基于晶闸管的多端口混合式直流断路器及控制方法

本发明属于柔性直流电网直流侧故障隔离，尤其涉及基于晶闸管的多端口混合式直流断路器及控制方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术在大规模可再生能源并网、远距离电网互联、远程无源供电等方面表现优异。然而，由于多端柔性直流电网的直流侧阻抗低，因此极易受到直流侧短路故障的威胁。当柔性直流电网的直流侧发生短路故障之后，故障电流可在几毫秒内升至额定电流的几倍甚至几十倍，因此需要超快速直流保护和直流断路器的配合来快速隔离故障。

3、目前提出的直流断路器主要分为三种类型，即固态直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。其中，混合式直流断路器同时具备运行损耗低、动作速度快等优势，因此成为柔性直流电网中直流断路器配置的优选方案。

4、然而，现有混合式直流断路器大多基于全控型电力电子开关(例如绝缘栅双极型晶体管)，因此制造成本高昂、体积和重量大。考虑到柔性直流电网对于直流断路器的巨大需求，采用混合式直流断路器所带来的高成本将难以承受。而少数基于晶闸管的混合式直流断路器在动作过程中大多依赖外加电源对电容进行预充电以辅助关断晶闸管，这在增加额外成本的同时也加大了检修和维护工作量。

5、此外，由于传统两端口混合式直流断路器仅能分断所安装线路上的故障电流，因此从柔性直流电网整体来看各混合式直流断路器利用率较低，硬件资源浪费严重。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于晶闸管的多端口混合式直流断路器，降低了多端口直流断路器的拓扑复杂程度和维护工作量。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、第一方面，公开了基于晶闸管的多端口混合式直流断路器，包括：

4、若干主支路及共用支路；

5、所有主支路均连接至共用支路；

6、所述共用支路包括第一晶闸管支路、电源侧断路器单元及故障侧断路器单元，所述晶闸管支路用于承载主支路中快速机械开关分闸过程中的故障电流；

7、所述故障侧断路器单元由相并联的第一电容、第一放电电阻和第一避雷器元件组成；

8、所述电源侧断路器单元由第二晶闸管支路、限流电阻、第二电容、第二放电电阻和第二避雷器组成，其中所述第二电容、所述第二放电电阻和所述第二避雷器并联连接为第二分支，所述晶闸管支路、所述限流电阻相串联为第一分支，所述第一分支串联连接至所述第二分支。

9、作为进一步的技术方案，所述主支路由负荷转移开关lcs和快速机械开关ufd串联组成。

10、第二方面，公开了基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，包括：

11、正常工作模式及直流故障隔离模式；

12、其中，正常工作模式下，多端口混合式直流断路器的各端口的负荷转移开关、快速机械开关和剩余电流开关均处于导通或闭合状态，第一晶闸管支路及第二晶闸管支路均处于闭锁状态；负荷电流将仅流过每个端口的主支路；

13、直流故障隔离模式下，包括故障检测阶段、电容器充电阶段、晶闸管闭锁阶段和电流耗散阶段，用于隔离连接在断路器各端口上的直流线路的故障。

14、作为进一步的技术方案，故障检测阶段，故障电流将从正常端口注入故障端口，在此阶段，故障电流将迅速上升，该阶段的持续时间主要由直流线路保护的动作时间决定，当直流线路保护动作后，断路器在t1时刻收到跳闸信号，开始分断故障电流。

15、作为进一步的技术方案，电容充电阶段，当断路器在t1时刻接收到跳闸信号后，导通第一晶闸管支路并且闭锁故障端口上的负荷转移开关；

16、之后，故障电流将转移至第一晶闸管支路，流过故障所在主支路的快速机械开关的电流将接近于零。

17、作为进一步的技术方案，在电容充电阶段，该阶段故障电流路径为：正常端口pk-rcbk-ufdk-lcsk-tm-d1-rcb1-故障端口p1-故障点，k＝2,…,n；

18、故障侧断路器单元中的第一电容通过以下路径充电：正常端口pk-rcbk-ufdk-lcsk-tm-cc-接地点，k＝2,…,n，第一电容两端的电压受到其并联第一避雷器的限制；

19、其中，rcb为剩余电流开关，ufd为快速机械开关，lcs为负荷转移开关，rcb为剩余电流开关，tm为第一晶闸管支路，d为二极管支路，cc为第一电容。

20、作为进一步的技术方案，晶闸管闭锁阶段，故障所在主支路的快速机械开关在t2时刻分闸完成，导通电源侧断路器单元中的第二晶闸管支路，此时，故障侧断路器单元中的预充电第一电容将通过以下路径对电源侧断路器单元中的第二电容充电：cc-tm-td-rd1-cd。

21、作为进一步的技术方案，晶闸管闭锁阶段，在第一晶闸管支路中，第二电容的充电电流与故障电流相反，通过控制限流电阻的阻值使得充电电流大于故障电流，从而导致第一晶闸管支路中产生反向电流；

