CN113852050B - 基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直流固态断路器领域，具体涉及了一种基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器及方法，旨在解决在中低压开断场合如何降低直流固态断路器的损耗并实现可靠的主动关断的问题。本发明包括：电流检测及生成相应的开关通断驱动信号的控制器；驱动主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄的导通或断开，实现系统稳态、故障断开暂态、主动关断隔离暂态的驱动器；提供放电电流的预充电电容C₁和C₂；充电过程结束后进行电流缓冲和吸收的第一缓冲吸收支路和第二缓冲吸收支路。本发明实现了中低压开断场合中直流固态断路器的耗损降低以及可靠的故障断开和主动关断隔离。

Description

基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器及控制方法

技术领域

本发明属于直流固态断路器领域，具体涉及了一种基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器及方法。

背景技术

近年来，得益于电力电子技术的快速发展，直流输电技术由于其高效低损耗的优点成为研究和工程应用的热点。然而，直流系统的故障电流不存在自然过零点，因此无法沿用交流系统的方式开断；同时直流系统的系统阻抗低意味着故障电流的上升率大，以上因素使得直流系统的故障开断成为制约直流输电发展的一大难题。基于大功率电力电子器件构成的固态断路器(Solid State Circuit Breaker,SSCB)具有开断速度快(微秒级)、开关时间可精确控制、开断时无电弧产生等优点，是直流故障开断的未来趋势。目前，基于大功率晶闸管(SCR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等不同半导体器件实现的固态断路器方案都已经过了大量研究且部分得以应用。

随着可再生能源的发展，将分布式电源接入电网，构成两端甚至多端的直流输电系统成为未来电网发展的趋势。一方面，分布式电源的接入使得短路故障电流从单向变为双向；另一方面，分布式电源依旧存在电流流向不确定，装置故障率较高等缺陷，为了保证系统的稳定运行，有时需要在主电源不断电的情况下对其余端口进行停电检修，这都为断路器的设计带来了新的挑战。现有的开断方案一般通过电力电子器件反并联阀组来开断直流故障电流。一些文献提出了一种基于LC振荡带快速重合闸功能的双向直流固态断路器拓扑[1]，该拓扑在短路时通过LC振荡使反并联晶闸管阀组中电流过零，从而实现双向电流关断，仅需使用晶闸管即可实现功能，装置的损耗和成本都很低，且应用范围较广。

然而，由于电力电子器件存在较大的导通损耗，固态断路器目前还主要应用在低电压、小电流的开断场合，固态断路器的应用场景有待拓展。应用晶闸管等低损耗半控型器件是提升固态断路器性能的有效方法，但前述拓扑存在一个明显不足，若需要主动停电检修时，系统正常侧需承受两倍系统电压，这将对系统的正常工作带来破坏性的影响。此外，现有技术无法兼顾固态断路器的优良性能要求和功能集成要求，还需进一步改进。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]Z.Ayubu,J.-Y.Kim,J.-Y.Yu,S.-M.Song and I.-D.Kim,NovelBidirectional DC Solid-State Circuit Breaker With Operating Duty Capability,in IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.68,no.10,pp.9104-9113,Oct.2021,doi:10.1109/TIE.2020.3026308.

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即在中低压开断场合如何降低直流固态断路器的损耗并实现可靠的主动关断的问题，本发明提供了一种基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该直流固态断路器包括以下模块：

控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

驱动电路，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄，用于在驱动电路的驱动下导通或断开，结合对应的预充电电容C₁、预充电电容C₂、电容充电二极管D₁、电容充电二极管D₂以及第一缓冲吸收支路、第二缓冲吸收支路、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂，实现直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离。

在一些优选的实施例中，所述直流固态断路器，其模块连接关系为：

所述快速隔离开关UFD₁的第一连接端为所述直流固态断路器第一端口正极，所述快速隔离开关UFD₂的第二连接端为所述直流固态断路器第二端口正极；

所述快速隔离开关UFD₁的第二连接端连接至吸收电容开关S₁的第一连接端、放电支路开关S₃的第一连接端和主通流支路开关S_m的第一连接端；

所述快速隔离开关UFD₂的第一连接端连接至吸收电容开关S₂的第一连接端、放电支路开关S₄的第一连接端和主通流支路开关S_m的第二连接端；

所述吸收电容开关S₁的第二连接端连接至第一缓冲吸收支路的第一连接端，所述吸收电容开关S₂的第二连接端连接至第二缓冲吸收支路的第一连接端；

所述放电支路开关S₃的第二连接端连接至预充电电容C₁的第一连接端，所述放电支路开关S₄的第二连接端连接至预充电电容C₂的第一连接端；

所述第一缓冲吸收支路的第二连接端、第二缓冲吸收支路的第二连接端、预充电电容C₁的第二连接端和预充电电容C₂的第二连接端连接到一起作为所述直流固态断路器第一端口负极和第二端口负极；

