CN104836250B - 一种极间电流转移开关 - Google Patents

一种极间电流转移开关 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种极间电流转移开关，包括主动支路、从动支路、全桥子模块和控制模块；主动支路包括串联的上桥臂和下桥臂，从动支路也包括串联的上桥臂和下桥臂；主动支路的上桥臂和从动支路的上桥臂之间连接有第一极导线，主动支路的下桥臂和从动支路的下桥臂之间连接有第三极导线，主动支路的两个桥臂连接点与从动支路的两个桥臂连接点之间连接第二极导线。与现有技术相比，本发明提供的一种极间电流转移开关，减小了第三极导线电压极性翻转时，直流电流的变化速率，同时也减小了极间电流转移开关需要断开的电流。

Description

一种极间电流转移开关
技术领域
本发明涉及一种电流转移开关，具体涉及一种极间电流转移开关。
背景技术
近年，城市用电负荷不断增长，客观上要求电网规模与传输容量保持持续发展，然而目前城市电网普遍存在以下问题。
城市用电负荷增加，交流线路输送能力不足，线路走廊匮乏。对于重载的交流线路，无法通过加装FACTS装置大幅提高输送能力，而新建线路遇到的阻力越来越大，特别是进城的线路工程，在征地、环保方面难以得到支持。城市电网结构日益紧密，短路电流问题突出。
城市电网发展速度较快，电网线路相互交织，紧密程度较高，等效阻抗较小，导致电网的短路电流水平较高。如采用新建交流线路来解决城市电网供电能力不足的问题，将会造成电网进一步紧密，等效阻抗进一步减小，从而导致短路电流增大，影响电网安全运行。
城市电网无功电压调节日趋困难，电压稳定性问题不容忽视。城市电网中电缆线路日益增多，市区变电站受用地限制，感性无功配置普遍不足，无功电压调节日趋困难，尤其是电网低谷负荷时段，电压偏高情况严重。此外，城市电网中空调负荷、电动机负荷比重较大，由于快速的动态无功调整能力不足，电网高峰负荷时段动态电压稳定问题逐渐突出。
鉴于上述问题，有必要研究新的技术手段，既要充分发挥现有线路走廊的输电潜力，又要防止出现短路电流超标和动态无功支撑不足等问题。
从输电线路方面来看，制约交流线路传输容量的主要因素是绝缘耐受能力。目前，交流***的绝缘按照电压峰值设计，但是传输容量是由电压有效值决定，仅为峰值的71％。研究表明，交流线路在直流方式下运行，由于绝缘层内的电场分布、发热情况等方面的差异，交流线路的直流绝缘强度几乎是交流电压的2～3倍或更大。另外，对于电缆线路，由于其电容要比架空线路大得多，如果采用交流输电方式并且当电缆长度超过一定数值(如40～60km)时，就会出现电容电流占用电缆芯线全部有效负载能力的情况，而采用直流输电方式，其稳态电容电流仅是由纹波电压引起，数值很小，故电缆的送电长度几乎不受电容电流的限制。
综上，需要提供一种将三相交流线路改造为柔性直流输电的方案，特别是需要提供一种极间电流转移开关，减小在其切换过程中需要断开的电流值。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种极间电流转移开关。
本发明的技术方案为：
所述开关包括主动支路、从动支路、全桥子模块和控制模块；所述主动支路包括串联的上桥臂和下桥臂，所述从动支路也包括串联的上桥臂和下桥臂；
所述主动支路的上桥臂和从动支路的上桥臂之间连接有第一极导线，主动支路的下桥臂和从动支路的下桥臂之间连接有第二极导线，主动支路的两个桥臂连接点与从动支路的两个桥臂连接点之间连接第三极导线。
优选的，所述主动支路的上桥臂与分流电阻连接后接入所述第一极导线；所述从动支路的下桥臂与分流电阻连接后接入所述第二极导线；
所述分流电阻端并联有全控型器件，用于旁路所述分流电阻；
优选的，所述主动支路的上桥臂和下桥臂，以及所述从动支路的上桥臂和下桥臂均为一个开关组件；所述开关组件包括串联的全控型器件和隔离开关；
优选的，所述主动支路中上桥臂的全控型器件的集电极与第一极导线连接，下桥臂的全控型器件的发射极与第二极导线连接；所述从动支路中上桥臂的全控型器件的发射极与第一极导线连接，下桥臂的全控型器件的集电极与第二极导线连接；
