本公开涉及断路器、包括断路器的断路系统、包括断路系统的电力系统，以及用于操作断路器的方法。
背景技术：
面对经济社会的快速发展，用户对电力系统提出了环境友好、安全可靠和成本经济等要求。直流电力系统在较大容量的电力传输、分布式能源接入，提供无功补偿等方面显示出明显的优势，因此直流电力系统日趋成为现阶段电网的主要发展趋势，而用于电力系统，特别是用于直流电力系统的断路器以及断路系统是电力系统的关键部件。
技术实现要素：
随着半导体技术的不断发展，在直流电力系统中利用电力电子功率开关器件进行开断的直流断路器技术受到广泛关注。由于电力电子器件需要耐受高电压和高电流，本身价格昂贵，造成断路器成本极高。现有技术中还存在电力电子器件(包括开关器件以及诸如二极管等其他器件)易损坏等问题。另一方面，对于电力系统，往往希望断路器能够实现电流的双向切断。
在电力电子领域以及相关领域中所使用的二极管通常可以分为两类：快恢复二极管；以及普通功率二极管(这里，也称作整流功率二极管)。在需要考虑电力系统中的反向振荡以及反向恢复的情况下，本领域技术人员通常不采用普通功率二极管，这主要是因为反向恢复时间的不同规格导致的，快恢复二极管的反向恢复时间要比普通功率二极管短得多，换而言之，快恢复二极管的额定工作频率要比普通功率二极管的额定工作频率高得多；反向恢复时间较长可能会导致不期望的可靠性的降低。但是，相比整流功率二极管，快恢复二极管结构和制造工艺更加复杂，成本要昂贵得多。在目前的市场上，快恢复二极管价格是普通功率二极管的近乎五倍甚至更高。功率开关器件则更加昂贵，例如，作为功率开关器件的常用igbt的价格则可能是普通功率二极管的近乎25倍甚至更高。
另外，由于断路器常常用于电力主干网络的电力传输，因此这样的应用对于断路器及其内部器件的可靠性提出了极高的要求。因此，本领域技术人员在面对这样的极高的要求时，往往都是以成本为代价，例如使用更昂贵的高性能的器件而不是价格相对较低的普通器件，或者使用多个更加昂贵得多的功率开关器件，来满足可靠性要求和/或提供设计灵活性或提供冗余性(其也可看作一种提高可靠性的手段)。
为了减轻或者消除部分或者全部上述的问题及其他问题，本申请的发明人对断路器进行了长时间苦心钻研，提出了如在此公开中要求保护的新颖的断路器、断路系统、电力系统，以及用于操作断路器的方法。其具有新颖的结构，并且是成本有效的，以经济的成本实现高可靠性。
根据一个实施例，提供了一种断路器，该断路器包括：可关断电路，包括能够在第一方向上导通和关断的第一支路和能够在与第一方向相反的第二方向上导通和关断的第二支路，所述第一支路和第二支路包括共同的功率开关器件，并分别包括与所述功率开关器件耦接的整流功率二极管，其中所述可关断电路包括第一端子和第二端子；以及缓冲电路，与所述可关断电路耦接，用于在所述可关断电路的关断过程中缓冲电能量。
根据一个实施例，所述第一支路包括所述功率开关器件和分别耦接在所述功率开关器件的上游和下游的被配置为能够沿所述第一方向导通的整流功率二极管，以及所述第二支路包括所述功率开关器件和分别耦接在所述功率开关器件的上游和下游的被配置为能够沿所述第二方向导通的整流功率二极管。
根据一个实施例，所述第一支路包括第一和第二整流功率二极管，所述第二支路包括第三和第四整流功率二极管，所述第一整流功率二极管的正极耦接到所述可关断电路的第一端子，所述第一整流功率二极管的负极耦接到所述功率开关器件的第一电流承载端子；所述第二整流功率二极管的正极耦接到所述功率开关器件的第二电流承载端子，所述第二整流功率二极管的负极耦接到所述可关断电路的第二端子。
根据一个实施例，所述第二支路包括第三整流功率二极管和第四整流功率二极管，所述第三整流功率二极管的正极耦接到所述可关断电路的第二端子，所述第三整流功率二极管的负极耦接到所述功率开关器件的第一电流承载端子；所述第四整流功率二极管的正极耦接到所述功率开关器件的第二电流承载端子，所述第四整流功率二极管的负极耦接到所述可关断电路的第一端子。
根据一个实施例，所述缓冲电路并联地耦接到所述可关断电路的所述第一端子和第二端子。
根据一个实施例，所述缓冲电路包括用于接收和阻尼所述电能量的缓冲支路，所述缓冲支路的两端分别与所述可关断电路的所述第一端子和第二端子耦接。
