CN214314549U - 直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及直流断路器，所述直流断路器包括至少一个通流支路，所述通流支路的一端与直流母线连接；开断单元，包括第一开断支路以及与各个通流支路对应的第二开断支路，第一开断支路与第二开断支路的结构相同，第一开断支路的一端与直流母线连接，第一开断支路的另一端与各个第二开断支路的一端连接，第二开断支路的另一端与对应的通流支路的另一端连接；其中，所述第一开断支路用于承载和开断短路电流，所述第二开断支路用于承载和开断短路电流以及开断后的线路间隔离。在电流开断后的短时间内通过故障线路所属二分之一开断支路以及各正常线路所属二分之一开断支路实现故障线路与正常线路的全电压隔离。

Description

直流断路器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及直流断路器。

背景技术

现今直流输配电技术成为风、光等可再生能源大规模送出消纳的有效手段，而高压直流断路器是直流输配电向更为经济灵活的网络化发展的关键设备。

随着高压大容量直流电网的发展，断路器使用数量的增加以及其开断容量需求的提升，使得电网对高压直流断路器的技术和经济性提出了更高的要求。机械式直流断路器开断能力强，具有较高的经济性，但其小电流开断困难以及多次重合闸要求带来的储能装置成本的大幅度增大，制约了其开断容量的提升。混合式断路器开断容量受限于全控器件固有截断电流能力，同时大量的全控器件的采用造成断路器造价高昂。

发明内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种直流断路器，以解决由于经济性限制所导致的直流断路器开断能力低的问题。

本实用新型实施例提供了一种直流断路器，包括：

至少一个通流支路，所述通流支路的一端与直流母线连接；

开断单元，包括第一开断支路以及与各个所述通流支路对应的第二开断支路，所述第一开断支路与所述第二开断支路的结构相同，所述第一开断支路的一端与所述直流母线连接，所述第一开断支路的另一端与各个所述第二开断支路的一端连接，所述第二开断支路的另一端与对应的所述通流支路的另一端连接；

其中，所述第一开断支路用于承载和开断短路电流，所述第二开断支路用于承载和开断短路电流以及开断后的线路间隔离。

本实用新型实施例提供的直流断路器，采用二分之一电流阻断单元，即所述的结构相同的第一开断支路与第二开断支路，分别用作电流阻断和电压隔离，所述的二分之一的概念是相对于全电压等级的开断支路而言的，具体地，通过在共用部分的开断支路以及共用部分与各通流支路连接的部分采用二分之一全电压的开断支路，在故障开断过程中可通过共用部分和故障线路所属独立的各二分之一开断支路共同组成全电压开断单元，完成全电压电流开断。在电流开断后的短时间内通过故障线路所属二分之一开断支路以及各正常线路所属二分之一开断支路实现故障线路与正常线路的全电压隔离。基于此，所述的直流断路器中开断支路仅为单台混合式断路器主断路器的1/2，在多直流出线的应用场景中，经济性较单台混合式断路器优势显著。

可选地，所述第一开断支路包括：

至少一个电力电子开关单元，各所述电力电子开关单元级联；

耗能支路，与所述至少一个电力电子开关单元并联，所述耗能支路用于过电压保护和能量吸收。

可选地，所述开断单元还包括与所述第一开断支路串联的限流模块，所述限流模块用于限制短路电流上升速率。

可选地，所述限流模块包括：

限流元件；

短路开关，所述短路开关与所述限流元件并联，其中，所述限流元件包括电阻、电容或电感中的至少一种，所述短路开关包括第一机械开关或电力电子开关。

可选地，所述直流断路器还包括：

潮流控制器，所述潮流控制器用于判定各个通流支路对应的线路短路电流方向以调整输出电压，并辅助所述短路电流向所述第一开断支路转移。

可选地，所述潮流控制器与所述通流支路一一对应设置。

可选地，所述潮流控制器为直流潮流控制器，所述直流潮流控制器的输入源为换流站模块化多电平子模块，所述直流潮流控制器包括多个串联的全桥子模块，串联后的全桥子模块与所述换流站模块化多电平子模块并联。