所述电容充电二极管D₁的阳极连接至所述放电支路开关S₃的第一连接端，阴极连接至所述放电支路开关S₃的第二连接端；

所述电容充电二极管D₂的阳极连接至所述放电支路开关S₄的第一连接端，阴极连接至所述放电支路开关S₄的第二连接端。

在一些优选的实施例中，所述主通流支路开关S_m为半控型半导体器件或全控型半导体器件。

在一些优选的实施例中，所述第一缓冲吸收支路包括吸收电容C_s1和缓冲电阻R_s1，所述第二缓冲吸收支路包括吸收电容C_s2和缓冲电阻R_s2；

所述吸收电容C_s1的第一连接端和缓冲电阻R_s1的第一连接端连接到一起作为第一缓冲吸收支路的第一连接端；

所述吸收电容C_s1的第二连接端和缓冲电阻R_s1的第二连接端连接到一起作为第一缓冲吸收支路的第二连接端；

所述吸收电容C_s2的第一连接端和缓冲电阻R_s2的第一连接端连接到一起作为第二缓冲吸收支路的第一连接端；

所述吸收电容C_s2的第二连接端和缓冲电阻R_s2的第二连接端连接到一起作为第二缓冲吸收支路的第二连接端。

在一些优选的实施例中，所述直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离，其对应的开关状态为：

主通流支路开关S_m、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂导通且吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄断开，实现直流固态断路器第一端口和第二端口之间的稳态通路；

直流固态断路器右侧故障时，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₂对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器的右侧故障断开；

直流固态断路器左侧故障时，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₁对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器的左侧故障断开；

直流固态断路器右侧停电检修时，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₂对系统右侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器右侧的主动关断隔离；

直流固态断路器左侧停电检修时，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₁对系统左侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器左侧的主动关断隔离。

本发明的另一方面，提出了一种基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器控制方法，基于上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该方法包括：

步骤S10，系统启动后，主通流支路开关S_m、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂导通，控制器进行线路电流信号采样与检测，分别判断第一采样电流I₁和第二采样电流I₂与设定阈值I之间的关系；

步骤S20，若第一采样电流I₁和第二采样电流I₂均不大于设定阈值I，则直流固态断路器第一端口和第二端口为稳态通路状态；若第一采样电流I₁不大于设定阈值I且第二采样电流I₂大于设定阈值I，则跳转步骤S30；若第一采样电流I₁大于设定阈值I且第二采样电流I₂不大于设定阈值I，则跳转步骤S40；

步骤S30，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过预充电电容C₂对第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₂对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，故障侧短路故障被隔离，吸收电容C_s1充电至系统额定电压时，吸收电容开关S₁断开，吸收电容C_s1通过第一缓冲吸收支路中缓冲电阻R_s1放电，实现直流固态断路器的右侧故障断开；

步骤S40，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过预充电电容C₁对第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₁对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，故障侧短路故障被隔离，吸收电容C_s2充电至系统额定电压时，吸收电容开关S₂断开，吸收电容C_s2通过第二缓冲吸收支路中缓冲电阻R_s2放电，实现直流固态断路器的左侧故障断开；

步骤S50，主动控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过预充电电容C₂对第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₂对系统右侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器的右侧主动关断隔离；

步骤S60，主动控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过预充电电容C₁对第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2进行充电，以充电电流抵消故障电流，实现过程主通流支路开关S_m的断开，预充电电容C₁对系统左侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器的左侧主动关断隔离。

在一些优选的实施例中，步骤S30包括：

步骤S31，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通；

步骤S32，预充电电容C₂对短路点放电以及对吸收电容C_s1充电，充电过程所产生的电流与故障电流反向抵消，主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断；

步骤S33，预充电电容C₂单独对短路点放电，其放电电流逐步减小直至降到零，快速隔离开关UFD₂过零关断；

步骤S34，吸收电容C_s1充电系统额定电压，关断吸收电容开关S₁，吸收电容C_s1通过缓冲电阻R_s1进行放电；

步骤S35，吸收电容C_s1放电电流逐步减小直至降到零，完成直流固态断路器的右侧故障断开。

在一些优选的实施例中，步骤S40包括：

步骤S41，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通；

步骤S42，预充电电容C₁对短路点放电以及对吸收电容C_s2充电，充电过程所产生的电流与故障电流反向抵消，主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断；

步骤S43，预充电电容C₁单独对短路点放电，其放电电流逐步减小直至降到零，快速隔离开关UFD₁过零关断；

步骤S44，吸收电容C_s2充电系统额定电压，关断吸收电容开关S₂，吸收电容C_s2通过缓冲电阻R_s2进行放电；

步骤S45，吸收电容C_s2放电电流逐步减小直至降到零，完成直流固态断路器的左侧故障断开。

本发明的第三方面，提出了一种轻量化的可主动关断型直流固态断路器，基于上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该轻量化的可主动关断型直流固态断路器包括以下模块：

控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

驱动电路，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃、放电支路开关S₄和充电支路开关S₅的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃、放电支路开关S₄和充电支路开关S₅，用于在驱动电路的驱动下导通或断开，结合对应的电容充电二极管D₁、电容充电二极管D₂、预充电电容C以及第一缓冲吸收支路、第二缓冲吸收支路、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂，实现直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离。

本发明的第四方面，提出了一种多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器，基于上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器包括以下模块：

快速隔离开关UFD_n的第一连接端为所述多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器第n端口正极；

