CN114583670B - 一种星型联结转移支路的多端口直流断路器及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星型联结转移支路的多端口直流断路器，所述断路器包括三个以上端口；每两个相邻端口之间通过开关支路连接；每个端口均通过一个转移支路与中性点形成联结，其中，中性点为多个转移支路的公共连接点。本发明的星型联结转移支路的多端口直流断路器，结构紧凑，易于扩展，在不影响开断性能的前提下，可显著降低转移支路固态开关的成本至常规两端口混合式直流断路器组合的一半。

Description

一种星型联结转移支路的多端口直流断路器及使用方法
技术领域
本发明属于电力领域，特别涉及一种星型联结转移支路的多端口直流断路器及使用方法。
背景技术
随着电力技术的发展和节能减排计划的推进，大规模海上风电场将成为未来清洁能源的主要来源，海上风电场往往具有离岸距离远、分布范围广的特点。随着功率器件的发展和海上风电场装机总量的增加，基于电压源型换流站的多端高压直流输电方式成为解决多个海上风电场接入的主流选择。
在多端柔性直流电网中，通常会存在多条直流线路的交汇点。为确保柔性直流电网运行可靠性，多条直流线路交汇点处也需安装直流断路器。如果这些断路器均采用常规两端口混合式直流断路器，则整个系统的成本将十分昂贵。
因此，亟需一种结构紧凑、经济便捷的多端口断路器。
发明内容
针对上述问题，本发明一种星型联结转移支路的多端口直流断路器，所述断路器包括三个以上端口；
每两个相邻端口之间通过开关支路连接；
每个端口均通过一个转移支路与中性点形成联结，其中，中性点为多个转移支路的公共连接点。
进一步地，还包括：
并联在每个转移支路两端的耗能支路。
进一步地，所述开关支路包括一个或多个机械开关。
进一步地，所述机械开关额定电压根据断路器的额定电压确定。
进一步地，所述开关支路还包括与所述机械开关串联的强迫换流组件。
进一步地，每个转移支路包括一个或多个串联的双向固态开关模块。
进一步地，每个转移支路的双向固态开关模块的额定电压之和根据断路器额定电压的一半确定。
进一步地，所述双向固态开关模块采用反串联结构、全桥结构或二极管桥结构；
所述双向固态开关模块中的电力电子开关为全控电力电子器件。
进一步地，所述双向固态开关模块采用二极管桥结构；
二极管桥结构由五个二极管和一个电力电子开关构成，包括并联的第一二极管支路、第二二极管支路、二极管跨接支路和电力电子开关跨接支路；
其中，第一二极管支路包括两个反向串联的二极管，且两个二极管的阴极相连接；
第二二极管支路包括两个反向串联的二极管，且两个二极管的阳极相连接；
二极管跨接支路和电力电子开关跨接支路均跨接在第一二极管支路和第二二极管支路之间；
二极管跨接支路包括一个二极管，该二极管的阴极连接在第一二极管支路的两个二极管的连接点上，阳极连接在第二二极管支路的两个二极管的连接点上；
电力电子开关跨接支路与二极管跨接支路反向并联，电力电子开关跨接支路包括一个电力电子开关，其一端连接在第一二极管支路的两个二极管的连接点上，另一端连接在第二二极管支路的两个二极管的连接点上。
本发明还提供一种上述星型联结转移支路的多端口直流断路器的使用方法，所述断路器的其中一个端口出现短路故障时，
向出现故障的端口相邻的两个开关支路的机械开关发送分闸指令，并导通所有转移支路的双向固态开关模块；
经过一定时间后，通过强迫换流组件或机械开关的断口弧压驱动故障电流从开关支路换流至各个转移支路；
待机械开关的触头间隙能够承受转移支路的瞬态恢复电压后，关断转移支路中双向固态开关模块，将故障电流从转移支路换流至对应的各个耗能支路。
