一种新型多端口限流式直流断路器及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种新型多端口限流式直流断路器(multi‑port current limiting circuit breaker,Mp‑CLCB)拓扑及其控制方法，拓扑结构由通流支路、限流支路、电容预充电支路、主断路器和能量转移支路组成。采用单个主断路器保护多条直流线路，用通流能力大的晶闸管作为主断路器和直流线路间的控制单元，电容预充电支路充分利用直流系统为限流支路电容充电，能量转移支路用于屏蔽限流电抗。本发明专利技术提供多端口直流断路器的控制方法，分为多端口直流断路器所在的线路正常运行、检测到一条线路直流故障后进行断路、故障线路电流下降为零后进行耗能三种情况对新型多端口限流式直流断路器实现控制。

A New Multi-port Current Limited DC Circuit Breaker and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型多端口限流式直流断路器及其控制方法
本专利技术涉及电力电子
，具体涉及一种新型多端口限流式直流断路器及控制方法。
技术介绍
高压大容量的直流电网技术，是未来构建智能电网和全球能源互联网的重要环节。基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的柔性直流输电技术便于构建直流电网，因而成为电力工业界的一个新的期望。我国即将建成的张北直流电网采用半桥子模块(halfbridgesubmodule)加架空线方案，是世界上首个直流电网工程实践。采用架空线具有明显的技术经济性优势，但是随之而来的问题就是直流侧故障概率高，结合半桥子模块不具备直流侧故障清除能力的特点，需要采用直流断路器切断故障电流。随着直流电网容量的提高，故障电流会在更短时间内达到电力电子器件耐流极限，这要求在更快的时间内切除故障，对故障检测速度和直流断路器切断容量带来极高挑战。随着直流电网端点增多，采用DCCB切除故障成为直流电网保护的主流方案。由于直流故障暂态过程发展迅速，容易产生过电流，DCCB需要较高的额定电流和较快的分断速度。固态断路器(solidstatecircuitbreaker,SSCB)切断速度快，但电网正常运行时通态损耗高达同电压等级换流器损耗的30％，机械式断路器(mechanicalcircuitbreaker,MCB)通态损耗很低，但切断故障时间较长。混合式断路器(hybridcircuitbreaker,HCB)结合了SSCB和MCB的优点。但HCB采用了大量电力电子器件，为减少造价，多条线路共用主断路支路的DCCB被提出，可在达到相同断路能力的基础上大大减少成本。现有文献提出一种多线路直流断路器，充分利用了混合式断路器结构，降低了电力电子器件投入数量。但在断路之前故障电流流经故障线路下桥臂，下桥臂LCS承受故障发生后的最大电流，对电力电子器件产生过电流冲击。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中避雷器耗能需求大并且断路器制造成本高和设备体积大的问题，本专利技术提供一种新型多端口限流式直流断路器及其控制方法，新型多端口限流式直流断路器包括通流支路、限流支路、电容预充电支路、主断路器和能量转移支路。通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；主断路器，用于承载通流支路转移的故障电流，并通过避雷器将故障电流切断；限流支路，用于在故障发生初期抑制故障电流的上升；电容预充电支路，用于在正常运行状态下利用直流系统电源为限流支路电容充电；能量转移支路，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷器实现故障电流的快速衰减。分为多端口直流断路器所在的线路正常运行、检测到一条线路直流故障后进行断路、故障线路电流下降为零后进行耗能三种情况对新型多端口限流式直流断路器实现控制，新型多端口限流式直流断路器采用半控型器件，逻辑简单，经济性高，控制能力强。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采取如下技术方案：一方面，本专利技术提供一种新型多端口限流式直流断路器，包括：通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；主断路器，用于承载通流支路转移的故障电流，并通过避雷器将故障电流切断；限流支路，用于在故障发生初期抑制故障电流的上升；电容预充电支路，用于在正常运行状态下利用直流系统电源为限流支路电容充电；能量转移支路，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷器实现故障电流的快速衰减。所述通流支路和其它支路之间通过超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的晶闸管相联；所述限流支路包括晶闸管阀组Ta，晶闸管阀组Tb、Tg1和预充电电容C1的串联支路，晶闸管阀组Tc和限流电感LFCL的串联支路；所述晶闸管阀组Ta用于迅速转移故障电流，保证UFD在零电流下可靠打开；所述晶闸管阀组Tb、Tg1和预充电电容C1的串联支路，一方面保证Ta可靠关断，另一方面电容的反向充电可储存部分能量并抑制故障电流上升；所述晶闸管阀组Tc和限流电感LFCL的串联支路，用来在故障回路中串入限流电感以抑制故障电流上升；所述预充电电容由电阻Rg、电容Cg和晶闸管Tg串联组成；所述能量转移支路包括晶闸管Ta、预充电电容C和耗能电阻R；所述晶闸管Ta，用于将直流电抗旁路；所述预充电电容C放电过程为晶闸管Ta提供可靠关断的反压，反向充电过程快速吸收直流电抗能量；所述耗能电阻R，利用晶闸管和换相电容配合投入吸能电容和耗能电阻，稳态损耗低，有效降低避雷器耗能需求。另一方面，新型多端口限流式直流断路器所在的直流线路正常运行或检测到新型多端口限流式直流断路器所在的直流线路发生的故障前，本专利技术提供了一种新型多端口限流式直流断路器的控制方法，包括：通流支路中的所有IGBT导通，稳态电流或故障电流流经通流支路；电容预充电支路晶闸管Tg和限流支路Tg1导通，直流电网经桥臂二极管给电容预充电。再一方面，检测到新型多端口限流式直流断路器所在的直流线路发生的故障后，本专利技术还提供另一种新型多端口限流式直流断路器的控制方法，包括：保护装置发出指令，故障线路所在通流支路的所有IGBT关断，导通桥臂晶闸管T1’、主断路器IGBT和限流支路晶闸管Ta，关断故障线路通流支路的LCS模块，并且给故障线路的通流支路及非故障线路桥臂UFD发出分闸指令；超快速机械开关完成分断，给Tb和Tc导通信号，Tb由于承受正压立即导通，Ta开始承受反压，电容C1开始放电。Ta承受一段时间反压后可完全关断；电容电压uC＝0，随后C1反向充电，则Tc因承受正压而导通。当C1两端电压高于系统电压时，C1中电流开始减小。t4时刻电容电流降为零，限流电感LFCL完全被投入故障回路中；先关断主断路器IGBT，并导通能量转移支路T1、Td，将电抗快速旁路，避雷器动作，故障电流逐渐减少至0。再一方面，多端口直流断路器所包括的一条故障线路电流下降为零后，本专利技术还提供另一种新型多端口限流式直流断路器的控制方法，包括：避雷器将剩余能量全部吸收，线路电流下降为0，导通Tb，电容C开始放电，Ta承受反压，经过一段时间关断。Ta关断，直流电抗与R、C构成回路，向电容充电，并经电阻放电。由于吸收电容存在，能量快速转移。直流电抗上的电流下降为0，晶闸管T1及T1’关断，直流电抗能量全部耗散，此后，电容经电阻放电耗能。将UFDi’(i＝2,3…,n)合闸。与最接近的现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有以下有益效果：本专利技术提供的新型多端口限流式直流断路器及其控制方法，新型多端口限流式直流断路器包括通流支路、限流支路、电容预充电支路、主断路器和能量转移支路。通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；主断路器，用于承载通流支路转移的故障电流，并通过避雷器将故障电流切断；限流支路，用于在故障发生初期抑制故障电流的上升；电容预充电支路，用于在正常运行状态下利用直流系统电源为限流支路电容充电；能量转移支路，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷器实现故障电流的快速衰减。本专利技术提供的新型多端口限流式直流断路器的控制方法分为多端口直流断路器所在的线路正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型多端口限流式直流断路器，其特征在于，包括：通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；主断路器，用于承载通流支路转移的故障电流，并通过避雷器将故障电流切断；限流支路，用于在故障发生初期抑制故障电流的上升；电容预充电支路，用于在正常运行状态下利用直流系统电源为限流支路电容充电；能量转移支路，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷器实现故障电流的快速衰减。

