CN115940100A - 关断电流的装置、关断电流的模块和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种关断电流的装置、关断电流的模块和控制方法，关断电流的装置包括通流支路、整流支路、分断支路和耗能支路，其中，通流支路由机械开关与通流单元串联构成；整流支路由四个二极管整流单元构成全桥整流电路；分断支路由单向晶闸管单元与串联连接的振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元并联构成，且耗能支路与分断支路并联连接；或分断支路由串联连接的单向晶闸管单元和有源电力电子单元与串联连接的振荡电容器和振荡电感并联构成，且耗能支路与分断支路并联连接；通流支路与整流支路的全桥整流电路交流侧并联连接；整流支路的全桥整流电路直流侧与分断支路并联连接。根据本申请的实施例，具有机械开关分断可靠、冗余度高等优点。

Description

关断电流的装置、关断电流的模块和控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种关断电流的装置、关断电流的模块和控制方法。

背景技术

在直流应用场合中，由于直流输配电系统故障电流增长快，可靠的故障快速隔离和恢复是保证其安全稳定运行的关键。现有的直流断路器包括机械式直流断路器、混合式直流断路器和全固态式直流断路器等。其中，机械式直流断路器又可分为无源振荡技术和有源振荡技术，由于机械式直流断路器使用了电容器，因此，机械式直流断路器的存在设备体积很大，且在关断小电流工况时需要很长时间、机械开关过零重燃风险大，在关断过程易与直流系统发生振荡，对系统及其他设备正常安全运行带来隐患。混合式直流断路器结合了机械开关及电力电子技术，通过电力电子器件实现电流可控关断，具备无弧、快速重合闸等特点，系统适用性好，但关断电流技术性能与设备经济性能均受限于全控型电力电子器件，不利于其在高压直流输电系统的大规模推广应用。由于全固态式直流断路器的通流损耗较大，一般不选择全固态式直流断路器用于故障隔离和恢复。

本发明人发现，在交流应用场合中，常规的交流断路器仅能在电流过零点自然熄灭完成电流关断，而较大的首半波故障电流峰值对某些敏感或重要设备将产生不利影响，迫切需要能够提前快速关断电流的交流断路器。

发明内容

本申请提出了一种关断电流的装置、关断电流的模块和控制方法，用于解决现有技术中直流断路器存在机械开关重燃风险大、小电流关断时间长、与系统振荡显著和设备成本高昂等问题，以及交流断路器关断时首半波高幅值故障电流对敏感或重要设备的影响等问题。

根据本申请的一方面，提出一种关断电流的装置，所述关断电流的装置包括通流支路、整流支路、分断支路和耗能支路，其中，所述通流支路由机械开关与通流单元串联构成；所述整流支路由四个二极管整流单元构成全桥整流电路；所述分断支路由单向晶闸管单元与串联连接的振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元并联构成，且所述耗能支路与所述分断支路并联连接，或与所述分断支路的所述振荡电容器并联连接，或与所述分断支路中串联连接的所述振荡电容器和所述振荡电感两端并联连接，或与所述分断支路中串联连接的所述振荡电容器和所述有源电力电子单元两端并联连接，或与所述通流支路并联连接；或所述分断支路由串联连接的单向晶闸管单元和有源电力电子单元与串联连接的振荡电容器和振荡电感并联构成，且所述耗能支路与所述分断支路并联连接，或与所述分断支路的所述振荡电容器并联连接，或与所述通流支路并联连接；所述通流支路与所述整流支路的所述全桥整流电路交流侧并联连接；所述整流支路的所述全桥整流电路直流侧与所述分断支路并联连接。

根据一些实施例，所述有源电力电子单元由至少一个具有旁路功能的有源电力电子模块串联构成，其中，所述具有旁路功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，有源电力电子模块旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第一电力电子开关和第二电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第一旁路开关，所述电压源包括第一电压源，所述第一电力电子开关的正极与所述第一电压源的正极连接，所述第一电力电子开关的负极与所述第二电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二电力电子开关的负极与第一电压源的负极连接后引出外接线，所述第一旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述具有旁路功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，有源电力电子模块旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第三电力电子开关、第四电力电子开关、第五电力电子开关和第六电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第二旁路开关，所述电压源包括第二电压源，所述第三电力电子开关的正极分别与所述第五电力电子开关的正极及所述第二电压源的正极连接，所述第三电力电子开关的负极与所述第四电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第四电力电子开关的负极分别与所述第六电力电子开关的负极及所述第二电压源的负极连接，所述第五电力电子开关的负极与所述第六电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述具有旁路功能的有源电力电子模块电子电力开关，有源电力电子模块旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第七电力电子开关和第八电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第三旁路开关，所述电压源包括第三电压源和第四电压源，所述第七电力电子开关的正极与所述第三电压源的正极连接，所述第七电力电子开关的负极与所述第八电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第八电力电子开关的负极与所述第四电压源的负极连接，所述第三电压源的负极与所述第四电压源的正极连接后引出外接线，所述第三旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