快速隔离开关UFD_n的第二连接端连接至主通流支路开关S_mn的第一连接端、吸收电容开关S_n的第一连接端和放电支路开关S_n’的第一连接端；

吸收电容开关S_n的第二连接端连接至第n缓冲吸收支路的第一连接端，放电支路开关S_n’的第二连接端连接至预充电电容C_n的第一连接端；

放电支路开关S_n’的第一连接端连接电容充电二极管D_n的阳极，第二连接端连接电容充电二极管D_n的阴极；

主通流支路开关S_mn的第二连接端均连接到一起；

第n缓冲吸收支路的第二连接端、预充电电容C_n的第二连接端连接到一起作为所述多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器第n端口负极。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，利用电容换流转移故障电流的工作原理，能够实现故障电流的双向开断和系统主动关断停电检修的双重功能。当出现短路故障时，本发明装置可以快速实现双向故障开断功能，故障发生在任何一侧都可以完成开断，从而避免故障的扩大化。当需要停电检修时，本发明装置可以在不对系统原有设置和特性做出改变的情况下进行主动关断，实现无损隔离需检修侧。本发明装置结构对装置的自我保护以及输电系统的安全可靠运行具有重要意义。

(2)本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，对开关器件的要求较低，利用晶闸管等半控型器件即可实现功能，相较于需使用全控型器件的固态断路器来说，损耗和成本都更低。由于半控型器件的通流和耐压能力都较强，本发明装置可实现较高电压、较大电流的低损耗通流和开断，应用范围更广。

(3)本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，具有良好的可拓展性，根据其拓扑的对称结构可以很容易地将本发明装置的应用场景从两端拓展至n端，且在任意一端发生故障或需要停电检修时，对其余端口的正常工作状态不会带来不利影响，最大程度的保证了多端输电系统工作的可靠性和连续性。

(4)本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，利用电容换流原理，一方面可将短路故障电流通过反向充电电流进行抵消，大大减少故障电流作用在主支路上的时间，另一方面在系统稳态时，预充电电容充满电之后对外电路而言相当于被开路，不会对直流系统的暂态响应特性、稳定性、传输效率等方面带来不利影响，短路故障对系统带来的破坏和断路器接入对系统造成的影响都可以降到最低。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器的结构示意图；

图2是本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的稳态通路示意图；

图3是本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的右侧故障通路示意图；

图4是本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的右侧主动关断隔离通路示意图；

图5是本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的电路结构图；

图6是本发明轻量化的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的结构示意图；

图7是本发明多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的3端口可主动关断型直流固态断路器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请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用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的一种基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该直流固态断路器包括以下模块：

控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

驱动电路，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄，用于在驱动电路的驱动下导通或断开，结合对应的预充电电容C₁、预充电电容C₂以及第一缓冲吸收支路、第二缓冲吸收支路、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂，实现直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离。

为了更清晰地对本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，主要利用主通流支路开关器件的低导通损耗和高通流能力，并结合电容换流原理对断路器的开断过程进行优化，其结构主要包括控制器、驱动电路、主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃、放电支路开关S₄、预充电电容C₁、预充电电容C₂、、电容充电二极管D₁、电容充电二极管D₂、第一缓冲吸收支路、第二缓冲吸收支路、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂，各模块详细描述如下：

控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号。

故障开断的控制主要依靠将电流检测信号传递到控制器，再由控制器来控制驱动电路驱动放电支路开关和吸收电容开关当中的开关器件的驱动状态，进而控制故障电流的流向，控制器在完成短路故障检测的同时，也对开关器件的驱动状态进行实时监测。

驱动电路，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄的导通或断开。

驱动电路连接吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄的驱动端，在控制器的开关通断驱动信号的驱动下，控制各开关状态。

主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄，用于在驱动电路的驱动下导通或断开，结合对应的预充电电容C₁、预充电电容C₂、电容充电二极管D₁、电容充电二极管D₂以及第一缓冲吸收支路、第二缓冲吸收支路、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂，实现直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离。

直流固态断路器，其模块连接关系为：

快速隔离开关UFD₁的第一连接端为直流固态断路器第一端口正极，快速隔离开关UFD₂的第二连接端为直流固态断路器第二端口正极；快速隔离开关UFD₁的第二连接端连接至吸收电容开关S₁的第一连接端、放电支路开关S₃的第一连接端和主通流支路开关S_m的第一连接端；快速隔离开关UFD₂的第一连接端连接至吸收电容开关S₂的第一连接端、放电支路开关S₄的第一连接端和主通流支路开关S_m的第二连接端；吸收电容开关S₁的第二连接端连接至第一缓冲吸收支路的第一连接端，所述吸收电容开关S₂的第二连接端连接至第二缓冲吸收支路的第一连接端；放电支路开关S₃的第二连接端连接至预充电电容C₁的第一连接端，放电支路开关S₄的第二连接端连接至预充电电容C₂的第一连接端；第一缓冲吸收支路的第二连接端、第二缓冲吸收支路的第二连接端、预充电电容C₁的第二连接端和预充电电容C₂的第二连接端连接到一起作为直流固态断路器第一端口负极和第二端口负极；电容充电二极管D₁的阳极连接至放电支路开关S₃的第一连接端，阴极连接至放电支路开关S₃的第二连接端；电容充电二极管D₂的阳极连接至放电支路开关S₄的第一连接端，阴极连接至放电支路开关S₄的第二连接端。

主通流支路开关S_m为低损耗半控型半导体器件或全控型半导体器件，在系统无故障时通流额定电流，可充分发挥该半导体器件通态压降低，通流能力强的优点。由开关器件构成的放电支路开关S₃和S₄并联在主通流支路两端，用于开断时预充电电容的接入控制。预充电电容C₁和C₂构成放电支路，用于提供放电电流。吸收电容开关S₁和吸收电容开关S₂同样由开关器件构成，用于控制吸收支路的接入与否。同时控制放电支路开关和吸收电容开关，可控制短路故障电流和预充电放电电流的流向。超快速隔离开关UFD₁和UFD₂在电流过零时快速关断，以保护线路上的设备。基于RC缓冲吸收电路的吸收支路(即第一缓冲吸收支路和第二缓冲吸收支路)，用于充电过程结束后电流的缓冲和吸收。

