CN114512957B - 一种基于晶闸管的直流断路器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于晶闸管的直流断路器及其控制方法，直流断路器中两主支路由两机械开关构成；两转移支路由两个二极管构成，且转移支路与主支路分别并联；两控制支路由两晶闸管构成；储能支路由一电容和一电阻组成，该支路连接两主支路和两控制支路的交点；电压维持支路包含一电阻，从两控制支路的交点接地，并与由机械开关和电阻构成的快速充电支路并联；保护支路由避雷器构成，其两端分别接于两转移支路的二极管阴极。本发明主支路采用机械开关且利用二极管钳位，具有导通损耗低，零电压开断和零电压恢复的优点，利用晶闸管设计断路器，降低了投资，且通过晶闸管主动控制可以实现同样简单操作步骤下双向运行电流和双向故障电流的可靠成功切除。
Description
技术领域
本发明属于直流断路器制造领域，具体涉及一种基于晶闸管的直流断路器及其控制方法。
背景技术
近几年，直流微网、中压直流电网在各国都在迅速发展。直流输电***保护所需的直流断路器已经成为研究的热点。直流断路器可以有选择地快速切除故障线路从而防止换流站闭锁。但是由于柔性直流***的直流阻抗非常小，因此故障电流上升非常迅速且没有过零点，故直流断路器需要在短时间内切除大电流，且直流断路器也应具备切除正常运行电流的能力以保证稳态潮流的转移。
已经提出的直流断路器拓扑主要可以分成三类：机械式，固态式，混合式。（1）机械式断路器在传统机械开关的基础上，并联了LC振荡支路，利用LC振荡转移电流从而创造机械开关的电流过零点，实现机械开关的零电流开断，但切断运行电流时，机械开关需要在灭弧后瞬间承受电容的残余电压。（2）传统固态式断路器的主要支路由全控电力电子器件串联，可以很快切除电流，但是导通损耗很大，且随着电压电流等级提升成本会显著增加。此外，由于晶闸管损耗更低，基于晶闸管设计固态式断路器成为一种潮流，但相关方案多为被动式断路器，此类断路器故障发生后才能动作，且由于存在故障点与断路器之间的线路电感无法保证可靠动作。（3）混合式断路器通流支路由少量机械开关构成，开断支路由串联的全控电力电子器件构成。在中低压***中，电弧电压足够将电流转移进入开断支路，机械开关打开过程持续2~3ms。机械开关开断之后，开断支路开断电力电子器件从而开断直流电流。该断路器导通损耗极低，但同样大量使用全控器件成本同样巨大且操作复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的运行电流切除困难、损耗大、成本高、可靠性低等问题，本发明提供了一种基于晶闸管的直流断路器及其控制方法，在保证导通损耗极低，动作可靠的优势下，解决了现有技术中成本高、运行电流切除难的问题；为了覆盖更多应用场景，本发明还具备双向电流切除的能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于晶闸管的直流断路器，包括第一主支路、第二主支路、第一转移支路、第二转移支路、第一控制支路、第二控制支路、储能支路、电压维持支路、快速充电支路和保护支路；
所述第一主支路包括机械开关M1，第二主支路包括机械开关M2，第一转移支路包括二极管D1，第二转移支路包括二极管D2；且第一主支路与并联第一转移支路，第二主支路与第二转移支路并联；
所述第一控制支路包括晶闸管T1，第二控制支路包括晶闸管T2，所述储能支路包括串联的电容C和电阻R1，所述电压维持支路包括电阻R2，所述快速充电支路包括串联的机械开关M3和电阻R3，所述保护支路包括避雷器F1；
所述避雷器F1的一端分别与晶闸管T1的阳极和二极管D1的阴极连接，另一端分别与晶闸管T2的阳极和二极管D2的阴极连接；所述电容C一端同时与二极管D1阳极和二极管D2阳极连接，另一端与电阻R1连接；电阻R1的另一端同时与晶闸管T1阴极、晶闸管T2阴极、电阻R2一端和机械开关M3一端连接，所述机械开关M3的另一端与电阻R3的一端连接，所述电阻R2的另一端与电阻R3的另一端接地。
一种基于晶闸管的直流断路器的控制方法，包括以下步骤：
