CN219018463U - 电流开断装置和电流开断模块 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种电流开断装置和电流开断模块，所述电流开断装置包括通流支路、转移支路、振荡支路和耗能支路，其中，所述通流支路与所述转移支路并联连接；所述通流支路由机械开关与有源电力电子单元串联构成；所述转移支路由双向导通晶闸管单元串联构成；所述振荡支路与所述通流支路的所述机械开关并联连接；所述振荡支路由振荡电容器和振荡电感串联构成；所述耗能支路与所述振荡电容器并联连接，或与所述振荡支路并联连接，或与所述通流支路并联连接，或与所述振荡电容器和所述有源电力电子单元并联连接。根据本申请的实施例，具有机械开关开断可靠、小电流开断时间短、模块冗余度高和设备经济性好等优点。

Description

电流开断装置和电流开断模块

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种电流开断装置和电流开断模块。

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，且在分断小电流工况时需要很长时间，在机械开关过零重燃风险大，在开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开断，具备无弧、快速重合闸等特点，系统适用性好，但开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开断，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开断电流的交流断路器。

实用新型内容

本申请提供一种电流开断装置和电流开断模块，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、小电流开断时间长、与系统振荡显著和设备成本高昂的问题，以及交流断路器开断时首半波高幅值故障电流对敏感或重要设备的影响的问题。

根据本申请的一方面，提出一种电流开断装置，所述电流开断装置包括通流支路、转移支路、振荡支路和耗能支路，其中，所述通流支路与所述转移支路并

联连接；所述通流支路由机械开关与有源电力电子单元串联构成；所述转移支路由双向导通晶闸管单元串联构成；所述振荡支路与所述通流支路的所述机械开关并联连接；所述振荡支路由振荡电容器和振荡电感串联构成；所述耗能支路与所述振荡电容器并联连接，或与所述振荡支路并联连接，或与所述通流支路并联连接，或与所述振荡电容器和所述有源电力电子单元并联连接。

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双向通流自激模块串联构成，其中，所述双向通流自激模块包括电力电子开关、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、第二电力电子开关和第三电力电子开关，所述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分别与所述第一电压源的负极及所述第三电力电子开关的负极连接，所述第三电力电子开关的正极引出外接线，所述第一旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第四电力电子开关、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，所述第四电力电子开关的正极与所述第二电压源的正极连接，所述第四电力电子开关的负极分别与所述第五电力电子开关的正极及所述第六电力电子开关的正极连接，所述第六电力电子开关的负极引出外接线，所述第五电力电子开关的负极与所述第二电压源的负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

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、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、第八电力电子开关和第九电力电子开关，所述旁路开关包括第三旁路开关，所述电压源包括第三电压源，所述第七电力电子开关的负极与所述第三电压源的负极连接，所述第七电力电子开关的正极分别与所述第八电力电子开关的负极及所述第九电力电子开关的负极连接，所述第九电力电子开关的正极引出外接线，所述第八电力电子开关的正极与所述第三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；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第十电力电子开关、第十一电力电子开关和第十二电力电子开关，所述旁路开关包括第四旁路开关，所述电压源包括第四电压源，所述第十电力电子开关的正极与所述第四电压源的正极连接，所述第十电力电子开关的负极引出外接线，所述第四电压源的负极引出外接线，所述第十一电力电子开关与所述第十