优选的，所述主动支路的上桥臂的全控型器件的集电极与第一直流***的正极连接，下桥臂的全控型器件的发射极与第一直流***的负极连接；所述从动支路的上桥臂的全控型器件的发射极与第二直流***的正极连接，下桥臂的全控型器件的集电极与第二直流***的负极连接；
优选的，所述全桥子模块包括依次并联的第一桥臂、电容器和第二桥臂；所述第一桥臂包括两个串联的全控型器件，所述全控型器件的连接点连接于所述主动支路的上桥臂和下桥臂之间；
所述第二桥臂也包括两个串联的全控型器件，所述全控型器件的连接点连接于所述从动支路的上桥臂和下桥臂之间；
所述全控型器件两端均并联有一个二极管，所述二极管的阳极与全控型器件的发射极连接，二极管的阴极与全控型器件的集电极连接；
优选的，所述控制模块，向所述主动支路和从动支路发送全控型器件的切换时序指令，从而调整主动支路的上桥臂导通或者断开，以及调整主动支路的下桥臂导通或者断开；
所述控制模块，向全桥子模块发送全控型器件的投切时序指令，调整全控型器件导通或者闭锁，从而改变全桥子模块的工作状态；
优选的，所述控制模块通过分别调整所述主动支路、从动支路和全桥子模块的工作状态，改变所述第三极导线的电压方向和电流方向，包括：
步骤1：向所述全桥子模块发送全控型器件的投切时序指令，所述投切时序指令为闭锁所有的全控型器件，所述全桥子模块的电容器开始充电；
步骤2：向所述主动支路和从动支路发送全控型器件的切换时序指令，同时向全桥子模块发送新的全控型器件的投切时序指令，从而改变第三极导线的电压方向和电流方向；
优选的，步骤2中切换时序指令包括：
所述主动支路中上桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通，与该上桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件闭锁；主动支路中下桥臂的隔离开关断开，与该下桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件导通；所述从动支路中上桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通；从动支路中下桥臂的隔离开关断开；
所述步骤2中投切时序指令包括电容器充电指令、电容器放电指令和电容器旁路指令；
优选的，步骤2中切换时序指令包括：
所述主动支路中上桥臂的隔离开关断开，与该上桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件导通；主动支路中下桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通，与该下桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件闭锁；所述从动支路中上桥臂的隔离开关断开；从动支路中下桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通；
所述步骤2中投切时序指令包括电容器充电指令、电容器放电指令和电容器旁路指令。
与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
1、本发明技术方案中，极间电流转移开关通过对第一种工作状态和第二种工作状态进行周期性切换，可以实现第三极导线的电压极性翻转，周期性的改变第三极导线的电压电流极性，在保证功率方向不变的前提下，实现第一极导线和第二极导线对电流的周期性分担；
2、本发明技术方案中，极间电流转移开关通过对全桥子模块的投切，可以减小转移开关在第一种工作状态和第二种工作状态切换过程中转移开关所需断开的电流；
3、本发明技术方案中，极间电流转移开关不需要各子模块直接串联，由全控型器件和隔离开关串联为开关组件，降低了开关组件。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1：本发明实施例中一种极间电流转移开关结构示意图；
图2：本发明实施例中全桥子模块的结构示意图；
图3：本发明实施例中极间电流转移开关在状态1时的电流流通路径示意图；
图4：本发明实施例中极间电流转移开关在状态2时的电流流通路径示意图；
图5：本发明实施例中极间电流转移开关在状态1时的全桥子模块为电容充电状态的电流流通路径示意图；
