本發(fā)明涉及柔性直流領(lǐng)域，尤其涉及一種帶續(xù)流回路的直流固態(tài)斷路器。

背景技術(shù)：

柔性直流技術(shù)是一種高效、靈活的新型輸配電技術(shù)，在電力系統(tǒng)中有著廣泛的發(fā)展前景。直流斷路器是保證柔性直流系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。然而，當(dāng)前的直流斷流器卻是限制高電壓大容量柔性直流系統(tǒng)發(fā)展的一大瓶頸。不同于交流電流存在過零點(diǎn)，直流故障電流更難于滅弧，這給高壓、大容量直流斷路器的研制工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。直流斷路器可分為機(jī)械式、固態(tài)和混合型直流斷路器。直流固態(tài)斷路器是利用電力電子器件構(gòu)成，無機(jī)械觸點(diǎn)，具有開斷時(shí)間極短、無弧、無光、無聲響等優(yōu)點(diǎn)。

雖然直流固態(tài)斷路器斷開故障電流不會(huì)產(chǎn)生電弧，但由于線路電感的存在以及其斷開速度極快，將可能在開斷過程中產(chǎn)生很高的過電壓。過電壓有可能造成電力電子器件的損壞，因此成為直流固態(tài)斷路器研發(fā)不可回避的難點(diǎn)。目前的研究主要是在固態(tài)斷路器兩側(cè)并聯(lián)大電容器以及避雷器，以減小過電壓。這樣必然將增長(zhǎng)斷流時(shí)間，增加斷流器的體積以及成本，降低可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種帶續(xù)流回路的直流固態(tài)斷路器，利用柔性直流系統(tǒng)直流側(cè)故障電流方向固定的原理，增設(shè)了二極管續(xù)流回路，避免了截流過電壓的產(chǎn)生，為柔性直流系統(tǒng)直流斷路器的研制提供了一條嶄新的技術(shù)路線。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種帶續(xù)流回路的直流固態(tài)斷路器，包括：具有相同結(jié)構(gòu)且分別對(duì)應(yīng)的安裝在柔性直流系統(tǒng)正極與負(fù)極的正極斷路器與負(fù)極斷路器；

所述正極斷路器包括正極斷流回路與正極續(xù)流回路；所述正極斷流回路的輸入端與正極斷路器的輸入端連接，所述正極斷流回路的輸出端與正極續(xù)流回路的一端連接后與正極斷路器的輸出端連接，所述正極續(xù)流回路的另一端接地；

所述負(fù)極斷路器包括負(fù)極斷流回路與負(fù)極續(xù)流回路，所述負(fù)極斷流回路的輸入端與負(fù)極斷路器的輸入端連接，所述負(fù)極斷流回路的輸出端與負(fù)極續(xù)流回路的一端連接后與負(fù)極斷路器的輸出端連接，所述負(fù)極續(xù)流回路的另一端接地。

進(jìn)一步的，所述正極斷流回路包括多個(gè)斷流單元與一個(gè)避雷器MOV1；其中，所有斷流單元依次串聯(lián)后與所述避雷器MOV1并聯(lián)；

所述正極續(xù)流回路包括：并聯(lián)連接的二極管D6與避雷器MOV2；所述二極管D6由多個(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成，所述二極管D6的負(fù)極與正極斷流回路的輸出端連接，正極接地。

進(jìn)一步的，每一斷流單元包括：并聯(lián)連接的H橋斷流模塊與均壓模塊；

所述H橋斷流模塊包括：絕緣柵雙極型晶體管IGBT1、二極管D1、二極管D2、二極管D3與二極管D4，所述二極管D1的負(fù)極與二極管D2的負(fù)極連接，所述二極管D2的正極與二極管D3的負(fù)極連接后與下級(jí)斷流模塊或正極斷流器輸出端連接，所述二極管D3的正極與二極管D4的正極連接，所述二極管D4的負(fù)極與二極管D1的正極連接后與正極斷路器輸入端或上級(jí)斷流模塊連接，所述IGBT1的集電極接在二極管D1的負(fù)極與二極管D2的負(fù)極之間，所述IGBT1的發(fā)射極接在二極管D3的正極與二極管D4的正極之間；

所述的均壓模塊包括：均壓電容C1、放電電阻R1與二極管D5；所述二極管D5與放電電阻R1并聯(lián)后與均壓電容C1串聯(lián)，所述均壓電容C1的輸入端與斷流模塊的輸入端連接，所述均壓電容C1的輸出端與二極管D5的正極連接，所述二極管D5的負(fù)極與斷流模塊的輸出端連接。

進(jìn)一步的，所述負(fù)極斷流回路包括：多個(gè)斷流單元與一個(gè)避雷器MOV3，其中，所有斷流單元依次串聯(lián)后與所述避雷器MOV3并聯(lián)；

