CN113422360A - 一种直流断路器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种直流断路器及控制方法，该直流断路器包括：至少一个断路器模块，断路器模块包括：通流单元、耗能单元、受控振荡单元及接地单元，其中，通流单元，其串入电力线路中；受控振荡单元，其与通流单元并联连接；耗能单元，其一端分别与通流单元的一端及受控振荡单元一端连接，另一端与受控振荡单元连接；接地单元，其一端与受控振荡单元连接，另一端接地。通过实施本发明，满足了大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种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。目前，高压直流断路器主流技术路线主要有两种：一种为混合式直流断路器，正常运行由机械开关通流，故障时利用辅助换流支路等将电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流，该类型断路器通态损耗低，分断速度快，但是需要使用大量的全控器件串并联，成本较高。另一种是机械式直流断路器，通过预充电电容反向注入电流实现机械开关熄弧，最终完成直流开断，所需要电容容量大、电压高，且面临高压触发开关的经济性和可靠性设计问题。然而现有技术方案要么采用混合式直流断路器，要么采用机械式直流断路器，难以同时满足大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求，这就限制了高压直流断路器在多端及直流电网中规模化应用。
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直流断路器难以满足技术性与经济性双重要求的缺陷，从而提供一种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直流断路器，包括：至少一个断路器模块，所述断路器模块包括：通流单元、耗能单元、受控振荡单元及接地单元，其中，通流单元，其串入电力线路中；受控振荡单元，其与所述通流单元并联连接；耗能单元，其一端分别与所述通流单元的一端及所述受控振荡单元一端连接，另一端与所述受控振荡单元连接；接地单元，其一端与所述受控振荡单元连接，另一端接地；当所述电力线路未故障时，所述通流单元导通直流负荷电流，直流系统为所述受控振荡单元预充电；当所述电力线路出现故障时，通过控制所述受控振荡单元的运行状态，所述受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断，最终由耗能单元消耗能量。
优选地，所述通流单元包括：至少一个快速机械开关。
优选地，所述受控振荡单元，包括：箝位型子模块、振荡电容及振荡电感，其中，所述箝位型子模块的一端分别与所述通流单元的一端及所述耗能单元的一端连接，所述箝位型子模块的另一端分别与所述振荡电容的一端及所述接地单元的一端连接；所述振荡电容的另一端分别与所述振荡电感的一端及所述耗能单元的另一端连接；所述振荡电感的另一端与通流单元的另一端连接。
优选地，所述箝位型子模块包括：第一电力电子器件、第二电力电子器件、第三电力电子器件、第四电力电子器件及直流电容，其中，所述第一电力电子器件，其第一端分别与所述直流电容的第一端及所述第三电力电子器件的第一端连接，其第二端分别与所述通流单元的一端及所述第二电力电子器件的第一端连接；所述第二电力电子器件，其第二端分别与所述直流电容的第二端及所述第四电力电子器件的第二端连接；所述第三电力电子器件，其第二端分别与所述第四电力电子器件的第一端、所述接地单元的一端及所述振荡电容的一端连接。
优选地，所述接地单元包括：接地二极管、接地电容及接地电阻，其中，接地二极管，其阳极分别与所述箝位型子模块的另一端及所述振荡电容的一端连接，其阴极依次通过接地电容、接地电阻接地。
优选地，当所述直流断路器包括多个断路器模块时，多个断路器模块串联连接。
第二方面，本发明实施例提供一种直流断路器的控制方法，基于第一方面的直流断路器，所述控制方法包括：实时监测通流单元的两端所连接的电力线路是否故障；当通流单元的至少一端所连接的电力线路出现故障时，通过控制所述受控振荡单元的运行状态，所述受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断。
优选地，直流断路器的控制方法，还包括：当通流单元的两端所连接的电力线路均未出现故障时，通流单元保持导通状态，受控振荡单元13保持断开状态，直流系统为受控振荡单元预充电。
