一种改进型级联全桥高压直流断路器及其快速重合方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种改进型级联全桥高压直流断路器及其快速重合方法。

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，高压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。混合采用机械开关和全控型电力电子开关直流断路器技术兼具了机械开关的低损耗特性和电力电子开关的快速分断特性，是目前应用高压输电系统中直流分断最为有效的技术途径。高压直流断路器应用于的含有大容量的架空线柔性多端直流和直流电网时，除了具备快速和低损耗等特性外，还应具备强电流分断以及快速重合闸能力。

迄今国外已公布研制成功的混合式直流断路器受限制于单个全控器件分断能力，均存在分断电流相对较低的问题(不超过10kA)，难以满足实际系统分断电流需求。国内所提出的级联全桥直流断路器虽然显著提高了自身分断电流能力(达到15kA)，但由于分断完成后各模块单元内部电容储存电压很难快速释放，导致其在快速重合闸应用存在发生直通短路而损坏直流断路器的风险。此外，断路器分断完成后泄露电流相对较大致使断路器内部泄放电阻发热较高的问题，也需要进一步优化。

因此，需要提供一种能够有效阻止全桥模块内部直流短路现象发生，实现直流断路器安全可靠的快速重合的级联型全桥高压直流断路器。

技术实现要素：

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种改进型级联全桥高压直流断路器及其快速重合方法。

第一方面，本发明中一种改进型级联全桥高压直流断路器的技术方案是：

所述直流断路器包括分别并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；

所述主通流支路包括串联的机械开关和全桥模块电路，所述全桥模块电路包括1个或者至少2n个全桥模块单元，n至少为1；

所述转移电流支路包括至少两个串联的全桥模块单元；

所述能量吸收支路包括避雷器。

优选的，所述全桥模块单元包括第一电阻、第一电容器、第一二极管和4个全控型电力电子器件；

所述4个全控型电力电子器件构成全桥结构的功率模块；

所述第一电容器和第一二极管串联后连接于所述功率模块的上桥臂与下桥臂之间；所述第一电阻并联在第一电容器两端；

优选的，所述全桥模块单元包括第二电阻、第二电容器、第二二极管和4个全控型电力电子器件；

所述4个全控型电力电子器件构成全桥结构的功率模块；

所述第二电容器和第二二极管串联后连接于所述功率模块的上桥臂与下桥臂之间；所述第二电阻并联在第二二极管两端；

优选的，所述主通流支路中全桥模块电路由至少一个全桥模块并联支路串联组成；

所述全桥并联支路由至少一个全桥模块单元并联组成；

优选的，所述转移电流支路中全桥模块单元的数量远远大于所述主通流支路中全桥模块单元的数量。

第二方面，本发明中一种改进型级联全桥高压直流断路器的快速重合方法的技术方案包括：

步骤1：触发转移电流支路中所有的全桥模块单元；

步骤2：判断所述直流断路器重新合闸于故障线路还是健全线路：

若直流断路器重新合闸于故障线路，则闭锁转移电流支路，将故障电流转移至能量吸收支路，所述能量吸收支路的避雷器吸收该故障电流；

若直流断路器重新合闸于健全线路，则触发主通流支路中所有的全桥模块单元；触发所述全桥模块单元后闭合主通流支路的机械开关，负荷电流经主通流支路导通。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种改进型级联全桥高压直流断路器及其快速重合方法，能够实现级联全桥高压直流断路器在数毫秒内快速重合；

2、本发明提供的一种改进型级联全桥高压直流断路器及其快速重合方法，能够扩展级联全桥直流断路器的应用范围，进一步提高柔性多端及直流电网的运行可靠性和经济性；

3、本发明提供的一种改进型级联全桥高压直流断路器及其快速重合方法，能够大大降低全桥模块单元中电阻的阻值和功率，有利于其在结构设计中的布置，提高全桥模块单元的运行可靠性；

4、本发明提供的一种改进型级联全桥高压直流断路器及其快速重合方法，能够降低直流断路器分断完成后，所在故障系统的泄漏电流基本消失，更为可靠的实现健全系统与故障点的隔离。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中改进型级联全桥高压直流断路器拓扑结构图；

