WO2014131298A1 - 一种直流断路器及其实现方法 - Google Patents

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高冲
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魏晓光
邱宇峰
曹均正
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  • the mechanical switch, the commutation unit, and the parallel interrupting unit and the energy absorbing circuit are operated such that the current flowing through the mechanical switch and the commutating unit is commutated to the parallel The current interrupting unit and the energy absorption loop.

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Abstract

一种直流断路器及其实现方法，直流断路器包括并联连接的换流回路、断流回路和能量吸收回路（Z），其中，断流回路包括串联连接的断流电感（L2）和断流单元，换流回路包括串联连接的换流电感（L1）、换流单元和机械开关（K），换流单元比断流单元具有更小的导通电阻。该直流断路器拓扑结构新颖，控制简单，通过采用功率半导体开关模块来切断电流，且模块中所包含的电容还能够对电流起到限流作用，换流回路和断流回路通过全桥结构能够实现分流，减少了电力电子器件的电流应力。

Description

技术领域
本发明属于电力电子技术领域， 具体涉及一种直流断路器及其实现方法。
背景技术
随着基于电压源换流器（VSC) 的多端柔性直流和直流电网技术的开始应用， 快速 直流断路器成为保证***稳定安全可靠运行的关键设备之一。在交流***中， 交流电流 在一个周期内存在两个自然过零点， 交流断路器正是利用电流的自然过零点关断电流， 而在直流***中， 直流电流不存在自然过零点， 因此直流电流的开断远比交流电流的开 断困难。
开断直流电流通常有两种方式， 一种是在常规交流机械断路器的基础上， 通过增加 辅助电路，在开断弧间隙的直流电流上迭加增幅的振荡电流，利用电流过零时开断电路， 利用这种原理制造的机械式断路器，在分断时间上无法满足多端柔性直流输电***的要 求； 另一种是利用大功率可关断电力电子器件， 直接分断直流电流， 利用这种原理制造 的固态断路器， 在时间上虽然可以满足多端柔性直流***的要求， 但在正常导通时的损 耗过大， 经济性较差。
发明内容
针对现有技术的不足， 本发明提出一种直流断路器及其使用方法， 实现了用可关断 电力电子器件切断直流电流， 无电弧切断， 速度快的效果。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种直流断路器，所述断路器包括并联连接的换流回路、断流回路和能量吸收回路， 其特征在于，
所述断流回路包括串联的断流电感和断流单元；
所述换流回路包括依次串连的换流电感、 机械开关和换流单元。
其中， 所述断流单元和所述换流单元均包括全桥结构 /半桥结构的换流器； 所述断流单元包含的换流器个数大于换流单元包含的换流器的个数，换流单元相比 所述断流单元具有更小的导通电阻。
其中， 所述全桥结构的换流器包括电容和 H桥结构的功率半导体开关模块； 所述 H桥结构的功率半导体开关模块包括四个功率半导体开关模块;每两个功率半 导体开关模块同向串联构成一条支路， 两条支路并联， 且分别引出两条支路的中间点， 作为输入端或输出端；
所述电容个数至少为一个， 串联后与功率半导体开关模块构成的支路并联连接。 其中，所述 H桥结构功率半导体开关模块包括四个二极管和至少一个的功率半导体 开关；
