一种直流断路器及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种直流断路器及其控制方法。

背景技术：

直流断路器是直流换流站的主要电气设备之一。它不仅在系统正常运行时能切断和接通高压线路及各种空载和负荷电流，而且当系统发生故障时，通过继电保护装置的作用能自动、迅速、可靠地切除各种过负荷和短路电流，防止事故范围的扩大。其中：混合式直流断路器兼具机械开关的低损耗特性和电力电子开关的快速分断特性，可以对多端柔性直流输电系统和高压直流系统电网进行直流分断。但是混合式直流断路器受限制于单个全控器件分断能力，存在分断电流相对较低的问题，难以满足高压大容量直流系统的分断电流需求。同时，采用晶闸管的混合式直流断路器，虽然能够显著提升直流断路器分断电流能力，但由于晶闸管无法自关断需要配置额外的辅助电路，增大了直流断路器的设计和集成难度，而通过配置辅助电源对采用晶闸管的混合式直流断路器中无源元件进行预充电，更是降低了混合式直流断路器的可靠性并增加了断路器体积。

技术实现要素：

为了满足克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种直流断路器及其控制方法。

第一方面，本发明中一种直流断路器的技术方案是：

所述直流断路器包括并联的主通流支路和故障电流抑制单元；所述故障电流抑制单元包括全桥电路、电流转移电路和能量吸收支路；所述全桥电路包括两个并联的桥臂电路，各桥臂电路均包括串联的上桥臂和下桥臂；所述电流转移电路和能量吸收支路分别与所述桥臂电路并联；

所述电流转移电路包括并联的第一电流转移支路和第二电流转移支路；

所述第一电流转移支路包括第一晶闸管、第一电容器和第一避雷器；所述第一晶闸管与第一电容器串联，且所述第一电容与第一避雷器并联；所述第二电流转移支路包括串联的第二晶闸管和第二电容器。

第二方面，本发明中一种直流断路器的控制方法的技术方案是：

所述控制方法包括在直流系统发生故障时控制所述直流断路器分断所述直流系统的故障电流，具体为：

闭锁主通流支路的电力电子开关单元，并触发第一电流转移支路的第一晶闸管导通，使得流经主通流支路的故障电流转移至第一电流转移支路；

当所述故障电流全部转移至第一电流转移支路后，断开所述主通流支路的快速机械开关；

当所述快速机械开关完全断开后，触发第二电流转移支路的第二晶闸管导通，使得流经所述第一电流转移支路的故障电流转移至第二电流转移支路，并对第二电容器充电；其中：所述第二电容器的充电电压达到预设电压值后，能量吸收支路吸收所述故障电流。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种直流断路器，第一晶闸管和第二晶闸管为半控型电力电子器件，可以减小直流断路器的体积，同时，将电流转移电路并联在全桥电路的桥臂电路两端，不需要单独设置辅助电源向第一电容器和第二电容进行预充电，进一步地减小直流断路器的体积并提高其工作可靠性；

2、本发明提供的一种直流断路器的控制方法，在直流系统发生故障后首先控制第一电流转移支路转移故障电流，第一避雷器的保护电压水平低于第二避雷器的保护电压水平，可以保证快速机械开关能够可靠地分断；在快速机械开关完全断开后控制第二电流转移支路转移故障电流，当第二电流转移支路的第二电容器的充电电压达到预设电压值后故障电流转移至能量吸收支路，从而实现对故障电流的消耗吸收。

附图说明

图1：本发明实施例中一种直流断路器结构示意图；

图2：本发明实施例中一种电力电子开关结构示意图；

图3：本发明实施例中另一种电力电子开关结构示意图；

图4：本发明实施例中再一种电力电子开关结构示意图；

图5：本发明实施例中另一种直流断路器结构示意图；

图6：本发明实施例中直流断路器的应用示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种直流断路器进行说明。

图1为本发明实施例中一种直流断路器结构示意图，如图所示，本实施例中直流断路器包括并联的主通流支路和故障电流抑制单元。其中：主通流支路用于在直流系统正常运行时导通直流系统的负荷电流，故障电流抑制单元用于在直流系统发生故障时将流经主通流支路的故障电流转移至故障电流抑制单元，并抑制主通流支路的分断过电压。

故障电流抑制单元包括全桥电路、电流转移电路和能量吸收支路；全桥电路包括两个并联的桥臂电路，各桥臂电路均包括串联的上桥臂和下桥臂；电流转移电路和能量吸收支路分别与桥臂电路并联。

电流转移电路包括并联的第一电流转移支路和第二电流转移支路；第一电流转移支路包括第一晶闸管T1、第一电容器C1和第一避雷器MOV1；第一晶闸管T1与第一电容器C1串联，且第一电容CI与第一避雷器MOV1并联；第二电流转移支路包括串联的第二晶闸管T2和第二电容器C2。同时，能量吸收电路包括第三避雷器MOV3，用于吸收故障电流并抑制主通流支路的分断过电压。

