一种混合式直流断路器及直流输配电系统的电路拓扑结构技术方案

本发明专利技术涉及一种混合式直流断路器及直流输配电系统的电路拓扑结构，其中，直流输配电系统的电路拓扑结构包括：直流线路、隔离开关和混合式直流断路器；任一条直流线路均通过所述隔离开关与所述混合式直流断路器相连，用于在故障切除后隔离故障线路；任一条直流线路通过所述混合式直流断路器中的环路的连接端分别与相邻的两条直流线路相连，用于承载正常电流；任一条直流线路均通过所述混合式直流断路器中的环路的连接端与所述混合式直流断路器中的并联电路相连，用于双向承载并切断故障电流。

A Circuit Topology Structure of Hybrid DC Circuit Breaker and DC Transmission and Distribution System

【技术实现步骤摘要】
一种混合式直流断路器及直流输配电系统的电路拓扑结构
本专利技术涉及断路器
，特别涉及一种混合式直流断路器及直流输配电系统的电路拓扑结构。
技术介绍
随着社会经济的发展，用户对电能质量和供电可靠性的要求也随之提升，建立可靠、灵活、经济、环保的电力系统已经成为行业共识。传统的交流配电网具有电压变换灵活、控制保护技术较为成熟等优点，但受到输电走廊的限制，交流输电线路的输送容量已经很难满足用电负荷日益增长的需要。近年来，以光伏电池、风力发电、燃料电池、生物质发电为代表的新能源发电飞速发展，然而这些可再生能源在接入交流电网之间必须经过DC/AC变换，这带来了一定的电能损失，严重阻碍了可再生能源的推广。相比交流电网，直流输配电系统的成本较低，线路损耗小且控制灵活，有利于分布式电源、储能装置、微电网和电动汽车的接入，同时避免了交流电网固有的稳定性问题，可见直流输配电系统未来的发展前景十分光明。目前，我国在柔性直流输电领域发展迅速，以舟山多端柔性直流输电示范工程和南澳多端柔性直流输电示范工程为代表的一系列柔性直流输电相继投入使用。然而在这些直流输配电系统当中并没有安装具有大电流开断能力的直流断路器，一旦系统出现短路故障，只能通过闭锁换流器或依靠交流侧跳闸来切除直流故障电流，这意味着整个直流输配电系统将短时停运，造成大量负荷损失，并对交流电网造成极大的冲击。如果能在直流输配电系统中安装具有大电流开断能力的直流断路器，在发生故障时迅速切除系统中的故障部分，保证系统无故障部分的安全运行，便能够极大提高直流输配电系统的可靠性。直流断路器作为直流线路组网的关键设备，能够在规定时间内承载、开断正常电流和故障电流，从而阻止直流输配电系统故障的扩散，是提高直流输配电系统可靠性的重要手段。最早投入使用的直流断路器为机械式直流断路器，其主体结构为快速机械开关，外部并联有缓冲吸收电路和振荡电路，开断时依靠能量吸收电路来吸收线路中的能量，通过LC振荡产生反向谐振电流来强迫主回路电流过零，从而实现开断直流电流。机械式直流断路器的通态损耗较低，但开断速度较慢，很难满足当前直流输配电系统的需要。且随着断路器的额定电压与开断电流的提升，振荡电路中的电感和电容的容量与体积也随之提升，严重制约着机械式直流断路器的发展。随着电力电子器件向着高电压、大电流的方向发展，利用大功率电力电子器件直接开断直流电流的全固态直流断路器受到了广泛关注。以门极关断晶闸管GTO、绝缘栅双极型晶体管IGBT和集成门极换流晶闸管IGCT为代表的大功率电力电子器件能够迅速可靠的开断直流电流，然而电力电子器件较大的导通压降决定了全固态直流断路器的通态损耗很大。混合式直流断路器结合了机械式直流断路器和全固态直流断路器的优点，目前已经成为直流断路器的重要发展方向。传统地混合式直流断路器结构如图1所示，主要包括快速机械开关支路、电力电子器件串联开关支路、能量吸收支路和控制系统，三条支路并联后与控制系统相连，控制系统控制三条支路的通断。正常导通情况下电流流过快速机械开关支路；故障发生时断路器动作，快速机械开关分闸，电流转移至电力电子器件串联开关支路，随后电力电子器件串联开关关断，线路能量被能量吸收支路吸收，线路电流下降至零。混合式直流断路器的缺点主要在于其高昂的成本。电力电子器件的价格十分昂贵，在较高电压的应用场合，通常需要将大量电力电子器件串联使用以满足绝缘要求。此外，机械开关可以双向通流，而电力电子器件需要通过反串连等方式才能实现双向通流，其成本进一步提高。在实际的混合式断路器中电力电子器件串联开关的价格通常远高于快速机械开关。因此，如何降低混合式直流断路器整体成本是急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提出一种混合式直流断路器及直流输配电系统的电路拓扑结构，解决在保持混合式直流断路器原有性能的基础上降低整体应用成本的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种混合式直流断路器，包括：快速机械开关、双向电力电子器件串联开关、能量吸收支路；其中，所述快速机械开关的两端分别与其他两个快速机械开关相连，使得混合式直流断路器中的快速机械开关的依次相连，形成环路，两个快速机械开关的端口连接处作为所述环路的连接端；所述双向电力电子器件串联开关与所述能量吸收支路形成并联电路，所述并联电路的一端与所述环路中的一连接端相连，所述并联电路的另一端与所述环路中的另一连接端相连，使得所述环路的每个连接端与一条或两条并联电路相连。为实现上述目的，本专利技术还提供了一种直流输配电系统的电路拓扑结构，包括：直流线路、隔离开关和上述所述的混合式直流断路器；其中，任一条直流线路均通过所述隔离开关与所述混合式直流断路器相连，用于在故障切除后隔离故障线路；任一条直流线路通过所述混合式直流断路器中的环路的连接端分别与相邻的两条直流线路相连，用于承载正常电流；任一条直流线路均通过所述混合式直流断路器中的环路的连接端与所述混合式直流断路器中的并联电路相连，用于双向承载并切断故障电流。优选地，所述直流线路的条数为N；其中，N为偶数。优选地，所述直流输配电系统的每个隔离开关和一条并联电路连接，且所述并联电路的两端分别与两条直流线路的隔离开关相连。优选地，所述快速机械开关的个数为M，所述隔离开关的个数为M，所述双向电力电子器件串联开关的个数为M/2,所述能量吸收支路的个数为M/2；其中，M为正整数。优选地，所述直流线路的条数为N；其中，N为奇数。优选地，所述直流输配电系统中的N-1条直流线路上对应的隔离开关和一条并联电路连接，第N条直流线路上对应的隔离开关和两条并联电路连接，且所述并联电路的两端分别与两条直流线路的隔离开关相连。优选地，所述快速机械开关的个数为N，所述隔离开关的个数为M，所述双向电力电子器件串联开关的个数为(M+1)/2，所述能量吸收支路的个数为(M+1)/2；其中，M为正整数。上述技术方案具有如下有益效果：1.任何一条直流线路分别通过两个快速机械开关与相邻的两条直流线路相连，用于承载正常电流；2.任何一条直流线路均和一个双向电力电子器件串联开关相连，用于承载并切断故障电流；3.任何一条直流线路均通过隔离开关与该混合式直流断路器新拓扑相连，用于在故障切除后隔离故障线路。本技术方案关键在于利用了双向电力电子器件串联开关能够双向承载并切断电流的特性，令两条直流线路共用一个双向电力电子器件串联开关，在保持混合式直流断路器原有性能的基础上从而降低设备成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为传统地混合式直流断路器结构示意图；图2为一个四端柔性直流输电系统的示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种混合式直流断路器的电路拓扑结构示意图之一；图4为本专利技术实施例提供的一种混合式直流断路器的电路拓扑结构示意图之二；图5为本专利技术实施例提供的一种基于混合式直流断路器的直流输配电系统的电路拓扑结构示意图之一；图6为本专利技术实施例提供的一种基于混合式直流断路器的直流输配电系统的电路拓扑结构示意图之二。具体实施方式下面将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合式直流断路器，其特征在于，包括：快速机械开关、双向电力电子器件串联开关、能量吸收支路；其中，所述快速机械开关的两端分别与其他两个快速机械开关相连，使得混合式直流断路器中的快速机械开关的依次相连，形成环路，两个快速机械开关的端口连接处作为所述环路的连接端；所述双向电力电子器件串联开关与所述能量吸收支路形成并联电路，所述并联电路的一端与所述环路中的一连接端相连，所述并联电路的另一端与所述环路中的另一连接端相连，使得所述环路的每个连接端与一条或两条并联电路相连。