每两个二极管串联构成一条支路， 两条支路并联， 且分别引出两条支路的中间点， 作为输入端或输出端；
功率半导体开关和电容并联， 并与所述二极管构成的支路并联连接。
其中， 所述半桥结构的换流器包括两个功率半导体开关模块和至少一个的电容； 所述两个功率半导体开关模块同向串联后与电容并联；
电容的一端与串联连接的功率半导体开关模块中间点作为输入端或输出端。
其中， 所述功率半导体开关模块包括反并联的功率半导体开关和续流二极管。 其中， 所述机械开关的个数至少为一个。
其中， 所述能量吸收回路包括避雷器或滑动变阻器。
包括相互串联连接并且与通过输电线路或配电线路的电流通路串联连接的至少两 个如权利要求 1至 10任一项所述的直流断路器的第一限流布置， 其特征在于， 所述的 限流布置适合在所述电流通路中电流超过过电流极限时操作一定数量的所述直流断路 器，使得所述至少两个直流断路器的所述机械开关和换流单元的电流换向至能量吸收回 路。 其中， 一定数量依据超过过电流极限的程度来确定， 一般的， 其选择个数的原则 是：使得电流再次下降到低于过电流极限并且至少在某一个时间段内保持在预定于电流 值。
直流断路器的第二限流布置， 包括至少一组并联的断流单元和能量吸收回路， 以及 串联的机械开关和换流单元； 每组并联的断流单元和能量吸收回路之间串联；
在电流通路中流过超过过电流极限的电流时， 操作所述机械开关、 所述换流单元和 并联的断流单元和能量吸收回路，使得流过机械开关和换流单元的电流换向到并联的断 流单元和能量吸收回路中。
一种直流断路器的使用方法， 其特征在于， 所述方法包括如下步骤：
A、 控制电路控制换流单元的换流器导通， 闭合机械开关；
B、 控制电路检测每条支路的电流值， 需要开断回路中的直流电流时， 控制电路触 发断流单元中的换流器，如果接收到闭锁换流单元换流器信号，则闭锁换流单元换流器; 换流电感和换流单元中的电容形成振荡， 将电流转移至断流回路中；
C、 断开所述机械开关， 并使其有足够的断口距离；
D、 若接受到闭锁断流单元换流器信号， 则闭锁断流单元换流器， 将电流切换至断 流单元的电容器中,回路电流向断流单元中的电容器进行充电， 电容器电压开始升高；
E: 当电容器电压升高至能量吸收回路的动作电压时， 将电流转换至能量吸收回路 中。
其中， 步骤 B若电流超过第一电流极限， 控制电路发送所述换流单元换流器断开信 号；
第一电流极限值大于或等于线路连接换流站的额定电流。
其中， 步骤 C在所述换流单元换流器闭锁起经过第一段时间断开所述机械开关。 其中， 步骤 C控制电路判断电流从换流回路切换到断流回路时， 控制电路断开所述 机械开关。
其中，所述换流单元换流器闭锁或自所述机械开关断开起第二段时间内没有接收到 断流单元换流器闭锁信号情况下， 所述机械开关重新闭合， 所述换流单元换流器解锁。
其中，在所述高速机械开关闭合和所述换流单元换流器解锁之后仍然接收或者再次 接收到所述换流单元换流器闭锁信号， 首先闭锁换流单元换流器， 此后断开高速机械开 关， 并且此后如果接收到所述断流单元换流器闭锁信号则闭锁断流单元换流器。
用于使用第一限流布置的使用方法， 在所述电流通路中电流超过过电流极限（由所 应用的线路决定） 时， 操作第一特定数量的所述至少两个装置， 并且由此闭锁其对应的 断流单元换流器， 使得电流换向到所述相应的能量吸收回路。
使用第二限流布置的使用方法， 在所述电流通路中电流超过过电流极限时， 闭锁换 流单元换流器， 断开机械开关， 并且此后闭锁第一特定数量的所述断流单元换流器， 由 此将通过所述高速机械开关和所述换流单元换流器的电流换向到所述第一特定数量的 断流单元换流器然后换向到相应的能量吸收回路中。
其中， 根据超过过电流极限的程度确定所述第一特定数量。
其中， 监测与所述已闭锁断流单元换流器对应的能量吸收回路中热能， 在其超过第 一能量极限的情况下， 所述闭锁断流单元换流器解锁， 并且先前处于解锁状态的所述第 一限流布置的相同第一特性数量的所述断流单元换流器或所述第二限流布置的相同第 一特定数量的断流单元换流器闭锁。 其中， 在进行中断所述电流通路中的电流时， 分别操作仍然解锁的所述第一限流布 置中的所有其余装置或者闭锁所述第二限流布置的所有其余断流单元换流器，使得所述 电流通路中的电流换向到所述相应限流布置的全部能量吸收回路中。
