CN103337829A - 一种半控型无源注入电流式高压直流断路器及其实现方法 - Google Patents
一种半控型无源注入电流式高压直流断路器及其实现方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种直流***的断路器，具体涉及一种半控型无源注入电流式高压直流断路器及其实现方法。该断路器包含由高速开关-IGBT1模块串联支路，以及与该支路并联连接的非线性电阻器支路和由电力电子器件、电容器、电抗器、电阻组成桥式电路。本发明能够从运行的直流***中直接对注入电流的电容器充电，不需要装设辅助电路；采用高速机械开关，保持了在正常导通时低损耗的优点，而且能够实现快速、无弧地分断双向电流；电路拓扑结构新颖，技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，且使用的电力电子器件以半控型器件为主，极大程度上降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流***的断路器，具体涉及一种半控型无源注入电流式高压直流断路器及其实现方法。
背景技术
随着基于电压源换流器（VSC）的多端柔性直流和直流电网技术的开始应用，快速直流断路器成为保证***稳定安全可靠运行的关键设备之一。在交流***中，交流电流在一个周期内存在两个自然过零点，交流断路器正是利用电流的自然过零点关断电流，而在直流***中，直流电流不存在自然过零点，因此直流电流的开断远比交流电流的开断困难。
开断直流电流通常有三种方式，一种是在常规交流机械断路器的基础上，通过增加辅助电路，在开断弧间隙的直流电流上迭加增幅的振荡电流，利用电流过零时开断电路，利用这种原理制造的机械式断路器，在分断时间上无法满足多端柔性直流输电***的要求；一种是利用大功率可关断电力电子器件，直接分断直流电流，利用这种原理制造的固态断路器，在时间上虽然可以满足多端柔性直流***的要求，但在正常导通时的损耗过大，经济性较差；一种是采用机械开关和电力电子器件混合的方式，正常运行由机械开关通流，故障时分断机械开关，利用产生的电弧电压将电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。基于该原理断路器既减低了通态损耗，又提高了分断速度，但是需要使用大量的全控器件串联，技术难度大，制造成本高，而且当短路电流超过单个全控器件所能耐受电流峰值时，其成本将接近翻倍。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种半控型无源注入电流式高压直流断路器，另一目的是提供一种半控型无源注入电流式高压直流断路器的实现方法，本发明能够从运行的直流***中直接对注入电流的电容器充电，不需要装设辅助电路；采用高速机械开关，保持了在正常导通时低损耗的优点，而且能够实现快速、无弧地分断双向电流，电路拓扑结构使用的电力电子器件以半控型器件为主，极大程度上降低了成本。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种半控型无源注入电流式高压直流断路器，其改进之处在于，所述断路器包括高速开关-IGBT1模块串联支路、以及与该支路并联的非线性电阻器支路和桥式电路，电容器-电抗器串联支路连接于所述桥式电路两桥臂的中点处；晶闸管模块-IGBT2模块并联支路连接与所述桥式电路两桥臂的端点处。
其中，所述高速开关-IGBT1模块串联支路包括串联连接的高速开关K和至少一组IGBT1模块；所述IGBT1模块包括两个反方向串联的IGBT，所述IGBT两端均反并联有二极管；所述高速开关K由至少一个机械开关组成，当包括两个以上机械开关时，为串联结构。
其中，所述非线性电阻器支路采用金属氧化物限压器MOV实现。
其中，四组反方向并联的晶闸管阀两两串联后再并联，构成桥式电路的两个桥臂；四组反方向并联的晶闸管阀分别用晶闸管阀T1、晶闸管阀T2、晶闸管阀T3和晶闸管阀T4表示；所述晶闸管阀均由晶闸管串联组成。
其中，所述电容器-电抗器串联支路由电容器C和电抗器L串联组成。
其中，所述晶闸管模块-IGBT2模块并联支路包括并联的晶闸管模块T和电阻R-IGBT2模块串联支路；所述晶闸管模块T由反并联的晶闸管组成；所述电阻R-IGBT2模块串联支路由电阻R和IGBT2模块串联组成；所述IGBT2模块包括两个反方向串联的IGBT，所述IGBT两端均反并联有二极管。
本发明基于另一目的提供的一种半控型无源注入电流式高压直流断路器的实现方法，其改进之处在于，所述方法针对直流***正常运行和发生接地短路故障两种情况实施不同的操作。
其中，当直流***正常运行时，所述高速开关K闭合，保持IGBT1模块处于触发状态，电流经高速开关K、IGBT1模块导通；所述电容器C两端初始电压为零；
对电容器C进行充电时，触发IGBT2模块、晶闸管阀T1、T4和T3，随后闭锁IGBT1模块，电流强迫转移至R-IGBT2-T4-T3回路中，所述电容器电压上升至与电阻R两端压降相等后，晶闸管阀T1关断，取能结束；随后触发IGBT1模块，闭锁IGBT2模块，电流重新转移至高速开关-IGBT1模块串联支路中。
