电流分断装置、电流分断模块和控制方法与流程

本技术涉及电力电子，具体而言，涉及一种电流分断装置、电流分断模块和控制方法。

背景技术：

1、在直流应用场合中，由于直流输配电系统故障电流增长快，可靠的故障快速隔离和恢复是保证其安全稳定运行的关键。现有的直流断路器包括机械式直流断路器、混合式直流断路器和全固态式直流断路器等。其中，机械式直流断路器又可分为无源振荡技术和有源振荡技术，由于机械式直流断路器使用了电容器，因此，机械式直流断路器的存在设备体积很大，且在分断小电流工况时需要很长时间，在机械开关过零重燃风险大，在分断过程易与直流系统发生振荡，对系统及其他设备正常安全运行带来隐患。混合式直流断路器结合了机械开关及电力电子技术，通过电力电子器件实现电流可控分断，具备无弧、快速重合闸等特点，系统适用性好，但分断电流技术性能与设备经济性能均受限于全控型电力电子器件，不利于其在高压直流输电系统的大规模推广应用。由于全固态式直流断路器的通流损耗较大，一般不选择全固态式直流断路器用于故障隔离和恢复。本发明人发现，在交流应用场合中，常规的交流断路器仅能在电流过零点自然熄灭完成电流分断，而较大的首半波故障电流峰值对某些敏感或重要设备将产生不利影响，迫切需要能够提前快速分断电流的交流断路器。

技术实现思路

1、本技术提供了一种电流分断装置、电流分断模块和控制方法，用于解决现有技术中直流断路器存在机械开关重燃风险大、小电流分断时间长、与系统振荡显著和设备成本高昂等问题，以及交流断路器分断时首半波高幅值故障电流对敏感或重要设备的影响的问题。

2、根据本技术的一方面，提出一种电流分断装置，所述电流分断装置包括通流支路、转移支路、振荡支路和耗能支路，其中，所述通流支路与所述转移支路及所述振荡支路相互并联连接；所述通流支路由机械开关与通流单元串联构成；所述转移支路由双向导通晶闸管单元串联构成；所述振荡支路由振荡电容器、振荡电感和有源电力电子单元串联构成；所述耗能支路与所述振荡电容器并联连接，或与串联连接的所述振荡电容器和所述有源电力电子单元并联连接，或与串联连接的所述振荡电容器和所述振荡电感并联连接，或与所述通流支路并联连接。

3、根据一些实施例，所述有源电力电子单元由至少一个具有旁路功能的有源电力电子模块串联构成；所述具有旁路功能的有源电力电子模块包括电力电子开关、有源电力电子模块旁路开关和电压源，其中，所述电力电子开关包括第一电力电子开关和第二电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第一旁路开关，所述电压源包括第一电压源，所述第一电力电子开关的正极与所述第一电压源的正极连接，所述第一电力电子开关的负极与所述第二电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二电力电子开关的负极与第一电压源的负极连接后引出外接线，所述第一旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

4、所述具有旁路功能的有源电力电子模块包括电力电子开关、有源电力电子模块旁路开关和电压源，其中，所述电力电子开关包括第三电力电子开关、第四电力电子开关、第五电力电子开关和第六电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第二旁路开关，所述电压源包括第二电压源，所述第三电力电子开关的正极分别与所述第五电力电子开关的正极及所述第二电压源的正极连接，所述第三电力电子开关的负极与所述第四电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第四电力电子开关的负极分别与所述第六电力电子开关的负极及所述第二电压源的负极连接，所述第五电力电子开关的负极与所述第六电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第二旁路开关并联连接于两个引出外接线之间；或

5、所述具有旁路功能的有源电力电子模块包括电力电子开关、有源电力电子模块旁路开关和电压源，其中，所述电力电子开关包括第七电力电子开关和第八电力电子开关，所述有源电力电子模块旁路开关包括第三旁路开关，所述电压源包括第三电压源和第四电压源，所述第七电力电子开关的正极与所述第三电压源的正极连接，所述第七电力电子开关的负极与所述第八电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第八电力电子开关的负极与所述第四电压源的负极连接，所述第三电压源的负极与所述第四电压源的正极连接后引出外接线，所述第三旁路开关并联连接于两个引出外接线之间。

6、根据一些实施例，所述具有旁路功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式，其中，在所述退出模式下，所述有源电力电子模块旁路开关闭合；在所述投入模式下，所述有源电力电子模块旁路开关打开。

7、根据一些实施例，所述有源电力电子单元由至少一个具有隔离功能的有源电力电子模块并联构成；所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电力电子开关、隔离开关和电压源，其中，所述电力电子开关包括第九电力电子开关和第十电力电子开关，所述隔离开关包括第一隔离开关，所述电压源包括第五电压源，所述第九电力电子开关的正极与所述第五电压源的正极连接，所述第九电力电子开关的负极分别与所述第十电力电子开关的正极及所述第一隔离开关的第一端连接，所述第一隔离开关的第二端引出外接线，所述第十电力电子开关的负极与第五电压源的负极连接后引出外接线；或

8、所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电力电子开关、隔离开关和电压源，其中，所述电力电子开关包括第十一电力电子开关、第十二电力电子开关、第十三电力电子开关和第十四电力电子开关，所述隔离开关包括第二隔离开关，所述电压源包括第六电压源，所述第十一电力电子开关的正极分别与所述第十三电力电子开关的正极及所述第六电压源的正极连接，所述第十一电力电子开关的负极与所述第十二电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第十二电力电子开关的负极分别与所述第十四电力电子开关的负极及所述第六电压源的负极连接，所述第十三电力电子开关的负极分别与所述第十四电力电子开关的正极及所述第二隔离开关的第一端连接，所述第二隔离开关的第二端引出外接线；或

