一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法
【专利摘要】本发明提出一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法，直流断路器包括避雷器、主开关电路和辅助开关电路；避雷器与主开关支路并联；主开关支路包括两组结构相同的串联的第一断流单元和第二断流单元；在第一断流单元和第二断流单元两端分别并联结构相同的第一辅助开关电路和第二辅助开关电路。辅助开关电路包括晶闸管-电抗串联支路、电容、电阻和由一个晶闸管与二极管构成的阀段。本发明通过注入反向电流的方法使得直流电流过零来将其分断。本发明采用半控型器件晶闸管构成直流断路器拓扑，可应用于高压大电流场合，成本较低，技术成熟，控制简易，损耗较低。
【专利说明】一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，具体涉及一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]多端直流输电技术能够实现多电源供电、多落点受电，是一种灵活、快捷、经济的输电方式，满足电力工业的发展需求。直流断路器是多端直流输电工程中一种十分重要的设备，在多端直流系统中采用直流断路器才能充分发挥多端直流系统的特点和优势，然而直流断路器开断直流电流过程承受电压极高，需要吸收的能量特别大，要求开断速度快，可靠性高，而且需要开断双向电流。目前，一些学者正在研究与其对应的直流断路器。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明提出一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法，核心是基于电流转移原理采用叠加反向电流的方式分断直流电流，实现了电流的双向分断，为直流断路器的研制提供了一条崭新的技术路线。
[0004]本发明提供的一种多端直流系统用直流断路器，两端分别连接电抗后接入直流系统；所述直流断路器包括避雷器、主开关支路和辅助支路；所述避雷器与所述主开关支路并联；其改进之处在于，
[0005]所述主开关支路包括两组结构相同的串联的第一断流单元和第二断流单元；在所述第一断流单元两端并联设置第一辅助开关电路；在所述第二断流单元两端并联设置第二辅助开关电路；
[0006]所述第一辅助开关电路包括晶闸管T13-电抗LI串联支路、电容Cl、电阻R1、晶闸管Tll和二极管Dl ;晶闸管Tll和二极管Dl反并联构成第一阀段，与所述第一断流单元并联；所述晶闸管T13-电抗LI串联支路和所述电容Cl对地并联接于所述第一阀段两端，并通过所述电阻Rl接地；
[0007]所述第二辅助开关电路包括晶闸管T23-电抗L2串联支路、电容C2、电阻R2、晶闸管T21和二极管D2 ;晶闸管T21和二极管D2反并联构成第二阀段，与所述第二断流单元并联；所述晶闸管T23-电抗L2串联支路和所述电容C2对地并联接于所述第二阀段两端，并通过所述电阻R2接地。
[0008]其中，所述第一断流单元包括隔离开关BRK1、晶闸管Tl和晶闸管T12 ；
[0009]所述晶闸管Tl和所述晶闸管T12反并联后与所述隔离开关BRKl串联；
[0010]所述第二断流单元包括隔离开关BRK2、晶闸管T2和晶闸管T22 ；
[0011]所述晶闸管T2和所述晶闸管T22反并联后与所述隔离开关BRK2串联。
[0012]其中，所述第一辅助开关电路中，所述晶闸管T13的阳极与所述二极管Dl的负极连接，其阴极与所述电抗LI的一端连接；所述电容Cl 一端与所述二极管Dl的正极连接；所述电容Cl另一端与所述电抗LI的另一端连接；所述电抗LI通过所述电阻Rl接地；[0013]所述第二辅助开关电路中，所述晶闸管T23的阳极与所述二极管D2的负极连接，其阴极与所述电抗L2的一端连接；所述电容C2 —端与所述二极管D2的正极连接；所述电容C2另一端与所述电抗L2的另一端连接；所述电抗L2通过所述电阻R2接地。
[0014]其中，所述第一辅助开关电路中的所述二极管D1、所述晶闸管Tll和所述晶闸管T13的个数均为两个以上；
[0015]所述第二辅助开关电路中的所述二极管D2、所述晶闸管T21和所述晶闸管T23的个数均为两个以上。
[0016]其中，所述第一阀段中的二极管Dl和所述第二阀段中的二极管D2负极相接，正极与线路中的限流电抗器连接。
