CN109687405B - 一种多端口组合型混合式直流断路器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多端口组合型混合式直流断路器及控制方法，包括，主断流支路、n条正常通流支路和n条故障通流支路，n为不小于1的整数；每一条正常通流支路和每一条故障通流支路串联后作为一组串联支路，每组串联支路之间连接一个线路端口；主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线A和第二直流母线B，当断路器安装在直流***的正极时，故障通流支路的电力电子开关方向为从第一直流母线A指向第二直流母线B，当断路器安装在直流***负极时，故障通流支路的电力电子开关方向从第二直流母线B指向第一直流母线A。本发明在实现多个断路器功能的同时，减少了全控性电力电子器件的数量和成本。

Description

一种多端口组合型混合式直流断路器及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种多端口组合型混合式直流断路器及控制方法。
背景技术
直流断路器是建设柔性直流电网的关键设备之一，目前用于柔性直流电网的直流断路器主要分为基于常规开关的机械式直流断路器、基于纯固态电力电子器件的固态直流断路器和基于机械开关和电力电子开关相结合的混合直流断路器。其中，混合直流断路器因同时具备了机械开关的通流能力和固态开关的断流能力，因此，应用前景广阔。在针对混合直流断路器的研究中，2012年，ABB集团宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器。此后，基于该典型混合直流断路器拓扑，提出了基于晶闸管的混合直流断路器、模块级联型的混合式断路器等多种混合直流断路器方案。但在采用上述单个混合直流断路器隔离直流故障时，直流线路正负极和两端均需装设直流断路器，在柔性直流电网规模不断扩大的背景下，上述混合直流断路器方案存在使用个数多和投资成本过高的问题。
为此，进一步提出了将连接在同一直流母线上的多个直流断路器进行重新组合和统一控制，以实现在保证快速开断直流故障电流的同时减少电力电子器件使用个数的目的。现有技术中主要包括新型组合式混合直流断路器和多端混合直流断路器，图1为新型组合式混合直流断路器拓扑图，参照图1，该断路器采用将多条不同线路上的故障电流转移到同一电力电子断流支路上进行分断，从而大幅减少了绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)组件的使用个数；图2为多端混合直流断路器拓扑图，参照图2，该断路器可以将故障电流分散到不同断流单元中进行分断，减少了单个避雷器吸收能量，降低了断路器的投资成本。但上述现有技术中，图1所示的混合直流断路器为尽量减少使用的电力电子器件数目，导致了断流功能上的缺陷，存在无法开断母线故障、多条线路相继故障等问题；图2所示的混合直流断路器使用的主断流支路器件仍然较多，实施的成本较高。
发明内容
本发明的提供了一种多端口组合型混合式直流断路器及控制方法，以克服现有方案在成本和功能上的矛盾。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明的一方面提供了一种多端口组合型混合式直流断路器，包括：主断流支路、n条正常通流支路和n条故障通流支路，n为不小于1的整数。
故障通流支路包含一个快速机械开关和和一组电力电子开关，用于直流故障时电流的导通。
n条正常通流支路和n条故障通流支路中的每一条正常通流支路和每一条故障通流支路串联后作为一组串联支路，所述的主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线A和第二直流母线B；当所述断路器安装在直流***的正极时，故障通流支路的电力电子开关方向为从第一直流母线A指向第二直流母线B，当所述断路器安装在直流***负极时，故障通流支路的电力电子开关方向从第二直流母线B指向第一直流母线A。
进一步地，主断流支路包括由四个二极管组成的双向桥式结构和多个串联的断流单元，所述的多个串联的断流单元经过单方向串联后跨接在所述的双向桥式结构的上桥臂和下桥臂之间；
所述的主断流支路用于直流故障时的故障电流转移、开断和故障能量的吸收。
进一步地，正常通流支路包含一个快速机械开关和一个负载转移开关，用于导通***正常运行时的电流。
进一步地，断流单元包括多个单方向串联的电力电子开关和避雷器，所述的多个单方向串联的电力电子开关与所述的避雷器并联。
进一步地，负载转移开关为两组反方向串联的电力电子开关。
进一步地，电力电子开关包括绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，所述的IGBT和二极管反方向并联。
