一种双臂架构的快速混合型直流断路器的拓扑结构的制作方法

本发明涉及电路领域，具体涉及一种双臂架构的快速混合型直流断路器的拓扑结构。

背景技术：

随着高压电压源型变换器和多端柔性直流输(配)电技术的逐渐发展，快速直流断路器是直流输(配)电网的工程化应用关键设备之一，需在规定时间内承载并开断直流电网正常电流以及各种故障电流，是直流输(配)电网络化建设的运行、控制与保护基础。

高压直流断路器面临主要挑战：直流电流没有自然过零点，直流电弧不易熄灭；开断直流电流后，会产生很大的过电压，同时直流系统中存储的大量能量需要被吸收；直流系统阻抗(稳态时只有电阻)较之交流系统要小得多，其短路故障电流将在几毫秒内迅速上升，需在毫秒级准确判断故障并开断短路电流。

随着电力电子技术和快速机械开关技术的发展，现在满足直流系统开断要求的断路器主要有三种方案：基于快速机械开关的人工过零点断路器、基于电力电子技术的固态断路器、基于电力电子技术和快速机械开关技术的混合式直流断路器，将这四种方案同之前所述的传统机械式断路器做比较，如下表1所示：

表1四种直流断路器优缺点比较

abb所提出的基于快速机械隔离开关和电力电子开关的混合型直流断路器拓扑结构方案使得直流断路器得到突破性进展，正常运行时由快速机械隔离开关与负载转换开关组成主电流支路，故障时通过关断负载转换开关将电流转移至并联连接的双向固态开关组支路；当主电流支路电流降为零时迅速关断快速隔离开关，从而保护负载转换开关，为其在整体电路中建立一次电压隔离；通过关断双向固态开关组，将故障电流转移至并联避雷器，达到解决过电压和吸收能量目的，从而实现直流电流关断，具有快速、可靠和几乎零损耗的优势。但存在主要问题是在避雷器泄放能量期间，源与网始终处于接地回路中，增加了避雷器额定电压和耗能容量，进而影响了断路器切断速度，同时避雷器额定电压和耗能容量随着直流网电压等级增加而增加，成本也会随之显著增加。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种双臂架构的快速混合型直流断路器的拓扑结构，在保留了机械开关良好的静态特性和固态开关良好的动态特性同时，较大地减小了直流避雷器的电压额定等级和耗能容量，包含由快速机械隔离开关、双向负载转换开关、单向串联带有反并联二极管的固态开关组、限流电抗器、续流二极管组和非线性泄放电阻组成，能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种双臂架构的快速混合型直流断路器的拓扑结构，在第1桥臂中，主断路器a1支路由单向串联带有反并联二极管的固态开关组构成，主电流支路(即负载转移支路)由快速机械开关a3与双向负载转换固态a2开关串联构成，能量续流吸收回路由一个非线性泄放电阻a5与续流二极管组a4串联，并在a4两端并联一个由二极管a6和快速机械开关a7组成串联支路；在第2桥臂中，主断路器b1支路由单向串联带有反并联二极管的固态开关组构成，主电流支路(即负载转移支路)由快速机械开关b3与双向负载转换固态开关b2串联构成，能量续流吸收回路由一个非线性泄放电阻b5与续流二极管组b4串联，并在b4两端并联一个由二极管b6和快速机械开关b7组成串联支路；双桥臂支路以背靠背的形式通过限流电抗器l相连n1和n2，1端和2端分别连接直流网正极和负极，3端和4端分别连接另一侧直流网正极和负极；在主断路器支路a1、b1中，每一个固态开关管均并联缓冲电容cq和电阻rq；在续流二极管组a4、b4中每一个续流二极管均并联电阻rd，其中rq＜＜rd。

优选地，正常导通情况下由双桥臂上主电流支路串联共同作为主电流的流通支路，故障时同时关断双桥臂上双向负载转换开关a2和b2，将故障电流转移至并联连接的单向串联带有反并联二极管的固态开关组a1和b1支路；当主电流支路电流降为零时，迅速关断机械隔离开关a3和b3，机械隔离开关触头无弧分离。