所述負(fù)極續(xù)流回路包括：并聯(lián)連接的二極管D12與避雷器MOV4；所述二極管D12由多個(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成，所述二極管D12的正極與負(fù)極斷流回路的輸出端連接，負(fù)極接地。

進(jìn)一步的，每一斷流單元包括：并聯(lián)連接的H橋斷流模塊與均壓模塊；

所述H橋斷流模塊包括：絕緣柵雙極型晶體管IGBT2、二極管D7、二極管D8、二極管D9、二極管D10，所述二極管D7的負(fù)極與二極管D8的負(fù)極連接，所述二極管D8的正極與二極管D9的負(fù)極連接后與下級(jí)斷流模塊或負(fù)極斷流器輸出端連接，所述二極管D9的正極與二極管D10的正極連接，所述二極管D10的負(fù)極與二極管D7的正極連接并與負(fù)極斷路器輸入端或上級(jí)斷流模塊連接，所述IGBT2的集電極接在二極管D7的負(fù)極與二極管D8的負(fù)極之間，所述IGBT2的發(fā)射極接在二極管D3的正極與二極管D10的正極之間；

所述均壓模塊包括：均壓電容C2、放電電阻R2、二極管D11，所述二極管D11與放電電阻R2并聯(lián)后與均壓電容C2串聯(lián)，所述均壓電容C2的輸入端與斷流模塊的輸入端連接，所述均壓電容C2的輸出端與二極管D11的正極連接，所述二極管D11的負(fù)極與斷流模塊的輸出端連接。

進(jìn)一步的，所述柔性直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，正極續(xù)流回路與負(fù)極續(xù)流回路均處于閉鎖狀態(tài)；

所述柔性直流系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障，在直流固態(tài)斷路器未動(dòng)作時(shí)，正極故障電流的方向?yàn)閺碾妷涸磽Q流器流向線路，負(fù)極故障電流的方向?yàn)閺木€路流向電壓源換流器；直流固態(tài)斷路器分閘后，通過正極續(xù)流回路和負(fù)極續(xù)流回路續(xù)流，直到線路電感儲(chǔ)存的能量全部衰減；

所述柔性直流系統(tǒng)發(fā)生單極短路故障，在直流固態(tài)斷路器未動(dòng)作時(shí)，正極故障電流的方向?yàn)閺碾妷涸磽Q流器流向線路；如果是正極接地故障，則直流固態(tài)斷路器分閘后，通過正極續(xù)流回路續(xù)流，直到線路電感儲(chǔ)存的能量全部衰減；如果是負(fù)極接地故障，則直流固態(tài)斷路器分閘后，通過負(fù)極續(xù)流回路，直到線路電感儲(chǔ)存的能量全部衰減。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，1)采用二極管續(xù)流回路，避免了截流過電壓的產(chǎn)生，可應(yīng)用于高電壓大容量場(chǎng)合，拓?fù)浜?jiǎn)單，控制簡(jiǎn)易，成本低廉，可靠性高。2)采用H橋斷流模塊，大幅降低所需IGBT器件的個(gè)數(shù)，減少成本，降低正常工況下的損耗，并可實(shí)現(xiàn)雙向負(fù)荷電流分?jǐn)唷?)采用均壓電容回路并聯(lián)在H橋斷流模塊兩端，可全面防止IGBT與二極管受到損壞。4)減小了傳統(tǒng)固態(tài)直流斷路器的緩沖電容的容量，減小了直流固態(tài)斷路器的體積與成本，提高了可靠性。5)實(shí)現(xiàn)了直流單極故障、直流雙極故障、直流雙向負(fù)荷電流的有效分?jǐn)?，分?jǐn)噙^程快速無弧無過電壓。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種帶續(xù)流回路的直流固態(tài)斷路器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的柔性直流系統(tǒng)正常工作狀態(tài)示意圖

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的柔性直流系統(tǒng)雙極故障時(shí)，本發(fā)明提供的直流固態(tài)斷路器工作示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的無續(xù)流回路的固態(tài)斷路器切斷雙極短路故障電流時(shí)斷路器兩端的電壓波形圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的本發(fā)明提供的直流固態(tài)斷路器切斷雙極短路故障電流時(shí)斷路器兩端的電壓波形圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的柔性直流系統(tǒng)單極故障時(shí)，本發(fā)明提供的直流固態(tài)斷路器工作示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的無續(xù)流回路的固態(tài)斷路器切斷單極接地故障電流時(shí)斷路器兩端的電壓波形圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的本發(fā)明提供的直流固態(tài)斷路器切斷單極接地故障電流時(shí)斷路器兩端的電壓波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種帶續(xù)流回路的直流固態(tài)斷路器，如圖1所示，其主要包括：具有相同結(jié)構(gòu)且分別對(duì)應(yīng)的安裝在柔性直流系統(tǒng)正極與負(fù)極的正極斷路器與負(fù)極斷路器；