本实施例中第一晶闸管和第二晶闸管为半控型电力电子器件，可以减小直流断路器的体积，同时，将电流转移电路并联在全桥电路的桥臂电路两端，不需要单独设置辅助电源向第一电容器和第二电容进行预充电，进一步地减小直流断路器的体积并提高其工作可靠性。

进一步地，本实施例中故障电流抑制单元的全桥电路可以包括下述结构，具体为：

本实施例中全桥电路中上桥臂和下桥臂均包括一个二极管。

其中：第一晶闸管T1的阳极与上桥臂中二极管的阴极连接，第一晶闸管T1的阴极与第一电容器C1连接；第二晶闸管T2的阳极与上桥臂中二极管的阴极连接，第二晶闸管T2的阴极与第二电容器C2连接。

进一步地，本实施例中主通流支路可以包括下述结构，具体为：

本实施例中主通流支路包括快速机械开关K1、电力电子开关单元和第二避雷器MOV2，快速机械开关K1与电力电子开关单元串联，且电力电子开关单元与第二避雷器MOV2，并联。其中：通过设定第二避雷器MOV2的电压保护水平高于第一避雷器MOV1的电压保护水平，能够可靠地将流经主通流支路的故障电流转移至第一电流转移支路。同时，本发明还提供了三种电力单子开关的优选实施方案，具体为：

(1)实施例1

图2为本发明实施例中一种电力电子开关结构示意图，如图所示，本实施例中电力电子开关包括两个反向串联的全控型电力电子器件，每个全控型电力电子器件分别与一个续流二极管反向并联。其中：本实施例中全控型电力电子器件可以采用IGBT、IGCT或GTO。

图5为本发明实施例中另一种直流断路器结构示意图，如图所示，本实施例中直流断路器的电力电子开关采用由IGCT构成的上述结构的电力电子开关。

(2)实施例2

图3为本发明实施例中另一种电力电子开关结构示意图，如图所示，本实施例中电力电子开关包括两个反向并联的全控型电力电子器件。其中：本实施例中全控型电力电子器件可以采用IGBT、IGCT或GTO。

(3)实施例3

图4为本发明实施例中再一种电力电子开关结构示意图，如图所示，本实施例中电力电子开关为全桥结构的电力电子开关，全桥结构的各桥臂均包括一个全控型电力电子器件，且每个全控型电力电子器件分别与一个续流二极管反向并联。其中：本实施例中全控型电力电子器件可以采用IGBT、IGCT或GTO。

本发明还提供了一种直流断路器的控制方法，并给出具体实施例。

本实施例中可以按照下述步骤控制直流断路器在直流系统发生故障时分断直流系统的故障电流，具体为：

步骤S101：闭锁主通流支路的电力电子开关单元，并触发第一电流转移支路的第一晶闸管导通，使得流经主通流支路的故障电流转移至第一电流转移支路，故障电流对第一电容器进行充电。其中：主通流支路和第一电流转移支路的电压分别受第二避雷器和第一避雷器的限制，当第二避雷器的保护电压水平高于第一避雷器的保护电压水平时，可以确保故障电流维持在第一电流转移支路流通，若第一避雷器的保护电压水平高于第二避雷器的保护电压水平，故障电流将会转移到主通流支路，因此，本实施例中设定第一避雷器的保护电压水平低于第二避雷器的保护电压水平，从而可以将第一电流转移支路的电压限制在较低的电压水平，保证主通流支路能够可靠地分断。

步骤S102：当故障电流全部转移至第一电流转移支路后，断开主通流支路的快速机械开关。

步骤S103：当快速机械开关完全断开后，触发第二电流转移支路的第二晶闸管导通，使得流经第一电流转移支路的故障电流转移至第二电流转移支路，并对第二电容器充电；其中：第二电容器的充电电压达到预设电压值后，能量吸收支路吸收故障电流。

本实施例中在直流系统发生故障后首先控制第一电流转移支路转移故障电流，第一避雷器的保护电压水平低于第二避雷器的保护电压水平，可以保证快速机械开关能够可靠地分断；在快速机械开关完全断开后控制第二电流转移支路转移故障电流，当第二电流转移支路的第二电容器的充电电压达到预设电压值后故障电流转移至能量吸收支路，从而实现对故障电流的消耗吸收。

图6为本发明实施例中直流断路器的应用示意图，如图所示，本实施例中直流断路器安装在换流站的两条直流出线上，且其中一个直流出线发生短路故障，直流断路器为图4所示的直流断路器。下面以图6所示直流系统为例对直流断路器的控制方法进行说明：

1、闭锁主通流支路的电力电子开关单元，并触发第一晶闸管T1导通。

2、当故障电流全部转移至第一电流转移支路后，断开主通流支路的快速机械开关K1。

3、当快速机械开关K1完全断开后，触发第二晶闸管T2导通，使得流经第一电流转移支路的故障电流转移至第二电流转移支路，并对第二电容器C2充电。

4、当第二电容器C2的充电电压达到预设电压值后，控制能量吸收支路吸收故障电流。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。