CN114050073A - 一种直流开关装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流开关装置及其控制方法，该开关装置包括主支路、缓冲支路、转移支路和能量吸收支路；所述主支路包括隔离开关和机械开关；所述缓冲支路包括储能元件；所述能量吸收支路包括能量吸收元件；所述转移支路包括单个全控型开关元件和多个半控型开关元件；所述机械开关与所述缓冲支路、转移支路和能量吸收支路相互并联。本发明的直流开关装置基于晶闸管承压技术实现，可用于直流断路器中，减少了直流断路器中全控型电力电子器件的使用，提高了直流断路器的经济性和实用性。

Description

一种直流开关装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件技术领域，尤其涉及一种直流开关装置及其控制方法。

背景技术

目前，由于新能源的快速发展，直流输配电技术得到研究机构的重点关注，但由于直流断路器成本较高，限制了直流输配电的技术的发展。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种直流开关装置及其控制方法，该直流开关装置为基于晶闸管承压技术实现的直流断路器，减少了全控型电力电子器件的使用，提高了直流断路器的经济性和实用性。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种直流开关装置，包括主支路、缓冲支路、转移支路和能量吸收支路；其中，

所述主支路包括隔离开关和机械开关；

所述缓冲支路包括储能元件；

所述能量吸收支路包括能量吸收元件；

所述转移支路包括单个全控型开关元件和多个半控型开关元件；

所述机械开关与所述缓冲支路、转移支路和能量吸收支路相互并联。

进一步的，所述缓冲支路包括储能电阻、储能电容和储能开关；

所述储能电阻与储能开关串联后，与所述储能电容并联。

进一步的，所述隔离开关和机械开关串联连接。

进一步的，所述机械开关的两端并联一电容。

进一步的，所述隔离开关包括第一隔离开关和第二隔离开关；

所述机械开关的两端分别通过所述第一隔离开关和第二隔离开关与所述缓冲支路并联。

进一步的，所述转移支路包括第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管和全控型开关元件；

所述第一晶闸管和第二晶闸管的阴极相互连接组成第一晶闸管臂，第三晶闸管和第四晶闸管的阳极相互连接组成第二晶闸管臂，所述第一晶闸管臂和第二晶闸管臂相互并联连接；

所述全控型开关元的一端连接于第一晶闸管臂的中点，另一端连接于第二晶闸管臂的中点。

进一步的，所述转移支路包括多个晶闸管、全控型开关元件、以及二极管组成的全桥电路；

所述多个晶闸管与全控型开关元件串联连接，两端分别连接于所述全桥电路两个桥臂的中点。

进一步的，所述转移支路包括多个晶闸管、第一全控型开关元件和第二全控型开关元件；

所述多个晶闸管分为第一晶闸管组和第二晶闸管组；

所述第一晶闸管组与第一全控型开关元件串联，构成第一开关组，所述第二晶闸管组与第二全控型开关元件串联，构成第二开关组；

所述第一开关组和第二开关组相互并联，并且导通方向相反。

根据本发明的第二个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的直流开关装置的控制方法，包括分闸控制方法和合闸控制方法；其中，

所述分闸控制方法包括：

在合闸状态下，根据分闸命令，控制所述机械开关分闸；

所述机械开关分闸过程中，在断口所产生的电弧电压大于转移支路电力电子器件的导通压降时，电流向所述转移支路转移；

当所述电流完全转移至转移支路时，所述机械开关断口电弧熄灭；

所述机械开关断口电弧熄灭后经过预设第一延时时间，控制所述转移支路中的全控型开关元件关断，以使得该转移支路的电流下降至零，所述半控型开关元件电流过零关断；

所述转移支路关断后，所述缓冲支路中的储能元件投入并被充电；

当所述储能元件两端的过电压达到能量吸收支路的阈值时，所述能量吸收支路吸收能量并且恢复电压，所述机械开关完成分闸；

所述机械开关完成分闸后，控制所述隔离开关分闸；

所述合闸控制方法包括：

在分闸状态下，控制所述隔离开关合闸；

所述隔离开关合闸到位后，控制所述机械开关合闸，主回路导通，完成合闸。

根据本发明的第三个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的直流开关装置的控制方法，包括分闸控制方法和合闸控制方法；其中，

