一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑制造技术

本发明专利技术涉及一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑，属于多端直流、直流电网技术领域；该阻容型限流式直流断路器拓扑包含断路阀段和限流阀段两种模块，通过控制策略的搭配实现稳态低电抗和暂态高电抗的灵活切换，通态损耗低，暂态限流效果明显。同时充分利用了全控型功率器件的快速可控性和半控型器件容量大、造价低的特点，在一定程度上降低了投资成本。该拓扑还具备适应多种故障情况的重合闸能力，可提高直流电网可靠性和安全性。

A Resistance Capacitance Limited DC Circuit Breaker Topology for Multi-terminal DC and DC Power Grids

The invention relates to a resistor-capacitor type current-limiting DC circuit breaker topology suitable for multi-terminal DC and DC power grids, belonging to the technical field of multi-terminal DC and DC power grids; the resistor-capacitor type current-limiting DC circuit breaker topology includes two modules: circuit breaker section and current-limiting valve section, and realizes flexible switching between steady-state low reactance and transient high reactance through the combination of control strategies, with low on-state loss and transient state. The effect of current limiting is obvious. At the same time, it makes full use of the fast controllability of full-controlled power devices and the characteristics of large capacity and low cost of semi-controlled devices, thus reducing the investment cost to a certain extent. This topology also has reclosing ability to adapt to various faults, which can improve the reliability and safety of DC power grid.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑
本专利技术涉及一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑，属于多端直流、直流电网领域。
技术介绍
随着世界范围内化石资源的日益枯竭，可再生能源的发展势不可挡，柔性直流电网也随着快速发展。目前，正在建设的张北±500kV四端柔性直流电网示范工程将在全世界范围内首次实现风电经直流电网向特大城市供电。而相比于传统交流系统，由电力电子设备组成的直流电网是一个“低惯量、低阻抗”系统，响应时间常数比交流电网至少小2个数量级。当直流线路发生严重故障时，换流器及直流侧的各种储能元件都会向故障点馈入能量，导致流过电力电子开关器件的电流迅速上升，如若不及时将故障进行隔离和清除，将危害器件甚至整个直流电网和交流电网系统的安全。因此，及时清除故障线路、保证健全线路的功率传输是保证直流电网可靠运行的前提。现阶段清除直流故障的方案有很多，根据直流断路器中主要开关元件的不同，可分为：机械式直流断路器、全固态直流断路器以及混合式直流断路器。在较高的直流电压等级下，以上直流断路器只具备单一的直流故障切除功能，无法满足诸如动态限流等特定需求，需要与直流限流器配合使用。与此同时，电网实际运行经验表明，架空线大多时候发生的故障都是瞬时性故障，只有不到10％的故障是永久性的，目前大多数混合式高压直流断路器均具备重合闸能力，但没设计具体的重合闸策略。因此，未来多端直流和直流电网中的直流断路器的开发依然有很多问题亟待解决，迫切需要研究适用于高电压、大电流场合，具有限流作用且具备适应多种故障情况的重合闸能力的直流断路器。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑。本专利技术的目的在于克服当前高压直流断路器无限流作用，造价过高，不具备重合闸能力的缺点。本专利技术所采用的技术方案是：在系统正常运行时，断路阀段和限流阀段均工作在低损耗状态，断路器三个电抗器并联，呈现低电抗状态。当直流线路发生故障时，断路器立即进入限流状态，三条支路的电抗串联连接，限制线路电流的上升速率。经过系统对线路故障的判断，最终进行断路操作或将断路器恢复正常运行。与现有技术相比，本专利技术具有的优势为：1、具备限流作用：通过拓扑结构和控制策略的设计，实现了稳态低电抗和暂态高限流电抗的灵活切换，在具备断路功能的基础上，实现了限流作用。2、成本低：利用二极管整流桥模型来实现双向导通性，利用全控型器件和半控型器件的搭配，减少了IGBT使用量，节省了造价，增强了工程可行性。3、具备重合闸能力且减小误操作可能性：在系统等级和成本约束下，通过配置支路数量，可以最大化限流作用，从而大幅度限制了故障电流的上升率，增加故障检测冗余时间，为故障的检测和确认提供充足的时间。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步说明。图1示出了适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑的结构示意图，包括1个断路阀段、2个限流阀段以及3组电抗器；图2示出了故障处理过程中的控制流程图。具体实施方式下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器的拓扑结构如图1所示，包括1个断路阀段、2个限流阀段以及3组电抗器，其中，其断路阀段包含三条支路：支路1为低损耗通流支路，支路2为能量吸收支路，支路3为电力电子断路支路。其中，电力电子断路支路由于二极管整流桥的结构，使得IGBT的单向布置满足了双向断路操作的要求。限流阀段包含三条支路：支路1有两个并联的UFD开关，两个UFD互为备用关系。支路2为能量吸收回路，由于断路阀段在执行操作时的过电压等级以及系统释放的能量远大于限流阀段所要承受的，所以限流阀段在IGBT器件使用数量以及其配套的MOA参数配置会与断路阀段有所不同。支路3为能量转移支路，由一组反并联晶闸管VH、电容C以及电阻R构成。电容器可以有效的抑制过电压上升速率，从而给UFD的断开提供充足的时间和电气环境。故障处理过程中的控制流程图如图2所示，在系统正常运行时，断路阀段支路1的UFD闭合，与其相串联的IGBT组导通，该支路处于低损耗导通状态，而支路2和支路3处于高阻态断路状态。限流阀段亦是如此，电流流经支路1。此时，整个断路器的三个电抗器并联连接，呈现低电抗状态。当系统检测到疑似故障发生时，断路器立即进入限流状态：开通断路阀段支路3的所有IGBT和限流阀段支路3的晶闸管组，同时关断各阀段支路1中的所有IGBT。线路电流从各阀段支路1逐渐转移到支路3，等待流过UFD的电流降至零时，打开各阀段的UFD，线路电流就完全流过支路3。当限流阀段支路3中的电容C充电时，晶闸管保持正向导通。待电容向电阻放电，电压降到一定值时，晶闸管组两端的电压将呈现反压状态，持续一定时间后，晶闸管组就会被关断。此时，三条支路的电抗器由并联状态完全转变成串联状态，呈现大电抗限流状态，立即达到限制线路电流上升速率的效果。经过数毫秒的检测延时后，根据确认结果进行断路操作或将断路器恢复正常运行。重合闸处理过程如下：若故障判断结果是永久性故障，则进行断路操作：首先，将断路阀段支路3的所有IGBT关断；其次，将限流阀段重新投入低损耗运行，三串联电抗回到并联连接，呈现小电抗状态，加快耗散故障电流能量。若此时故障判断的结果是暂时性故障，则首先进行断路操作，等待故障消失，再进行重合闸操作：断路操作类似永久性故障情况，而重合闸操作只需要将断路阀段进行常规重合闸操作即可(先闭合UFD，再导通IGBT组)，因为在上一次断路操作中限流阀段已经进行了重合闸。若此时故障判断的结果是故障误判(系统发生扰动等)，就可立即进行恢复运行操作：首先，等待线路电流和电压恢复到正常水平；然后，合上所有阀段的UFD触头，让它们的触点达到充分接触，且此时不会产生任何电弧；最后，导通与UFD串联的IGBT组，同时关断断路阀段支路3的所有IGBT，将线路电流重新转移到各低损耗支路，恢复正常运行状态。限流阀段两个并联UFD的用法：因为器件本身的约束，UFD在一次动作之后，下一次动作需要延迟200～300ms，而限流阀段需要切换快速动作，所以本文采用两个UFD并联的设计。如图1所示：假设最初状态为UFD1闭合、UFD2打开(最初状态为UFD2闭合、UFD1打开时的情况类似)，则在限流阀段第一次断路操作的时候将UFD1打开，在下一次该阀段重合闸的时候将UFD2闭合，不需要两个UFD同时操作，也就弥补了单个UFD延迟上的不足。最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑，其特征在于：包括1个断路阀段、2个限流阀段以及3组电抗器；其中断路阀段包括全控型器件(IGBT)、二极管、超快速机械开关(UFD)、金属氧化物避雷器(MOA)、导线等；限流阀段包括超快速机械开关、IGBT、电容、二极管、电阻、金属氧化物避雷器等。