本实用新型实施例提供的直流断路器，采用换流站高电压MMC子模块为输入源的潮流控制器，主电路可采用全桥子模块直流串联方式，减少了子模块数量的同时，省却了交流输入部分和对地隔离部分，具有更好的经济性。

可选地，各个所述通流支路还包括有与所述潮流控制器串联的第二机械开关。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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是根据本实用新型实施例的直流断路器的结构示意图；

图2a-图2d是根据本实用新型实施例的电力电子开关单元的结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例的第一开断支路的结构示意图；

图4a-图4c是根据本实用新型实施例的限流模块的结构示意图；

图5是根据本实用新型实施例的直流断路器的结构示意图；

图6a-图6b是根据本实用新型实施例的潮流控制器的结构示意图；

图6c是根据本实用新型实施例的潮流控制器的子模块的结构示意图；

图7是根据本实用新型实施例的直流断路器的结构示意图；

图8是根据本实用新型实施例的直流断路器的控制方法的流程图；

图9a-图9b是根据本实用新型实施例的直流断路器投入运行过程示意图；

图10a-图10e是根据本实用新型实施例的线路故障时直流断路器开关过程示意图；

图11a-图11e是根据本实用新型实施例的直流母线故障时直流断路器开关过程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种直流断路器，如图1所示，该直流断路器包括至少一个通流支路以及开断单元。其中，所述的通流支路用于在直流系统正常运行时导通负荷电流，通流支路的数量可以根据实际情况进行相应的设置，可以是2条、3条、或4条等等，在此对其具体数量并不做任何限制。在图1中示出了N个通流支路，通流支路1接入直流线路1、通流支路2接入直流线路2、……、通流支路N接入直流线路N。

如图1所示，所述的开断单元包括两部分结构相同的开断支路，分别为第一开断支路以及第二开断支路。其中，第一开断支路设置在各个直流线路的公共开断支路上，具体地，第一开断支路的一端与直流母线连接，另一端与各个第二开断支路的一端连接，第二开断支路的另一端与对应的通流支路的另一端连接。所述的第一开断支路用于承载和开断短路电流，第二开断支路用于承载和开断短路电流以及开断后的线路间隔离。

为下文描述方便，将设置在公共开断支路的第一开断支路称之为开断支路0，将与各个通流支路对应的第二开断支路分别称之为开断支路1-开断支路N。由于开断支路0设置在公共开断支路上，因此，也可以将开断支路0称之为主断路器。相应地，开断支路0表示为MB0，开断支路1-N表示为MB1-MBN。

具体地，所述的全电压等级开断支路除了设置主断路器之外，还对应于各个通流支路分别设置上辅助开断支路以及下辅助开断支路。其中，主断路器采用M个电力电子开关单元级联。

然而，在本实施例中将全电压等级开断支路的主断路器拆分为第一开断支路以及第二开断支路，从而就可以采用全电压开断支路的二分之一的电力电子开关单元就可以保证相同的开断能力。

本实施例提供的直流断路器，采用二分之一电流阻断单元，即所述的结构相同的第一开断支路与第二开断支路，分别用作电流阻断和电压隔离，所述的二分之一的概念是相对于全电压等级的开断支路而言的。具体地，通过在共用部分的开断支路以及共用部分与各通流支路连接的部分采用二分之一全电压的开断支路，在故障开断过程中可通过共用部分和故障线路所属独立的各二分之一开断支路共同组成全电压开断单元，完成全电压电流开断。在电流开断后的短时间内通过故障线路所属二分之一开断支路以及各正常线路所属二分之一开断支路实现故障线路与正常线路的全电压隔离。基于此，所述的直流断路器中开断支路仅为单台混合式断路器主断路器的1/2，在多直流出线的应用场景中，经济性较单台混合式断路器优势显著。

