一种混合式直流断路器及直流输配电系统的电路拓扑结构的制作方法

本发明涉及断路器技术领域，特别涉及一种混合式直流断路器及直流输配电系统的电路拓扑结构。

背景技术：

随着社会经济的发展，用户对电能质量和供电可靠性的要求也随之提升，建立可靠、灵活、经济、环保的电力系统已经成为行业共识。传统的交流配电网具有电压变换灵活、控制保护技术较为成熟等优点，但受到输电走廊的限制，交流输电线路的输送容量已经很难满足用电负荷日益增长的需要。近年来，以光伏电池、风力发电、燃料电池、生物质发电为代表的新能源发电飞速发展，然而这些可再生能源在接入交流电网之间必须经过dc/ac变换，这带来了一定的电能损失，严重阻碍了可再生能源的推广。

相比交流电网，直流输配电系统的成本较低，线路损耗小且控制灵活，有利于分布式电源、储能装置、微电网和电动汽车的接入，同时避免了交流电网固有的稳定性问题，可见直流输配电系统未来的发展前景十分光明。目前，我国在柔性直流输电领域发展迅速，以舟山多端柔性直流输电示范工程和南澳多端柔性直流输电示范工程为代表的一系列柔性直流输电相继投入使用。然而在这些直流输配电系统当中并没有安装具有大电流开断能力的直流断路器，一旦系统出现短路故障，只能通过闭锁换流器或依靠交流侧跳闸来切除直流故障电流，这意味着整个直流输配电系统将短时停运，造成大量负荷损失，并对交流电网造成极大的冲击。如果能在直流输配电系统中安装具有大电流开断能力的直流断路器，在发生故障时迅速切除系统中的故障部分，保证系统无故障部分的安全运行，便能够极大提高直流输配电系统的可靠性。

直流断路器作为直流线路组网的关键设备，能够在规定时间内承载、开断正常电流和故障电流，从而阻止直流输配电系统故障的扩散，是提高直流输配电系统可靠性的重要手段。最早投入使用的直流断路器为机械式直流断路器，其主体结构为快速机械开关，外部并联有缓冲吸收电路和振荡电路，开断时依靠能量吸收电路来吸收线路中的能量，通过lc振荡产生反向谐振电流来强迫主回路电流过零，从而实现开断直流电流。机械式直流断路器的通态损耗较低，但开断速度较慢，很难满足当前直流输配电系统的需要。且随着断路器的额定电压与开断电流的提升，振荡电路中的电感和电容的容量与体积也随之提升，严重制约着机械式直流断路器的发展。

随着电力电子器件向着高电压、大电流的方向发展，利用大功率电力电子器件直接开断直流电流的全固态直流断路器受到了广泛关注。以门极关断晶闸管gto、绝缘栅双极型晶体管igbt和集成门极换流晶闸管igct为代表的大功率电力电子器件能够迅速可靠的开断直流电流，然而电力电子器件较大的导通压降决定了全固态直流断路器的通态损耗很大。

混合式直流断路器结合了机械式直流断路器和全固态直流断路器的优点，目前已经成为直流断路器的重要发展方向。传统地混合式直流断路器结构如图1所示，主要包括快速机械开关支路、电力电子器件串联开关支路、能量吸收支路和控制系统，三条支路并联后与控制系统相连，控制系统控制三条支路的通断。正常导通情况下电流流过快速机械开关支路；故障发生时断路器动作，快速机械开关分闸，电流转移至电力电子器件串联开关支路，随后电力电子器件串联开关关断，线路能量被能量吸收支路吸收，线路电流下降至零。

混合式直流断路器的缺点主要在于其高昂的成本。电力电子器件的价格十分昂贵，在较高电压的应用场合，通常需要将大量电力电子器件串联使用以满足绝缘要求。此外，机械开关可以双向通流，而电力电子器件需要通过反串连等方式才能实现双向通流，其成本进一步提高。在实际的混合式断路器中电力电子器件串联开关的价格通常远高于快速机械开关。因此，如何降低混合式直流断路器整体成本是急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明提出一种混合式直流断路器及直流输配电系统的电路拓扑结构，解决在保持混合式直流断路器原有性能的基础上降低整体应用成本的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种混合式直流断路器，包括：