所述分闸控制方法包括：

在合闸状态下，根据分闸命令，控制所述机械开关分闸；

所述机械开关分闸过程中，触头分离产生电场，所述缓冲支路抑制该触头两端的场强快速增加；

当主回路电流截止时，电流完全转移至所述缓冲支路，使得所述转移支路的全控型开关元件不被触发；当所述缓冲支路电压达到预定阈值后直接触发能量吸收回路；

当主回路电流未截止时，触发转移支路中的全控型开关元件导通，电流转移至所述转移支路；

当所述电流完全转移至转移支路时，经过预设第二延时时间，关断所述转移支路中的全控型开关元件，以将电路转移至所述缓冲支路；

当所述缓冲支路两端的电压达到能量吸收支路的阈值时，所述能量吸收支路吸收能量并且恢复电压，所述机械开关完成分闸；

所述机械开关完成分闸后，控制所述隔离开关分闸；

所述合闸控制方法包括：

在分闸状态下，控制所述隔离开关合闸；

所述隔离开关合闸到位后，控制所述机械开关合闸，主回路导通，完成合闸。

综上所述，本发明提供了一种直流开关装置及其控制方法，该装置包括主支路、缓冲支路、转移支路和能量吸收支路；所述主支路包括隔离开关和机械开关；所述缓冲支路包括储能元件；所述能量吸收支路包括能量吸收元件；所述转移支路包括单个全控型开关元件和多个半控型开关元件；所述机械开关与所述缓冲支路、转移支路和能量吸收支路相互并联。本发明的直流开关装置基于晶闸管承压技术实现，可用于直流断路器中，减少了直流断路器中全控型电力电子器件的使用，提高了直流断路器的经济性和实用性。

附图说明

图1是现有技术中典型的混合式直流断路器拓扑结构示意图；

图2是本发明一个实施例直流开关装置的拓扑结构示意图；

图3-图8是根据本发明其他实施例的直流开关装置的拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

目前直流断路器主要分固态式、机械式、混合式直流断路器三类，其中固态断路器存在长期通流损耗大，需要水冷的问题，在中压技术领域应用较少。机械式直流断路器转移支路依靠电容预储能，断路器需要开断时，控制器件使储能电容与电感产生振荡电流反向注入电流使主支路断口产生过零点；机械式直流断路器由于转移支路存在电容，存在不易实现快速重合闸、小电流分断时间长的问题。混合式直流断路器相对技术较为成熟，但是由于使用大量的电力电子器件，导致断路器成本较高。

图1中示出了现有技术中典型的混合式直流断路器拓扑结构示意图，主要包含主支路、转移支路、能量吸收支路组成。其中主支路由机械开关与辅助电力电子器件串联构成，转移支路由可关断电力电子器件串联组成，能量吸收支路主要由避雷器组成。断路器合闸状态时，系统电流主要由机械开关合闸、辅助电力电子承载；当断路器需要分闸时，控制器使辅助电力电子器件关断，同时转移支路电力电子器件导通，辅助电力电子器件关断，使主回路的电流强制转移到转移支路(由于转移支路串联的电力电子的导通压降相对较小(50V以内))，然后再使机械开关分闸，机械开关断口分离并具有一定绝缘性能后，控制器使转移支路电力电子器件分闸，电流强制转移到能量吸收回路，在避雷器吸收能量的过程中，两端电压达到系统电压的1.6倍左右。因此转移支路电力电子器件需要具备承受约1.6倍系统过电压的能力，考虑到电力电子器件的承压安全性，一般转移支路配置的承压能力是系统电压的2倍以上。以10kV中压直流系统为例，系统最高电压11kV，断路器开断过电压在16～18kV，其中转移支路电力电子器件承压能力一般在20kV以上。目前单个电力电子器件峰值耐受电压一般为4500V，转移支路一般至少配置5～6个可关断器件，考虑到双向开断的功能，转移支路至少配置10～12个可关断器件。尤其应用到20kv以上的电压系统，开断能力超过5kA的技术领域，成本相对较高。

