直流断路器的拓扑结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开了属于电力电子技术领域的一种直流断路器的拓扑结构及其控制方法，直流断路器为“T”型双向对称结构，由第一电流通路、第二电流通路和第三电流通路组成。第一电流通路的引出端子a与直流输配电系统等值电感L9的一端连接，第一电流通路的中间引出端子b与第二电流通路和第三电流通路并联后的一端连接，第一电流通路的引出端子c与直流输、配电线路连接；第二电流通路和第三电流通路并联后的另一端接地；本发明专利技术能有效解决直流灭弧问题，结构灵活，扩展性强，满足直流输、配电网不同电压、电流等级下的通流、断流、耐压、损耗和能量吸收等要求，且能够显著降低设备成本。

【技术实现步骤摘要】
直流断路器的拓扑结构及其控制方法
本专利技术属于电力电子
，特别涉及直流输电用的直流断路器的拓扑结构及其控制方法，尤其涉及一种高性能低成本直流输、配电网直流断路器的拓扑方案及其控制策略。
技术介绍
直流断路器是直流输、配电网中承载额定电流、关断故障电流、关断负荷电流的关键设备，能够可靠清除故障电流，防止故障范围扩大。随着多端直流输电技术、智能电网与直流配网技术、分布式电源与直流微网技术的迅速发展，直流断路器对电网的可靠、优质、经济运行具有重要意义。但是，由于直流电流没有自然过零点带来的灭弧问题、开断过程中的过电压和能量吸收等问题也成为直流断路器研究难点。目前直流断路器主要有四种技术路线：采用机械开关直接关断电流的直流断路器，动作速度慢，开关不能满足速动性和经济性的要求；采用振荡电路灭弧的直流断路器，动作时间较长，控制难度也较大；采用电力电子器件的全固态直流断路器，正常运行时损耗较高，导致向更高电压等级的扩展性较差；采用机械开关和电力电子器件的混合型直流断路器。其中，混合型直流断路器是比较适合于直流输配电网的应用的。如图1所示为ABB公司专利WO2011141054A1的混合型直流断路器电路原理图,ABB的混合型直流断路器适用于各种工况，但明显的缺点是，为实现电流双向流通和双向关断，直流断路器中的全控型电力电子器件6连接成双向结构，这就使得器件数量增加一倍，设备成本显著提高。如图2所示为国家电网公司智能电网研究院专利201310364653.3的混合型直流断路器电路原理图，该专利的主开关的全控型电力电子器件6为单向结构，因此降低了部分成本。但其直流断路器为实现双向通流和双向关断，其中两个辅助转换开关均采用两个全控型电力电子器件6组成的反并联结构，并分别与串联的电阻R1和隔离开关BRK11、串联的电阻R2和隔离开关BRK21并联组成，因此其全控型电力电子器件的数量增加一倍；在检修分闸、合闸等较低电流、电压应力场合，采用电阻R1和隔离开关BRK11、电阻R2和隔离开关BRK21组成的软开通电路，并采用避雷器MOV2、交流断路器BRK3、电感L和电容C组成的直流负荷开关，显著增加了设备成本和控制的复杂度。为了应对混合型直流断路器的高成本问题，直流输电急需高性能和低成本的混合型直流断路器。
技术实现思路
本专利技术的目的提出一种直流断路器的拓扑结构及其控制方法，其特征在于，所述直流断路器的拓扑结构采用“T型”双向对称结构；该“T型”双向对称结构的直流断路器由第一电流通路1、第二电流通路2和第三电流通路3构成，第二电流通路2和第三电流通路3并联后与第一电流通路1的中点连接成双向对称的T型结构；第一电流通路1的引出端子a与直流输配电系统的等值电感L9的一端连接，第一电流通路1的中间引出端子b与第二电流通路2和第三电流通路3并联后的一端连接，第一电流通路1的另一个引出端子c与直流输、配电线路连接；第二电流通路2和第三电流通路3并联后的另一端接地；其中等值电感L9是在直流断路器运行回路中，包含直流输配电系统换流器桥臂电感、平波电抗器和线路电感等在内的总的等值电感。所述第一电流通路1由第一辅助断路器16和第二辅助断路器17构成。所述第二电流通路2至少由一个第三单向全控型电力电子器件63组成，具有断流作用；其各第三单向全控型电力电子器件63直接串联，串联个数根据直流输、配电线路的高、中、低不同电压等级决定，且应有一定冗余；所述全控型电力电子器件由一个IGBT器件和一个反向并联的二极管D构成。所述第三电流通路3由能量吸收单元组成，能量吸收单元包含至少一个避雷器15，各避雷器15并联或串联；其避雷器的额定电压和残压由直流输、配电网直流侧额定电压、第一辅助断路器16和第二辅助断路器17的耐压水平、第二电流通路2耐压水平来决定。所述第一辅助断路器由第一快速机械开关4和第一换流单元18串联组成，所述第二辅助断路器由第二换流单元19和第二快速机械开关14串联组成；第一辅助断路器和第二辅助断路器结构对称，元件相同。所述第一换流单元18和由一个第一单向全控型电力电子器件61组成，第二换流单元19由一个第二单向全控型电力电子器件62组成。所述第一快速机械开关和第二快速机械开关为参数相同的元件；均采用快速机械开关或采用大功率电力电子器件V的双向反并联结构；在电流从第一电流通路转移到第二电流通路后断开，主要起耐压作用。所述大功率电力电子器件包含晶闸管或门极可关断晶闸管的半控型和全控型器件。所述全控型电力电子器件为压接型或焊接型的IGBT、IGCT、IEGT和BiGT。