一种强迫换流型全固态高速直流断路器和换流开关的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大功率电力电子技术领域，具体涉及一种强迫换流型全固态高速直流断路器及其换流开关。
【背景技术】
[0002]近几年，随着我国经济和科技的不断发展，对能源的需求也日益增加。为有效解决我国的能源分布不均问题，直流输电技术目前正在成为一种有效的手段。尤其是柔性直流输电技术的逐渐成熟更是促进了分布式新能源发展。由于直路系统具有故障发展速度快的特性，尤其是对于基于IGBT器件的柔性直流输电系统，由于存在反并联二极管，当直流侧发生故障时，无法快速限制短路电流。因此直流断路器的研宄对于直流输电系统的稳定性有着重要的意义。
[0003]目前，固态直流断路器一般采用半控型或全控型电力电子开关器件实现对电流的通、断控制，具有无触头、投切快速无声响、开关时刻准确可控、寿命长等优点，但存在电力电子开关器件容易过压过流等不足之处。
[0004]例如中国专利文献《一种全固态直流断路器及其控制方法》(CN 103997322A)提出的一种固态直流断路器技术。该方案通过设置由反向并联晶闸管和反向串联IGBT构成的换流支路，由串联的多个反向串联的IGBT构成的断流支路。在正常工作时，直流电流由换流支路流过，而当故障时，控制各电流通路的开关通断，将流过换流支路的电流转换到断流支路上，实现对故障电流的关断。
[0005]该方案换流开关使用的是反向串联的IGBT这种结构，故障情况下在换流开关的关断过程中，对IGBT关断的一致性要求比较高，工程中实现难度大；同时换流开关中的固态开关在关断过程中没有反向电压，晶闸管关断过程相对比较缓慢，而且固态开关中电流减小为零后晶闸管并没有真正处于断态(或者说没有恢复正向阻态)。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种强迫换流型全固态高速直流断路器，用以解决现有技术中直流断路器对IGBT关断的一致性要求高的缺陷。进一步的，本发明还提供了应用于该直流断路器的换流开关，是直流断路器的核心改进。
[0007]为实现上述目的，本发明的方案包括:
[0008]一种强迫换流型全固态高速直流断路器，包括并联的换流支路和主电子开关支路，所述换流支路由固态开关和换流开关串联组成；所述换流开关由全桥型MMC子模块级联组成，或者由半桥型MMC子模块级联组成，或者由全桥型MMC子模块与半桥型MMC子模块按照设定个数、顺序级联组成。
[0009]主电子开关支路由至少一个主电子开关单元串联构成，主电子开关单元由反向串联的全控型开关器件组成。
[0010]所述固态开关由至少一组反向并联的晶闸管构成，多组反向并联的晶闸管之间串联。
[0011]所述全控型开关器件是IGBT。
[0012]所述直流断路器还包括至少一个避雷器，所述避雷器并联在所述换流支路和主电子开关支路的对应支路或元件上。
[0013]本发明还提供了一种用于直流断路器的换流开关，所述换流开关由全桥型MMC子模块级联组成，或者由半桥型MMC子模块级联组成，或者由全桥型MMC子模块与半桥型MMC子模块按照设定个数、顺序级联组成。
[0014]将换流开关设置为全桥MMC子模块、半桥MMC子模块或全桥MMC和半桥MMC混合子模块，能够为晶闸管提供关断所需的反向电压；固体开关的关断时间非常小，故障电流能迅速转移到主电子开关支路，主电子开关单元采用反接IGBT串联组成，关断后故障电流能迅速减小。本发明提出的强迫换流型全固态高速直流短路器具有拓扑结构易于实现，控制灵活，关断速度快，损耗小并具有较好的技术经济性。
[0015]主电子开关单元采用反接IGBT串联组成，关断后故障电流能迅速减小；晶闸管具有高电压大电流的特性，断路器适用于大容量直流输电场合。
【附图说明】
[0016]图1是强迫换流型全固态高速直流断路器拓扑结构；
[0017]图2是强迫换流型全固态高速直流断路器关断过程中的控制逻辑；
[0018]图3是正常运行时强迫换流型全固态高速直流断路器的工作状态；
[0019]图4是强迫换流型全固态高速直流断路器实施例的换流过程；
[0020]图5是主电子开关支路关断过程中断路器实施例的工作状态；
[0021]图6是强迫换流型全固态高速直流断路器实施例断开过程中的电流波形。
【具体实施方式】
[0022]直流断路器实施例
[0023]如图1所示，强迫换流型全固态高速直流断路器由换流支路和主电子开关支路并联组成。换流支路由固态开关和换流开关串联组成；主电子开关支路由至少一个主电子开关单元串联构成，主电子开关单元为反向串联的全控型开关器件。固态开关由至少一组反向并联的晶闸管构成，多组反向并联的晶闸管之间串联。
[0024]换流开关中的MMC子模块有三种结构:全桥MMC子模块结构、半桥MMC子模块结构，以及若干全桥型MMC子模块与若干半桥型MMC子模块按照设定个数、顺序进行组合的结构。
[0025]其中，若干全桥型MMC子模块与若干半桥型MMC子模块按照设定个数、顺序进行组合，包括多种情况，如图1所示的一个全桥子模块与一个半桥子模块级联，或者是两个全桥子模块与一个半桥子模块依次级联，再或者是一个全桥子模块与两个半桥子模块依次级联。
[0026]本实施例中，换流开关由全桥MMC子模块级联构成。
[0027]本实施例中换流支路的固态开关单元使用的是晶闸管。
[0028]本实施例中主电子开关支路所使用的全控型开关器件是IGBT，作为其它实施方式，也可以根据断路器具体应用场合选用其它全控型开关器件，例如GTO，IGCT等。
[0029]如图3所示，在主电子开关的各反向串联IGBT两端并联避雷器，用于保护主电子开关单元中IGBT和吸收断路器中的能量。作为其它实施方式，也可以将一个避雷器与整个主电子开关单元并联，或者将避雷器与换流开关、固态开关、换流支路，或者与上述开关、之路中的元件并联。
[0030]图2中所示为强迫换流型全固态高速断路器断开过程中的控制逻辑。其中固态开关中晶闸管属于半控型器件，其关断是不可控制的，主要依靠电路特性自然关断。
[0031]正常运行时，主电子开关处于关断状态，换流开关和固态开关处于导通状态，电路中的直流电流从断路器的换流支路流过。