第一缓冲吸收支路包括吸收电容C_s1和缓冲电阻R_s1，第二缓冲吸收支路包括吸收电容C_s2和缓冲电阻R_s2：

吸收电容C_s1的第一连接端和缓冲电阻R_s1的第一连接端连接到一起作为第一缓冲吸收支路的第一连接端；

吸收电容C_s1的第二连接端和缓冲电阻R_s1的第二连接端连接到一起作为第一缓冲吸收支路的第二连接端；

吸收电容C_s2的第一连接端和缓冲电阻R_s2的第一连接端连接到一起作为第二缓冲吸收支路的第一连接端；

吸收电容C_s2的第二连接端和缓冲电阻R_s2的第二连接端连接到一起作为第二缓冲吸收支路的第二连接端。

直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离，其对应的开关状态为：

主通流支路开关S_m、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂导通且吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄断开，实现直流固态断路器第一端口和第二端口之间的稳态通路。

如图2所示，为本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的稳态通路示意图，在电网稳态时，主通流开关S_m正常导通系统电流，放电支路开关S₃和S₄处于关断状态，吸收电容开关S₁和S₂同样处于关断状态，断路器对系统不产生影响(稳态电流通路参见附图2中加粗线条)。

直流固态断路器右侧故障时，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₂对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器的右侧故障断开。

如图3所示，为本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的右侧故障通路示意图，控制器判定右侧短路故障之后，先控制吸收电容开关S₁导通，再控制放电支路开关S₄导通。当吸收电容开关S₁和放电支路开关S₄都成功导通后，预充电电容C₂将对短路点放电以及对吸收电容C_s1充电，充电过程所产生的电流与故障电流反向，可将主支路的故障电流抵消，使得主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断。主通流开关S_m关断后，预充电电容C₂单独对短路点放电，由于已经对吸收电容充电一段时间，预充电电容C₂对短路点的放电电流将逐步减小直至降到零。放电电流减小到零时，UFD₂过零关断，故障侧短路故障被隔离。当吸收电容C_s1被充电至系统额定电压时，不再进行充电，关断吸收电容开关S₁，吸收电容C_s1通过缓冲电阻R_s1进行放电，恢复未充电状态，右侧故障开断过程结束(右侧故障断开暂态电流通路参见附图3中加粗线条)。

直流固态断路器左侧故障时，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₁对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器的左侧故障断开。

当系统左侧发生短路故障时，开断控制策略与右侧故障完全一致，首先控制吸收电容开关S₂导通，再控制放电支路开关S₃导通。当吸收电容开关S₂和放电支路开关S₃都成功导通后，预充电电容C₁将对短路点放电以及对吸收电容C_s2充电，充电过程所产生的电流与故障电流反向，可将主支路的故障电流抵消，使得主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断。主通流开关S_m关断后，预充电电容C₁单独对短路点放电，由于已经对吸收电容充电一段时间，预充电电容C₁对短路点的放电电流将逐步减小直至降到零。放电电流减小到零时，UFD₁过零关断，故障侧短路故障被隔离。当吸收电容C_s2被充电至系统额定电压时，不再进行充电，关断吸收电容开关S₂，吸收电容C_s2通过缓冲电阻R_s2进行放电，恢复未充电状态，左侧故障开断过程结束。

在系统中接入断路器后，本发明装置除了可在短路故障发生时对故障做出迅速反应并及时开断故障外，还可实现无故障时断路器的主动开断，这对于系统的停电检修具有重要作用。

直流固态断路器右侧停电检修时，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₂对系统右侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器右侧的主动关断隔离。

本发明可主动关断功能的实现同样需要依靠控制器的控制，主通流开关S_m首先正常通流。如图4所示，为本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的右侧主动关断隔离通路示意图，当右侧需要停电检修时，如图4上图所示，控制器收到主动关断指令后，控制吸收电容开关S₁导通，由于吸收电容C_s1并未预充电，其两端电压为零，吸收电容开关S₁的导通相当于提供了一个人工短路点。再导通放电支路开关S₄，预充电电容C₂将向吸收电容C_s1充电，所产生的反向充电电流抵消系统额定电流，使得主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断。当主通流开关S_m关断后，如图4下图所示，预充电电容C₂再向系统右侧放电，当放电结束时，UFD₂电流过零并迅速开断，将系统右侧单独隔离开，实现直流固态断路器右侧的主动关断隔离，从而实现停电检修的目的(右侧主动关断隔离暂态电流通路参见附图4中加粗线条)。

直流固态断路器左侧停电检修时，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₁对系统左侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器左侧的主动关断隔离。

当左侧需要停电检修时，控制器收到主动关断指令后，控制吸收电容开关S₂导通，由于吸收电容C_s2并未预充电，其两端电压为零，吸收电容开关S₂的导通相当于提供了一个人工短路点。再导通放电支路开关S₃，预充电电容C₁将向吸收电容C_s2充电，所产生的反向充电电流抵消系统额定电流，使得主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断。当主通流开关S_m关断后，预充电电容C₁再向系统右侧放电，当放电结束时，UFD₁电流过零并迅速开断，将系统左侧单独隔离开，实现直流固态断路器左侧的主动关断隔离，从而实现停电检修的目的。

