一种全固态直流断路器及其控制方法
【专利摘要】本发明提供一种全固态直流断路器及其控制方法，直流断路器的拓扑结构包括串联连接的承压开关和换流开关组成的换流支路、与换流支路并联的断流支路、与换流支路并联的能量吸收支路和剩余电流切断开关，剩余电流切断开关与并联连接的换流支路、断流支路以及能量吸收支路串联连接于输电线路的主回路中，本发明提供的直流断路器拓扑结构新颖简洁，功能全面，控制方法简单，可以实现无弧快速切断短路电流的功能，且承压开关，换流开关和断流开关均能够通过电力电子器件串联或并联来实现模块化，降低了对电力电子器件一致性的要求，易于实现串联使用。
【专利说明】一种全固态直流断路器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，具体涉及一种全固态直流断路器的拓扑结构及控制方法。
【背景技术】
[0002]高压直流输电技术由于具有线路造价小，有功功率高，调节速度快等特点而越来越受到国内外的重视。另外，多端柔性直流输电技术的发展为风能、太阳能等可再生清洁能源固有的分散性、小型性、远离负荷中心等缺陷提供了有效的解决办法。而直流断路器正是完善高压直流输电技术和多端柔性直流输电技术，保证直流输电系统安全可靠运行的关键设备之一。
[0003]在交流系统中，交流电流在一个周期内存在两个自然过零点，交流断路器可以利用电流的自然过零点来实现电流关断；而在直流系统中，由于直流电流不存在自然过零点，无法消除高压直流电弧，因此直流电流的开断远比交流电流的开断困难。
[0004]目前，开断直流电流主要有三种方式，一种是在常规交流机械断路器的基础上，通过增加辅助电路，人为地制造类似交流系统中的“过零点”来开断电路，利用这种原理制造的机械式断路器，分断时间较长，寿命有限，通常无法满足直流输电系统的要求；一种是利用大功率半导体器件，直接分断直流电流，利用这种原理制造的固态断路器，虽然分断时间短，无电弧，但通态损耗过大，且成本较高；而最新出现的机械开关-半导体开关的混合型结构虽然结合了机械开关导通压降小和半导体开关分断速度快的优点，但是由于混合型结构中机械开关的存在，使得其分、合闸速度依然不够迅速。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种全固态直流断路器及其控制方法，实现了利用电力电子器件快速无弧切断直流电流的功能。
[0006]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0007]—种全固态直流断路器，该直流断路器包括剩余电流切断开关、由串联连接的承压开关和换流开关组成的换流支路、与换流支路并联的断流支路以及与换流支路并联的能量吸收支路，所述剩余电流切断开关与并联的换流支路、断流支路和能量吸收支路相串联连接于输电线路的主回路中；所述承压开关由M个承压阀段串联组成，每个承压阀段包括至少一对反向并联的晶闸管，当承压阀段包括多对反向并联的晶闸管时，多对反向并联的晶闸管间串联连接。
[0008]所述换流开关包括反向串联的可控大功率半导体开关器件。
[0009]所述断流支路采用由N个串联的断流阀段组成的断流开关。
[0010]每个断流阀段包括若干个可控大功率半导体开关器件。
[0011]每个断流阀段包括一对或多对反向串联的可控大功率半导体开关器件，多对反向串联的可控大功率半导体开关器件间串联连接。[0012]所述剩余电流切断开关为额定电压低于系统额定电压且具有切断剩余电流能力的开关。
[0013]所述能量吸收支路采用避雷器。
[0014]上述全固态直流断路器的控制方法，该控制方法包括以下步骤:
[0015]当线路或设备发生短路故障时所述直流断路器分闸的控制方法为:首先开通断流支路，然后关断换流开关，直流电流转移至断流支路，同时换流支路中的直流电流减小；当换流支路中的直流电流减小到零后等待晶闸管恢复正向电压阻断能力，然后关断断流支路，主回路中剩余的能量由能量吸收支路吸收，最后断开剩余电流切断开关。
[0016]所述控制方法还包括以下步骤:
[0017]线路或设备故障排除后所述直流断路器合闸的控制方法为:首先开通换流开关，待换流开关开通后开通承压开关。
[0018]线路或设备工作正常时所述直流断路器的工作状态为:主回路中的电流从剩余电流切断开关及换流支路中流过，断流支路与能量吸收支路中没有电流流过。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
[0020]本发明所述全固态直流断路器的拓扑结构新颖简洁，功能全面，控制方法简单，可以实现无弧快速切断短路电流的功能，且换流支路和断流支路均能够通过电力电子器件串联或并联来实现模块化，降低了对电力电子器件一致性的要求，易于实现串联使用；本发明所述全固态直流断路器的拓扑结构中，由串联的承压开关和换流开关承担正常导通电流，承压开关由晶闸管构成的多个阀段串联组成，鉴于晶闸管与其它电力电子开关器件相比具有电压等级高、通态压降小的特点，因此电路的串联级数少，通态损耗低，同时极大地提高了直流断路器的容量和分断能力，以及增大了直流断路器的应用电压等级；另外，本发明由剩余电流切断开关来最终切断直流回路中的剩余电流，从而实现故障区域与线路的隔离，安全性好。
