CN204681065U - 一种直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流断路器，包括换流支路和主电子开关支路，各支路并联连接，其中主电子开关支路由全桥型MMC子模块级联或者半桥型MMC子模块级联或者全桥型MMC子模块与半桥型MMC子模块串联后级联组成。本方案的有益效果是在断路器关断过程中，通过在主电子开关支路设置全桥MMC子模块、半桥MMC子模块或全桥MMC和半桥MMC混合子模块，能够使在换流开关在关断后，电流能快速从换流支路转移到主电子开关支路，并且主电子开关支路中子模块的全控器件在关断后电流能迅速下降至零，保证了断路器的高速关断过程，同时，所用各MMC子模块结构简单，成本低，适合大规模生产。

Description

一种直流断路器

技术领域

本实用新型涉及大功率电力电子技术领域，具体涉及一种MMC子模块混合型高速直流断路器。

背景技术

近几年，随着我国经济和科技的不断发展，对能源的需求也日益增加。为有效解决我国的能源分布不均问题，直流输电技术目前正在成为一种有效的手段。尤其是柔性直流输电技术的逐渐成熟更是促进了分布式新能源发展。由于直路系统具有故障发展速度快的特性，尤其是对于基于IGBT器件的柔性直流输电系统，由于存在反并联二极管，当直流侧发生故障时，无法快速限制短路电流。因此直流断路器的研究对于直流输电系统的稳定性有着重要的意义。

在高压直流断路器研究方面，国外公司和部分研究机构开展的较早，并且已经逐渐地实现了理论设计向工程实践的转化。现有全固态断路器，价格昂贵，特别是通态损耗较大，在高压大容量场合经济性很低；为解决固态直流断路器的通态损耗问题，业界提出了基于强迫换流的机械开关与固态开关并联混合使用的技术方案，其中基于电力电子器件串联的强制换流型直流断路器对于串联器件的电压均衡有着非常高的要求，实现难度大。而基于子模块级联换流的直流断路器工作过程中换流时间较长，且经济性较差。

专利：一种高压直流断路器拓扑(CN 103681039 A)提出的一种直流断路器技术，通过在第二电流通路上设置单元投切模块，在直流故障时，控制装置各电流通路的开关通断，将流过第一电流通路的电流转换到第二电流通路上，利用第二电流通路的电容与各避雷器电压叠加，对故障电流限流。该方案中的单元投切模块比较复杂，整个直流断路器的成本较高，不利于实际生产应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种直流断路器，用以解决现有技术中断路器换流时间长、成本高的问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括：

一种直流断路器，包括换流支路和主电子开关支路，各支路并联连接，所述主电子开关支路由全桥型MMC子模块级联组成或者由半桥型MMC子模块级联组成或者由若干全桥型MMC子模块与若干半桥型MMC子模块按照设定个数、顺序级联组成。

所述半桥MMC子模块由第一IGBT、第二IGBT和电容组成，其中第一IGBT的集电极与第二IGBT的发射级连接，电容的负极与第一IGBT的发射级连接，电容的正极与第二IGBT的集电极连接，第一IGBT的射级作为半桥MMC子模块的第一输出端，第二IGBT的射级作为半桥MMC子模块的第二输出端。

所述全桥MMC子模块由第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT和电容组成，其中电容的正极与第一IGBT的集电极和第三IGBT的集电极相连接，电容的负极与第二IGBT的发射级和第四IGBT的发射级相连接，第一IGBT的发射级与第二IGBT的集电极相连接，该连接端作为全桥MMC子模块的第一输出端，第三IGBT的发射级与第四IGBT的集电极相连接，该连接端作为全桥MMC子模块的第二输出端。

所述直流断路器包括至少一个避雷器，所述避雷器并联在所述换流支路和主电子开关支路的对应支路或元件上。

本实用新型的有益效果：在断路器关断过程中，通过在主电子开关支路设置全桥子模块、半桥子模块或全桥和半桥混合子模块，能够使在换流开关在关断后，电流能快速从换流支路转移到主电子开关支路，并且主电子开关支路中子模块的全控器件在关断后电流能迅速下降至零，保证了断路器的高速关断过程，同时，所用各子模块结构简单，成本低，适合大规模生产。

附图说明

图1是子模块混合型高速直流断路器拓扑结构；

图2是全桥子模块电路拓扑；

图3是半桥子模块电路拓扑；

图4是全桥-半桥混合子模块电路拓扑；

图5是子模块混合型高速直流断路器关断过程中的控制逻辑；

图6是正常运行时子模块混合型高速直流断路器的工作状态；

图7是子模块混合型高速直流断路器换流过程(以全桥MMC子模块为例进行说明)；

图8是图7的全桥形式原理图；

图9是主电子开关支路关断过程中断路器的工作状态(以全桥MMC子模块为例进行说明)；

图10是图9的全桥形式原理图；

图11是子模块混合型高速直流断路器断开过程中的电流波形；

图12是实施例2的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

实施例1：

如图1、2、3、4所示，本方案的直流断路器由换流支路、主电子开关支路，以及避雷器支路组成，这三条支路并联组成。

主电子开关支路由若干个MMC子模块(SM₁-SM_n)级联组成，MMC子模块有三种形式：全桥MMC子模块结构、半桥MMC子模块结构，以及若干全桥型MMC子模块与若干半桥型MMC子模块按照设定个数、顺序进行组合的结构。主电子开关支路由上述MMC子模块的一种或者多种结构级联组成。

其中半桥MMC子模块由第一IGBT、第二IGBT和电容组成，其中第一 IGBT的集电极与第二IGBT的发射级连接，电容的负极与第一IGBT的发射级连接，电容的正极与第二IGBT的集电极连接，第一IGBT的射级作为半桥MMC子模块的第一输出端，第二IGBT的射级作为半桥MMC子模块的第二输出端。

