CN113595028B - 一种基于晶闸管的限流式混合直流断路器及其控制方法 - Google Patents

一种基于晶闸管的限流式混合直流断路器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于晶闸管的限流式混合直流断路器，包括：主通流支路、4个换向支路、电流转移支路、限流支路、分断支路和控制系统，其中：主通流支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与第二直流电接口连接；在主通流支路上串联有UFD和LCS；各个换向支路都设有晶闸管；电流转移支路，与换向支路1、2和换向支路3、4并联；电流转移支路设有相互串联的两组晶闸管；限流支路，与电流转移支路中晶闸管并联；由IGBT与三条并联支路串联组成；分断支路由两条并联支路组成，其中支路一设有充好电的电容与晶闸管，且两者以串联形式连接；支路二设有金属氧化物避雷器MOA。本发明同时提供所述的限流式混合直流断路器的控制方法。

Description

一种基于晶闸管的限流式混合直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电路装置领域，具体涉及一种基于晶闸管的限流式混合直流断路器。
背景技术
高压直流输电技术是解决我国能源供需逆向分布的重要技术手段，随着电力电子技术的快速发展，基于模块化多电平换流器的柔性直流电网在波形质量、扩展性、新能源并网等方面具有明显优势，得到广泛关注。但直流电网是一个低阻抗、低惯量系统，直流侧发生故障后，电流急剧上升，严重危及直流电网的安全，需及时将故障隔离。而混合直流断路器可以快速切除故障线路，无需闭锁换流站，是最具前景的直流故障隔离方法之一。现有混合直流断路器通常使用IGBT作为开关器件，为满足直流电网高压大电流的要求，需进行大规模的串并联，导致成本高，技术难度大。随着直流电网电压等级与容量的提升，故障电流水平也越来越高，为缓解混合直流断路器故障隔离的压力，需对故障电流进行限制。
发明内容
本发明针对高压直流电网，提供一种可以提高对故障电流的限制能力的基于晶闸管的限流式混合直流断路器，技术方案如下：
一种基于晶闸管的限流式混合直流断路器，包括：主通流支路、换向支路1、换向支路2、换向支路3、换向支路4、电流转移支路、限流支路、分断支路和控制系统，其中：
所述主通流支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与第二直流电接口连接；在主通流支路上串联有快速机械开关UFD和可控电力电子辅助开关LCS；
所述换向支路1，第一端与换向支路3连接，第二端与第一直流电接口和换向支路2连接；所述换向支路1设置有晶闸管；
所述换向支路2，第一端与第一直流电接口和换向支路1连接，第二端与换向支路4连接；所述换向支路2设置有晶闸管；
所述换向支路3，第一端与换向支路1连接，第二端与第二直流电接口和换向支路4连接；所述换向支路3设置有晶闸管；
所述换向支路4，第一端与换向支路3连接，第二端与第二直流电接口和换向支路3连接；所述换向支路4设置有晶闸管；
所述电流转移支路，与换向支路1、2和换向支路3、4并联；所述电流转移支路设有相互串联的两组晶闸管；
所述限流支路，与电流转移支路中晶闸管并联；所述限流支路由绝缘栅双极型晶体管IGBT与三条并联支路串联组成，其中，支路一设有充好电的电容与晶闸管，且两者以串联形式连接；支路二设有两组晶闸管，且两者以串联形式连接；支路三设有限流电感与晶闸管，且两者以串联形式连接；
所述分断支路，与电流转移支路中晶闸管并联；所述分断支路由两条并联支路组成，其中支路一设有充好电的电容与晶闸管，且两者以串联形式连接；支路二设有金属氧化物避雷器MOA。
本发明提供所述的限流式混合直流断路器的控制方法：
所述控制系统，与断路器各受控元件、电流互感器、直流电网保护系统相连接，所述控制系统用于接收电流互感器、直流电网保护系统所发出的信号，在接收到电流互感器所发出的电流异常信号后起动，在接收到直流电网保护系统所发出的跳闸信号后开始分断，还用于向断路器各受控元件发出对应的控制信号，导通正常负荷电流时，主通流支路中的快速机械开关UFD和可控电力电子辅助开关LCS处于合闸状态，其余各支路中的开关元件均处于关断状态，正常负荷电流经主通流支路流入或流出。