针对以上现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种直流开关装置，该直流开关装置基于晶闸管承压技术实现，可用于直流断路器中，减少了直流断路器中全控型电力电子器件的使用，提高了直流断路器的经济性和实用性。下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种直流开关装置，该直流开关装置的拓扑结构示意图如图2所示，该装置包括主支路、缓冲支路、转移支路4和能量吸收支路；其中，所述主支路包括隔离开关1和机械开关2；所述缓冲支路包括储能元件3；所述能量吸收支路包括能量吸收元件5；所述转移支路4包括单个全控型开关元件和多个半控型开关元件；所述机械开关与所述缓冲支路、转移支路和能量吸收支路相互并联。其中，全控型开关元件可以为IGBT、IGCT或者IGET中的任意一种，也可以是本领域常用的其他全控型开关元件。能量吸收元件例如可以为避雷器。

如图2所示，主支路中，所述隔离开关1和机械开关2串联连接。转移支路例如包括第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管和全控型开关元件；所述第一晶闸管和第二晶闸管的阴极相互连接组成第一晶闸管臂，第三晶闸管和第四晶闸管的阳极相互连接组成第二晶闸管臂，所述第一晶闸管臂和第二晶闸管臂相互并联连接；所述全控型开关元的一端连接于第一晶闸管臂的中点，另一端连接于第二晶闸管臂的中点。

根据某些实施例，主支路的隔离开关，包括第一隔离开关和第二隔离开关，图3中示出了由第一隔离开关和第二隔离开关组成主支路的隔离开关的拓扑结构示意图，如图3所示，所述机械开关的两端分别通过所述第一隔离开关和第二隔离开关与所述缓冲支路并联。

根据某些实施例，主支路中机械开关1的两端并联一电容，图4中示出了机械开关的两端并联电容的拓扑结构示意图。

缓冲支路包括储能元件3，该储能元件例如可以为储能电容。

根据某些实施例，缓冲支路可以为储能电容和储能电阻相互并联后组成的储能电路，图5中示出了由储能电容和储能电阻相互并联后组成缓冲支路的拓扑结构示意图。

根据某些实施例，缓冲支路可以为储能电阻、储能电容和储能开关，图6中示出了由储能电阻、储能电容和储能开关组成缓冲支路的拓扑结构示意图，如图6所示，该储能电阻与储能开关串联后，与所述储能电容并联。

根据某些实施例，转移支路可以包括多个晶闸管、全控型开关元件、以及二极管组成的全桥电路，图7中示出了包括二极管全桥电路的转移支路的拓扑结构示意图，如图7所示，所述多个晶闸管与全控型开关元件串联连接，两端分别连接于所述全桥电路两个桥臂的中点。

根据某些实施例，转移支路可以包括多个晶闸管、第一全控型开关元件和第二全控型开关元件，图8中示出了包括二极管全桥电路的转移支路的拓扑结构示意图，如图8所示，所述多个晶闸管分为第一晶闸管组和第二晶闸管组；所述第一晶闸管组与第一全控型开关元件串联，构成第一开关组，所述第二晶闸管组与第二全控型开关元件串联，构成第二开关组；所述第一开关组和第二开关组相互并联，并且导通方向相反。

