一種高壓直流斷路器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高壓直流斷路器，還涉及一種高壓直流斷路器的控制方法，屬于斷路器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著多端直流輸電技術(shù)的發(fā)展，高壓直流斷路器將成為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵設(shè)備之一。多端高壓直流輸電系統(tǒng)由于電壓等級高、線路阻抗小，一旦發(fā)生線路短路故障，將很快影響到直流輸電網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò)，必須迅速切除故障。因此，高壓直流斷路器需要動作速度快，能夠最大限度的減小故障持續(xù)時間或抑制故障電流，減小故障對交/直流輸電網(wǎng)絡(luò)的沖擊。
[0003]目前直流斷路器技術(shù)通常有三種方式，1) LC諧振直流斷路器:在常規(guī)交流機械斷路器的基礎(chǔ)上，通過增加輔助電路，在開斷弧間隙的直流電流上迭加增幅的振蕩電流，利用電流過零時開斷電路，利用這種原理制造的機械式斷路器，在分?jǐn)鄷r間和分?jǐn)嚯娏髂芰ι蠠o法滿足多端柔性直流輸電系統(tǒng)的要求；2)固態(tài)直流斷路器，利用大功率可關(guān)斷電力電子器件，直接分?jǐn)嘀绷麟娏?，利用這種原理制造的固態(tài)斷路器，在時間上雖然可以滿足多端柔性直流系統(tǒng)的要求，但在正常導(dǎo)通時的損耗過大，經(jīng)濟性較差；3)混合式直流斷路器:采用機械開關(guān)和電力電子器件混合的方式，正常運行由機械開關(guān)通流，故障時分?jǐn)鄼C械開關(guān)，利用產(chǎn)生的電弧電壓將電流轉(zhuǎn)移至并聯(lián)連接的電力電子器件支路中，然后由電力電子器件分?jǐn)嚯娏?。基于該原理斷路器既減低了通態(tài)損耗，又提高了分?jǐn)嗨俣?，但是需要分?jǐn)鄡蓚€方向的線路電流，需要大量的全控器件正向串聯(lián)后再反向串聯(lián)，全控器件數(shù)量多、價格高，導(dǎo)致直流斷路器設(shè)備價格昂貴，影響其廣泛應(yīng)用和推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高壓直流斷路器，在保證足夠快的分?jǐn)嗨俣群偷蛽p耗的前提下，顯著降低設(shè)備成本，增加設(shè)備的可擴展性。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種高壓直流斷路器，包括通態(tài)電流支路、電流換向與分?jǐn)鄦卧?；所述通態(tài)電流支路包括串聯(lián)連接的:機械開關(guān)s和包含全控器件的電流轉(zhuǎn)移模塊；
所述電流換向與分?jǐn)鄦卧?橋式支路和分?jǐn)嚯娏髦罚?br> 所述橋式支路包括:兩個相同的同向并聯(lián)的橋臂，所述橋臂由兩個同向串聯(lián)連接的換向模塊組成，所述換向模塊由不控器件串聯(lián)閥組和電感串聯(lián)組成；兩橋臂中兩換向模塊的連接節(jié)點作為電流換向與分?jǐn)鄦卧膬蓚€接線端；
所述分?jǐn)嚯娏髦放c橋式支路的兩橋臂并聯(lián)連接；所述分?jǐn)嚯娏髦酚蒒個分?jǐn)嚯娏髂K串聯(lián)組成，其中:N為不小于1的整數(shù)；所述分?jǐn)嚯娏髂K包括:并聯(lián)連接的非線性電阻R1和全控器件串聯(lián)閥組；
所述高壓直流斷路器采用如下兩種連接結(jié)構(gòu)中的任一種: 第一種:所述電流換向與分?jǐn)鄦卧?、通態(tài)電流支路均設(shè)有Μ組，通態(tài)電流支路和電流換向與分?jǐn)鄦卧灰粚?yīng)并聯(lián)連接，且所有通態(tài)電流支路依序串聯(lián)連接；其中Μ為不小于1的整數(shù)；
第二種:所述電流換向與分?jǐn)鄦卧O(shè)置有兩組以上，所述通態(tài)電流支路設(shè)置有一組，所有電流換向與分?jǐn)鄦卧佬虼?lián)后，與通態(tài)電流支路并聯(lián)。
