CN216451148U - 一种同频耦合注入型直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种同频耦合注入型直流断路器，包括：通流支路、耗能支路及开断支路，其中，通流支路，其串入电力线路中；开断支路，其与通流支路并联连接，开断支路包括电容单元、同频耦合注入单元，电容单元与同频耦合注入单元串联连接；耗能支路，其与电容单元并联连接；由于同频耦合注入单元电压等级远低于直流断路器额定电压等级，通过引入同频耦合注入单元降低了高压系统中设计难度及绝缘成本，使其容量不再受限，并进一步提高了断路器的灵活性和可靠性，使其适应于高电压等级的电力环境。

Description

一种同频耦合注入型直流断路器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种同频耦合注入型直流断路器。

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。采用机械开关和电力电子器件混合连接，兼具了机械低损耗和电力电子高速开关特性，是目前高压直流断路器领域的主流技术路线。但混合式直流断路器中大规模电力电子器件的应用造成其成本高昂，其开断能力受限于电力电子器件的固有水平。

基于有源振荡注入反向电流创造人工零点的直流开断技术开断能力强，具有较高的经济性，但随着断路器电压等级的提升，振荡回路中的预储能电容和其充电装置的电压等级随之升高，在高压系统中设计难度大，绝缘成本高，其容量受限同时大大降低了断路器的灵活性和可靠性。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的断路器难以适应电压等级提升的缺陷，从而提供一种同频耦合注入型直流断路器。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型实施例提供一种同频耦合注入型直流断路器，包括：通流支路、耗能支路及开断支路，其中，通流支路，其串入电力线路中；开断支路，其与所述通流支路并联连接，所述开断支路包括电容单元、同频耦合注入单元，所述电容单元与所述同频耦合注入单元串联连接；耗能支路，其与所述电容单元并联连接；当所述电力线路未故障时，所述通流支路导通直流负荷电流；当所述电力线路出现故障时，所述同频耦合注入单元在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至所述通流支路及所述开断支路构成的回路中并放大回路中激励电流幅值，引发回路中的同频振荡，在所述通流支路产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流支路可靠关断。

优选地，所述同频耦合注入单元，包括：耦合电抗器单元、振荡电容单元及激励电压变换单元，其中，所述耦合电抗器单元的原边分别与所述振荡电容单元、所述激励电压变换单元串联连接；所述耦合电抗器单元的副边与所述电容单元串联连接。

优选地，所述激励电压变换单元为桥式电路或模块级联电路。

优选地，所述桥式电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元及桥电容，其中，所述第一桥臂单元的一端与所述第三桥臂单元的一端连接，所述第一桥臂单元的另一端与所述第二桥臂单元的一端连接，所述第二桥臂单元的另一端与所述第四桥臂单元的另一端连接，所述第三桥臂单元的另一端与所述第四桥臂单元的一端的连接，所述桥电容的一端分别与所述第一桥臂单元的一端及所述第三桥臂单元的一端连接，所述桥电容的另一端分别与所述第二桥臂单元的另一端及所述第四桥臂单元的另一端连接，所述第一桥臂单元与所述第二桥臂单元连接线的中点与所述振荡电容单元的一端连接，所述第三桥臂单元与所述第四桥臂单元连接线的中点与所述耦合电抗器单元的原边连接。

优选地，所述模块级联电路包括多个子模块单元，多个所述子模块单元级联连接。

优选地，同频耦合注入型直流断路器还包括充电装置，所述充电装置与所述激励电压变换单元并联连接。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型提供的同频耦合注入型直流断路器，包括：通流支路、耗能支路及开断支路，其中，通流支路，其串入电力线路中；开断支路，其与通流支路并联连接，开断支路包括电容单元、同频耦合注入单元，电容单元与同频耦合注入单元串联连接；耗能支路，其与电容单元并联连接；当电力线路未故障时，通流支路导通直流负荷电流；当电力线路出现故障时，同频耦合注入单元在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中并放大回路中激励电流幅值，引发回路中的同频振荡，在通流支路产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流支路可靠关断。通过引入同频耦合注入单元，使其在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中，从而使得故障电流产生过零点，可靠关断通流支路。由于同频耦合注入单元电压等级远低于直流断路器额定电压等级，通过引入同频耦合注入单元降低了高压系统中设计难度及绝缘成本，使其容量不再受限，并进一步提高了断路器的灵活性和可靠性，使其适应于高电压等级的电力环境。

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为本实用新型实施例中直流断路器的一个具体示例的原理框图；