本发明在主动关断功能实现的过程中，不对系统左右两侧原本的设置做出改变，同时在控制时不对系统原有特性产生额外的影响，能够实现无损的停电检修，最大程度保证了系统的可靠性和完备性。

如图6所示，为本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的电路结构图，包括：直流电源V_DC、线路电感L_line、双向晶闸管阀组S_m、负载R_load和L_load、超快速隔离开关UFD₁和UFD₂、预充电电容C₁和C₂、电容充电二极管D₁和D₂、电容放电晶闸管S₃和S₄、吸收电容C_s1和C_s2及其缓冲电阻R_s1和R_s2以及吸收电容晶闸管S₁和S₂。直流电源V_DC为整个系统供电，线路电感L_line代表线路和杂散电感的总和，双向晶闸管阀组S_m接入到主回路当中，并与超快隔离开关UFD₁和UFD₂、负载电阻R_load和电感L_load串联。直流电源、线路电感、双向晶闸管阀组、超快隔离开关及负载构成系统正常工作时的主通流回路。在S_m两侧，各有两条含电容的支路。C_s1、C_s2分别与缓冲电阻R_s1、R_s2并联，然后再与吸收电容晶闸管S₁、S₂串联，用于控制吸收电容的接入和放电电流的吸收。电容充电二极管D₁、D₂分别与电容放电晶闸管S₃、S₄并联后再与预充电电容C₁和C₂串联，用于提供预充电电容的充电回路和控制放电回路的接入。

上述系统的工作状态可分为稳态、短路故障暂态、主动关断暂态三种：

当系统处于稳态时，直流电源V_DC通过主通流回路为负载供电，电流流通路径为：V_DC→L_line→S_m→R_load和L_load。作为主支路开关的双向晶闸管阀组S_m在通流时，可发挥晶闸管通态压降小，通流能力强的特点，相比与其他固态断路器可大大降低损耗。同时，电容充电二极管D₁、D₂会自然导通，为预充电电容C₁和C₂充电；当电容两端电压与V_DC相同时，充电停止。

当系统发生短路故障时，断路器进入短路故障暂态。以短路故障发生在系统右侧为例进行说明，控制器收到故障信号后，迅速判定故障发生，控制晶闸管S₁和S₄导通，S₁和S₄两端均承受正压，满足导通条件。由于吸收电容C_s1没有预充电，其两端电压为零，电源V_DC和预充电电容C₂将同时向C_s1充电，预充电电容C₂也将对短路点放电，其中预充电电容提供的充电电流与系统故障电流反向，进而使S_m中的短路电流迅速减小，待小于晶闸管的擎住电流后自然关断。S_m关断后，C_s1继续由电源充电，待其两端电压达到系统电压V_DC时，C_s1停止充电，此时吸收电容晶闸管S₁将不再承受正压，S₁中电流减小至擎住电流，自然关断。随后C_s1通过R_s1放电直至两端电压为零，恢复未充电状态。同时，预充电电容C₂将继续对短路点放电，直至其两端电压为0，S₄自然关断，UFD₂电流过零关断，将故障点切除，故障开断过程完成。

故障点切除后，断路器需为重合闸做准备。控制器发出触发信号使S_m导通，V_DC经由S_m、D₂对C₂进行充电；待C₂两端电压与V_DC相同，充电停止，S_m自然关断。此时C₁和C₂均已充满电，断路器处于断开状态，至此重合闸准备工作完成。

在无故障状态下，本发明可进行主动关断操作，当需要停电检修时，断路器进入主动关断暂态。以系统右侧需要进行停电检修为例进行说明，控制器收到主动关断信号后，控制晶闸管S₁和S₄导通，吸收电容由于未预充电而可等效为一个人工短路点，电源V_DC和预充电电容C₂将同时向吸收电容C_s1充电，其中预充电电容提供的充电电流与系统故障电流反向，进而使S_m中的短路电流迅速减小，待小于晶闸管的擎住电流后自然关断。S_m关断后，预充电电容C₂不再向吸收电容充电，而是转由向系统右侧放电，当预充电电容向系统右侧放电完成时，UFD₂电流过零关断，系统右侧被单独隔离，可停电检修，主动关断过程完成。

当短路故障出现在系统左侧时，能量由右侧回馈到左侧，由于本发明的拓扑结构中左右两侧的结构是相互对称的，开断过程和主动关断过程的控制策略与上述过程完全一致，只需将导通的开关器件进行相应改变即可。同样根据拓扑的对称性，本发明具有很强的可拓展性，可以很轻易地从n端口拓展至n+1端口。

本发明第二实施例的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器控制方法，基于上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该方法包括：

步骤S10，系统启动后，主通流支路开关S_m、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂导通，控制器进行线路电流信号采样与检测，分别判断第一采样电流I₁和第二采样电流I₂与设定阈值I之间的关系；

步骤S20，若第一采样电流I₁和第二采样电流I₂均不大于设定阈值I，则直流固态断路器第一端口和第二端口为稳态通路状态；若第一采样电流I₁不大于设定阈值I且第二采样电流I₂大于设定阈值I，则跳转步骤S30；若第一采样电流I₁大于设定阈值I且第二采样电流I₂不大于设定阈值I，则跳转步骤S40；