根据一个实施例，所述缓冲电路包括用于接收和阻尼所述电能量的缓冲支路，所述缓冲支路被设置为与所述功率开关器件并联连接。
根据一个实施例，所述缓冲电路还包括用于吸收所述电能量的能量吸收支路，所述能量吸收支路的两端分别与所述可关断电路的所述第一端子和第二端子耦接。
根据一个实施例，所述缓冲电路还包括用于吸收所述电能量的能量吸收支路，所述能量吸收支路被设置为与所述功率开关器件并联连接。
根据一个实施例，所述缓冲电路被设置为与所述功率开关器件并联耦接。
根据一个实施例，所述缓冲电路包括电容器，或者包括电容器与电阻器和电感器中的至少一个的组合。其中所述电阻器可以包括压敏式电阻器和/非压敏式电阻器。
根据一个实施例，所述缓冲支路包括电容器，或者包括电容器与电阻器和电感器中的至少一个的组合。
根据一个实施例，所述能量吸收支路包括压敏式电阻器或避雷器。
根据一个实施例，所述能量吸收支路还包括与所述压敏式电阻器或避雷器串联耦接的电容器、电阻器和电感器中的至少一个的组合。
根据一个实施例，所述缓冲电路包括缓冲支路和能量吸收支路，所述缓冲支路包括电容器或者包括串联连接的电容器和非压敏式电阻器，所述能量吸收支路包括压敏式电阻器或避雷器。
根据一个实施例，所述断路器还包括与所述整流功率二极管并联的用于缓冲电能量的子缓冲电路，所述子缓冲电路包括电容器，或者包括电容器与电阻器和电感器中的至少一个的组合，其中所述电阻器包括压敏式电阻器。
根据一个实施例，所述整流功率二极管被配置为能够耐受所述断路器中的反向振荡。
根据一个实施例，所述缓冲电能量包括缓冲所述可关断电路关断过程中产生的过电压或过电流。
根据一个实施例，所述整流功率二极管的额定工作频率可以为小于100hz。
根据一个实施例，所述功率开关器件包括以下中的一个或多个：绝缘栅双极型晶体管igbt、集成门极换流晶闸管igct、门极可关断晶闸管gto、超级门极可关断晶闸管sgto、注入增强栅晶体管iegt。
根据一个实施例，提供了一种断路系统，包括：电力主开关支路，其包括至少一个以上所述的断路器。
根据一个实施例，所述至少一个断路器以串联的方式耦接。
根据一个实施例，所述断路系统还包括二级缓冲电路，其与所述至少一个断路器中的至少一个并联耦接。所述二级缓冲电路包括二级缓冲支路和/或二级能量吸收支路。所述二级能量吸收支路可以包括压敏式电阻器或避雷器。
根据一个实施例，所述断路系统还包括二级缓冲电路，所述二级缓冲电路包括二级缓冲支路和/或二级能量吸收支路，其中所述电力主开关支路还包括与所述至少一个断路器串联的耦合负压电路，其中所述二级缓冲电路与所述电力主开关支路并联耦接。
根据一个实施例，所述断路系统还包括二级缓冲电路，所述二级缓冲电路包括二级缓冲支路和/或二级能量吸收支路，其中所述电力主开关支路还包括与所述至少一个断路器串联的辅助电流转移电路，其中所述二级缓冲电路与所述电力主开关支路并联耦接。
根据一个实施例，所述断路系统还包括与所述电力主开关支路耦接的机械式断路装置。
根据一个实施例，提供了一种电力系统，其包括以上所述的断路系统以及与所述断路系统耦接的电力线路。
根据一个实施例，该电力系统用于直流电力传输。
根据一个实施例，提供了一种操作断路器的方法，所述断路器是根据以上所述的断路器，所述方法包括：通过功率开关器件，使电流在第一支路或第二支路流动；断开所述功率开关器件，以使电流转向所述缓冲电路，使得所述缓冲电路吸收电能量；以及至少通过所述缓冲电路阻尼所述缓冲电路吸收的电能量。
附图说明
图1示出了根据本申请的一个实施例的断路器的示意图；
图2示出了根据本申请的另一个实施例的断路器的示意图；
图3示出了根据本申请的另一个实施例的断路器的示意图；
图4示出了根据本申请的另一个实施例的断路器的示意图；
图5示出了在理想状态下的图1示出的断路器的关断过程中该断路器的各支路上流动的电流以及断路器两端的电压的图；
图6示出了根据本申请的一个实施例的包括断路器的断路系统的示意图；
