CN107370130A - 一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略，断路器包括IGBT模块、超快速机械开关、负载转移开关、子模块电容以及泄能支路。本发明针对传统混合式高压直流断路器的基本拓扑进行了改进，通过引入改进型半桥子模块，使故障能量通过子模块电容进行吸收，避免额外配置MOV避雷器所带来的设备投资；同时通过其泄能支路的开断，使子模块电容电压稳定在合理范围内，防止器件损毁。

Description

一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控 制策略

技术领域

本发明属于电力电子***技术领域，具体涉及一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略。

背景技术

为解决跨区域、大规模电力传输以及提升分布式新能源接纳能力，基于模块化多电平换流器的柔性直流电网技术正逐渐成为我国电网未来发展的重要方向之一。与交流输电以及传统直流输电技术相比，柔性直流输电具有有功功率无功功率可解耦控制、无需无功补偿装置、占地面积小、输出电压波形质量好等优点。然而虽然其在稳态运行方面具备显著优势，但其在直流故障保护与处理方面仍存在较大技术难题，其中高压直流断路器的研制是其中最为关键的技术难点。

就目前研发现状而言，基于常规机械开关和电力电子器件组合的混合式高压直流断路器最具有大规模商业化应用的前景。ABB公司于2012年宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器，开断时间为5ms，额定电压为320kV，电流开断能力约为9kA。Alstom公司于2013宣布其研发的超快速机械电子断路器获得成功，额定电压为120kV，电流开断能力约为5.2kA。全球能源互联网研究院于2014年宣布研制完成额定电压为200kV的混合式高压直流断路器，可在3ms内分断15kA的故障电流，并于2016年12月在舟山五端柔性直流输电工程成功投运。然而以上断路器拓扑皆未解决其造价昂贵、经济性差的缺点，这一缺陷严重限制了直流电网的建设可行性。

造成以上混合式高压直流断路器经济性差的原因主要包含两方面：第一，其故障断流支路由大量电力电子器件串联而成，其造价较为昂贵；第二，故障切除后剩余能量需通过耗能支路(主要为MOV避雷器)来进行耗散，这使其需承受较高的过电压，导致其占地面积大、设备投资高。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略，其针对传统混合式高压直流断路器的基本拓扑进行了改进，通过引入改进型半桥子模块，使故障能量通过子模块电容进行吸收，避免额外配置MOV避雷器所带来的设备投资；同时通过其泄能支路的开断，使子模块电容电压稳定在合理范围内，防止器件损毁。

一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器，具有稳态运行和故障处理两种工作模式，其一端通过隔离开关以及电抗器与换流站相连，另一端则与直流输电线路相连；所述混合式高压直流断路器包括IGBT模块T1、超快速机械开关、负载转移开关、电容C以及泄能支路；其中，所述负载转移开关由IGBT模块T2构成，所述泄能支路由IGBT模块T3和泄能电阻构成，IGBT模块T1的发射极与超快速机械开关的一端以及隔离开关相连IGBT模块T1的集电极与电容C的一端以及IGBT模块T3的集电极相连，IGBT模块T3的发射极与泄能电阻的一端相连，超快速机械开关的另一端与IGBT模块T2的集电极相连，IGBT模块T2的发射极与电容C的另一端、泄能电阻的另一端以及直流输电线路相连。

所述IGBT模块T1和T2均由若干带反并联二极管的IGBT串并联组成，IGBT模块T3则由若干IGBT串并联组成。

所述负载转移开关在稳态运行模式下处于导通状态，在故障处理模式下用于将直流电流转移至电容C。

在稳态运行模式下，所述混合式高压直流断路器的控制策略为：使IGBT模块T1和T3关断、超快速机械开关闭合、负载转移开关导通；此运行模式下，断路器中的电容C不会充电且电容电压为零；

在故障处理模式下，所述混合式高压直流断路器的控制策略包括如下步骤：

(1)若直流输电线路在t₀时刻发生短路故障，则断路器会在t₁时刻收到相应故障指令，并立刻对负载转移开关施加关断信号，同时对IGBT模块T1施加导通信号；此时由于直流电流在负载转移开关中的流通路径被切断，经过一定时间延时，直流电流将全部经由IGBT模块T1对电容C进行充电；