根据一些实施例，所述具有旁路功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式，在所述退出模式下，所述有源电力电子模块旁路开关闭合；在所述投入模式下，所述有源电力电子模块旁路开关打开。

根据一些实施例，所述有源电力电子单元由至少一个具有隔离功能的有源电力电子模块并联构成，其中，所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，隔离开关和电压源，所述电力电子开关包括第九电力电子开关和第十电力电子开关，所述隔离开关包括第一隔离开关，所述电压源包括第五电压源，所述第九电力电子开关的正极与所述第五电压源的正极连接，所述第九电力电子开关的负极分别与所述第十电力电子开关的正极及所述第一隔离开关的第一端连接，所述第一隔离开关的第二端引出外接线，所述第十电力电子开关的负极与第五电压源的负极连接后引出外接线；或

所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，隔离开关和电压源，所述电力电子开关包括第十一电力电子开关、第十二电力电子开关、第十三电力电子开关和第十四电力电子开关，所述隔离开关包括第二隔离开关，所述电压源包括第六电压源，所述第十一电力电子开关的正极分别与所述第十三电力电子开关的正极及所述第六电压源的正极连接，所述第十一电力电子开关的负极与所述第十二电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第十二电力电子开关的负极分别与所述第十四电力电子开关的负极及所述第六电压源的负极连接，所述第十三电力电子开关的负极分别与所述第十四电力电子开关的正极及所述第二隔离开关的第一端连接，所述第二隔离开关的第二端引出外接线；或

所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，隔离开关和电压源，所述电力电子开关包括第十五电力电子开关和第十六电力电子开关，所述隔离开关包括第三隔离开关，所述电压源包括第七电压源和第八电压源，所述第十五电力电子开关的正极与所述第七电压源的正极连接，所述第十五电力电子开关的负极与所述第十六电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第十六电力电子开关的负极与所述第八电压源的负极连接，所述第七电压源的负极分别与所述第八电压源的正极及所述第三隔离开关的第一端连接，所述第三隔离开关的第二端引出外接线。

根据一些实施例，所述具有隔离功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式，在所述退出模式下，所述隔离开关打开；在所述投入模式下，所述隔离开关闭合。

根据一些实施例，所述通流单元由至少一个并联有通流单元旁路开关的双向通流模块串并联构成；和/或所述二极管整流单元由至少一个二极管串并联构成；和/或所述单向晶闸管单元由至少一个单向晶闸管串并联构成；和/或所述机械开关由一个或多个机械开关串并联构成；和/或所述振荡电容器由一个或多个电容器串并联构成；和/或所述振荡电感由一个或多个电感串并联构成；和/或所述耗能支路由一个或多个避雷器串并联构成。

根据一些实施例，所述电力电子开关由至少一级功率半导体器件串联构成，所述功率半导体器件包括全控型功率半导体器或半控型功率半导体器件，所述全控型功率半导体器件为IGBT、IEGT、IGCT、MOSFET、GTO中的一种或任意组合，所述半控型功率半导体器件为晶闸管；所述电压源为预充电电容器，或储能蓄电池，或交流整流电源。

根据本申请的一方面，提出一种关断电流的模块，所述关断电流的模块包括至少两个如前任一实施例所述的关断电流的装置，且所述关断电流的装置串联连接。

根据本申请的一方面，提出一种控制方法，所述控制方法用于控制如前任一实施例所述的关断电流的装置，所述控制方法包括响应于系统正常工作指令，电流流过通流支路，所述通流支路的机械开关处于闭合状态、通流单元处于通流单元旁路开关闭合状态，分断支路的投入模式中的有源电力电子单元处于切除状态或闭锁状态；响应于系统发生故障时收到的分闸指令，打开所述通流支路的机械开关，并控制所述通流单元的通流单元旁路开关打开和双向通流模块导通；当所述通流单元的通流单元旁路开关分开至绝缘分位、且通流单元旁路开关中电流完全转移至双向通流模块中时，触发通流单元分断支路的单向晶闸管单元导通和控制通流单元的双向通流模块关断；当所述机械开关分开至绝缘分位时，控制通流单元分断支路的有源电力电子单元输出多脉冲方波电压，输出的所述方波电压激励振荡电容器和振荡电感振荡，产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，所述振荡电流使得通流单元分断支路的单向晶闸管单元出现过零点关断；所述故障电流开始给所述分断支路的振荡电容器充电，当所述振荡电容器电压大于耗能支路的残压时，所述故障电流开始转移至所述耗能支路并耗散至零，分闸成功并结束分闸操作。