所述直流断路器控制方法，其特征在于，首先设定电流方向从第一辅助断路器流向第二辅助断路器，控制方法包括如下步骤：(1)故障分闸控制故障前，第一快速机械开关、第一换流单元、第二快速机械开关、第二换流单元均导通，断流单元关断，电流通过第一电流通路；故障发生后，各部分触发控制时序由预先整定的电流限值决定；a.故障发生后，当检测到电流达到某一限值，触发断流单元使其导通；b.触发第二换流单元使其关断，电流迅速从第一电流通路向第二电流通路转移；c.触发第二快速机械开关使其关断；d.待第二快速机械开关可靠恢复耐压能力后，触发断流单元使其关断，第三电流通路中的能量吸收单元在关断过电压达到其起始动作电压后由高阻态变为低阻态，电流迅速从第二电流通路向第三电流通路转移；e.能量吸收单元中的避雷器耗散开断过程中的能量并限制过电压，第二换流单元和断流单元得到有效保护；f.触发系统隔离开关8使其关断，完成故障分闸；(2)检修分闸控制a.触发断流单元使其导通；b.触发第二换流单元使其关断；c.触发第二快速机械开关使其关断；d.待第二快速机械开关可靠恢复耐压能力后，触发断流单元使其关断；e.第三电流通路能量吸收单元中的避雷器耗散开断过程中的能量并限制过电压；f.触发系统隔离开关8使其关断，完成检修隔离。(3)合闸控制a.触发第二换流单元使其导通；b.触发第一快速机械开关、第二快速机械开关使其导通；c.触发系统隔离开关8使其导通，完成合闸正常运行。(4)故障识别控制a.检测电流达到预先整定限值时，触发断流单元使其导通；b.若检测电流恢复，触发断流单元使其关断；若检测电流继续升高，触发第二换流单元使其关断，触发第二快速机械开关使其关断；c.若检测电流恢复，触发第二换流单元使其导通，触发第二快速机械开关使其导通，触发断流单元使其关断；若检测电流继续升高，触发断流单元使其关断。所述直流断路器控制方法均假定电流方向从第一辅助断路器流向第二辅助断路器，当电流反向流通时，应在对应步骤中操作第一换流单元和第一快速机械开关，其他步骤相同。本专利技术的有益效果是与现有技术相比，具有如下优点：1)本专利技术提出的新型直流断路器电路拓扑，采用“T型”双向对称结构，有效减少核心全控型电力电子器件使用数量，显著降低成本。2)本专利技术提出的新型直流断路器电路拓扑，结构灵活，扩展性强，满足不同电压、电流等级下的直流开断要求。3)本专利技术提出的新型直流断路器电路拓扑，正常运行时通态损耗较低，能量吸收和过电压抑制效果好。4)本专利技术提出的新型直流断路器电路控制策略，能够可靠应对故障分闸、检修分闸、合闸等不同工况，设备各部分元件在开断过程中均能得到有效保护，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流断路器的拓扑结构及其控制方法，其特征在于，所述直流断路器的拓扑结构采用“T型”双向对称结构；该“T型”双向对称结构的直流断路器由第一电流通路(1)、第二电流通路(2)和第三电流通路(3)构成，第二电流通路(2)和第三电流通路(3)并联后与第一电流通路(1)的中点连接成双向对称的T型结构；第一电流通路(1)的引出端子(a)与直流输配电系统的等值电感L9的一端连接，第一电流通路(1)的中间引出端子(b)与第二电流通路(2)和第三电流通路(3)并联后的一端连接，第一电流通路(1)的另一个引出端子(c)与直流输、配电线路连接；第二电流通路(2)和第三电流通路(3)并联后的另一端接地；其中等值电感L9是在直流断路器运行回路中，包含直流输配电系统换流器桥臂电感、平波电抗器和线路电感等在内的总的等值电感。

【技术特征摘要】
1.一种直流断路器拓扑结构的控制方法，所述直流断路器拓扑结构采用“T型”双向对称结构；该直流断路器拓扑结构由第一电流通路(1)、第二电流通路(2)和第三电流通路(3)构成，第二电流通路(2)和第三电流通路(3)并联后与第一电流通路(1)的中点连接成双向对称的T型结构；第一电流通路(1)中间的b引出端子与第二电流通路(2)和第三电流通路(3)并联后的一端连接，第一电流通路(1)的c引出端子与直流输、配电线路连接；第二电流通路(2)和第三电流通路(3)并联后的另一端接地；第一电流通路(1)的a引出端子与直流输配电系统的等值电感L9的一端连接，其中等值电感L9是在直流断路器运行回路中，包含直流输配电系统换流器桥臂电感、平波电抗器和线路电感在内的总的等值电感；第一电流通路(1)由第一辅助断路器(16)和第二辅助断路器(17)构成；第一辅助断路器由第一快速机械开关(4)和第一换流单元(18)串联组成，所述第二辅助断路器由第二换流单元(19)和第二快速机械开关(14)串联组成；第一辅助断路器和第二辅助断路器结构对称，元件相同；所述第一快速机械开关和第二快速机械开关为参数相同的元件,均采用快速机械开关或采用大功率电力电子器件V的双向反并联结构,在电流从第一电流通路转移到第二电流通路后断开，主要起耐压作用；其特征在于，首先设定直流断路器拓扑结构的电流方向从第一辅助断路器流向第二辅助断路器，其控制方法包括如下步骤：(1)故障分闸控制故障前，第一快速机械开关、第一换流单元、第二快速机械开关、第二换流单元均导通，断流单元关断，电流通过第一电流通路；故障发生后，各部分触发控制时序由预先整定的电流限值决定；a.故障发生后，当...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永章，卫思明，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11