图2为本实用新型实施例中直流断路器的一个具体示例的电路结构图；

图3为本实用新型实施例中直流断路器的另一个具体示例的电路结构图；

图4为本实用新型实施例中直流断路器的另一个具体示例的电路结构图；

图5为本实用新型实施例中激励电压变换单元中一个子模块拓扑图；

图6为本实用新型实施例中激励电压变换单元中另一个子模块拓扑图；

图7为本实用新型实施例中直流断路器的控制方法的一个具体示例的流程图；

图8为本实用新型实施例中直流断路器的另一个具体示例的电路结构图；

图9为本实用新型实施例中直流断路器的另一个具体示例的电路结构图；

图10为本实用新型实施例提供的负荷电流的一个具体流向图；

图11为本实用新型实施例提供的负荷电流的另一个具体流向图；

图12为本实用新型实施例提供的振荡电流的一个具体流向图；

图13为本实用新型实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图；

图14为本实用新型实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图；

图15为本实用新型实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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，本领域普通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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型实施例提供一种同频耦合注入型直流断路器，可应用于高压直流系统。如图1所示，该直流断路器包括：通流支路1、耗能支路2及开断支路3，其中，通流支路1，其串入电力线路中；开断支路3，其与通流支路1并联连接，开断支路3包括电容单元31、同频耦合注入单元32，电容单元31与同频耦合注入单元32串联连接；耗能支路2，其与电容单元31并联连接；当电力线路未故障时，通流支路1导通直流负荷电流；当电力线路出现故障时，同频耦合注入单元32在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路1及开断支路3构成的回路中并放大回路中激励电流幅值，引发回路中的同频振荡，在通流支路1产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流支路1可靠关断。

在一具体实施例中，如图1所示，通流支路1串入换流侧电力线路及线路侧电力线路之间。在换流侧电力线路、线路侧电力线路均未发生故障时，通流支路1处于导通状态，其实现换流侧电力线路及线路侧电力线路之间的直流负荷电流的传输。在换流侧电力线路或线路侧电力线路发生故障或接到开断命令时，此时先将通流支路1开断，通过控制同频耦合注入单元32的工作状态，使其输出周期性输出电压产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路1及开断支路3构成的回路中并放大回路中激励电流幅值，引发回路中的同频振荡，在此过程中振荡电流的幅值不断增加，直至通流支路1产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，故障电流产生过零点，使得通流支路1机械开关熄弧，可靠开断。进一步地，故障电流由通流支路1转移至开断支路3中，故障电流会为开断支路3充电，当充电电压上升至预设保护电压阈值时，耗能支路2导通，故障电流转移至耗能支路2被其消耗吸收直至过零，系统恢复正常运行。

在本实用新型实施例中，通流支路1包括至少一个机械开关UMS。该机械开关UMS需耐受系统负荷电流以及短时过电流，同时还需要耐受直流断路器分断产生的暂态过电压。依据上述电气应力，通流支路1中的快速机械开关UMS可采用多断口的串联、多支路并联及多断口串并联接方式。本实用新型实施例中，通流支路1损耗小且无需水冷，具备强过载能力，开断电流可达到数十kA，满足直流输配电系统应用需求。耗能支路2包括避雷器MOV，在其他实施例中，耗能支路2还可选用由非线性电阻或者避雷器串并联组成的结构，在此不做具体限制。

本实用新型提供的同频耦合注入型直流断路器，包括：通流支路、耗能支路及开断支路，其中，通流支路，其串入电力线路中；开断支路，其与通流支路并联连接，开断支路包括电容单元、同频耦合注入单元，电容单元与同频耦合注入单元串联连接；耗能支路，其与电容单元并联连接；当电力线路未故障时，通流支路导通直流负荷电流；当电力线路出现故障时，同频耦合注入单元在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中并放大回路中激励电流幅值，引发回路中的同频振荡，在通流支路产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流支路可靠关断。通过引入同频耦合注入单元，使其在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中，从而使得故障电流产生过零点，可靠关断通流支路。由于同频耦合注入单元电压等级远低于直流断路器额定电压等级，通过引入同频耦合注入单元降低了高压系统中设计难度及绝缘成本，使其容量不再受限，并进一步提高了断路器的灵活性和可靠性，使其适应于高电压等级的电力环境。

在一实施例中，如图2所示，同频耦合注入单元32，包括：耦合电抗器单元321、振荡电容单元322及激励电压变换单元323，其中，耦合电抗器单元321的原边分别与振荡电容单元322、激励电压变换单元323串联连接；耦合电抗器单元321的副边与电容单元31串联连接。

在一具体实施例中，电容单元31包括电容C1。耦合电抗器单元321包括耦合电抗器T。振荡电容单元322包括振荡电容C2。其中，耦合电抗器T的原边绕组L1分别与振荡电容C2、激励电压变换单元323串联连接。耦合电抗器T的副边绕组L2与电容C1串联连接。