[0017]本发明基于另一目的提供的一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其改进之处在于，所述控制方法包括如下步骤:
[0018]开通过程:
[0019](I)将直流断路器接入电路中，并保持晶闸管Tl、晶闸管T2、晶闸管T12、晶闸管T22、晶闸管TH、晶闸管T21、晶闸管T13和晶闸管T23为闭锁状态，隔离开关BRKl和隔离开关BRK2为打开状态；
[0020](2)闭合第一断流单元中的隔离开关BRK1，并触发所述第一断流单元中的晶闸管Tl ；
[0021](3)闭合第二断流单元中的隔离开关BRK2，并触发所述第二断流单元中的晶闸管T2 ；
[0022]关断过程:
[0023]I)触发导通第一辅助开关电路中的晶闸管T13 ；
[0024]2)断开所述第一断流单元中的隔离开关BRKl ；
[0025]3)避雷器动作并吸收能量；
[0026]4)断开所述第二断流单元中的隔离开关BRK2。
[0027]本发明基于另一目的提供的一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其改进之处在于，所述控制方法包括如下步骤:
[0028]开通过程:
[0029](I)将直流断路器接入电路中，并保持晶闸管Tl、晶闸管T2、晶闸管T12、晶闸管T22、晶闸管TH、晶闸管T21、晶闸管T13和晶闸管T23为闭锁状态，隔离开关BRKl和隔离开关BRK2为打开状态；
[0030](2)闭合第二断流单元中的隔离开关BRK2，并触发所述第二断流单元中的晶闸管T22 ；
[0031](3)闭合第一断流单元中的隔离开关BRK1，并触发所述第一断流单元中的晶闸管T12 ；
[0032]关断过程:
[0033]I)触发导通第二辅助开关电路中的晶闸管T23 ；
[0034]2)断开所述第二断流单元中的隔离开关BRK2 ；
[0035]3)避雷器动作并吸收能量；
[0036]4)断开所述第一断流单元中的隔离开关BRKl。[0037]与现有技术比，本发明的有益效果为:
[0038]本发明结合了强迫换流思想和电流转移分断思想，实现了大容量系统直流电流的分断。
[0039]本发明采用半控型器件晶闸管构成直流断路器拓扑，利用半控型器件代替昂贵的全控型器件，通态损耗低，制造成本和散热要求较低，技术成熟。
[0040]本发明可应用于高压大电流场合，拓扑结构简单紧凑，控制简易，可扩展性高。
[0041]本发明应用快速隔离开关，实现了多工况双向直流电流分断，分断过程无弧快速。
[0042]本发明利用辅助开关电路实现了直流断路器的软开通，减小了功率器件开通过程所承受的应力。
[0043]本发明属于混合型高压直流断路器，结合了机械式直流断路器和固态直流断路器二者的优势，研发难度相对较小，适用于各种多端直流系统。
[0044]本发明利用线路为辅助开关回路中电容器充电，不需额外增加充电设备，从而降低设备间电气隔离难度，减少占地面积和成本，易于工程化实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1为本发明提供的直流断路器结构图。
[0046]图2为本发明提供的分断故障电流的波形示意图。
[0047]图3为本发明提供的分断负荷电流的波形示意图。
【具体实施方式】
[0048]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。
[0049]本实施例提出的一种多端直流系统用直流断路器，其通过两端分别串联限流电抗器后接入电网，其结构如图1所示，包括避雷器、主开关支路和辅助开关电路；其避雷器与主开关支路并联。
[0050]本实施例的主开关支路包括两组结构相同的第一断流单元和第二断流单元；第一断流单元包括隔离开关BRK1、晶闸管Tl和晶闸管T12 ;晶闸管Tl和晶闸管T12反并联后与隔离开关BRKl串联；第二断流单元包括隔离开关BRK2、晶闸管T2和晶闸管T22 ;晶闸管T2和晶闸管T22反并联后与隔离开关BRK2串联。第一断流单元和第二断流单元串联，构成主开关支路。本实施例在第一断流单元两端并联设置第一辅助开关电路；在第二断流单元两端并联设置第二辅助开关电路。