本发明的星型联结转移支路的多端口直流断路器，结构紧凑，易于扩展，在不影响开断性能的前提下，可显著降低转移支路固态开关的成本至常规两端口混合式直流断路器组合的一半。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据本发明实施例的三端口直流断路器的结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的三端口直流断路器正常工作状态的电流情况示意图；
图3示出了根据本发明实施例的三端口直流断路器故障电流转移过程中的电流情况示意图；
图4示出了根据本发明实施例的三端口直流断路器故障工作状态下转移支路承载电流的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的三端口直流断路器故障工作状态下耗能支路承载电流的示意图；
图6示出了根据本发明实施例的三端口直流断路器故障切除后的状态示意图；
图7示出了根据本发明实施例的四端口直流断路器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
本发明实施例提供星型联结转移支路的多端口直流断路器，具体为一种基于星型联结转移支路的混合式多端口直流断路器(简称星型多端口断路器或断路器)，在不影响开断性能的前提下，可显著降低转移支路固态开关的成本至常规两端口混合式直流断路器组合的一半。
星型多端口断路器的具有如下拓扑结构：每两个相邻端口之间通过开关支路连接，多个端口通过多条开关支路形成环形回路，即N个端口的断路器有N条开关支路。具体地，每两个相邻端口间均设置一条包括一个或多个机械开关和可选的强迫换流组件串联组成的开关支路，多条开关支路形成回路。而每个端口均通过一个转移支路与中性点形成联结(即星型接法)，其中，中性点为多个转移支路的公共连接点，每个转移支路的一端连接于该中性点，另一端连接于一个对应的端口，每个转移支路对应一个端口。星型多端口断路器还包括并联在每个转移支路两端的耗能支路，即，每个耗能支路连接在中性点和一个对应的端口之间。
具体的，机械开关可采用真空机械开关或气体机械开关或其组合。转移支路包括双向固态开关模块，双向固态开关模块的电力电子开关可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和栅极注入增强晶体管(IEGT)等全控电力电子器件，双向拓扑结构可采用反串联结构、全桥结构或二极管桥结构。耗能支路包括金属氧化物压敏电阻MOV。强迫换流组件可选用耦合负压组件、辅助开关(LCS)组件等，在开关支路中也可以不设置强迫换流组件。
下面以三端口为例，对星型多端口断路器拓扑结构进行示例性说明。
如图1所示，星型多端口断路器包括三个端口，分别标记为第一端口(A端口)、第二端口(B端口)和第三端口(C端口)，构成三端口断路器。
多个端口分别用于接入输电线路。每两个相邻端口之间通过开关支路连接，则在第一端口与第二端口之间设置有第一开关支路，在第二端口与第三端口之间设置有第二开关支路，在第三端口与第一端口之间设置有第三开关支路。示例性地，第一开关支路包括串联的机械开关AB和一个强迫换流组件。第二开关支路包括串联的机械开关BC和一个强迫换流组件。第三开关支路包括串联的机械开关AC和一个强迫换流组件。
并且，每个端口通过转移支路连接至中性点，形成Y型联结转移支路。第一端口通过第一转移支路(转移支路A)连接至中性点。第二端口通过第二转移支路(转移支路B)连接至中性点。第三端口通过第三转移支路(转移支路C)连接至中性点。每个转移支路两端还并联有相应的耗能支路。具体地，第一转移支路两端并联第一耗能支路(耗能支路A)，第二转移支路两端并联第二耗能支路(耗能支路B)，第三转移支路两端并联第三耗能支路(耗能支路C)。不失一般性地，每个耗能支路采用MOV。
每个转移支路包括一个或多个串联的双向固态开关模块，双向拓扑结构可采用反串联结构、全桥结构或二极管桥结构。不失一般性地，本发明实施例中的双向拓扑结构采用二极管桥结构。
