CN112103925A - 一种多端口混合式直流断路器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端口混合式直流断路器及控制方法，采用多个并联的主支路和一个转移支路，转移支路与多个主支路并联，每个主支路连接一个接线端口，主支路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂上均设有控制开关；转移支路包括串联的负载转移开关电路和耦合负压回路，负载转移开关电路的输入端连接上桥臂，负载转移开关电路的输出端连接耦合负压回路的输入端，耦合负压回路的输出端连接下桥臂，多端口直流断路器通过共用转移支路，减少了直流断路器中的电力电子器件数量，大大降低直流断路器在直流配电网中的使用成本，便于大规模安装于直流配电网中，控制逻辑简单，便于操作，动作时间极短，满足直流配电网对直流电网的速动性和可靠性要求。

Description

一种多端口混合式直流断路器及控制方法

技术领域

本发明属于多端口直流断路器，具体涉及一种多端口混合式直流断路器及控制方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，柔性直流输电、直流微电网逐渐兴起，学术界与工业界开始重新审视直流配电网的可行性，风电、光伏等可再生能源的应用和普及更是为直流配电网的形成创造了便利条件。与传统交流配电网相比，直流配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量高、便于可再生能源接入等优点。目前直流配电网主要有辐射型、手拉手型及环网型拓扑结构，其中，环网型拓扑结构具有较高的供电可靠性，潮流方向灵活，不易出现大规模的区域停电，是未来直流配电网的主流结构。然而，环网型拓扑结构的高可靠性建立在成熟的中压直流断路器基础之上，因此对中压直流断路器的研究势在必行。

与柔性直流输电网类似，直流配电网有低阻尼特性，发生短路故障时直流故障电流上升率高、幅值大、且不存在过零点。目前，中压直流断路器的研究主要集中于以下：机械式直流断路器和固态直流断路器。机械式直流断路器的通态损耗很低，但故障切除时间过长，无法满足直流配电网几毫秒级动作的要求；固态直流断路器完全由电力电子开关构成，切断速度极快，但其通态损耗过高，对直流配电网的经济性影响较大，且仅具有单相导通性，无法满足多路径切断要求，仅能开断单方向的短路电流，配置在正极母线和正极母线时需要改变电力电子器件和预充电电容的方向，不利于直流断路器的安装和运维，存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多端口混合式直流断路器及控制方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多端口混合式直流断路器，包括多个并联的主支路和一个转移支路，转移支路与多个主支路并联，每个主支路连接一个接线端口，主支路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂上均设有控制开关；转移支路包括串联的负载转移开关电路和耦合负压回路，负载转移开关电路的输入端连接上桥臂，负载转移开关电路的输出端连接耦合负压回路的输入端，耦合负压回路的输出端连接下桥臂，***正常运行时，上桥臂上的控制开关处于闭合状态，下桥臂上的控制开关处于断开状态。

进一步的，负载转移开关电路采用电流双向流通的负载转移开关电路。

进一步的，负载转移开关电路包括IGBT管、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电容C1、电阻R和金属氧化物避雷器MOA，IGBT管的E极与二极管D1的正极、金属氧化物避雷器MOA的一端、电容C1一端和二极管D3的正极连接，IGBT管的C极与二极管D2的负极、金属氧化物避雷器MOA的另一端、电阻R的一端、二极管D4的正极和二极管D5的负极连接，电容C1另一端与电阻R的另一端和二极管D4的负极连接，二极管D1的负极和二极管D2的正极连接于上桥臂，二极管D3的负极和二极管D5的正极连接于耦合负压回路输入端。

进一步的，耦合负压回路包括耦合电感、电容C2、晶体管T和二极管D6，耦合电感的副边电感一端为输入端，连接二极管D3的负极，耦合电感的副边电感另一端连接下桥臂，耦合电感的原边电感一端连接晶体管T的阴极和二极管D6的正极，耦合电感的原边电感另一端连接电容C2一端，电容C2另一端连接晶体管T的阳极和二极管D6的负极。

进一步的，控制开关采用快速机械开关。

一种多端口混合式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、电流检测电路实时获取各主支路负载电流信息，并将各主支路负载电流信息转发至控制器中，控制器根据各主支路负载电流信息得预设工频周期内负载电流的有效值；

