CN114977129A - 一种可选择中断的混合式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可选择中断的混合式直流断路器及其控制方法。包括主导通支路、限流支路，关断支路和机械开关S2，其中，限流支路和关断支路串联后与主导通支路并联，输入电流经快速机械开关S1后与三条支路连通。导通支路和限流支路并联后与S2串联。因此本发明具有如下优点：1.可根据瞬时性短路故障和永久性短路故障调整运行方式。2.在应对瞬时性短路故障时，在不中断电流的情况下吸收故障能量，并恢复正常运行，减少中断电能供应带来的经济损失。3.在永久性短路情况下可及时切除故障，减少故障电流对相关装置的损害。4.该结构可双向切断故障，在吸收能量过程中，通过将限流电感旁路提高吸收故障能量的速度，减少断路器的关断时间。

Description

一种可选择中断的混合式直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，准确来说，涉及一种可选择中断的混合式直流断路器及其控制方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电技术在大规模分布式能源并网和直流输配电等领域应用前景广阔。柔性直流电网主要由电力电子设备组成，具有“低阻抗，低惯量”的特性。一旦系统发生短路故障，由于直流侧线路电感小，导致故障电流上升速度非常快，峰值可能达到额定值的数倍，给直流电网系统的安全运行造成危害。
目前对于直流电网短路故障问题隔离方案有：(1)交流断路器方案，利用交流断路器进行直流故障隔离是目前柔性直流输电工程所普遍采用的直流故障保护方案。但是，交流断路器隔离故障存在响应速度慢且可靠性低等问题；(2)具备故障自清除能力的MMC方案，但该方案在故障隔离时会导致整个系统停电，会造成严重的经济损失；(3)基于多功能一体化设备的故障隔离方案，该方法仅适用于网状直流微电网等需要装设潮流控制器的直流微电网；(4)直流断路器方案，利用高压直流断路器实现故障隔离的方案是最直接有效的手段。
发明内容
基于上述研究，本文提出一种适用于中压直流灵活反应的混合式直流断路(Hybrid Circuit Breaker for DC Application)拓扑，可根据瞬时性短路故障和永久性短路故障选择不同的运行方式。对永久性短路故障，可及时切除故障；对瞬时性故障，可使系统在不中断电流的情况下恢复正常运行，并将故障时产生的能量释放掉。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可选择中断的混合式直流断路器，其特征在于，包括主导通支路、限流支路，关断支路和机械开关S2，其中，限流支路和关断支路串联后与主导通支路并联，输入电流经快速机械开关S1后与三条支路连通。导通支路和限流支路并联后与S2串联。
在上述的混合式直流断路器，主导通支路由快速机械开关和负载转移开关串联组成，正常运行时为负载提供导通回路
在上述的混合式直流断路器，限流支路外部包括晶闸管T1、晶闸管T2、二极管D3、、二极管D4构成的桥式电路，可双向限流、储存故障能量。T1的阴极连接T2的阴极，T2的阳极连接D4的阴极，D4的阳极连接D3的阳极，D3的阴极连接T1的阳极。限流电感L1一端连接T2的阴极，另一端连接D4的阳极。电容C1一端连接D9的阴极，另一端与D4和D3的阳极连接，D9的阳极连接T1和T2的阴极。T3的阴极连接T1和T2的阴极，T3的阳极连接释能电阻R1，R1另一端连接D9的阴极。其内部由限流电感L1与电容C1相并联；D9与C1提供充电支路；释能电阻R1、晶闸管T3与D9并联，为电容的放电提供通路。
在上述的混合式直流断路器，关断支路包括二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8组成的桥式电路。IGBT(Q3)的集电极连接D5、D6的阴极，Q3的发射极连接D7、D8的阳极。氧化锌避雷器一端连接D5、D6的阴极、一端连接D7、D8的阳极。主导通支路和限流支路并联后与S2串联。IGBT管Q3、氧化锌避雷器，能够双向吸收能量
一种可选择中断的混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括：
正常运行阶段：S1、S2、Q2处于导通状态，电流通过主导通支路流向负载供电。