其中，
当直流***发生接地短路故障时，根据短路电流方向和电容器C电压方向，触发晶闸管模块T、晶闸管阀T4、T2组合或晶闸管阀T3和T1组合，电容器C经电抗器L放电，流过高速开关K的短路电流向晶闸管模块T、晶闸管阀T4、电容器C、电抗器L和晶闸管阀T2所在支路转移直至过零；
或流过高速开关K的短路电流向晶闸管阀T3、电容器C、电抗器L和晶闸管阀T1所在支路转移直至过零；
高速开关-IGBT1模块串联支路电流过零后，分断高速开关K；
短路电流对电容器C充电，当电容器电压极性反转，并达到第一电压水平时，非线性电阻器支路阻抗降低，短路电流转移至非线性电阻器支路中被消耗吸收，所述断路器完成分断；所述第一电压水平指的是高于***电压的电压水平。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的半控型无源注入电流式高压直流断路器，基于传统有源注入电流方式分断直流电流的原理，在此基础上引入了电力电子器件，能够从运行的直流***中直接对注入电流的电容器充电，不需要装设辅助电路。采用高速机械开关，保持了在正常导通时低损耗的优点，而且能够实现快速、无弧地分断双向电流。电路拓扑结构新颖，技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，且使用的电力电子器件以半控型器件为主，极大程度上降低了成本。
2、本发明所提供的断路器正常运行时，由高速机械开关和少量电力电子器件流通，通态损耗小；
3、本发明所提供的断路器能够实现机械开关的无弧分断，能够延长开关的使用寿命，提高开关的分断速度，易于实现机械开关串联连接时的均压问题；
4、本发明所提供的断路器动作时在直流***中串入电容器，兼有限流作用；
5、本发明所提供的断路器拓扑所使用主要为半控型电力电子器件，而且数目少，具备双向切断电流的能力，相较于基于全控器件的固态性或混合型断路器，成本明显降低；
6、本发明所提供的断路器能够实现从所接入的直流***中为电容器补充能量，不需要增设辅助电源，降低了设备体积，精简了构造；
7、本发明所提供的断路器结构新颖，动作迅速，分断电流能力大，耐受电压等级高，易于实现。
附图说明
图1是本发明提供的半控型无源注入电流式高压直流断路器拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供的半控型无源注入电流式高压直流断路器拓扑结构图如图1所示，通过端口1和2串联接入直流***中，包含由高速开关-IGBT1模块串联支路，以及与该支路并联连接的非线性电阻器支路和由电力电子器件、电容器、电抗器、电阻组成桥式电路。所述高速开关K由至少一个机械开关组成，当包括两个以上机械开关时，为串联结构，简称高速机械开关。
四组反方向并联连接的晶闸管阀两两串联连接后再并联构成桥式电路的两个桥臂，四组反方向并联的晶闸管阀分别用晶闸管阀T1、晶闸管阀T2、晶闸管阀T3和晶闸管阀T4表示。电容器C-电抗器L支路串联连接于两桥臂中点，电阻R与一组反方向串联的两个IGBT2模块串联连接后与一组反并联晶闸管并联连接于两桥臂端点。各IGBT两端均有反并联二极管。
IGBT1模块包括两个反方向串联的IGBT。IGBT2模块包括两个反方向串联的IGBT，所述IGBT由IGBT两端均有反并联二极管；非线性电阻器支路采用金属氧化物限压器MOV（避雷器）实现。
本发明还提供了一种半控型无源注入电流式高压直流断路器的实现方法，针对直流***正常运行和发生接地短路故障两种情况实施不同的操作。
（1）当直流***正常运行时，流过图1中箭头所示方向电流时，高速机械开关K闭合，保持IGBT1模块处于触发状态，电流经高速机械开关K、IGBT1模块、D1导通。IGBT1模块所需要耐受的电压低，使得其通态电阻低，因此***正常运行时，本发明断路器产生的损耗将很小。该拓扑断路器没有辅助电源，电容器两端初始电压为零。需要对电容器C进行充电时，触发IGBT2模块、晶闸管阀T1、T4和T3，随后闭锁IGBT1模块，电流强迫转移至R-IGBT2-T4-T3支路中，电容器电压上升至与电阻两端压降相等后，晶闸管阀T1关断，取能结束；随后触发IGBT1模块，闭锁IGBT2模块，电流重新转移至K、IGBT1模块中。
（2）当直流***在端口2侧发生接地短路故障时，触发晶闸管模块T、晶闸管阀T4和T2，电容器C经电抗器L放电，流过高速机械开关K的短路电流迅速向晶闸管模块T、晶闸管阀T4、电容器C、电抗器L和晶闸管阀T2所在支路转移直至过零。此过程中可以选择合适电抗器感值来控制电流的转移速度。此后，由于电力电子器件的单向导通性使得流过高速机械开关的电流将会维持过零一段时间，取决于短路电流发展特性、电容的预充电电压、电容值以及电感值。在这段时间内将高速机械开关进行分断，分断延迟时间为百微妙级，整个动作时间在毫秒级，其作用类似于交流***中所用的隔离开关，分断过程中不会产生电弧，不会对开关触头造成损伤，而且有利于让高速机械开关K快速耐受达到避雷器阈值水平的***过电压。
