直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及直流輸電用的直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，尤其涉及一種高性能低成本直流輸、配電網(wǎng)直流斷路器的拓?fù)浞桨讣捌淇刂撇呗浴?br>【背景技術(shù)】
[0002]直流斷路器是直流輸、配電網(wǎng)中承載額定電流、關(guān)斷故障電流、關(guān)斷負(fù)荷電流的關(guān)鍵設(shè)備，能夠可靠清除故障電流，防止故障范圍擴大。隨著多端直流輸電技術(shù)、智能電網(wǎng)與直流配網(wǎng)技術(shù)、分布式電源與直流微網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，直流斷路器對電網(wǎng)的可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運行具有重要意義。但是，由于直流電流沒有自然過零點帶來的滅弧問題、開斷過程中的過電壓和能量吸收等問題也成為直流斷路器研宄難點。
[0003]目前直流斷路器主要有四種技術(shù)路線:采用機械開關(guān)直接關(guān)斷電流的直流斷路器，動作速度慢，開關(guān)不能滿足速動性和經(jīng)濟(jì)性的要求；采用振蕩電路滅弧的直流斷路器，動作時間較長，控制難度也較大；采用電力電子器件的全固態(tài)直流斷路器，正常運行時損耗較高，導(dǎo)致向更高電壓等級的擴展性較差；采用機械開關(guān)和電力電子器件的混合型直流斷路器。其中，混合型直流斷路器是比較適合于直流輸配電網(wǎng)的應(yīng)用的。如圖1所示為ABB公司專利W02011141054A1的混合型直流斷路器電路原理圖，ABB的混合型直流斷路器適用于各種工況，但明顯的缺點是，為實現(xiàn)電流雙向流通和雙向關(guān)斷，直流斷路器中的全控型電力電子器件6連接成雙向結(jié)構(gòu)，這就使得器件數(shù)量增加一倍，設(shè)備成本顯著提高。如圖2所示為國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)研宄院專利201310364653.3的混合型直流斷路器電路原理圖，該專利的主開關(guān)的全控型電力電子器件6為單向結(jié)構(gòu)，因此降低了部分成本。但其直流斷路器為實現(xiàn)雙向通流和雙向關(guān)斷，其中兩個輔助轉(zhuǎn)換開關(guān)均采用兩個全控型電力電子器件6組成的反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并分別與串聯(lián)的電阻Rl和隔離開關(guān)BRK11、串聯(lián)的電阻R2和隔離開關(guān)BRK21并聯(lián)組成，因此其全控型電力電子器件的數(shù)量增加一倍；在檢修分閘、合閘等較低電流、電壓應(yīng)力場合，采用電阻Rl和隔離開關(guān)BRKl1、電阻R2和隔離開關(guān)BRK21組成的軟開通電路，并采用避雷器M0V2、交流斷路器BRK3、電感L和電容C組成的直流負(fù)荷開關(guān)，顯著增加了設(shè)備成本和控制的復(fù)雜度。
[0004]為了應(yīng)對混合型直流斷路器的高成本問題，直流輸電急需高性能和低成本的混合型直流斷路器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的提出一種直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，其特征在于，所述直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用“T型”雙向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)；該‘1型”雙向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的直流斷路器由第一電流通路1、第二電流通路2和第三電流通路3構(gòu)成，第二電流通路2和第三電流通路3并聯(lián)后與第一電流通路I的中點連接成雙向?qū)ΨQ的T型結(jié)構(gòu)；第一電流通路I的引出端子a與直流輸配電系統(tǒng)的等值電感L9的一端連接，第一電流通路I的中間引出端子b與第二電流通路2和第三電流通路3并聯(lián)后的一端連接，第一電流通路I的另一個引出端子c與直流輸、配電線路連接；第二電流通路2和第三電流通路3并聯(lián)后的另一端接地；其中等值電感L9是在直流斷路器運行回路中，包含直流輸配電系統(tǒng)換流器橋臂電感、平波電抗器和線路電感等在內(nèi)的總的等值電感。
[0006]所述第一電流通路I由第一輔助斷路器16和第二輔助斷路器17構(gòu)成。
[0007]所述第二電流通路2至少由一個第三單向全控型電力電子器件63組成，具有斷流作用；其各第三單向全控型電力電子器件63直接串聯(lián)，串聯(lián)個數(shù)根據(jù)直流輸、配電線路的高、中、低不同電壓等級決定，且應(yīng)有一定冗余；所述全控型電力電子器件由一個IGBT器件和一個反向并聯(lián)的二極管D構(gòu)成。
[0008]所述第三電流通路3由能量吸收單元組成，能量吸收單元包含至少一個避雷器15，各避雷器15并聯(lián)或串聯(lián)；其避雷器的額定電壓和殘壓由直流輸、配電網(wǎng)直流側(cè)額定電壓、第一輔助斷路器16和第二輔助斷路器17的耐壓水平、第二電流通路2耐壓水平來決定。
