一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器的制作方法

本发明属于直流输电，具体地说是一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器。

背景技术：

1、模块化多电平换流器(mmc)在大规模电力传输、远距离可再生能源送出等场景中具有较大的技术经济优势。基于模块化多电平换流器的网状高压直流电网(hvdc)适合将多个大容量新能源基地可靠地传输到多个负载中心。因此，基于模块化多电平换流器的多端高压直流输电系统(mtdc)是未来直流电网的发展趋势。

2、然而，在多端高压直流输电系统中，直流故障产生的故障电流变化快、峰值高，故障隔离难度较高。直流断路器(dccb)是解决这个问题较好的方案之一，其中混合式直流断路器(hcb)是最具发展前景的拓扑之一。但是，单个断路器需要大量的半导体器件，其投资非常高。因此，多端口直流断路器(m-hcb)因能提高直流电网故障处理的经济性而受到广泛的关注。

3、多端口直流断路器(m-hcb)是通过共用主断路器支路实现节省器件数量的，配备选择支路后，主断路器可以选择性地插入故障线路。现有文献已经提出了诸多多端口直流断路器的拓扑，包括半桥型、全桥型和基于多个主断路支路型。w.liu等人提出了一种典型的半桥型m-hcb。其选择支路是晶闸管和igbt模块的串联支路，主断路器由双向电力电子器件组成，投资较高。s.wang等人和e.kontos等人提出的多端口直流断路器的选择支路是基于线路换向开关(lcs)–快速隔离开关(ufd)。但是，隔离单个线路故障需要两个lcs-ufd支路的操作，增加了快速机械开关故障的概率。半桥型多端口直流断路器最大的缺陷在于①因无法切断从线路流向母线的负载电流而无法隔离母线故障和②不具备机械开关失灵保护功能。

4、s.zhang等人和j.he等人分别提出了全桥型多端口直流断路器，单条线路配备了两个选择支路，因此主断路器支路只需要单向电力电子器件即可实现双向故障电流的分断。在s.zhang等人提出的多端口直流断路器中，采用了一条额外的二极管支路来清除母线故障，但隔离直流母线会导致长时间的大规模停电。在j.he等人提出的多端口直流断路器中，转移支路两两连接以节省直流母线从而避免出现母线故障，但不具备机械开关失灵保护功能。

5、针对基于多主断路支路的多端口直流断路器，c.li等人提出的三端口直流断路器包含三个主断支路，但是其仍然无法处理机械开关故障问题。a.mokhberdoran等人提出的多端口直流断路器是一个集成的负载转移开关和一个集成的主断路器，但其分断过程长，可靠性低。r.majumder等人提出的多端口直流断路器由两个主断路器和多个转移支路组成。但是，该拓扑结构极其复杂，对于直流线路超过3条的情况，投资将大幅增加。

6、总而言之，目前有关于多端口直流断路器的拓扑研究，主要问题仍然在于怎样在实现成本低和高可靠性的同时，还需具备快速机械开关失灵保护功能和解决直流母线永久性故障而造成长时间的大规模停电问题的能力。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术存在的问题，本发明提供一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，该拓扑用于在实现降低成本的同时，可节省直流母线，且可具备快速机械开关失灵保护。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其包括一个共用的主断路器支路、2n对二极管串和n个转移支路，n对二极管并联形成一组二极管串；

3、每个转移支路由一个快速机械开关和一个负载转移开关组成，通过共用的主断路器支路，将负载转移开关以环状串接，从而节省直流母线，避免母线故障；

4、所述的快速机械开关安装在直流线路上，以便在隔离故障时形成断口；每个直流线路端口连接在两个相邻的负载转移开关之间；

5、所述的主断路器支路直接连接在两组二极管串之间，在同一组二极管串中，二个相串联的一对二极管作为一条选择支路；

6、所述的选择支路，用于将主断路器支路选择性接入故障线路，实现故障隔离。

7、本发明所述的主断路器可以由单向电力电子器件组成，实现成本的节约。增加多条选择支路用以实现多端口直流断路器的灵活运行和控制。

8、进一步地，所述的主断路器支路由多个模块串联而成，每个模块由一定数量单向串联的igbt及反并联二极管和一个单独的并联避雷器组成。

9、更进一步地，igbt数量根据其所需要承担的电压和最大通流能力确定。

10、进一步地，所述的多端口直流断路器与一n端口柔性直流输电系统连接，所述n端口柔性直流输电系统包括n个柔性直流换流站，每个柔性直流换流站连接多条直流线路，整个直流电网呈网口状。