图7示出了根据本公开的一个实施例的用于操作本文所述的断路器的方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本公开的各种示例性实施例。但应理解，对各种实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不是对本申请所要求保护的发明的限制。除非另有具体说明或者上下文或其原理明示或者暗示，在示例性实施例中的组件和步骤的相对布置、表达式和数值等不作为对本申请所要保护的发明的限制。
本文中所用的术语，仅仅是为了描述特定的实施例，而不意图限制本公开。除非上下文明确地另外指出，本文中所用的单数形式的“一”和“所述”意图同样包括复数形式。还要理解的是，“包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。另外，在本申请中所提及的“耦接”包括直接耦接和间接耦接；换而言之，“a耦接到b”或者“a与b耦接”包括a与b直接耦接，以及a和b间接耦接并在a和b之间可以存在其他中间元件。
现在参考图1，图1示出了根据本公开的一个实施例的断路器1的示意图。该断路器1可以包括可关断电路10以及与可关断电路10耦接的缓冲电路12。该可关断电路10可以包括功率开关器件和整流功率二极管。优选地，可关断电路10被配置为可以双向导通或者关断。缓冲电路12可以用于在所述可关断电路的关断过程中缓冲电能量。
如图1所示，可关断电路10可以具有两个端子，第一端子1a和第二端子1b，其可以接收或者输出电流。缓冲电路12可以耦接到可关断电路10的第一端子1a和第二端子1b，如图1所示。第一端子1a和第二端子1b还可以分别耦接到系统中的其他部件，例如，另一断路器、辅助电流转移电路或者电力线(例如，母线或者干线等)等。这里，如从附图可以容易理解的，端子1a和1b也可以作为或者连接到断路器的端子。
在一个实施例中，可关断电路10可以包括能够在第一方向上导通和关断的第一支路和能够在与第一方向相反的第二方向上导通和关断的第二支路。具体来说，在图1所示的实施例中，第一支路可以包括功率开关器件t1以及与t1耦接的第一和第二整流功率二极管d1和d2，即支路d1-t1-d2。第二支路可以包括与第一支路共同的功率开关器件t1以及与t1耦接的第三和第四整流功率二极管d3和d4，即支路d3-t1-d4。
如图1所示的，当电流的方向为例如从图1的左侧(端子1a)到图1的右侧(端子1b)时，控制功率开关器件t1使其导通，从而该第一支路在d1至t1至d2(也即，从左(端子1a)到右(端子1b))的第一方向上导通；在此情况下，若使t1关断则该第一支路d1-t1-d2在该第一方向上关断。当电流的方向为例如从图1的右侧(端子1b)到左侧(端子1a)时，控制功率开关器件t1使其导通，第二支路在d3至t1至d4(从右(端子1b)向左(端子1a))的第二方向上导通；在此情况下若使t1关断则第二支路d3-t1-d4在该第二方向上关断。也就是说，该第一方向与该第二方向相反。
为了说明清楚而不是限制性的目的，图1示出了在第一支路或第二支路中分别包括两个整流功率二极管。例如，如图1所示的，在第一支路中，包括分别耦接在功率开关器件t1两侧(也即，上游和下游)的能够在所述第一方向上导通的整流功率二极管d1和d2。在第二支路中，包括分别耦接在功率开关器件t1两侧(也即，上游和下游)的能够在所述第二方向上导通的整流功率二极管d3和d4。应当理解，在第一支路或第二支路中不限于具有两个二极管，例如，每个支路也可以具有分别耦接在功率开关器件t1上游和下游的至少一个整流功率二极管。
还应当理解的是，尽管图1中示出第一支路和第二支路中共同的功率开关器件为一个功率开关器件t1的成本优化的情况，但如下面将说明的，功率开关器件也可以被实施为串联或并联耦接的多于一个功率开关器件，或者在某些实施例中功率开关器件还可以被实施为一个或多个功率开关器件和以多种方式与所述一个或多个功率开关器件耦接的辅助器件(例如，二极管等)的组合。
在一个实施例中，功率开关器件t1可以包括但不限于绝缘栅型双极晶体管(igbt)、集成门极换流晶闸管(igct)、门极可关断晶闸管(gto)、超级门极可关断晶闸管(sgto)、注入增强栅晶体管(iegt)等，也可以包括这些器件中的一个或多个与整流功率二极管的组合。尽管在图中所示实施例中，示出了其中采用igbt作为功率开关器件t1的实施例，本领域技术人员根据本申请的公开可以容易地应用其他功率开关器件或组合。例如，如本领域技术人员将理解的，可以采用集成门极换流晶闸管(igct)以及与其反并联的二极管的组合来作为功率开关器件t1。