步骤2)、当一个主支路预设工频周期内负载电流的有效值大于预设值时，控制器发出驱动信号，驱动电路根据所述驱动信号使该主支路上桥臂的控制开关断开，使该主支路下桥臂的控制开关闭合，完成直流断路器电路切换。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种多端口混合式直流断路器，采用多个并联的主支路和一个转移支路，转移支路与多个主支路并联，每个主支路连接一个接线端口，主支路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂上均设有控制开关；转移支路包括串联的负载转移开关电路和耦合负压回路，负载转移开关电路的输入端连接上桥臂，负载转移开关电路的输出端连接耦合负压回路的输入端，耦合负压回路的输出端连接下桥臂，多端口直流断路器通过共用转移支路，减少了直流断路器中的电力电子器件数量，大大降低直流断路器在直流配电网中的使用成本，具有双向导通性，无论安装在直流正极还是负极，拓扑结构都无需作任何改变，便于大规模安装于直流配电网中，基于耦合负压回路的多端口混合式直流断路器控制逻辑简单，便于操作，动作时间极短，满足直流配电网对直流电网的速动性和可靠性要求。

一种多端口混合式直流断路器控制方法，通过实时获取各主支路负载电流信息，并将各主支路负载电流信息转发至控制器中，利用控制器能够在几个毫秒内切断直流故障电流，满足速动性和可靠性的要求，并可大大减小安装在直流配网中的投资成本，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例中直流断路器结构示意图。

图2为本发明实施例中基于耦合负压的多端口混合式直流断路器的动作时序图。

图3为本发明实施例中基于耦合负压的多端口混合式直流断路器在***稳态运行时的电流导通路径。

图4为本发明实施例中为基于耦合负压的多端口混合式直流断路器在t₁～t₂时间段内的电流导通路径图。

图5为本发明实施例中基于耦合负压的多端口混合式直流断路器在t₂～t₃时间段内的电流导通路径图。

图6为本发明实施例中基于耦合负压的多端口混合式直流断路器在t3～t4时间段内的电流导通路径图。

图7为本发明实施例中基于耦合负压的多端口混合式直流断路器在各动作阶段的电流波形图。

图8为本发明实施例中将基于耦合负压的多端口混合式直流断路器应用于实际柔性直流配电网中，某一条输电线路发生金属性双极短路故障时的端口电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种多端口混合式直流断路器，包括多个并联的主支路和一个转移支路，转移支路与多个主支路并联，每个主支路连接一个接线端口，主支路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均设有控制开关MS，如图3所示，***正常运行时，上桥臂上的控制开关MS处于闭合状态，下桥臂上的控制开关MS处于断开状态，电流经主支路上桥臂的快速机械开关流通，导通损耗很小；转移支路包括负载转移开关电路和耦合负压回路，负载转移开关电路包括IGBT管、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电容C1、电阻R和金属氧化物避雷器MOA，IGBT管的E极与二极管D1的正极、金属氧化物避雷器MOA的一端、电容C1一端和二极管D3的正极连接，IGBT管的C极与二极管D2的负极、金属氧化物避雷器MOA的另一端、电阻R的一端、二极管D4的正极和二极管D5的负极连接，电容C1另一端与电阻R的另一端和二极管D4的负极连接，二极管D1的负极和二极管D2的正极连接于上桥臂，二极管D3的负极和二极管D5的正极连接于耦合负压回路输入端；耦合负压回路包括耦合电感、电容C2、晶体管T和二极管D6，耦合电感的副边电感一端为输入端，连接二极管D3的负极，耦合电感的副边电感另一端连接下桥臂，耦合电感的原边电感一端连接晶体管T的阴极和二极管D6的正极，耦合电感的原边电感另一端连接电容C2一端，电容C2另一端连接晶体管T的阳极和二极管D6的负极。

本申请由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5组成全桥拓扑结构，负载转移开关电路具有电流双向流通能力，电阻R、电容C和全桥拓扑结构用于保护IGBT管，并对电流的换向起辅助作用；当IGBT管处于导通状态时，电流通过IGBT管支路流通，电阻R和电容C1组成的支路两端的电压等于IGBT管的导通电压，该值几乎为零；当IGBT管处于关断状态时，流过IGBT管支路的电流转移到电阻电容支路，电容C1通过二极管进行充电，支路电流减小；当电容C1两端电压达到金属氧化物避雷器MOA组成的避雷器动作阈值后，电容C1将通过由金属氧化物避雷器MOA、电容C1及电阻R组成的支路进行放电，不再流经二极管，电阻R的存在可以抑制放电电流的峰值并缩短放电时间。