(2)负载转移开关在t₂时刻完成关断动作后，对超快速机械开关施加关断信号，经过一定时间延时，超快速机械开关在t₃时刻完成关断动作；此时直流电流将充分被电容C吸收，直至下降为0；

(3)由于直流电流持续为电容C充电，因此电容电压持续上升，当电容电压超过设定的安全阈值上限U_max时，对泄能支路中的IGBT模块T3施加导通信号，电容C中的能量将通过泄能电阻进行释放；当电容电压小于设定的安全阈值下限U_min时，对泄能支路中的IGBT模块T3施加关断信号，电容C中的能量不再通过泄能电阻进行释放；

(4)当直流电流下降为0后，将隔离开关打开，此时故障被隔离；故障隔离后，使电容C中的能量通过一定形式的辅助电路进行释放，直至电容电压恢复至0。

所述t₁时刻～t₂时刻的间隔为250μs，t₂时刻～t₃时刻的间隔为2ms，整个过程可在5ms内完成。

本发明混合式高压直流断路器通过采用改进型的半桥子模块结构，利用子模块中的电容吸收故障能量，清除故障电流；由于电容造价低廉，且高耐压能力容易实现，因此与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明断路器中故障能量可被子模块电容充分吸收，无需加设MOV避雷器，减小了设备投资以及占地面积。

(2)本发明断路器中故障断流支路主要由子模块电容构成，无需采用大量电力电子器件串联的传统结构，减小了高昂的IGBT投资成本，大幅降低了其成本造价。

附图说明

图1为本发明混合式高压直流断路器的结构示意图。

图2为本发明混合式高压直流断路器的故障处理策略流程图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明混合式高压直流断路器采用了改进型半桥子模块结构，如图1所示，断路器由两个IGBT管T1～T2、两个反并联二极管D1～D2、一个子模块电容C、一个超快速机械开关以及一个泄能支路组成；泄能支路由一个IGBT管T3以及一个泄能电阻R组成。其中，IGBT管T1的发射极与超快速机械开关一侧的连接端口称为A端口，该端口为断路器与换流站出口电抗器及隔离开关的连接端口；超快速机械开关的另一侧与IGBT管T2的集电极相连；IGBT管T1的集电极与子模块电容的一端相连，称为B端口；IGBT管T2的发射极与子模块电容的另一端相连，称为C端口；泄能支路并联在子模块电容两端，IGBT管T3的集电极与B端口相连，发射极与泄能电阻的一端相连，泄能电阻的另一端与C端口相连；C端口为断路器与直流线路的连接端口。

改进型半桥子模块中IGBT管T2与其反并联二极管D2称为负载转移开关，负载转移开关在稳态运行时处于导通状态，在故障处理时用于将电流转移至子模块电容，子模块电容在正常运行时电压为零。

若需增大断路器的承压及电流开断能力，可对每个IGBT管及反并联二极管进行调整。若需增大承压能力，可将IGBT管及反并联二极管从单个管调整为多个管串联；若需增大电流开断能力，可将IGBT管及反并联二极管从单个管调整为多个管并联。

本发明混合式高压直流断路器包含稳态运行模式及故障处理模式：

在稳态运行模式下，IGBT管T1关断、T2导通、T3关断，超快速机械开关闭合。此时若电流方向为A端口至C端口，则电流将流通超快速机械开关及IGBT管T2，若电流方向为C端口至A端口，则电流将流通反并联二极管D2及超快速机械开关。在此运行模式下，子模块电容不会充电，电容电压为零。

如图2所示，在故障处理模式下断路器动作时序如下：

(1)直流线路在t0时刻发生接地故障。断路器在t1时刻收到动作指令，立刻对负载转移开关内的IGBT管T2施加关断信号，对IGBT管T1施加导通信号。由于电流在负载转移开关中的流通路径被切断，经过一段时间延时，电流将全部经由IGBT管T1或其反并联二极管对子模块电容进行充电。