根据本发明的第二个实施例，提供了一种该直流开关装置的控制方法。本发明实施例直流开关装置可以采用两种控制方法。

控制方法1

合闸状态：隔离开关1、机械开关2保持合闸状态。

分闸过程：控制器接到保护的分闸命令时，使机械开关2分闸，机械开关2分闸过程中，断口产生电弧电压，当电弧电压大于转移支路电力电子器件的导通压降时，系统电流会开始向转移支路转移，在一定时间内，系统电流在电弧电压的作用下会完全转移到转移支路，机械开关断口电弧熄灭，延迟一定时间(断口去游离，一般1ms左右即可)，转移支路4中的可关断器件关断，转移支路电流下降到零，晶闸管电流过零关断，迅速起到承压作用。为了防止可关断器件产生过电压，缓冲支路3起始电压较低(等于电力电子器件导通压降)，在转移支路4关断时，缓冲支路起到限制过电压的作用，给转移支路可关断器件以及半控器件提供可靠的关断与承受高电压的恢复时间。缓冲电容投入，系统向缓冲电容充电，由于系统电感的存在，电容两端产生过电压，当电压达到能量吸收支路5的阀值后，能量吸收支路迅速吸收系统能量，并恢复系统电压，断路器完成分闸动作。断路器完成分闸后，控制器使隔离开关1分闸，起到电气的隔离作用。

合闸过程：开关处于分闸状态，控制装置先使隔离开关1合闸，确认隔离开关1合闸到位后，再使机械开关2合闸，主回路导通，完成合闸。在机械开关2合闸的同时，缓冲支路电容3可以通过机械开关放电。

控制方法2：

合闸状态：隔离开关1、机械开关2保持合闸状态。

分闸过程：控制器接到保护的分闸命令时，使机械开关2分闸，机械开关2分闸过程中，触头分离产生电场，由于触头两端并联缓冲电容3，抑制触头两端的场强快速增加。在小电流的情况下，触头在并联缓冲电容3的条件下，触头分离不产生电弧或产生电弧可以自行熄灭。当控制器检测到主回路电流截止，系统电流完全转移到缓冲电容时，转移支路4可关断器件不触发，当缓冲电容电压达到一定值后直接触发能量吸收回路。若了开关开断电流较大，主回路机械开关电弧不能熄灭，控制器检测到主触头电流未截止，触发转移支路4中的可关断电力电子器件导通，在主回路电弧电压的作用，故障电流转移到转移支路4，当主回路电流完全转移到转移支路4时，延迟一定时间，控制器关断转移支路4中电力电子器件，系统电流强制转移到缓冲电容3，当缓冲电容两端的电压达到能量吸收回路5的阀值后，能量吸收支路导通，吸收系统剩余能量，电压恢复到系统电压，断路器完成分闸。断路器完成分闸后，控制器使隔离开关1分闸，起到电气的隔离作用。

合闸过程：开关处于分闸状态，控制装置先使隔离开关1合闸，确认隔离开关1合闸到位后，再使机械开关2合闸，主回路导通，完成合闸。在机械开关2合闸的同时，缓冲支路电容3可以通过机械开关放电。

综上所述，本发明提供了一种直流开关装置及其控制方法，该装置包括主支路、缓冲支路、转移支路和能量吸收支路；所述主支路包括隔离开关和机械开关；所述缓冲支路包括储能元件；所述能量吸收支路包括能量吸收元件；所述转移支路包括单个全控型开关元件和多个半控型开关元件；所述机械开关与所述缓冲支路、转移支路和能量吸收支路相互并联。本发明的直流开关装置基于晶闸管承压技术实现，可用于直流断路器中，减少了直流断路器中全控型电力电子器件的使用，提高了直流断路器的经济性和实用性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种直流开关装置，其特征在于，包括主支路、缓冲支路、转移支路和能量吸收支路；其中，

所述主支路包括隔离开关和机械开关；

所述缓冲支路包括储能元件；

所述能量吸收支路包括能量吸收元件；

所述转移支路包括单个全控型开关元件和多个半控型开关元件；

所述机械开关与所述缓冲支路、转移支路和能量吸收支路相互并联。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲支路包括储能电阻、储能电容和储能开关；

