专利名称：一种直流断路器及其开断方法
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开断方法。
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系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。在交流系统中，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，而在直流系统中，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系统的要求；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系统的要求，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开断方法，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。本发明提供的一种直流断路器，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，其改进之处在于，所述断路器包括控制电路，所述控制电路分别与所述换流回路、断流回路、能量吸收回路和总线路连接；所述换流回路包括串联的换流单元和至少一个的机械开关；所述断流回路包括N个串联的断流单元。其中，所述换流单元和所述断流单元均包括全桥结构的换流器。其中，所述全桥结构的换流器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；功率半导体开关与所述二极管构成的支路并联。其中，所述能量吸收回路包括避雷器。其中，所述能量吸收回路包括滑动变阻器。本发明基于另一目的提供的一种直流断路器的开断方法，其改进之处在于，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、控制电路监测各支路的电流，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导通，若接收到闭锁换流单元换流器信号，则闭锁换流单元换流器；
C、断开所述机械开关；D、若收到闭锁断流单元换流器信号，则控制电路闭锁断流单元换流器，将电流转换至能量吸收回路中。其中，在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。 其中，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线路连接换流站的额定电流。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，在所述输电线路或者配电线路，或连接到所述线路的电气装置发生故障时，则控制电路生成、发出和接收断流单元换流器闭锁信号；其中，在自所述换流单元换流器闭锁起或者自所述高速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，所述高速机械开关重新闭合，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。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。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结构，模块化降低了对电力电子器件一致性的要求，易于直流断路器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，同时降低了成本。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、本发明提供的开断方法，能够安全、有序、可靠的保障断路器正常运行。
图1为本发明提供的断路器的电气结构示意图。其中，K为机械开关；Z为避雷器。图2为本发明提供的全桥结构换流器的示例图。图3为本发明提供的基于全桥结构实现的断路器的示例图。图4为本发明断路器与控制电路连接示例图。
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；在此之上，本合理的直流断路器包括控制电路，控制电路分别与换流回路和断流回路连接，用于控制换流回路和断流回路的导通与关断，其可包括处理器、DSP或FPGA等，如图4所示。且，本实施例进一步提出的，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。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单元。换流单元和断流单元均由全桥结构的换流器构成。全桥结构的换流器包括4个二极管和至少一个功率半导体开关组成，如图2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，功率半导体开关连接于两串联支路中点；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如图3所示。能量吸收回路在断流回路切断回路直流电流后，能够吸收直流输电系统中电感储存的能量，包括避雷器或者滑动变阻器。利用滑动变阻器实现时，当系统中的电压越大，滑动变阻器的阻值越低，当系统中的电压越小，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，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；B、控制电路监测各支路的电流，在所述输电线路或者配电线路，或连接到所述线路的电气装置发生故障时，则控制电路生成、发出和接收断流单元换流器闭锁信号；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；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;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，将电流转换至能量吸收回路中。在自所述换流单元换流器闭锁起或者自所述机械开关断开起第二段时间(由功率半导体开关在无冷却情况下耐受电流能力决定)内没有接收到断流单元换流器闭锁信号情况下，所述高速机械开关重新闭合，所述换流单元换流器解锁。在所述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。本实施例采用全桥结构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，而未脱离本发明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。
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， 所述断路器包括控制电路，所述控制电路分别与所述换流回路、断流回路、能量吸收回路和总线路连接； 所述换流回路包括串联的换流单元和至少一个的机械开关； 所述断流回路包括N个串联的断流单元。
2.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述换流单元和所述断流单元均包括全桥结构的换流器。
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； 所述功率半导体开关与所述二极管构成的支路并联。
4.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。
5.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滑动变阻器。
6.一种直流断路器的开断方法，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、控制电路监测各支路的电流，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导通，若接收到闭锁换流单元换流器信号，则闭锁换流单元换流器； C、断开所述机械开关； D、若收到闭锁断流单元换流器信号，则控制电路闭锁断流单元换流器，将电流转换至能量吸收回路中。
7.如权利要求6所述的开断方法，其特征在于，在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。
8.如权利要求6所述的开断方法，其特征在于，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。
9.如权利要求6所述的开断方法，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。
10.如权利要求6所述的开断方法，其特征在于，在所述输电线路或者配电线路，或连接到所述线路的电气装置发生故障时，则控制电路生成、发出和接收断流单元换流器闭锁信号。
11.如权利要求6所述的开断方法，其特征在于，在自所述换流单元换流器闭锁起或者自所述高速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，所述高速机械开关重新闭合，所述换流单元换流器解锁。
12.如权利要求11所述的开断方法，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。
全文摘要
本发明提供一种直流断路器，包括并联连接的换流回路、断流回路和能量吸收回路，其中，断路器包括控制电路，分别与所述换流回路、断流回路、能量吸收回路和总线路连接；换流回路包括串联的换流单元和至少一个的机械开关；断流回路包括N个串联的断流单元。通过控制该直流断路器，能够快速无弧分断电流，且在实现双向切断能力的前提下大大降低了使用功率半导体开关数量，降低了成本。
文档编号H02H3/08GK103178486SQ20131006117
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者魏晓光, 罗湘, 曹均正, 汤广福, 邱宇峰 申请人:国网智能电网研究院, 中电普瑞电力工程有限公司, 国家电网公司