一种基于LC缓冲限流电路的混合式直流断路器的制作方法

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种基于LC缓冲限流电路的混合式直流断路器(DCCB)。

背景技术：

柔性直流输电技术(VSC-HVDC)出现以后，构建柔性直流电网已经逐渐成为电力工业界的一个新的发展方向。经过10余年的研究和发展，电压源型换流器(VSC)已广泛应用于异步电网互联、分布式能源接入、海岛供电等场合，成为柔性直流电网技术的基础和核心。现如今，模块化多电平换流器(MMC)已经在国内外多项柔性直流电网工程中使用，成为该领域最具价值的拓扑。

在由MMC换流站构成的柔性直流电网中，如何应对直流侧发生的短路故障(包括单极接地和双极短路)是目前应用中存在的主要问题。一方面，直流电网故障和交流电网故障不同，故障电流没有过零点，因而无法将技术成熟的交流断路器直接应用到直流故障中；另一方面，直流电网故障电流上升速度大大高于交流电网，因此对直流断路器的开断速度要求很高。研究能够适应目前柔性直流输电工程需要的直流断路器已经吸引了国内外研究人员的广泛关注。

当前研究的直流断路器类型主要包括机械式、固态式和混合式3种。其中，机械式断路器具备运行稳定、通态损耗小、控制方式简单等优势，但开断时间较长，且主要依靠振荡电路实现电流过零，对电路参数要求较高。固态式断路器全部采用电力电子器件实现对电流的通断，开断速度快、可靠性高，但正常运行时通态损耗较大，且大量开关器件导致成本过高，缺乏在高压电网中的实用性。而混合式断路器兼具机械式和固态式断路器的优点，既可实现正常运行时较小的通态损耗，又能满足快速切断故障电流的需求，故成为目前断路器研究的主要方向。但是，目前的混合式断路器需要大量IGBT串并联，这不仅增加了均压、均流的控制难度，同时大大提高了断路器的成本与体积，此外，目前许多混合式直流断路器不具备限流能力，这使得断路器在多端直流电网中的应用受到局限，实际分断故障电流时压力较大。考虑到未来构建多端直流电网的需求，研究低成本、高性能的限流型混合式直流断路器具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于LC缓冲限流电路的混合式直流断路器。

本发明中，一种基于LC缓冲限流电路的混合式直流断路器，由并联的辅助支路和主支路两部分组成，分别设有辅助直流开关和主直流开关；其中，辅助直流开关由快速隔离开关S1和IGBT阀组T1串联组成，主直流开关由IGBT阀组T2与金属氧化物避雷器MOA并联组成；在主支路中串联设置LC缓冲限流电路，其结构为：一个缓冲电容C先与一个金属氧化物避雷器MOA并联，再与反并联的晶闸管阀组T3、T4串联，该串联电路最终与限流电感L并联以组成LC缓冲限流电路。

本发明中，所述IGBT阀组T1、T2是由若干个串联的IGBT单元组成，每个IGBT单元均包括两个反向串联的IGBT模块。

本发明中，在所述主支路中，每个IGBT单元均并联一个金属氧化物避雷器MOA。

本发明中，在所述主支路中，LC缓冲限流电路相对主直流开关位于电源接入侧；在LC缓冲限流电路中，缓冲电容C与金属氧化物避雷器MOA组成的并联电路相对反并联的晶闸管T3、T4位于电源接入侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用LC缓冲限流回路，可有效限制故障电流上升，降低开断电流、减小MOA能量耗散，加快故障线路切除速度。

2、本发明的混合式直流断路器使用半控型器件晶闸管，减少全控型器件IGBT数量，从而降低控制难度和系统成本，设计合理、成本低、可靠性高。

附图说明

图1是传统混合式直流断路器拓扑示意图。

图2是基于LC缓冲限流电路的混合式直流断路器拓扑示意图。

图3是MMC换流站直流侧装设断路器结构示意图。

图4是MMC换流站直流双极短路故障等效电路示意图。

图5是传统直流断路器开断电流过程示意图；

图6是本发明拓扑开断电流过程示意图；

图7是传统拓扑MOA能量耗散示意图；

图8是本发明拓扑MOA能量耗散示意图。

图中附图标记：1快速隔离开关；2辅助直流开关；3主直流开关；4辅助通流支路；5主支路。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施方式。

