一种新型级联全桥高压直流断路器及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种新型级联全桥高压直流断路器及其控制方法。

背景技术：

由机械开关和全控型电力电子器件构成的混合型高压直流断路器，由于其兼具机械开关的低损耗特性和电力电子器件的快速分断特性，可以对多端柔性直流电网进行有效地的直流分断。但是，目前混合型直流断路器的分断能力受制于单个电力电子器件的分断能力，其分断电流小于10kA，难以满足柔性支路分断系统对实际分断电流的需求。同时，混合型直流断路器在分断完成后其电力电子器件单元内部的电容电压难以快速释放，导致其在快速重合闸时因发生直流短路而损坏。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种新型级联全桥高压直流断路器及其控制方法。

第一方面，本发明中一种新型级联全桥高压直流断路器的技术方案是：

所述高压直流断路器包括相互并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；所述主通流支路包括串联的机械开关和全桥模块电路，所述全桥模块电路包括一个或多个全桥模块；所述转移电流支路包括串联的多个全桥模块；所述能量吸收支路包括避雷器；

所述全桥模块包括第一电阻、第一电容、第一开关和四个全控型电力电子器件；所述四个全控型电力电子器件和第一电容构成全桥结构的功率模块，所述第一电阻与第一开关串联后与所述第一电容并联。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：所述第一开关包括高速机械开关、晶闸管或IGBT开关单元。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：所述IGBT开关单元包括IGBT、均压电阻、第一二极管和稳压二极管；

所述IGBT的集电极通过所述第一电阻与所述第一电容的正极连接，发射极与所述第一电容的负极连接，门极通过所述均压电阻与门极驱动单元连接；

所述第一二极管和稳压二极管反向串联后并联在所述集电极与门极之间；所述第一二极管的阴极与所述门极连接，所述稳压二极管的阴极与所述集电极连接。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：所述全桥模块电路内所述的多个全桥模块构成多个串联的第一支路；

所述第一支路包括多个并联的全桥模块，且所述的多个第一支路包含的全桥模块数量相同。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：所述转移电流支路内全桥模块的数量大于主通流支路内全桥模块的数量。

第二方面，本发明中一种新型级联全桥高压直流断路器的控制方法的技术方案为：

所述控制方法包括：

闭合所述主通流支路内全桥模块的第一开关，当所述全桥模块内第一电容通过第一电阻放电完毕后断开所述第一开关；

触发导通所述转移电流支路内的所有全桥模块；

当所述高压直流断路器重新合闸于故障线路时，则闭锁所述转移支路内的所有全桥模块，故障电流转移至所述能量吸收电路；

当所述高压直流断路器重新合闸于非故障线路时，闭合所述主通流支路的机械开关，传输负荷电流。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种新型级联全桥高压直流断路器，通过第一开关可以使得第一电容通过第一电阻快速放电且在第一电容放电结束后能够快速恢复阻断状态，从而在高压直流断路器重合闸时各个低压电容的电容电压均为零，不会对全控型电力电子器件进行放电、损坏高压直流断路器；

2、本发明提供的一种新型级联全桥高压直流断路器的控制方法，能够实现高压直流断路器在数毫秒内快速重合闸，同时还可以实现对高压直流断路器的各全桥模块进行动态均压以及对IGBT进行过电压保护。

附图说明

图1：本发明实施例中一种新型级联全桥高压直流断路器拓扑结构示意图；

图2：本发明实施例中全桥模块拓扑结构示意图；

图3：本发明实施例中高速机械开关示意图；

图4：本发明实施例中晶闸管示意图；

图5：本发明实施例中IGBT开关单元示意图；

图6：本发明实施例中IGBT示意图；

图7：本发明实施例中全桥模块的放电电流通路示意图；

图8：混合型直流断路器拓扑结构示意图；

图9：混合型直流断路器重合闸时其功率模块的放电电流通路示意图；

图10：本发明实施例中高压直流断路器重合闸于故障线路时其内部电流通路示意图；

图11：本发明实施例中高压直流断路器重合闸于非故障线路时其内部电流通路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种新型级联全桥高压直流断路器进行说明。

图1为本发明实施例中一种新型级联全桥高压直流断路器拓扑结构示意图，如图所示，本实施例中新型级联全桥高压直流断路器包括分别并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路。其中，

主通流支路包括串联的机械开关和全桥模块电路，全桥模块电路包括一个或多个全桥模块；转移电流支路包括串联的多个全桥模块，本实施例中转移电流支路内全桥模块的数量大于主通流支路内全桥模块的数量。

能量吸收支路包括避雷器。

图2为本发明实施例中全桥模块拓扑结构示意图，如图所示，本实施例中全桥模块包括第一电阻R、第一电容C、第一开关和四个全控型电力电子器件。其中，四个全控型电力电子器件和第一电容C构成全桥结构的功率模块，第一电阻R与第一开关串联后与第一电容并联。