所述储能电阻与储能开关串联后，与所述储能电容并联。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔离开关和机械开关串联连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机械开关的两端并联一电容。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔离开关包括第一隔离开关和第二隔离开关；

所述机械开关的两端分别通过所述第一隔离开关和第二隔离开关与所述缓冲支路并联。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转移支路包括第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管和全控型开关元件；

所述第一晶闸管和第二晶闸管的阴极相互连接组成第一晶闸管臂，第三晶闸管和第四晶闸管的阳极相互连接组成第二晶闸管臂，所述第一晶闸管臂和第二晶闸管臂相互并联连接；

所述全控型开关元的一端连接于第一晶闸管臂的中点，另一端连接于第二晶闸管臂的中点。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转移支路包括多个晶闸管、全控型开关元件、以及二极管组成的全桥电路；

所述多个晶闸管与全控型开关元件串联连接，两端分别连接于所述全桥电路两个桥臂的中点。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转移支路包括多个晶闸管、第一全控型开关元件和第二全控型开关元件；

所述多个晶闸管分为第一晶闸管组和第二晶闸管组；

所述第一晶闸管组与第一全控型开关元件串联，构成第一开关组，所述第二晶闸管组与第二全控型开关元件串联，构成第二开关组；

所述第一开关组和第二开关组相互并联，并且导通方向相反。

9.一种如权利要求1-8中任意一相所述的直流开关装置的控制方法，其特征在于，包括分闸控制方法和合闸控制方法；其中，

所述分闸控制方法包括：

在合闸状态下，根据分闸命令，控制所述机械开关分闸；

所述机械开关分闸过程中，在断口所产生的电弧电压大于转移支路电力电子器件的导通压降时，电流向所述转移支路转移；

当所述电流完全转移至转移支路时，所述机械开关断口电弧熄灭；

所述机械开关断口电弧熄灭后经过预设第一延时时间，控制所述转移支路中的全控型开关元件关断，以使得该转移支路的电流下降至零，所述半控型开关元件电流过零关断；

所述转移支路关断后，所述缓冲支路中的储能元件投入并被充电；

当所述储能元件两端的过电压达到能量吸收支路的阈值时，所述能量吸收支路吸收能量并且恢复电压，所述机械开关完成分闸；

所述机械开关完成分闸后，控制所述隔离开关分闸；

所述合闸控制方法包括：

在分闸状态下，控制所述隔离开关合闸；

所述隔离开关合闸到位后，控制所述机械开关合闸，主回路导通，完成合闸。

10.一种如权利要求1-8中任意一相所述的直流开关装置的控制方法，其特征在于，包括分闸控制方法和合闸控制方法；其中，

所述分闸控制方法包括：

在合闸状态下，根据分闸命令，控制所述机械开关分闸；

所述机械开关分闸过程中，触头分离产生电场，所述缓冲支路抑制该触头两端的场强快速增加；

当主回路电流截止时，电流完全转移至所述缓冲支路，使得所述转移支路的全控型开关元件不被触发；当所述缓冲支路电压达到预定阈值后直接触发能量吸收回路；

当主回路电流未截止时，触发转移支路中的全控型开关元件导通，电流转移至所述转移支路；

当所述电流完全转移至转移支路时，经过预设第二延时时间，关断所述转移支路中的全控型开关元件，以将电路转移至所述缓冲支路；

当所述缓冲支路两端的电压达到能量吸收支路的阈值时，所述能量吸收支路吸收能量并且恢复电压，所述机械开关完成分闸；

所述机械开关完成分闸后，控制所述隔离开关分闸；

所述合闸控制方法包括：

在分闸状态下，控制所述隔离开关合闸；

所述隔离开关合闸到位后，控制所述机械开关合闸，主回路导通，完成合闸。

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