快速机械开关、双向电力电子器件串联开关、能量吸收支路；其中，

所述快速机械开关的两端分别与其他两个快速机械开关相连，使得混合式直流断路器中的快速机械开关的依次相连，形成环路，两个快速机械开关的端口连接处作为所述环路的连接端；

所述双向电力电子器件串联开关与所述能量吸收支路形成并联电路，所述并联电路的一端与所述环路中的一连接端相连，所述并联电路的另一端与所述环路中的另一连接端相连，使得所述环路的每个连接端与一条或两条并联电路相连。

为实现上述目的，本发明还提供了一种直流输配电系统的电路拓扑结构，包括：

直流线路、隔离开关和上述所述的混合式直流断路器；其中，

任一条直流线路均通过所述隔离开关与所述混合式直流断路器相连，用于在故障切除后隔离故障线路；

任一条直流线路通过所述混合式直流断路器中的环路的连接端分别与相邻的两条直流线路相连，用于承载正常电流；

任一条直流线路均通过所述混合式直流断路器中的环路的连接端与所述混合式直流断路器中的并联电路相连，用于双向承载并切断故障电流。

优选地，所述直流线路的条数为n；其中，n为偶数。

优选地，所述直流输配电系统的每个隔离开关和一条并联电路连接，且所述并联电路的两端分别与两条直流线路的隔离开关相连。

优选地，所述快速机械开关的个数为m，所述隔离开关的个数为m，所述双向电力电子器件串联开关的个数为m/2,所述能量吸收支路的个数为m/2；其中，m为正整数。

优选地，所述直流线路的条数为n；其中，n为奇数。

优选地，所述直流输配电系统中的n-1条直流线路上对应的隔离开关和一条并联电路连接，第n条直流线路上对应的隔离开关和两条并联电路连接，且所述并联电路的两端分别与两条直流线路的隔离开关相连。

优选地，所述快速机械开关的个数为n，所述隔离开关的个数为m，所述双向电力电子器件串联开关的个数为(m+1)/2，所述能量吸收支路的个数为(m+1)/2；其中，m为正整数。

上述技术方案具有如下有益效果：

1.任何一条直流线路分别通过两个快速机械开关与相邻的两条直流线路相连，用于承载正常电流；

2.任何一条直流线路均和一个双向电力电子器件串联开关相连，用于承载并切断故障电流；

3.任何一条直流线路均通过隔离开关与该混合式直流断路器新拓扑相连，用于在故障切除后隔离故障线路。

本技术方案关键在于利用了双向电力电子器件串联开关能够双向承载并切断电流的特性，令两条直流线路共用一个双向电力电子器件串联开关，在保持混合式直流断路器原有性能的基础上从而降低设备成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统地混合式直流断路器结构示意图；

图2为一个四端柔性直流输电系统的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种混合式直流断路器的电路拓扑结构示意图之一；

图4为本发明实施例提供的一种混合式直流断路器的电路拓扑结构示意图之二；

图5为本发明实施例提供的一种基于混合式直流断路器的直流输配电系统的电路拓扑结构示意图之一；

图6为本发明实施例提供的一种基于混合式直流断路器的直流输配电系统的电路拓扑结构示意图之二。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本技术方案的工作原理为：在多端柔性直流输电系统当中，通常会存在多条直流线路的交汇点。图2为一个四端柔性直流输电系统的示意图。其中，交流电网1～4为四个独立的交流电网，分别通过换流站1～4与直流电网相连，换流站1～4的出口处需安装断路器1～4，四条直流线路交汇于p点，在p点处需安装断路器5～8。如果这些断路器均采用混合式直流断路器，则整个系统的成本将十分昂贵。如果可以将p点安装的断路器5～8整合成一个多端直流断路器，并通过优化拓扑来减少电力电子串联开关的数量，则系统成本将显著下降。

基于上述分析，本发明提出一种混合式直流断路器。该混合式直流断路器包括：快速机械开关、双向电力电子器件串联开关、能量吸收支路；其中，

所述快速机械开关的两端分别与其他两个快速机械开关相连，使得混合式直流断路器中的快速机械开关的依次相连，形成环路，两个快速机械开关的端口连接处作为所述环路的连接端；

