统故障后直流断路器开断过程中的暂态电压。通过在通流模块中仅设置机械开关，使得运行损耗近似为零，且不需要水冷系统，提高了断路器的可靠性。
在一实施例中，如图6所示，选择模块包括：机械开关和至少一个双向电力电子开关单元，其中，机械开关与各双向电力电子开关单元串联连接。
在一具体实施例中，选择模块为一种双向导通与阻断能力的快速开关单元，主要用于选择实现故障线路的短路电流及非故障线路的暂态开断电压隔离。可选地，如图7所示，选择模块还可以包括：多个串联的双向电力电子开关单元和与多个串联的双向电力电子开关单元并联连接的非线性电阻。可选地，如图8所示，选择模块还可以为二极管阀与晶闸管阀的反向并联的形式。通过配置多种选择模块拓扑设计，可依据不同直流电网系统网架结构及运行需求，实现最优综合性能配合，提升设备整体的技术经济性。
在一实施例中，限流模块为阻性限流模块、容性限流模块或感性限流模块。
在一具体实施例中，限流模块主要用于实现故障电流限制，可以为阻性限流模块、或者为由非线性的电容构成的容性限流模块，或者为晶闸管投切的电抗的感性限流模块。在本发明实施例中，阻性限流模块如图9所示，包括可变电阻R1。容性限流模块如图10所示，包括第一电阻R2及可调电容C1，其中，第一电阻R2与可调电容C1并联连接。感性限流模块如图11所示，包括第一电容C2、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3及第一电感L，其中，第一电容C2的一端与第一晶闸管T1的阳极连接，另一端与第二晶闸管T2的阳极及第三晶闸管T3的阴极连接，第一晶闸管T1的阴极与第一电感L的一端连接，第一电感L的另一端与第二晶闸管T2的阴极及第三晶闸管T3的阳极连接。通过设置限流模块，可在电流开断过程中有效限制短路电流，降低开断模块的开断电流要求，从而有利于减少器件并联数，同时还实现了开断模块全控器件多线路共用，从两个方面大幅降低了直流断路器一次成本与体积。
在一实施例中，耗能模块为避雷器。
在一具体实施例中，耗能单元为非线性的电阻片串联，用于吸收系统感性元件电磁能量，清除短路电流。
在一实施例中，开断模块包括至少一个双向电力电子开关单元。
在一具体实施例中，开断模块为高速的双向电力电子开关单元，用于实现短路电流的开断，其典型的结构为全控器件反向串联或者桥式模块，在本发明实施例中，双向电力电子开关单元包括IGBT器件及与IGBT器件反向并联的二极管。
本发明实施例还提供一种多功能多端口混合式直流断路器控制方法，应用于上述多功能多端口混合式直流断路器控制方法，上述控制方法包括：在接受到线路潮流指令时，闭锁潮流控制模块中的各电力电子开关单元以调节线路潮流。
在一具体实施例中，其控制方法具体以图12所示的电流注入式直流断路器为例进行说明，首先在稳态运行时，开断模块处于闭锁状态，各选择模块均处于阻断状态，电流经直流线路上的机械开关K1、机械开关K2及电力电子开关单元1、电力电子开关单元2流通。当需要调节线路潮流时，闭锁相邻两条直流线路的电力电子开关单元，投入电力电子开关单元中的预充电电容，改变线路潮流，同时通过极线间电容器可以实现两条线路投入电容器电压平衡。
在一实施例中，如图13所示，控制方法还包括如下步骤：
步骤S1：在接受到当前直流线路故障分断指令时，闭锁当前直流线路中的潮流控制模块电力电子开关单元同时导通开断模块及与当前直流线路连接的选择模块，以使当前直流线路的故障电流流入换流支路中。
步骤S2：电流转移完成后，分断直流线路中的通流模块及与其他线路相连的选择模块。
步骤S3：当故障电流在限流模块作用下下降至开断单元开断能力范围内，闭锁开断单元，将电流转移至耗能模块进行清除。
在一具体实施例中，当断路器监测到直流线路1发生故障，闭锁与故障直流线路1连接的电力电子开关单元1，同时触发开断模块中的IGBT导通，并导通选择模块1，将故障直流线路1上的电流转移至换流支路中。在电流转移过程中，限流模块电容呈现为高容值，保障快速换流。在换流完成后，将机械开关K1快速分闸，同时限流模块中的电容容值随着电压增高而变化当达到某一电压阈值会，会迅速降成很小的容值，快速建立电压限制短路电流。当快速机械开关K1达到耐受暂态电压，且短路电流下降到开断模块可关断水平时，开断模块闭锁，将电流强迫转移至耗能模块MOV中，实现电流清除，完成关断。通过上述故障隔离操作，在实现母线故障的快速隔离，还能维持直流电网的网状结构运行，大幅提高各线路的利用率。
当断路器监测到直流线路1与直流线路2同时发生故障，同步闭锁与故障直流线路1连接的电力电子开关单元1及与故障直流线路2连接的电力电子开关单元2，同时触发开断模块中的IGBT导通，并同步导通选择模块1及选择模块2，将故障直流线路1及故障直流线路2上电流转移至换流支路中。在电流转移过程中，限流模块电容呈现为高容值，保障快速换流。在换流完成后，将通流模块1中的机械开关K1及通流模块2中的机械开关K2快速分闸，同时限流模块中的电容容值随着电压增高而变化当达到某一电压阈值会，会迅速降成很小的容值，快速建立电压限制短路电流。当快速机械开关K1及机械开关K2达到耐受暂态电压，且短路电流下降到开断模块可关断水平时，开断模块闭锁，将电流强迫转移至耗能模块MOV中，实现电流清除。
