CN113644636A - 基于电容换相的多端混合式高压直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容换相的多端混合式高压直流断路器，包括主断路器单元、电容换流单元和吸能单元，主断路器单元包括多个断路器电路，多个断路器电路对应串联连接在多端直流输电系统中的多条输电线路上，每个断路器电路用于分断其所在输电线路上的故障电流；电容换流单元，并联连接在多个断路器电路上，用于为发生短路故障输电线路上的断路器电路提供低压支路保证其正常开断，并利用自关断功能切断故障电流；吸能单元，并联在电容换流单元上，用于吸能和限制过电压。本发明提供的基于电容换流的多端混合式高压直流断路器利用一个电容换流单元实现多线路故障电流的清除，可有效降低半导体器件的复用，具备一定的经济性。
Description
技术领域
本发明属于直流断路器技术领域，更具体地，涉及一种基于电容换相的多端混合式高压直流断路器。
背景技术
直流输电能提高可再生能源发电的利用效率，在世界各国得到了广泛的应用。随着直流电网规模的不断扩大，许多关键问题亟待解决，其中之一就是直流短路故障，与此同时，电网互联程度增大，同一输电母线上连接的输电线路增加，单独为每条线路配置直流断路器，将会导致输电系统的成本过高，因此研制能切除多条输电线路故障的经济型直流断路器十分必要。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能切除多条输电线路故障、且造价低的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于电容换相的多端混合式高压直流断路器，包括主断路器单元、电容换流单元和吸能单元，其中，
所述主断路器单元包括多个断路器电路，多个所述断路器电路对应串联连接在多端直流输电系统中的多条输电线路上，每个所述断路器电路用于分断其所在输电线路上的故障电流；
所述电容换流单元，并联连接在多个所述断路器电路上，用于为发生短路故障输电线路上的断路器电路提供低压支路保证其正常开断，并利用自关断功能切断故障电流；
所述吸能单元，并联在所述电容换流单元上，用于吸能和限制过电压。
在其中一个实施例中，每个所述断路器电路均包括串联连接的超快速机械开关和负载转换开关，所述负载转换开关包括反向串联的两个IGBT管，每个所述IGBT管上反向并联有二极管。
在其中一个实施例中，所述电容换流单元，包括电容换流电路和对称反串联在所述电容换流电路两端的多个二极管桥，所述电容换流电路通过多个所述二极管桥对应并联在多个所述断路器电路上；所述电容换流电路包括辅助避雷器支路、换流电容支路及对称并联连接的两条晶闸管支路，两条所述晶闸管支路均包括串联连接的晶闸管和第一机械开关；所述辅助避雷器支路包括串联连接的辅助避雷器和第二机械开关，所述辅助避雷器支路串接在两个所述晶闸管阴极之间；所述换流电容支路包括串联连接的换流电容和换流电感，所述换流电容支路并联在所述辅助避雷器支路上。
在其中一个实施例中，所述吸能单元，包括主避雷器，所述主避雷器并联连接在所述电容换流电路的两端。
在其中一个实施例中，当检测到多端输电系统发生短路故障时，控制故障电流转移至其中一晶闸管支路，同时关断发生短路故障输电线路上的负载转换开关并令超快速机械开关开始分闸；当超快速机械开关分断后，控制故障电流转移至所述换流电容支路；当所述换流电容支路中的换流电容电压极性发生翻转时，故障电流转移至主避雷器；当流经主避雷器的电流降低至零时，触发辅助避雷器支路，将换流电容电压限制到设定值；关断所述其中一晶闸管支路，当所述其中一晶闸管支路关断后，触发另一晶闸管支路，为下次故障做准备。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)随着柔性直流输电网的继续发展，电网规模继续增大，同一母线上输电线路的数量将越来越多。本发明提供的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器仅利用一个电容换流单元即可实现多线路故障电流的清除和重合闸功能，可有效降低半导体器件的复用，具备一定的经济性。
(2)本发明提供的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器合理利用了电源侧为换相电容充电的特性，可解决需要为预储能电容配备充电回路的问题，有效降低断路器整机体积和造价。