【技术特征摘要】
1.一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑，其特征在于：包括1个断路阀段、2个限流阀段以及3组电抗器；其中断路阀段包括全控型器件(IGBT)、二极管、超快速机械开关(UFD)、金属氧化物避雷器(MOA)、导线等；限流阀段包括超快速机械开关、IGBT、电容、二极管、电阻、金属氧化物避雷器等。2.根据权利要求1所述的一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑，其特征在于：其断路阀段包含三条支路：支路1为低损耗通流支路，支路2为能量吸收支路，支路3为电力电子断路支路。其中，电力电子断路支路由于二极管整流桥的结构，使得IGBT的单向布置满足了双向断路操作的要求。3.根据权利要求1所述的一种适用于多端直流和直流电网的阻容型限流式直流断路器拓扑，其特征在于：限流阀段包含三条支路：支路1有两个并联的UFD开关，两个UFD互为备用关系。支路2为能量吸收回路，由于断路阀段在执行操作时的过电压等级以及系统释放的能量远大于限流阀段所要承受的，所以限流阀段在IGBT器件使用数量以及其配套的MOA参数配置会与断路阀段有所不同。支路3为能量转移支路，由一组反并联晶闸管VH、电容C以及电阻R构成。电容器可以有效的抑制过电压上升速率，从而给U...

【专利技术属性】
技术研发人员：许建中，张继元，李帅，赵成勇，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11