22、通过保持反向电流的持续时间长于晶闸管关断时间将第一晶闸管支路闭锁，令闭锁时刻为t3时刻。

23、作为进一步的技术方案，电流耗散阶段，当t3时刻第一晶闸管支路闭锁后，由于此时故障回路已断开，健全端口无法向故障点注入故障电流；

24、健全端口将继续对电源侧断路器单元中的第二电容充电，直到并联第二避雷器投入开始耗散电流能量；

25、故障侧断路器单元中的故障电流将流经并联第一避雷器而被耗散，当故障侧断路器单元中的第一电容经过故障点放电，在t4时刻电压降至零后，打开故障端口上的剩余电流开关从而将故障点完全隔离。

26、作为进一步的技术方案，断路器的动作过程结束，第二电容通过并联第二放电电阻完成放电过程后，断路器将为下一次故障做好准备。

27、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

28、本发明技术方案提出了一种基于晶闸管的多端口混合式直流断路器，任何端口的短路故障都可以通过多端口混合式直流断路器进行快速隔离；多端口混合式直流断路器的主要电流分断部件即主断开关基于成本更低、耐流能力更强的晶闸管，但是晶闸管需要承受反向电压并且电流为零才能关断。因此，第一晶闸管支路的关断需要依赖故障侧断路器单元中的电容向电源侧断路器单元中的电容放电使得第一晶闸管支路中的电流小于零。

29、本发明技术方案中的多端口混合式直流断路器不需要额外的预充电装置对电容进行预充电，从而节省了装置成本，并且降低了多端口直流断路器的拓扑复杂程度和维护工作量。

30、本发明技术方案无需进行预充电，所以避免了预充电所需要额外配置的充电电源的花销，另外也避免了对充电电源进行检修和维护所带来的工作量。

31、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.基于晶闸管的多端口混合式直流断路器，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的基于晶闸管的多端口混合式直流断路器，其特征是，所述主支路由负荷转移开关lcs和快速机械开关ufd串联组成。

3.基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，其特征是，包括：

4.如权利要求3所述的基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，其特征是，故障检测阶段，故障电流将从正常端口注入故障端口，在此阶段，故障电流将迅速上升，该阶段的持续时间主要由直流线路保护的动作时间决定，当直流线路保护动作后，断路器在t1时刻收到跳闸信号，开始分断故障电流。

5.如权利要求3所述的基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，其特征是，电容充电阶段，当断路器在t1时刻接收到跳闸信号后，导通第一晶闸管支路并且闭锁故障端口上的负荷转移开关；

6.如权利要求3所述的基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，其特征是，在电容充电阶段，该阶段故障电流路径为：正常端口pk-rcbk-ufdk-lcsk-tm-d1-rcb1-故障端口p1-故障点，k＝2,…,n；

7.如权利要求3所述的基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，其特征是，晶闸管闭锁阶段，故障所在主支路的快速机械开关在t2时刻分闸完成，导通电源侧断路器单元中的第二晶闸管支路，此时，故障侧断路器单元中的预充电第一电容将通过以下路径对电源侧断路器单元中的第二电容充电：cc-tm-td-rd1-cd。

8.如权利要求3所述的基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，其特征是，晶闸管闭锁阶段，在第一晶闸管支路中，第二电容的充电电流与故障电流相反，通过控制限流电阻的阻值使得充电电流大于故障电流，从而导致第一晶闸管支路中产生反向电流；

9.如权利要求3所述的基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，其特征是，电流耗散阶段，当t3时刻第一晶闸管支路闭锁后，由于此时故障回路已断开，健全端口无法向故障点注入故障电流；

10.如权利要求3所述的基于晶闸管的多端口混合式直流断路器的故障隔离方法，其特征是，断路器的动作过程结束，第二电容通过并联第二放电电阻完成放电过程后，断路器将为下一次故障做好准备。

技术总结
本发明提出了基于晶闸管的多端口混合式直流断路器及控制方法，包括：若干主支路及共用支路；所有主支路均连接至共用支路；所述共用支路包括第一晶闸管支路、电源侧断路器单元及故障侧断路器单元，所述晶闸管支路用于承载主支路中快速机械开关分闸过程中的故障电流；所述故障侧断路器单元由相并联的第一电容、第一放电电阻和第一避雷器元件组成；所述电源侧断路器单元由第二晶闸管支路、限流电阻、第二电容、第二放电电阻和第二避雷器组成，其中所述第二电容、所述第二放电电阻和所述第二避雷器并联连接为第二分支，所述晶闸管支路、所述限流电阻相串联为第一分支，所述第一分支串联连接至所述第二分支。

技术研发人员：邹贵彬,张烁,魏秀燕,周成瀚,王凤莲,赵子源,李响
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8