9、所述具有隔离功能的有源电力电子模块包括电力电子开关、隔离开关和电压源，其中，所述电力电子开关包括第十五电力电子开关和第十六电力电子开关，所述隔离开关包括第三隔离开关，所述电压源包括第七电压源和第八电压源，所述第十五电力电子开关的正极与所述第七电压源的正极连接，所述第十五电力电子开关的负极与所述第十六电力电子开关的正极连接后引出外接线，所述第十六电力电子开关的负极与所述第八电压源的负极连接，所述第七电压源的负极分别与所述第八电压源的正极及所述第三隔离开关的第一端连接，所述第三隔离开关的第二端引出外接线。

10、根据一些实施例，所述具有隔离功能的有源电力电子模块的工作模式包括退出模式和投入模式，其中，在所述退出模式下，所述隔离开关打开；在所述投入模式下，所述隔离开关闭合。

11、根据一些实施例，所述双向导通晶闸管单元包括双向晶闸管；或

12、所述双向导通晶闸管单元包括第一单向晶闸管和第二单向晶闸管，所述第一单向晶闸管和所述第二单向晶闸管反向并联连接。

13、根据一些实施例，所述通流单元由至少一个并联有通流单元旁路开关的双向通流模块串并联构成；和/或所述机械开关由一个或多个机械开关串并联构成；和/或所述振荡电容器由一个或多个电容器串并联构成；和/或所述振荡电感由一个或多个电感串并联构成；和/或所述耗能支路由一个或多个避雷器串并联构成。

14、根据一些实施例，所述电力电子开关由至少一级功率半导体器件串联构成，所述功率半导体器件包括全控型功率半导体器或半控型功率半导体器件，所述全控型功率半导体器件为igbt、iegt、igct、mosfet、gto中的一种或任意组合，所述半控型功率半导体器件为晶闸管；和/或所述电压源为预充电电容器，或储能蓄电池，或交流整流电源。

15、根据本技术的一方面，提出一种电流分断模块，所述电流分断模块包括至少两个如前任一实施例所述的电流分断装置，且所述电流分断装置串联连接。

16、根据本技术的一方面，提出一种控制方法，所述控制方法用于控制如前任一实施例所述的电流分断装置，所述控制方法包括响应于系统正常工作指令，电流流过通流支路，所述通流支路的机械开关处于闭合状态，通流单元处于通流单元旁路开关闭合状态，振荡支路的投入模式中的有源电力电子单元处于闭锁状态或切除状态；响应于系统发生故障时收到的分闸指令，打开所述通流支路的机械开关，并控制所述通流单元的通流单元旁路开关打开和双向通流模块导通；当所述通流单元的通流单元旁路开关分开至绝缘分位、且所述通流单元旁路开关中电流完全转移至双向通流模块中时，触发转移支路的双向导通晶闸管单元导通和控制所述通流单元的双向通流模块分断；当所述机械开关分开至绝缘分位时，控制所述振荡支路的有源电力电子单元输出多脉冲方波电压，输出的方波电压激励所述振荡支路的振荡电容器和振荡电感振荡，产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，所述振荡电流使得所述转移支路的双向导通晶闸管单元出现过零点分断；当所述转移支路的电流过零后，利用所述故障电流给所述振荡支路的振荡电容器充电，当所述振荡电容器的电压大于耗能支路的避雷器残压时，所述故障电流转移至所述耗能支路并耗散至零，分闸成功并结束分闸操作。

17、根据本技术的一方面，提出一种控制方法，所述控制方法用于控制如前任一所述的电流分断装置，所述控制方法包括响应于系统正常工作指令，电流流过通流支路，所述通流支路的机械开关处于闭合状态、通流单元处于通流单元旁路开关打开和双向通流模块导通状态，振荡支路的投入模式中的有源电力电子单元处于闭锁状态或切除状态；响应于系统发生故障时收到的分闸指令，触发转移支路的双向导通晶闸管单元导通，并控制所述通流单元的双向通流模块分断；当电流从所述通流支路完全转移至所述转移支路后，无弧打开机械开关；当所述机械开关分开至绝缘分位时，控制所述振荡支路的有源电力电子单元输出多脉冲方波电压，输出的所述方波电压激励所述振荡支路的振荡电容器和振荡电感振荡，产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，所述振荡电流使得所述转移支路的双向导通晶闸管单元出现过零点分断；当所述转移支路电流过零后，所述故障电流给所述振荡支路的振荡电容器充电，当所述振荡电容器电压大于耗能支路的避雷器残压时，所述故障电流转移至所述耗能支路并耗散至零，分闸成功并结束分闸操作。

18、根据本技术的实施例，当电流分断装置分闸时，通过控制通流支路、转移支路和振荡支路的内部元件运行状态，首先将通流支路电流转移至转移支路中，然后通过有源电力电子单元输出方波电压振荡产生与故障电流幅值电流相等、方向相反的振荡电流，使得转移支路过零并自然分断，克服了机械开关重燃风险大、小电流分断时间长、与系统振荡显著以及设备成本高的问题，有利于在交直流输配电系统的大规模推广应用。

19、根据另一些实施例，通流支路的有源电力电子单元采用有源振荡升压原理，提升反向注入电流幅值，有源电力电子单元中模块数量少且配置了冗余，显著提高了设备经济性和可靠性。

20、根据另一些实施例，振荡支路的振荡电容器为脉冲电容，耐受电压高、容值为uf级，减少了小电流分断时间，同时降低了电容体积和成本。