进一步地，断路器的***部分配置有母线端口和n个直流线路端口，所述的母线端口用于连接换流器和第一直流母线A，所述的n个直流线路端口用于连接至直流线路。
进一步地，n个直流线路端口中的每个直流线路端口对应一组串联支路，每个直流线路端口连接到串联支路中的正常通流支路和故障通流支路的串联点之间。
本发明的另一方面提供了一种多端口组合型混合式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：
a)直流电力***正常工作阶段：正常通流支路的快速机械开关闭合且负载转移开关均保持导通；主断流支路中的电力电子开关保持闭锁；故障通流支路的快速机械开关保持闭合且电力电子开关保持闭锁，由正常通流支路导通负载电流；
b)当单条线路故障：导通主断流支路上的电力电子开关，闭锁故障线路端口对应正常通流支路上的负载转移开关，分断所有非故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关，待故障线路端口对应的正常通流支路电流过零时，分断故障线路端口对应的正常通流支路的快速机械开关；
当故障线路端口对应正常通流支路的快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的电力电子开关，同时电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器，故障电流能量通过避雷器得以耗散；
当故障电流衰减至零后，打开故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关，同时闭合非故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关；
c)当直流母线和换流器出口线路故障：导通主断流支路上的电力电子开关和所有故障通流支路上的电力电子开关，同时闭锁所有正常通流支路上的负载转移开关，待正常通流支路电流过零时，分断正常通流支路上的快速机械开关；
待快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的电力电子开关，电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器；
当故障电流衰减至零后，闭锁所有故障通流支路上的电力电子开关，分断快速机械开关。
由上述本发明的多端口组合型混合式直流断路器及控制方法可以看出，本发明通过将连接在同一直流母线上的多个混合直流断路器进行重新设计和统一控制，仅采用一个单向的电力电子开关，具备与多个混合直流断路器组合使用时相同的快速、无弧分断能力；能够开断多条线路上不同类型的故障以及母线和换流站出口线路故障，具有多种直流故障电流开断能力；在可实现多个断路器功能的同时，大大减少了全控性电力电子器件的使用数量和成本。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的新型组合式混合直流断路器拓扑图；
图2为现有技术中的多端混合直流断路器拓扑图；
图3为本发明实施例1的多端口组合型混合式直流断路器拓扑图；
图4为本发明实施例2的多端口组合型混合式直流断路器安装示意图；
图5为本发明实施例2的无故障运行时的多端口组合型混合式直流断路器工作原理示意图；
图6为本发明实施例2的单条线路故障时多端口组合型混合式直流断路器工作原理示意图；
图7为本发明实施例2的母线故障时多端口组合型混合式直流断路器直流断路器工作原理示意图。
附图标记说明：
图2：
IMB为集成后的主断路器，ILCS为集成后的电流转移开关；
UFDk—线路端口k对应的快速机械开关；
LCSk—线路端口k对应的负载转移开关；
MBk—线路端口k对应的主断路器；
SAk—线路端口k对应的避雷器；
DSk—线路端口k对应的剩余电流分断开关；
Lcn b k—线路端口k对应的限流电抗器。
图3：
1为正常通流支路,2-1和2-2为故障通流支路,3为主断流支路；
4为断流单元。
图5、6和7：
UFDa,k—正常通流支路k上的快速机械开关；LCSa,k—正常通流支路k上的负载转移开关；UFDb,k—故障通流支路k上的快速机械开关；Tb,k—故障通流支路k上的电力电子开关；T—主断流支路上的电力电子开关；MOA—避雷器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例1
本发明实施例的一方面提供了一种多端口组合型混合式直流断路器，图3为本发明实施例的多端口组合型混合式直流断路器拓扑图，参照图3，该多端口组合型混合式直流断路器包括：主断流支路、n条正常通流支路和n条故障通流支路，n为不小于1的整数。
故障通流支路包含一个快速机械开关和和一组电力电子开关，用于直流故障时电流的导通；
