CN115241850A - 一种组合式高压直流断路器及其控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式高压直流断路器及其控制策略，该断路器包括：一条主断支路、一条能量吸收支路、至少两条分断支路、以及至少两条辅助支路，所述主断支路中电子触发开关采用受控谐振型主断开关，其包括多级半桥子模块、谐振电感器、以及承压电容器，多级半桥子模块串联后与谐振电感器、承压电容器串联而成，其中每个半桥子模块单独供电，所述电子触发开关中的电子开关器件仅流过谐振电流、不分断系统电流。分断支路开关和辅助支路开关仅由一个快速机械开关构成。本发明采用最少的元件组合，采用多路共用且最经济的受控电流谐振增加型分断支路。可广泛应用于多端高压直流输电领域，最大限度的降低了高压直流断路器的投资成本。

Description

一种组合式高压直流断路器及其控制策略

技术领域

本发明属于高压输变电装备技术领域，具体涉及一种组合式高压直流断路器及其控制策略。

背景技术

目前，柔性直流输电技术发展迅速，为我国可再生能源的接入、多种形态能源互补和灵活消纳大规模能源并网提供了强力的技术支撑。但由于适用于高压直流系统的直流断路器具有技术局限性，柔性直流电网的发展和构建受到了较大制约。

高压直流断路器多采用混合式直流断路器，其兼顾了机械式直流断路器和固态直流断路器的优点，具有很强的分断能力，典型的为张北±500kV柔性直流工程中的高压直流断路器，额定电压可达535kV，分断电流25kV，分断时间不超过3ms，其拓扑结构如附图5所示，由一条主支路、转移支路和耗能支路构成，主支路由超高速机械开关和少量的IGBT或IGCT全桥子模块单元串联构成，用于导通直流系统稳态电流。转移支路由大量大功率全控型电力电子器件级联组成，承担了分断故障电流的功能。

现阶段的高压直流断路器方案存在成本过高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组合式高压直流断路器及其控制策略，优化直流断路器拓扑结构，进一步降低高压直流断路器的成本。

为此，本发明一方面提供了一种组合式高压直流断路器，包括：一条主断支路、一条能量吸收支路、至少两条分断支路、以及至少两条辅助支路，所述主断支路和能量吸收支路并联，所述分断支路和辅助支路一一对应，所述分断支路与直流侧母线的直流出线连接，所述辅助支路与主断支路串联后并联在辅助支路相对应的分断支路两端，所述主断支路中电子触发开关采用受控谐振型主断开关，该受控谐振型主断开关包括多级半桥子模块、谐振电感器、以及承压电容器，其中多级半桥子模块串联后与谐振电感器、承压电容器串联，其中每个半桥子模块单独供电，所述电子触发开关中的电子开关器件仅流过谐振电流、不分断系统电流。

本发明另一方面提供了一种组合式高压直流断路器的控制策略，包括：当所述高压直流输电系统正常运行时，主支路的分断支路开关处理合闸状态，所有辅助支路开关处于分闸状态；线路故障时，故障线路的辅助支路开关与分断支路开关同时动作，其中该辅助支路开关快速合闸、把电子触发开关接入故障线路，分断支路开关快速分闸；当二者均完成动作时，启动电子触发开关导通，电子触发开关中的电流震荡上升，当震荡电流与分断支路开关中的电流相等方向相反时，分断支路开关中的电流过零息弧，线路故障电流对承压电容器充电；当承压电容器电压达到避雷器动作时，避雷器限压并吸收分断电流的能量，分断电流的能量吸收完毕，线路电流下降为零，从而完成故障电流隔离。

本发明的有益效果是：多条线路采用一组成本较低的受控谐振型电子触发开关作为转移支路开关，辅助分断支路开关为快速合闸开关，投资成本很低。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是组合式高压直流断路器拓扑结构原理图

图2是电子触发开关拓扑结构原理图；

图3是电子触发开关控制流程图；

图4是谐振电流示意图。

图5是张北柔性直流工程500kV高压直流断路器拓扑结构原理图。

图6是组合式高压直流断路器现有拓扑结构原理图。

具体实施方式

如背景技术中所介绍的，目前，柔性直流输电技术发展迅速，为我国可再生能源的接入、多种形态能源互补和灵活消纳大规模能源并网提供了强力的技术支撑。但由于适用于高压直流系统的直流断路器具有技术局限性，柔性直流电网的发展和构建受到了较大制约。

高压直流断路器多采用混合式直流断路器，其兼顾了机械式直流断路器和固态直流断路器的优点，具有很强的分断能力，典型的为张北±500kV柔性直流工程中的高压直流断路器，额定电压可达535kV，分断电流25kV，分断时间不超过3ms，其拓扑结构如附图5所示，由一条主支路、转移支路和耗能支路构成，主支路由超高速机械开关和少量的IGBT或IGCT全桥子模块单元串联构成，用于导通直流系统稳态电流。转移支路由大量大功率全控型电力电子器件级联组成，承担了分断故障电流的功能。