【技术特征摘要】
1.一种新型多端口限流式直流断路器，其特征在于，包括：通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；主断路器，用于承载通流支路转移的故障电流，并通过避雷器将故障电流切断；限流支路，用于在故障发生初期抑制故障电流的上升；电容预充电支路，用于在正常运行状态下利用直流系统电源为限流支路电容充电；能量转移支路，用于屏蔽直流电抗能量，辅助避雷器实现故障电流的快速衰减。2.根据权利要求1所述的新型多端口限流式直流断路器，其特征在于，所述通流支路和其它支路之间通过超快速机械开关UFD和与超快速机械开关串联的晶闸管相联。3.根据权利要求1所述的新型多端口限流式直流断路器，其特征在于，所述限流支路包括晶闸管阀组Ta，晶闸管阀组Tb、Tg1和预充电电容C1的串联支路，晶闸管阀组Tc和限流电感LFCL的串联支路；所述晶闸管阀组Ta用于迅速转移故障电流，保证UFD在零电流下可靠打开；所述晶闸管阀组Tb、Tg1和预充电电容C1的串联支路，一方面保证Ta可靠关断，另一方面电容的反向充电可储存部分能量并抑制故障电流上升；所述晶闸管阀组Tc和限流电感LFCL的串联支路，用于在故障回路中串入限流电感以抑制故障电流上升。4.根据权利要求1所述的新型多端口限流式直流断路器，其特征在于，所述预充电电容由电阻Rg、电容Cg和晶闸管Tg串联组成。5.根据权利要求1所述的新型多端口限流式直流断路器，其特征在于，所述能量转移支路包括晶闸管Ta、预充电电容C和耗能电阻R；所述晶闸管Ta用于将直流电抗旁路；所述预充电电容C放电过程为晶闸管Ta提供可靠关断的反压，反向充电过程快速吸收直流电抗能量；所述耗能电阻R，利用晶闸管和换相电容配合投入吸能电容和耗能电阻，稳态损耗低，有效降低避雷器耗能需求。6.一种如权利要求1...

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