第一开断支路的结构与第二开断支路的结构相同，在下文的描述中，以第一开断支路为例，对其结构进行详细描述。在本实施例的一些可选实施方式中，第一开断支路包括至少一个电力电子开关单元以及耗能支路。其中，至少一个电力电子开关单元级联，耗能支路并联于级联的至少一个电力电子开关单元上，所述的耗能支路用于过压保护和能量吸收。可选地，所述的电力电子开关单元可以采用IGBT、IGCT、BIGT、IEGT等全控器件构成。

图2a-图2d示出了4种形式的电力电子开关单元，在直流断路器的实际应用过程中，可以根据实际需求选择其中之一进行级联，以形成电力电力电子开关单元。可选地，所述的耗能支路可以采用非线性电阻单元构成。图3示出了第一开断支路的一种可选的结构，其中，电力电子开关单元采用图2d中的结构，耗能支路采用非线性电阻MOV构成。

在本实施例的一些可选实施方式中，所述开断单元还包括与第一开断支路串联的限流模块，所述的限流模块用于限制短路电流上升速率。如图5所示，限流模块CL的一端与直流母线连接，另一端与开断支路0连接。

限流模块可以是利用限流元件构成，也可以是利用限流元件与短路开关构成。其中，限流元件可以是电阻、电容或电感，短路开关可以是电力电子开关或第一机械开关。具体地，限流模块可以是限流元件与短路开关并联形成的。例如，图4a-图4c示出了限流模块的3种结构示意图，如图4a所示，限流模块是由电力电子开关T与电感L并联构成；如图4b所示，限流模块是由非线性电容C构成；如图4c所示，限流模块由电力电子开关T与电阻R并联构成。需要说明的是，图4a-图4c仅仅是一些可选的实施方式，但是本实用新型的保护范围并不限于此。

在本实施例的另一些可选实施方式中，所述的直流断路器还包括潮流控制器PFC，所述的潮流控制器通过判定各个通流支路对应的线路短路电流方向以调整输出电压，并辅助短路电流向第一开断支路转移。其中，潮流控制器与通流支路一一对应设置。

可选地，所述的潮流控制器可以为直流潮流控制器，其输入源来自于换流站高电压模块化电平子模块，即换流站高电压MMC。进一步地，直流源潮流控制的主电路采用多个串联的全桥子模块，串联后的全桥子模块与换流站高电压MMC并联。采用高电压MMC子模块为输入源的潮流控制器，主电路可采用全桥子模块直流串联方式，减少了子模块数量的同时，省却了交流输入部分和对地隔离部分，具有更好的经济性。可选地，在潮流控制器中还可以包括机械开关K，用于将潮流控制器的主电路与输入源隔离。

例如，图6a示出了潮流控制器一种可选的实施方式。图6a中下部分表示对该潮流控制器的整体结构，上部分表示进一步细化的结构。如图6a所示，潮流换流器的输入源来自于换流站高电压MMC子模块，高电压MMC可以是通过多个MMC子模块串联形成的。其中，潮流控制器的两端分别接入各个通流支路中。

潮流控制器的主电路采用多个全桥子模块SM串联而成，如图6a所示，采用N个全桥子模块串联构成潮流控制器的主体部分，分别为SM₁-SM_N。进一步地，图6c示出了全桥子模块的一种可选的实施方式。

在本实施例的另一些可选实施方式中，所述的潮流控制器还可以采用如图6b所示的结构。该潮流控制器放置于高电位平台与地电位隔离的独立潮流控制器，其中，潮流控制器的一端通过变压器与交流系统连接，另一端由模块化多电平换流器MMC构成，其直流输出端分别连接于直流线路，MMC的基本单元块为全桥子模块。在直流断路器稳定运行时，潮流控制器可以控制控制MMC在线路中输出的电压值，进而调节其所在线路的潮流。在直流断路器开断过程中，潮流控制器可通过判定短路电流方向调整输出电压，辅助电流向开断支路转移。