优选地，当机械开关打开至额定开距时，从而保护双向负载转换开关a2和b2，为其在整体电路中建立一次电压隔离；同时迅速关断单向串联带有反并联二极管的固态开关组a1和b1，随后机械开关a7和b7闭合，将故障电流转移至非线性泄放电阻a5、b5回路。

优选地，当电流从左端口向右端口传输时，剩余能量从第2桥臂中主断路器b1支路固态开关组的反向并联续流二极管流通，最终由第1桥臂中非线性电阻a5泄放；反之，剩余能量从第1桥臂中主断路器支路固态开关组的反向并联续流二极管流通，最终，由第2桥臂中非线性电阻b5泄放，达到解决过电压和吸收能量目的，从而实现直流电流关断。

优选地，当断路器需要恢复正常工作时，通过控制开关a7和b7开断来检测a4和b4两端电压判断直流侧故障是否被清除，由于主断路器支路固态开关并联的等效电阻rq远小于续流二极管并联的等效电阻rd，因此续流二极管组两端承受绝大部分直流侧电压，可以实现主断路器支路固态开关组的零电压开通(zerovoltageswitching，zvs)，如果短路故障没有消除，续流二极管组两端电压将不会上升，使得n1和n2处于地电位：当直流侧故障被清除后断路器需要恢复正常工作时，依次开通主断路器上单向串联带有反并联二极管的固态开关组a1和b1、快速机械隔离开关a3和b3、双向负载转换开关a2和b2。

优选地，所述的主断路器a1和b1采取单向串联带有反并联续流二极管的固态开关组，通过关断a1和b1将故障电流转移至由非线性泄放电阻a5、b5和续流二极管组a4、b4组成的能量泄放回路，使得源不在处于接地故障回路中，进而提高了该断路器切断速度。

优选地，在剩余能量续流(能量泄放)环节，桥臂中非线性电阻a5和b5的电压额定远小于整体直流电网额定电压等级，同时耗能容量只由限流电抗器l在主断路器切除故障电流后储存能量决定，剩余能量吸收及过电压保护主要由非线性泄放电阻来完成。

本发明具有以下有益效果：

1、提出双臂架构的快速混合型拓扑结构，主断路器a1和b1采取单向串联带有反并联二极管的固态开关组，通过关断单向串联带有反并联二极管的固态开关组a1和b1，将故障电流转移至由非线性泄放电阻a5(b5)和续流二极管组ax(b4)组成的泄放回路，使得源不在处于接地故障回路中，进而提高了断路器切断速度；

2、桥臂中非线性电阻a5和b5的电压额定远小于整体直流电网额定电压等级，同时耗能容量只由限流电抗器l在主断路器切除故障电流后储存能量决定；

3、该类型混合型直流断路器充分利用了机械开关的低损耗载流能力与绝缘能力、固态开关的开断能力，实现直流电流的快速转移，快速开断，相比于abb提出的混合型高压直流断路器拓扑结构，虽然增加了一套续流二极管组a4(b4)，但能够在主断路器关断后，使得源不在处于接地故障回路中，进而提高了断路器切断速度，同时较大地减小了直流避雷器的电压额定等级和耗能容量，显著降低制造成本。本发明可以满足我国直流输电网和直流配电网对直流断路器的要求。