n条正常通流支路和n条故障通流支路中的每一条正常通流支路和每一条故障通流支路串联后作为一组串联支路，所述的主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线A和第二直流母线B；
当所述断路器安装在直流***的正极时，故障通流支路的电力电子开关方向为从第一直流母线A指向第二直流母线B，当所述断路器安装在直流***负极时，故障通流支路的电力电子开关方向从第二直流母线B指向第一直流母线A。
优选地，主断流支路包括由四个二极管组成的双向桥式结构和多个串联的断流单元(如图1所示)，所述的多个串联的断流单元经过单方向串联后跨接在所述的双向桥式结构的上桥臂和下桥臂之间；主断流支路用于直流故障时的故障电流转移、开断和故障能量的吸收。
其中，正常通流支路包含一个快速机械开关和一个负载转移开关，用于导通***正常运行时的电流。
优选地，断流单元包括多个单方向串联的电力电子开关和避雷器，所述的多个单方向串联的电力电子开关与所述的避雷器并联。
优选地，负载转移开关为两组反方向串联的电力电子开关。
优选地，电力电子开关包括绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)和二极管，所述的IGBT和二极管反方向并联。
进一步地，断路器的***部分配置有母线端口和n个直流线路端口，母线端口用于连接换流器，如图3所示，同时母线端口连接至第一直流母线A，n个直流线路端口用于连接至直流线路。
其中，n个直流线路端口中的每个直流线路端口对应一组串联支路，每个直流线路端口连接到串联支路中的正常通流支路和故障通流支路的串联点之间。
本发明的另一方面提供了一种多端口组合型混合式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：
a)直流电力***正常工作阶段：正常通流支路的快速机械开关闭合且负载转移开关均保持导通；主断流支路中的电力电子开关保持闭锁；故障通流支路的快速机械开关保持闭合且电力电子开关保持闭锁，导通负载电流；
b)当单条线路故障：导通主断流支路上的电力电子开关，闭锁故障线路端口对应正常通流支路上的负载转移开关，分断所有非故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关，待故障端口对应的正常通流支路电流过零时，分断故障端口对应的正常通流支路的快速机械开关；
当故障端口对应的正常通流支路的快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的电力电子开关，同时电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器，故障电流能量通过避雷器得以耗散；
当故障电流衰减至零后，打开故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关，同时闭合非故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关；
c)当直流母线和换流器出口线路故障：导通主断流支路上的电力电子开关和所有故障通流支路上的电力电子开关，同时闭锁所有正常通流支路上的负载转移开关，待正常通流支路电流过零时，分断正常通流支路上的快速机械开关；
待快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的电力电子开关，电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器；
当故障电流衰减至零后，闭锁所有故障通流支路上的电力电子开关，分断快速机械开关。
实施例2
图4为多端口组合型混合式直流断路器安装示意图，参照图4所示的断路器安装方式和故障来分别阐述多端口组合型混合式直流断路器在不同类型故障时的控制方法。其中，故障F1表示线路1正极故障，故障F2表示正极母线故障，F3表示换流器出口线路故障。在本实例中故障F2等同于断路器内部的第一直流母线A(如图3所示)故障。此外，为清晰描述断路器正常工作时的工作原理，此处假设线路故障和母线故障时，保护都能正确地给断路器发送动作信号。
a)直流电力***正常工作阶段
***无故障时，正常通流支路的快速机械开关闭合且负载转移开关均保持导通；主断流支路中的电力电子开关保持闭锁；而故障通流支路的快速机械开关保持闭合以便故障时能够快速进行换流，故障通流支路中的电力电子开关保持闭锁。此时，工作电流仅流经正常通流支路，图5为无故障运行时的多端口组合型混合式直流断路器工作原理示意图。
b)当单条线路故障
以图4中线路1发生故障F1为例，当单条线路故障时，多端口组合型混合式直流断路器的控制方法包括故障检测、故障电流转移、故障能量耗散和故障线路隔离4个阶段，图6为单条线路故障时多端口组合型混合式直流断路器工作原理示意图。