11、更进一步地，所述的n个柔性直流换流站，其中一个柔性直流换流站采用定电压控制，其余n-1个柔性直流换流站采用定功率控制。

12、进一步地，所述的负载转移开关由多个单向串联的igbt组成，每个igbt的首尾都分别正向串联一个二极管，首端、尾端二极管与igbt两侧分别再反并联一个二极管。

13、进一步地，所述的快速器械开关为存在机械断口的机械开关，其断口由闭合到触头完全分离的时间通常为2毫秒，断口完全分离可承受的电压较高，但断口由闭合到触头分离的过程必须在零电压、零电流的状态下完成。

14、进一步地，所述的负载转移开关无须承受高压，只需承担正常最大负荷电流；主断路器支路需承受避雷器导通时的最大过电压，分断最大故障电流；选择支路也需承受避雷器导通时的最大过电压，且具备最大故障电流通流能力。

15、更进一步地，避雷器是一个非线性电阻，其处在正常电流工作区域时，两端电压随流过其电流的变化而变化很小，因此在避雷器导通时的最大过电压可按照其保护水平来计算。

16、更进一步地，由于单条直流线路故障和多条线路直流故障时，各换流站对故障点故障电流的贡献不同，因此最大的故障电流应综合扫描各类故障后取最大值。

17、本发明具有以下有益技术效果：

18、1.所述的多端口直流断路器，由于采用了基于两个廉价二极管串的选择支路和转移支路的环形连接，可以减少主断路器支路中电力电子开关的数量，从而降低多端口直流断路器的总成本。

19、2.所述的多端口直流断路器易于在多端直流电网中扩展，可以避免直流母线故障，且同时具备机械开关失灵保护的功能。

技术特征：

1.一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，包括一个共用的主断路器支路、2n对二极管串和n个转移支路，n对二极管并联形成一组二极管串；

2.根据权利要求1所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，所述的主断路器支路由多个模块串联而成，每个模块由一定数量单向串联的igbt及反并联二极管和一个单独的并联避雷器组成。

3.根据权利要求2所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，igbt数量根据其所需要承担的电压和最大通流能力确定。

4.根据权利要求2所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，其与一n端口柔性直流输电系统连接，所述n端口柔性直流输电系统包括n个柔性直流换流站，每个柔性直流换流站连接多条直流线路，整个直流电网呈网口状。

5.根据权利要求4所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，所述的n个柔性直流换流站，其中一个柔性直流换流站采用定电压控制，其余n-1个柔性直流换流站采用定功率控制。

6.根据权利要求1所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，所述的负载转移开关由多个单向串联的igbt组成，每个igbt的首尾都分别正向串联一个二极管，首端、尾端二极管与igbt两侧分别再反并联一个二极管。

7.根据权利要求1所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，所述的快速器械开关为存在机械断口的机械开关，其断口由闭合到触头分离的过程必须在零电压、零电流的状态下完成。

8.根据权利要求2所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，所述的负载转移开关无须承受高压，只需承担正常最大负荷电流；主断路器支路需承受避雷器导通时的最大过电压，分断最大故障电流；选择支路也需承受避雷器导通时的最大过电压，且具备最大故障电流通流能力。

9.根据权利要求8所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，避雷器导通时的最大过电压按照其保护水平计算。

10.根据权利要求8所述的一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器，其特征在于，最大的故障电流综合扫描各类故障后取最大值。

技术总结
本发明公开了一种具备机械开关失灵保护的多端口直流断路器。本发明的多端口直流断路器，其包括一个共用的主断路器支路、2n对二极管串和n个转移支路，n对二极管并联形成一组二极管串；每个转移支路由一个快速机械开关和一个负载转移开关组成，且负载转移开关首尾串接成环状连接；所述的快速机械开关安装在直流线路上；每个直流线路端口连接在两个相邻的负载转移开关之间；所述的主断路器支路直接连接在两组二极管串之间，在同一组二极管串中，两个相串联的一对二极管作为一条选择支路。本发明可以避免直流母线故障，且同时具备机械开关失灵保护的功能。

技术研发人员：吴俊健,裘鹏,陆翌,黄晓明,陆承宇,陈骞
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15