步骤S30，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过预充电电容C₂对第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₂对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，故障侧短路故障被隔离，吸收电容C_s1充电至系统额定电压时，吸收电容开关S₁断开，吸收电容C_s1通过第一缓冲吸收支路中缓冲电阻R_s1放电，实现直流固态断路器的右侧故障断开：

步骤S31，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通；

步骤S32，预充电电容C₂对短路点放电以及对吸收电容C_s1充电，充电过程所产生的电流与故障电流反向抵消，主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断；

步骤S33，预充电电容C₂单独对短路点放电，其放电电流逐步减小直至降到零，快速隔离开关UFD₂过零关断；

步骤S34，吸收电容C_s1充电系统额定电压，关断吸收电容开关S₁，吸收电容C_s1通过缓冲电阻R_s1进行放电；

步骤S35，吸收电容C_s1放电电流逐步减小直至降到零，完成直流固态断路器的右侧故障断开；

步骤S40，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过预充电电容C₁对第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₁对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，故障侧短路故障被隔离，吸收电容C_s2充电至系统额定电压时，吸收电容开关S₂断开，吸收电容C_s2通过第二缓冲吸收支路中缓冲电阻R_s2放电，实现直流固态断路器的左侧故障断开：

步骤S41，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通；

步骤S42，预充电电容C₁对短路点放电以及对吸收电容C_s2充电，充电过程所产生的电流与故障电流反向抵消，主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断；

步骤S43，预充电电容C₁单独对短路点放电，其放电电流逐步减小直至降到零，快速隔离开关UFD₁过零关断；

步骤S44，吸收电容C_s2充电系统额定电压，关断吸收电容开关S₂，吸收电容C_s2通过缓冲电阻R_s2进行放电；

步骤S45，吸收电容C_s2放电电流逐步减小直至降到零，完成直流固态断路器的左侧故障断开；

步骤S50，主动控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过预充电电容C₂对第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₂对系统右侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器的右侧主动关断隔离；

步骤S60，主动控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过预充电电容C₁对第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2进行充电，以充电电流抵消故障电流，实现过程主通流支路开关S_m的断开，预充电电容C₁对系统左侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器的左侧主动关断隔离。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器及方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种轻量化的可主动关断型直流固态断路器，基于上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该轻量化的可主动关断型直流固态断路器包括以下模块：

控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

驱动电路，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃、放电支路开关S₄和充电支路开关S₅的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃、放电支路开关S₄和充电支路开关S₅，用于在驱动电路的驱动下导通或断开，结合对应的电容充电二极管D₁、电容充电二极管D₂、预充电电容C以及第一缓冲吸收支路、第二缓冲吸收支路、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂，实现直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离。

上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器为了实现双向开断和主动关断，需要使用至少6个开关器件和4个电容，而其中电容的大量使用将使得装置的体积和重量都较大，在某些场合的应用将受到一定的限制。进一步研究开断过程的控制策略和主动关断的工作过程，两条放电支路中的预充电电容在双向开断过程中都起着相同的放电作用，且控制过程完全相同。

如图6所示，为本发明轻量化的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的结构示意图，将两个预充电电容集成为一个，同时利用开关器件的桥式结构进行放电电流的流向控制，与前述拓扑所不同的是，图6所示的拓扑结构将两个预充电电容集成在了一起，但为了避免预充电电容放电过程中电源侧对预充电电容的持续充电导致故障侧或检修侧电流始终不能过零，需要增加一个充电支路开关S₅，可以为全控型或半控型开关器件，该开关在预充电电容需要充电时导通，在其余时刻均关断，故障开断和主动关断的控制过程不变。与前述拓扑相比，小型化、轻量化拓扑可少用一个电容，进而可以减小装置的体积和重量；但增加了一个开关器件，成本相较电容有所增加。在实际使用时，可以根据使用场景和要求，进行灵活选择。

本发明第四实施例的一种多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器，基于上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器包括以下模块：

快速隔离开关UFD_n的第一连接端为所述多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器第n端口正极；

快速隔离开关UFD_n的第二连接端连接至主通流支路开关S_mn的第一连接端、吸收电容开关S_n的第一连接端和放电支路开关S_n’的第一连接端；

吸收电容开关S_n的第二连接端连接至第n缓冲吸收支路的第一连接端，放电支路开关S_n’的第二连接端连接至预充电电容C_n的第一连接端；

放电支路开关S_n’的第一连接端连接电容充电二极管D_n的阳极，第二连接端连接电容充电二极管D_n的阴极；

主通流支路开关S_mn的第二连接端均连接到一起；

第n缓冲吸收支路的第二连接端、预充电电容C_n的第二连接端连接到一起作为所述多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器第n端口负极。

由图1拓扑结构可知，本发明基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器为对称结构，不仅仅可用于两端系统故障的开断和主动关断，还可根据其对称性进行多端口拓展。如图7所示，为本发明多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器一种实施例的3端口可主动关断型直流固态断路器结构示意图，从每两端看过去，其拓扑结构与图1均一致，该结构可实现三端直流输电系统的故障开断与主动关断。当三端当中有任何一端发生故障时，及时导通其余两侧的吸收电容开关和故障侧的放电支路开关，在故障侧的主通流支路开关闭合后，在预充电电容放电结束时可隔离故障侧，其余两侧吸收电容充电完成并放电结束后，恢复原有供电状态，故障开断完成。当三端当中有任何一端需要停电检修时，导通其余两侧的吸收电容开关和需检修处的放电支路开关，在预充电电容放电结束后，可将需检修处单独隔离，完成主动关断，进行停电检修。