图6：本发明实施例中极间电流转移开关在状态1时的全桥子模块为电容放电状态的电流流通路径示意图；
图7：本发明实施例中极间电流转移开关在状态1时的全桥子模块为电容旁路状态的电流流通路径示意图；
图8：本发明实施例中极间电流转移开关在状态2时的全桥子模块为电容充电状态的电流流通路径示意图；
图9：本发明实施例中极间电流转移开关在状态2时的全桥子模块为电容放电状态的电流流通路径示意图；
图10：本发明实施例中极间电流转移开关在状态2时的全桥子模块为电容旁路状态的电流流通路径示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的一种极间电流转移开关适用于紧凑化输电***，利用了电容器的充放电，配合极间电流调制策略，防止极间电流变化过程中电流突变具有重要意义。
如图1所示，本发明实施例中的极间电流转移开关，包括主动支路、从动支路、全桥子模块和控制模块。其中
主动支路包括串联的上桥臂和下桥臂，从动支路也包括串联的上桥臂和下桥臂。
主动支路的上桥臂和从动支路的上桥臂之间连接有第一极导线，主动支路的下桥臂和从动支路的下桥臂之间连接有第二极导线，主动支路的两个桥臂连接点与从动支路的两个桥臂连接点之间连接第三极导线。其中，XL为导线电抗，RL为导线电阻。
1、主动支路
主动支路的上桥臂与分流电阻Ra连接后接入第一极导线，从动支路的下桥臂与分流电阻Rb连接后接入第二极导线。分流电阻两端并联有全控型器件，用于旁路分流电阻，即分流电阻Ra的两端并联有全控型器件Tp，分流电阻Rb的两端并联有全控型器件Tn。
主动支路的上桥臂和下桥臂，以及从动支路的上桥臂和下桥臂均为一个开关组件，开关组件包括串联的全控型器件和隔离开关。如图1所示，主动支路中上桥臂包括开关组件S11，下桥臂包括开关组件S21，从动支路中上桥臂包括开关组件S12，下桥臂包括开关组件S22。
主动支路中上桥臂的全控型器件的集电极与第一极导线连接，下桥臂的全控型器件的发射极与第二极导线连接。主动支路的上桥臂的全控型器件的集电极与第一直流***的正极连接，下桥臂的全控型器件的发射极与第一直流***的负极连接。
2、从动支路
从动支路中上桥臂的全控型器件的发射极与第一极导线连接，下桥臂的全控型器件的集电极与第二极导线连接。从动支路的上桥臂的全控型器件的发射极与第二直流***的正极连接，下桥臂的全控型器件的集电极与第二直流***的负极连接。
3、全桥子模块
如图2所示，全桥子模块包括依次并联的第一桥臂、电容器Uc和第二桥臂。
第一桥臂包括两个串联的全控型器件VT1和全控型器件VT2，全控型器件VT1和全控型器件VT2的连接点连接于主动支路的上桥臂和下桥臂之间；第二桥臂也包括两个串联的全控型器件VT3和全控型器件VT4，全控型器件VT3和全控型器件VT4的连接点连接于从动支路的上桥臂和下桥臂之间。
全控型器件两端均并联有一个二极管，二极管的阳极与全控型器件的发射极连接，二极管的阴极与全控型器件的集电极连接。
4、控制模块
控制模块，向主动支路和从动支路发送全控型器件的切换时序指令，从而调整主动支路的上桥臂导通或者断开，以及调整主动支路的下桥臂导通或者断开；同时，控制模块，向全桥子模块发送全控型器件的投切时序指令，调整全控型器件导通或者闭锁，从而改变全桥子模块的工作状态。
控制模块通过分别调整主动支路、从动支路和全桥子模块的工作状态，改变第三极导线的电压方向和电流方向，包括：
步骤(1)向全桥子模块发送全控型器件的投切时序指令，投切时序指令为闭锁所有的全控型器件，全桥子模块的电容器开始充电；
步骤(2)向主动支路和从动支路发送全控型器件的切换时序指令，同时向全桥子模块发送新的全控型器件的投切时序指令，从而改变第三极导线的电压方向和电流方向。其中，该步骤中切换时序指令和投切时序指令包括两种工作状态：
第一种工作状态，
1、切换时序指令包括：主动支路中上桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通，与该上桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件闭锁；主动支路中下桥臂的隔离开关断开，与该下桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件导通；从动支路中上桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通；从动支路中下桥臂的隔离开关断开；