在直流线路1发生故障后，实时监测直流线路1的电流上升率和电流幅，当直流线路1的电流上升率和电流幅值恢复正常即直流线路1故障清除后，首先闭锁开断模块中的IGBT，控制与当前直流线路连接的换流支路停止工作，并闭合机械开关K1，控制直流线路中的通流模块接通当前直流线路。若故障仍存在，则再次闭合开断模块中的IGBT，控制与当前直流线路连接的换流支路开启工作，以使当前直流线路的故障电流流入换流支路中的耗能模块进行故障电流的清除。
本发明提供的多功能多端口混合式直流断路器控制方法，通过在多端口直流系统中配置多功能多端口混合式直流断路器控制方法，利用电流注入式直流断路器即可实现同时多条直流线路潮流控制、短路电流限制与开断，减少了直流断路器整体体积和成本，可满足高压直流断路器规模化应用需求，同时大幅降低了直流断路器的设备投资，有利于多端及直流电网的建设。
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 (10)

1.一种多功能多端口混合式直流断路器，其特征在于，包括：潮流控制模块、多个通流模块、限流模块、耗能模块、开断模块及多个选择模块，其中，
所述潮流控制模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与各所述通流模块的一端连接，各所述通流模块的另一端与每条直流线路接线端口连接，所述直流母线接线端口与所述直流线路接线端口一一对应设置；
各所述选择模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与所述限流模块的一端连接；所述限流模块的另一端分别与所述耗能模块的一端及开断模块的一端连接；所述耗能模块的另一端及开断模块的另一端与所述直流母线连接。
2.根据权利要求1所述的多功能多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述潮流控制模块包括：与各直流线路一一对应设置的电力电子开关单元，以及设置于每两条相邻直流线路之间的电容，其中，
每个电容的两端分别与两条相邻直流线路连接；
所述电力电子开关单元包括电力电子开关器件及预充电电容。
3.根据权利要求1所述的多功能多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述通流模块包括至少一个机械开关。
4.根据权利要求1所述的多功能多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述选择模块包括：机械开关和至少一个双向电力电子开关单元，其中，所述机械开关与各所述双向电力电子开关单元串联连接。
5.根据权利要求1所述的多功能多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述选择模块包括：多个串联的双向电力电子开关单元和与多个串联的双向电力电子开关单元并联连接的非线性电阻。
6.根据权利要求1所述的多功能多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述限流模块为阻性限流模块、容性限流模块或感性限流模块。
7.根据权利要求1所述的多功能多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述耗能模块为避雷器。
8.根据权利要求1所述的多功能多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述开断模块包括至少一个双向电力电子开关单元。
9.一种多功能多端口混合式直流断路器控制方法，应用于如权利要求1-8任一项所述的多功能多端口混合式直流断路器控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
在接受到线路潮流指令时，闭锁潮流控制模块中的各电力电子开关单元以调节线路潮流。
10.根据权利要求9所述的多功能多端口混合式直流断路器控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
在接受到当前直流线路故障分断指令时，闭锁当前直流线路中的潮流控制模块电力电子开关单元同时导通开断模块及与当前直流线路连接的选择模块，以使所述当前直流线路的故障电流流入换流支路中；
电流转移完成后，分断直流线路中的通流模块及与其他线路相连的选择模块；
当故障电流在限流模块作用下下降至开断单元开断能力范围内，闭锁开断单元，将电流转移至耗能模块进行清除。
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