附图说明

图1是本发明提供的一种双臂架构快速混合型直流断路器的基本拓扑结构示意图；

图中：(a)为双臂架构的快速混合型直流断路器基本拓扑；(b)单个带有反并联二极管的igbt具体结构；(c)带有均压电阻的续流二极管；

图2是本发明提供的一种双臂架构快速混合型直流断路器的拓扑结构示意图；

图3是本发明提供的一种双臂架构的快速混合型直流断路器控制策略流程示意图；

图中：(a)分闸时控制策略；(b)合闸时控制策略；

图4为图2中断路器正常运行时，该混合型直流断路器工作状态拓扑结构示意图；

图5为图2中发生故障瞬间时，该混合型直流断路器工作状态(关断状态)示意图；

图6为图2中双向负载转换开关a2和b2断开时，该混合型直流断路器工作状态(关断状态)示意图；

图7为图2中主断路器a1和b1断开时，故障电流为缓冲电容充电示工作状态(关断状态)示意图；

图8为图2中主断路器a1和b1断开时，故障电流转移到非线性电阻a4(b4)支路时工作状态(关断状态)示意图；

图9为图2中主断路器a1和b1开通时，该混合型直流断路器工作状态(启动状态)示意图；

图10为图2中负载转移支路机械开关a3和b3闭合时，该混合型直流断路器工作状态(启动状态)示意图；

图11是本发明提供的在单极的两端直流输电系统中，该混合型直流断路器结构示意图；

图中：(a)双臂架构的快速混合型直流断路器的实际应用拓扑结构示意图，(b)单臂架构的快速混合型直流断路器拓扑(仅适用于能量从左端口往右端口传输的情况)，(c)单臂架构的快速混合型直流断路器拓扑(仅适用于能量从右端口往左端口传输的情况)；

图12是本发明提供的在单极的两端直流输电系统中，该混合型直流断路器另外一种拓扑结构示意图；

图中：(a)双臂架构的快速混合型直流断路器的另外一种拓扑结构示意图；(b)单臂架构的快速混合型直流断路器拓扑(仅适用于能量从左端口往右端口传输的情况)；(c)单臂架构的快速混合型直流断路器(仅适用于能量从右端口往左端口传输的情况)；

图13是本发明提供的在双极的两端直流输电系统中，该混合型直流断路器结构示意图；

图14是本发明提供的双臂架构快速混合型直流断路器分闸过程仿真波形；图中：(a)分闸过程电流仿真波形；(b)分闸过程电压仿真波形；

图15是本发明提供的双臂架构快速混合型直流断路器合闸过程仿真波形；图中：(a)合闸过程电流仿真波形；(b)合闸过程电压仿真波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种双臂架构的快速混合型直流断路器的拓扑结构，在第1桥臂中，主断路器a1支路由单向串联带有反并联二极管的固态开关组构成，主电流支路(即负载转移支路)由快速机械开关a3与双向负载转换固态a2开关串联构成，能量续流吸收回路由一个非线性泄放电阻a5与续流二极管组a4串联，并在a4两端并联一个由二极管a6和快速机械开关a7组成串联支路；在第2桥臂中，主断路器b1支路由单向串联带有反并联二极管的固态开关组构成，主电流支路(即负载转移支路)由快速机械开关b3与双向负载转换固态开关b2串联构成，能量续流吸收回路由一个非线性泄放电阻b5与续流二极管组b4串联，并在b4两端并联一个由二极管b6和快速机械开关b7组成串联支路；双桥臂支路以背靠背的形势通过限流电抗器l相连n1和n2，1端和2端分别连接直流网正极和负极，3端和4端分别连接另一侧直流网正极和负极；(4)在主断路器支路a1(b1)中，每一个固态开关管均并联缓冲电容cq和电阻rq；在续流二极管组a4、b4中每一个续流二极管均并联电阻rd，其中rq＜＜rd。

由于长期电流流通时机械开关a3和b3损耗小，固态开关组a1和b1损耗大，因此，我们使用了一个机械开关a3(b3)串联负载转换开关a2(b2)的结构，正常电流流通时，该类型断路器的双向负载转移开关a2(b2)虽然增加了一定的通态损耗，但从可靠性方面考虑，由于转移过程由双向负载转移开关a2(b2)实现，转移速度快可靠性高，使得该类型直流断路器的实用性显著提高。图1中限流电抗器l可以有效的限制故障电流的上升率，从而也就降低了对机械开关a3(b3)速动性的要求。在断路器分闸过程中，首先双向负载转移开关a2(b2)关断，故障电流被强制转换到主断路器a1(b1)支路，此时，双向负载转移开关a2(b2)承受的的电压仅为主断路器固态开关组a1(b1)的管压降，当主电流支路电流减小到零时，快速机械开关动作，此时，双向负载转移开关a2(b2)承受的电压迅速转移到快速机械开关上；当快速机械开关达到一定开距时，快速机械开关a3(b3)两端电压为主断路器固态开关组a1(b1)的管压降，此时主断路器固态开关组a1(b1)触发关断，故障电流由固态开关组a1(b1)切断，主断路器固态开关两端电压迅速上升，因此故障电流开始为缓冲电容cq充电，当缓冲电容两端电压上升至直流侧电压时，续流二极管组a4和b4打开(随后开关a7和b7闭合)，电抗器l中储存的剩余的能量最终由非线性泄放电阻a5(b5)泄放。当断路器需要恢复正常工作时，通过控制开关a7和b7开断来检测a4(b4)两端电压判断直流侧故障是否被清除，由于主断路器支路固态开关并联的等效电阻∑(rq)远小于续流二极管并联的等效电阻∑(rd)，因此续流二极管组两端承受绝大部分直流侧电压，可以实现主断路器支路固态开关组的零电压开通(zerovoltageswitching，zvs)，如果短路故障没有消除，续流二极管组两端电压将不会上升，使得n1和n2处于地电位；当直流侧故障被清除后断路器需要恢复正常工作时，依次开通主断路器上单向串联带有反并联二极管的固态开关组a1和b1、快速机械隔离开关a3和b3、双向负载转换开关a2和b2。