在一个实施例中，上述整流功率二极管可以是常用的市售整流功率二极管(其不是快恢复二极管)。作为非限制性的示例，例如，上述整流功率二极管额定工作频率可以为小于100hz。在一个非限制性的可能的实施例中，整流功率二极管可以耐受例如4.5kv或更高的反向电压，以及可以耐受例如40ka或更高的正向浪涌电流。作为一个非限制性的示例，可以采用abb整流功率二极管5sdd33l5500或与其参数相近的其他整流功率二极管。
尽管上面给出了整流功率二极管的一些非限制性的示例，但应理解，这些示例或者参数数值仅仅是为了便于使技术人员理解和实现本发明的实施例的目的，而并非是对本发明的限制。本领域技术人员可以按照本发明的教导或者原理，根据实际的需要，来选择适当的整流功率二极管。
在图1所示的实施例中，在第一支路d1-t1-d2中，第一整流功率二极管d1的正极(也称作阳极)可以耦接到可关断电路10的第一端子1a。第一整流功率二极管d1的负极(也称作阴极)可以耦接到共同的功率开关器件t1的第一电流承载端子(端子c，例如，对于igbt其可以是收集极端子)。第二整流功率二极管d2的正极可以耦接到功率开关器件t1的第二电流承载端子(端子e，例如对于igbt其可以是发射极端子)。第二整流功率二极管d2的负极可以耦接到可关断电路10的第二端子1b。
在第二支路d3-t1-d4中，如图1所示，第三整流功率二极管d3的正极可以耦接到可关断电路10的第二端子1b，d3的负极可以耦接到共同的功率开关器件t1的第一电流承载端子(端子c)。而第四整流功率二极管d4的正极可以耦接到该功率开关器件t1的第二电流承载端子(端子e)，d4的负极可以耦接到可关断电路10的第一端子1a。
另一方面，如前所述的，缓冲电路12可以被配置用于在可关断电路10关断的过程期间缓冲电能量。例如，缓冲电路12可以被配置用于缓冲可关断电路关断过程中的过电压或过电流。在一个实施例中，缓冲电路可以包括单独的电容器，或者可以包括电容器与电感器和电阻器(包括压敏式电阻器和/或非压敏式的电阻器(也可称作普通电阻器))中的一个或多个的适当组合。例如，在一个实施例中，缓冲电路可以包括电容器和电感器两者的适当组合，或者包括电容器和电阻器两者的适当组合，或者包括电容器、电阻器和电感器三者的适当组合。
根据本公开，缓冲电路12与可关断电路10耦接的方式可以是多样的。如下面将进一步说明的，根据本公开的不同实施例，缓冲电路12可以包括若干分支电路，所述分支电路可以分别耦接在断路器中的相同位置或不同位置处。如图1以及后面将说明的图2-4中所示的，在某些实施例中，缓冲电路12的一部分或全部可以与可关断电路10并联地耦接到可关断电路10的第一端子1a和第二端子1b；而在另一些实施例中，缓冲电路12的一部分或全部可以替代地与功率开关器件t1并联耦接。
例如，在一些实施例中，缓冲电路12可以包括或者仅包括如图1中所示的缓冲支路14。缓冲支路14可以与可关断电路10耦接，用于在可关断电路10关断过程中接收电能量，并阻尼或消耗电能量。在如图1所示的实施例中，缓冲支路14的两端分别与可关断电路10的第一端子1a和第二端子1b耦接。
缓冲支路14可以包括单独的电容器，或者缓冲支路14可以包括电容器与电感器和电阻器(优选地，非压敏式电阻器)中的一个或多个的适当的组合。作为一个示例，缓冲支路14可以包括串联连接的非压敏式电阻器rs和电容器cs，如图1中所示。
在一个实施例中，缓冲电路12还可以包括能量吸收支路16。能量吸收支路16可以用于吸收所述电能量。在如图1所示的实施例中，能量吸收支路16的两端可以分别与可关断电路10的第一端子1a和第二端子1b耦接。即，在图1所示的实施例中，缓冲支路14与能量吸收支路16并联，而缓冲电路12整体以及缓冲支路14和能量吸收支路16分别与可关断电路10的第一端子1a和第二端子1b耦接，也即与可关断电路10并联。