优选地，所述通过控制所述受控振荡单元的运行状态，所述受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断，包括：控制所述通流单元的快速机械开关分闸；当所述快速机械开关达到足够耐受暂态开断电压的设计开距时，交替触发箝位型子模块对角电力电子器件，直到受控振荡单元上产生与短路电流幅值相等、方向相反的振荡电流，快速机械开关电流过零，完成熄弧开断。
优选地，直流断路器的控制方法，还包括：当振荡电容的电压达到预设保护电压阈值时，耗能单元导通，消耗能量。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的直流断路器，包括：至少一个断路器模块，断路器模块包括：通流单元、耗能单元、受控振荡单元及接地单元，其中，通流单元，其串入电力线路中；受控振荡单元，其与通流单元并联连接；耗能单元，其一端分别与通流单元的一端及受控振荡单元一端连接，另一端与受控振荡单元连接；接地单元，其一端与受控振荡单元连接，另一端接地。通流支路仅包含有机械开关，通流损耗低，且不需要水冷。当电力线路未故障时，通流支路导通直流负荷电流，直流系统为受控振荡单元预充电，实现自取能；当电力线路出现故障时，通过控制受控振荡单元的运行状态，采用受控振荡升压原理，提升注入电流幅值，使得受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，该振荡电流注入通流单元后，可实现机械开关可靠熄弧关断。进而仅利用少量电力电子器件，即可实现双向短路电流开断、快速重合闸能力。显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本。满足了大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求。
本发明提供的直流断路器的控制方法，包括：实时监测通流单元的两端所连接的电力线路是否故障；当通流单元的至少一端所连接的电力线路出现故障时，通过控制受控振荡单元的运行状态，受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断。当电力线路出现故障时，首先控制快速机械开关开断，为了实现快速机械开关熄弧，故通过控制受控振荡单元的运行状态，使得受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，该振荡电流注入通流单元后，可实现机械开关可靠熄弧关断。进而仅利用少量电力电子器件，即可实现双向短路电流开断、快速重合闸能力。显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本。满足了大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求。
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为本发明实施例提供的直流断路器的一个具体示例的原理框图；
图2为本发明实施例提供的直流断路器的一个具体示例的电路结构图；
图3为本发明实施例提供的直流断路器的控制方法的一个具体示例的流程图；
图4为本发明实施例提供的负荷电流及充电电流的一个具体流向图；
图5为本发明实施例提供的负荷电流的另一个具体流向图；
图6为本发明实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图；
图7为本发明实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图；
图8为本发明实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图；
图9为本发明实施例提供的系统故障电流的另一个具体流向图。
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直流断路器，可应用中高压直流系统。如图1所示，该直流断路器包括：至少一个断路器模块1。具体地，断路器模块1包括：通流单元11、耗能单元12、受控振荡单元13及接地单元14，其中，通流单元11，其串入电力线路中；受控振荡单元13，其与通流单元11并联连接；耗能单元12，其一端分别与通流单元11的一端及受控振荡单元13一端连接，另一端与受控振荡单元13连接；接地单元14，其一端与受控振荡单元13连接，另一端接地；当电力线路未故障时，通流单元11导通直流负荷电流，直流系统为受控振荡单元13预充电；当电力线路出现故障时，通过控制受控振荡单元13的运行状态，受控振荡单元13产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元11可靠关断，最终由耗能单元消耗能量。