(1)故障电流检测阶段：该阶段包括故障发生到保护检测，然后到保护发出断路器动作指令。在本阶段中，断路器仍保持***无故障运行状态，故障电流流过线路端口1对应的正常通流支路。由于负载转移开关采用反向串联结构，因此可以支持电流的双向流动，如图6(a)所示。
(2)故障电流转移阶段：如图6(b)所示，断路器收到线路端口1的开断指令后，第一步立即导通主断流支路上的电力电子开关T；第二步闭锁线路端口1对应正常通流支路上的负载转移开关LCSa,1；第三步分断所有非故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关UFDb,2；最后待正常通流支路电流过零时，分断正常通流支路的快速机械开关UFDa,1。
由于UFDa,1分闸，正常通流支路的阻抗不断增大，使得故障电流转移至主断流支路，而分断非故障线路端口2对应的故障通流支路上的快速机械开关UFDb,2是为了承受电流关断时的过压。在此阶段中，由于主断流支路采用了双向桥式结构，因此，主断流支路部分的电流也支持双向流动。
(3)故障能量耗散阶段：为了避免快速机械开关的关断电弧在过压下重燃，在故障电流转移至主断流支路上后，还需等待快速机械开关触头达到额定开距。当快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的电力电子开关，同时电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器MOA，故障电流能量最后通过避雷器得以耗散，如图6(c)所示。
(4)故障线路隔离阶段：当故障电流衰减至零后，打开故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关，同时闭合非故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关UFDb,2，如图6(d)所示。断路器的其他端口回到***无故障运行状态。
c)直流母线和换流器出口线路故障
母线和换流器出口线路故障时，多端口组合型混合式直流断路器的控制方法仍包含上述四个阶段，以图4中故障F2和F3为例，阐述了母线和换流站出口线路故障的控制方法，图7为母线故障时多端口组合型混合式直流断路器直流断路器工作原理示意图，如图7所示。
(1)故障电流检测阶段：如图7(a)所示，由于母线发生故障，无故障的线路端口1和线路端口2通过正常通流支路向母线端口注入故障电流。
(2)故障电流转移阶段：如图7(b)所示，当保护检测到母线故障时，向断路器发送指令，开断该母线上连接的所有线路。立即导通主断流支路上的电力电子开关和所有故障通流支路上的电力电子开关Tb,1、Tb,2，同时闭锁所有正常通流支路上的负载转移开关LCSa,1、LCSa,2；待正常通流支路电流过零时，分断快速机械开关UFDa,1、UFDa,2使故障电流转移至主断流支路。
(3)故障能量耗散阶段：待快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的电力电子开关，电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器MOA，故障电流能量最后通过避雷器得以耗散，如图7(c)所示。
(4)故障线路隔离阶段：当故障电流衰减至零后，闭锁所有故障通流支路上的电力电子开关Tb,1、Tb,2，分断快速机械开关UFDb,1、UFDb,2，如图7(d)所示。
当断路器安装在负极时，负极直流线路故障和负极母线故障时，故障电流从故障点流向无故障线路，此时负极断路器动作时序与正极线路故障和正极母线故障相同。
d)多条直流线路相继故障
多条线路先后故障时，按照故障的先后顺序，本实施例将首先隔离第一条故障线路。若在断路器隔离后并且还未恢复时，其他线路发生故障，第二条故障的线路将由连接在换流站出口处的单个直流断路器进行切除。
多条线路相继故障属于“小概率，大影响”的故障，尽管本方案将会切除本侧换流站连接的所有线路，但本方案能在这种严重故障情况下保护换流器和断路器不受损，因此具备一定的实用价值。
在实际应用中，上述组件也可以设置在断路器的内部的其它位置。本发明实施例并不局限上组件的具体放置位置，上述组件在断路器的内部中的任何放置方式都在本发明实施例的保护范围中。
用本发明实施例的装置进行故障处理的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。