本实施例中通过第一开关可以使得第一电容C通过第一电阻R快速放电且在第一电容C放电结束后能够快速恢复阻断状态，从而在高压直流断路器重合闸时各个低压电容C的电容电压均为零，不会对全控型电力电子器件进行放电、损坏高压直流断路器。

进一步地，本实施例中第一开关可以采用下述结构。

本实施例中第一开关可以包括高速机械开关、晶闸管或IGBT开关单元。

图3为本发明实施例中高速机械开关示意图，如图所示，本实施例中高速机械开关K与第一电阻R串联后与第一电容C并联。

图4为本发明实施例中晶闸管示意图，如图所示，本实施例中晶闸管与第一电阻R串联后与第一电容C并联。

图5为本发明实施例中IGBT开关单元示意图，如图所示，本实施例中IGBT开关单元包括IGBT、均压电阻Rg、第一二极管和稳压二极管DZ。其中，

图6为本发明实施例中IGBT示意图，如图所示，本实施例中IGBT与一个二极管反向并联。IGBT的集电极通过第一电阻R与第一电容C的正极连接，发射极与第一电容C的负极连接，门极通过均压电阻Rg与门极驱动单元连接Driver。同时，第一二极管和稳压二极管DZ反向串联后并联在集电极与门极之间，第一二极管的阴极与门极连接，稳压二极管DZ的阴极与集电极连接。当IGBT的集电极电压大于其预置值后稳压二极管DZ被击穿导通，门极电压升高使得IGBT导通，第一电容C通过IGBT和第一电阻R放电。其中，第一电阻R的电阻值很小使得第一电容C的电压可以在几个毫秒内降低至IGBT的耐受电压范围内，此时稳压二极管DZ迅速恢复阻断。

本实施例中IGBT单元能够有效解决在转移电流支路闭锁过程中由于各个全桥模块内各个IGBT关断不同步造成的第一电容电压过高损坏IGBT的问题。

进一步地，本实施例中全桥模块电路可以包括下述结构。

本实施例中全桥模块电路可以包括一个全桥模块也可以包括多个全桥模块。当全桥模块电路包括多个全桥模块时，该多个全桥模块构成多个串联的第一支路，每个第一支路均包括多个并联的全桥模块，且所有第一支路包含的全桥模块数量相同。

本实施例中可以设定全桥模块的数量扩展高压直流断路器阻断的电压、电流等级，提高了柔性多端及直流电网的运行可靠性和经济性。

下面对本实施例挺的新型级联全桥高压直流断路器的控制方法进行说明。

图8为混合型直流断路器拓扑结构示意图，如图所示，混合型直流断路器包括分别并联的主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路。其中，主通流支路包括串联的机械开关和多个全桥模块，转移电流支路包括串联的多个全桥模块。

图9为混合型直流断路器重合闸时其功率模块的放电电流通路示意图，如图所示，混合型直流断路器的全桥模块包括第二电阻R、第二电容C和四个全控型电力电子器件。其中，四个全控型电力电子器件和第二电容C构成全桥结构的功率模块，第二电阻R与第二电容C并联。当混合型直流断路器分断完成后转移电流支路内各全桥模块的第二电容C因系统电流充电而储存一定幅值的电压，由于第二电阻R的阻值较大，使得第二电容C的电压泄放极其缓慢。在多端直流及直流电网中，发生瞬时性故障后系统一般要求在数百毫秒左右重合，此时混合型直流断路器内全桥模块的第二电容C依然储存有较高的电压，若将混合型直流断路器重新投入运行，第二电容C将直接对IGBT放电现象，存在损坏混合型直流断路器的风险。

本实施例提供的一种新型级联全桥高压直流断路器的控制方法，能够克服上述技术缺陷，具体步骤为：

1、在高压直流断路器分断完成后闭合主通流支路内全桥模块的第一开关，当全桥模块内第一电容通过第一电阻放电完毕后断开第一开关。

图7为本发明实施例中全桥模块的放电电流通路示意图，如图所示，本实施例中第一开关采用IGBT单元时，还可以实现对各全桥模块进行动态均压以及对IGBT进行过电压保护。

2、触发导通转移电流支路内的所有全桥模块：

图10为本发明实施例中高压直流断路器重合闸于故障线路时其内部电流通路示意图，如图所示，本实施例中当高压直流断路器重新合闸于故障线路时，则闭锁转移支路内的所有全桥模块，故障电流转移至能量吸收电路，被避雷器吸收。

图11为本发明实施例中高压直流断路器重合闸于非故障线路时其内部电流通路示意图，如图所示，本实施例中当高压直流断路器重新合闸于非故障线路时，闭合主通流支路的机械开关，传输负荷电流。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。