一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法，该断路器包括机械开关单元、电流转换单元、电容缓冲单元和机械开关供能单元。机械开关单元由至少一个机械开关子单元串联构成，机械开关子单元由机械开关、均压模块和吸能限压模块并联构成；电流转换单元由电力电子开关模块和限压模块并联构成，电力电子开关模块包括至少一个电力电子器件；电容缓冲单元由电容器组构成，为故障电流提供换流缓冲支路；机械开关供能单元为机械开关提供电能，保证其动作的快速性和协同性。本发明专利技术提供的电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法，结构简单，控制方便；速度快，可靠性高；通流耐压水平高；体积小，造价低。

【技术实现步骤摘要】
一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法
本专利技术属于高压直流断路器领域，更具体地，涉及一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法。
技术介绍
直流输电方式是历史上出现最早的输电方式，但由于未能解决电压变化等关键技术，所以很快被交流输电技术所取代。但近年来随着电力系统的发展和特殊输电技术的需要以及大功率电力电子技术的进步，高压直流输电以其独特的优势又得到了重视和应用发展。与交流输电相比，高压直流输电具有线路费用经济、两端系统无需稳定运行、功率调节简单易行等优点，特别适合于超高压、大容量、远距离输电。目前，世界上投入运行的HVDC工程有90多个，总容量超过70000MW。但世界上运行的高压直流输电系统均为无分支的双端网络，原因在于没有可供使用的高压直流断路器。这一缺陷不仅限制了高压直流输电优越性的发挥，也制约着多端直流电网的建立和发展。当发生短路故障时，直流系统的低阻抗导致短路电流迅速上升，因此必须保证直流断路器在尽可能短的时间内可靠地切除短路故障。同时，由于直流断路器在开断电流期间需要承受较高的暂态恢复电压，必须保证主开关支路满足较高的耐压要求。目前直流断路器主要分为三种类型：机械式直流断路器、全固态式直流断路器、结合机械开关和固态开关的混合式直流断路器。但是适用于高压领域的直流断路器目前只有两种方案：第一，利用常规交流机械断路器电流过零熄弧的特点，通过预充电电容与电感产生的反向高频振荡电流与机械开关中直流故障电流叠加以产生“人工电流零点”，从而熄灭电弧，开断电流。第二，近年提出的在主通路上串联机械开关和电力电子器件，另一条旁路由压接IGBT或者电容器和避雷器并联组成的采用无弧开断方式的混合式高压直流断路器。但是对于第一种方案，需要的组件多，控制复杂；对机械开关、振荡回路、充电电源等要求高。对于第二种方案，如采用压接IGBT和避雷器并联组成另一条旁路，则需要串并联的IGBT数量太多，开关动作一致性得不到保证，可靠性差，控制复杂，同时价格昂贵，体积庞大；如采用电容器和避雷器并联组成另一条旁路，利用无弧开断方式，则要求电容充电时间比较长，进而导致电容选择困难，满足要求的电容体积往往过于庞大。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的是提供一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法，在满足直流系统对高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流和承受高电压的基础上，解决现有高压直流断路器控制复杂、可靠性差、体积庞大等问题。本专利技术提供的一种电容缓冲式混合高压直流断路器，包括依次串联连接的机械开关单元和电流转换单元，与所述机械开关单元的供电端连接的机械开关供能单元，以及一端与所述机械开关单元的输入端连接且另一端与所述电流转换单元的输出端连接的电容缓冲单元；所述机械开关单元包括N个串联连接的机械开关子单元，每一个机械开关子单元包括依次并联连接的机械开关、均压模块和吸能限压模块；所述均压模块用于实现对N个串联连接的所述机械开关子单元间的均压；所述吸能限压模块用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关的限压保护；N为大于等于1的整数；所述电流转换单元包括并联连接的电力电子开关模块和限压模块；所述电力电子开关模块用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块用于当所述电力电子开关模块两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块的限压保护；所述电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；所述机械开关供能单元用于给所述机械开关中的操动机构提供电源。为保证高压直流断路器更好的模块化，本专利技术提供了第二种电容缓冲式混合高压直流断路器连接形式，包括混合开关单元，与所述混合开关单元的供电端连接的机械开关供能单元，以及一端与所述混合开关单元的输入端连接且另一端与所述混合开关单元的输出端连接的电容缓冲单元；所述混合开关单元包括N个串联连接的混合开关子单元，每一个混合开关子单元包括依次串联连接的机械开关和电力电子开关模块，与所述电力电子开关模块并联连接的限压模块，一端与所述机械开关输入端连接且另一端与所述电力电子开关模块的输出端连接的均压模块，以及与所述均压模块并联连接的吸能限压模块；所述均压模块用于实现对N个串联连接的所述混合开关子单元间的均压；所述吸能限压模块用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关和所述电力电子开关模块的限压保护；所述电力电子开关模块用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块用于当所述电力电子开关模块两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块的限压保护；N为大于等于1的整数；所述电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；所述机械开关供能单元用于给所述机械开关中的操动机构提供电源。其中，所述均压模块包括依次串联连接的电容C0和电阻R0。为保证高压直流断路器更好的模块化，本专利技术提供了第三种电容缓冲式混合高压直流断路器连接形式，包括直流断路器单元，以及与所述直流断路器单元的供电端连接的机械开关供能单元；所述直流断路器单元包括N个串联连接的直流断路器子单元，每一个直流断路器子单元包括依次串联连接的机械开关和电力电子开关模块，与所述电力电子开关模块并联连接的限压模块，一端与所述机械开关输入端连接且另一端与所述电力电子开关模块的输出端连接的电容缓冲单元，以及与所述电容缓冲单元并联连接的吸能限压模块；所述电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路，并实现对N个串联连接的所述直流断路器子单元间的均压；所述吸能限压模块用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关和所述电力电子开关模块的限压保护；所述电力电子开关模块用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块用于当所述电力电子开关模块两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块的限压保护；N为大于等于1的整数；所述机械开关供能单元用于给所述机械开关中的操动机构提供电源。