CN114498581A - 电流注入型直流断路器及电流注入方法 - Google Patents

电流注入型直流断路器及电流注入方法 Download PDF

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胡应宏
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State Grid Corp of China SGCC
North China Electric Power Research Institute Co Ltd
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    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link

Abstract

本发明提供了一种电流注入型直流断路器及电流注入方法，电流注入型直流断路器，包括：机械开关，功率开关模块，谐振电感，预充电功率模块，耗能模块以及控制单元；机械开关设置于通流支路，功率开关模块、谐振电感以及预充电功率模块串联构成可调谐振电流注入支路，可调谐振电流注入支路、耗能模块均与通流支路并联，控制单元与通流支路、功率开关模块及机械开关相连接，控制单元根据通流支路的电流幅值和变化率控制所述机械开关及功率开关模块。本发明提高直流断路器在复杂工况下关断的可靠性，降低了器件电压电流耐受压力，减小了通流支路过零点附件电压电流的变化率，提高直流断路器的分断速度，增强了设备的可靠性。

Description

电流注入型直流断路器及电流注入方法
技术领域
本发明涉及电力技术，具体的讲是一种电流注入型直流断路器及电流注入方法。
背景技术
随着对风电、光伏等可再生能源需求的增加，以及电力电子技术的快速发展，高压直流输电系统越来越受到世界各国的关注。然而，由于直流电网的直流侧阻抗很小，发生短路故障时，电流快速上升，如果不能及时切除故障电流，会导致所有换流器闭锁，系统停运。因此，直流断路器是保证直流输电系统可靠运行的关键设备之一。
直流断路器发展的难点表现在没有电流自然过零点，无法应用交流断路器中成熟的灭弧技术。为了完成对直流的开断，需要制造“人工电流过零点”。常用的方法有无源谐振型和电流注入型。无源谐振型具有结构简单、易于控制、成本低等优点，但是开断时间与回路参数有关，一般在几十毫秒以上，快速响应性差。电流注入型直流断路器将电流注入支路产生的高频振荡电流反向叠加在通流支路上，从而在通流支路中构造出人工过零点，实现对故障电流的有效开断。该类型直流断路器具有损耗低、可靠性高等优势，适用于高压大电流场合，受到了业界广泛关注。
但是，常规的电流注入型直流断路器仅适用于大电流故障情况下。在其他故障情况下，电流注入的峰值要远高于故障电流，使得机械断口在电流过零点附近承受较大的电流和电压变化率，易造成电弧不能熄灭或者电弧重燃等问题，使得直流断路器存在开断失败的风险。
发明内容
针对现有技术中直流断路器存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电流注入型直流断路器，包括：机械开关，功率开关模块，谐振电感，预充电功率模块，耗能模块以及控制单元；其中，
所述的机械开关设置于通流支路，所述功率开关模块、谐振电感以及预充电功率模块串联构成可调谐振电流注入支路，所述可调谐振电流注入支路、耗能模块均与所述通流支路并联，所述控制单元与所述通流支路、功率开关模块及机械开关相连接，所述控制单元根据通流支路的电流幅值和变化率控制所述机械开关及功率开关模块，以实现电流注入型直流断路器的开关。
本发明实施例中，所述的预充电功率模块包括：谐振电容。
本发明实施例中，所述的功率开关模块包括：两个功率半导体开关器件以及一个电容；
所述的两个功率半导体开关器件顺向连接，与电容并联。
本发明实施例中，所述的功率开关模块包括：四个功率半导体开关器件以及一个电容；
所述的四个功率半导体开关器件顺向连接，与电容并联。
本发明实施例中，所述的电流注入型直流断路器包括：至少两个功率开关模块，所述的功率开关模块相互电连接。
本发明实施例中，所述的耗能模块包括：避雷器。
同时，本发明还提供一种直流断路器的电流注入方法，利用前述的电流注入型直流断路器进行故障电流注入；其中，
所述的控制单元根据通流支路的电流幅值和变化率控制所述机械开关及功率开关模块，以实现电流注入型直流断路器的开关。
本发明提供的一种电流注入型直流断路器拓扑结构与方法，提高直流断路器在复杂工况下关断的可靠性，能够根据故障电流的大小，在脉冲电流注入阶段，自动调整投切电容的数量，控制注入电流的峰值，适应不同分断电流，同时降低了器件电压电流耐受压力，减小了通流支路过零点附件电压电流的变化率，进而提高了直流断路器的分断速度，增强了设备的可靠性，能够满足高压直流输电系统安全、可靠、经济的要求。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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(a)为半桥结构子模块；
