CN114597874A - 基于转移支路复用的混合式多端口断路器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于断路器领域，提供了一种基于转移支路复用的混合式多端口断路器及控制方法，所述多端口断路器包括多个隔离支路、多个主通流支路和转移支路，每个所述隔离支路与转移支路串联，然后再分别与对应的主通流支路并联。本发明提供的多端口断路器，在不影响开断性能的前提下，可显著降低电力电子器件的使用个数。由于电力电子器件是混合式直流断路器的主要成本，新型多端口断路器成本将显著低于组合两端口混合断路器的成本。因此新型多端口直流断路器具有十分广阔的应用前景。

Description

基于转移支路复用的混合式多端口断路器及控制方法

技术领域

本发明属于断路器领域，特别涉及一种基于转移支路复用的混合式多端口断路器及控制方法。

背景技术

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。由于电力电子器件是混合式直流断路器的主要成本，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。

发明内容

针对上述问题，一方面，本发明公开了一种基于转移支路复用的混合式多端口断路器及控制方法，所述多端口断路器包括多个隔离支路、多个主通流支路和转移支路，每个所述隔离支路与转移支路串联，然后再分别与对应的主通流支路并联。

进一步地，所述主通流支路包括快速机械开关；所述快速机械开关的一端与转移支路相连，另一端与隔离支路相连。

进一步地，所述快速机械开关采用真空机械开关或气体机械开关或真空机械开关和气体机械开关两者的组合开关。

进一步地，所述转移支路包括电力电子开关，所述电力电子开关的一端与隔离支路相连，另一端与主通流支路相连。

进一步地，所述电力电子开关采用绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管或栅极注入增强晶体管的全控电力电子器件或多种晶体管器件的串联/并联。

进一步地，所述电力电子开关采用双向通流或单向通流的拓扑结构；若为单向通流，通流方向为主通流支路经电力电子开关到隔离支路的方向。

进一步地，所述转移支路中，电力电子开关并联有缓冲吸收电能的耗能MOV。

进一步地，所述转移支路中设置有强迫换流组件。

进一步地，所述隔离支路包括快速隔离开关和晶闸管，所述快速隔离开关与晶闸管串联；所述快速隔离开关的一端与转移支路相连，所述晶闸管的阳极与快速隔离开关的另一端相连，所述晶闸管的负极与主通流支路相连。

进一步地，所述快速隔离开的耐受电压大于断路器开断时间内转移支路中的过电压。

进一步地，所述晶闸管的额定电压等级大于强迫换流组件或快速机械开关产生的换流电压，晶闸管的额定浪涌电流大于断路器额定开断电流；晶闸管的通流方向为双向通流或单向通流；若晶闸管的通流方向为单向通流，通流方向为转移支路到端口的方向。

另一方面，一种基于转移支路复用的混合式多端口断路器的控制方法，所述控制方法包括：

正常工作时，主通流支路中的快速机械开关和隔离支路中的快速隔离开关闭合，隔离支路中的晶闸管未导通；

当监测到断路器的端口发生故障时，断路器收到分闸指令，控制隔离支路和主通流支路，将电流转移至转移支路，直到故障电流逐渐下降至零。

进一步地，所述断路器收到分闸指令，控制隔离支路和主通流支路，将电流转移至转移支路具体包括：

断路器收到分闸指令，向发生故障的端口对应的快速机械开关发送分闸指令，除发生故障的端口对应的快速隔离开关以外，向其余快速隔离开关发送分闸指令，并导通发生故障的端口对应的晶闸管和转移支路中的电力电子开关，电流转移至转移支路。

进一步地，所述导通发生故障的端口对应的晶闸管和转移支路中的电力电子开关的同时，若转移支路中有强迫换流组件，向强迫换流组件发送工作指令。

进一步地，所述电流转移至转移支路之后，所述控制方法还包括：

电流从快速机械开关转移至电力电子开关后，当分闸的快速机械开关和快速隔离开关能够耐受瞬态过电压后，关断电力电子开关，电流转移至与电力电子开关并联的耗能MOV；

在耗能MOV的作用下，故障电流逐渐下降至零。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种基于转移支路复用的混合式多端口断路器及控制方法，在不影响开断性能的前提下，可显著降低电力电子器件的使用个数。由于电力电子器件是混合式直流断路器的主要成本，新型多端口断路器成本将显著低于组合两端口混合断路器的成本。因此新型多端口直流断路器具有十分广阔的应用前景。

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示出了本发明实施例的多端口断路器的拓扑结构示意图；

图2示出了本发明实施例的多端口断路器正常工作时电流路径示意图；

图3示出了本发明实施例的多端口断路器故障换流时电流路径示意图；

图4示出了本发明实施例的多端口断路器能量耗散时电流路径示意图；

图5示出了本发明实施例的多端口断路器故障隔离后电流路径示意图。

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。

在本发明的一种实施例中，一种基于转移支路复用的混合式多端口断路器(以下称多端口断路器)，所述多端口断路器包括多个隔离支路、多个主通流支路和转移支路，每个所述隔离支路与转移支路串联，然后再分别与对应的主通流支路并联。