短路电流经R-T-T4-C-L-T2流通，对电容器C充电，当电容电压极性反转，并达到避雷器阈值水平时，避雷器阻抗迅速降低，短路电流转移至避雷器支路中被消耗吸收，断路器完成分断。在此过程中，需要选择合适的电容器容值，保证其两端的电压上升率不得高于机械开关在断开过程中所能耐受的电压。
当***流过与图1所示反方向的运行电流，且接地短路故障发生在端口1侧时，电容充电以及断路器动作时序与上述动作时序一样，只需将触发电力电子器件替换与各自反向的器件。
本发明提供的半控型无源注入电流式高压直流断路器及其实现方法，由高速机械开关和少量电力电子器件流通，通态损耗小；能够实现高速机械开关的无弧分断，能够延长开关的使用寿命，提高开关的分断速度，易于实现机械开关串联连接时的均压问题；断路器拓扑所使用主要为半控型电力电子器件，而且数目少，具备双向切断电流的能力，相较于基于全控器件的固态性或混合型断路器，成本明显降低。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种半控型无源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述断路器包括高速开关-IGBT1模块串联支路、以及与该支路并联的非线性电阻器支路和桥式电路，电容器-电抗器串联支路连接于所述桥式电路两桥臂的中点处；晶闸管模块-IGBT2模块并联支路连接与所述桥式电路两桥臂的端点处。
2.如权利要求1所述的半控型无源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述高速开关-IGBT1模块串联支路包括串联连接的高速开关K和至少一组IGBT1模块；所述IGBT1模块包括两个反方向串联的IGBT，所述IGBT两端均反并联有二极管；所述高速开关K由至少一个机械开关组成，当包括两个以上机械开关时，为串联结构。
3.如权利要求1所述的半控型无源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述非线性电阻器支路采用金属氧化物限压器MOV实现。
4.如权利要求1所述的半控型无源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，四组反方向并联的晶闸管阀两两串联后再并联，构成桥式电路的两个桥臂；四组反方向并联的晶闸管阀分别用晶闸管阀T1、晶闸管阀T2、晶闸管阀T3和晶闸管阀T4表示；所述晶闸管阀均由晶闸管串联组成。
5.如权利要求1所述的半控型无源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述电容器-电抗器串联支路由电容器C和电抗器L串联组成。
6.如权利要求1所述的半控型无源注入电流式高压直流断路器，其特征在于，所述晶闸管模块-IGBT2模块并联支路包括并联的晶闸管模块T和电阻R-IGBT2模块串联支路；所述晶闸管模块T由反并联的晶闸管组成；所述电阻R-IGBT2模块串联支路由电阻R和IGBT2模块串联组成；所述IGBT2模块包括两个反方向串联的IGBT，所述IGBT两端均反并联有二极管。
7.一种半控型无源注入电流式高压直流断路器的实现方法，其特征在于，所述方法针对直流***正常运行和发生接地短路故障两种情况实施不同的操作。
8.如权利要求7所述的半控型无源注入电流式高压直流断路器的实现方法，其特征在于，当直流***正常运行时，所述高速开关K闭合，保持IGBT1模块处于触发状态，电流经高速开关K、IGBT1模块导通；所述电容器C两端初始电压为零；
对电容器C进行充电时，触发IGBT2模块、晶闸管阀T1、T4和T3，随后闭锁IGBT1模块，电流强迫转移至R-IGBT2-T4-T3回路中，所述电容器电压上升至与电阻R两端压降相等后，晶闸管阀T1关断，取能结束；随后触发IGBT1模块，闭锁IGBT2模块，电流重新转移至高速开关-IGBT1模块串联支路中。
9.如权利要求7所述的半控型无源注入电流式高压直流断路器的实现方法，其特征在于，当直流***发生接地短路故障时，根据短路电流方向和电容器C电压方向，触发晶闸管模块T、晶闸管阀T4、T2组合或晶闸管阀T3和T1组合，电容器C经电抗器L放电，流过高速开关K的短路电流向晶闸管模块T、晶闸管阀T4、电容器C、电抗器L和晶闸管阀T2所在支路转移直至过零；
或流过高速开关K的短路电流向晶闸管阀T3、电容器C、电抗器L和晶闸管阀T1所在支路转移直至过零；
高速开关-IGBT1模块串联支路电流过零后，分断高速开关K；
短路电流对电容器C充电，当电容器电压极性反转，并达到第一电压水平时，非线性电阻器支路阻抗降低，短路电流转移至非线性电阻器支路中被消耗吸收，所述断路器完成分断；所述第一电压水平指的是高于***电压的电压水平。
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