能量吸收支路16可以包括压敏式电阻器或避雷器，以及可选地还可以包括与压敏式电阻器或避雷器串联的电容器、电感器和电阻器中的至少一个的适当组合。因此应理解，尽管在如图1所示的实施例中，能量吸收支路16被示出为包括避雷器mov，能量吸收支路16还可以具有其他元件。实际上，在有些情况下，避雷器可以被建模(或者等效)为压敏式电阻器和电感器的串联。所述避雷器mov可以是氧化锌避雷器或其他类型的避雷器。
需要说明的是，对于包含压敏式电阻器或避雷器与电容器的串联的支路而言，在压敏式电阻器或避雷器起作用(例如，有对电容器的充电电流流过)而使得该支路工作时，该支路可以既起缓冲支路的作用又起能量吸收支路的作用。
在某些具体实施例中，缓冲电路可以包括缓冲支路和能量吸收支路，缓冲支路可以包括电容器或者串联连接的电容器与作为非压敏式电阻器的电阻器，能量吸收支路可以包括压敏式电阻器或避雷器mov。。
还应理解，尽管在图1中仅示例性地示出了一个缓冲支路14(rs、cs)和一个能量吸收支路(mov)，然而在其它的示例中，可以具有两个或者更多个缓冲支路，或者可以具有或者不具有能量吸收支路，或者可以具有两个或者更多个能量吸收支路。
至此，提供了根据本申请的一个方面的具有新颖结构的新型断路器的多种实施例。其可以用于直流电力传输。其实现了电流的双向通断。其是成本有效的，极大地降低了断路器成本。
此外，根据本公开的图1的断路器，可以使得二极管d1至d4几乎不受反向振荡的影响。具体地，在反向振荡过程中，此时功率开关器件t1基本关断，电能量被接收在振荡电路(例如，如图1所示的包括cs的缓冲支路或者包含该缓冲支路的振荡电路(例如，如cs(以及另外地rs)与母线等效电感(未示出)等构成的振荡电路)，等等)中。由于功率开关器件t1关断，从而包含二极管d1和d3的支路整体虽然与缓冲电路并联，但由于二极管d1和d3对向而成断路，二极管d1和d3基本不受反向振荡的影响。类似地，包含二极管d4和d2的支路整体虽然也与缓冲电路并联，但由于二极管d4和d2背向也形成断路，二极管d4和d2基本不受反向振荡的影响。从而二极管d1至d4基本不受反向振荡的影响。
如此，即使在如本申请的这些实施例中那样使用普通的整流功率二极管，也可以实现高的可靠性。并且，与现有技术中的往往采用多个昂贵的功率开关器件以及昂贵的快恢复二极管的断路器相比，根据本公开的断路器可以通过一个共同功率开关器件和普通的整流功率二极管的组合来提供双向通断，极大地降低了成本，而不损失可靠性。
图2示出了根据本公开的另一实施例的断路器2的示意图。类似地，断路器2可以包括可关断电路20和缓冲电路。该可关断电路20的结构与图1中所示的可关断电路10的结构基本类似，其可以包括类似配置的功率开关器件t1以及整流功率二极管d1-d4。同样，该可关断电路可以具有第一端子2a和第二端子2b。由于图2中的可关断电路的结构与图1中的可关断电路10的结构基本相同，这里不再赘述。就图1中可关断电路10的说明可以容易地适用于此。
图2中所示的实施例与图1中的主要不同之处在于其缓冲电路。在该实施例中，缓冲电路可以包括缓冲支路24和能量吸收支路26，但二者彼此分开地配置在电路系统中，而不是像图1中的缓冲支路14和能量吸收支路16那样彼此并联地耦接到可关断电路10的两端。
这里，缓冲支路24可以被配置为与可关断电路20中的功率开关器件t1并联连接，如图2所示。能量吸收支路26的两端可以被配置为分别与可关断电路20的第一端子2a和第二端子2b耦接。缓冲支路24和能量吸收支路26可以与图1中的缓冲支路14和能量吸收支路16具有类似的结构和作用，这里不再赘述。
在之前的实施例中就各部件描述的内容，可以同样地或者适应性地适用于图2所示的实施例中相应部件。例如，图2所示的实施例同样具有第一支路和第二支路。又例如，图2所示的实施例的缓冲电路也可以具有两个或者更多个缓冲支路，可以具有或者不具有能量吸收支路，或者可以具有两个或者更多个能量吸收支路。