S1：当开通直流电流时，控制第一主支路、第二主支路和快速充电支路的机械开关M1、M2和M3闭合，以使直流电流流过第一主支路和第二主支路形成电流通路并为储能支路的电容C快速充电；
S2：待储能支路电容C充满电后，控制快速充电支路机械开关M3断开；
S3：当关断直流电时，判断外部电流是否从避雷器F1的第一主支路一侧流向另一侧；若是，则进入步骤S4，否则进入步骤S5；
S4：控制第一控制支路中的晶闸管T1导通，并控制第一主支路中的机械开关M1断开，通过储能支路中的电容C和电阻R1产生大于外部电流的电流，使机械开关M1实现零电压关断和零电压绝缘恢复，并进入S6；
S5：控制第二控制支路中的晶闸管T2导通，并控制第二主支路中的机械开关M2断开，通过储能支路中的电容C和电阻R1产生大于外部电流的电流，使机械开关M2实现零电压关断和零电压绝缘恢复，并进入S6；
S6：储能支路中的电容C继续充电，当储能支路两端电压大于直流电源的额定电压时，直流电源的电流被阻断，保护支路中避雷器F1被触发吸收断开电流后的***能量。
本发明的有益效果为：
1、本发明的直流断路器基于半控型电力电子器件晶闸管设计直流断路器，相较于基于全控型电力电子器件设计的直流断路器，大幅降低了断路器的投资，且不需要外部充电电源为电容充电，进一步降低成本和设计复杂度。
2、本发明的直流断路器能够实现可靠的、主动的双向电流开断。
3、本发明的直流断路器通流支路采用机械开关，损耗极低，且能够实现机械开关的零电压开断及机械开关零电压绝缘恢复。
4、本发明的控制方法导通损耗极低，在没有使用外部电压源的条件下实现了双向直流电流切除，且机械开关开断过程、绝缘恢复过程都实现了零电压保护，并且通过保护支路避雷器F1实现了***能量吸收和对断路器本身的保护，保护效果较好。
5、本发明在切除运行电流和故障电流时使用同样的控制流程，不仅实现了成功切除运行电流的目的，还实现了简单操作的目的。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于晶闸管的直流断路器电路图。
图2为本发明提出的一种基于晶闸管的直流断路器的控制方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1所示，一种基于晶闸管的直流断路器，包括第一主支路、第二主支路、第二转移支路、第二转移支路、第一控制支路、第二控制支路、储能支路、电压维持支路、快速充电支路和保护支路；
所述第二转移支路与第一主支路并联，第二转移支路与第二主支路并联。
所述第一主支路包括机械开关M1，所述第二主支路包括机械开关M2，所述第二转移支路包括二极管D1，所述第二转移支路包括二极管D2，所述第一控制支路包括晶闸管T1，所述第二控制支路包括晶闸管T2，所述储能支路包括电容C及电阻R1，所述电压维持支路包括电阻R2，所述快速充电支路包含机械开关M3和电阻R3，所述保护支路包括避雷器F1；
所述避雷器F1的一端分别与晶闸管T1的阳极和二极管D1的阴极连接，另一端分别与晶闸管T2的阳极和二极管D2的阴极连接；所述电容C一端同时与二极管D1阳极和二极管D2阳极连接，另一端与电阻R1连接；电阻R1的另一端同时与晶闸管T1阴极、晶闸管T2阴极、电阻R2一端和机械开关M3一端连接，所述机械开关M3的另一端与电阻R3的一端连接，所述电阻R2的另一端与电阻R3的另一端接地。
将所述避雷器F1一端作为A点，将所述避雷器F1的另一端作为B点。
本发明用于中压直流电网或者直流微网中，可以主动可靠地开断直流侧的运行电流和故障电流。
本发明的直流断路器基于半控型电力电子器件晶闸管，大幅降低了断路器的投资，且不需要外部充电电源，进一步降低成本和设计复杂度；同时通流支路采用机械开关，损耗极低，且能够实现机械开关的零电压开断及机械开关零电压绝缘恢复。
如图2所示，本发明基于晶闸管的直流断路器的控制方法，包括以下步骤：
S1、当开通直流电流时，控制第一主支路、第二主支路和快速充电支路的机械开关开通，以使直流电流流过第一主支路和第二主支路中的机械开关形成电流通路并为储能支路的电容C快速充电，并进入S2；