二极管桥结构由五个二极管和一个电力电子开关构成，包括并联的第一二极管支路、第二二极管支路、二极管跨接支路和电力电子开关跨接支路，其中，第一二极管支路包括两个反向串联的二极管，且两个二极管的阴极相连接；第二二极管支路包括两个反向串联的二极管，且两个二极管的阳极相连接；二极管跨接支路和电力电子开关跨接支路均跨接在第一二极管支路和第二二极管支路之间。二极管跨接支路包括一个二极管，该二极管的阴极连接在第一二极管支路的两个二极管的连接点上，阳极连接在第二二极管支路的两个二极管的连接点上。电力电子开关跨接支路与二极管跨接支路反向并联，电力电子开关跨接支路包括一个电力电子开关，其一端(电流流入端)连接在第一二极管支路的两个二极管的连接点上，另一端(电流流出端)连接在第二二极管支路的两个二极管的连接点上。
多个开关支路可以根据本发明实施例的描述选择相同或不同的结构，多个转移支路也可以选择相同或不同的结构。优选地，多个开关支路选择相同结构，多个转移支路选择相同的结构来实现。
下面以三端口断路器的B端口发生短路接地故障为例，对于星型多端口断路器，在正常运行和故障发生时的工作阶段的电流情况进行说明，等效电路如图2-图6所示，图中(以图1为参考)加粗线用于表示有电流流过的线路或器件。
1.断路器正常运行时，如图2所示，所有转移支路的双向固态开关模块不导通，由开关支路承载正常工作电流流通。
2.当B端口发生短路故障，故障电流经过机械开关BC和机械开关AB流向B端并快速上升。多端口断路器接到分闸命令后，首先给与B端口直接连接的机械开关AB和机械开关BC发分闸指令，同时导通所有转移支路中的双向固态开关模块，如图3所示。经过一定的刚分时间后，机械开关AB和机械开关BC刚分。其中，刚分时间是指从机械开关接到分闸指令到机械开关触头分离的时间。由于机械开关AC为合闸状态，故机械开关AB和BC为并联连接，转移支路A和转移支路C也是并联连接。此后强迫换流组件或机械断口弧压驱动故障电流从机械开关AB和机械开关BC换流至转移支路A、B、C，其中转移支路B的电流为转移支路A、C电流之和。具体地，当第一开关支路和第二开关支路设置有强迫换流组件时，通过强迫换流组件驱动故障电流从第一开关支路和第二开关支路转移到转移支路上。当第一开关支路和第二开关支路没有设置强迫换流组件时，通过机械开关AB和机械开关BC的断口弧压驱动故障电流从第一开关支路和第二开关支路转移到转移支路上。
3.在一段时间后，机械开关AB和机械开关BC的电流过零，故障电流全部通过转移支路A、B、C流通，如图4所示。
4.随后，机械开关AB和机械开关BC的触头继续做分闸运动，待机械开关的触头间隙能够承受转移支路A、B、C的瞬态恢复电压后，关断转移支路中双向固态开关模块，故障电流从转移支路A、B、C换流至对应的耗能支路A、B、C，如图5所示。其中耗能支路A、C仍然为并联连接。
5.随后，在耗能支路的MOV的作用下，断路器端间电压被MOV限制，同时故障电流逐渐下降，最终降至零，实现了故障端的切除，如图6所示，只有第三开关支路导通。
本发明实施例中，各条开关支路的机械开关额定电压根据断路器的额定电压确定，机械开关的额定电压(额定直流耐受电压)和断路器额定电压成正比，不失一般性地，机械开关的额定电压＝断路器的额定电压*冗余系数*避雷器残压比，其中，冗余系数、避雷器残压比为常数。
任意一条转移支路的双向固态开关模块额定电压之和根据断路器额定电压的一半确定，从而可实现断路器器件成本的减半。具体地，每条转移支路的双向固态开关模块的额定电压之和根据“1/2*断路器额定电压(即直流母线额定电压)*冗余系数*避雷器残压比”确定，如直接取该计算值作为电压之和，或者进行一定的偏差调整。其中，冗余系数、避雷器残压比为常数。