[0006]所述電流轉(zhuǎn)移模塊包括并聯(lián)連接的非線性電阻R2和全控器件模塊，所述全控器件模塊包括兩只以上串聯(lián)連接的全控器件，其中至少兩只全控器件反向串聯(lián)連接。
[0007]所述電流轉(zhuǎn)移模塊包括并聯(lián)連接的非線性電阻R2和全控器件模塊，所述全控器件模塊由一個或兩個以上全橋子模塊串聯(lián)組成，所述全橋子模塊包括四個橋式連接的全控器件，全橋子模塊的橋臂兩端還并聯(lián)有電容器。
[0008]所述電流轉(zhuǎn)移模塊包括非線性電阻R2和兩組單向通流模塊，兩單向通流模塊反向并聯(lián)連接后與非線性電阻R2并聯(lián)連接；所述單向通流模塊包括:至少一對全控器件和至少一對不控器件，全控器件與不控器件同向串聯(lián)連接。
[0009]所述電流轉(zhuǎn)移模塊包括非線性電阻R2、全控器件串聯(lián)模塊、不控器件全橋模塊，非線性電阻、全控器件串聯(lián)模塊與不控器件全橋模塊的兩個橋臂并聯(lián)連接；
所述全控器件串聯(lián)模塊包括至少兩個同向串聯(lián)連接的全控器件；
所述不控器件全橋模塊的每個橋臂由至少兩個不控器件正向串聯(lián)連接構(gòu)成，兩橋臂的中點分別作為電流轉(zhuǎn)移模塊的輸入和輸出端。
[0010]本發(fā)明的另一目的在于提供一種高壓直流斷路器的控制方法:
一)當(dāng)直流系統(tǒng)正常運行時，閉合機械開關(guān)S，電流轉(zhuǎn)移模塊中的全控器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)電流流經(jīng)通態(tài)電流支路中串聯(lián)連接的機械開關(guān)和電流轉(zhuǎn)移模塊；
二)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時:
①首先開通分?jǐn)嚯娏髦返娜仄骷?lián)閥組，再閉鎖通態(tài)電流支路的電流轉(zhuǎn)移模塊的全控器件；
②當(dāng)通態(tài)電流支路電流完全轉(zhuǎn)移至橋式支路和分?jǐn)嚯娏髦泛螅P(guān)閉通態(tài)電流支路的機械開關(guān)s ；
③當(dāng)機械開關(guān)S無弧分?jǐn)嗪螅]鎖分?jǐn)嚯娏髦返娜仄骷?lián)閥組，此時故障電流轉(zhuǎn)移至非線性電阻R1中，直至系統(tǒng)能量被其所消耗吸收，所述直流斷路器完成分?jǐn)唷?br>[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是:
1、本發(fā)明通過引入由不控器件串聯(lián)閥組構(gòu)成的橋式支路使得分?jǐn)嚯娏髦纺軌蚍謹(jǐn)嚯p向線路電流，顯著減少全控器件的數(shù)量，不控器件的價格相比全控器件的通流能力強且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全控器件，因此可以大大降低設(shè)備成本；
2、本發(fā)明的橋式支路種各換向模塊由不控器件串聯(lián)閥組和電感串聯(lián)連接構(gòu)成，不控器件的橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了電流換向功能，串聯(lián)電感限制了電流換向過程中產(chǎn)生的電流變化速率;
3、本發(fā)明所提供的斷路器正常運行時，由機械開關(guān)和少量電力電子器件通流，通態(tài)損耗?。?br>4、本發(fā)明所提供的斷路器能夠?qū)崿F(xiàn)機械開關(guān)的無弧分?jǐn)?，能夠延長開關(guān)的使用壽命，提高開關(guān)的分?jǐn)嗨俣龋子趯崿F(xiàn)開關(guān)串聯(lián)連接時的均壓問題。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明提供的高壓直流斷路器的第一實施例的電路圖。
[0013]圖2是本發(fā)明提供的高壓直流斷路器的第二實施例的電路圖。