根据本申请的一方面，提出一种控制方法，所述控制方法用于控制如前任一实施例所述的关断电流的装置，所述控制方法包括响应于系统正常工作指令，电流流过通流支路，所述通流支路的机械开关处于闭合状态、通流单元处于通流单元旁路开关打开和双向通流模块导通状态，分断支路的投入模式中的有源电力电子单元处于切除状态或闭锁状态；响应于系统发生故障时收到的分闸指令，触发所述分断支路的单向晶闸管单元导通，并控制所述通流单元的双向通流模块关断；当电流从所述通流支路完全转移至所述分断支路后，无弧打开所述机械开关；当所述机械开关分开至绝缘分位时，控制所述分断支路的有源电力电子单元输出多脉冲方波电压，输出的所述方波电压激励振荡电容器和振荡电感振荡，产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，所述振荡电流使得分断支路的单向晶闸管单元出现过零点关断；故障电流开始给所述分断支路的振荡电容器充电，当所述振荡电容器电压大于耗能支路的残压时，所述故障电流开始转移至耗能支路并耗散至零，分闸成功并结束分闸操作。

根据本申请的实施例，当关断电流的装置分闸时，通过控制通流支路和分断支路内部元件的运行状态，首先将通流支路电流转移至分断支路的单向晶闸管单元中，然后通过有源电力电子单元输出方波电压振荡产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，使得分断支路的单向晶闸管单元过零并自然关断，克服了机械开关重燃风险大、小电流关断时间长、与系统振荡显著以及设备成本高等问题，有利于在交直流输配电系统的大规模推广应用。

根据另一些实施例，通流支路的有源电力电子单元采用有源振荡升压原理，提升反向注入电流幅值，有源电力电子单元中模块数量少且配置了冗余，显著提高了设备经济性和可靠性。

根据另一些实施例，振荡支路的振荡电容器为脉冲电容，耐受电压高、容值为uF级，减少了小电流关断时间，同时降低了电容体积和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例。

图1示出根据本申请示例实施例的一种关断电流的装置框图。

图2示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图。

图3示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图。

图4示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图。

图5示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图。

图6示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图。

图7示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图。

图8示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图。

图9示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图。

图10a示出根据本申请示例实施例的一种具有旁路功能的有源电力电子模块的电路结构示意图。

图10b示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的有源电力电子模块的电路结构示意图。

图10c示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的有源电力电子模块的电路结构示意图。

图11a示出根据本申请示例实施例的一种具有隔离功能的有源电力电子模块的电路结构示意图。

图11b示出根据本申请示例实施例的一种具有隔离功能的有源电力电子模块的电路结构示意图。

图11c示出根据本申请示例实施例的一种具有隔离功能的有源电力电子模块的电路结构示意图。

图12a为本发明实施例中的通流支路的通流单元的电路结构拓扑图；

图12b为本发明实施例中的通流支路的通流单元的另一电路结构拓扑图。

图12c为本发明实施例中的通流支路的通流单元的另一电路结构拓扑图。

图12d为本发明实施例中的通流支路的通流单元的另一电路结构拓扑图。

图13示出根据本申请示例实施例的一种关断电流的模块结构框图。

图14示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的模块结构框图

图15示出根据本申请示例实施例的一种控制方法流程图。

图16a示出根据本申请示例实施例的控制方法下的电流流向示意图。

图16b示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图16c示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图16d示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图16e示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图16f示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图17示出根据本申请示例实施例的一种控制方法流程图。

图18a示出根据本申请示例实施例的控制方法下的电流流向示意图。

图18b示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图18c示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图18d示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图18e示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

图18f示出根据本申请示例实施例的控制方法下的另一电流流向示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或操作等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

下面结合附图，对根据本申请的具体实施例进行详细说明。

图1示出根据本申请示例实施例的一种关断电流的装置框图，如图1所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。

根据本申请的实施例，通流支路1由机械开关与通流单元串联构成。

根据一些实施例，整流支路2由四个二极管整流单元构成全桥整流电路。

根据本申请的实施例，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接。

根据一些实施例，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接。

根据本申请的实施例，分断支路3由单向晶闸管单元与串联连接的振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元并联构成，且耗能支路4与分断支路3并联连接。

根据另一些实施例，分断支路3由单向晶闸管单元与串联连接的振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元并联构成，且耗能支路4与分断支路3的振荡电容器并联连接。

根据另一些实施例，分断支路3由单向晶闸管单元与串联连接的振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元并联构成，且耗能支路4与分断支路3中串联连接的振荡电容器和振荡电感两端并联连接。

根据另一些实施例，分断支路3由单向晶闸管单元与串联连接的振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元并联构成，且耗能支路4与分断支路3中串联连接的振荡电容器和有源电力电子单元两端并联连接。

根据另一些实施例，分断支路3由单向晶闸管单元与串联连接的振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元并联构成，且耗能支路4与通流支路1并联连接。

根据另一些实施例，分断支路3由串联连接的单向晶闸管单元和有源电力电子单元与串联连接的振荡电容器和振荡电感并联构成，且耗能支路4与分断支路3并联连接。

根据另一些实施例，分断支路3由串联连接的单向晶闸管单元和有源电力电子单元与串联连接的振荡电容器和振荡电感并联构成，且耗能支路4与分断支路3的振荡电容器并联连接。

根据另一些实施例，分断支路3由串联连接的单向晶闸管单元和有源电力电子单元与串联连接的振荡电容器和振荡电感并联构成，且耗能支路4与通流支路1并联连接。

根据本申请的实施例，有源电力电子单元由至少一个具有旁路功能的有源电力电子模块串联构成，且具有旁路功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，有源电力电子模块旁路开关和电压源。