限流阶段：发生故障后，通过打开T1、Q3，关断S1，Q2。故障电流被强迫换流到限流支路和关断支路，等待D9自然关断后，L1完全进入限流状态。
吸能阶段：如果短路故障为永久性故障，IGBT(Q3)断开，氧化锌避雷器(MOA)两端电压达到动作阈值，进入吸能状态，限流电感L1被T1、D3旁路。
释能阶段：永久性短路故障完成吸能阶段后断开Q3，S2，电容C1中储存了能量，导通T1、C1可通过R1、T3、L1构成释能回路，对C1放电。
瞬时性故障电路的恢复阶段：若短路性故障被判定为瞬时性故障时，限流中止，打开S1，Q2。T1，Q3关断，限流支路与主导通支路隔离，系统恢复正常运行。打开T1，由于C1和L1中存在能量，可通过C1、R1、T3、L1释能支路进行释放。
在上述的控制方法，正常运行阶段中，断路器中快速机械开关S1、S2，LCS模块导通，电流通过主导通回路流向负载。t1时刻系统中的出现短路故障，断路器与保护系统判定条件一致，并起动。触发T1导通，给S1、LCS关断信号，S1耗费约2ms实现无弧关断。
在上述的控制方法，限流阶段中，T1导通后，与L1并联的二极管D9由于两端存在正向压降而自然导通。电流通过T1、D9、C1、L1、D4、D5、Q3、Q8形成回路。起始时，由于电感中电流不能发生突变，C1以主导通支路关断时刻的电流大小充电。同时，电流向L1中转移起到限流的作用。由于电容电感并联电流产生波动，当电容中的电流反向降为0A时，D2自然关断，而C1两端上端电压远高于T1阴极电压，所以D9无法再导通。C1退出后，L1完全进入限流状态。
在上述的控制方法，吸能阶段中，当保护系统判定为非瞬时性故障时，Q3收到关断信号，氧化锌避雷器两端电压达到动作电压，MOA进入吸能状态。该拓扑中通过D3形成续流回路，L1不会抑制故障电流的吸收，加快断路器的断开速度，减少关断时间。当MOA将故障电流吸收完全后，S2断开主电路，完成断路。
在上述的控制方法，释能阶段中，断路完成后，L1中存在续流，C1两端存在电压，此时触发T3，C1两端的反向电压使T1、D3关断。此时L1、C1、R1形成回路释放能量。
在上述的控制方法，瞬时性故障电路的恢复阶段中，如果t4时刻，系统判定该故障为瞬时性故障，S1、LCS重新闭合，然后给Q1关断信号，同时触发T3，限流支路与主导通支路分离，主导通支路达到正常工作状态，L1、C1、R1形成回路释放能量。
因此本发明具有如下优点：1.可根据瞬时性短路故障和永久性短路故障调整运行方式。2.在应对瞬时性短路故障时，在不中断电流的情况下吸收故障能量，并恢复正常运行，减少中断电能供应带来的经济损失。3.在永久性短路情况下可及时切除故障，减少故障电流对相关装置的损害。4.该结构可双向切断故障，在吸收能量过程中，通过将限流电感旁路提高吸收故障能量的速度，减少断路器的关断时间。
附图说明
图1为混合式直流断路器主体结构示意图。
图2为单端等效系统示意图。
图3为正常运行阶段示意图。
图4为限流阶段示意图。
图5为吸能阶段示意图。
图6为释能阶段示意图。
图7为瞬时性故障恢复阶段示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。
图1为本发明一种可选择中断的混合式直流断路器拓扑结构，主开关采用的是N沟道的IGBT和二极管，电路中包括晶闸管、电容、电阻，各元件的连接关系如图所示。
在单端等效系统中对该混合式直流断路器工作过程的各阶段进行理论推导中，以直流出口侧发生短路故障为例，系统等效图如2所示。
分析过程中忽略模块化多电平换流器(MMC)换流站的动态特性对电流转换过程的影响，采用直流电压源UDC代替MMC换流站。图2中Lr表示线路等效电感，Rr表示线路等效电阻，RL表示负载分析过程中。为了方便系统等效图中的暂态电流iDC用i表示。
正常运行阶段：
直流电压源通过主导通支路向负载供电，断路器中电流路径如图3所示，系统处于稳定运行状态，该阶段电路中的主路电流为：
Figure BDA0003722923060000051
式(1)中ia表示稳态时电路中电流值。t1时刻发生短路故障，故障电流开始上升，根据基尔霍夫电压定律(KVL)可得方程(2)。
Figure BDA0003722923060000052
短路故障起始时刻电感中存在初始值ia，通过(2)解得干路电流i的表达方程式(3)。