在本实用新型实施例中，激励电压变换单元323可采用如图3所示的桥式电路，也可采用如图4所示的模块级联电路。激励电压变换单元323在采用桥式电路作为电压源，可实现断路器短时间内数次最大电流连续开断，大大提高了断路器的灵活性和可用率。具体地，桥式电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元及桥电容C3，其中，第一桥臂单元的一端与第三桥臂单元的一端连接，第一桥臂单元的另一端与第二桥臂单元的一端连接，第二桥臂单元的另一端与第四桥臂单元的另一端连接，第三桥臂单元的另一端与第四桥臂单元的一端的连接，桥电容C3的一端分别与第一桥臂单元的一端及第三桥臂单元的一端连接，桥电容C3的另一端分别与第二桥臂单元的另一端及第四桥臂单元的另一端连接，第一桥臂单元与第二桥臂单元连接线的中点与振荡电容C2的一端连接，第三桥臂单元与第四桥臂单元连接线的中点与耦合电抗器T的原边绕组L1连接。在本实用新型实施例中，第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元均由n个子单元串联组成，此处子单元可以是如图5所示的基于IGBT模块和Diode-HB模块。具体地，模块级联电路包括多个子模块单元，多个子模块单元级联连接。此处子模块可以是如图6所示的IGBT-FB、IGBT-CD子模块。

另外，同频耦合注入单元中激励电压变换单元电压等级远低于直流断路器额定电压等级，通过电流正反向多次激励以及耦合电抗器的电流放大功能大大降低了所采用的电力电子器件数量，激励电压变换单元电压等级仅为断路器额定电压的1％-3％，电力电子器件数量较同等参数规模的混合式直流断路器节约95％以上，显著提升直流断路器经济性。

在一实施例中，如图2所示，同频耦合注入型直流断路器还包括充电装置4，充电装置4与激励电压变换单元323并联连接。

在一具体实施例中，充电装置4用于在断路器投入运行前，对激励电压变换单元323中的子模块电容充电，充电完成后，断开充电装置4。

本实用新型实施例提供一种同频耦合注入型直流断路器的控制方法，基于第一方面的同频耦合注入型直流断路器，如图7所示，控制方法包括如下步骤：

步骤S1：实时监测通流支路的两端所连接的电力线路是否故障。

在一具体实施例中，以如图8所示的基于IGBT-FB模块的模块级联激励电压变换单元的直流断路器为例进行说明。当电力线路未发生故障时，断路器投入运行。断路器投入运行前，首先通过充电装置对模块级联激励电压变换单元中的子模块电容C4充电，充电完成后，断开充电装置。充电装置在图8中未示出。主支路快速机械开关UMS导通前断路器呈断态如图9所示，UMS闭合导通后，负荷电流流过主支路，如图10所示，断路器投入运行。

步骤S2：当通流支路的至少一端所连接的电力线路出现故障时，控制同频耦合注入单元在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中并放大回路中激励电流幅值，引发回路中的同频振荡，在通流支路产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流支路可靠关断。

在一具体实施例中，通过如下步骤实现通流支路可靠关断：

步骤S21：控制通流支路的机械开关分闸。

步骤S22：当机械开关达到足够耐受暂态开断电压的设计开距时，控制激励电压变换单元中的第二子模块、第四子模块开通，第一子模块、第三子模块关断，控制同频耦合注入单元在开断过程产生逆时针方向的激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中并产生同频率且幅值更大的顺时针振荡电流。

步骤S23：下一个控制周期，控制激励电压变换单元中的第一子模块、第三子模块开通，第二子模块、第四子模块关断，控制同频耦合注入单元在开断过程产生顺时针方向的激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中并产生同频率且幅值进一步增大的逆时针振荡电流。

步骤S24：控制激励电压变换单元周期性输出电压，当通流支路产生的振荡电流方向与故障电流相反，且幅值等于故障电流时，故障电流产生过零点，通流支路可靠关断。

在本实用新型实施例中，直流断路器收到开断命令或过流保护动作，主支路快速机械开关UMS分闸，如图11所示。

进一步地，当机械开关UMS分闸至足够开距后，触发激励电压变换单元，控制IGBT-FB子模块周期性的开通关断，通过子模块电容C4，对振荡电容C2及耦合电抗器原边绕组L1所构成的回路放电。如图12所示，FB模块中T2、T4开通，T1、T3保持关断，子模块电容C4对回路输出电压，激励回路中产生逆时针方向的振荡电流，同时通过耦合电抗器副边绕组L2，在机械开关UMS-电容C1-副边绕组L2回路中耦合产生同频率且幅值更大的顺时针振荡电流，其幅值与原边侧电流的关系由耦合电抗器参数决定。