根据一些实施例，具有旁路功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式。在退出模式下，有源电力电子模块旁路开关闭合；在投入模式下，有源电力电子模块旁路开关打开。

根据另一些实施例，有源电力电子单元由至少一个具有隔离功能的有源电力电子模块并联构成，且具有隔离功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，隔离开关和电压源。

根据一些实施例，具有隔离功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式。在退出模式下，隔离开关打开；在投入模式下，隔离开关闭合。

根据一些实施例，通流单元由至少一个并联有通流单元旁路开关的双向通流模块串并联构成；和/或二极管整流单元由至少一个二极管串并联构成；和/或单向晶闸管单元由至少一个单向晶闸管串并联构成；和/或机械开关由一个或多个机械开关串并联构成；和/或振荡电容器由一个或多个电容器串并联构成；和/或振荡电感由一个或多个电感串并联构成；和/或耗能支路由一个或多个避雷器串并联构成。

在此需要说明的是，电力电子开关由至少一级功率半导体器件串联构成。功率半导体器件包括全控型功率半导体器或半控型功率半导体器件，全控型功率半导体器件为IGBT、IEGT、IGCT、MOSFET、GTO中的一种或任意组合，半控型功率半导体器件为晶闸管；电压源为预充电电容器，或储能蓄电池，或交流整流电源。

图2示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图，如图2所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。其中，通流支路1由机械开关11与通流单元12串联构成，整流支路2由四个二极管整流单元(21、22、23、24)构成全桥整流电路，分断支路3由单向晶闸管单元31与串联连接的振荡电容器32、振荡电感33和有源电力电子单元34并联构成，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接，耗能支路4与分断支路3并联连接。

图3示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图，如图3所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。其中，通流支路1由机械开关11与通流单元12串联构成，整流支路2由四个二极管整流单元(21、22、23、24)构成全桥整流电路，分断支路3由单向晶闸管单元31与串联连接的振荡电容器32、振荡电感33和有源电力电子单元34并联构成，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接，耗能支路4与分断支路3的振荡电容器32并联连接。

图4示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图，如图4所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。其中，通流支路1由机械开关11与通流单元12串联构成，整流支路2由四个二极管整流单元(21、22、23、24)构成全桥整流电路，分断支路3由单向晶闸管单元31与串联连接的振荡电容器32、振荡电感33和有源电力电子单元34并联构成，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接，耗能支路4与分断支路3中串联连接的振荡电容器32和振荡电感33并联连接。

图5示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图，如图5所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。其中，通流支路1由机械开关11与通流单元12串联构成，整流支路2由四个二极管整流单元(21、22、23、24)构成全桥整流电路，分断支路3由单向晶闸管单元31与串联连接的振荡电容器32、振荡电感33和有源电力电子单元34并联构成，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接，耗能支路4与分断支路3中串联连接的振荡电容器32和有源电力电子单元34并联连接。

图6示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图，如图6所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。其中，通流支路1由机械开关11与通流单元12串联构成，整流支路2由四个二极管整流单元(21、22、23、24)构成全桥整流电路，分断支路3由串联连接的单向晶闸管单元31和有源电力电子单元34与串联连接的振荡电容器32和振荡电感33并联构成，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接，耗能支路4与分断支路3并联连接。

图7示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图，如图7所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。其中，通流支路1由机械开关11与通流单元12串联构成，整流支路2由四个二极管整流单元(21、22、23、24)构成全桥整流电路，分断支路3由串联连接的单向晶闸管单元31和有源电力电子单元34与串联连接的振荡电容器32和振荡电感33并联构成，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接，耗能支路4与分断支路3的振荡电容器32并联连接。

图8示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图，如图8所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。其中，通流支路1由机械开关11与通流单元12串联构成，整流支路2由四个二极管整流单元(21、22、23、24)构成全桥整流电路，分断支路3由单向晶闸管单元31与串联连接的振荡电容器32、振荡电感33和有源电力电子单元34并联构成，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接，耗能支路4与通流支路1并联连接。

图9示出根据本申请示例实施例的另一种关断电流的装置的电路结构示意图，如图9所示的关断电流的装置包括通流支路1、整流支路2、分断支路3和耗能支路4。其中，通流支路1由机械开关11与通流单元12串联构成，整流支路2由四个二极管整流单元(21、22、23、24)构成全桥整流电路，分断支路3由串联连接的单向晶闸管单元31和有源电力电子单元34与串联连接的振荡电容器32和振荡电感33并联构成，通流支路1与整流支路2的全桥整流电路交流侧并联连接，整流支路2的全桥整流电路直流侧与分断支路3并联连接，耗能支路4通流支路1并联连接。