其中，如果所述相应限流布置的能量吸收回路中至少有一个避雷器或者滑变电阻器 热能超过第二能量极限， 则中断所述电流通路电流。
其中， 如果电流通路超过第二电流极限， 则中断所述电流通路电流， 其中所述第二 电流极限为所述限流布置所能分断的最大电流。
与现有技术比， 本发明的有益效果为：
1、 本发明提供的直流断路器电路拓扑， 由换流回路承担正常导通电流， 换流回路 中换流单元串联级数少， 因此直流断路器正常导通时的通态损耗低。
2、 本发明提供的直流断路器电路拓扑， 由高速机械开关是无电流分断， 大大加快 了开关分断速度。
3、 本发明提供直流断路器拓扑通态损耗低， 串入电容， 兼有限制电流的作用。
4、 本发明提供的直流断路器换流单元及断流单元采用全桥或半桥结构， 模块化降 低了对电力电子器件一致性的要求， 易于实现直流断路器中所用电力电子器件的串联使 用。
5、 本发明提供的直流断路器电路拓扑， 由断流回路的功率半导体开关来切断直流 电流， 无电弧切断， 速度快。
6、 本发明提供的直流断路器并可实现导通双向电流， 降低了对电力电子器件驱动 电路的要求， 其中全桥结构还能实现分流， 降低对电力电子器件要求， 降低成本。
7、 本发明提供的直流断路器拓扑结构新颖简洁， 功能全面， 控制简单。
8、 采用本发明的控制方法， 能够安全、 有序、 可靠的保障断路器正常运行。
附图说明
图 1为本发明提供的断路器的电气结构示意图。 其中， L为电感元件； K为机械开 关； Z为避雷器。
图 2为本发明提供的 H桥结构的换流器第一示例图。 其中， 1、 2、 3和 4为功率半 导体开关模块； I为总电流； L、 12为支路电流。
图 3为本发明提供的 H桥结构的换流器第二示例图。
图 4为本发明提供的半桥结构的换流器示例图。 其中， 1和 2为功率半导体开关模 块； I为流入的总电流。
图 5为发明提供的基于全桥结构实现的断路器的第一示例图。
图 6为发明提供的基于全桥结构实现的断路器的第二示例图。
图 7为本发明提供的基于半桥结构实现的断路器的示例图。
图 8为本发明断路器与控制电路连接示例图。
图 9为本发明提供的第一限流布置示例图。
图 10为本发明提供的第二限流布置示例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例提出的一种断路器， 其电气结构如图 1所示， 包括并联连接的换流回路、 断流回路和能量吸收回路； 且， 本实施例提出的，
换流回路用于将外部电流切换到断流回路， 包括串联连接的换流电感、 机械开关和 换流单元， 导通双向电流； 换流单元只承受断流开关导通时的通态压降； 高速机械开关 断开后承受整个断路器的电压。 其中， 机械开关个数至少为一个， 因此能够耐受更高 的电压。
断流回路负责在高速机械开关断开之后快速切断回路中的直流电流，可关断双向电 流。 其包括串联连接的断流电感和断流单元。
换流回路中的换流电感和断流回路中的断流电感均可采用普通的电感实现，几十微 亨的空芯电感。
换流单元和断流单元均包括全桥结构的换流器或半桥结构的换流器，但断流单元的 个数大于换流单元的个数， 因此换流单元相比所述断流单元具有更小的导通电阻。
全桥结构的换流器包括 H桥结构的功率半导体模块模块和电容，如图 2所示， 电容 个数至少为一个， 串联后与功率半导体开关模块构成的支路并联连接， 其中：
所述 H桥结构的功率半导体模块包括四个功率半导体模块，每两个功率半导体模块 同向串联构成一条支路， 两条支路并联， 且分别引出两条支路的中间点， 作为输入端或 输出端。 一个全桥结构的换流器、 换流电感和机械开关串联构成换流回路， N (N为正 整数）个全桥结构的换流器与断流电感串联构成断流回路。 用全桥结构的换流器实现的 断路器示例如图 5所示。