在一具体实施例中，如图1所示，在电力线路#1、电力线路#2均未发生故障时，通流单元11处于导通状态，其实现电力线路#1及电力线路#2之间的直流负荷电流的传输，且直流系统为受控振荡单元13预充电。在电力线路#1或电力线路#2发生故障时，例如短路故障时，此时先将通流单元11开断，通过控制受控振荡单元13的运行状态，使得受控振荡单元13振荡且产生不同方向的振荡电流，在此过程中振荡电流的幅值不断增加，直至受控振荡单元13产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流注入通流单元11中，使得通流单元11机械开关熄弧，可靠开断。进一步地，将故障电流转移至受控振荡单元13中，故障电流会为受控振荡单元13充电，当充电电压上升至预设保护电压阈值时，耗能单元12导通，故障电流转移至耗能单元12被其消耗吸收直至过零，系统恢复正常运行。
在本发明实施例中，当直流断路器包括多个断路器模块1时，多个断路器模块1串联连接。通过将直流断路器进行适应性扩展，可满足不同电压等级应用需求。
本发明提供的一种直流断路器，包括：至少一个断路器模块，断路器模块包括：通流单元、耗能单元、受控振荡单元及接地单元，其中，通流单元，其串入电力线路中；受控振荡单元，其与通流单元并联连接；耗能单元，其一端分别与通流单元的一端及受控振荡单元一端连接，另一端与受控振荡单元连接；接地单元，其一端与受控振荡单元连接，另一端接地。当电力线路出现故障时，首先控制快速机械开关开断，为了实现快速机械开关熄弧，故通过控制受控振荡单元的运行状态，使得受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，该振荡电流注入通流单元后，可实现机械开关可靠熄弧关断。进而仅利用少量电力电子器件，即可实现双向短路电流开断、快速重合闸能力。显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本。满足了大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求。
在一实施例中，如图2所示，通流单元11包括：至少一个快速机械开关。
在一具体实施例中，通流单元11由至少一组快速机械开关构成。该快速机械开关需耐受系统负荷电流以及短时过电流，同时还需要耐受直流断路器分断产生的暂态过电压。依据上述电气应力，通流单元11中的快速机械开关可采用多断口的串联、多支路并联及多断口串并联接方式。
在一实施例中，如图2所示，受控振荡单元13，包括：箝位型子模块、振荡电容Cp及振荡电感Lp，其中，箝位型子模块的一端分别与通流单元11的一端及耗能单元12的一端连接，箝位型子模块的另一端分别与振荡电容Cp的一端及接地单元14的一端连接；振荡电容Cp的另一端分别与振荡电感的一端及耗能单元12的另一端连接；振荡电感的另一端与通流单元11的另一端连接。
在一具体实施例中，本发明实施例的箝位型子模块为全桥结构，如图2所示，全桥结构包括：包括：第一电力电子器件T1、第二电力电子器件T2、第三电力电子器件T3、第四电力电子器件T4及直流电容Cm，其中，第一电力电子器件T1，其第一端分别与直流电容Cm的第一端及第三电力电子器件T3的第一端连接，其第二端分别与通流单元11的一端及第二电力电子器件T2的第一端连接；第二电力电子器件T2，其第二端分别与直流电容Cm的第二端及第四电力电子器件T4的第二端连接；第三电力电子器件T3，其第二端分别与第四电力电子器件T4的第一端、接地单元14的一端及振荡电容Cp的一端连接。在本发明实施例中，第一电力电子器件T1、第二电力电子器件T2、第三电力电子器件T3与第四电力电子器件T4可以为全控或半控器件，例如IGCT、IGBT等。
在一实施例中，如图2所示，接地单元14包括：接地二极管D、接地电容Cg及接地电阻Rg，其中，接地二极管D，其阳极分别与箝位型子模块的另一端及振荡电容Cp的一端连接，其阴极依次通过接地电容Cg、接地电阻Rg接地。
在一具体实施例中，如图2所示，耗能单元12包括避雷器MOV，在其他实施例中，耗能单元12还可选用由非线性电阻或者避雷器串并联组成的结构，在此不做具体限制。
本发明实施例中，通流支路损耗小且无需水冷，当电力线路未故障时，快速机械开关处于导通状态，直流系统为受控振荡单元预充电，从而实现受控振荡单元自取能，节省了外部供电设备，提升了直流断路器的可靠性。另外，由于仅利用少量电力电子器件，即可实现直流负荷电流的传输以及双向短路电流开断、快速重合闸的目的。
本发明实施例还提供一种直流断路器的控制方法，基于上述直流断路器。如图3所示，控制方法包括如下步骤：
步骤S1：实时监测通流单元的两端所连接的电力线路是否故障。