全桥MMC子模块由第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT和电容组成，其中电容的正极与第一IGBT的集电极和第三IGBT的集电极相连接，电容的负极与第二IGBT的发射级和第四IGBT的发射级相连接，第一IGBT的发射级与第二IGBT的集电极相连接，该连接端作为全桥MMC子模块的第一输出端，第三IGBT的发射级与第四IGBT的集电极相连接，该连接端作为全桥MMC子模块的第二输出端。

换流支路由机械开关和换流开关串联组成，换流开关由若干IGBT反向串联组成，用于在断路器关断时快速将电流转移到主电子开关电路中。

下面以全桥MMC子模块为例，作下述说明：

直流断路器正常运行时，如图6所示，换流支路中的IGBT处于导通状态，机械开关处于闭合状态；直流电流从换流支路中流过，主电子开关支路中子模块全部处于关断状态，没有电流流过。

当直流电路出现故障时，直流断路器换流过程如图7、8所示，首先触发主电子开关支路中全部MMC子模块的IGBT，然后关断换流支路中换流开关的IGBT。

换流支路上的电流Id1开始减小；主电子开关支路中的电流Id2通过全桥MMC子模块中IGBT、反并联二极管形成通路，Id2逐渐增加，MMC子模块中电容被旁路，电容上的电压为零。

换流支路上的电流减小到零后，将机械开关断开，此时故障电流全部从主电子开关支路中流过，换流支路和主电子开关支路完成换流过程，进入主电子开关支路关断过程。

断路器主电子开关支路关断过程，如图9、10中所示，当换流支路上的电 流减小到零后，将机械开关断开，换流支路完成断开。

在机械开关恢复绝缘阻断能力之后，关断主电子开关支路中所有MMC子模块的IGBT，此时主电子开关电路中的电阻非常大。

主电子开关支路中的电流通过MMC子模块中IGBT的反并联二极管对电容进行充电，电容形成的电压成为阻碍二极管通态的反向电压。

MMC子模块中IGBT关断后，断路器上形成过电压，避雷器支路中电流上升，将能量吸收。

对主电子开关支路上的电流快速减小为零，并通过避雷器使被保护支路或元件的电压被限制在绝缘要求的完全范围，同时断路器关断过程中能量也由避雷器泄放掉。最终直流断路器完成直流电路的断开任务。

本实施例中，避雷器支路由一个避雷器构成，当然也可以使用多个避雷器进行限压。

此外，本实施例中避雷器是并联在换流支路和主电子开关支路的支路两端的，作为其他实施方式，也可以选择性的在需要保护的地方两端增加限压器件。

直流断路器的具体控制逻辑，如图5所示：

当故障发生后，首先触发主电子开关支路中所有子模块的IGBT，然后关断换流支路中换流开关的IGBT。两组开关的IGBT触发过程中存在一定的时延，如图5中的t0～t1。

换流开关在关断后，换流支路上的电流逐渐减小到零，拉开机械开关，如5图中所述的t1～t2。

机械开关拉开后需要留足动作时间，当换流支路彻底断开后，电流全部从换流支路转移到主电子开关支路上，开始关断主电子开关支路中所有子模块的IGBT，如图中的t2～t3。

断路器保护过程中断路器电流以及各支路电流，如图11所示，断路器在0.515ms时刻开始动作，主电子开关触发导通，然后换流开关关断，将开关过 程按照200μs进行考虑。

在0.745s时刻，换流支路电流下降为零，换流支路和主电子开关支路换流过程结束。

在换流支路电流为零时，拉开机械开关，动作时间设定为2ms。

在机械开关真正断开后，关断主电子开关支路中全部子模块的IGBT。

在5.4ms时刻，断路器中的电流下降为零，直流断路器完成关断。断路器整个工作过程持续时间小于5ms。

以上数值是为了表述清楚，说设定的具体数值，但本方案并不限于上述具体数值，可以根据实际运行情况，对上述数值进行相应调整。

此外，作为其他实施方式，主电子开关支路也可以使用半桥MMC子模块构成，或者将若干全桥MMC子模块与若干半桥MMC子模块以设定个数、顺序进行级联而构成，其工作过程与控制方法同上述以全桥MMC子模块构成的主电子开关支路类似，这里不再赘述。

实施例2：

如图12所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的直流断路器不包括实施例1中的避雷器支路。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种直流断路器，包括换流支路和主电子开关支路，各支路并联连接，其特征在于，所述主电子开关支路由全桥型MMC子模块级联组成或者由半桥型MMC子模块级联组成或者由若干全桥型MMC子模块与若干半桥型MMC子模块按照设定个数、顺序级联组成。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述半桥MMC子模块由第一IGBT、第二IGBT和电容组成，其中第一IGBT的集电极与第二IGBT的发射级连接，电容的负极与第一IGBT的发射级连接，电容的正极与第二IGBT的集电极连接，第一IGBT的射级作为半桥MMC子模块的第一输出端，第二IGBT的射级作为半桥MMC子模块的第二输出端。

3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述全桥MMC子模块由第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT和电容组成，其中电容的正极与第一IGBT的集电极和第三IGBT的集电极相连接，电容的负极与第二IGBT的发射级和第四IGBT的发射级相连接，第一IGBT的发射级与第二IGBT的集电极相连接，该连接端作为全桥MMC子模块的第一输出端，第三IGBT的发射级与第四IGBT的集电极相连接，该连接端作为全桥MMC子模块的第二输出端。

4.根据权利要求1或2或3所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器包括至少一个避雷器，所述避雷器并联在所述换流支路和主电子开关支路的对应支路或元件上。