还包括控制器以及用于检测各主支路负载电流信息的电流检测电路，控制器连接于IGBT管的门极和晶体管T的门极，控制器连接于电流检测电路。

针对上述多端口混合式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、电流检测电路实时获取各主支路负载电流信息，并将各主支路负载电流信息转发至控制器中，控制器根据各主支路负载电流信息得预设工频周期内负载电流的有效值；

步骤2)、当一个主支路预设工频周期内负载电流的有效值大于预设值时(即主支路发生短路)，控制器发出驱动信号，根据所述驱动信号使该主支路上桥臂的控制开关断开，使该主支路下桥臂的控制开关闭合，完成直流断路器电路切换。

本申请耦合负压回路中的原边充电电容C2在***正常运行时预充一定电压，检测到***故障时触发晶闸管导通，电容C2和原边电感将会产生高频振荡，与此同时，副边电感上产生振荡的耦合负压，强迫电流换流至转移支路，通过调整耦合负压回路的参数，使得振荡周期小于0.6ms，并且满足所能转移的正向电流大于正向最大短路电流，所能转移的负向电流大于反向最大短路电流。

控制开关MS采用快速机械开关，通态损耗很低，稳定性好。

如图1所示，其中MS₁、MS₂、…、MS₆为主支路上桥臂和下桥臂上的快速机械开关，DCline₁、DCline₂、DCline₃为断路器出线直流电缆，转移支路包含负载转移开关和耦合负压回路。本申请断路器包含三个端口，其中端口DCline₁为功率送出端，端口DCline₂与端口DCline₃为功率输入端。在***正常运行时，上桥臂的快速机械开关MS₁、MS₂、MS₃均处于闭合状态，下桥臂的快速机械开关MS₄、MS₅、MS₆均处于关断状态，转移支路中的所有电力电子开关均未触发导通。

如图2所示，动作分为故障识别、故障切除和能量泄放三个阶段，包括两次换流过程，在不同时刻向快速机械开关和电力电子器件发出相应的动作指令，即可在极短时间内切断故障电流；

t₀-t₆时刻为***发生短路故障以及***动作时间节点，t₀时刻，***发生短路故障，故障所在线路的短路电流急剧上升，设故障出现在端口DCline₂，***于t₁时刻监测到故障并定位故障线路，t₀至t₁的时间间隔取决于继电保护策略时间，由于直流配电网的低阻尼特征，本申请t₀至t₁的时间间隔为2-6毫秒。此时触发负载转移开关IGBT管导通，给端口DCline₂上桥臂的快速机械开关MS₂发出开断信号，下桥臂的快速机械开关MS₅发出闭合信号，MS₂的动静触头逐渐分开，开始燃弧，经过短暂的时间延迟后，快速机械开关MS₅完成合闸操作。此时转移支路并入主支路，但由于转移支路阻抗大于主支路，因此转移支路的内部电流几乎为零；快速机械开关的固有开断时间约为2ms，快速机械开关MS2和快速机械开关MS5大约在t1时刻后2ms左右完成动作，t₁至t₂的时间间隔为2ms；

如图4所示，t₂时刻，触发耦合负压回路晶闸管导通，原边电容C2和原边电感L₁发生高频振荡，在副边电感L₂上产生一个震荡电压，转移支路出现幅值很高的反向电流，使得流过快速机械开关MS₂的电流产生过零点，电弧熄灭；此时故障支路上桥臂快速机械开关尚未燃弧，下桥臂快速机械开关已经闭合，转移支路IGBT已触发导通，转移支路被并联到故障支路两端，形成放电回路。

如图5所示，t₃时刻，快速机械开关MS₂电弧完全熄灭，短路电流开始下降，直流母线电压回升，第一次换流过程结束；t₂至t₃的时间间隔为0.5-1ms，预留了一定的时间裕度以确保快速机械开关完成熄弧。与此同时，触发负载转移开关IGBT管关断，电流从负载转移开关的IGBT支路转移至电容C支路，电容两端电压不断提高；

如图6所示，t₃至t₄的时间间隔为0.5-1ms，t₄时刻，电容C1两端电压达到避雷器动作阈值，避雷器动作，电容C1通过避雷器支路进行放电，电流转移至吸收放电支路，能量经避雷器耗散，转移支路电流继续下降；经过约3ms到达此时IGBT已触发关断，电流从IGBT支路转移至电容支路，电容两端电压不断升高，t₅时刻，此时转移支路电流已几乎为零，给快速机械开关MS5发出关断信号，在t₆时刻快速机械开关MS5无弧分断，t₅至t₆的时间间隔依然取决于快速机械开关的固有动作时间，约2ms。至此直流断路器动作全部结束。