这里，需要说明的是，在图2所示的结构中，在反向振荡过程中，整流功率二极管可能会经历反向振荡。例如，虽然在反向振荡过程中，开关器件t1已经关断，然而由于振荡过程，支路d3-rs-cs-d4或者支路d1-rs-cs-d2可能会承受反向振荡电流。因此，优选地，整流功率二极管被配置为能够耐受断路器中的反向振荡。或者，整流功率二极管可以被配置为在预定时间范围内耐受反向振荡的整流功率二极管，从而使得虽然该整流功率二极管经历反向振荡一定时间(例如，若干个振荡周期)，但由于振荡会被迅速阻尼衰减，因此不会导致整流功率二极管损坏或者不可逆的损坏。
可以通过配置各部件的参数来降低或者抑制反向振荡，从而降低对整流功率二极管的参数或者性能的要求，从而可以进一步降低成本。
图3示出了根据本公开的另一实施例的断路器3的示意图。断路器3可以包括可关断电路30和缓冲电路。该可关断电路30的结构与图1中所示的可关断电路10的结构基本类似，其可以包括类似配置的功率开关器件t1以及整流功率二极管d1-d4。同样，该可关断电路30可以具有第一端子3a和第二端子3b。由于图3中的可关断电路的结构与图1中的可关断电路10的基本结构相同，这里不再赘述。就图1中可关断电路10的说明可以容易地适用于此。
图3所示的实施例与图1中的主要不同之处在于其缓冲电路。在该实施例中，缓冲电路可以包括缓冲支路34和能量吸收支路36，但二者彼此分开地配置在电路系统中。
这里，缓冲支路34的两端可以被配置为分别与可关断电路30的第一端子3a和第二端子3b耦接，如图3所示。能量吸收支路36可以被配置为与可关断电路30中的功率开关器件t1并联连接。缓冲支路34和能量吸收支路36可以与图1中的缓冲支路14和能量吸收支路16具有类似的结构和作用，这里不再赘述。
在之前的实施例中就各部件描述的内容，可以同样地或者适应性地适用于图3所示的实施例中相应部件。例如，图3所示的实施例同样具有第一支路和第二支路。又例如，图3所示的实施例的缓冲电路也可以具有两个或者更多个缓冲支路，可以具有或者不具有能量吸收支路，或者可以具有两个或者更多个能量吸收支路。
根据本公开的图3的断路器，可以使得二极管d1至d4几乎不受反向振荡的影响，其反向振荡过程与图1中的断路器的反向振荡过程类似，这里不再赘述。
图4示出了根据本公开的另一实施例的断路器4的示意图。类似地，断路器4可以包括可关断电路40和缓冲电路。该可关断电路的结构与图1中所示的可关断电路10的结构基本类似，其可以包括类同配置的功率开关器件t1以及整流功率二极管d1-d4。同样，该可关断电路40可以具有第一端子4a和第二端子4b。由于图4中的可关断电路的结构与图1中的可关断电路10的基本结构相同，这里不再赘述。就图1中可关断电路10的说明可以容易地适用于此。
图4中所示的实施例与图1中的主要不同之处在于其缓冲电路。在该实施例中，缓冲电路可以包括缓冲支路44和能量吸收支路46，但两者彼此并联耦接在功率开关器件t1的两端，而不是像图1中的缓冲支路14和能量吸收支路16那样彼此并联地耦接到可关断电路10的两端。
如图4所示，缓冲支路44和能量吸收支路46可以被配置为与可关断电路40中的功率开关器件t1并联连接。也即，在图4所示的实施例中，包括能量吸收支路46和缓冲支路44的缓冲电路整体可以并联耦接在功率开关器件t1的两端。缓冲支路44和能量吸收支路46可以与图1中的缓冲支路14和能量吸收支路16具有类似的结构和作用，这里不再赘述。
在之前的实施例中就各部件描述的内容，可以同样地或者适应性地适用于图4所示的实施例中相应部件。例如，图4所示的实施例同样具有第一支路和第二支路。又例如，图4所示的实施例的缓冲电路也可以具有两个或者更多个缓冲支路，可以具有或者不具有能量吸收支路，或者可以具有两个或者更多个能量吸收支路。
在图4所示的结构中，在反向振荡过程中，整流功率二极管可能会经历反向振荡。图4中的断路器的反向振荡过程与上述图2中的断路器的反向振荡过程类似，这里不再赘述。这里的整流功率二极管也可以被配置为能够耐受断路器中的反向振荡。或者，整流功率二极管可以被配置为在预定时间范围内耐受反向振荡的整流功率二极管，从而使得虽然该整流功率二极管经历反向振荡一定时间(例如，若干个振荡周期)，但由于振荡会被迅速阻尼衰减，因此不会导致整流功率二极管损坏或者不可逆的损坏。