(3)本发明提供的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器可有效降低机械开关的分闸压力和避雷器的吸能压力，断路器内部器件造价较低，具备一定的经济优势。
附图说明
图1为本发明提供的多端混合式高压直流断路器的原理框图；
图2为本发明提供的一实施例中多端混合式高压直流断路器的具体电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明提供的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器的原理框图，如图1所示，包括主断路器单元100、电容换流单元200和吸能单元300。其中，主断路器单元100包括多个断路器电路，多个断路器电路对应串联连接在多端直流输电系统中的多条输电线路上，每个断路器电路用于分断其所在输电线路上的故障电流；电容换流单元200，并联连接在多个断路器电路上，用于为发生短路故障输电线路上的断路器电路提供低压支路保证其正常开断，并利用自关断功能切断故障电流；吸能单元300，并联在电容换流单元200上，用于吸能和限制过电压。
在一个具体实施例中，本发明提供的多端混合式高压直流断路器包括主断路器单元100、电容换流单元200和吸能单元300，主断路器单元100、电容换流单元200和吸能单元300均并联连接。其中，主断路器单元100包括多个断路器电路，每个断路器电路均可包括串联连接的超快速机械开关UFD和负载转换开关LCS，负载转换开关LCS包括反向串联的两个IGBT管，每个IGBT管上反向并联有二极管。电容换流单元200，包括电容换流电路和对称反串联在电容换流电路两端的多个二极管桥，电容换流电路通过多个二极管桥对应并联在多个断路器电路上；电容换流电路包括辅助避雷器支路、换流电容支路及对称并联连接的两条晶闸管支路，两条晶闸管支路均包括串联连接的晶闸管和第一机械开关，其中一晶闸管支路包括晶闸管T2和机械开关S2，另一条晶闸管支路包括晶闸管T1和机械开关S1；辅助避雷器支路包括串联连接的辅助避雷器MOV1和第二机械开关S，辅助避雷器支路串接在两个晶闸管阴极之间；换流电容支路包括串联连接的换流电容C和换流电感L，换流电容支路并联在辅助避雷器支路上。吸能单元300，包括主避雷器MOV，主避雷器MOV并联连接在电容换流电路的两端。
针对上述提供的多端混合式高压直流断路器拓扑结构，本发明对应提供的控制方法如下：当检测到多端输电系统发生短路故障时，控制故障电流转移至其中一晶闸管支路，同时关断发生故障输电线路上的负载转换开关并令超快速机械开关开始分闸；当超快速机械开关分断后，控制故障电流转移至换流电容支路；当换流电容支路中的换流电容电压极性发生翻转时，故障电流转移至主避雷器MOV；当流经主避雷器MOV的电流降低至零时，触发辅助避雷器支路MOV1，将换流电容C电压限制到设定值；关断其中一晶闸管支路，当其中一晶闸管支路关断后，触发另一晶闸管支路，为下次故障做准备。
为更清楚地说明本发明的方案，以多端输电系统包括3条输电线路为例，对本发明提供的混合式高压直流断路器的拓扑结构及其控制方法进行详细说明。
图2为应用于3条输电线路上的混合式高压直流断路器的具体电路图，如图2所示，主断路器单元200包括超快速机械开关UFD1～UFD3和负载转换开关LCS1～LCS3，用于分断故障电流，其中每条输电线路上的负载转换开关为超快速机械开关提供电流过零点，保证超快速机械开关能在零电流下分断。(2)电容换流单元200包括晶闸管T1、T2、二极管D1～D6、换流电容C、换流电感L、辅助避雷器MOV1和机械开关S1、S2、S，为主断路器单元100在分断期间提供低阻抗并联支路，保障主断路器单元100在分断期间中无需耐受高电压，由于电容换流单元200的半导体器件采用对称连接的结构，换流电容C电压极性无论如何改变，电容换流单元200均能辅助故障电流的切断；由于二极管桥的对称与反串联结构，利用二极管桥可阻断故障线路与非故障线路的联系，确保一个电容换流单元200可以实现多条故障电路的故障清除。(3)吸能单元300由主避雷器MOV构成，用于吸能和限制过电压；该断路器拓扑的n条输电线路上的断路器电路共用一套电容换流单元200和吸能单元300，可有效降低输电系统断路器的总造价，具备一定的经济优势。