综上所述，本发明实施例的多端口组合型混合式直流断路器，主断流支路仅需要单相IGBT串联即可实现故障电流的双向、无弧、快速分断；具有多种直流故障电流开断能力；在线路故障时，不需要开通或关断故障通流支路上的电力电子开关，只有在母线故障时，才需要对其进行控制；多条线路的故障电流可以用同一主断流支路进行分断，在线路数目较多的情况下，可以大大减小断路器中电力电子器件的使用个数，降低使用成本。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的组件或单元并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种多端口组合型混合式直流断路器，其特征在于，包括：主断流支路、n条正常通流支路和n条故障通流支路，n为不小于1的整数；
所述的故障通流支路包含一个快速机械开关和一组电力电子开关，用于直流故障时电流的导通；
所述的n条正常通流支路和n条故障通流支路中的每一条正常通流支路和每一条故障通流支路串联后作为一组串联支路，所述的主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线A和第二直流母线B；当所述断路器安装在直流***的正极时，故障通流支路的电力电子开关方向为从第一直流母线A指向第二直流母线B，当所述断路器安装在直流***负极时，故障通流支路的电力电子开关方向从第二直流母线B指向第一直流母线A；
所述的正常通流支路包含一个快速机械开关和一个负载转移开关，用于导通***正常运行时的电流；
所述的负载转移开关为两组反方向串联的电力电子开关；
所述的主断流支路包括由四个二极管组成的双向桥式结构和多个串联的断流单元，所述的多个串联的断流单元经过单方向串联后跨接在所述的双向桥式结构的上桥臂和下桥臂之间；
所述的主断流支路用于直流故障时的故障电流转移、开断和故障能量的吸收。
2.根据权利要求1所述的多端口组合型混合式直流断路器，其特征在于，所述的断流单元包括多个单方向串联的电力电子开关和避雷器，所述的多个单方向串联的电力电子开关与所述的避雷器并联。
3.根据权利要求1-2任一权项所述的多端口组合型混合式直流断路器，其特征在于，所述的电力电子开关包括绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，所述的IGBT和二极管反方向并联。
4.根据权利要求1所述的多端口组合型混合式直流断路器，其特征在于，所述的断路器的***部分配置有母线端口和n个直流线路端口，所述的母线端口用于连接换流器和第一直流母线A，所述的n个直流线路端口用于连接至直流线路。
5.根据权利要求4所述的多端口组合型混合式直流断路器，其特征在于，所述的n个直流线路端口中的每个直流线路端口对应一组串联支路，每个直流线路端口连接到串联支路中的正常通流支路和故障通流支路的串联点之间。
6.一种权利要求1-5任一项所述的多端口组合型混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)直流电力***正常工作阶段：正常通流支路的快速机械开关闭合且负载转移开关均保持导通；主断流支路中的电力电子开关保持闭锁；故障通流支路的快速机械开关保持闭合且电力电子开关保持闭锁，由正常通流支路导通负载电流；
b)当单条线路故障：导通主断流支路上的电力电子开关，闭锁故障线路端口对应正常通流支路上的负载转移开关，分断所有非故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关，待故障线路端口对应的正常通流支路电流过零时，分断故障线路端口对应的正常通流支路的快速机械开关；
当故障线路端口对应正常通流支路的快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的电力电子开关，同时电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器，故障电流能量通过避雷器得以耗散；
当故障电流衰减至零后，打开故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关，同时闭合非故障端口对应的故障通流支路的快速机械开关；
c)当直流母线和换流器出口故障：导通主断流支路上的电力电子开关和所有故障通流支路上的电力电子开关，同时闭锁所有正常通流支路上的负载转移开关，待正常通流支路电流过零时，分断正常通流支路上的快速机械开关；
待快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的电力电子开关，电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器；
当故障电流衰减至零后，闭锁所有故障通流支路上的电力电子开关，分断快速机械开关。
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