本发明用于多端口拓展时，其独特的优势在于，不论是在故障开断或者停电检修时，均只对故障侧或检修侧进行处理，其余正常侧仅需导通吸收电容开关，同时保持原有供电状态不受影响。这一点可保证多端口输电系统在一端改变时，其余端口的正常工作状态，保证了多端系统的工作可靠性和连续性。同时，根据对称结构，本发明装置具有良好的可拓展性，不仅可用于三端，还可以很轻易地拓展至更多端口。

本发明第五实施例的一种设备，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器控制方法。

本发明第六实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器控制方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，其特征在于，该直流固态断路器包括以下模块：

控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

驱动电路，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄，用于在驱动电路的驱动下导通或断开，结合对应的预充电电容C₁、预充电电容C₂、电容充电二极管D₁、电容充电二极管D₂以及第一缓冲吸收支路、第二缓冲吸收支路、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂，实现直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离；

所述直流固态断路器，其模块连接关系为：

所述快速隔离开关UFD₁的第一连接端为所述直流固态断路器第一端口正极，所述快速隔离开关UFD₂的第二连接端为所述直流固态断路器第二端口正极；

所述快速隔离开关UFD₁的第二连接端连接至吸收电容开关S₁的第一连接端、放电支路开关S₃的第一连接端和主通流支路开关S_m的第一连接端；

所述快速隔离开关UFD₂的第一连接端连接至吸收电容开关S₂的第一连接端、放电支路开关S₄的第一连接端和主通流支路开关S_m的第二连接端；

所述吸收电容开关S₁的第二连接端连接至第一缓冲吸收支路的第一连接端，所述吸收电容开关S₂的第二连接端连接至第二缓冲吸收支路的第一连接端；

所述放电支路开关S₃的第二连接端连接至预充电电容C₁的第一连接端，所述放电支路开关S₄的第二连接端连接至预充电电容C₂的第一连接端；

所述第一缓冲吸收支路的第二连接端、第二缓冲吸收支路的第二连接端、预充电电容C₁的第二连接端和预充电电容C₂的第二连接端连接到一起作为所述直流固态断路器第一端口负极和第二端口负极；

所述电容充电二极管D₁的阳极连接至所述放电支路开关S₃的第一连接端，阴极连接至所述放电支路开关S₃的第二连接端；

所述电容充电二极管D₂的阳极连接至所述放电支路开关S₄的第一连接端，阴极连接至所述放电支路开关S₄的第二连接端。

2.根据权利要求1所述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，其特征在于，所述主通流支路开关S_m为半控型半导体器件或全控型半导体器件。

3.根据权利要求1所述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，其特征在于，所述第一缓冲吸收支路包括吸收电容C_s1和缓冲电阻R_s1，所述第二缓冲吸收支路包括吸收电容C_s2和缓冲电阻R_s2；

所述吸收电容C_s1的第一连接端和缓冲电阻R_s1的第一连接端连接到一起作为第一缓冲吸收支路的第一连接端；

所述吸收电容C_s1的第二连接端和缓冲电阻R_s1的第二连接端连接到一起作为第一缓冲吸收支路的第二连接端；

所述吸收电容C_s2的第一连接端和缓冲电阻R_s2的第一连接端连接到一起作为第二缓冲吸收支路的第一连接端；

所述吸收电容C_s2的第二连接端和缓冲电阻R_s2的第二连接端连接到一起作为第二缓冲吸收支路的第二连接端。

4.根据权利要求3所述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，其特征在于，所述直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离，其对应的开关状态为：

主通流支路开关S_m、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂导通且吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃和放电支路开关S₄断开，实现直流固态断路器第一端口和第二端口之间的稳态通路；

直流固态断路器右侧故障时，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₂对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器的右侧故障断开；

直流固态断路器左侧故障时，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₁对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器的左侧故障断开；

直流固态断路器右侧停电检修时，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₂对系统右侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器右侧的主动关断隔离；

直流固态断路器左侧停电检修时，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2的充电过程断开主通流支路开关S_m，预充电电容C₁对系统左侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器左侧的主动关断隔离。

5.一种基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器控制方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该方法包括：

步骤S10，系统启动后，主通流支路开关S_m、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂导通，控制器进行线路电流信号采样与检测，分别判断第一采样电流I₁和第二采样电流I₂与设定阈值I之间的关系；

步骤S20，若第一采样电流I₁和第二采样电流I₂均不大于设定阈值I，则直流固态断路器第一端口和第二端口为稳态通路状态；若第一采样电流I₁不大于设定阈值I且第二采样电流I₂大于设定阈值I，则跳转步骤S30；若第一采样电流I₁大于设定阈值I且第二采样电流I₂不大于设定阈值I，则跳转步骤S40；

步骤S30，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过预充电电容C₂对第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₂对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，故障侧短路故障被隔离，吸收电容C_s1充电至系统额定电压时，吸收电容开关S₁断开，吸收电容C_s1通过第一缓冲吸收支路中缓冲电阻R_s1放电，实现直流固态断路器的右侧故障断开；

步骤S40，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过预充电电容C₁对第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₁对短路点放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，故障侧短路故障被隔离，吸收电容C_s2充电至系统额定电压时，吸收电容开关S₂断开，吸收电容C_s2通过第二缓冲吸收支路中缓冲电阻R_s2放电，实现直流固态断路器的左侧故障断开；