图2：本发明实施例中第一种全桥模块单元的拓扑结构图；

图3：本发明实施例中第二种全桥模块单元的拓扑结构图；

图4：全桥模块快速重合放电通路图；

图5：图2所示全桥模块单元放电通路图；

图6：图3所示全桥模块单元放电通路图；

图7：本发明实施例中改进型级联全桥高压直流断路器快速重合闸于故障线路的电流通路图；

图8：本发明实施例中改进型级联全桥高压直流断路器快速重合闸于健全线路的电流通路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种改进型级联全桥高压直流断路器的实施例如图1所示，具体为：

该改进型级联全桥高压直流断路器包括分别并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路。

主通流支路，用于导通负荷电流；

转移电流支路，用于在电力系统发生故障时将故障电流转移至能量吸收支路；

能量吸收支路，用于消耗吸收故障电流。

1、主通流支路

本实施例中主通流支路包括串联的机械开关K和全桥模块电路。其中，

①：全桥模块电路包括1个或者至少2n个全桥模块单元，n至少为1。

②：全桥模块电路由至少一个全桥模块并联支路串联组成；

该全桥并联支路由至少一个全桥模块单元并联组成。

2、转移电流支路

本实施例中转移电流支路包括至少两个串联的全桥模块单元。

转移电流支路中全桥模块单元的数量远远大于主通流支路中全桥模块单元的数量。

3、能量吸收支路

本实施例中能量吸收支路包括避雷器。

本实施例中全桥模块单元包括两种拓扑结构：

第一种拓扑结构：

如图2所示，全桥模块单元包括第一电阻R、第一电容器C、第一二极管D和4个全控型电力电子器件。

①：4个全控型电力电子器件构成全桥结构的功率模块；

②：第一电容器C和第一二极管D串联后连接于功率模块的上桥臂与下桥臂之间；

③：第一电阻R并联在第一电容器C两端。

第二种拓扑结构：

如图3所示，全桥模块单元包括第二电阻R、第二电容器C、第二二极管D和4个全控型电力电子器件.

①：4个全控型电力电子器件构成全桥结构的功率模块；

②：第二电容器C和第二二极管D串联后连接于功率模块的上桥臂与下桥臂之间；

③：第二电阻R并联在第二二极管D两端。

本发明提供的改进型级联全桥高压直流断路器的快速重合方法的步骤为：

1、触发转移电流支路中所有的全桥模块单元；

2、判断直流断路器重新合闸于故障线路还是健全线路：

①：若直流断路器重新合闸于故障线路，则闭锁转移电流支路，将故障电流转移至能量吸收支路，如图7所示；

②：若直流断路器重新合闸于健全线路，则触发主通流支路中所有的全桥模块单元；触发全桥模块单元后闭合主通流支路的机械开关，负荷电流经主通流支路导通，如图8所示。

③：闭锁转移电流支路中的全桥模块单元，在数毫秒内完成直流断路器分断后重合，从而恢复至断路器稳态下状态。

本实施例中直流断路器在分断过程中，故障电流经过二极管对转移电流支路各个全桥模块单元的电容器充电，建立暂态分断电压，由于单个二极管通态损耗极低，因此不影响直流断路器分断过程中暂态分断电压的建立速度，从而保障其分断速度不受影响。

如图4所示，现有技术中直流断路器完成分断后，级联全桥直流断路器的各个电容器因系统电流充电而存储一定幅值的电压，该电压不超过单个功率器件的耐受电压值，由于并联于电容两端的电阻阻值较大，一般达到数十千欧的级别，使得电容电压泄放奇迹缓慢。在多端直流及直流电网中，发生瞬时性故障后系统一般要求在百毫秒左右重合，此时级联全桥直流断路器全桥模块电容依然存储有较高的电压，若断路器重新投入运行，全桥模块内部的电容将会直接对功率器件放电，存在损坏直流断路器的风险。

本实施例中在全桥模块单元的电容器带电的情况下，由于二极管的单相导通特性，可以安全的触发转移电流支路的全桥模块单元。如图5所述，当IGBT导通时，由于二极管的阻隔电容电压只能经并联电阻泄放，不会对IGBT放电。如图6所示，当IGBT导通时，电容只能经过电阻对上下桥臂的IGBT放电，因此通过该电阻将电容对IGBT放电电流限制于安全水平之下。由于电容电压不超过IGBT的耐受电压，因此所需要电阻R的阻值及其功率均较低，不会带来设计难度。

同时，图6所示全桥模块单元采用电阻与二极管并联后与电容器串联的结构，还能使得直流断路器在完成分断后由系统电压引发的泄露电路基本消失，不会造成电阻的持续发热。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。