主动支路和从动支路执行所述切换时序指令后的电流流通示意图如图3所示，开关组件S11闭合，全控型器件Tp闭锁，分流电阻Ra投入，开关组件S21断开，全控型器件Tn触发，分流电阻Rb被旁路；开关组件S12闭合，开关组件S22断开，第一极导线和第三极导线并联共同承担直流电流，第二极导线独自承担全部返回电流；
2、投切时序指令包括：电容器充电指令、电容器放电指令和电容器旁路指令。
图5示出了全桥子模块为电容充电状态的电流流通路径，所述全桥子模块FBSM中所有全控型器件均闭锁，电流通过二极管VD1和VD4为全桥子模块中的电容器充电。
图6示出了全桥子模块为电容放电状态的电流流通路径，所述全桥子模块FBSM中全控型器件VT2和全控型器件VT3触发导通，电容器存在正向电压，电流通过电流通过VT2、电容器和VT3形成通路，电容器放电。
图7示出了全桥子模块为电容旁路状态的电流流通路径，所述全桥子模块FBSM中全控型器件VT2和全控型器件VT3触发导通，电容器两端电压为零，电流通过VD1和VT3、VT2和VD4形成两条通路，电容器被旁路。
第二种工作状态，
1、切换时序指令包括：主动支路中上桥臂的隔离开关断开，与该上桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件导通；主动支路中下桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通，与该下桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件闭锁；从动支路中上桥臂的隔离开关断开；从动支路中下桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通；
主动支路和从动支路执行所述切换时序指令后的电流流通示意图如图4所示，开关组件S11断开，全控型器件Tp触发，分流电阻Ra被旁路，开关组件S21闭合，全控型器件Tn闭锁，分流电阻Rb投入；开关组件S12断开，开关组件S22闭合，第一极导线独自承担全部直流电流，第二极导线和第三极导线并联共同承担返回电流。
2、投切时序指令包括：电容器充电指令、电容器放电指令和电容器旁路指令。
图8示出了全桥子模块为电容充电状态的电流流通路径，所述全桥子模块FBSM中所有全控型器件均闭锁，电流通过二极管VD3、电容器和VD2形成通路，为子模块中的电容充电。
图9示出了全桥子模块为电容放电状态的电流流通路径，所述全桥子模块FBSM中全控型器件VT1和全控型器件VT4触发导通，所电容器存在正向电压，电流通过电流通过全控型器件VT4、电容器和全控型器件VT1形成通路，电容器放电。
图10示出了全桥子模块为电容旁路状态的电流流通路径，所述全桥子模块FBSM中全控型器件VT1和全控型器件VT4触发导通，电容器两端电压为零，电流通过VD3、全控型器件VT1、全控型器件VT4和VD2形成两条通路，电容器被旁路。
本实施例中，极间电流转移开关通过主动支路和从动支路的动作，在上述第一种工作状态和第二种工作状态中切换。
在切换第一种工作状态或者第二种工作状态之前的某一时刻，将全桥子模块中所有的全控型器件全部闭锁，全桥子模块处于电容充电状态，使得流过主动支路或者从动支路的电流逐步减小，当该电流减小到一定程度，切换主动支路或者从动支路，第一种工作状态和第二种工作状态之间的切换，同时触发全桥子模块，全桥子模块由电容充电状态变为电容放电状态，直至电容器两端电压为零，全桥子模块将自动运行为电容旁路状态。
本实施例中，极间电流转移开关通过对第一种工作状态和第二种工作状态进行周期性切换，可以实现第三极导线的电压极性翻转，周期性的改变第三极导线的电压电流极性，在保证功率方向不变的前提下，实现第一极导线和第二极导线对电流的周期性分担。通过对全桥子模块的投切，可以减小转移开关在第一种工作状态和第二种工作状态切换过程中转移开关所需断开的电流。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (3)