进一步地，当检测到电流异常时，分三种情况，当检测到故障电流大于预设的限流阈值时，断路器工作于限流模态或主模态，工作于限流模态时需要先关断主通流支路中的快速机械开关UFD和可控电力电子辅助开关LCS，触发相应换向支路和电流转移支路中的晶闸管，电流转移到换向支路和电流转移支路中，触发限流支路中的IGBT和支路一的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与限流支路并联的晶闸管关断，电流转移到限流支路中的支路一；电容放完电后进行充电，触发支路三中的晶闸管，电流同时流过限流支路的支路一和支路三；电容充满电后，电流直流过支路三，限流电感发挥限流作用；等待保护系统的跳闸指令，若不需跳闸，则退出限流模态，合上主通流支路中的UFD，关断限流支路中的IGBT，触发主通流支路中的LCS，触发限流支路中支路二中的两组晶闸管，电流重新转移到主通流支路；
在按限流模态所述过程投入限流电感后，等待跳闸指令，收到跳闸指令后，切换到工作于主模态，触发分断支路中的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与分断支路并联的晶闸管关断，电流转移到分断支路中的支路一；电容放完电后进行充电，当充电至直流电网电压后，故障电流开始衰减，触发限流支路中支路二的两组晶闸管，限流电感被旁路；当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路二，MOA投入分断故障；
当故障电流大于预设的断路阈值但小于预设的限流阈值时，工作于断路模态，关断主通流支路中的UFD和LCS，触发相应换向支路和电流转移支路中的两组晶闸管，电流转移到换向支路和电流转移支路中；在收到保护系统的跳闸指令后，触发分断支路中的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与分断支路并联的晶闸管关断，电流转移到分断支路中的支路一；电容放完电后进行充电，当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路二，MOA投入分断故障。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1、具备主模态、限流模态及断路模态三种工作模态，能够灵活应对直流电网不同异常状况。
2、采用晶闸管实现故障电流换路，大大减少IGBT的使用量以降低断路器成本与技术难度。
3、通过晶闸管与电容的配合实现限流电抗器与避雷器的投切，原理简单且有较好的限流效果和分断速度。
附图说明
图1为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器示意图；
图2为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器正常运行回路；
图3为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器主模态各阶段回路。(a)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器主模态中换流回路；(b)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器主模态中预备限流回路；(c)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器主模态中限流开始投入回路；(d)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器主模态中限流完全投入回路；(e)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器主模态中预备分断回路；(f)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器主模态中分断回路；
图4为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器断路模态各阶段回路。(a)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器断路模态中换流回路；(b)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器断路模态中预备分断回路；(c)为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器断路模态中分断回路。
图5为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器限流模态退出回路。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
图1，为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器示意图。