具体地，上述提供的应用于3条输电线路上的混合式高压直流断路器的控制方法如下：
(1)多端直流输电系统正常运行时，晶闸管T1、T2和机械开关S1、S处于关断状态，机械开关S2处于导通状态。
(2)假定负载1侧发生短路故障，则输电线路1的故障电流由左向右流动，切断输电线路1的断路器电路即可隔离故障。当系统判定短路故障发生，向晶闸管T2发出导通信号，随后立刻向LCS1发出关断信号并令UFD1开始分闸，电流由LCS1和UFD1所在支路转移至晶闸管T2和机械开关S2所在支路。非故障线路的电流被电容换流单元的二极管桥阻断，因此电容换流单元动作的过程中，非故障线路不会对电容换流单元产生影响。
(3)超快速机械开关UFD1在分闸阶段时，通过LCS1关断故障电流为UFD1分闸提供电流过零点，通过晶闸管T2导通为UFD1和LCS1分闸提供并联低阻抗支路，确保了UFD1和LCS1在此阶段内无需耐受高电压，因此在此阶段内，UFD1可在零电流低耐压下顺利分闸。
(4)当UFD1分断达到一定开距后，向晶闸管T1发出导通指令，晶闸管T2开始承受换流电容的反向电压，流经晶闸管T2的电流逐渐向晶闸管T1、换流电容C和换流电感L所在支路转移，随后晶闸管T2电流过零关断，电源侧持续向换流电容充电，换流电容电压极性由下正上负变为上正下负，并达到避雷器吸能电压，此时主避雷器MOV投入运行，开始吸能并限制过电压，故障电流由T1转移到MOV，随后晶闸管T1电流过零关断，电容换流单元退出运行，经过一段时间后，流经主避雷器MOV的电流降低至零，MOV吸能结束。
(5)随后向机械开关S发出合闸指令，辅助避雷器MOV1开始吸收换流电容所储存的能量，并将换流电容C电压限制到设定值。随后向机械开关S发出分闸指令，机械开关S在零电流下分闸。
(6)随后向机械开关S2发出分闸指令，此时晶闸管T1、T2、机械开关S1均处于关断状态，机械开关S2可在零电流零耐压下缓慢分闸，机械开关S2分闸成功后，向机械开关S1发出合闸指令，当机械开关S1合闸成功，断路器已达到再次分断故障的所有条件，能满足系统重合闸的需求。由于直流电网的断路器首次断开故障电流到断路器重合闸的时间一般在300ms左右，故障期间该断路器内部器件动作时间加上机械开关动作时间小于300ms，本方案足以满足系统重合闸的需求。
(7)再次发生短路故障(或重合闸后故障未消失)，此时由于换流电容电压极性改变，根据电容换流单元半导体器件所具有的对称性，故障时将晶闸管T1、T2的动作顺序调换，将机械开关S1和S2的动作顺序调换，断路器其它器件动作顺序不变，不会对断路器再次开断故障电流产生影响。
同理可知，多端混合式高压直流断路器的拓扑结构和控制方法的原理，本实施例不再赘述。
相比于传统的直流断路器，本发明提供的多端混合式高压直流断路器具有如下优势：(1)电容容量小，造价低。晶闸管T1、T2和机械开关S1、S2对称连接，无论换相电容电压极性如何改变，均能用单个电容实现多端口的故障电流的分断和重合闸功能；换相电容在UFD达到足够开距后才投入运行，此时UFD已经能耐受一定的电压，不需要使用大的换相电容去降低主断路器分断所需耐受的电压。(2)换相电容C虽然属于储能电容，但是无需为换相电容配备充电回路。主要理由如下：断路器结构利用了电容换相单元动作期间电源侧为换相电容充电的特性，使电源侧等效为换相电容的充电回路，电容换相单元动作一次，换相电容电压极性改变一次；电容换相单元的对称设计确保了换相电容电压极性的改变不会影响断路器再次切断故障电流。(3)负载转换开关LCS无需采用大量IGBT串联，断路器正常运行损耗小。主断路器的UFD1在分闸达到足够开距前，均无需耐受高电压，当UFD1达到足够开距后，主断路器两端的电压可由UFD1耐受，确保了LCS1分断后无需耐受高电压，因此负载转换开关LCS1不需要采用大量的IGBT串联，不仅降低了负载转换开关LCS1的均压难度和造价，还有效降低了系统正常运行时断路器本身的运行损耗。(4)该断路器拓扑能满足系统重合闸需求。断路器能否实现重合闸功能主要看断路器动作后其内部器件能否在短时间内恢复。本文提出的断路器拓扑中动作时间较长的器件主要包括避雷器和机械开关。避雷器吸能时间在10ms量级，而机械开关S、S1、S2的动作时间也在10ms量级，针对直流电网要求的上百毫秒再次重合闸，断路器内部器件足以恢复至所需要的状态，满足系统重合闸的需求。