所述 H桥结构的功率半导体模块还可由包括四个二极管和至少一个功率半导体开 关组成， 如图 3所示， 每两个二极管串联构成一条支路， 两条支路并联， 且分别引出两 条支路的中间点， 作为输入端或输出端， 功率半导体开关与两串联支路并联连接； 一个 全桥结构的换流器、 换流电感和机械开关串联构成换流回路， N个全桥结构的换流器与 断流电感串联构成断流回路。 用全桥结构的换流器实现的断路器示例二如图 6所示。
半桥结构的换流器包括电容和两个功率半导体模块， 如图 4所示； 所述两个功率半 导体模块串联后与电容并联，且引出电容的一端与串联的功率半导体模块中间点作为输 入端或输出端。 两个半桥结构的换流器、 换流电感和机械开关串联构成换流回路， N个 半桥结构的换流器与断流电感串联构成断流回路。用半桥结构的换流器实现的断路器如 图 7所示。
本实施例的功率半导体开关模块包括反并联的 IGBT和二极管。
能量吸收回路在断流回路切断回路直流电流后， 能够吸收直流输电***中电感储存 的能量， 包括避雷器或者滑动变阻器。 利用滑动变阻器实现时， 当***中的电压越大， 滑动变阻器的阻值越低， 当***中的电压越小， 滑动变阻器的阻值越高。
采用本实施例的直流断路器实现的开断方法， 加入控制电路， 如图 8所示。 检测到 各个支路和总电路的电流后， 控制电路控制换流回路、 断流回路和机械开关的导通与关 断， 用于控制回路的投入与退出。 其可包括处理器、 DSP或 FPGA等。
本实施例实现的开断方法， 其步骤如下：
A、 控制电路控制换流单元的换流器导通， 闭合机械开关； 其中， 生成和发送断流 单元换流器闭锁信号之前生成和发送换流单元闭锁信号；
B、 需要开断回路中的直流电流时， 控制电路触发断流单元中的换流器， 如果接收 到闭锁换流单元换流器信号， 则闭锁换流单元换流器； 换流电感和换流单元中的电容形 成振荡， 将电流转移至断流回路中； 若电流超过第一电流极限， 控制电路发送所述换流 单元换流器断开信号； 第一电流极限值大于或等于所述线路连接换流站的额定电流；
C、控制电路判断电流从换流回路切换到断流回路时， 控制电路断开所述机械开关， 并使其有足够的断口距离；
D、 若接受到闭锁断流单元换流器信号， 则闭锁断流单元换流器， 将电流切换至断 流单元的电容器中,回路电流向断流单元中的电容器进行充电， 电容器电压开始升高；
E: 当电容器电压升高至能量吸收回路的动作电压时， 将电流转换至能量吸收回路 中。
换流单元换流器闭锁或自所述机械开关断开起第二段时间（时间用断流单元在无冷 却情况下耐受电流冲击能力决定） 内没有接收到断流单元换流器闭锁信号情况下， 所述 机械开关重新闭合， 所述换流单元换流器解锁。
在机械开关闭合和换流单元换流器解锁之后仍然接收或者再次接收到所述换流单 元换流器闭锁信号， 首先闭锁换流单元换流器， 此后断开高速机械开关， 并且此后如果 接收到所述断流单元换流器闭锁信号则闭锁断流单元换流器；
实施过程中， 若在所述电流通路中电流超过过电流极限时， 操作第一特定数量的所 述至少两个装置， 并且由此闭锁其对应的断流单元换流器， 使得电流换向到所述相应的 能量吸收回路， 如图 9所示。 或者在所述电流通路中电流超过过电流极限时， 首先闭锁 换流单元换流器， 此后断开高速机械开关， 并且此后闭锁第一特定数量的所述断流单元 换流器， 由此首先将通过所述高速机械开关和所述换流单元换流器的电流换向到所述第 一特定数量的断流单元换流器然后换向到相应的能量吸收回路中， 如图 10所示。 其中 根据超过过电流极限的程度来确定所述第一特定数量。
本实施例提出的第一限流布置， 如图 9所示， 即将多个直流断路器串联。 所述的限 流布置适合在所述电流通路中电流超过过电流极限时操作一定数量的所述直流断路器， 使得所述至少两个直流断路器的所述高速机械开关和换流单元的电流换向至能量吸收 回路。
本实施例提出的第二限流布置， 结构如图 10所示， 其结构相应变化， 包括至少一 组并联的断流单元和能量吸收回路， 以及串联的机械开关和换流单元； 每组并联的断流 单元和能量吸收回路之间串联；