[0051]如图1所示，第一辅助开关电路包括晶闸管T13-电抗LI串联支路、电容Cl、电阻R1、晶闸管Tll和二极管Dl ;晶闸管Tll和二极管Dl反并联构成第一阀段，与第一断流单元并联；晶闸管T13-电抗LI串联支路和电容Cl对地并联接于第一阀段两端，并通过电阻Rl接地。
[0052]第二辅助开关电路包括晶闸管T23-电抗L2串联支路、电容C2、电阻R2、晶闸管T21和二极管D2 ；晶闸管T21和二极管D2反并联构成第二阀段，与第二断流单元并联；晶闸管T23-电抗L2串联支路和电容C2对地并联接于第二阀段两端，并通过电阻R2接地。
[0053]图1中，两组阀段中，二极管D2和晶闸管T21反并联，二极管Dl和晶闸管Tll反并联。其中每段阀段中的二极管Dl和D2，晶闸管Tll和晶闸管T21的个数均为多个(图中只用一个标示)，且为串联结构。二极管Dl和二极管D2方向相反，晶闸管Tll和晶闸管T21方向相反。
[0054]对于第一阀段所在的第一辅助开关电路，晶闸管T13的阳极与二极管Dl的负极连接，其阴极与电抗LI连接；电抗LI的另一端与电容Cl的一端连接，电容Cl的另一端与二极管Dl的正极连接，电抗LI与电容Cl之间通过电阻Rl接地，Rl起限流作用，电抗LI起抑制短路电流作用。其中晶闸管T13也由至少一个的晶闸管同向串联构成。
[0055]对于第二阀段所在的第二辅助开关电路，晶闸管T23的阳极与二极管D2的负极连接，其阴极与电抗L2连接；电抗L2的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与二极管D2的正极连接，电抗L2与电容C2之间通过另一个电阻R2接地，R2起限流作用，电抗L2起抑制短路电流作用。其中晶闸管T23也由至少一个的晶闸管同向串联构成。
[0056]对应的，本实施例提出一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，由于本实施例的断路器结构对称，双向流通电流的分断机理完全相同，仅取正向做原理分析，反方向可类比，附图1中所示电流方向Id。为电流的正方向。对于切断故障短路电流和切断负荷电流的不同工况，本断路器工作原理相同，故做统一说明。本实施例包括如下步骤:
[0057]开通过程:
[0058]电容Cl和C2利用线路通过辅助开关电路Cl-R及C2-R充电并保持常带电状态，电压稳定在系统额定电压水平。开通时，先闭合快速隔离开关BRK1，然后触发导通Tl，电流通过D2-BRK1-T1支路，待电流稳定后闭合快速隔离开关BRK2，然后触发导通晶闸管T2，由于D2所在支路阻抗远大于T2支路，电流会迅速向BRK2-T2-BRK1-T1支路转移，待电流稳定后，电流稳定通过BRK2-T2-BRK1-T1支路，至此断路器完全投入稳定运行状态，开通过程结束。
[0059]关断过程:
[0060]断路器需要动作分断电流时，触发导通T13，由于电容电压的作用，电容器Cl迅速在C1-T1-BRK1-T13-L1回路产生一个与线路正向电流反向的脉冲电流，使得晶闸管Tl中电流过零，由于Dl导通给Tl提供反向电压，晶闸管Tl关断，此时快速机械隔离开关BRKl在无电流情况快速动作分闸；当BRKl恢复阻断能力后，电流完全转移到BRK2-T2-T13-L1-C1支路，同时给电容器Cl充电，使得电容Cl电压由上正下负变为上负下正，与图示方向相反。当此支路电压达到避雷器MOV动作电压时，MOV动作，电流转移到MOV所在支路，MOV吸收线路及限流电感中储存的能量，当电容器Cl充电电流为零时，晶闸管T13关断，BRK2分闸，待避雷器中电流逐渐减小至0，避雷器恢复阻断状态，至此流经直流断路器电流完全分断，关断过程结束。
[0061]如图2所示，为分断故障电流的波形示意图。通过对本实施例提出的直流断路器的操控，从图中可以看出，经过1.4ms主支路直流电流分断，最终电流转移至避雷器进行能
量耗散。
[0062]如图3所示，为分断负荷电流的波形示意图。通过对本实施例提出的直流断路器的操控，从图中可以看出，经过1.3ms主支路直流电流分断，最终电流转移至避雷器进行能
量耗散。
[0063]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】