1.一种极间电流转移开关，其特征在于，所述开关包括主动支路、从动支路、全桥子模块和控制模块；所述主动支路包括串联的上桥臂和下桥臂，所述从动支路也包括串联的上桥臂和下桥臂；
所述主动支路的上桥臂和从动支路的上桥臂之间连接有第一极导线，主动支路的下桥臂和从动支路的下桥臂之间连接有第二极导线，主动支路的两个桥臂连接点与从动支路的两个桥臂连接点之间连接第三极导线；
所述主动支路的上桥臂与分流电阻连接后接入所述第一极导线；所述从动支路的下桥臂与分流电阻连接后接入所述第二极导线；
所述分流电阻端并联有全控型器件，用于旁路所述分流电阻；
所述主动支路的上桥臂和下桥臂，以及所述从动支路的上桥臂和下桥臂均为一个开关组件；所述开关组件包括串联的全控型器件和隔离开关；
所述全桥子模块包括依次并联的第一桥臂、电容器和第二桥臂；所述第一桥臂包括两个串联的全控型器件，所述全控型器件的连接点连接于所述主动支路的上桥臂和下桥臂之间；
所述第二桥臂也包括两个串联的全控型器件，所述全控型器件的连接点连接于所述从动支路的上桥臂和下桥臂之间；
所述全控型器件两端均并联有一个二极管，所述二极管的阳极与全控型器件的发射极连接，二极管的阴极与全控型器件的集电极连接；
所述控制模块，向所述主动支路和从动支路发送全控型器件的切换时序指令，从而调整主动支路的上桥臂导通或者断开，以及调整主动支路的下桥臂导通或者断开；
所述控制模块，向全桥子模块发送全控型器件的投切时序指令，调整全控型器件导通或者闭锁，从而改变全桥子模块的工作状态；
所述控制模块通过分别调整所述主动支路、从动支路和全桥子模块的工作状态，改变所述第三极导线的电压方向和电流方向，包括：
步骤1：将全桥子模块中所有的全控型器件全部闭锁，全桥子模块处于电容充电状态，使得流过主动支路或者从动支路的电流逐步减小；
步骤2：当该电流减小到一定程度，向所述主动支路和从动支路发送第一种工作状态切换时序指令或第二种工作状态切换时序指令，同时触发全桥子模块，全桥子模块由电容充电状态变为电容放电状态，直至电容器两端电压为零，全桥子模块将自动运行为电容旁路状态，从而改变第三极导线的电压方向和电流方向；
步骤2中的第一种工作状态中切换时序指令为：
所述主动支路中上桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通，与该上桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件闭锁；主动支路中下桥臂的隔离开关断开，与该下桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件导通；所述从动支路中上桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通；从动支路中下桥臂的隔离开关断开；
步骤2中的第二种工作状态中切换时序指令为：
所述主动支路中上桥臂的隔离开关断开，与该上桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件导通；主动支路中下桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通，与该下桥臂连接的分流电阻两端的全控型器件闭锁；所述从动支路中上桥臂的隔离开关断开；从动支路中下桥臂的隔离开关闭合、全控型器件导通。
2.如权利要求1所述的极间电流转移开关，其特征在于，所述主动支路中上桥臂的全控型器件的集电极与第一极导线连接，下桥臂的全控型器件的发射极与第二极导线连接；所述从动支路中上桥臂的全控型器件的发射极与第一极导线连接，下桥臂的全控型器件的集电极与第二极导线连接。
3.如权利要求1所述的极间电流转移开关，其特征在于，所述主动支路的上桥臂的全控型器件的集电极与第一直流***的正极连接，下桥臂的全控型器件的发射极与第一直流***的负极连接；所述从动支路的上桥臂的全控型器件的发射极与第二直流***的正极连接，下桥臂的全控型器件的集电极与第二直流***的负极连接。
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