如图7所示，搭建了简易试验回路并假定双极接地故障发生在端口2位置，设置故障开始时间t₀＝0.6s，故障持续50ms，合理调整试验回路的参数使得端口2的稳态电流为0.2kA。如图8所示，将基于耦合负压的多端口混合式直流断路器应用于实际柔性直流配电网中，某一条输电线路发生金属性双极短路故障时的端口电压波形，可以看到断路器在几个毫秒内即可将故障切除，且直流电压的波动很小，***在故障后可以恢复正常运行。

本发明所述的基于耦合负压回路的多端口混合式直流断路器拓扑结构，优化了电路参数设计，通过共用一条转移支路实现对多条线路的保护，减少了设备所需的电子电子器件数量。进出线端口数量越多，经济性越好。以三端口直流断路器为例，假设直流配电网共有n条直流母线，若每条母线上均配置传统两端口直流断路器，则需要3×n台直流断路器；若每条母线上均配置新型三端口直流断路器，则仅仅需要n台，节省了2×n条转移支路，投资成本大大降低。基于耦合负压回路的多端口混合式直流断路器具有双向导通性，无论安装在直流正极还是负极，拓扑结构都无需作任何改变，便于大规模安装于直流配电网中。基于耦合负压回路的多端口混合式直流断路器控制逻辑简单，便于操作，动作时间极短，兼具机械式直流断路器和全固态直流断路器的优点，满足直流配电网对直流电网的速动性和可靠性要求。

本发明所述的基于耦合负压回路的多端口混合式直流断路器采用模块化设计，结构紧凑，转移支路包含负载转移开关和耦合负压回路，可进行模块化安装和更换，结构简单，易于操作。

Claims (7)

1.一种多端口混合式直流断路器，其特征在于，包括多个并联的主支路和一个转移支路，转移支路与多个主支路并联，每个主支路连接一个接线端口，主支路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂上均设有控制开关；转移支路包括串联的负载转移开关电路和耦合负压回路，负载转移开关电路的输入端连接上桥臂，负载转移开关电路的输出端连接耦合负压回路的输入端，耦合负压回路的输出端连接下桥臂，***正常运行时，上桥臂上的控制开关处于闭合状态，下桥臂上的控制开关处于断开状态。

2.根据权利要求1所述的一种多端口混合式直流断路器，其特征在于，负载转移开关电路采用电流双向流通的负载转移开关电路。

3.根据权利要求2所述的一种多端口混合式直流断路器，其特征在于，负载转移开关电路包括IGBT管、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电容C1、电阻R和金属氧化物避雷器MOA，IGBT管的E极与二极管D1的正极、金属氧化物避雷器MOA的一端、电容C1一端和二极管D3的正极连接，IGBT管的C极与二极管D2的负极、金属氧化物避雷器MOA的另一端、电阻R的一端、二极管D4的正极和二极管D5的负极连接，电容C1另一端与电阻R的另一端和二极管D4的负极连接，二极管D1的负极和二极管D2的正极连接于上桥臂，二极管D3的负极和二极管D5的正极连接于耦合负压回路输入端。

4.根据权利要求3所述的一种多端口混合式直流断路器，其特征在于，耦合负压回路包括耦合电感、电容C2、晶体管T和二极管D6，耦合电感的副边电感一端为输入端，连接二极管D3的负极，耦合电感的副边电感另一端连接下桥臂，耦合电感的原边电感一端连接晶体管T的阴极和二极管D6的正极，耦合电感的原边电感另一端连接电容C2一端，电容C2另一端连接晶体管T的阳极和二极管D6的负极。

5.根据权利要求1所述的一种多端口混合式直流断路器，其特征在于，控制开关采用快速机械开关。

6.根据权利要求1所述的一种多端口混合式直流断路器，其特征在于，还包括控制器以及用于检测各主支路负载电流信息的电流检测电路，控制器连接于IGBT管的门极和晶体管T的门极，控制器连接于电流检测电路，控制器根据电流检测电路检测到各主支路负载电流信息，控制主支路上控制开关的闭合与断开。

7.一种基于权利要求6所述的多端口混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、电流检测电路实时获取各主支路负载电流信息，并将各主支路负载电流信息转发至控制器中，控制器根据各主支路负载电流信息得预设工频周期内负载电流的有效值；

步骤2)、当一个主支路预设工频周期内负载电流的有效值大于预设值时，控制器发出驱动信号，根据所述驱动信号使该主支路上桥臂的控制开关断开，使该主支路下桥臂的控制开关闭合，完成直流断路器电路切换。

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