[0014]圖3是本發(fā)明提供的高壓直流斷路器的第三實施例的電路圖。
[0015]圖4是本發(fā)明提供的高壓直流斷路器的第四實施例的電路圖。
[0016]圖5是電流轉(zhuǎn)移模塊的第一實施例的電路圖。
[0017]圖6是電流轉(zhuǎn)移模塊的第二實施例的電路圖。
[0018]圖7是電流轉(zhuǎn)移模塊的第三實施例的電路圖。
[0019]圖8是電流轉(zhuǎn)移模塊的第四實施例的電路圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0021]本發(fā)明公開的高壓直流斷路器，包括通態(tài)電流支路、電流換向與分?jǐn)鄦卧?br>[0022]通態(tài)電流支路包括串聯(lián)連接的機械開關(guān)S和包含全控器件的電流轉(zhuǎn)移模塊。機械開關(guān)S的主要作用是隔斷電壓，在分?jǐn)嚯娏髦贩謹(jǐn)嗪螅瑢谕☉B(tài)電流支路兩端產(chǎn)生較高的分?jǐn)嚯妷?，機械開關(guān)S可承受很高的分?jǐn)嚯妷海闺娏鬓D(zhuǎn)換模塊承受很小的分?jǐn)嚯妷?。電流轉(zhuǎn)移模塊中包含的全控器件較少，機械開關(guān)S的通態(tài)電阻也很小，在正常工作狀態(tài)下，線路電流流經(jīng)通態(tài)電流支路后產(chǎn)生的損耗很低。
[0023]電流換向與分?jǐn)鄦卧?橋式支路和分?jǐn)嚯娏髦贰?br>[0024]分?jǐn)嚯娏髦返闹饕饔檬侵袛嗑€路中的故障電流，并能夠承受較高的分?jǐn)嚯妷骸Ｋ蒒個分?jǐn)嚯娏髂K串聯(lián)組成，其中:N為不小于1的整數(shù)。分?jǐn)嚯娏髂K包括:并聯(lián)連接的非線性電阻R1和全控器件串聯(lián)閥組。當(dāng)分?jǐn)嚯娏髦方邮盏椒謹(jǐn)嘀噶詈螅椒謹(jǐn)嗳仄骷?lián)閥組中的所有全控器件，分?jǐn)嗪髸陔姽?jié)點c和電節(jié)點d之間產(chǎn)生分?jǐn)嚯妷?，高電壓使并?lián)在兩端的非線性電阻R1阻抗發(fā)生變化，最終電流被換至非線性電阻R1，能量由非線性電阻R1所吸收。需要說明的是:應(yīng)用于分?jǐn)嚯娏髦返娜仄骷倲?shù)是固定，每個全控器件串聯(lián)閥組內(nèi)全控器件的數(shù)量根據(jù)全控器件串聯(lián)閥組的數(shù)量平均分配，即N取值越大，則每個全控器件串聯(lián)閥組內(nèi)全控器件的數(shù)量越少。采用多個分?jǐn)嚯娏髂K串聯(lián)連接是為了減少單個分?jǐn)嚯娏髂K體積大小、便于擴展集成。
[0025]橋式支路包括由四個電節(jié)點和四個相同的換向模塊采用橋式連接構(gòu)成，其中:換向模塊D1、換向模塊D3通過電節(jié)點a同向串聯(lián)，構(gòu)成橋式支路的第一橋臂；換向模塊D2、換向模塊D4通過電節(jié)點b同向串聯(lián)，構(gòu)成橋式支路的第二橋臂；換向模塊D1通過電節(jié)點c與換向模塊D2電連接，換向模塊D3通過電節(jié)點d與換向模塊D4電連接，使第一橋臂和第二橋臂實現(xiàn)同向并聯(lián)連接。電節(jié)點a和電節(jié)點b分別引出一個連接線作為電流換向與分?jǐn)鄦卧慕与娋€端，電節(jié)點c和電節(jié)點d之間連接分?jǐn)嚯娏髦贰?br>[0026]換向模塊由不控器件串聯(lián)閥組和電感串聯(lián)組成。電流由通態(tài)電流支路向橋式支路和分?jǐn)嚯娏髦忿D(zhuǎn)移時，由于全控器件關(guān)斷速度很快，電流將快速轉(zhuǎn)移，此時流過橋式支路的不控器件的電流將迅速上升，因此串聯(lián)電感的主要作用是抑制換流過程中較大的電流變化速率(di/dt)，以防止功率器件損壞。不控器件串聯(lián)閥組的橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了電流換向功能，具體為:當(dāng)線路電流方向為電節(jié)點a流向電節(jié)點b時，電流通過換向模塊D1和D4流過分?jǐn)嚯娏髦?，此時換向模塊D1和D4導(dǎo)通、