下一个控制周期，FB模块中T2、T4关断，T1、T3保持开通，子模块电容C4激励回路中产生顺时针方向的振荡电流，在副边耦合出逆时针方向振荡电流，且幅值较上一控制周期进一步增大，如图13所示。

激励电压变换单元周期性输出电压过程中，当副边产生的振荡电流方向与故障电流相反，且幅值等于故障电流时，故障电流产生过零点，机械开关UMS电弧熄灭。

在一实施例中，同频耦合注入型直流断路器的控制方法，还包括：

步骤S3：当电容单元的电压达到预设电压阈值时，耗能支路导通，消耗系统剩余能量。

在一具体实施例中，当故障电流产生过零点，机械开关UMS电弧熄灭后。故障电流由通流支路转移至开断支路，电流对开断支路电容C1充电，如图14所示。当开断支路电容C1电压达到MOV动作电压后，故障电流换流至耗能支路，MOV吸收故障电流能量，并完成故障电流分断，如图15所示。

需要说明的是，上述方法及附图仅以线路侧的电力线路出现短路故障、以电流从换流侧电力线路流向线路侧电力线路为例进行说明，若电流从线路侧电力线路流向换流侧电力线路的情况，直流断路器的工作原理与上述相同。

本实用新型提供的同频耦合注入型直流断路器的控制方法，基于第一方面的同频耦合注入型直流断路器，控制方法包括：实时监测通流支路的两端所连接的电力线路是否故障；当通流支路的至少一端所连接的电力线路出现故障时，控制同频耦合注入单元在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中并放大回路中激励电流幅值，引发回路中的同频振荡，在通流支路产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流支路可靠关断。通过控制同频耦合注入单元，使其在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至通流支路及开断支路构成的回路中，从而使得故障电流产生过零点，可靠关断通流支路。由于同频耦合注入单元电压等级远低于直流断路器额定电压等级，通过引入同频耦合注入单元降低了高压系统中设计难度及绝缘成本，使其容量不再受限，并进一步提高了断路器的灵活性和可靠性，使其适应于高电压等级的电力环境。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种同频耦合注入型直流断路器，其特征在于，包括：通流支路、耗能支路及开断支路，其中，

通流支路，其串入电力线路中；

开断支路，其与所述通流支路并联连接，所述开断支路包括电容单元、同频耦合注入单元，所述电容单元与所述同频耦合注入单元串联连接；

耗能支路，其与所述电容单元并联连接；

当所述电力线路未故障时，所述通流支路导通直流负荷电流；当所述电力线路出现故障时，所述同频耦合注入单元在开断过程产生激励电流，将激励电流耦合至所述通流支路及所述开断支路构成的回路中并放大回路中激励电流幅值，引发回路中的同频振荡，在所述通流支路产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，使得通流支路可靠关断。

2.根据权利要求1所述的同频耦合注入型直流断路器，其特征在于，所述同频耦合注入单元，包括：耦合电抗器单元、振荡电容单元及激励电压变换单元，其中，

所述耦合电抗器单元的原边分别与所述振荡电容单元、所述激励电压变换单元串联连接；

所述耦合电抗器单元的副边与所述电容单元串联连接。

3.根据权利要求2所述的同频耦合注入型直流断路器，其特征在于，所述激励电压变换单元为桥式电路或模块级联电路。

4.根据权利要求3所述的同频耦合注入型直流断路器，其特征在于，所述桥式电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元及桥电容，其中，

所述第一桥臂单元的一端与所述第三桥臂单元的一端连接，所述第一桥臂单元的另一端与所述第二桥臂单元的一端连接，所述第二桥臂单元的另一端与所述第四桥臂单元的另一端连接，所述第三桥臂单元的另一端与所述第四桥臂单元的一端的连接，所述桥电容的一端分别与所述第一桥臂单元的一端及所述第三桥臂单元的一端连接，所述桥电容的另一端分别与所述第二桥臂单元的另一端及所述第四桥臂单元的另一端连接，所述第一桥臂单元与所述第二桥臂单元连接线的中点与所述振荡电容单元的一端连接，所述第三桥臂单元与所述第四桥臂单元连接线的中点与所述耦合电抗器单元的原边连接。

5.根据权利要求3所述的同频耦合注入型直流断路器，其特征在于，所述模块级联电路包括多个子模块单元，多个所述子模块单元级联连接。

6.根据权利要求2所述的同频耦合注入型直流断路器，其特征在于，还包括充电装置，所述充电装置与所述激励电压变换单元并联连接。

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