Figure BDA0003722923060000053
式中时间常数
Figure BDA0003722923060000054
由式可知，故障电流呈指数型上升。t2时刻故障电流达到混合式DCCV的设定电流阈值ib时，故障电流被强迫换流到限流支路，断路器中电流路径如图4(a)所示。此分析中，由于线路电阻Rr非常小，其影响可忽略不计。根据换流暂态过程可得方程式(4)。
Figure BDA0003722923060000061
化简得式(5)。
Figure BDA0003722923060000062
由初始条件：
Figure BDA0003722923060000063
结合式(5)、初始条件式(6)可求得：
Figure BDA0003722923060000064
其中：
Figure BDA0003722923060000071
t2时刻，电感L1中的电流为0A，电容C1以初始值为ib的电流充电。随着时间推移，电流向L1转移，L1开始限流。t3时刻，在C1完成充电，
Figure BDA0003722923060000072
Figure BDA0003722923060000073
D9自然关断，C1退出运行，断路器中电流路径如图4(b)所示。此时，电感中电流i＝ic。t2-t3过程L1、C1中电流的变化趋势如式表达式(7)、(8)。
t3时刻起，由L1完全限流时可得状态方程式(9)。
Figure BDA0003722923060000074
t3初始时刻故障电流完全转移至L，
Figure BDA0003722923060000075
采用三要素法解得：
Figure BDA0003722923060000076
其中
Figure BDA0003722923060000077
L1完全进入限流状态后电流上升的斜率减小。t4时刻，保护系统已经完成系统短路故障类型判定，此时系统中电流i＝id，如果是永久性故障，混合式DCCB断开Q3，避雷器MOA两端电压达到动作阈值开始吸收能量。
MOA吸收的能量主要包括线路电感Lr和Q3分断之后电压源发出的能量。由于限流电感L1会抑制故障能量的吸收速率，该混合断路器通过桥式结构中的D3、T1、L1续流，如图5中蓝色标记回路所示，解决L1抑制电流衰退的问题。MOV吸收的能量q如下方程式(11)。
Figure BDA0003722923060000081
t5时刻，MOA吸收完故障电流，S2分断，成功完成故障的分离。此时导通T3，由于C1两端存在上正下负的电压差，T1在承受反向压降的条件下自然关断，混合断路器中电流路径如图6所示。L1、C1、R1、T3形成回路，完成能量的释放。根据KVL可得式(12)。
Figure BDA0003722923060000082
其中，
Figure BDA0003722923060000083
表示释能回路的电流，根据以上推导释能初始时有：
Figure BDA0003722923060000084
Figure BDA0003722923060000085
又因为
Figure BDA0003722923060000086
可化简得(13)。
Figure BDA0003722923060000087
式(13)为L1、C1、R1释能放电过程的微分方程。能量通过R1进行释放，L1、C1恢复至无储能状态。
应对瞬时性故障：
t4时刻如果保护系统判定为瞬时性故障，此时导通S1、T3，关断Q3，将主导通支路与限流支路隔离，混合式断路器中电流路径如图7所示。由于
Figure BDA0003722923060000088
T1在反向压降的作用下关断，直流电压源可通过主导通回路继续向负载供电，L1、C1、R1重复式(13)的释能过程。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种可选择中断的混合式直流断路器，其特征在于，包括主导通支路、限流支路，关断支路和机械开关S2，其中，限流支路和关断支路串联后与主导通支路并联，输入电流经快速机械开关S1后与三条支路连通。
2.根据权利要求1所述的一种可选择中断的混合式直流断路器，其特征在于，主导通支路由快速机械开关和负载转移开关串联组成，正常运行时为负载提供导通回路。