在实际工程应用中，在单极的两端直流输电系统中，如图11所示，当双臂架构快速混合型直流断路器一侧发生故障或在主动切除线路时，均需要同时关断双向负载转换开关a2和b2，此时电流由机械开关支路转移至主断路器支路，双桥臂上主断路器支路串联共同作为电流的流通支路。当主断路器支路上单向串联带有反并联二极管的固态开关组触发关断后(随后机械开关a7和b7闭合)；剩余能量可沿主断路器单向串联固态开关组两端并联的反向二极管流通(当电流从左端口向右端口传输时，剩余能量从第2桥臂中主断路器b1支路固态开关组的反向并联续流二极管流通，最终由第1桥臂中非线性电阻a5泄放；反之，剩余能量从第1桥臂中主断路器支路固态开关组的反向并联续流二极管流通，最终，由第2桥臂中非线性电阻b5泄放)。

在双极的两端直流输电系统中，如图13所示，当某一极端发生故障或主动切除线路时，均需要同时关断双向负载转换开关a2和b2(c2和d2)，此时电流由机械开关支路转移至主断路器支路，双桥臂上主断路器a1和b1(c1和d1)支路串联共同作为电流的流通支路。当主断路器支路上单向串联带有反并联二极管的固态开关组触发关断后(随后机械开关a7和b7(c7和d7)闭合)；剩余能量可沿主断路器单向串联固态开关组两端并联的反向二极管流通(当能量从左端口往右端口传输时，剩余能量从第2桥臂固态开关组并联的反向二极管流通；当能量从右端口往左端口传输时，剩余能量从第1桥臂固态开关组并联的反向二极管流通)；最终剩余能量由非线性电阻a5或b5(c5或d5)泄放。

下面以此能量单方向流动时该混合型直流断路器动作为例，具体阐述所述的混合型直流断路器的分断过程和合闸过程，如图2所示：

1、该混合型直流断路器分闸过程：

(1)在系统正常运行机械开关a3和b3均处于闭合状态，双向负载转换开关a2和b2均处于开通状态，主断路器支路固态开关a1和b1均处于开通状态，为了防止电流直通，机械开关a7和b7均处于断开状态；

(2)正常运行时直流电流从机械开关a3和b3支路通过，即机械开关a3和b3处于闭合状态，负载转换开关a2和b2处于开通状态，电流流通路径如图4所示；

(3)当检测到故障电流时，故障电流迅速上升，电流流通路径如图5所示，当故障电流达双向负载转换开关a2和b2的关断阀值时，立即触发双向负载转换开关a2和b2关断，故障电流强制的转移到了主断路器a1和b1支路，当主电流支路减小到零时，快速机械开关a3和b3动作，快速机械开关a3和b3可以在零电流下打开，电流流通路径如图6所示；

(4)当机械开关a3和b3打开至一定开距后，即机械开关a3和b3绝缘强度可以承受关断时的过电压时，形成一次电压隔离，主断路器支路的固态开关组a1和b1接受关断指令来切断短路故障电流；

(5)主断路器固态开关组a1(b1)关断以后，故障电流开始为缓冲电容cq充电，主断路器固态开关两端电压迅速上升，如图7所示；

(6)当缓冲电容两端电压增加到直流侧电压时，开关a7和b7闭合，同时续流二极管组导通，线路上剩余的感性能量则经过续流泄放回路经非线性泄放电阻a5(b5)泄放，电流逐渐减少至泄漏电流的水平，分断结束，电流流通路径如图8所示。