图2，为本发明基于晶闸管的限流式混合直流断路器正常运行回路，图中深色线路为该阶段电流流经的线路，无故障时线路上所有快速机械开关UFD闭合，触发可控电力电子辅助开关发LCS使其导通。
图3在直流线路发生短路故障后，基于晶闸管的限流式混合直流断路器的主模态实施过程示意图，图中深色线路为该阶段电流流经的线路。
换流阶段如图3(a)所示，以断路器右侧直流线路发生故障为例，故障电流快速上升，检测到电流异常后，断路器起动，触发换向支路1、换向支路4、电流转移支路中的晶闸管，闭锁主通流支路中的LCS与UFD，在电流转移至电流转移支路后，关闭各晶闸管的触发信号。
预备限流阶段如图3(b)所示，持续触发T7，触发T8，由于C1已正向充电，呈现上负下正的电压，C1开始放电，放电期间T5承受反压并关断，电流转移至C1所在支路后，关闭晶闸管T8的触发信号；
限流开始投入阶段如图3(c)所示，电容C1放电结束后反向充电时触发T11，此时C1呈现上正下负的电压，T11导通，限流电感L开始投入，关闭晶闸管T11的触发信号；
限流完全投入阶段如图3(d)所示，C1反向充电完成，所在支路电流降为0，T8自然关断，电流全部转移至限流电感L所在支路，限流电感L完全投入限流；
预备分断阶段如图3(e)所示，触发T12，由于C2已正向充电，呈现上负下正的电压，C2开始放电，放电期间T6承受反压并关断，电流转移至C2所在支路后，关闭晶闸管T12的触发信号，C2放电完毕后进行反向充电，反向充电至直流电网电压后，故障电流开始衰减，触发T9、T10，将限流电感L旁路，成功旁路后关闭晶闸管T9、T10的触发信号；
分断阶段如图3(f)所示，C2反向充电至避雷器的动作电圧后，避雷器投入隔离故障。
断路模态适用于线路检修、高阻接地故障等分断小电流情况。图4(a-c)为分断小电流时，基于晶闸管的限流式混合直流断路器的断路模态实施过程示意图，图中深色线路为该阶段电流流经的线路。共有三个阶段，每阶段实施方式与主模态中对应阶段相同。
限流模态适用于电网电流异常但未发生故障的情况。共有四个阶段，与主模态中图3(a-d)对应阶段相同。图5表示断路器工作在限流模态退出阶段实施过程示意图，图中深色线路为该阶段电流流经的线路。电网恢复正常后需退出限流模态，触发T9、T10，将限流电感L旁路，成功旁路后关闭晶闸管T9、T10的触发信号；关闭T7的触发信号，电流重新转移到主通流支路。
本发明的控制方法如下：
控制系统，与断路器各受控元件、电流互感器、直流电网保护系统以光纤形式连接，所述控制系统用于接收电流互感器、直流电网保护系统所发出的信号，在接收到电流互感器所发出的电流异常信号后起动，在接收到直流电网保护系统所发出的跳闸信号后开始分断，还用于向断路器各受控元件发出对应的控制信号。具体的，导通正常负荷电流时，主通流支路中的UFD和LCS处于合闸状态，其余各支路中的开关元件均处于关断状态，正常负荷电流经主通流支路流入或流出。
当检测到电流异常时，分三种情况。当故障电流较大时，断路器工作于限流模态或主模态。工作于限流模态时需要先关断主通流支路中的UFD和LCS，触发相应换向支路和电流转移支路中的晶闸管，电流转移到换向支路和电流转移支路中；触发限流支路中的IGBT和支路一的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与限流支路并联的晶闸管关断，电流转移到限流支路中的支路一；电容放完电后进行充电，触发支路三中的晶闸管，电流同时流过限流支路的支路一和支路三；电容充满电后，电流直流过支路三，限流电感发挥限流作用；等待保护系统的跳闸指令，若不需跳闸，则退出限流模态，合上主通流支路中的UFD，关断限流支路中的IGBT，触发主通流支路中的LCS，触发限流支路中支路二中的晶闸管，电流重新转移到主通流支路。
工作于主模态时，在按限流模态所述过程投入限流电感后，等待保护系统的跳闸指令，收到跳闸指令后，触发分断支路中的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与分断支路并联的晶闸管关断，电流转移到分断支路中的支路一；电容放完电后进行充电，当充电至直流电网电压后，故障电流开始衰减，触发限流支路中支路二的晶闸管，限流电感被旁路；当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路二，MOA投入分断故障。
当故障电流较小时，断路器工作于断路模态，关断主通流支路中的UFD和LCS，触发相应换向支路和电流转移支路中的晶闸管，电流转移到换向支路和电流转移支路中；在收到保护系统的跳闸指令后，触发分断支路中的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与分断支路并联的晶闸管关断，电流转移到分断支路中的支路一；电容放完电后进行充电，当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路二，MOA投入分断故障。