根据本申请的实施例，有源电力电子单元可由至少一个具有旁路功能的有源电力电子模块串联构成。

图10a示出根据本申请示例实施例的一种具有旁路功能的有源电力电子模块的电路结构示意图，如10a所示的有源电力电子模块包括电力电子开关、有源电力电子模块旁路开关和电压源。其中，电力电子开关包括第一电力电子开关、第二电力电子开关，有源电力电子模块旁路开关包括第一旁路开关，电压源包括第一电压源。

如图10a所示，第一电力电子开关的正极与第一电压源的正极连接，第一电力电子开关的负极与第二电力电子开关的正极连接后引出外接线，第二电力电子开关的负极与第一电压源的负极连接后引出外接线，第一旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

图10b示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的有源电力电子模块的电路结构示意图，如1b所示的有源电力电子模块包括电力电子开关、有源电力电子模块旁路开关和电压源。其中，电力电子开关包括第三电力电子开关、第四电力电子开关、第五电力电子开关和第六电力电子开关，有源电力电子模块旁路开关包括第二旁路开关，电压源包括第二电压源。

如图10b所示，第三电力电子开关的正极分别与第五电力电子开关的正极及第二电压源的正极连接，第三电力电子开关的负极与第四电力电子开关的正极连接后引出外接线，第四电力电子开关的负极分别与第六电力电子开关的负极及第二电压源的负极连接，第五电力电子开关的负极与第六电力电子开关的正极连接后引出外接线，第二旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

图10c示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的有源电力电子模块的电路结构示意图，如10c所示的有源电力电子模块包括电力电子开关、有源电力电子模块旁路开关和电压源。其中，电力电子开关包括第七电力电子开关和第八电力电子开关，有源电力电子模块旁路开关包括第三旁路开关，电压源包括第三电压源和第四电压源。

如图10c所示，第七电力电子开关的正极与第三电压源的正极连接，第七电力电子开关的负极与第八电力电子开关的正极连接后引出外接线，第八电力电子开关的负极与第四电压源的负极连接，第三电压源的负极与第四电压源的正极连接后引出外接线，第三旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

根据一些实施例，图10a-10c中的具有旁路功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式。在退出模式下，有源电力电子模块旁路开关闭合；在投入模式下，有源电力电子模块旁路开关打开。

为了提高电流关断装置的可靠性，根据一些实施例，在转移支路的有源电力电子单元配置冗余模块，也即配置多个有源电力电子模块。当有源电力电子模块发生故障时，将发生故障的有源电力电子模块由投入模式转为退出模式，并选择其他任一个有源电力电子模块转入投入模式。

根据另一些实施例，有源电力电子单元还可由至少一个具有隔离功能的有源电力电子模块并联构成。

图11a示出根据本申请示例实施例的一种具有隔离功能的有源电力电子模块的电路结构示意图，如图11a所示的有源电力电子模块包括电力电子开关、隔离开关和电压源，其中，电力电子开关包括第九电力电子开关和第十电力电子开关，隔离开关包括第一隔离开关，电压源包括第五电压源。

如图11a所示，第九电力电子开关的正极与第五电压源的正极连接，第九电力电子开关的负极分别与第十电力电子开关的正极及第一隔离开关的第一端连接，第一隔离开关的第二端引出外接线，第十电力电子开关的负极与第五电压源的负极连接后引出外接线。

图11b示出根据本申请示例实施例的一种具有隔离功能的有源电力电子模块的电路结构示意图，如图11b所示的有源电力电子模块包括电力电子开关、隔离开关和电压源，其中，电力电子开关包括第十一电力电子开关、第十二电力电子开关、第十三电力电子开关和第十四电力电子开关，隔离开关包括第二隔离开关，电压源包括第六电压源。

如图11b所示，第十一电力电子开关的正极分别与第十三电力电子开关的正极及第六电压源的正极连接，第十一电力电子开关的负极与第十二电力电子开关的正极连接后引出外接线，第十二电力电子开关的负极分别与第十四电力电子开关的负极及第六电压源的负极连接，第十三电力电子开关的负极分别与第十四电力电子开关的正极及第二隔离开关的第一端连接，第二隔离开关的第二端引出外接线。

图11c示出根据本申请示例实施例的一种具有隔离功能的有源电力电子模块的电路结构示意图，如图11c所示的有源电力电子模块包括电力电子开关、隔离开关和电压源，其中，电力电子开关包括第十五电力电子开关和第十六电力电子开关，隔离开关包括第三隔离开关，电压源包括第七电压源和第八电压源。

如图11c所示，第十五电力电子开关的正极与第七电压源的正极连接，第十五电力电子开关的负极与第十六电力电子开关的正极连接后引出外接线，第十六电力电子开关的负极与第八电压源的负极连接，第七电压源的负极分别与第八电压源的正极及第三隔离开关的第一端连接，第三隔离开关的第二端引出外接线。

根据本申请的实施例，图11a-11c中的具有隔离功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式。在退出模式下，隔离开关打开；在投入模式下，隔离开关闭合。