在实施本发明的过程中发现，现阶段的混合式高压直流断路器方案存在成本过高的问题，主要集中体现在以下两个方面：

1、高压直流断路器分断后，转移支路模块需承受较高的直流电压，需串联大量电力电子器件，整体价格昂贵。

2、柔性直流电网中，为有效切除线路故障电流，每条线路两端均需要安装直流断路器。面对日趋复杂的多端直流网络架构，直流电网内直流断路器的个数将倍数增长，带来高额的设备费用。

组合式直流断路器方案是高压直流断路器成本优化的一种新型思路，如图6所示，通过多条馈线支路共用一组转移支路和耗能支路，相对而言可以实现多端直流网络架构中直流断路器个数的大幅削减。但该方案尚未有工程实践，需进一步优化拓扑结构及验证可行性。

下面以运行工况为额定电压不低于50kV，开断时间不高于3ms，分断电流不低于30kA的三端口组合式直流断路器为例，结合附图1、2、3、6，对本发明的技术方案进行详细地说明。

下面先结合附图6，对组合式直流断路器现有拓扑结构原理进行说明。

如图6所示，组合式直流断路器现有拓扑结构包含一条主断支路，一条能量吸收支路，以及三条分断支路和三条辅助支路。主断支路和能量吸收支路并联；分断支路和辅助支路一一对应；分断支路与直流侧母线的直流出线连接；辅助支路与主断支路串联后，并联在辅助支路相对应的分断支路两端。

其中，三条分断支路中，每条线路都由一个快速机械开关和至少一个电力电子开关串联组成。三条辅助支路中，每条线路都由一个快速机械开关和至少一个电力电子开关串联组成。主断支路由多个大功率全控型电力电子器件级联组成，需承受50kV的直流电压。能量吸收支路由非线性电阻和避雷器组成。

本发明中提出的新型组合式直流断路器拓扑结构示意图如附图1所示，主要创新体现在：

1)主断支路的电力电子器件采用受控谐振型主断开关，其拓扑结构原理图如附图2所示，由6个半桥子模块串联组成。每个半桥子模块单独供电。电子开关串联有谐振电感L，谐振电容器C2。

2)分断支路中，每条线路上均取消了电力电子开关，快速机械开关均为快速分闸开关，即分断支路1-3开关，能在分闸命令下发后2ms内具备承压能力。

3)辅助支路中，每条线路上均取消了电力电子开关，快速机械开关均采用快速合闸开关，即辅助支路1-3开关，能在合闸命令下发后2ms内完成合闸操作。

本发明在结构上改进点，直接反应在组合式直流断路器性能优化上：

1)采用快速合闸辅助开关可取消辅助关断支路的辅助电子开关，进一步降低了成本，优化了控制逻辑；

2)采用快速合闸辅助开关，主、分断支路正常情况下，与线路断开，可靠性进一步提高，使直流断路器的应用环境更接近交流开关；

3)受控谐振型开关内的大功率器件仅流过关断电流，不参与关断大电流；

4)受控谐振型开关内，多级子模块串联可模块化设计，模块多级串联，可方便的扩展到高电压等级以上的断路器。

本发明在成本优化上有着显著表现，为解决高压直流断路器成本过高的问题做出了技术突破，集中体现在以下方面：

1)若采用现有拓扑结构，50kV主分断电力电子开关应由4个电力电子组件串联，每个组件8个IGBT或IGCT子模块，每个子模块的电压3600V。每个子模块有两只3000A4500V的IGBT或IGCT并联，共需要4x16＝64只IGBT或IGCT。本发明中，电子触发开关拓扑由6个电力电子子模块串联外加谐振电容器和谐振电感组成，每个子模块由两个IGBT或IGCT半桥并联组成，其中半桥内中采用每级IGBT或IGCT由两只并联而成，共需要IGBT或IGCT 24只，在现有拓扑的基础上大幅缩减了电力电子器件数量。

2)取消了主回路辅助电子开关及辅助关断支路的辅助电子开关，进一步降低成本。

在图2所示的实施例中，每个半桥模块由供电模块单独供电，所述供电模块主要由交流电源、多绕组高压隔离供能变压器、充电器组成，其中，每个子模块的充电器接入一个高压隔离供能变压器的一个绕组，每个绕组之间的是绝缘的，其耐压满足子模块间的绝缘要求。各器件连接方式参照图2。另外，在主断支路的电子触发开关中，所述承压电容器上并联有电阻，保证电容器电压在直流断路器完成分断后能够放电到安全电压以下。