步骤S50，主动控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通，通过预充电电容C₂对第一缓冲吸收支路中吸收电容C_s1进行充电，以充电电流抵消故障电流，主通流支路开关S_m断开，预充电电容C₂对系统右侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₂过零关断，实现直流固态断路器的右侧主动关断隔离；

步骤S60，主动控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通，通过预充电电容C₁对第二缓冲吸收支路中吸收电容C_s2进行充电，以充电电流抵消故障电流，实现过程主通流支路开关S_m的断开，预充电电容C₁对系统左侧放电直至放电电流为0时，快速隔离开关UFD₁过零关断，实现直流固态断路器的左侧主动关断隔离。

6.根据权利要求5所述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器控制方法，其特征在于，步骤S30包括：

步骤S31，依次控制吸收电容开关S₁、放电支路开关S₄导通；

步骤S32，预充电电容C₂对短路点放电以及对吸收电容C_s1充电，充电过程所产生的电流与故障电流反向抵消，主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断；

步骤S33，预充电电容C₂单独对短路点放电，其放电电流逐步减小直至降到零，快速隔离开关UFD₂过零关断；

步骤S34，吸收电容C_s1充电系统额定电压，关断吸收电容开关S₁，吸收电容C_s1通过缓冲电阻R_s1进行放电；

步骤S35，吸收电容C_s1放电电流逐步减小直至降到零，完成直流固态断路器的右侧故障断开。

7.根据权利要求5所述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器控制方法，其特征在于，步骤S40包括：

步骤S41，依次控制吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃导通；

步骤S42，预充电电容C₁对短路点放电以及对吸收电容C_s2充电，充电过程所产生的电流与故障电流反向抵消，主通流支路上电流过零，主通流开关S_m关断；

步骤S43，预充电电容C₁单独对短路点放电，其放电电流逐步减小直至降到零，快速隔离开关UFD₁过零关断；

步骤S44，吸收电容C_s2充电系统额定电压，关断吸收电容开关S₂，吸收电容C_s2通过缓冲电阻R_s2进行放电；

步骤S45，吸收电容C_s2放电电流逐步减小直至降到零，完成直流固态断路器的左侧故障断开。

8.一种轻量化的可主动关断型直流固态断路器，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该轻量化的可主动关断型直流固态断路器包括以下模块：

控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

驱动电路，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃、放电支路开关S₄和充电支路开关S₅的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸收电容开关S₁、吸收电容开关S₂、放电支路开关S₃、放电支路开关S₄和充电支路开关S₅，用于在驱动电路的驱动下导通或断开，结合对应的电容充电二极管D₁、电容充电二极管D₂、预充电电容C以及第一缓冲吸收支路、第二缓冲吸收支路、快速隔离开关UFD₁和快速隔离开关UFD₂，实现直流固态断路器的稳态通路、故障断开和主动关断隔离；

所述轻量化的可主动关断型直流固态断路器，其模块连接关系为：

所述快速隔离开关UFD₁的第一连接端为所述轻量化的可主动关断型直流固态断路器第一端口正极，所述快速隔离开关UFD₂的第二连接端为所述轻量化的可主动关断型直流固态断路器第二端口正极；

所述快速隔离开关UFD₁的第二连接端连接至电容充电二极管D₁的阳极、放电支路开关S₄的第一连接端、放电支路开关S₁的第一连接端和主通流支路开关S_m的第一连接端；

所述快速隔离开关UFD₂的第一连接端连接至电容充电二极管D₂的阳极、放电支路开关S₃的第一连接端、放电支路开关S₂的第一连接端和主通流支路开关S_m的第二连接端；

所述电容充电二极管D₁的阴极、电容充电二极管D₂的阴极连接至放电支路开关S₅的第一连接端；

所述放电支路开关S₄的第二连接端、放电支路开关S₃的第二连接端和放电支路开关S₅的第二连接端连接至预充电电容C的第一连接端；

所述吸收电容开关S₁的第二连接端连接至第一缓冲吸收支路的第一连接端，所述吸收电容开关S₂的第二连接端连接至第二缓冲吸收支路的第一连接端；

所述第一缓冲吸收支路的第二连接端、第二缓冲吸收支路的第二连接端、预充电电容C的第二连接端连接到一起作为所述轻量化的可主动关断型直流固态断路器第一端口负极和第二端口负极。

9.一种多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的基于电容换流的可主动关断型直流固态断路器，该多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器包括以下模块：

快速隔离开关UFD_n的第一连接端为所述多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器第n端口正极；

快速隔离开关UFD_n的第二连接端连接至主通流支路开关S_mn的第一连接端、吸收电容开关S_n的第一连接端和放电支路开关S_n’的第一连接端；

吸收电容开关S_n的第二连接端连接至第n缓冲吸收支路的第一连接端，放电支路开关S_n’的第二连接端连接至预充电电容C_n的第一连接端；

放电支路开关S_n’的第一连接端连接电容充电二极管D_n的阳极，第二连接端连接电容充电二极管D_n的阴极；

主通流支路开关S_mn的第二连接端均连接到一起；

第n缓冲吸收支路的第二连接端、预充电电容C_n的第二连接端连接到一起作为所述多端口拓展的可主动关断型直流固态断路器第n端口负极。

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