二电力电子开关的反向串联后并联连接于两个引出外接线之间，所述第四旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、二极管、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第十三电力电子开关和第十四电力电子开关，所述二极管包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述旁路开关包括第五旁路开关，所述电压源包括第五电压源，所述第十三电力电子开关的正极与所述第五电压源的正极连接，所述第十三电力电子开关的负极引出外接线，所述第五电压源的负极引出外接线，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管构成二极管全桥，所述第十四电力电子开关的正极和负极分别连接于所述二极管全桥直流侧正极和负极，所述二极管全桥的交流侧并联连接于两个引出外接线之间，所述第五旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第十五电力电子开关、第十六电力电子开关、第十七电力电子开关和第十八电力电子开关，所述旁路开关包括第六旁路开关，所述电压源包括第六电压源，所述第十五电力电子开关的正极分别与所述第十七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分别与所述第十八电力电子开关的负极及所述第六电压源的负极连接，所述第十七电力电子开关的负极与所述第十八电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第六旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第十九电力电子开关、第二十电力电子开关、第二十一电力电子开关、第二十二电力电子开关和第二十三电力电子开关，所述旁路开关包括第七旁路开关，所述电压源包括第七电压源，所述第十九电力电子开关的正极分别与所述第二十一电力电子开关的正极及所述第二十三电力电子开关的负极连接，所述第十九电力电子开关的负极与所述第二十电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二十电力电子开关的负极分别与所述第二十二电力电子开关的负极及所述第七电压源的负极连接，所述第二十一电力电子开关的负极与所述第二十二电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二十三电力电子开关的正极与第七电压源的正极连接，所述第七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，所述双向导通晶闸管单元包括双向晶闸管；或

所述双向导通晶闸管单元包括第一单向晶闸管和第二单向晶闸管，所述第一单向晶闸管和所述第二单向晶闸管反向并联连接。

根据一些实施例，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，所述第一电力电子开关、所述第二电力电子开关、所述第三电力电子开关、所述第四电力电子开关、所述第五电力电子开关、所述第六电力电子开关、所述第七电力电子开关、所述第八电力电子开关、所述第九电力电子开关、所述第十电力电子开关、所述第十一电力电子开关、所述第十二电力电子开关、所述第十三电力电子开关、所述第十四电力电子开关、所述第十五电力电子开关、所述第十六电力电子开关、所述第十七电力电子开关、所述第十八电力电子开关、所述第十九电力电子开关、所述第二十电力电子开关、所述第二十一电力电子开关、所述第二十二电力电子开关、所述第二十三电力电子开关均由至少一级全控型功率半导体器件串联构成，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。

根据一些实施例，所述第一电压源、所述第二电压源、所述第三电压源、所述第四电压源、所述第五电压源、所述第六电压源和所述第七电压源为预充电电容器，或储能蓄电池，或交流整流电源。

根据一些实施例，所述有源电力电子单元的工作模式包括旁通模式、闭锁模式、通流模式、振荡模式和退出模式，其中，在所述旁通模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关闭合、电力电子开关闭锁；在所述闭锁模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关闭锁；在所述通流模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关解锁，所述有源电力电子单元输出零电压；在所述振荡模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关解锁，所述有源电力电子单元方波振荡电压；当所述有源电力电子单元的双向通流自激模块发生故障时，所述有源电力电子单元进入退出模式，在所述退出模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关闭合，电力电子开关闭锁。

根据本申请的一方面，提出一种电流开断模块，所述电流开断模块包括至少两个如前任一实施例所述的电流开断装置，且所述电流开断装置串联连接。

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电流开断装置，所述控制方法包括响应于系统正常工作指令，通流支路的机械开关处于闭合状态、有源电力电子单元的双向通流自激模块工作于通流模式，电流流过所述通流支路；响应于系统发生故障时收到的分闸指令，触发

转移支路的双向导通晶闸管单元导通，控制所述有源电力电子单元由通流模式切换至闭锁模式；当电流从通流支路完全转移至所述转移支路后，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，控制所述有源电力电子单元由闭锁模式切换至振荡模式，利用所述有源电力电子单元输出的方波电压激励振荡支路的振荡电容器和振荡电感振荡，使得所述转移支路产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，振荡电流使得所述转移支路的双向导通晶闸管单元出现过零点开断；当所述转移支路电流过零后，控制所述有源电力电子单元由振荡模式切换至闭锁模式或通流模式，利用所述故障电流给所述振荡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，将所述故障电流转移至耗能支路并耗散至零，分闸成功并结束分闸操作。