以下介绍不同运行工况下本发明的控制策略。

正常合闸情况下，分断支路快速开关1-3合闸，辅助支路开关1-3处于分闸状态。

以下以分断故障2线路为例说明分闸过程。

当线路2故障时，控制装置同时向线路2的分断支路开关2下发分闸命令，分断支路2快速开关产生电弧，同时向线路2的辅助开关2下发合闸命令。2ms内，检测到分断支路开关2到达分闸承压位置，辅助开关2到达合闸位置。立即触发电子开关中的上下管开关管按照既定的控制策略导通关断，谐振电流震荡上升，当谐振电流与分断支路2快速开关中的电流大小相等方向相反时，合成电流为零，分断支路2快速开关电流过零熄弧，线路电流对承压电容器充电。当电容器电压达到避雷器动作时，避雷器限压并吸收分断电流的能量，分断电流的能量吸收完毕，线路电流下降为零，从而完成故障电流隔离。

触发电子开关中上下开关管的控制策略如下，见图3所示：

1)下管即1T2-6T2导通1/2T-K时间(这里T是LC的谐振周期，K是上下两管的死区时间)后关断，延时K后，导通上管1T1-1T6。

2)导通上管1T1-6T1持续1/2T-K时间后，关断上管，延时K后，再次导通下管1T2-1T6。

3)按照上面的导通逻辑，联系控制N个周期后停止。

谐振电流的波形如附图4所示。

本发明的组合式高压直流断路器采用最少的元件组合，采用多路共用且最经济的受控电流谐振增加型分断支路。可广泛应用于多端高压直流输电领域，最大限度的降低了高压直流断路器的投资成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种组合式高压直流断路器，其特征在于，包括：

一条主断支路、一条能量吸收支路、至少两条分断支路、以及至少两条辅助支路，所述主断支路和能量吸收支路并联，所述分断支路和辅助支路一一对应，所述分断支路与直流侧母线的直流出线连接，所述辅助支路与主断支路串联后并联在辅助支路相对应的分断支路两端，

所述主断支路中电子触发开关采用受控谐振型主断开关，所述受控谐振型主断开关包括多级半桥子模块、谐振电感器、以及承压电容器，其中多级半桥子模块串联后与谐振电感器、承压电容器串联，其中每个半桥子模块单独供电，所述电子触发开关中的电子开关器件仅流过谐振电流、不分断系统电流。

2.根据权利要求1所述的组合式高压直流断路器，其特征在于，在所述至少两条分断支路中，每条线路的分断支路开关仅由一个快速机械开关构成，其能在分闸命令下发后2ms内具备承压能力。

3.根据权利要求1所述的组合式高压直流断路器，其特征在于，在所述至少两条辅助支路中，每条线路的辅助支路开关仅由一个快速机械开关构成，其能在合闸命令下发后2ms内完成合闸操作。

4.根据权利要求3所述的组合式高压直流断路器，其特征在于，所述电子触发电子开关采用受控谐振电流震荡逐级上升的控制策略，其中，第一个震荡周期电流是I1，第二个震荡周期电流幅值是K*I1，其中K是大于1的比例值，系统参数设计为在设定个震荡周期内，谐振电流的幅值达到断路器的最大分断电流值。

5.根据权利要求1所述的组合式高压直流断路器，其特征在于，每个半桥子模块由供电模块单独供电，所述供电模块主要由交流电源、多绕组高压隔离供能变压器、充电器组成，其中，每个子模块的充电器接入一个高压隔离供能变压器的一个绕组，每个绕组之间的是绝缘的，其耐压满足子模块间的绝缘要求。

6.根据权利要求1所述的组合式高压直流断路器，其特征在于，所述半桥子模块包括上开关管和下开关管，在多级半桥子模块中上下开关管的控制策略包括：

S1、下开关管导通1/2T-K时间后关断，延时K后，导通上管，其中T是LC的谐振周期，K是上下两管的死区时间；

S2、导通上开关管持续1/2T-K时间后，关断上管，延时K后，再次导通下管；

S3、按照上面的导通逻辑，连续控制N个周期后停止。

7.一种组合式高压直流断路器的控制策略，其特征在于，应用于权利要求1-6任意一项所述的组合式高压直流断路器，该控制策略包括：

当高压直流输电系统正常运行时，主支路的分断支路开关处于合闸状态，所有辅助支路开关处于分闸状态；

线路故障时，故障线路的辅助支路开关与分断支路开关同时动作，其中该辅助支路开关快速合闸、把电子触发开关接入故障线路，分断支路开关快速分闸；

当二者均完成动作时，启动电子触发开关导通，电子触发开关中的电流震荡上升，当震荡电流与分断支路开关中的电流相等方向相反时，分断支路开关中的电流过零息弧，线路故障电流对承压电容器充电；

当承压电容器电压达到避雷器动作时，避雷器限压并吸收分断电流的能量，分断电流的能量吸收完毕，线路电流下降为零，从而完成故障电流隔离。

8.根据权利要求7所述的组合式高压直流断路器的控制策略，其特征在于，所述快速是指2ms以内。

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