在本实施例的一种情况中，所述多端口断路器的每个端口与一个串隔离支路和一个主通流支路对应连接，所述端口连接在隔离支路和主通流支路之间。如图1所示，以三端口断路器为例，三条隔离支路与三条主通流支路对应相连，并且三个端口A/B/C分别对应一个隔离支路和一个主通流支路。

在不影响开断性能的前提下，可显著降低电力电子器件的使用个数。由于电力电子器件是混合式直流断路器的主要成本，新型多端口断路器成本将显著低于组合两端口混合断路器的成本。因此新型多端口直流断路器具有十分广阔的应用前景。

在本发明的一种实施例中，所述主通流支路包括快速机械开关；所述快速机械开关的一端与转移支路相连，另一端与隔离支路相连。如图1所示，快速机械开关有快速机械开关1、快速机械开关2以及快速机械开关3。

在本实施例的一种情况中，所述快速机械开关采用真空机械开关或气体机械开关或真空机械开关和气体机械开关两者的组合开关。

在本发明的一种实施例中，所述转移支路包括电力电子开关，所述电力电子开关的一端与隔离支路相连，另一端与主通流支路相连。

在本实施例的一种情况中，所述电力电子开关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)等的全控电力电子器件或多种晶体管器件的串联/并联。

所述电力电子开关采用双向通流或单向通流的拓扑结构；若为单向通流，通流方向为主通流支路经电力电子开关到隔离支路的方向。

所述转移支路中，电力电子开关并联有缓冲吸收电能的耗能MOV。

另外，所述转移支路或主通流支路中均设置有强迫换流组件。在转移支路中，所述强迫换流组件与电力电子开关串联。也可以不设置强迫换流组件，图1中为仅在转移支路中采用强迫换流组件。

在本发明的一种实施例中，所述隔离支路包括快速隔离开关和晶闸管，所述快速隔离开关与晶闸管串联；所述快速隔离开关的一端与转移支路相连，所述晶闸管的阳极与快速隔离开关的另一端相连，所述晶闸管的负极与端口和主通流支路相连。如图1所示，快速隔离开关有快速隔离开关1、快速隔离开关2以及快速隔离开关3；晶闸管有晶闸管1、晶闸管2以及晶闸管3。

在本实施例的一种情况中，所述快速隔离开的耐受电压大于断路器开断时间内转移支路中的过电压。

所述晶闸管的额定电压等级大于强迫换流组件或快速机械开关产生的换流电压，晶闸管的额定浪涌电流大于断路器额定开断电流；晶闸管的通流方向为双向通流或单向通流；若晶闸管的通流方向为单向通流，通流方向为转移支路到端口的方向。

需要说明的是，晶闸管和电力电子开关可设计为单向的原因为在单端口短路故障的工况下，故障电流的方向是单向的，故转移支路只需流通单向的故障电流。

综上，多端口断路器共需要一组电力电子开关作为转移支路，N个快速机械开关，N个晶闸管，N个快速隔离开关和可能的强迫换流组件。

作为本发明多端口断路器的一种实施例，端口数量为三个，如图1，三端口断路器包括三个隔离支路、三个主通流支路和一个转移支路，每个所述隔离支路与转移支路串联，然后再分别与对应的主通流支路并联。三个隔离支路中，快速隔离开关1和晶闸管1串联，快速隔离开关2和晶闸管2串联，快速隔离开关3和晶闸管3串联。三个主通流支路中，对应设置有相互并联的快速机械开关1、快速机械开关2和快速机械开关3。所述转移支路包括强迫换流组件、电力电子开关和耗能MOV，强迫换流组件和电路电子开关串联，电力电子开关与耗能MOV并联。其中，三个串联组中的快速隔离开关一端与强迫换流组件一端相连，另一端与晶闸管阳极相连，晶闸管阴极与快速机械开关一端相连，快速机械开关的另一端与直流母线相连；在转移支路中，强迫换流组件的另一端与电力电子开关的一端相连，电力电子开关的另一端与直流母线相连。快速机械开关1、快速机械开关2和快速机械开关3的另一端均与直流母线相连。三端口断路器的三个端口A、B、C分别连接在晶闸管1与快速机械开关1之间、晶闸管2与快速机械开关2之间、晶闸管2与快速机械开关3之间。