根据本申请的一方面，提出一种控制方法，所述控制方法用于如前任一实施例所述的电流开断装置，所述控制方法包括响应于系统正常工作指令，通流支路的机械开关处于闭合状态、有源电力电子单元的双向通流自激模块工作于旁通模式，电流流过通流支路；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，同时控制所述有源电力电子单元由旁通模式切换至通流模式；当所述有源电力电子单元的旁路开关分开至绝缘分位、且所述旁路开关中电流完全转移至电力电子开关中时，触发转移支路的双向导通晶闸管单元导通和控制所述有源电力电子单元由通流模式切换至闭锁模式；当所述机械开关分开至绝缘分位时，控制所述有源电力电子单元由闭锁模式切换至振荡模式，所述有源电力电子单元输出的方波电压激励振荡支路的振荡电容器和振荡电感振荡，使得所述转移支路产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，振荡电流使得所述转移支路的双向导通晶闸管单元出现过零点开断；当所述转移支路电流过零后，控制所述有源电力电子单元由振荡模式切换至闭锁模式或通流模式，利用所述故障电流给所述振荡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,当电流开断装置分闸时，通过控制通流支路、转移支路和振荡支路内部元件的运行状态，首先将通流支路电流转移至转移支路中，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，使得转移支路过零并自然开断，克服了机械开关重燃风险大、小电流开断时间长、与系统振荡显著以及设备成本高的问题，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，减少了小电流开断时间，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电流开断装置的结构框图。

图2示出根据本申请示例实施例的一种电流开断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电流开断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电流开断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电流开断装置的电路结构示意图。

图6a示出根据本申请示例实施例的一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图。

图6b示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图。

图6c示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图。

图6d示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图。

图6e示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图。

图6f示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图。

图6g示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图。

图7a示出根据本申请示例实施例的一种转移支路的双向导通晶闸管单元的电路结构示意图。

图7b示出根据本申请示例实施例的另一种转移支路的双向导通晶闸管单元的电路结构示意图。

图8示出根据本申请示例实施例的一种电流开断模块结构框图。

图9示出根据本申请示例实施例的一种控制方法流程图。

图10a示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。

图10b示出根据本申请示例实施例的另一电流流向示意图。

图10c示出根据本申请示例实施例的另一电流流向示意图。

图10d示出根据本申请示例实施例的另一电流流向示意图。

图10e示出根据本申请示例实施例的另一电流流向示意图。

图10f示出根据本申请示例实施例的另一电流流向示意图。

图11示出根据本本申请示例实施例的另一种控制方法流程图.

图12a示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。

图12b示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。

图12c示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。

图12d示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。

图12e示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。

图12f示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。

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电流开断装置的结构框图，如图1所示的电流开断装置包括通流支路1、转移支路2、振荡支路3和耗能支路4。

根据本申请的实施例，通流支路1与转移支路2并联连接。

根据一些实施例，通流支路1由机械开关与有源电力电子单元串联构成，振荡支路3与通流支路1的机械开关并联连接。

根据本申请的实施例，振荡支路3由振荡电容器和振荡电感串联构成，耗能支路4与振荡电容器并联连接。

根据另一些实施例，耗能支路4与振荡支路3并联连接。

根据另一些实施例，耗能支路4与通流支路并联连接。

根据另一些实施例，耗能支路4与振荡支路3的振荡电容器和通流支路1的有源电力电子单元并联连接。

根据本申请的实施例，转移支路2由双向导通晶闸管单元串联构成；

根据本申请的实施例，通流支路1的有源电力电子单元由至少一个具有旁路功能的双向通流自激模块串联构成。其中，双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源。

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。

在此需要说明的是，通流支路1中的电力电子开关由至少一级全控型功率半导体器件串联构成。其中，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。

通流支路1中的机械开关由一个或多个机械开关串并联构成。例如，快速型快速开关或采用电磁斥力或永磁或爆炸原理的机械开关。根据一些实施例，当多个快速开关串联时，在每个快速开关旁边并联RC回路以提高均压性能。

