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分别并联的主通流支路、第一电流转移支路、第二电流转移支路和能量吸收支路；

所述第一电流转移支路包括两个反向并联的晶闸管；

所述第二电流转移支路包括电容、电感、电阻和两个晶闸管；所述两个晶闸管反向并联，所述电容、电感和两个晶闸管组成的并联结构依次串联，所述电阻的一端连接于所述电感和并联结构之间，另一端接地。

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一个晶闸管导通，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一个晶闸管导通，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电容充电，其中：所述电容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，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，第二电流转移支路的电阻在直流系统正常运行时可以作为电容的取能电路，在直流系统发生故障故障电流向电容充电时可以限制充电电流，因此不需要单独设置辅助电源向电容预充电，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，主通流支路中电力电子开关单元的耐受电压水平高于第一电流转移电路中晶闸管的通态压降，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，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、第一电流转移支路、第二电流转移支路和能量吸收支路。

其中：第一电流转移支路包括两个反向并联的晶闸管。第二电流转移支路包括电容、电感、电阻和两个晶闸管；两个晶闸管反向并联，电容、电感和两个晶闸管组成的并联结构依次串联，电阻的一端连接于所述电感和并联结构之间，另一端接地。能量吸收支路包括避雷器，用于消耗故障电流。

本实施例中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，第二电流转移支路的电阻在直流系统正常运行时可以作为电容的取能电路，在直流系统发生故障故障电流向电容充电时可以限制充电电流，因此不需要单独设置辅助电源向电容预充电，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串联的快速机械开关k1和电力电子开关单元。其中：通过设定电力电子开关单元的耐受电压水平高于第一电流转移电路中晶闸管的通态压降，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一个晶闸管导通，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。

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一个晶闸管导通，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电容充电，其中：所述电容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。

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，主通流支路中电力电子开关单元的耐受电压水平高于第一电流转移电路中晶闸管的通态压降，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，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，直流断路器为图4所示的直流断路器。下面分别对线路侧和电源侧发生短路故障时直流断路器的控制方法进行说明：

1、线路侧发生故障

(1)闭锁主通流支路的电力电子开关单元，并触发晶闸管t11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t21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。

2、电源侧发生故障

(1)闭锁主通流支路的电力电子开关单元，并触发晶闸管t12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t22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。

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。