根据本公开的一些实施例，断路器还可以包括一个或多个子缓冲电路，在图4中以附图标记48来指示。每一个子缓冲电路可以与可关断电路的多个整流功率二极管(图1-图4中为4个)中的对应的整流功率二极管并联耦接。子缓冲电路可以用于在可关断电路关断期间辅助缓冲电能量，并可以进一步保护整流功率二极管。与前述的缓冲电路类似地，子缓冲电路可以包括单独的电容器(图4中的48)，或者可以包括电容器与电感器、电阻器(包括压敏式电阻器或非压敏式的普通电阻器)中的一个或多个的适当组合。
下面以图1示出的断路器1为例来示例性地简要说明断路器的操作过程。图5示出了在理想状态下断路器1的断路过程中各支路中流动的电流和断路器两端的电压的变化。在图5中，it表示图1中的功率开关器件t1中的电流，irc表示缓冲支路14中的电流，imov表示能量吸收支路16中的电流，而uc表示断路器1两端的电压。
在时间t1处，图1中的功率开关器件t1开始关断，此时t1上的电流逐渐转移到缓冲支路14(缓冲支路接收能量)，因此t1中的电流it从t1开始逐渐减小，而缓冲支路14上的电流irc逐渐增大。在此过程中，由于缓冲支路14的充能，断路器1两端的电压uc增加。
在时间t2处，t1上的电流全部转移到缓冲支路14，t1中的电流it减小为零，irc达到稳定值。缓冲支路14在可关断电路的关断过程中接收电能量。在时间t2至时间t3期间，缓冲支路的电压不断升高。
在时间t3处，电压高到使得能量吸收支路开始工作，缓冲支路14上的电流逐渐转移到能量吸收支路16。也即，缓冲支路(例如rc电路)通过能量吸收支路放电。因此缓冲支路14中的电流irc从t3开始逐渐减小，能量吸收支路16(例如，压敏式电阻器或者避雷器)中的电流imov逐渐增大。电流持续冲击mov支路。在时间t3至时间t4期间，能量吸收支路的电压继续升高，并由于mov的不断增加的导通，电压达到高点之后下降，形成电压尖峰。
在时间t4处，缓冲支路14中的电流全部转移到能量吸收支路16，缓冲支路14中的电流irc减小为零，imov达到稳定值。也即，能量吸收支路16可以在可关断电路的关断过程中吸收电能量。在电流向能量吸收支路16转移过程中，在电流的作用下能量吸收电路16呈现一段时间(例如，t3-t5期间)的过电压状态，如电压uc所示。
在时间t5，由于能量被吸收以及阻尼，过电压逐渐降低，imov开始逐渐降低至零(在时间t6)。
然而，由于断路器的电容(例如，缓冲支路14中的电容器cs的电容)、断路器耦接的母线的电容以及电力系统等效电感等会产生振荡，从而可能会造成断路器1两端的电压uc会发生反向振荡(未示出)，直至断路器1两端的电压稳定到等于母线电压。断路器1的关断过程结束。
本领域技术人员将理解，可以根据需要配置断路器中各部件的参数，例如缓冲电路中的电容器的电容值或者电阻器的电阻值等，从而限制在断路器的关断过程中出现的反向振荡，使得其不会损坏断路器中的各个整流功率二极管。
现在参考图6，图6示出了根据本公开的一个实施例的断路系统6的示意图。断路系统6用于在其所在的电力系统发生短路或其他故障时限制电力系统中的电流(过电流)或进行断路操作来切断电流。在一个实施例中，断路系统6可以包括用于进行开关操作的电力主开关支路60。电力主开关支路60可以包括一个或多个前文所述的断路器60-1、60-2……60-n。在一个实施例中，多个断路器60-1、60-2……60-n可以以串联的方式耦接，从而适用于不同电压等级的电网。由于其中的每一个断路器可以独立地维持其自身的动态均压或静态均压，因此包括串联连接的多个断路器的主开关支路60的整体动态均压或静态均压效果不会受到断路器数量的影响。此外，当串联的多个断路器中的其中一个断路器在运行期间发生故障时，由于因为子模块中使用的二极管、igbt均可以为压接式封装，具有失效短路的性质，因此发生故障的断路器可以表现为短路状态，从而可以避免影响未故障的其他断路器的正常运行。由此，与现有技术中的断路系统相比，本公开中的断路系统通过将多个独立的、互不影响的断路器串联连接，使得整个断路系统更加稳定和可靠。
在一个实施例中，电力主开关支路60还可以包括与上述一个或多个断路器60-1、60-2……60-n串联连接的耦合负压电路或者辅助电流转移电路62。这里，由于耦合负压电路或者辅助电流转移电路62并非是本申请关注对象，在此不对其进行更具体的说明。本领域技术人员可以适当地采用本领域中已知的或者将来开发的耦合负压电路或者辅助电流转移电路。在另外的实施例中，辅助电流转移支路也可以与机械式断路装置串联地设置，而不包含在电力主开关支路中。