通流支路1中的有源电力电子单元的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，防止在电流开断过程中出现过压损坏，根据一些实施例，可在其两端并联过电压措施，例如，设置避雷器或撬棒(Chopper,也称为撬棒)电路。

振荡支路3的振荡电容器由一个或多个电容器串并联构成，耐压高，体积小。

振荡支路3的振荡电感由一个或多个电感串并联构成。

根据本申请的实施例，有源电力电子单元的工作模式包括旁通模式、闭锁模式、通流模式、振荡模式和退出模式。旁通模式下有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关闭合、电力电子开关闭锁；闭锁模式下有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开、电力电子开关闭锁；通流模式下有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开、电力电子开关解锁使其输出零电压；振荡模式下有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开、电力电子开关解锁使其输出方波振荡电压；当有源电力电子单元的双向通流自激模块发生故障，则进入退出模式，退出模式下有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关闭合、电力电子开关闭锁。

根据图1所示的实施例，当电流开断装置分闸时，通过控制通流支路、转移支路和振荡支路内部元件的运行状态，首先将通流支路电流转移至转移支路中，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，使得转移支路过零并自然开断，克服了机械开关重燃风险大、小电流开断时间长、与系统振荡显著以及设备成本高的问题，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，减少了小电流开断时间，同时降低了电容体积和成本。

图2示出根据本申请示例实施例的一种电流开断装置的电路结构示意图，如图2所示的电流开断装置包括通流支路1、转移支路2、振荡支路3和耗能支路4。其中，通流支路1与转移支路2并联连接，通流支路1由机械开关11与有源电力

电子单元12串联构成，转移支路2由双向导通晶闸管单元21串联构成，振荡支路3与通流支路1的快速开关11并联连接，振荡支路3由振荡电容器31和振荡电感32串联构成，耗能支路4与振荡支路3的振荡电容器32并联，有源电力电子单元12由至少一个具有旁路功能的双向通流自激模块串联构成。

图3示出根据本申请示例实施例的另一种电流开断装置的电路结构示意图，如图3所示的电流开断装置包括通流支路1、转移支路2、振荡支路3和耗能支路4。其中，通流支路1与转移支路2并联连接，通流支路1由机械开关11与有源电力电子单元12串联构成，转移支路2由双向导通晶闸管单元21串联构成，振荡支路3与通流支路1的快速开关11并联连接，振荡支路3由振荡电容器31和振荡电感32串联构成，耗能支路4与振荡支路3并联，有源电力电子单元12由至少一个具有旁路功能的双向通流自激模块串联构成。

图4示出根据本申请示例实施例的另一种电流开断装置的电路结构示意图，如图4所示的电流开断装置包括通流支路1、转移支路2、振荡支路3和耗能支路4，其中，通流支路1与转移支路2并联连接，通流支路1由机械开关11与有源电力电子单元12串联构成，转移支路2由双向导通晶闸管单元21串联构成，振荡支路3与通流支路1的快速开关11并联连接，振荡支路3由振荡电容器31和振荡电感32串联构成，耗能支路4与通流支路1并联，有源电力电子单元12由至少一个具有旁路功能的双向通流自激模块串联构成。

图5示出根据本申请示例实施例的另一种电流开断装置的电路结构示意图，如图5所示的电流开断装置包括通流支路1、转移支路2、振荡支路3和耗能支路4。其中，通流支路1与转移支路2并联连接，通流支路1由机械开关11与有源电力电子单元12串联构成，转移支路2由双向导通晶闸管单元21串联构成，振荡支路3与通流支路1的快速开关11并联连接，振荡支路3由振荡电容器31和振荡电感32串联构成，耗能支路4并联在振荡电容器31和有源电力电子单元12两端，有源电力电子单元12由至少一个具有旁路功能的双向通流自激模块串联构成。