图2(b)为全桥结构子模块；
图3为本发明实施例提供的正常工作的电流流向图；
图4(a)为本发明实施例提供的采用半桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流流向图；
图4(b)为本发明实施例提供的采用半桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流流向图；
图5(a)为本发明实施例提供的采用全桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流正向时电流流向图；
图5(b)为本发明实施例提供的采用全桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流正向时电流流向图；
图6(a)为本发明实施例提供的采用全桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流反向时电流流向图；
图6(b)为本发明实施例提供的采用全桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流反向时电流流向图；
图7为本发明实施例提供的耗能阶段电流流向图；
图8为本发明实施例提供的控制单元工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
现有技术的电流注入型直流断路器仅适用于大电流故障情况，在其他故障情况下，电流注入的峰值要远高于故障电流，使得机械断口在电流过零点附近承受较大的电流和电压变化率，易造成电弧不能熄灭或者电弧重燃等问题，使得直流断路器存在开断失败的风险。基于此，本发明提出了一种电流自适应注入型直流断路器拓扑结构。
本发明提供一种电流注入型直流断路器拓扑结构，包括：机械开关，功率开关模块，谐振电感，谐振电容，避雷器以及控制单元。
所述机械开关构成通流支路，功率开关模块、谐振电感、谐振电容构成电流注入支路，与所述通流支路并联连接，避雷器构成耗能支路；控制单元与被检测电力线、机械开关、功率开关模块相连，通过测量通流支路的电流幅值和变化率来判断故障发生情况，并对所述机械开关、功率开关模块进行有序控制，实现直流断路器的可靠开断。
所述注入支路中功率开关模块可以采用半桥和全桥两种结构，其中半桥结构包括两个开关管和一个电容，全桥结构包括四个开关管和一个电容；并在注入支路中可以采用多组功率开关模块，进行串联、并联以及串并联组合，以适应不同输电电压、功率等级的应用需求。
本发明实施例还提供一种电流注入型直流断路器的控制方法，基于前述电流注入型直流断路器拓扑结构，其控制方法包括：
正常通流状态下，机械开关导通，承载主要电流，注入支路中的功率开关模块未触发；
当控制单元检测到故障电流时，向机械开关发出分闸指令，功率开关触发，注入支路产生与故障电流幅值相等、方向相反的脉冲电流，产生“人工电流过零点”，实现机械开关的可靠关断；
由避雷器构成的耗能支路，在断路器切断故障电流后，消耗电感中剩余的能量。在脉冲电流注入阶段，所述控制单元通过控制功率开关模块中电力电子器件导通与关断状态，对电容进行投切；
所述注入支路中包含多组功率开关模块，进而能够动态调整电容投切的数量，改变注入回路的阻抗，对注入电流脉冲的波形进行有效控制，实现不同故障电流下电流的自适应注入。
图1为本发明的一个实施例的结构示意图。如图1所示，包括机械开关K，N个功率开关模块，谐振电感Lr，谐振电容Cr和避雷器，其中机械开关K串入电力线路中构成了通流支路，电流注入支路包括N个功率开关模块、谐振电感Lr和谐振电容Cr，与通流支路并联连接；避雷器与谐振电容Cr并联，用于吸收故障下多余的能量。控制单元通过检测电力线中的故障电流的大小，动态控制电流注入支路中功率开关模块中的电力电子器件导通与关断，进行电容的投切，对注入电流脉冲的波形的控制，实现不同故障电流下电流的自适应注入。
图2(a)和图2(b)所示为本发明实施例提供的两种功率功率开关模块；其中，
图2(a)为半桥子模块电路连接图，功率半导体开关器件IGBT1和功率半导体开关器件IGBT2顺向连接，并与电容C并联连接；
图2(b)为全桥子模块电路连接图，功率半导体开关器件IGBT1、功率半导体开关器件IGBT2和功率半导体开关器件IGBT3、功率半导体开关器件IGBT4分别顺向连接，并与电容C并联连接。
另外，半桥子模块，电容投切方向固定，而全桥子模块能够实现电容的双向投切，具有更加灵活的控制方式。
图3所示为直流系统未出现故障时电流流向图，额定通流支路中的机械开关K保持导通状态，注入支路的所有开关保持闭锁状态。
当控制单元检测到故障信号时，直流断路器工作时序如下：
(1)机械开关在载流工况下打开产生电弧，故障电流进一步增加；