(5)通过一个电容换相单元和吸能单元能实现n个端口的故障电流的切断和避雷器吸能的限制，极大的降低了整个输电系统的断路器造价，符合直流电网大规模互联的发展趋势。(6)仅用两套晶闸管就实现了故障电流的切断和重合闸后再次分断故障电流，半导体器件用量相对少，造价较低。(7)直流断路器拓扑虽然使用了三套机械断口S、S1、S2，但是机械开关S在零电流下关断，无需为该断口配备电流过零回路；机械开关S1、S2均在零电流零耐压下进行分闸，分闸压力很小，且机械断口S、S1、S2的动作余留时间较长，对三套机械断口的动作速度并未提出太高的要求，综合来看此类机械断口造价相对较低。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)随着柔性直流输电网的继续发展，电网规模继续增大，同一母线上输电线路的数量将越来越多。本发明提供的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器仅利用一个电容换流单元即可实现多线路故障电流的清除和重合闸功能，可有效降低半导体器件的复用，具备一定的经济性。
(2)本发明提供的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器合理利用了电源侧为换相电容充电的特性，可解决需要为预储能电容配备充电回路的问题，有效降低断路器整机体积和造价。
(3)本发明提供的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器可有效降低机械开关的分闸压力和避雷器的吸能压力，断路器内部器件造价较低，具备一定的经济优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于电容换相的多端混合式高压直流断路器，其特征在于，包括主断路器单元、电容换流单元和吸能单元，其中，
所述主断路器单元包括多个断路器电路，多个所述断路器电路对应串联连接在多端直流输电系统中的多条输电线路上，每个所述断路器电路用于分断其所在输电线路上的故障电流；
所述电容换流单元，并联连接在多个所述断路器电路上，用于为发生短路故障输电线路上的断路器电路提供低压支路保证其正常开断，并利用自关断功能切断故障电流；
所述吸能单元，并联在所述电容换流单元上，用于吸能和限制过电压。
2.根据权利要求1所述的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器，其特征在于，每个所述断路器电路均包括串联连接的超快速机械开关和负载转换开关，所述负载转换开关包括反向串联的两个IGBT管，每个所述IGBT管上反向并联有二极管。
3.根据权利要求1或2所述的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器，其特征在于，所述电容换流单元，包括电容换流电路和对称反串联在所述电容换流电路两端的多个二极管桥，所述电容换流电路通过多个所述二极管桥对应并联在多个所述断路器电路上；所述电容换流电路包括辅助避雷器支路、换流电容支路及对称并联连接的两条晶闸管支路，两条所述晶闸管支路均包括串联连接的晶闸管和第一机械开关；所述辅助避雷器支路包括串联连接的辅助避雷器和第二机械开关，所述辅助避雷器支路串接在两个所述晶闸管阴极之间；所述换流电容支路包括串联连接的换流电容和换流电感，所述换流电容支路并联在所述辅助避雷器支路上。
4.根据权利要求3所述的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器，其特征在于，所述吸能单元，包括主避雷器，所述主避雷器并联连接在所述电容换流电路的两端。
5.根据权利要求4所述的基于电容换相的多端混合式高压直流断路器，其特征在于，当检测到多端输电系统发生短路故障时，控制故障电流转移至其中一晶闸管支路，同时关断发生短路故障输电线路上的负载转换开关并令超快速机械开关开始分闸；当超快速机械开关分断后，控制故障电流转移至所述换流电容支路；当所述换流电容支路中的换流电容电压极性发生翻转时，故障电流转移至主避雷器；当流经主避雷器的电流降低至零时，触发辅助避雷器支路，将换流电容电压限制到设定值；关断所述其中一晶闸管支路，当所述其中一晶闸管支路关断后，触发另一晶闸管支路，为下次故障做准备。
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