在电流通路中流过超过过电流极限的电流时， 操作所述机械开关、 所述换流单元和 并联的断流单元和能量吸收回路，使得流过机械开关和换流单元的电流换向到并联的断 流单元和能量吸收回路中。
监测与所述已闭锁断流单元换流器对应的能量吸收回路中热能，在它超过第一能量 极限的情况下， 所述闭锁断流单元换流器解锁， 并且先前处于解锁状态的所述第一限流 布置的相同第一特性数量的所述断流单元换流器或所述第二限流布置的相同第一特定 数量的断流单元换流器闭锁。
在进行中断所述电流通路中的电流时，分别操作仍然解锁的所述第一限流布置中的 所有其余装置或者闭锁所述第二限流布置的所有其余断流单元换流器，使得所述电流通 路中的电流换向到所述相应限流布置的全部能量吸收回路中；若所述相应限流布置的能 量吸收回路中至少有一个避雷器或者滑变电阻器热能超过第二能量极限，则中断所述电 流通路电流； 若超过第二电流极限， 则中断所述电流通路电流， 其中所述第二电流极限 为所述限流布置所能分断的最大电流。
本实施例采用功率半导体开关模块实现了换流和断流的功能， 实现了节省成本的效 果。
最后应当说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制， 尽管 参照上述实施例对本发明进行了详细的说明， 所属领域的普通技术人员应当理解： 依然 可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围 的任何修改或者等同替换， 其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

权 利 要 求
1、 一种直流断路器， 所述断路器包括并联连接的换流回路、 断流回路和能量吸收 回路， 其特征在于，
所述断流回路包括串联的断流电感和断流单元；
所述换流回路包括依次串连的换流电感、 机械开关和换流单元。
2、 如权利要求 1所述的直流断路器， 其特征在于， 所述断流单元和所述换流单元 均包括全桥结构 /半桥结构的换流器；
所述断流单元包含的换流器个数大于换流单元包含的换流器的个数。
3、 如权利要求 2所述的直流断路器， 其特征在于， 所述全桥结构的换流器包括电 容和 H桥结构的功率半导体开关模块；
所述 H桥结构的功率半导体开关模块包括四个功率半导体开关模块;每两个功率半 导体开关模块同向串联构成一条支路， 两条支路并联， 且分别引出两条支路的中间点， 作为输入端或输出端；
所述电容个数至少为一个， 串联后与功率半导体开关模块构成的支路并联连接。
4、 如权利要求 3所述的直流断路器， 其特征在于， 所述 H桥结构功率半导体开关 模块包括四个二极管和至少一个的功率半导体开关；
每两个二极管串联构成一条支路， 两条支路并联， 且分别引出两条支路的中间点， 作为输入端或输出端；
功率半导体开关和电容并联， 并与所述二极管构成的支路并联连接。
5、 如权利要求 2所述的直流断路器， 其特征在于， 所述半桥结构的换流器包括两 个功率半导体开关模块和至少一个的电容；
所述两个功率半导体开关模块同向串联后与电容并联；
电容的一端与串联连接的功率半导体开关模块中间点作为输入端或输出端。
6、 如权利要求 3-5 任一所述的直流断路器， 其特征在于， 所述功率半导体开关模 块包括反并联的功率半导体开关和续流二极管。
7、 如权利要求 1所述的直流断路器， 其特征在于， 所述机械开关的个数至少为一 个。
8、 如权利要求 1所述的直流断路器， 其特征在于， 所述能量吸收回路包括避雷器 或滑动变阻器。
9、 包括相互串联连接并且与通过输电线路或配电线路的电流通路串联连接的至少 两个如权利要求 1至 8任一项所述的直流断路器的第一限流布置， 其特征在于， 所述的 限流布置适合在所述电流通路中电流超过过电流极限时操作一定数量的所述直流断路 器，使得所述至少两个直流断路器的所述机械开关和换流单元的电流换向至能量吸收回 路。
10、 如权利要求 1至 8任一项所述的直流断路器的第二限流布置， 其特征在于， 包 括至少一组并联的断流单元和能量吸收回路， 以及串联的机械开关和换流单元； 每组并 联的断流单元和能量吸收回路之间串联；