(2)注入脉冲电流阶段，在机械开关完全打开之前，控制单元依据检测到的故障电流，在第一阶段，通过查表决定投切的电容数量，以实现最快脉冲电流上升，第二阶段，在机械开关电流过零点附近，再次调整投切电容数量，以降低电流变化率，提高灭弧的成功率；
(3)耗能阶段，当谐振电容Cr电压足够高时，避雷器动作，将故障电流转移到避雷器中，电流流向图如图7所示。
图4(a)和图4(b)为采用半桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流流向图。
当IGBT1关断IGBT2导通时，电容C被旁路，如图4(a)所示；
当开关模块中的IGBT1导通IGBT2关断时，电容C接入注入支路中，如图4(b)所示，由此可以实现电容是否投切功能。
图5(a)和图5(b)为本发明实施例提供的采用全桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流正向时电流流向图。
当IGBT1、IGBT3关断，IGBT2、IGBT4导通，如图5(a)所示；或者，IGBT1、IGBT3导通，IGBT2、IGBT4关断时，电容C被旁路，不接入注入支路；
当IGBT2、IGBT3关断，IGBT1、IGBT4导通时，如图5(b)所示，电容C正向接入注入支路。
图6(a)和图6(b)为本发明实施例提供的采用全桥结构子模块拓扑结构在脉冲电流注入阶段电流反向时电流流向图。
当IGBT1、IGBT3导通，IGBT2、IGBT4关断，如图6(a)所示，或者IGBT1、IGBT3关断，IGBT2、IGBT4导通时，电容C被旁路，不接入注入支路；
当IGBT2、IGBT3导通，IGBT1、IGBT4关断时，如图6(b)所示，电容C反向接入注入支路。
图8所示为本发明实施例中控制单元工作流程图。
当检测到故障信号时，直流断路器开始关断动作，机械开关打开；
之后，电流注入支路开始工作，首先，控制单元通过检测当前故障电流信号，通过查表的方式，决定接入功率开关模块的数量和时间，以实现设定的电流上升速率，在注入电流上升到一定值时，机械开关的电流接近于过零点，此时，控制单元再次调整功率开关模块的接入数量，以降低电流的上升率，提高灭弧的成功率。在脉冲电流注入阶段，控制单元可以通过检测注入电流Ip,meas(t)与理想电流Ip,ideal大小的差值，实时动态调整接入支路功率开关模块的数量，使注入电流接近于理想电流。
由以上描述可知，本发明提出的一种电流自适应注入型直流断路器拓扑结构具有如下优点：在脉冲电流注入阶段，自动调整投切功率开关模块的数量，控制注入电流的峰值，能够适应不同分断电流，同时降低了器件电压电流耐受压力，减小了通流支路过零点附件电压电流的变化率，进而提高了直流断路器的的分断速度，增强了设备的可靠性，能够满足高压直流输电系统安全、可靠、经济的要求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
以上参照附图描述了本发明的优选实施方式。这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施方式的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种电流注入型直流断路器，其特征在于，所述的电流注入型直流断路器包括：机械开关，功率开关模块，谐振电感，预充电功率模块，耗能模块以及控制单元；其中，
所述的机械开关设置于通流支路，所述功率开关模块、谐振电感以及预充电功率模块串联构成可调谐振电流注入支路，所述可调谐振电流注入支路、耗能模块均与所述通流支路并联，所述控制单元与所述通流支路、功率开关模块及机械开关相连接，所述控制单元根据通流支路的电流幅值和变化率控制所述机械开关及功率开关模块，以实现电流注入型直流断路器的开关。
2.如权利要求1所述的电流注入型直流断路器，其特征在于，所述的预充电功率模块包括：谐振电容。
3.如权利要求1所述的电流注入型直流断路器，其特征在于，所述的功率开关模块包括：两个功率半导体开关器件以及一个电容；
所述的两个功率半导体开关器件顺向连接，与电容并联。
4.如权利要求1所述的电流注入型直流断路器，其特征在于，所述的功率开关模块包括：四个功率半导体开关器件以及一个电容；
所述的四个功率半导体开关器件顺向连接，与电容并联。
5.如权利要求1所述的电流注入型直流断路器，其特征在于，所述的电流注入型直流断路器包括：至少两个功率开关模块，所述的功率开关模块相互电连接。
6.如权利要求1所述的电流注入型直流断路器，其特征在于，所述的耗能模块包括：避雷器。
7.一种直流断路器的电流注入方法，其特征在于，所述的方法利用权利要求1-6中任一项所述的电流注入型直流断路器进行故障电流注入；其中，
所述的控制单元根据通流支路的电流幅值和变化率控制所述机械开关及功率开关模块，以实现电流注入型直流断路器的开关。
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