[0021]进一步的，本发明所述全固态直流断路器的拓扑结构中，由于换流开关、承压开关、断流开关均具有双向电压阻断能力和双向电流控制能力，因而整个直流断路器具有双向电压阻断能力和双向电流控制能力，适用范围广，控制能力强。
[0022]进一步的，本发明所述全固态直流断路器的拓扑结构中，鉴于半导体开关器件的开通和关断时间均在微秒级，因此理想情况下能够在微秒级实现合闸与分闸，分闸和合闸速度快，提高了直流系统运行的可靠性和安全性。
[0023]进一步的，本发明所述全固态直流断路器的拓扑结构中，通过关断由可控大功率半导体开关器件组成的换流开关来将故障直流电流从换流支路切换到断流支路，换流速度快，可控性强。
[0024]进一步的，本发明所述全固态直流断路器的拓扑结构中，通过关断由可控大功率半导体开关器件构成的断流开关来切断故障直流电流，无电弧切断，分断速度快，可控性强。
[0025]进一步的，本发明所述全固态直流断路器的拓扑结构中，由避雷器来限制直流断路器的过电压并且在断流开关关断时吸收回路中的剩余能量，可靠性好。
【专利附图】
【附图说明】[0026]图1为本发明所述全固态直流断路器的拓扑结构的示意图；
[0027]图2为本发明所述承压开关的示意图；
[0028]图3为本发明所述换流开关的示意图；
[0029]图4为本发明所述断流开关的示意图；
[0030]图5为基于本发明所述承压开关、换流开关和断流开关的全固态直流断路器的拓扑结构示意图；
[0031]图中:S为剩余电流切断开关；Z为避雷器；TF1~TFm和Tri~TRm均为晶闸管,m为每个方向串联晶闸管的数目；1和Tk均为可控大功率半导体开关器件;MF1~MFl^PMK1~MKn均为可控大功率半导体开关器件，η为反向串联的可控大功率半导体开关器件的对数。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
[0033]本发明提出一种全固态直流断路器，其拓扑结构如图1、图5所示，包括剩余电流切断开关、由串联 连接的承压开关和换流开关组成的换流支路、与换流支路并联的断流支路以及与换流支路并联的能量吸收支路，所述剩余电流切断开关与并联的换流支路、断流支路和能量吸收支路相串联连接于输电线路的主回路中；参见图2，所述承压开关由M个承压阀段串联组成，每个承压阀段由至少一对反向并联的晶闸管及其辅助元件(辅助元件包括驱动供电电路、触发板、阻尼均压元件、冷却单元和控制系统等)组成。当承压阀段包括多对反向并联的晶闸管时，多对反向并联的晶闸管间串联连接。承压开关具有双向电压阻断能力和双向电流控制能力。
[0034]参见图3，所述换流开关由一对反向串联的可控大功率半导体开关器件(如大功率IGBT、IEGT、GTO、IGCT等)及其辅助元件(辅助元件包括驱动供电电路、驱动板、阻尼均压元件、冷却单元和控制系统等)组成。当换流开关采用多对反向串联的可控大功率半导体开关器件时，多对反向串联的可控大功率半导体开关器件间串联连接。也可以采用其他现有串联方式构成换流开关。换流开关具有双向电压阻断能力和双向电流控制能力。
[0035]参见图4，所述断流支路采用断流开关(断流开关由N个断流阀段串联组成)。每个断流阀段由一对或多对反向串联的可控大功率半导体开关器件(如大功率IGBT、IEGT,GTO、IGCT等)及其辅助元件(辅助元件包括驱动供电电路、驱动板、阻尼均压元件、冷却单元和控制系统等)组成。多对反向串联的可控大功率半导体开关器件间串联连接。也可以采用其他现有串联方式构成断流阀段。断流开关具有双向电压阻断能力和双向电流控制能力。
[0036]所述剩余电流切断开关为额定电压低于系统额定电压的所有具有切断剩余电流能力的开关。
[0037]所述能量吸收支路采用避雷器，避雷器的作用是限制直流断路器的过电压并且在断流开关关断时吸收回路中的剩余能量。
[0038]换流支路用于线路正常工作时导通直流电流，或短路故障发生时将直流电流切换到断流支路，换流支路具有双向电压阻断能力和双向电流控制能力；换流支路开通时只承受断路器导通时的通态压降；承压开关断开后与换流支路承受整个直流断路器的电压。
[0039]断流支路负责在承压开关断开之后快速切断回路中的直流电流，具有双向电压阻断能力和双向电流控制能力，断流支路包括串联连接的断流单元。
[0040]能量吸收支路在断流支路切断回路直流电流后，能够吸收直流输电系统中电感储存的能量。
[0041]本发明提出的全固态直流断路器切断直流电流后，剩余电流切断开关最终切断直流回路中的剩余电流，将故障与输电线路完全隔离开。