所述正極斷路器包括正極斷流回路1與正極續(xù)流回路2；所述正極斷流回路1的輸入端與正極斷路器的輸入端連接，所述正極斷流回路1的輸出端與正極續(xù)流回路2的一端連接后與正極斷路器的輸出端連接，所述正極續(xù)流回路2的另一端接地；

所述負(fù)極斷路器包括負(fù)極斷流回路3與負(fù)極續(xù)流回路4，所述負(fù)極斷流回路3的輸入端與負(fù)極斷路器的輸入端連接，所述負(fù)極斷流回路3的輸出端與負(fù)極續(xù)流回路4的一端連接后與負(fù)極斷路器的輸出端連接，所述負(fù)極續(xù)流回路4的另一端接地。

下面再結(jié)合圖1來介紹正極斷路器與負(fù)極斷路器的具體結(jié)構(gòu)。

1、正極斷路器。

正極斷流回路包括多個(gè)斷流單元與一個(gè)避雷器MOV1；其中，所有斷流單元依次串聯(lián)后與所述避雷器MOV1并聯(lián)。

正極續(xù)流回路包括：并聯(lián)連接的二極管D6與避雷器MOV2；所述二極管D6由多個(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成，所述二極管D6的負(fù)極與正極斷流回路的輸出端連接，正極接地。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，所述多個(gè)二極管串聯(lián)的具體數(shù)量可以根據(jù)系統(tǒng)額定電壓決定；斷流單元的具體數(shù)量可以根據(jù)使用的環(huán)境的額定電壓決定。

本發(fā)明實(shí)施例中，每一斷流單元包括：并聯(lián)連接的H橋斷流模塊與均壓模塊；

所述H橋斷流模塊包括：絕緣柵雙極型晶體管IGBT1、二極管D1、二極管D2、二極管D3與二極管D4，所述二極管D1的負(fù)極與二極管D2的負(fù)極連接，所述二極管D2的正極與二極管D3的負(fù)極連接后與下級(jí)斷流模塊或正極斷流器輸出端連接，所述二極管D3的正極與二極管D4的正極連接，所述二極管D4的負(fù)極與二極管D1的正極連接后與正極斷路器輸入端或上級(jí)斷流模塊連接，所述IGBT1的集電極接在二極管D1的負(fù)極與二極管D2的負(fù)極之間，所述IGBT1的發(fā)射極接在二極管D3的正極與二極管D4的正極之間；

所述的均壓模塊包括：均壓電容C1、放電電阻R1與二極管D5；所述二極管D5與放電電阻R1并聯(lián)后與均壓電容C1串聯(lián)，所述均壓電容C1的輸入端與斷流模塊的輸入端連接，所述均壓電容C1的輸出端與二極管D5的正極連接，所述二極管D5的負(fù)極與斷流模塊的輸出端連接。

2、負(fù)極斷路器。

負(fù)極斷流回路包括：多個(gè)斷流單元與一個(gè)避雷器MOV3，其中，所有斷流單元依次串聯(lián)后與所述避雷器MOV3并聯(lián)；

負(fù)極續(xù)流回路包括：并聯(lián)連接的二極管D12與避雷器MOV4；所述二極管D12由多個(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成，所述二極管D12的正極與負(fù)極斷流回路的輸出端連接，負(fù)極接地。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，所述多個(gè)二極管串聯(lián)的具體數(shù)量可以根據(jù)系統(tǒng)額定電壓決定；斷流單元的具體數(shù)量可以根據(jù)使用的環(huán)境的額定電壓決定。

本發(fā)明實(shí)施例中，每一斷流單元包括：并聯(lián)連接的H橋斷流模塊與均壓模塊；

所述H橋斷流模塊包括：絕緣柵雙極型晶體管IGBT2、二極管D7、二極管D8、二極管D9、二極管D10，所述二極管D7的負(fù)極與二極管D8的負(fù)極連接，所述二極管D8的正極與二極管D9的負(fù)極連接后與下級(jí)斷流模塊或負(fù)極斷流器輸出端連接，所述二極管D9的正極與二極管D10的正極連接，所述二極管D10的負(fù)極與二極管D7的正極連接并與負(fù)極斷路器輸入端或上級(jí)斷流模塊連接，所述IGBT2的集電極接在二極管D7的負(fù)極與二極管D8的負(fù)極之間，所述IGBT2的發(fā)射極接在二極管D3的正極與二極管D10的正極之間；

所述均壓模塊包括：均壓電容C2、放電電阻R2、二極管D11，所述二極管D11與放電電阻R2并聯(lián)后與均壓電容C2串聯(lián)，所述均壓電容C2的輸入端與斷流模塊的輸入端連接，所述均壓電容C2的輸出端與二極管D11的正極連接，所述二極管D11的負(fù)極與斷流模塊的輸出端連接。