为了提高电流关断装置的可靠性，根据一些实施例，转移支路的有源电力电子单元配置有冗余模块，也即配置多个有源电力电子模块。当有源电力电子模块发生故障时，将发生故障的有源电力电子模块由投入模式转为退出模式，并选择其他任一个有源电力电子模块转入投入模式。

根据本申请的实施例，第一电力电子开关、第二电力电子开关、第三电力电子开关、第四电力电子开关、第五电力电子开关、第六电力电子开关、第七电力电子开关、第八电力电子开关、第九电力电子开关、第十电力电子开关、第十一电力电子开关、第十二电力电子开关、第十三电力电子开关、第十四电力电子开关、第十五电力电子开关、第十六电力电子开关均由至少一级功率半导体器件构成，功率半导体器件包括全控型功率半导体器或半控型功率半导体器件，全控型功率半导体器件为IGBT、IEGT、IGCT、MOSFET、GTO中的一种或任意组合，半控型功率半导体器件为晶闸管。

根据本申请的实施例，第一电压源、第二电压源、第三电压源、第四电压源、第五电压源、第六电压源、第七电压源和第八电压源为预充电电容器或储能蓄电池或交流整流电源，为了保护电压源，防止在电流关断过程中出现过压损坏，可在其两端并联过电压措施，如避雷器或撬棒(chopper)电路。

根据一些实施例，通流单元由至少一个并联有旁路开关的双向通流模块串并联构成，图12a-12d分别示出了四种通流单元的典型电路拓扑。

根据一些实施例，机械开关由一个或多个机械开关串并联构成，通常为快速型快速开关，可采用电磁斥力或永磁或爆炸原理机械开关。当多个快速开关串联时，通常在每个快速开关两端并联RC回路以提高断口间均压性能。

根据一些实施例，振荡支路的振荡电容器由一个或多个电容器串并联构成，通常为几个uf或十几个uf，耐压高、体积小。

根据一些实施例，振荡支路的振荡电感由一个或多个电感串并联构成；

根据一些实施例，耗能支路由一个或多个避雷器串并联构成。

图13示出根据本申请示例实施例的一种关断电流的模块结构框图，如图13所示的关断电流的模块采用将多个关断电流的装置串联的方式连接实现灵活扩展，以满足中高压系统应用需求。

根据本申请的另一些实施例，关断电流的模块还可以将关断电流的装置内部元件串联连接，例如，如图14所示的关断电流的模块，采用转移支路、振荡支路和耗能支路构成的模块化单元通过串联的方式实现灵活扩展，以满足中高压系统应用需求。

图15示出根据本申请示例实施例的一种控制方法流程图，图16a-16f示出根据本申请示例实施例的控制方法下的电流流向示意图。下面结合图16a-16f，对图15所示的控制方法进行详细说明。

在步骤S1501,关断电流的装置接收指令。

当系统未发生故障时，根据本申请的实施例，响应于电力系统的正常工作指令，执行步骤S1503，关断电流的装置处于初始状态合位，也即电流流过通流支路，通流支路的机械开关处于闭合状态、通流单元处于通流单元旁路开关闭合状态，电流流向如图16a所示，分断支路的投入模式中的有源电力电子单元处于切除状态或闭锁状态。

当系统发生故障时，关断电流的装置收到分闸指令。根据本申请的另一些实施例，关断电流的装置响应于电力系统发生故障时收到的分闸指令，执行步骤S1705。

在步骤S1505，打开通流支路的机械开关，并控制通流单元的通流单元旁路开关打开和双向通流模块导通，电流流向如图16b所示。通流单元旁路开关弧压迫使电流向双向通流模转移。根据一些实施例，在此控制方法下，通流单元旁路开关优选高弧压旁路开关；

在步骤S1507，当通流单元的通流单元旁路开关分开至绝缘分位、且通流单元旁路开关中电流完全转移至双向通流模块中时，触发分断支路的单向晶闸管单元导通和控制通流单元的双向通流模块关断，电流流向如图16c所示。

在步骤S1509，当机械开关分开至绝缘分位时，控制分断支路的有源电力电子单元输出多脉冲方波电压，输出的方波电压激励振荡电容器和振荡电感振荡，产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，电流流向如图16d、16e所示交替出现，振荡电流使得分断支路的单向晶闸管单元出现过零点关断；

在步骤S1511，故障电流开始给分断支路的振荡电容器充电，当振荡电容器电压大于耗能支路的残压时，例如，耗能支路的避雷器残压，故障电流开始转移至耗能支路并耗散至零，电流流向如图16f中所示，分闸成功并结束分闸操作。

图17示出根据本申请示例实施例的一种控制方法流程图，图18a-18f示出根据本申请示例实施例的控制方法下的电流流向示意图。下面结合图18a-18f，对图17所示的控制方法进行详细说明。当系统未发生故障时，根据本申请的实施例，响应于电力系统的正常工作指令，执行步骤S1703，关断电流的装置处于初始状态合位，也即电流流过通流支路，通流支路的机械开关处于闭合状态、通流单元处于通流单元旁路开关打开和双向通流模块导通状态，电流流向如图18a所示，分断支路的投入模式中的有源电力电子单元处于切除状态或闭锁状态。