图6a示出根据本申请示例实施例的一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图，如图6a所示的双向通流自激模块包括电力电子开关、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、第二电力电子开关和第三电力电子开关，旁路开关包括第一旁路开关，电压源包括第一电压源。

如图6a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

关的负极分别与第一电压源的负极及第三电力电子开关的负极连接，第三电力电子开关的正极引出外接线，第一旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

图6b示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图，如图6b所示的双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源。其中，电力电子开关包括第四电力电子开关、第五电力电子开关和第六电力电子开关，旁路开关包括第二旁路开关，电压源包括第二电压源。

如图6b所示，第四电力电子开关的正极与第二电压源的正极连接，第四电力电子开关的负极分别与第五电力电子开关的正极及第六电力电子开关的正极连接，第六电力电子开关的负极引出外接线，第五电力电子开关的负极与第二电压源的负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6c示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图，如图6c所示的双向通流自激模块包括电力电子开关、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、第八电力电子开关和第九电力电子开关，旁路开关包括第三旁路开关，电压源包括第三电压源。

如图6c所示，第七电力电子开关的负极与第三电压源的负极连接，第七电力电子开关的正极分别与第八电力电子开关的负极及第九电力电子开关的负极连接，第九电力电子开关的正极引出外接线，第八电力电子开关的正极与第三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。

图6d示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图，如图6d所示的双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源。其中，电力电子开关包括第十电力电子开关、第十一电力电子开关和第十二电力电子开关，旁路开关包括第四旁路开关，电压源包括第四电压源。

如图6d所示，第十电力电子开关的正极与第四电压源的正极连接，第十电力电子开关的负极引出外接线，第四电压源的负极引出外接线，第十一电力电子开关与第十二电力电子开关的反向串联后并联连接于两个引出外接线之间，第四旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

图6e示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图，如图6e所示的双向通流自激模块包括电力电子开关、二极管、

旁路开关和电压源。其中，电力电子开关包括第十三电力电子开关和第十四电力电子开关，二极管包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，旁路开关包括第五旁路开关，电压源包括第五电压源。

如图6e所示，第十三电力电子开关的正极与第五电压源的正极连接，第十三电力电子开关的负极引出外接线，第五电压源的负极引出外接线，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管构成二极管全桥，第十四电力电子开关的正极和负极分别连接于二极管全桥直流侧正极和负极，二极管全桥的交流侧并联连接于两个引出外接线之间，第五旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

图6f示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图，如图6f所示的双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源。其中，电力电子开关包括第十五电力电子开关、第十六电力电子开关、第十七电力电子开关和第十八电力电子开关，旁路开关包括第六旁路开关，电压源包括第六电压源。

如图6f所示，第十五电力电子开关的正极分别与第十七电力电子开关的正极及第六电压源的正极连接，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分别与第十八电力电子开关的负极及第六电压源的负极连接，第十七电力电子开关的负极与第十八电力电子开关的正极连接后引出外接线，第六旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

图6g示出根据本申请示例实施例的另一种具有旁路功能的双向通流自激模块的电路结构示意图，如图6g所示的双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源。其中，电力电子开关包括第十九电力电子开关、第二十电力电子开关、第二十一电力电子开关、第二十二电力电子开关和第二十三电力电子开关，旁路开关包括第七旁路开关，电压源包第七电压源。

如图6g所示，第十九电力电子开关的正极分别与第二十一电力电子开关的正极及第二十三电力电子开关的负极连接，第十九电力电子开关的负极与第二十电力电子开关的正极连接后引出外接线，第二十电力电子开关的负极分别与第二十二电力电子开关的负极及第七电压源的负极连接，第二十一电力电子开关的负极与第二十二电力电子开关的正极连接后引出外接线，第二十三电力电子开关的正极与第七电压源的正极连接，第七旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

根据本申请的一些实施例，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、第十七电力电子开关、第十八电力电子开关、第十九电力电子开关、第二十电力电子开关、第二十一电力电子开关、第二十二电力电子开关、第二十三电力电子开关由至少一级全控型功率半导体器件串联构成。