S2、待储能支路电容C充满电后，控制快速充电支路机械开关M3打开，并进入S3；
S3、当关断直流电时，判断外部电流是否从A流向B，若是，则进入步骤S4，否则进入步骤S5；
S4、控制第一控制支路中的晶闸管T1开通且控制第一主支路中的机械开关M1关断，通过储能支路中的电容C和电阻R1产生大于外部电流的电流，机械开关M1可以实现零电压关断和零电压绝缘恢复，并进入S6；
S5、控制第二控制支路中的晶闸管T2开通且控制第二主支路中的机械开关M2关断，通过储能支路中的电容C和电阻R1产生大于外部电流的电流，机械开关M2可以实现零电压关断和零电压绝缘恢复，并进入S6；
S6、关断主支路机械开关后，储能支路中的电容继续充电，储能支路两端电压大于直流电源的额定电压时，直流电源的电流被阻断，保护支路中避雷器F1被触发吸收断开电流后的***能量。
在本实例中，***能量指断路器所工作的整个直流***的能量。
在本实例中，电容C和电阻R1产生的电流随时间变小，短路时的故障电流随时间上升，要保证前者大于后者的持续时间包括机械开关的绝缘恢复时间。
在本实例中，在机械开关成功关断后，直流电流对电容C继续充电，断路器两端电压上升至源端电压从而阻断直流电流，保护支路的避雷器可以吸收开断直流电流过程中的***能量。
本发明的控制方法在没有使用外部电压源的条件下实现了双向直流电流切除，且机械开关开断过程、绝缘恢复过程都实现了零电压保护。本发明在切除运行电流和故障电流时使用同样的控制流程，不仅实现了成功切除运行电流的目的，还实现了简单操作的目的。
Claims (2)
1.一种基于晶闸管的直流断路器，其特征在于，包括第一主支路、第二主支路、第一转移支路、第二转移支路、第一控制支路、第二控制支路、储能支路、电压维持支路、快速充电支路和保护支路；
所述第一主支路包括机械开关M1，第二主支路包括机械开关M2，第一转移支路包括二极管D1，第二转移支路包括二极管D2；且第一主支路与并联第一转移支路，第二主支路与第二转移支路并联；
所述第一控制支路包括晶闸管T1，第二控制支路包括晶闸管T2，所述储能支路包括串联的电容C和电阻R1，所述电压维持支路包括电阻R2，所述快速充电支路包括串联的机械开关M3和电阻R3，所述保护支路包括避雷器F1；
所述避雷器F1的一端分别与晶闸管T1的阳极和二极管D1的阴极连接，另一端分别与晶闸管T2的阳极和二极管D2的阴极连接；所述电容C一端同时与二极管D1阳极和二极管D2阳极连接，另一端与电阻R1连接；电阻R1的另一端同时与晶闸管T1阴极、晶闸管T2阴极、电阻R2一端和机械开关M3一端连接，所述机械开关M3的另一端与电阻R3的一端连接，所述电阻R2的另一端与电阻R3的另一端接地。
2.一种如权利要求1所述的基于晶闸管的直流断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：当开通直流电流时，控制第一主支路、第二主支路和快速充电支路的机械开关M1、M2和M3闭合，以使直流电流流过第一主支路和第二主支路形成电流通路并为储能支路的电容C快速充电；
S2：待储能支路电容C充满电后，控制快速充电支路机械开关M3断开；
S3：当关断直流电时，判断外部电流是否从避雷器F1的第一主支路一侧流向另一侧；若是，则进入步骤S4，否则进入步骤S5；
S4：控制第一控制支路中的晶闸管T1导通，并控制第一主支路中的机械开关M1断开，通过储能支路中的电容C和电阻R1产生大于外部电流的电流，使机械开关M1实现零电压关断和零电压绝缘恢复，并进入S6；
S5：控制第二控制支路中的晶闸管T2导通，并控制第二主支路中的机械开关M2断开，通过储能支路中的电容C和电阻R1产生大于外部电流的电流，使机械开关M2实现零电压关断和零电压绝缘恢复，并进入S6；
S6：储能支路中的电容C继续充电，当储能支路两端电压大于直流电源的额定电压时，直流电源的电流被阻断，保护支路中避雷器F1被触发吸收断开电流后的***能量。
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