[0042]m等于承压开关的耐压值除以选用的单个晶闸管的承压值，同时可以考虑保留一定的安全裕量，m为非零正整数。M为非零正整数，当每个承压阀段仅包括一对反向并联的晶闸管时，M = m ;当承压阀段包括多对反向并联的晶闸管时，M〈m。
[0043]η等于断流开关的耐压值除以选用的单个可控大功率半导体开关器件的承压值，同时可以考虑保留一定的安全裕量，η为非零正整数。N为非零正整数，当每个断流阀段仅包括一对反向串联的可控大功率半导体开关器件时，N = η ;当断流阀段包括多对反向串联的可控大功率半导体开关器件时，Ν〈η。
[0044]上述全固态直流断路器的控制方法，描述如下:
[0045]Α、线路或设备工作正常时直流断路器的工作状态为:主回路中的电流从剩余电流切断开关及换流支路中流过，断流支路与能量吸收支路中没有电流流过。
[0046]B、当线路或设备发生短路故障时直流断路器分闸的控制方法为:首先迅速开通断流开关，然后关断换流开关，换流支路中的直流电流迅速转移至断流支路，同时换流支路中的直流电流迅速减小；待换流支路中的直流电流减小到零后，等待一段时间使晶闸管恢复正向电压阻断能力，然后即可无弧关断断流开关，主回路中剩余的能量由与断流开关并联的避雷器吸收，最后断开剩余电流切断开关后，整个直流断路器具有了完全阻断直流电流和电压的能力，实现了隔离故障设备与直流线路的目的，至此直流断路器分闸完成。
[0047]C、线路或设备故障排除后直流断路器合闸的控制方法为:首先开通换流开关，待换流开关完全开通后开通承压开关。
[0048]本发明采用的全固态直流断路器，鉴于半导体开关器件的开通和关断时间均在微秒级，因此理想情况下能够在微秒级实现合闸与分闸，这极大地提高了直流断路器的开关速度，提高了直流系统运行的可靠性和安全性。
[0049]本发明采用的承压开关，换流开关和断流开关均能够通过电力电子器件串联或并联来实现模块化，降低了对电力电子器件一致性的要求，易于实现串联使用，同时也具有一定的经济性。
[0050]本发明可串联应用于IkV及以上电压等级的中、高压直流传输线路中。当线路或直流设备出现故障时，直流断路器可以迅速动作，将直流设备与线路断开，以达到保护线路和直流设备的目的。
[0051]最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。
【权利要求】
1.一种全固态直流断路器，其特征在于:该直流断路器包括剩余电流切断开关、由串联连接的承压开关和换流开关组成的换流支路、与换流支路并联的断流支路以及与换流支路并联的能量吸收支路，所述剩余电流切断开关与并联的换流支路、断流支路和能量吸收支路相串联连接于输电线路的主回路中；所述承压开关由M个承压阀段串联组成，每个承压阀段包括至少一对反向并联的晶闸管，当承压阀段包括多对反向并联的晶闸管时，多对反向并联的晶闸管间串联连接。
2.根据权利要求1所述一种全固态直流断路器，其特征在于:所述换流开关包括反向串联的可控大功率半导体开关器件。
3.根据权利要求1所述一种全固态直流断路器，其特征在于:所述断流支路采用由N个串联的断流阀段组成的断流开关。
4.根据权利要求3所述一种全固态直流断路器，其特征在于:每个断流阀段包括若干个可控大功率半导体开关器件。
5.根据权利要求4所述一种全固态直流断路器，其特征在于:每个断流阀段包括一对或多对反向串联的可控大功率半导体开关器件，多对反向串联的可控大功率半导体开关器件间串联连接。
6.根据权利要求1所述一种全固态直流断路器，其特征在于:所述剩余电流切断开关为额定电压低于系统额定电压且具有切断剩余电流能力的开关。
7.根据权利要求1所述一种全固态直流断路器，其特征在于:所述能量吸收支路采用避雷器。
8.—种如权利要求1所述全固态直流断路器的控制方法，其特征在于:该控制方法包括以下步骤: 当线路或设备发生短路故障时所述直流断路器分闸的控制方法为:首先开通断流支路，然后关断换流开关，直流电流转移至断流支路，同时换流支路中的直流电流减小；当换流支路中的直流电流减小到零后等待晶闸管恢复正向电压阻断能力，然后关断断流支路，主回路中剩余的能量由能量吸收支路吸收，最后断开剩余电流切断开关。
9.根据权利要求8所述一种全固态直流断路器的控制方法，其特征在于:所述控制方法还包括以下步骤: 线路或设备故障排除后所述直流断路器合闸的控制方法为:首先开通换流开关，待换流开关开通后开通承压开关。
10.根据权利要求8所述一种全固态直流断路器的控制方法，其特征在于:线路或设备工作正常时所述直流断路器的工作状态为:主回路中的电流从剩余电流切断开关及换流支路中流过，断流支路与能量吸收支路中没有电流流过。
【文档编号】H03K17/04GK103997322SQ201410228403
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】杨旭, 朱晓斐, 张帆, 任宇 申请人:西安交通大学