所述双向电力电子器件串联开关与所述能量吸收支路形成并联电路，所述并联电路的一端与所述环路中的一连接端相连，所述并联电路的另一端与所述环路中的另一连接端相连，使得所述环路的每个连接端与一条或两条并联电路相连。

进一步地，当所述环路的连接端的个数为偶数时，所述环路的每个连接端均与一条并联电路相连。以环路的连接端的个数是4为例，如图3所示。当所述环路的连接端的个数为奇数时，所述环路的其中一个连接端与两条并联电路相连，环路其余连接端均与一条并联电路相连。以环路的连接端的个数是3为例，如图4所示。

基于上述给出的两种混合式直流断路器结构。本发明实施例提供两种基于混合式直流断路器的直流输配电系统。如图5所示，为本发明实施例提供的一种基于混合式直流断路器的直流输配电系统的电路拓扑结构示意图之一。在图5中，混合式直流断路器中环路的连接端的个数是4，对应地，直流输配电系统的直流线路的条数也是4。直流输配电系统包括：

4条直流线路、4个隔离开关和所述混合式直流断路器；所述混合式直流断路器包括：4个快速机械开关、2个双向电力电子器件串联开关、2个能量吸收支路；其中，

任一条直流线路均通过所述隔离开关与所述混合式直流断路器相连，用于在故障切除后隔离故障线路；

任一条直流线路通过所述混合式直流断路器中的两个所述快速机械开关分别与相邻的两条直流线路相连，用于承载正常电流；

任一条直流线路均与所述混合式直流断路器中的双向电力电子器件串联开关相连，保证每条直流线路上的隔离开关和一个双向电力电子器件连接，且所述双向电力电子器件串联开关的两端分别与两条直流线路的隔离开关相连，用于双向承载并切断故障电流。每个双向电力电子器件串联开关均与能量吸收支路并联，用于吸收故障线路中储存的能量，限制双向电力电子器件串联开关动作时的过电压。

在图5中，q1～q4为隔离开关，分别与线路1～4连接；cb1～cb4为快速机械开关，分别安装在ab、bc、cd、ad两点之间；u1、u2为双向电力电子器件串联开关，分别跨接在ac、bd两点之间；r1、r2为能量吸收支路，分别与双向电力电子器件串联开关u1、u2并联。正常工作时快速机械开关cb1～cb4导通，用于承担正常电流，双向电力电子器件串联开关u1、u2保持关断。该断路器的关断过程可分为以下几步：

当线路1发生短路故障时，隔离开关q1导通，隔离开关本身不具备切断电流的能力，只有依靠其他器件将电流切断之后才能断开，用于将故障部分和正常部分隔离。正常通流状态下隔离开关q1导通，当线路1发生故障后隔离开关q1仍导通，直至故障切除完成之后才能把隔离开关q1断开。断开快速机械开关cb1和快速机械开关cb4，同时令双向电力电子器件串联开关u1导通，则快速机械开关cb1和快速机械开关cb4中的故障电流会转移至双向电力电子器件串联开关u1上，当快速机械开关cb1和快速机械开关cb4上的电流降为零且机械开关的触头开距达到绝缘距离之后，控制双向电力电子器件串联开关u1关断，切断故障电流。双向电力电子器件串联开关u1关断瞬间，故障线路中储存的能量将被能量吸收支路r1所吸收，从而将双向电力电子器件串联开关u1两端的过电压限制在安全范围以内。

如果需要快速重合闸，则重新导通双向电力电子器件串联开关u1，否则断开隔离开关q1，将故障线路隔离，随后快速机械开关cb1与快速机械开关cb4重新合闸，断路器回归初始状态。

其余线路发生故障的解决方法类似，只需断开与之相连的两个机械开关，同时令与该线路相连的双向电力电子器件串联开关导通，待电流转换过程结束之后，控制双向电力电子器件串联开关关断，并断开该线路对应的隔离开关即可。

该混合式直流断路器新拓扑总共需要四个快速机械开关、四个隔离开关和、两个双向电力电子器件串联开关和两个能量吸收支路即可实现对四条直流线路的双向关断，且关断速度等性能与传统方案完全一致。由于快速机械开关、隔离开关、能量吸收支路的价格与双向电力电子器件串联开关相比几乎可以忽略不计，因此新拓扑的设备成本仅有传统方案的一半。