本发明所述基于LC缓冲限流电路的混合式直流断路器，由并联的辅助支路和主支路两部分组成，分别设有辅助直流开关和主直流开关；其中，辅助直流开关由快速隔离开关S1和IGBT阀组T1串联组成，主直流开关由IGBT阀组T2与金属氧化物避雷器MOA并联组成。IGBT阀组T1、T2是由若干个串联的IGBT单元组成，每个IGBT单元均包括两个反向串联的IGBT模块。在所述主支路中，每个IGBT单元均并联一个金属氧化物避雷器MOA。

在主支路中串联设有LC缓冲限流电路，其结构为：一个缓冲电容C先与一个金属氧化物避雷器MOA并联，再与反并联的晶闸管阀组T3、T4串联，该串联电路最终与限流电感L并联以组成LC缓冲限流电路。在主支路中，LC缓冲限流电路相对主直流开关位于电源接入侧；在LC缓冲限流电路中，缓冲电容C与金属氧化物避雷器MOA组成的并联电路相对反并联的晶闸管T3、T4位于电源接入侧。

图1为传统混合式直流断路器拓扑示意图。正常工作时，电流流经辅助回路，主回路中电流为0。当故障发生后，线路电流迅速增大，向直流断路器发出动作信号。首先将主回路的IGBT阀组T2导通，同时将IGBT阀组T1关断，将故障线路的电流从辅助回路完全转移到主回路中，并将快速隔离开关S1断开，此过程需要约2ms。

当故障电流转移完毕后，关断IGBT阀组T2将金属氧化物避雷器MOA投入线路。MOA的基本特性为，其两端电压小于额定电压时，对外阻值表现为无穷大，两端电压大于额定电压时，其电流呈非线性增大，对外阻值迅速减小。MOA投入后呈现与故障电流反向的电压，使得故障电流迅速减小至0，直流断路器完成开断。

图2是基于LC缓冲限流电路的混合式直流断路器拓扑示意图。正常工作时和传统混合式直流断路器相同，电流流经辅助回路，主回路电流为0。当故障发生后，线路电流迅速增大，向直流断路器发出动作信号。首先将主回路的IGBT阀组T2导通，同时将IGBT阀组T1关断，并将快速隔离开关断开，与此同时，向LC缓冲限流回路中的晶闸管T3、T4发出触发信号。此时故障电流从辅助回路迅速转移到主回路，晶闸管T3承受正向压降导通，LC并联电路串入故障回路。由于电感电流不能突变，故障电流先流经缓冲电容，给缓冲电容C充电。随着电容两端电压增加，流经电容的电流逐渐减小，而电感电流逐渐增大。

当缓冲电容C的电流减小到0时，其正向充电电压达到上限，此时线路中的故障电流也达到最大值。此后缓冲电容C开始放电，导致晶闸管T3关断而晶闸管T4导通，此时可以撤去晶闸管T3、T4的触发信号，电感L的电流继续增大。由于电感L串入故障回路的限流效果，使得故障电流上升速率变慢。

当主电路故障电流下降到一定程度时，撤去IGBT阀组T2的导通信号，将MOA投入。此时由于主回路电流的存在，导致MOA呈现与故障电流方向相反的电压，使得主回路故障电流不断下降为0，直流断路器完成开断。

在直流断路器完成开断后，限流电感L中的电流继续向缓冲电容C中馈入，使得缓冲电容C的电压反向升高，当电感L的电流下降为0时，晶闸管T4因承受反压而关断。

以故障情况最为严重的双极故障为例，实际直流断路器在系统中的装设方式如图3所示，故障后的等效电路如图4所示，可据此等效电路完成LC缓冲限流回路的参数设计。根据图5、6图中的对比可以发现，当发生双极短路故障时，传统混合式直流断路器最大电流为19kA，本发明提出的新型混合式直流断路器最大电流为13kA，降低约31.6％，且故障电流切断时间从5ms下降至3ms，由图7、8图中的对比可知MOA耗散能量从18MJ降低至90kJ。

总体来说，本发明提出的新型混合式直流断路器由于限流电感的限流效果，抑制了故障电流的上升速率，由于缓冲电容的储能效果，减小了断路器实际开断电流大小和MOA能量耗散，从而加快了开断速度，改善了混合式直流断路器的性能。