其中，当发生故障时，所述机械开关先分断并发生燃弧，在机械开关触头分离到达一个可以承受电容电压的距离时，再分断所述电力电子开关模块。其中，所述吸能限压模块由第一避雷器MOV1构成，所述限压模块由第二避雷器MOV2构成。其中，所述电力电子开关模块包括至少一个电力电子器件，可以是IGBT、IGCT、GTO、GTR等全控器件，也可以是晶闸管等半控型器件与全控器件的组合，电力电子器件串并联数量由所述电力电子开关模块的耐压通流等级决定。其中，所述电力电子开关模块中的电力电子器件可以是单向串并联构成，使得直流断路器只能单向电流运行，也可以是双向串并联构成，使得直流断路器能够在不同电流方向下运行，利用所述电力电子器件的电流开断能力将故障电流从所述机械开关转移到所述电容缓冲单元。其中，电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路，有效降低依次串联的所述机械开关和所述电力电子开关模块两端电压上升率，为所述机械开关提供充分的绝缘介质恢复时间。所述电容缓冲单元中的电容取值由所述机械开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容缓冲式混合高压直流断路器，其特征在于，包括依次串联连接的机械开关单元(110)和电流转换单元(120)，与所述机械开关单元(110)的供电端连接的机械开关供能单元(140)，以及一端与所述机械开关单元(110)的输入端连接且另一端与所述电流转换单元(120)的输出端连接的电容缓冲单元(130)；所述机械开关单元(110)包括N个串联连接的机械开关子单元，每一个机械开关子单元包括依次并联连接的机械开关(111)、均压模块(112)和吸能限压模块(113)；所述均压模块(112)用于实现对N个串联连接的所述机械开关子单元间的均压；所述吸能限压模块(113)用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关(111)的限压保护；N为大于等于1的整数；所述电流转换单元(120)包括并联连接的电力电子开关模块(121)和限压模块(122)；所述电力电子开关模块(121)用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块(122)用于当所述电力电子开关模块(121)两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块(121)的限压保护；所述电容缓冲单元(130)用于当所述电力电子开关模块(121)分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；所述机械开关供能单元(140)用于给所述机械开关(111)中的操动机构提供电源。...

【技术特征摘要】
1.一种电容缓冲式混合高压直流断路器，其特征在于，包括依次串联连接的机械开关单元(110)和电流转换单元(120)，与所述机械开关单元(110)的供电端连接的机械开关供能单元(140)，以及一端与所述机械开关单元(110)的输入端连接且另一端与所述电流转换单元(120)的输出端连接的电容缓冲单元(130)；所述机械开关单元(110)包括N个串联连接的机械开关子单元，每一个机械开关子单元包括依次并联连接的机械开关(111)、均压模块(112)和吸能限压模块(113)；所述均压模块(112)用于实现对N个串联连接的所述机械开关子单元间的均压；所述吸能限压模块(113)用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关(111)的限压保护；N为大于等于1的整数；所述电流转换单元(120)包括并联连接的电力电子开关模块(121)和限压模块(122)；所述电力电子开关模块(121)用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块(122)用于当所述电力电子开关模块(121)两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块(121)的限压保护；所述电容缓冲单元(130)用于当所述电力电子开关模块(121)分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；所述机械开关供能单元(140)用于给所述机械开关(111)中的操动机构提供电源；所述均压模块(112)包括依次串联连接的电容C0和电阻R0；当发生故障时，所述机械开关(111)先分断并发生燃弧，在机械开关触头分离到达一个可以承受电容电压的距离时，再分断所述电力电子开关模块(121)；所述电容缓冲单元(130)包括缓冲电容器组，所述缓冲电容的取值由所述机械开关(111)的绝缘介质恢复时间决定，所述缓冲电容的耐压峰值由故障电流给电容充电的最大电压值决定。2.一种电容缓冲式混合高压直流断路器，其特征在于，包括混合开关单元(210)，与所述混合开关单元(210)的供电端连接的机械开关供能单元(240)，以及一端与所述混合开关单元(210)的输入端连接且另一端与所述混合开关单元(210)的输出端连接的电容缓冲单元(230)；所述混合开关单元(210)包括N个串联连接的混合开关子单元，每一个混合开关子单元包括依次串联连接的机械开关(211)和电力电子开关模块(214)，与所述电力电子开关模块(214)并联连接的限压模块(215)，一端与所述机械开关(211)输入端连接且另一端与所述电力电子开关模块(214)的输出端连接的均压模块(212)，以及与所述均压模块(212)并联连接的吸能限压模块(213)；所述均压模块(212)用于实现对N个串联连接的所述混合开关子单元间的均压；所述吸能限压模块(213)用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关(211)和所述电力电子开关模块(214)的限压保护；所述电力电子开关模块(214)用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块(215)用于当所述电力电子开关模块(214)两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块(214)的限压保护；N为大于等于1的整数；所述电容缓冲单元(23...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁召，何俊佳，赵文婷，尹小根，方帅，喻新林，潘垣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42