在电流通路中流过超过过电流极限的电流时， 操作所述机械开关、 所述换流单元和 并联的断流单元和能量吸收回路，使得流过机械开关和换流单元的电流换向到并联的断 流单元和能量吸收回路中。
11、 一种直流断路器的使用方法， 其特征在于， 所述方法包括如下步骤：
A、 控制电路控制换流单元的换流器导通， 闭合机械开关；
B、 控制电路检测每条支路的电流值， 需要开断回路中的直流电流时， 控制电路触 发断流单元中的换流器，如果接收到闭锁换流单元换流器信号，则闭锁换流单元换流器; 换流电感和换流单元中的电容形成振荡， 将电流转移至断流回路中；
C、 断开所述机械开关；
D、 若接受到闭锁断流单元换流器信号， 则闭锁断流单元换流器， 将电流切换至断 流单元的电容器中,回路电流向断流单元中的电容器进行充电， 电容器电压开始升高；
E: 当电容器电压升高至能量吸收回路的动作电压时， 将电流转换至能量吸收回路 中。
12、 如权利要求 11所述的使用方法， 其特征在于， 步骤 B若电流超过第一电流极 限， 控制电路发送所述换流单元换流器断开信号；
第一电流极限值大于或等于线路连接换流站的额定电流。
13、 如权利要求 11所述的使用方法， 其特征在于， 步骤 C在所述换流单元换流器 闭锁起经过第一段时间断开所述机械开关。
14、 如权利要求 11所述的使用方法， 其特征在于， 步骤 C控制电路判断电流从换 流回路切换到断流回路时， 控制电路断开所述机械开关。
15、 如权利要求 11所述的使用方法， 其特征在于， 所述换流单元换流器闭锁或自 所述机械开关断开起第二段时间内没有接收到断流单元换流器闭锁信号情况下，所述机 械开关重新闭合， 所述换流单元换流器解锁。
16、 如权利要求 11所述的使用方法， 其特征在于， 在所述高速机械开关闭合和所 述换流单元换流器解锁之后仍然接收或者再次接收到所述换流单元换流器闭锁信号，首 先闭锁换流单元换流器， 此后断开高速机械开关， 并且此后如果接收到所述断流单元换 流器闭锁信号则闭锁断流单元换流器。
17、用于使用如权利要求 9所述的第一限流布置如权利要求 11至 16中任一所述的 使用方法， 其特征在于， 在所述电流通路中电流超过过电流极限时， 操作第一特定数量 的所述至少两个装置， 并且由此闭锁其对应的断流单元换流器， 使得电流换向到所述相 应的能量吸收回路。
18、 使用如权利要求 10所述的第二限流布置的使用方法， 其特征在于， 在所述电 流通路中电流超过过电流极限时， 闭锁换流单元换流器， 断开机械开关， 并且此后闭锁 第一特定数量的所述断流单元换流器， 由此将通过所述高速机械开关和所述换流单元换 流器的电流换向到所述第一特定数量的断流单元换流器然后换向到相应的能量吸收回 路中。
19、 如权利要求 17或 18所述的使用方法， 其特征在于， 根据超过过电流极限的程 度确定所述第一特定数量。
20、 如权利要求 17-19任一所述的使用方法， 其特征在于， 监测与所述已闭锁断流 单元换流器对应的能量吸收回路中热能， 在其超过第一能量极限的情况下， 所述闭锁断 流单元换流器解锁， 并且先前处于解锁状态的所述第一限流布置的相同第一特性数量的 所述断流单元换流器或所述第二限流布置的相同第一特定数量的断流单元换流器闭锁。
21、 如权利要求 17-20任一所述的使用方法， 其特征在于， 在进行中断所述电流通 路中的电流时，分别操作仍然解锁的所述第一限流布置中的所有其余装置或者闭锁所述 第二限流布置的所有其余断流单元换流器，使得所述电流通路中的电流换向到所述相应 限流布置的全部能量吸收回路中。
22、 如权利要求 21所述的使用方法， 其特征在于， 如果所述相应限流布置的能量 吸收回路中至少有一个避雷器或者滑变电阻器热能超过第二能量极限，则中断所述电流 通路电流。
23、 如权利要求 22所述方法， 其特征在于， 若电流通路超过第二电流极限， 则中 断所述电流通路电流， 其中所述第二电流极限为所述限流布置所能分断的最大电流。
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