作为本实施例的一种可选实施方式，各个通流支路还包括有与潮流控制器串联的第二机械开关UFD。即，潮流支路包括串联的潮流控制器以及第二机械开关UFD。

图7示出了直流断路器的一种可选实施方式，该直流断路器包括2个通流支路，各个通流支路包括串联的潮流控制器以及第二机械开关，各个通流支路对应的第二开断支路以及第一开断支路均采用的是图3所述的结构，在该结构中仅采用一个电力电子开关单元。其中，第一开断支路还串联有限流模块，该限流模块采用非线性电容实现。

本实用新型实施例中所提具有潮流控制和限流的多端口直流断路器能够实现双向直流潮流控制、直流电流的双向、快速转移、限流和开断，开断电流可达到数十kA，满足直流输配电网络化系统应用需求。进一步地，具有多端口开断功能，可独立开断各线路短路电流，同时具备多出线短路故障同时开断和直流母线故障清除能力。所述的直流断路器中开断支路仅为单台混合式断路器主断路器的1/2，具有较高的经济性。提出的共用主断路器方法较单台混合式断路器方案全控器件使用数量节约20％以上；限流功能降低预期开断电流峰值最高可达15％，整体成本较采用独立的单台混合式直流断路器方案至少节约30％以上。

本实用新型实施例还提供了一种直流断路器的控制方法，其中，所述的直流断路器的具体结构请参见上文所述，在此不再赘述。如图8所示，所述的控制方法包括：

S11，获取直流断路器的工作状态。

其中，直流断路器的工作状态包括直流断路器投入运行、线路侧短路故障开断以及直流母线侧短路故障开断。直流断路器的工作状态可以通过对其进行监测得到，具体的监测方式在此并不做任何限制，只需保证直流断路器能够获知其当前工作状态即可。

S12，基于工作状态，调整开断单元以及相应的通流支路的开断状态。

直流断路器在确定其工作状态之后，基于不同的工作状态对开断单元以及相应的通流支路的开断状态进行调整。例如，当直流断路器投入运行时，可以先导通主开断单元，在达到闭合时机时，再将通流支路投入使用；当线路侧短路时，利用开断单元的动作将短路的线路侧从直流系统中断开；当直流母线侧短路时，利用开断单元的动作将短路的母线线路侧从直流系统中断开。

本实施例提供的直流断路器的控制方法，通过对直流断路器的工作状态进行监测，并依据监测结果对开断单元以及通流支路的开断状态进行相应的控制，能够实现短路电流的快速转移、限流和开断，开断电流可达到数十kA。

当直流断路器投入运行时，上述S12可以包括如下步骤：

(1)在直流断路器投入运行前，导通开断单元，以使得电流经开断单元流通。

(2)当满足合闸判定条件时，至少一个通流支路导通以使得电流经至少一个通流支路流通。

(3)闭锁开断单元。

以图7所示的直流断路器的结构为例，在直流断路器投入前，导通主断路器MB0、MB1以及MB2，电流经开断支路流通，如图9a所示；满足合闸判定条件后，通流支路机械开关UFD1以及UFD2合闸，潮流控制器PFC保持零电压输出。UFD1以及UFD2导通后，负荷电流流过通流支路，如图9b所示，MB保持闭锁，断路器投入运行。