步骤S2：当通流单元的至少一端所连接的电力线路出现故障时，通过控制受控振荡单元的运行状态，受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断。
在一具体实施例中，如图4所示，在电力线路#1、电力线路#2均未发生故障时，通流单元处于导通状态，直流负荷电流仅流过快速机械开关k，实现电力线路#1及电力线路#2之间的直流负荷电流的传输。受控振荡单元中箝位型子模块中电容初始无电压，通过直流系统为受控振荡单元中直流电容Cm及振荡电容Cp预充电。
如图5所示，线路稳态运行时，通流单元处于合闸导通状态，受控振荡单元上箝位型子模块中各IGBT处于闭锁状态。
在电力线路#1或电力线路#2发生故障时，例如短路故障时，此时先将通流单元开断，通过控制受控振荡单元的运行状态，使得受控振荡单元振荡且产生不同方向的振荡电流，在此过程中振荡电流的幅值不断增加，直至受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流注入通流单元中，使得通流单元机械开关熄弧，可靠开断。
在一实施例中，通过控制受控振荡单元的运行状态，受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断，包括如下步骤：
步骤S21：控制通流单元的快速机械开关分闸。
在一具体实施例中，当电力线路未发生故障时，如图4所示(以电流从1端电力线路流向2端电力线路为例)，通流单元保持导通状态，受控振荡单元保持断开状态，直流负荷电流仅流过快速机械开关k，直流电容Cm及振荡电容Cp预充电；当电力线路发生故障时，控制系统发出快速机械开关k分闸命令，机械开关燃弧分闸。
步骤S22：当快速机械开关达到足够耐受暂态开断电压的设计开距时，交替触发箝位型子模块对角电力电子器件，直到受控振荡单元上产生与短路电流幅值相等、方向相反的振荡电流，快速机械开关电流过零，完成熄弧开断。
在一具体实施例中，当快速机械开关达到足够耐受暂态开断电压的设计开距时，如图6所示，触发第一电力电子器件T1、第四电力电子器件T4，第二电力电子器件T2，第三电力电子器件T3保持关断状态，此时快速机械开关k未完全熄弧，直流电容Cm经快速机械开关k与振荡电容Cp、振荡电感Lp形成振荡，振荡电流流向如图6所示。
当受控振荡单元电流过零、振荡电容电压极性反向时，控制第二电力电子器件T2、第三电力电子器件T3导通，同时控制第一电力电子器件T1、第四电力电子器件T4关断，此时快速机械开关k未完全熄弧，直流电容Cm经快速机械开关k与振荡电容Cp、振荡电感Lp形成振荡回路，振荡电流流向如图7所示。
当受控振荡单元电流过零、振荡电容电压极性再次反向时，再次控制第一电力电子器件T1、第四电力电子器件T4导通，第二电力电子器件T2、第三电力电子器件T3关断的步骤，多次重复上述过程，实现振荡电容Cp振荡升压，直至受控振荡单元产生与短路故障电流幅值相等、反向相反的振荡电流，从而实现快速机械开关电流过零，完成熄弧。
在一实施例中，直流断路器的控制方法，还包括：当振荡电容的电压达到预设保护电压阈值时，耗能单元导通，消耗能量。
在一具体实施例中，如图8所示，经过通流单元的电流过零后，闭锁受控振荡单元IGBT模块，故障电流转移至受控振荡单元中，向振荡电容Cp充电。如图9所示，当振荡电容Cp电压超过避雷器起始动作电压，避雷器动作，故障电流转移至耗能单元被其消耗吸收直至过零，系统恢复正常运行。
需要说明的是，上述方法及附图仅以2端的电力线路出现短路故障、以电流从1端电力线路流向2端电力线路为例进行说明，若电流从2端电力线路流向1端电力线路的情况，直流断路器的工作原理与上述相同。
本发明提供的直流断路器的控制方法，包括：实时监测通流单元的两端所连接的电力线路是否故障；当通流单元的至少一端所连接的电力线路出现故障时，通过控制受控振荡单元的运行状态，受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断。当电力线路出现故障时，首先控制快速机械开关开断，为了实现快速机械开关熄弧，故通过控制受控振荡单元的运行状态，使得受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，该振荡电流注入通流单元后，可实现机械开关可靠熄弧关断。进而仅利用少量电力电子器件，即可实现双向短路电流开断、快速重合闸能力。显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本。满足了大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求。
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)