1.一种多端直流系统用直流断路器，两端分别连接电抗后接入直流系统；所述直流断路器包括避雷器、主开关支路和辅助支路；所述避雷器与所述主开关支路并联；其特征在于， 所述主开关支路包括两组结构相同的串联的第一断流单元和第二断流单元；在所述第一断流单元两端并联设置第一辅助开关电路；在所述第二断流单元两端并联设置第二辅助开关电路； 所述第一辅助开关电路包括晶闸管T13-电抗LI串联支路、电容Cl、电阻R1、晶闸管Tll和二极管Dl ;晶闸管Tll和二极管Dl反并联构成第一阀段，与所述第一断流单元并联；所述晶闸管T13-电抗LI串联支路和所述电容Cl对地并联接于所述第一阀段两端，并通过所述电阻Rl接地； 所述第二辅助开关电路包括晶闸管T23-电抗L2串联支路、电容C2、电阻R2、晶闸管T21和二极管D2 ;晶闸管T21和二极管D2反并联构成第二阀段，与所述第二断流单元并联；所述晶闸管T23-电抗L2串联支路和所述电容C2对地并联接于所述第二阀段两端，并通过所述电阻R2接地。
2.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一断流单元包括隔离开关BRKl、晶闸管Tl和晶闸管T12 ； 所述晶闸管Tl和所述晶闸管T12反并联后与所述隔离开关BRKl串联； 所述第二断流单元包括隔离开关BRK2、晶闸管T2和晶闸管T22 ； 所述晶闸管T2和所述晶闸管T22反并联后与所述隔离开关BRK2串联。
3.如权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述第一辅助开关电路中，所述晶闸管T13的阳极与所述二极管Dl的负极连接，其阴极与所述电抗LI的一端连接；所述电容Cl一端与所述二极管Dl的正极连接；所述电容Cl另一端与所述电抗LI的另一端连接；所述电抗LI通过所述电阻Rl接地； 所述第二辅助开关电路中，所述晶闸管T23的阳极与所述二极管D2的负极连接，其阴极与所述电抗L2的一端连接；所述电容C2 —端与所述二极管D2的正极连接；所述电容C2另一端与所述电抗L2的另一端连接；所述电抗L2通过所述电阻R2接地。
4.如权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述第一辅助开关电路中的所述二极管D1、所述晶闸管Tll和所述晶闸管T13的个数均为两个以上； 所述第二辅助开关电路中的所述二极管D2、所述晶闸管T21和所述晶闸管T23的个数均为两个以上。
5.如权利要求1-4任一所述的直流断路器，其特征在于，所述第一阀段中的二极管Dl和所述第二阀段中的二极管D2负极相接，正极与线路中的限流电抗器连接。
6.一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤: 开通过程: (1)将直流断路器接入电路中，并保持晶闸管T1、晶闸管T2、晶闸管T12、晶闸管T22、晶闸管T11、晶闸管T21、晶闸管T13和晶闸管T23为闭锁状态，隔离开关BRKl和隔离开关BRK2为打开状态； (2)闭合第一断流单元中的隔离开关BRK1，触发导通所述第一断流单元中的晶闸管Tl ； (3)闭合第二断流单元中的隔离开关BRK2，触发导通所述第二断流单元中的晶闸管T2 ； 关断过程: 1)触发导通第一辅助开关电路中的晶闸管T13; 2)断开所述第一断流单元中的隔离开关BRKl； 3)避雷器动作并吸收能量； 4)断开所述第二断流单元中的隔离开关BRK2。
7.一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤: 开通过程: (1)将直流断路器接入电路中，并保持晶闸管Tl、晶闸管T2、晶闸管T12、晶闸管T22、晶闸管T11、晶闸管T21、晶闸管T13和晶闸管T23为闭锁状态，隔离开关BRKl和隔离开关BRK2为打开状态； (2)闭合第二断流单元中的隔 离开关BRK2，触发导通所述第二断流单元中的晶闸管T22 ； (3)闭合第一断流单元中的隔离开关BRK1，触发导通所述第一断流单元中的晶闸管T12 ； 关断过程: 1)触发导通第二辅助开关电路中的晶闸管T23; 2)断开所述第二断流单元中的隔离开关BRK2； 3)避雷器动作并吸收能量； 4)断开所述第一断流单元中的隔离开关BRKl。
【文档编号】H02J1/00GK103457258SQ201310359625
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】温家良, 邱宇峰, 药韬, 郭高朋, 杨杰 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院