当系统发生故障时，关断电流的装置收到分闸指令。根据本申请的另一些实施例，关断电流的装置响应于电力系统发生故障时收到的分闸指令，执行步骤S1705。

在步骤S1705触发分断支路的单向晶闸管单元导通，并控制通流单元的双向通流模块关断，电流流向如图18b所示。

在步骤S1707，当电流从通流支路完全转移至分断支路后，无弧打开机械开关，电流流向如图18c中所示；

在步骤S1709，当机械开关分开至绝缘分位时，控制分断支路的有源电力电子单元输出多脉冲方波电压，输出的方波电压激励振荡电容器和振荡电感振荡，产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，电流流向如图18d、18e中所示交替出现，振荡电流使得分断支路的单向晶闸管单元出现过零点关断。

在步骤S1711，故障电流开始给分断支路的振荡电容器充电，当振荡电容器电压大于耗能支路的残压时，例如，耗能支路的避雷器残压，故障电流开始转移至耗能支路并耗散至零，电流流向如图18f中所示，分闸成功并结束分闸操作。

根据一些实施例，有源电力电子单元输出的方波电压频率和振荡电容器和振荡电感的谐振频率相近，通过方波电压的激励可以产生电流幅值不断增大的电流。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种关断电流的装置，其特征在于，所述关断电流的装置包括通流支路、整流支路、分断支路和耗能支路，其中，

所述通流支路由机械开关与通流单元串联构成；

所述整流支路由四个二极管整流单元构成全桥整流电路；

所述分断支路由单向晶闸管单元与串联连接的振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元并联构成，且所述耗能支路与所述分断支路并联连接，或与所述分断支路的所述振荡电容器并联连接，或与所述分断支路中串联连接的所述振荡电容器和所述振荡电感两端并联连接，或与所述分断支路中串联连接的所述振荡电容器和所述有源电力电子单元两端并联连接，或与所述通流支路并联连接；或

所述分断支路由串联连接的单向晶闸管单元和有源电力电子单元与串联连接的振荡电容器和振荡电感并联构成，且所述耗能支路与所述分断支路并联连接，或与所述分断支路的所述振荡电容器并联连接，或与所述通流支路并联连接；

所述通流支路与所述整流支路的所述全桥整流电路交流侧并联连接；

所述整流支路的所述全桥整流电路直流侧与所述分断支路并联连接。

2.如权利要求1所述的关断电流的装置，其特征在于，其中，所述有源电力电子单元由至少一个具有旁路功能的有源电力电子模块串联构成，

所述具有旁路功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，有源电力电子模块旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第一电力电子开关和第二电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第一旁路开关，所述电压源包括第一电压源，所述第一电力电子开关的正极与所述第一电压源的正极连接，所述第一电力电子开关的负极与所述第二电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二电力电子开关的负极与第一电压源的负极连接后引出外接线，所述第一旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述具有旁路功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，有源电力电子模块旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第三电力电子开关、第四电力电子开关、第五电力电子开关和第六电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第二旁路开关，所述电压源包括第二电压源，所述第三电力电子开关的正极分别与所述第五电力电子开关的正极及所述第二电压源的正极连接，所述第三电力电子开关的负极与所述第四电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第四电力电子开关的负极分别与所述第六电力电子开关的负极及所述第二电压源的负极连接，所述第五电力电子开关的负极与所述第六电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述具有旁路功能的有源电力电子模块电子电力开关，有源电力电子模块旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第七电力电子开关和第八电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第三旁路开关，所述电压源包括第三电压源和第四电压源，所述第七电力电子开关的正极与所述第三电压源的正极连接，所述第七电力电子开关的负极与所述第八电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第八电力电子开关的负极与所述第四电压源的负极连接，所述第三电压源的负极与所述第四电压源的正极连接后引出外接线，所述第三旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

3.如权利要求2所述的关断电流的装置，其特征在于，所述具有旁路功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式，

在所述退出模式下，所述有源电力电子模块旁路开关闭合；

在所述投入模式下，所述有源电力电子模块旁路开关打开。

4.如权利要求1所述的关断电流的装置，其特征在于，所述有源电力电子单元由至少一个具有隔离功能的有源电力电子模块并联构成，其中，

所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，隔离开关和电压源，所述电力电子开关包括第九电力电子开关和第十电力电子开关，所述隔离开关包括第一隔离开关，所述电压源包括第五电压源，所述第九电力电子开关的正极与所述第五电压源的正极连接，所述第九电力电子开关的负极分别与所述第十电力电子开关的正极及所述第一隔离开关的第一端连接，所述第一隔离开关的第二端引出外接线，所述第十电力电子开关的负极与第五电压源的负极连接后引出外接线；或