以上为断路器的分断过程，分断过程流过断路器各支路的电流如图14(a)所示，i0为负载转移支路的电流，i1为流过主断路器支路的电流，i2为流过续流二极管组两端的电流；t0时刻发生故障，故障电流迅速上升，当故障电流升至ip1时，即t1时刻触发双向负载转换开关关断，电流从负载转移支路转移到主断路器支路，当故障电流升至ip2时，即t2时刻触发关断主断路器支路上单向串联带有反并联二极管的固态开关组，故障电流从主断路器支路转移到能量续流吸收回路中，t2～t3为能量泄放吸收过程。图14(b)是断路器分断时主断路器支路电压(u1)和续流二极管组两端的电压(u2)变化过程。

2、该混合型直流断路器合闸过程：

(1)合闸之前首先打开开关a7和b7，若续流二极管组a4和b4两端电压上升(即开关a7和b7两端电压上升)，证明故障已经消除；否则，故障没有被消除，合闸过程暂停；

(2)由于主断路器支路固态开关并联的等效电阻∑(rq)远小于续流二极管并联的等效电阻∑(rd)，因此打开开关a7和b7后，续流二极管组a4(b4)两端承受绝大部分直流侧电压，主断路器支路承受很小电压；随后可以在小电压下开通主断路器上单向串联带有反并联二极管的固态开关组a1和b1，电流流通路径如图9所示；

(3)一定延迟后闭合快速机械开关a3和b3，此时双向负载转换开关a2(b2)仅承受主断路器a1(b1)支路上单向串联带有反并联二极管固态开关组的导通压降；

(4)一定延迟后，开通双向负载转换开关a2和b2，电流流通路径如图10所示，电流从主断路器a1和b1支路转移到双向负载转换开关a2和b2支路，此时双向负载转换开关a2和b2两端电压为自身的导通压降，合闸结束。

以上是断路器合闸过程，图15(b)为合闸时主断路器支路电压(u1)和续流二极管组两端的电压(u2)变化过程，在t4时刻，打开开关a7和b7，由于主断路器支路固态开关并联的等效电阻∑(rq)远小于续流二极管组并联的等效电阻∑(rd)，因此续流二极管组a4(b4)两端(即开关a7(b7)两端)承受绝大部分直流侧电压，t5时刻开通主断路器支路固态开关组，可以实现主断路器支路固态开关组的零电压开通(zerovoltageswitching，zvs)，t5～t6时间内闭合快速机械开关a3和b3，t6时刻开通双相负载转换开关a2和b2，启动电流由主断路器支路转移到负载转移支路。图15(a)为对应时刻各支路电流变化过程，i0为流过负载转移支路的电流，i1为流过主断路器支路的电流，i2为流过续流二极管组a4(b4)的电流(i2在合闸过程中始终为零)。

该混合型直流断路器控制策略：(1)分闸时控制策略：控制策略流程如图3(a)所示。当直流系统电流瞬时值超过双向负载转换开关a2和b2阀值或在主动切除线路时，双向负载转换开关a2和b2关断电流转移到主断路器a1和b1支路，当检测到流过快速机械开关a3和b3的电流为零时，快速机械开关a3和b3迅速打开，当快速机械开关a3和b3达到一定开距时，触发主断路器a1和b1支路固态开关组关断，当主断路器支路电流为零时，迅速闭合机械开关a7和b7；(2)合闸时控制策略：控制策略流程如图3(b)所示。打开开关a7和b7，若续流二极管组a4(b4)两端电压迅速上升(即开关a7(b7)两端电压迅速上升)，随后依次开通主断路器a1和b1支路固态开关组，快速机械开关a3和b3，双向负载转换开关a2和b2。若续流二极管组a4(b4)两端电压没有上升，断路器合闸过程被暂停。

所述的双臂架构快速混合型直流断路器，能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流，提高实际工程应用性。通过改变主断路器支路串联电力电子开关的数量、续流二极管串联数量和非线性电阻的选取来改变断路器断流的电压等级。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。