3.根据权利要求1所述的一种可选择中断的混合式直流断路器，其特征在于，限流支路外部包括晶闸管T1、晶闸管T2、二极管D3、、二极管D4构成的桥式电路，可双向限流、储存故障能量，T1的阴极连接T2的阴极，T2的阳极连接D4的阴极，D4的阳极连接D3的阳极，D3的阴极连接T1的阳极，限流电感L1一端连接T2的阴极，另一端连接D4的阳极，电容C1一端连接D9的阴极，另一端与D4和D3的阳极连接，D9的阳极连接T1和T2的阴极，T3的阴极连接T1和T2的阴极，T3的阳极连接释能电阻R1，R1另一端连接D9的阴极，其内部由限流电感L1与电容C1相并联后与T2阴极、T1阴极连接；D9与C1提供充电支路；释能电阻R1、晶闸管T3与D9并联，为电容的放电提供通路。
4.根据权利要求1所述的一种可选择中断的混合式直流断路器，其特征在于，关断支路包括二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8组成的桥式电路，IGBT(Q3)的集电极连接D5、D6的阴极，Q3的发射极连接D7、D8的阳极，氧化锌避雷器一端连接D5、D6的阴极、一端连接D7、D8的阳极，主导通支路和限流支路并联后与S2串联，IGBT管Q3、氧化锌避雷器，能够双向吸收能量。
5.一种可选择中断的混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括：
正常运行阶段：S1、S2、Q2处于导通状态，电流通过主导通支路流向负载供电，
限流阶段：发生故障后，通过打开T1、Q3，关断S1，Q2，故障电流被强迫换流到限流支路和关断支路，等待D9自然关断后，L1完全进入限流状态，
吸能阶段：如果短路故障为永久性故障，IGBT(Q3)断开，氧化锌避雷器(MOA)两端电压达到动作阈值，进入吸能状态，
释能阶段：永久性短路故障完成吸能阶段后断开Q3，S2，电容C1中储存了能量，导通T1、C1可通过R1、T3、L1构成释能回路，对C1放电，
瞬时性故障电路的恢复阶段：若短路性故障被判定为瞬时性故障时，限流中止，打开S1，Q2，T1，Q3关断，限流支路与主导通支路隔离，系统恢复正常运行，打开T1，C1和L1中存在能量，可通过C1、R1、T3、L1释能支路进行释放。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，正常运行阶段中，断路器中快速机械开关S1、S2，LCS模块导通，电流通过主导通回路流向负载，t1时刻系统中的出现短路故障，断路器与保护系统判定条件一致，并起动，触发T1导通，给S1、LCS关断信号，S1耗费约2ms实现无弧关断。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，限流阶段中，T1导通后，与L1并联的二极管D9由于两端存在正向压降而自然导通，电流通过T1、D9、C1、L1、D4、D5、Q3、Q8形成回路，起始时，由于电感中电流不能发生突变，C1以主导通支路关断时刻的电流大小充电，同时，电流向L1中转移起到限流的作用，由于电容电感并联电流产生波动，当电容中的电流反向降为0A时，D2自然关断，而C1两端上端电压远高于T1阴极电压，所以D9无法再导通，C1退出后，L1完全进入限流状态。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，吸能阶段中，当保护系统判定为非瞬时性故障时，Q3收到关断信号，氧化锌避雷器两端电压达到动作电压，MOA进入吸能状态，该拓扑中通过D3形成续流回路，L1不会抑制故障电流的吸收，加快断路器的断开速度，减少关断时间，当MOA将故障电流吸收完全后，S2断开主电路，完成断路。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，释能阶段中，断路完成后，L1中存在续流，C1两端存在电压，此时触发T3，C1两端的反向电压使T1、D3关断，此时L1、C1、R1形成回路释放能量。
10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，瞬时性故障电路的恢复阶段中，如果t4时刻，系统判定该故障为瞬时性故障，S1、LCS重新闭合，然后给Q1关断信号，同时触发T3，限流支路与主导通支路分离，主导通支路达到正常工作状态，L1、C1、R1形成回路释放能量。
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