Claims (3)

1.一种基于晶闸管的限流式混合直流断路器，包括：主通流支路、换向支路1、换向支路2、换向支路3、换向支路4、电流转移支路、限流支路、分断支路和控制系统，其中：
所述主通流支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与第二直流电接口连接；在主通流支路上串联有快速机械开关UFD和可控电力电子辅助开关LCS；
所述换向支路1，第一端与换向支路3连接，第二端与第一直流电接口和换向支路2连接；所述换向支路1设置有晶闸管；
所述换向支路2，第一端与第一直流电接口和换向支路1连接，第二端与换向支路4连接；所述换向支路2设置有晶闸管；
所述换向支路3，第一端与换向支路1连接，第二端与第二直流电接口和换向支路4连接；所述换向支路3设置有晶闸管；
所述换向支路4，第一端与换向支路3连接，第二端与第二直流电接口和换向支路3连接；所述换向支路4设置有晶闸管；
所述电流转移支路，与换向支路1、2和换向支路3、4并联；所述电流转移支路设有相互串联的两组晶闸管；
所述限流支路，与电流转移支路中晶闸管并联；所述限流支路由绝缘栅双极型晶体管IGBT与三条并联支路串联组成，其中，支路一设有充好电的电容与晶闸管，且两者以串联形式连接；支路二设有两组晶闸管，且两者以串联形式连接；支路三设有限流电感与晶闸管，且两者以串联形式连接；
所述分断支路，与电流转移支路中晶闸管并联；所述分断支路由两条并联支路组成，其中支路一设有充好电的电容与晶闸管，且两者以串联形式连接；支路二设有金属氧化物避雷器MOA。
2.权利要求1所述的限流式混合直流断路器的控制方法，其特征在于，所述控制系统，与断路器各受控元件、电流互感器、直流电网保护系统相连连接，所述控制系统用于接收电流互感器、直流电网保护系统所发出的信号，在接收到电流互感器所发出的电流异常信号后起动，在接收到直流电网保护系统所发出的跳闸信号后开始分断，还用于向断路器各受控元件发出对应的控制信号，导通正常负荷电流时，主通流支路中的快速机械开关UFD和可控电力电子辅助开关LCS处于合闸状态，其余各支路中的开关元件均处于关断状态，正常负荷电流经主通流支路流入或流出。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当检测到电流异常时，分三种情况，当检测到故障电流大于预设的限流阈值时，断路器工作于限流模态或主模态，工作于限流模态时需要先关断主通流支路中的快速机械开关UFD和可控电力电子辅助开关LCS，触发相应换向支路和电流转移支路中的晶闸管，电流转移到换向支路和电流转移支路中，触发限流支路中的IGBT和支路一的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与限流支路并联的晶闸管关断，电流转移到限流支路中的支路一；电容放完电后进行充电，触发支路三中的晶闸管，电流同时流过限流支路的支路一和支路三；电容充满电后，电流直流过支路三，限流电感发挥限流作用；等待保护系统的跳闸指令，若不需跳闸，则退出限流模态，合上主通流支路中的UFD，关断限流支路中的IGBT，触发主通流支路中的LCS，触发限流支路中支路二中的两组晶闸管，电流重新转移到主通流支路；
在按限流模态所述过程投入限流电感后，等待跳闸指令，收到跳闸指令后，切换到工作于主模态，触发分断支路中的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与分断支路并联的晶闸管关断，电流转移到分断支路中的支路一；电容放完电后进行充电，当充电至直流电网电压后，故障电流开始衰减，触发限流支路中支路二的两组晶闸管，限流电感被旁路；当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路二，MOA投入分断故障；
当故障电流大于预设的断路阈值但小于预设的限流阈值时，工作于断路模态，关断主通流支路中的UFD和LCS，触发相应换向支路和电流转移支路中的两组晶闸管，电流转移到换向支路和电流转移支路中；在收到保护系统的跳闸指令后，触发分断支路中的晶闸管，电容放电使电流转移开关中与分断支路并联的晶闸管关断，电流转移到分断支路中的支路一；电容放完电后进行充电，当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路二，MOA投入分断故障。
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