所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，隔离开关和电压源，所述电力电子开关包括第十一电力电子开关、第十二电力电子开关、第十三电力电子开关和第十四电力电子开关，所述隔离开关包括第二隔离开关，所述电压源包括第六电压源，所述第十一电力电子开关的正极分别与所述第十三电力电子开关的正极及所述第六电压源的正极连接，所述第十一电力电子开关的负极与所述第十二电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第十二电力电子开关的负极分别与所述第十四电力电子开关的负极及所述第六电压源的负极连接，所述第十三电力电子开关的负极分别与所述第十四电力电子开关的正极及所述第二隔离开关的第一端连接，所述第二隔离开关的第二端引出外接线；或

所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电子电力开关，隔离开关和电压源，所述电力电子开关包括第十五电力电子开关和第十六电力电子开关，所述隔离开关包括第三隔离开关，所述电压源包括第七电压源和第八电压源，所述第十五电力电子开关的正极与所述第七电压源的正极连接，所述第十五电力电子开关的负极与所述第十六电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第十六电力电子开关的负极与所述第八电压源的负极连接，所述第七电压源的负极分别与所述第八电压源的正极及所述第三隔离开关的第一端连接，所述第三隔离开关的第二端引出外接线。

5.如权利要求4所述的关断电流的装置，其特征在于，所述具有隔离功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式，在所述退出模式下，所述隔离开关打开，在所述投入模式下，所述隔离开关闭合。

6.如权利要求1所述的关断电流的装置，其特征在于，

所述通流单元由至少一个并联有通流单元旁路开关的双向通流模块串并联构成；和/或

所述二极管整流单元由至少一个二极管串并联构成；和/或

所述单向晶闸管单元由至少一个单向晶闸管串并联构成；和/或

所述机械开关由一个或多个机械开关串并联构成；和/或

所述振荡电容器由一个或多个电容器串并联构成；和/或

所述振荡电感由一个或多个电感串并联构成；和/或

所述耗能支路由一个或多个避雷器串并联构成。

7.如权利要求2-5所述的关断电流的装置，其特征在于，

所述电力电子开关由至少一级功率半导体器件串联构成，所述功率半导体器件包括全控型功率半导体器或半控型功率半导体器件，所述全控型功率半导体器件为IGBT、IEGT、IGCT、MOSFET、GTO中的一种或任意组合，所述半控型功率半导体器件为晶闸管；

所述电压源为预充电电容器，或储能蓄电池，或交流整流电源。

8.一种关断电流的模块，其特征在于，所述关断电流的模块包括至少两个如权利要求1-7任一所述的关断电流的装置，且所述关断电流的装置串联连接。

9.一种控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制如权利要求1-7任一所述的关断电流的装置，所述控制方法包括：

响应于系统正常工作指令，电流流过通流支路，所述通流支路的机械开关处于闭合状态、通流单元处于通流单元旁路开关闭合状态，分断支路的投入模式中的有源电力电子单元处于切除状态或闭锁状态；

响应于系统发生故障时收到的分闸指令，打开所述通流支路的机械开关，并控制所述通流单元的通流单元旁路开关打开和双向通流模块导通；

当所述通流单元的通流单元旁路开关分开至绝缘分位、且通流单元旁路开关中电流完全转移至双向通流模块中时，触发通流单元分断支路的单向晶闸管单元导通和控制通流单元的双向通流模块关断；

当所述机械开关分开至绝缘分位时，控制通流单元分断支路的有源电力电子单元输出多脉冲方波电压，输出的所述方波电压激励振荡电容器和振荡电感振荡，产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，所述振荡电流使得通流单元分断支路的单向晶闸管单元出现过零点关断；

所述故障电流开始给所述分断支路的振荡电容器充电，当所述振荡电容器电压大于耗能支路的残压时，所述故障电流开始转移至所述耗能支路并耗散至零，分闸成功并结束分闸操作。

10.一种控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制如权利要求1-7任一所述的关断电流的装置，所述控制方法包括：

响应于系统正常工作指令，电流流过通流支路，所述通流支路的机械开关处于闭合状态、通流单元处于通流单元旁路开关打开和双向通流模块导通状态，分断支路的投入模式中的有源电力电子单元处于切除状态或闭锁状态；

响应于系统发生故障时收到的分闸指令，触发所述分断支路的单向晶闸管单元导通，并控制所述通流单元的双向通流模块关断；

当电流从所述通流支路完全转移至所述分断支路后，无弧打开所述机械开关；

当所述机械开关分开至绝缘分位时，控制所述分断支路的有源电力电子单元输出多脉冲方波电压，输出的所述方波电压激励振荡电容器和振荡电感振荡，产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，所述振荡电流使得分断支路的单向晶闸管单元出现过零点关断；

故障电流开始给所述分断支路的振荡电容器充电，当所述振荡电容器电压大于耗能支路的残压时，所述故障电流开始转移至耗能支路并耗散至零，分闸成功并结束分闸操作。

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