(2)负载转移开关在t2时刻完成开断动作后，对超快速机械开关施加开断信号。经过一定时间延时，超快速机械开关在t3时刻完成开断动作。故障电流将充分被子模块电容吸收，直至下降为0。

(3)由于故障电流持续为子模块电容充电，因此子模块电容电压持续上升。当子模块电容电压超过人为设定的安全阈值上限U_max时，对泄能支路中的IGBT管T3施加导通信号，电容中的能量将通过泄能电阻进行释放；当电容电压小于认为设定的安全阈值下限U_min时，对泄能支路中的IGBT管T3施加关断信号，电容中的能量不在通过泄能电阻进行释放。

(4)直流故障清除后，子模块电容中的能量通过一定形式的辅助电路进行释放，直至电容电压恢复至0。

t1～t2间隔为250μs，t2～t3间隔为2ms，整个过程可在5ms之内完成。

本发明针对传统混合式高压直流断路器的基本拓扑进行了改进，通过引入改进型半桥子模块，使故障能量通过子模块电容进行吸收，清除故障电流，避免额外配置MOV避雷器所带来的设备投资；同时通过其泄能支路的开断，使子模块电容电压稳定在合理范围内，防止器件损毁。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器，具有稳态运行和故障处理两种工作模式，其一端通过隔离开关以及电抗器与换流站相连，另一端则与直流输电线路相连；其特征在于：所述混合式高压直流断路器包括IGBT模块T1、超快速机械开关、负载转移开关、电容C以及泄能支路；其中，所述负载转移开关由IGBT模块T2构成，所述泄能支路由IGBT模块T3和泄能电阻构成，IGBT模块T1的发射极与超快速机械开关的一端以及隔离开关相连IGBT模块T1的集电极与电容C的一端以及IGBT模块T3的集电极相连，IGBT模块T3的发射极与泄能电阻的一端相连，超快速机械开关的另一端与IGBT模块T2的集电极相连，IGBT模块T2的发射极与电容C的另一端、泄能电阻的另一端以及直流输电线路相连。

2.根据权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于：所述IGBT模块T1和T2均由若干带反并联二极管的IGBT串并联组成，IGBT模块T3则由若干IGBT串并联组成。

3.根据权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于：所述负载转移开关在稳态运行模式下处于导通状态，在故障处理模式下用于将直流电流转移至电容C。

4.一种如权利要求1～3任一权利要求所述混合式高压直流断路器的控制策略，其特征在于：在稳态运行模式下，所述控制策略为：使IGBT模块T1和T3关断、超快速机械开关闭合、负载转移开关导通；此运行模式下，断路器中的电容C不会充电且电容电压为零；

在故障处理模式下，所述控制策略包括如下步骤：

(1)若直流输电线路在t₀时刻发生短路故障，则断路器会在t₁时刻收到相应故障指令，并立刻对负载转移开关施加关断信号，同时对IGBT模块T1施加导通信号；此时由于直流电流在负载转移开关中的流通路径被切断，经过一定时间延时，直流电流将全部经由IGBT模块T1对电容C进行充电；

(2)负载转移开关在t₂时刻完成关断动作后，对超快速机械开关施加关断信号，经过一定时间延时，超快速机械开关在t₃时刻完成关断动作；此时直流电流将充分被电容C吸收，直至下降为0；

(3)由于直流电流持续为电容C充电，因此电容电压持续上升，当电容电压超过设定的安全阈值上限U_max时，对泄能支路中的IGBT模块T3施加导通信号，电容C中的能量将通过泄能电阻进行释放；当电容电压小于设定的安全阈值下限U_min时，对泄能支路中的IGBT模块T3施加关断信号，电容C中的能量不再通过泄能电阻进行释放；

(4)当直流电流下降为0后，将隔离开关打开，此时故障被隔离；故障隔离后，使电容C中的能量通过一定形式的辅助电路进行释放，直至电容电压恢复至0。