1.一种直流断路器，其特征在于，包括：至少一个断路器模块，所述断路器模块包括：通流单元、耗能单元、受控振荡单元及接地单元，其中，
通流单元，其串入电力线路中；
受控振荡单元，其与所述通流单元并联连接；
耗能单元，其一端分别与所述通流单元的一端及所述受控振荡单元一端连接，另一端与所述受控振荡单元连接；
接地单元，其一端与所述受控振荡单元连接，另一端接地；
当所述电力线路未故障时，所述通流单元导通直流负荷电流，直流系统为所述受控振荡单元预充电；当所述电力线路出现故障时，通过控制所述受控振荡单元的运行状态，所述受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断，最终由耗能单元消耗能量。
2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述通流单元包括：至少一个快速机械开关。
3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述受控振荡单元，包括：箝位型子模块、振荡电容及振荡电感，其中，
所述箝位型子模块的一端分别与所述通流单元的一端及所述耗能单元的一端连接，所述箝位型子模块的另一端分别与所述振荡电容的一端及所述接地单元的一端连接；
所述振荡电容的另一端分别与所述振荡电感的一端及所述耗能单元的另一端连接；
所述振荡电感的另一端与通流单元的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述箝位型子模块包括：第一电力电子器件、第二电力电子器件、第三电力电子器件、第四电力电子器件及直流电容，其中，
所述第一电力电子器件，其第一端分别与所述直流电容的第一端及所述第三电力电子器件的第一端连接，其第二端分别与所述通流单元的一端及所述第二电力电子器件的第一端连接；
所述第二电力电子器件，其第二端分别与所述直流电容的第二端及所述第四电力电子器件的第二端连接；
所述第三电力电子器件，其第二端分别与所述第四电力电子器件的第一端、所述接地单元的一端及所述振荡电容的一端连接。
5.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述接地单元包括：接地二极管、接地电容及接地电阻，其中，
接地二极管，其阳极分别与所述箝位型子模块的另一端及所述振荡电容的一端连接，其阴极依次通过接地电容、接地电阻接地。
6.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，当所述直流断路器包括多个断路器模块时，多个断路器模块串联连接。
7.一种直流断路器的控制方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的直流断路器，所述控制方法包括：
实时监测通流单元的两端所连接的电力线路是否故障；
当通流单元的至少一端所连接的电力线路出现故障时，通过控制所述受控振荡单元的运行状态，所述受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断。
8.根据权利要求7所述的直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括：
当通流单元的两端所连接的电力线路均未出现故障时，通流单元保持导通状态，受控振荡单元保持断开状态，直流系统为受控振荡单元预充电。
9.根据权利要求7所述的直流断路器的控制方法，其特征在于，所述通过控制所述受控振荡单元的运行状态，所述受控振荡单元产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流单元可靠关断，包括：
控制所述通流单元的快速机械开关分闸；
当所述快速机械开关达到足够耐受暂态开断电压的设计开距时，交替触发箝位型子模块对角电力电子器件，直到受控振荡单元上产生与短路电流幅值相等、方向相反的振荡电流，快速机械开关电流过零，完成熄弧开断。
10.根据权利要求7所述的直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括：
当振荡电容的电压达到预设保护电压阈值时，耗能单元导通，消耗能量。
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| CN113964788A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-21 | 西安交通大学 | 一种双向直流断路器及开断方法 |
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