根据一些实施例，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。

根据本申请的一些实施例，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、第六电压源和第七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，防止在电流开断过程中出现过压损坏，根据一些实施例，在电压源的两端并联过电压措施，例如，避雷器或撬棒(chopper)电路。

图7a示出根据本申请示例实施例的一种转移支路的双向导通晶闸管单元的电路结构示意图，如图7a所示的双向导通晶闸管单元包括双向晶闸管。

图7b示出根据本申请示例实施例的另一种转移支路的双向导通晶闸管单元的电路结构示意图，如图7b所示的双向导通晶闸管单元包括第一单向晶闸管和第二单向晶闸管。其中，第一单向晶闸管和第二单向晶闸管反向并联连接。

根据本申请的一些实施例，通流支路的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。根据一些实施例，当多个快速开关串联时，通常在每个快速开关两端并联RC(Resistor-Capacitance：电阻电容)回路以提高均压性能。

根据本申请的实施例，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。

根据本申请的实施例，耗能支路由一个或多个避雷器串并联构成。

根据本申请的实施例，有源电力电子单元的工作模式包括旁通模式、闭锁模式、通流模式、振荡模式和退出模式。其中，在旁通模式下，有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关闭合，电力电子开关闭锁；在闭锁模式下，有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关闭锁；在通流

模式下，有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关解锁使其输出零电压；在振荡模式下，有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关解锁使其输出方波振荡电压；当有源电力电子单元的双向通流自激模块发生故障，有源电力电子单元进入退出模式，在退出模式下有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关闭合，电力电子开关闭锁。

图8示出根据本申请示例实施例的一种电流开断模块结构框图，如图8所示的电流开断模块包括至少两个如前任一所述的电流开断装置，且所述电流开断装置串联连接。

根据本申请的实施例，图8所示的电流开断模块应用于中高压系统，采用图8所示的电流开断模块实现了根据应用环境的灵活扩展。

图9示出根据本申请示例实施例的一种控制方法流程图，根据本申请的示例实施例，图9所示的控制方法应用于控制如前任一所述的电流开断装置。

图10a-图10f示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。下面结合图10a-图10c，对图9所示的控制方法进行详细说明。

在步骤S901，电流开断装置接收指令。

当系统未发生故障时，根据本申请的实施例，电流开断装置响应于系统正常工作指令，执行步骤S903,电流开断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，有源电力电子单元的双向通流自激模块工作于通流模式，电流流向如图10a所示。根据一些实施例，有源电力电子单元通常要配置水冷或风冷。

根据本申请的另一些实施例，当系统发生故障时，电流开断装置收到分闸指令。电流开断装置响应于系统发生故障时收到的分闸指令，执行步骤S905，触发转移支路的双向导通晶闸管单元导通，控制有源电力电子单元由通流模式切换至闭锁模式，电流流向如图10b所示。

在步骤S907，当电流从通流支路完全转移至转移支路后，无弧打开机械开关，电流流向如图10c所示。

在步骤S909，当机械开关分开至绝缘分位时，控制有源电力电子单元由闭锁模式切换至振荡模式，输出的方波电压激励振荡支路的振荡电容器和振荡电感振荡，使得转移支路产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，振荡电

流使得转移支路的双向导通晶闸管单元出现过零点开断，电流流向如图10d、图10e所示交替出现，振荡支路电流为逐步增加的高频振荡电流。

在步骤S911，当转移支路电流过零后，控制有源电力电子单元由振荡模式切换至闭锁模式或通流模式，故障电流开始给振荡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10f所示，分闸成功并结束分闸操作。

图11示出根据本本申请示例实施例的另一种控制方法流程图，根据本申请的示例实施例，图10所示的控制方法应用于控制如前任一所述的电流开断装置。图12a-图12f示出根据本申请示例实施例的电流流向示意图。下面结合图12a-图12f，对图11所述的控制方法进行详细说明。