【技术特征摘要】
1.一种混合式直流断路器，其特征在于，包括：快速机械开关、双向电力电子器件串联开关、能量吸收支路；其中，所述快速机械开关的两端分别与其他两个快速机械开关相连，使得混合式直流断路器中的快速机械开关的依次相连，形成环路，两个快速机械开关的端口连接处作为所述环路的连接端；所述双向电力电子器件串联开关与所述能量吸收支路形成并联电路，所述并联电路的一端与所述环路中的一连接端相连，所述并联电路的另一端与所述环路中的另一连接端相连，使得所述环路的每个连接端与一条或两条并联电路相连。2.一种直流输配电系统的电路拓扑结构，其特征在于，包括：直流线路、隔离开关和如权利要求1所述的混合式直流断路器；其中，任一条直流线路均通过所述隔离开关与所述混合式直流断路器相连，用于在故障切除后隔离故障线路；任一条直流线路通过所述混合式直流断路器中的环路的连接端分别与相邻的两条直流线路相连，用于承载正常电流；任一条直流线路均通过所述混合式直流断路器中的环路的连接端与所述混合式直流断路器中的并联电路相连，用于双向承载并切断故障电流。3.如权利要求2所述的电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾嵘，魏天予，余占清，黄瑜珑，陈政宇，张翔宇，吕纲，何金良，庄池杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11