当预设通流支路所在线路发生故障时，上述S12可以包括如下步骤：

(1)导通第一开断支路以及与预设通流支路对应的第二开断支路。

(2)预设通流支路对应的潮流控制器判定短路电流方向并控制潮流控制器输出对应方向电压，以强迫电流向开断单元转移。

(3)当预设通流支路的电流过零后，断开预设通流支路对应的第二机械开关。

(4)闭锁第一开断支路以及与预设通流支路对应的第二开断支路，使得电流转移至第一开断支路以及与预设通流支路对应的第二开断支路中的耗能支路。

(5)当第一开断支路以及与预设通流支路对应的第二开断支路中的耗能支路的电压高于系统直流电压时，开断单元完成电流开断。

以图7所示的直流断路器的结构，以通流支路对应的线路1短路故障为例。直流断路器收到开断命令或过流保护动作，导通开断支路MB和辅助开关，晶闸管阀T保持关断，通流支路1中的潮流控制器PFC1通流电流方向判定，通过子模块开通闭锁，在通流支路输出与短路电流通向的电压，强迫电流向开断支路转移，如图10a所示。

通流支路1电流过零后，电流维持在开断支路流通，通流支路1中的UFD1分闸直至UFD1达到耐压开距，该过程中非线性电容电压非线性上升，降低短路电流上升速率，如图10b所示。

UFD1达到耐压开距后，闭锁主断路器MB和辅助开关，电流对全桥模块中的电容充电，如图10c所示，电压上升至并联MOV动作，电流转移至MOV流通如图10d所示。

MOV电压高于系统直流电压，短路电流持续下降至过零，断路器完成电流开断，通流支路UFD1和开断支路MB将故障线路隔离，如图10e所示。

断路器完成开断后可根据电网系统需求，进行快速重合闸操作，重合闸操作过程同合闸过程类似。

当直流母线发生故障时，上述S12可以包括如下步骤：

(1)导通第一开断支路以及与第二开断支路。

(2)各个通流支路对应的潮流控制器判定短路电流方向并闭锁潮流控制器内的全桥子模块，以强迫电流向开断单元转移。

(3)当通流支路的电流过零后，断开通流支路。

(4)闭锁第一开断支路以及各个第二开断支路，使得电流转移至第一开断支路以及各个通流支路对应的第二开断支路中的耗能支路。

(5)当第一开断支路以及各个通流支路对应的第二开断支路中的耗能支路的电压高于系统直流电压时，开断单元完成电流开断。

以图7所示的直流断路器的结构，直流断路器电源侧发生故障时开断原理与线路侧故障开断原理相同，开断过程如图11a-图11e所示。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种直流断路器，其特征在于，包括：

至少一个通流支路，所述通流支路的一端与直流母线连接；

开断单元，包括第一开断支路以及与各个所述通流支路对应的第二开断支路，所述第一开断支路与所述第二开断支路的结构相同，所述第一开断支路的一端与所述直流母线连接，所述第一开断支路的另一端与各个所述第二开断支路的一端连接，所述第二开断支路的另一端与对应的所述通流支路的另一端连接；

其中，所述第一开断支路用于承载和开断短路电流，所述第二开断支路用于承载和开断短路电流以及开断后的线路间隔离。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一开断支路包括：

至少一个电力电子开关单元，各所述电力电子开关单元级联；

耗能支路，与所述至少一个电力电子开关单元并联，所述耗能支路用于过电压保护和能量吸收。

3.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述开断单元还包括与所述第一开断支路串联的限流模块，所述限流模块用于限制短路电流上升速率。

4.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述限流模块包括：

限流元件；

短路开关，所述短路开关与所述限流元件并联，其中，所述限流元件包括电阻、电容或电感中的至少一种，所述短路开关包括第一机械开关或电力电子开关。

5.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器还包括：

潮流控制器，所述潮流控制器用于判定各个通流支路对应的线路短路电流方向以调整输出电压，并辅助所述短路电流向所述第一开断支路转移。

6.根据权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述潮流控制器与所述通流支路一一对应设置。

7.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于，所述潮流控制器为直流潮流控制器，所述直流潮流控制器的输入源为换流站模块化多电平子模块，所述直流潮流控制器包括多个串联的全桥子模块，串联后的全桥子模块与所述换流站模块化多电平子模块并联。

8.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于，各个所述通流支路还包括有与所述潮流控制器串联的第二机械开关。

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