如图6所示，为本发明实施例提供的一种基于混合式直流断路器的直流输配电系统的电路拓扑结构示意图之二。在图6中，混合式直流断路器中环路的连接端的个数是3，对应地，直流输配电系统的直流线路的条数也是3。直流输配电系统包括：

所述直流输配电系统的3条直流线路、3个隔离开关和所述混合式直流断路器；所述混合式直流断路器包括：3个快速机械开关、2个双向电力电子器件串联开关、2个能量吸收支路；其中，

任一条直流线路均通过所述隔离开关与所述混合式直流断路器相连，用于在故障切除后隔离故障线路；

任一条直流线路通过所述混合式直流断路器中的两个所述快速机械开关分别与相邻的两条直流线路相连，用于承载正常电流；

任一条直流线路均与所述混合式直流断路器中的双向电力电子器件串联开关相连，保证2条直流线路上的隔离开关和一个双向电力电子器件连接，第3条直流线路上的隔离开关和两个双向电力电子器件连接，且所述双向电力电子器件串联开关的两端分别与两条直流线路的隔离开关相连，用于双向承载并切断故障电流。每个双向电力电子器件串联开关均与能量吸收支路并联，用于吸收故障线路中储存的能量，限制双向电力电子器件串联开关动作时的过电压。

在图6中，q1～q3为隔离开关，分别与线路1～3连接；cb1～cb3为快速机械开关，分别安装在ab、bc、ac两点之间；u1、u2为双向电力电子器件串联开关，连接在ab、ac两点之间。事实上连接在ac、bc两点间或ab、bc两点间均可。一个双向电力电子器件串联开关可以与两个端口相连，只要保证每个端口至少和一个双向电力电子开关连接即可。在偶数端口的情况下，双向电力电子开关得到了充分利用；奇数端口的情况下可认为必定有一个双向电力电子开关出现了浪费；r1、r2为能量吸收支路，分别与双向电力电子器件串联开关u1、u2并联。正常工作时cb1～cb3导通，用于承担正常电流，双向电力电子器件串联开关u1、u2保持关断。该断路器的关断过程可分为以下几步：

当线路1发生短路故障时，断开快速机械开关cb1和快速机械开关cb3，由于线路1同时与双向电力电子器件串联开关u1、双向电力电子器件串联开关u2连接，此时采用双向电力电子器件串联开关u1或双向电力电子器件串联开关u2均能完成关断，本例中选择令双向电力电子器件串联开关u1导通，则快速机械开关cb1和快速机械开关cb3中的故障电流会转移至双向电力电子器件串联开关u1上，当快速机械开关cb1和快速机械开关cb3上的电流降为零且机械开关的触头开距达到绝缘距离之后，控制双向电力电子器件串联开关u1关断，切断故障电流。双向电力电子器件串联开关u1关断瞬间，故障线路中储存的能量将被能量吸收支路r1所吸收，从而将双向电力电子器件串联开关u1两端的过电压限制在安全范围以内。

如果需要快速重合闸，则重新导通双向电力电子器件串联开关u1，否则断开隔离开关q1，将故障线路隔离，随后快速机械开关cb1与快速机械开关cb3重新合闸，断路器回归初始状态。

若线路2或线路3发生故障，只需断开与之相连的两个机械开关，同时令与该线路相连的双向电力电子器件串联开关导通，待电流转换过程结束之后，控制双向电力电子器件串联开关关断，并断开该线路对应的隔离开关即可。

由图3、图4、图5、图6可知，将本技术方案的适用范围拓展到n端直流网络，则对于系统中与n条直流线路相连的节点，不难得出该混合式直流断路器需要n个快速机械开关、n个隔离开关、n/2个(n为偶数)或(n+1)/2个(n为奇数)双向电力电子器件串联开关与n/2个(n为偶数)或(n+1)/2个(n为奇数)能量吸收支路。

该混合式直流断路器将多条直流线路交汇点处的多台直流断路器整合为一体。与传统方案相比，本技术方案通过合理配置快速机械开关支路和电力电子器件串联开关支路的接线方式，在维持原有性能的前提下，最多可以将电力电子器件的使用数量减半，从而显著降低系统成本。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。