在步骤S1101，电流开断装置接收指令。

当系统未发生故障时，根据本申请的实施例，电流开断装置响应于系统正常工作指令，执行步骤S1103，电流开断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、有源电力电子单元的双向通流自激模块工作于旁通模式，电流流向如图12a所示。根据一些实施例，有源电力电子单元不需要配置水冷或风冷。

根据本申请的另一些实施例，当系统发生故障时，电流开断装置收到分闸指令。电流开断装置响应于系统发生故障时收到的分闸指令，执行步骤S1105，打开通流支路的机械开关，同时控制有源电力电子单元由旁通模式切换至通流模式，电流流向如图12b所示。由于旁路开关弧压迫使电流向电力电子开关转移，根据一些实施例，旁路开关优选高弧压旁路开关。

在步骤S1107，当有源电力电子单元的旁路开关分开至绝缘分位，且旁路开关中电流完全转移至电力电子开关中时，触发转移支路的双向导通晶闸管单元导通和控制有源电力电子单元由通流模式切换至闭锁模式，电流流向如图12c所示。

在步骤S1109，当机械开关分开至绝缘分位时，控制有源电力电子单元由闭锁模式切换至振荡模式，输出的方波电压激励振荡支路的振荡电容器和振荡电感振荡，使得转移支路产生与故障电流幅值电流相等，方向相反的振荡电流，振荡电流使得转移支路的双向导通晶闸管单元出现过零点开断，电流流向如图12d、图12e所示交替出现。其中，振荡支路电流为逐步增加的高频振荡电流；

在步骤S1111，当转移支路电流过零后，控制有源电力电子单元由振荡模式切换至闭锁模式或通流模式，故障电流开始给振荡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12f中所示，分闸成功并结束分闸操作。

根据本申请的实施例，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 (8)

1.一种电流开断装置，其特征在于，所述电流开断装置包括通流支路、转移支路、振荡支路和耗能支路，其中，

所述通流支路与所述转移支路并联连接；

所述通流支路由机械开关与有源电力电子单元串联构成；

所述转移支路由双向导通晶闸管单元串联构成；

所述振荡支路与所述通流支路的所述机械开关并联连接；

所述振荡支路由振荡电容器和振荡电感串联构成；所述耗能支路与所述振荡电容器并联连接，或与所述振荡支路并联连接，或与所述通流支路并联连接，或与所述振荡电容器和所述有源电力电子单元并联连接。

2.如权利要求1所述的电流开断装置，其特征在于，所述有源电力电子单元由至少一个具有旁路功能的双向通流自激模块串联构成，其中，

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、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、第二电力电子开关和第三电力电子开关，所述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分别与所述第一电压源的负极及所述第三电力电子开关的负极连接，所述第三电力电子开关的正极引出外接线，所述第一旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第四电力电子开关、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，所述第四电力电子开关的正极与所述第二电压源的正极连接，所述第四电力电子开关的负极分别与所述第五电力电子开关的正极及所述第六电力电子开关的正极连接，所述第六电力电子开关的负极引出外接线，所述第五电力电子开关的负极与所述第二电压源的负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