对于三端口断路器，在正常运行和故障发生时的工作阶段(以三端口断路器和A端发生短路接地故障为例)，电流路径如图2-5所示，图中加粗黑线代表当前线路中有电流。

多端口断路器工作原理如下：

1.正常工作时，如图2所示，快速机械开关和快速隔离开关全部闭合，由于晶闸管未导通，快速隔离开关不会流过电流，工作电流流经快速机械开关。

2.若A端口发生故障，故障电流将流向A端口。如图3所示，断路器收到分闸指令后，同时给快速机械开关1和快速隔离开关2、快速隔离开关3发分闸指令，并导通晶闸管1和电力电子开关，若有强迫换流组件，此时给其发动作指令。随后快速机械开关1的弧压或强迫换流组件的电压将驱动电流从快速机械开关1转移到电力电子开关-快速隔离开关1-晶闸管1的回路。此时晶闸管2和晶闸管3将耐受换流电压。

3.如图4所示，电流从快速机械开关1完全转移到电力电子开关后，待快速机械开关1和快速隔离开关2、快速隔离开关3可以耐受瞬态过电压后，关断电力电子开关，其电流转移至并联的耗能MOV。

4.如图5所示，在耗能MOV的作用下，多端口断路器故障端和正常端端间电压被耗能MOV限制，同时故障电流逐渐下降，最终降至零，实现了故障端口A的隔离。由于快速隔离开关2、快速隔离开关3已无弧分闸，故晶闸管2和晶闸管3不会被击穿。

基于上述原理，可以类似地得到在多个端口同时短路故障工况下，多端口断路器的动作指令。例如在三端口断路器中，若A、B两个端口发生故障，则导通晶闸管1和晶闸管2，分闸快速机械开关1和快速机械开关2以及快速隔离开关3，可实现C端口和A、B端口的隔离。普适地，当若干端口发生故障时，需导通对应的晶闸管，分闸对应的快速机械开关和序号上互为补集的快速隔离开关。

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 (15)

1.一种基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述多端口断路器包括多个隔离支路、多个主通流支路和转移支路，每个所述隔离支路与转移支路串联，然后再分别与对应的主通流支路并联。

2.根据权利要求1所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述主通流支路包括快速机械开关；所述快速机械开关的一端与转移支路相连，另一端与隔离支路相连。

3.根据权利要求2所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述快速机械开关采用真空机械开关或气体机械开关或真空机械开关和气体机械开关两者的组合开关。

4.根据权利要求2所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述转移支路包括电力电子开关，所述电力电子开关的一端与隔离支路相连，另一端与主通流支路相连。

5.根据权利要求4所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述电力电子开关采用绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管或栅极注入增强晶体管的全控电力电子器件或多种晶体管器件的串联/并联。

6.根据权利要求4所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述电力电子开关采用双向通流或单向通流的拓扑结构；若为单向通流，通流方向为主通流支路经电力电子开关到隔离支路的方向。

7.根据权利要求4所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述转移支路中，电力电子开关并联有缓冲吸收电能的耗能MOV。

8.根据权利要求4-7任一所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述转移支路中设置有强迫换流组件。

9.根据权利要求1所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述隔离支路包括快速隔离开关和晶闸管，所述快速隔离开关与晶闸管串联；所述快速隔离开关的一端与转移支路相连，所述晶闸管的阳极与快速隔离开关的另一端相连，所述晶闸管的负极与主通流支路相连。

10.根据权利要求9所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述快速隔离开的耐受电压大于断路器开断时间内转移支路中的过电压。

11.根据权利要求9所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器，其特征在于，所述晶闸管的额定电压等级大于强迫换流组件或快速机械开关产生的换流电压，晶闸管的额定浪涌电流大于断路器额定开断电流；晶闸管的通流方向为双向通流或单向通流；若晶闸管的通流方向为单向通流，通流方向为转移支路到端口的方向。

12.一种如权利要求1-11任一所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

正常工作时，主通流支路中的快速机械开关和隔离支路中的快速隔离开关闭合，隔离支路中的晶闸管未导通；

当监测到断路器的端口发生故障时，断路器收到分闸指令，控制隔离支路和主通流支路，将电流转移至转移支路，直到故障电流逐渐下降至零。

13.根据权利要求12所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器的控制方法，其特征在于，所述断路器收到分闸指令，控制隔离支路和主通流支路，将电流转移至转移支路具体包括：

断路器收到分闸指令，向发生故障的端口对应的快速机械开关发送分闸指令，除发生故障的端口对应的快速隔离开关以外，向其余快速隔离开关发送分闸指令，并导通发生故障的端口对应的晶闸管和转移支路中的电力电子开关，电流转移至转移支路。

14.根据权利要求13所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器的控制方法，其特征在于，所述导通发生故障的端口对应的晶闸管和转移支路中的电力电子开关的同时，若转移支路中有强迫换流组件，向强迫换流组件发送工作指令。

15.根据权利要求13所述的基于转移支路复用的混合式多端口断路器的控制方法，其特征在于，所述电流转移至转移支路之后，所述控制方法还包括：

电流从快速机械开关转移至电力电子开关后，当分闸的快速机械开关和快速隔离开关能够耐受瞬态过电压后，关断电力电子开关，电流转移至与电力电子开关并联的耗能MOV；

在耗能MOV的作用下，故障电流逐渐下降至零。

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