此外，断路系统6还可以包括与电力主开关支路60耦接的机械式断路装置66。机械式断路装置66可以通过机械的方式将耦接的两个电触头拉开，从而起到断开电路的作用。在图6所示的实施例中，机械式断路装置66与电力主开关支路60并联耦接。
在直流电力系统发生短路或其他故障时，如果仅采用机械式断路装置60进行断路操作的话，由于直流电力系统中的电压没有自然过零点，因此机械式断路装置60进行断路操作时会产生难以熄灭的直流电弧。通过如上述实施例的断路系统6，可以将机械式断路装置60进行断路操作时生成的直流电弧中的电流转移到电子主开关电路60中，以便进行进一步的断路操作。
在一些实施例中，断路系统6还可以包括二级缓冲电路64。所述二级缓冲电路可以包括二级缓冲支路和/或二级能量吸收支路。二级缓冲支路和二级能量吸收支路的配置可以与前述的缓冲支路和能量吸收支路基本相同。因此，前面就各附图中的缓冲支路和能量吸收支路的许多说明也可以同样地或者可以适当修改地适用于二级缓冲支路和二级能量吸收支路。例如，二级缓冲支路可以用于缓冲电能量。二级缓冲支路可以包括单独的电容器，或者可以包括电容器与电感器和电阻器(优选地，非压敏式电阻器)中的一个或多个的适当的组合。二级能量吸收支路可以用于吸收所述电能量。二级能量吸收支路可以包括压敏式电阻器或避雷器，以及可选地还可以包括与压敏式电阻器或避雷器串联的电容器、电感器和电阻器中的至少一个的适当组合。
在一个实施例中，二级缓冲电路64可以与上述一个或多个断路器60-1、60-2……60-n中的至少一个断路器并联耦接。在另一个实施例中，包括在断路系统6中的二级缓冲电路64可以与电力主开关支路60并联耦接，其中主开关支路60可以包括一个或多个断路器60-1、60-2……60-n以及与之串联的耦合负压电路或者辅助电流转移电路62，如图6所示。
本公开还构思了包括上述断路系统以及与其耦接的电力线路的电力系统。在一个实施例中，该电力系统可以用于直流电力传输，例如直流高压电力传输、直流超高压电力传输、直流特高压电力传输等。
下面结合图1和图7说明操作根据本公开的一个实施例的断路器的方法。图7示出了用于操作根据本公开的实施例的断路器的方法的流程图。
在一个实施例中，在电力系统发生短路或其他故障后，机械式断路装置首先进行断路操作(例如，拉开耦接的两个电触头)，这可能会导致直流电弧的生成。然后可以将机械式断路装置中的直流电弧的电流转移到断路器中，随后断路器开始进行断路操作。在其他实施例中，根据本公开的断路器或断路系统也可以独立工作。
下面详细说明根据本公开的多种不同实施例的断路器的操作方法步骤。
在步骤702中，通过功率开关器件，使电流在第一支路或第二支路流动。例如，如图1所示，在断路器1中的电流例如从图1的左侧流到右侧的情况下，电流可以通过功率开关器件t1在第一支路d1-t1-d2中流动；或者，在断路器1中的电流例如从图1的右侧流到左侧的情况下，电流可以通过功率开关器件t1在第二支路d3-t1-d4中流动。
然后在步骤704中，断开功率开关器件，以使得电流转向缓冲电路，使得缓冲电路吸收电能量。例如，功率开关器件t1被关断，从而使得断路器1中的电流转移到缓冲电路12，使得缓冲电路12吸收电能量。这包括但不限于：由缓冲电路12缓冲断路器1上的电压/过电压或断路器1中的电流。
在步骤706中，可以至少通过缓冲电路(例如，12)来阻尼(或消耗)缓冲电路所吸收的电能量。通过缓冲电路来阻尼(或消耗)所述电能量还包括通过如前所述的能量吸收支路来吸收所述电能量。
以上已经描述了本公开的各种实施例，但是上述说明仅仅是示例性的，并非穷尽性的，并且本发明也不限于所公开的各种实施例。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本发明的精神和范围。根据本发明在此的教导，相关技术领域的普通技术人员可以容易地想到许多修改和变化，这些修改和变化也被涵盖在本发明的精神和范围内。