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、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、第八电力电子开关和第九电力电子开关，所述旁路开关包括第三旁路开关，所述电压源包括第三电压源，所述第七电力电子开关的负极与所述第三电压源的负极连接，所述第七电力电子开关的正极分别与所述第八电力电子开关的负极及所述第九电力电子开关的负极连接，所述第九电力电子开关的正极引出外接线，所述第八电力电子开关的正极与所述第三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；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第十电力电子开关、第十一电力电子开关和第十二电力电子开关，所述旁路开关包括第四旁路开关，所述电压源包括第四电压源，所述第十电力电子开关的正极与所述第四电压源的正极连接，所述第十电力电子开关的负极引出外接线，所述第四电压源的负极引出外接线，所述第十一电力电子开关与所述第十二电力电子开关的反向串联后并联连接于两个引出外接线之间，所述第四旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、二极管、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第十三电力电子开关和第十四电力电子开关，所述二极管包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述旁路开关包括第五旁路开关，所述电压源包括第五电压源，所述第十三电力电子开关的正极与所述第五电压源的正极连接，所述第十三电力电子开关的负极引出外接线，所述第五电压源的负极引出外接线，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管构成二极管全桥，所述第十四电力电子开关的正极和负极分别连接于所述二极管全桥直流侧正极和负极，所述二极管全桥的交流侧并联连接于两个引出外接线之间，所述第五旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第十五电力电子开关、第十六电力电子开关、第十七电力电子开关和第十八电力电子开关，所述旁路开关包括第六旁路开关，所述电压源包括第六电压源，所述第十五电力电子开关的正极分别与所述第十七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分别与所述第十八电力电子开关的负极及所述第六电压源的负极连接，所述第十七电力电子开关的负极与所述第十八电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第六旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

所述双向通流自激模块包括电力电子开关、旁路开关和电压源，所述电力电子开关包括第十九电力电子开关、第二十电力电子开关、第二十一电力电子开关、第二十二电力电子开关和第二十三电力电子开关，所述旁路开关包括第七旁路开关，所述电压源包括第七电压源，所述第十九电力电子开关的正极分别与所述第二十一电力电子开关的正极及所述第二十三电力电子开关的负极连接，所述第十九电力电子开关的负极与所述第二十电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二十电力电子开关的负极分别与所述第二十二电力电子开关的负极及所述第七电压源的负极连接，所述第二十一电力电子开关的负极与所述第二十二电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二十三电力电子开关的正极与第七电压源的正极连接，所述第七旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

3.如权利要求1所述的电流开断装置，其特征在于，

所述双向导通晶闸管单元包括双向晶闸管；或

所述双向导通晶闸管单元包括第一单向晶闸管和第二单向晶闸管，所述第一单向晶闸管和所述第二单向晶闸管反向并联连接。

4.如权利要求1所述的电流开断装置，其特征在于，

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。

5.如权利要求2所述的一种电流开断装置，其特征在于，

所述第一电力电子开关、所述第二电力电子开关、所述第三电力电子开关、所述第四电力电子开关、所述第五电力电子开关、所述第六电力电子开关、所述第七电力电子开关、所述第八电力电子开关、所述第九电力电子开关、所述第十电力电子开关、所述第十一电力电子开关、所述第十二电力电子开关、所述第十三电力电子开关、所述第十四电力电子开关、所述第十五电力电子开关、所述第十六电力电子开关、所述第十七电力电子开关、所述第十八电力电子开关、所述第十九电力电子开关、所述第二十电力电子开关、所述第二十一电力电子开关、所述第二十二电力电子开关、所述第二十三电力电子开关均由至少一级全控型功率半导体器件串联构成，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。

6.如权利要求2所述的电流开断装置，其特征在于，

所述第一电压源、所述第二电压源、所述第三电压源、所述第四电压源、所述第五电压源、所述第六电压源和所述第七电压源为预充电电容器，或储能蓄电池，或交流整流电源。

7.如权利要求2所述的电流开断装置，其特征在于，

所述有源电力电子单元的工作模式包括旁通模式、闭锁模式、通流模式、振荡模式和退出模式，其中，

在所述旁通模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关闭合、电力电子开关闭锁；

在所述闭锁模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关闭锁；

在所述通流模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关解锁，所述有源电力电子单元输出零电压；

在所述振荡模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关打开，电力电子开关解锁，所述有源电力电子单元方波振荡电压；

当所述有源电力电子单元的双向通流自激模块发生故障时，所述有源电力电子单元进入退出模式，在所述退出模式下，所述有源电力电子单元的双向通流自激模块的旁路开关闭合，电力电子开关闭锁。

8.一种电流开断模块，其特征在于，所述电流开断模块包括至少两个如权利要求1-7任一所述的电流开断装置，且所述电流开断装置串联连接。

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