[0009]所述第一輔助斷路器由第一快速機械開關(guān)4和第一換流單元18串聯(lián)組成，所述第二輔助斷路器由第二換流單元19和第二快速機械開關(guān)14串聯(lián)組成；第一輔助斷路器和第二輔助斷路器結(jié)構(gòu)對稱，元件相同。
[0010]所述第一換流單元18和由一個第一單向全控型電力電子器件61組成，第二換流單元19由一個第二單向全控型電力電子器件62組成。
[0011]所述第一快速機械開關(guān)和第二快速機械開關(guān)為參數(shù)相同的元件；均采用快速機械開關(guān)或采用大功率電力電子器件V的雙向反并聯(lián)結(jié)構(gòu)；在電流從第一電流通路轉(zhuǎn)移到第二電流通路后斷開，主要起耐壓作用。
[0012]所述大功率電力電子器件包含晶閘管或門極可關(guān)斷晶閘管的半控型和全控型器件。
[0013]所述全控型電力電子器件為壓接型或焊接型的IGBT、IGCT, IEGT和BiGT。
[0014]所述直流斷路器控制方法，其特征在于，首先設(shè)定電流方向從第一輔助斷路器流向第二輔助斷路器，控制方法包括如下步驟:
[0015](I)故障分閘控制
[0016]故障前，第一快速機械開關(guān)、第一換流單元、第二快速機械開關(guān)、第二換流單元均導(dǎo)通，斷流單元關(guān)斷，電流通過第一電流通路；故障發(fā)生后，各部分觸發(fā)控制時序由預(yù)先整定的電流限值決定；
[0017]a.故障發(fā)生后，當(dāng)檢測到電流達(dá)到某一限值，觸發(fā)斷流單元使其導(dǎo)通；
[0018]b.觸發(fā)第二換流單元使其關(guān)斷，電流迅速從第一電流通路向第二電流通路轉(zhuǎn)移；
[0019]c.觸發(fā)第二快速機械開關(guān)使其關(guān)斷；
[0020]d.待第二快速機械開關(guān)可靠恢復(fù)耐壓能力后，觸發(fā)斷流單元使其關(guān)斷，第三電流通路中的能量吸收單元在關(guān)斷過電壓達(dá)到其起始動作電壓后由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，電流迅速從第二電流通路向第三電流通路轉(zhuǎn)移；
[0021]e.能量吸收單元中的避雷器耗散開斷過程中的能量并限制過電壓，第二換流單元和斷流單元得到有效保護(hù)；
[0022]f.觸發(fā)系統(tǒng)隔離開關(guān)8使其關(guān)斷，完成故障分閘；
[0023](2)檢修分閘控制
[0024]a.觸發(fā)斷流單元使其導(dǎo)通；
[0025]b.觸發(fā)第二換流單元使其關(guān)斷；
[0026]c.觸發(fā)第二快速機械開關(guān)使其關(guān)斷；
[0027]d.待第二快速機械開關(guān)可靠恢復(fù)耐壓能力后，觸發(fā)斷流單元使其關(guān)斷；
[0028]e.第三電流通路能量吸收單元中的避雷器耗散開斷過程中的能量并限制過電壓；
[0029]f.觸發(fā)系統(tǒng)隔離開關(guān)8使其關(guān)斷，完成檢修隔離。
[0030](3)合閘控制
[0031]a.觸發(fā)第二換流單元使其導(dǎo)通；
[0032]b.觸發(fā)第一快速機械開關(guān)、第二快速機械開關(guān)使其導(dǎo)通；
[0033]c.觸發(fā)系統(tǒng)隔離開關(guān)8使其導(dǎo)通，完成合閘正常運行。
[0034](4)故障識別控制
[0035]a.檢測電流達(dá)到預(yù)先整定限值時，觸發(fā)斷流單元使其導(dǎo)通；
[0036]b.若檢測電流恢復(fù)，觸發(fā)斷流單元使其關(guān)斷；若檢測電流繼續(xù)升高，觸發(fā)第二換流單元使其關(guān)斷，觸發(fā)第二快速機械開關(guān)使其關(guān)斷；
[0037]c.若檢測電流恢復(fù)，觸發(fā)第二換流單元使其導(dǎo)通，觸發(fā)第二快速機械開關(guān)使其導(dǎo)通，觸發(fā)斷流單元使其關(guān)斷；若檢測電流繼續(xù)升高，觸發(fā)斷流單元使其關(guān)斷。
[0038]所述直流斷路器控制方法均假定電流方向從第一輔助斷路器流向第二輔助斷路器，當(dāng)電流反向流通時，應(yīng)在對應(yīng)步驟中操作第一換流單元和第一快速機械開關(guān)，其他步驟相同。
[0039]本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0040]I)本發(fā)明提出的新型直流斷路器電路拓?fù)洌捎谩癟型”雙向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，有效減少核心全控型電力電子器件使用數(shù)量，顯著降低成本。
[0041]2)本發(fā)明提出的新型直流斷路器電路拓?fù)?，結(jié)構(gòu)靈活，擴展性強，滿足不同電壓、電流等級下的直流開斷要求。
[0042]3)本發(fā)明提出的新型直流斷路器電路拓?fù)?，正常運行時通態(tài)損耗較低，能量吸收和過電壓抑制效果好。
[0043]4)本發(fā)明提出的新型直流斷路器電路控制策略，能夠可靠應(yīng)對故障分閘、檢修分閘、合閘等不同工況，設(shè)備各部分元件在開斷過程中均能得到有效保護(hù)，故障檢測與識別控制策略能夠有效降低設(shè)備誤動作。
[0044]因此，本發(fā)明的混合