本發(fā)明實(shí)施例的上述方案，可適用于高壓大容量柔性直流系統(tǒng)，拓?fù)浜?jiǎn)單，控制簡(jiǎn)易，成本低廉，可靠性高，分?jǐn)噙^程快速無弧無過電壓。

對(duì)于交流側(cè)故障，電壓源換流器(VSC)具有隔離功能，不需要直流固態(tài)斷路器隔離故障。對(duì)于直流側(cè)故障，無論是雙極故障還是單極故障，電壓源換流器閉鎖后，正極故障電流總是從換流器流向故障點(diǎn)，負(fù)極故障電流總是從故障點(diǎn)流向換流器。電壓源換流器的反向并聯(lián)二極管具有鉗制作用，換流器出口的正極電壓不會(huì)低于負(fù)極電壓，因此保證了直流側(cè)故障電流方向的唯一性。

具體來說：

1)柔性直流系統(tǒng)正常運(yùn)行。

如圖2所示，由于正極為正電位，正極續(xù)流回路處于閉鎖狀態(tài)；負(fù)極為負(fù)電位，負(fù)極續(xù)流回路處于閉鎖狀態(tài)。因此在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，增加續(xù)流回路不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2)柔性直流系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障

如圖3所示，在直流固態(tài)斷路器未動(dòng)作時(shí)，正極故障電流的方向?yàn)閺碾妷涸磽Q流器流向線路，負(fù)極故障電流的方向?yàn)閺木€路流向電壓源換流器；直流固態(tài)斷路器分閘后，線路上故障電流不會(huì)馬上截止，而是通過正極續(xù)流回路和負(fù)極續(xù)流回路續(xù)流，直到線路電感儲(chǔ)存的能量全部衰減；因?yàn)榫€路上故障電流的變化率不大，所以不會(huì)在直流斷路器兩端形成較大的過電壓。

示例性的，可以利用PSCAD軟件，對(duì)±20kV柔性直流系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖4為沒有續(xù)流回路的直流固態(tài)斷路器分?jǐn)嚯p極短路故障電流時(shí)斷路器兩端的暫態(tài)電壓波形，大概產(chǎn)生8.5p.u.的過電壓；圖5為采用本實(shí)施例分?jǐn)嚯p極短路故障電流時(shí)斷路器兩端的暫態(tài)電壓波形，基本沒有過電壓。

3)柔性直流系統(tǒng)發(fā)生單極短路故障

如圖6所示，在直流固態(tài)斷路器未動(dòng)作時(shí)，正極故障電流的方向?yàn)閺碾妷涸磽Q流器流向線路。a、如果是正極接地故障，則直流固態(tài)斷路器分閘后，線路上故障電流不會(huì)馬上截止，而是通過正極續(xù)流回路續(xù)流，直到線路電感儲(chǔ)存的能量全部衰減。b、如果是負(fù)極接地故障，則直流固態(tài)斷路器分閘后，線路上故障電流不會(huì)馬上截止，而是通過負(fù)極續(xù)流回路，直到線路電感儲(chǔ)存的能量全部衰減。因?yàn)榫€路上故障電流的變化率不大，所以不會(huì)在直流斷路器兩端形成較大的過電壓。

示例性的，可以利用PSCAD軟件，對(duì)±20kV柔性直流系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖7為沒有續(xù)流回路的直流固態(tài)斷路器分?jǐn)鄦螛O接地故障電流時(shí)斷路器兩端的暫態(tài)電壓波形，大概產(chǎn)生9p.u.的過電壓；圖8為采用本實(shí)施例分?jǐn)鄦螛O接地故障電流時(shí)斷路器兩端的暫態(tài)電壓波形，大概產(chǎn)生1.6p.u.的過電壓。

與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為：

1)采用二極管續(xù)流回路，避免了截流過電壓的產(chǎn)生，可應(yīng)用于高電壓大容量場(chǎng)合，拓?fù)浜?jiǎn)單，控制簡(jiǎn)易，成本低廉，可靠性高。

2)采用H橋斷流模塊，大幅降低所需IGBT器件的個(gè)數(shù)，減少成本，降低正常工況下的損耗，并可實(shí)現(xiàn)雙向負(fù)荷電流分?jǐn)唷?/p>

3)采用均壓電容回路并聯(lián)在H橋斷流模塊兩端，可全面防止IGBT與二極管受到損壞。

4)減小了傳統(tǒng)固態(tài)直流斷路器的緩沖電容的容量，減小了直流固態(tài)斷路器的體積與成本，提高了可靠性。

5)實(shí)現(xiàn)了直流單極故障、直流雙極故障、直流雙向負(fù)荷電流的有效分?jǐn)?，分?jǐn)噙^程快速無弧無過電壓。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。