本发明实施例的断路器拓扑结构和使用方法，也可以应用于更多数量端口的断路器中，如四端口断路器。图7示出了四端口直流断路器的结构示意图，包括A、B、C、D四个端口、四条开关支路、四条转移支路和四条耗能支路(未示出)，四条转移支路连接至中性点，四条开关支路连接为回路。各支路实现细节和故障切除过程可以根据本发明三端口断路器的实施方式获得，不再赘述。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种星型联结转移支路的多端口直流断路器，其特征在于，
所述断路器包括三个以上端口；
每两个相邻端口之间通过开关支路连接；
每个端口均通过一个转移支路与中性点形成联结，其中，中性点为多个转移支路的公共连接点；
所述开关支路包括一个或多个机械开关；
每个转移支路包括一个或多个串联的双向固态开关模块；
所述开关支路还包括与所述机械开关串联的强迫换流组件；
还包括：并联在每个转移支路两端的耗能支路；
耗能支路包括金属氧化物压敏电阻MOV；
多端口断路器正常运行时，所有转移支路的双向固态开关模块不导通，由开关支路承载正常工作电流流通；
当某个端口发生短路故障，故障电流经过与发生短路故障的端口相邻的某两组机械开关，流向发生短路故障的端口并快速上升，多端口断路器接到分闸命令后，首先给相邻的所述两组机械开关发分闸指令，同时导通所有转移支路中的双向固态开关模块；经过一定的刚分时间后，相邻的所述两组机械开关刚分，其中，刚分时间是指从机械开关接到分闸指令到机械开关触头分离的时间；
此后强迫换流组件或机械断口弧压驱动故障电流从相邻的所述两组机械开关换流至所有转移支路，其中与故障端口直连的转移支路的电流为其余转移支路电流之和；在一段时间后，相邻的所述两组机械开关的电流过零，故障电流全部通过转移支路流通；
随后，相邻的所述两组机械开关的触头继续做分闸运动，待机械开关的触头间隙能够承受所有转移支路的瞬态恢复电压后，关断转移支路中双向固态开关模块，故障电流从所有转移支路换流至对应的耗能支路，随后，在耗能支路的MOV的作用下，断路器端间电压被MOV限制，同时故障电流逐渐下降，最终降至零，实现了故障端的切除；
各条开关支路的机械开关额定电压根据断路器的额定电压确定，机械开关的额定电压＝断路器的额定电压*冗余系数*避雷器残压比，其中，冗余系数、避雷器残压比为常数；
任意一条转移支路的双向固态开关模块额定电压之和根据断路器额定电压的一半确定，每条转移支路的双向固态开关模块的额定电压之和根据“1/2*断路器额定电压*冗余系数*避雷器残压比”确定，其中，冗余系数、避雷器残压比为常数。
2.根据权利要求1所述的星型联结转移支路的多端口直流断路器，其特征在于，
所述双向固态开关模块采用反串联结构、全桥结构或二极管桥结构；
所述双向固态开关模块中的电力电子开关为全控电力电子器件。
3.根据权利要求1或2所述的星型联结转移支路的多端口直流断路器，其特征在于，
所述双向固态开关模块采用二极管桥结构；
二极管桥结构由五个二极管和一个电力电子开关构成，包括并联的第一二极管支路、第二二极管支路、二极管跨接支路和电力电子开关跨接支路；
其中，第一二极管支路包括两个反向串联的二极管，且两个二极管的阴极相连接；
第二二极管支路包括两个反向串联的二极管，且两个二极管的阳极相连接；
二极管跨接支路和电力电子开关跨接支路均跨接在第一二极管支路和第二二极管支路之间；
二极管跨接支路包括一个二极管，该二极管的阴极连接在第一二极管支路的两个二极管的连接点上，阳极连接在第二二极管支路的两个二极管的连接点上；
电力电子开关跨接支路与二极管跨接支路反向并联，电力电子开关跨接支路包括一个电力电子开关，其一端连接在第一二极管支路的两个二极管的连接点上，另一端连接在第二二极管支路的两个二极管的连接点上。
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