集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法技术

本发明专利技术提供了一种集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法，包括：第一直流母线、第二直流母线、一条主断流支路、n条上通流支路、n条下通流支路和n个端口，n为不小于2的整数；每一条上通流支路和每一条下通流支路串联后作为一组串联支路，每个端口对应一组串联支路并连接在对应上、下通流支路的公共连接点上，主断流支路与每一组串联支路并联，两端分别为第一直流母线和第二直流母线；主断流支路包括多个断流单元串联，断流单元为主断流开关与避雷器并联；上通流支路由第一辅助开关和二极管串联；下通流支路由一个快速机械开关和第二辅助开关串联，然后再与二极管并联。本发明专利技术利用了二极管的自然换流特性，大幅的降低成本。

Intensive Bridge Multi-Port Hybrid DC Circuit Breaker and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法
本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法。
技术介绍
直流断路器是建设柔性直流电网的关键设备之一，目前用于柔性直流电网的直流断路器主要分为基于常规开关的机械式直流断路器、基于纯固态电力电子器件的固态直流断路器和基于机械开关和电力电子开关相结合的混合直流断路器。其中，混合直流断路器因同时具备了机械开关的通流能力和固态开关的断流能力，因此，应用前景广阔。在针对混合直流断路器的研究中，2012年，ABB集团宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器。此后，基于该典型混合直流断路器拓扑，提出了基于晶闸管的混合直流断路器、模块级联型的混合式断路器等多种混合直流断路器方案。但在采用上述单个混合直流断路器隔离直流故障时，直流线路正负极和两端均需装设直流断路器，在柔性直流电网规模不断扩大的背景下，上述混合直流断路器方案存在使用个数多和投资成本过高的问题。为此，进一步提出了将连接在同一直流母线上的多个直流断路器进行重新组合和统一控制，以实现在保证快速开断直流故障电流的同时减少电力电子器件使用个数的目的。现有技术中主要包括新型组合式混合直流断路器和多端混合直流断路器，图1为新型组合式混合直流断路器拓扑图，参照图1，该断路器采用将多条不同线路上的故障电流转移到同一电力电子断流支路上进行分断，从而大幅减少了电力电子开关的使用个数；图2为多端混合直流断路器拓扑图，参照图2，该断路器可以将故障电流分散到不同断流单元中进行分断，减少了单个避雷器吸收能量，降低了断路器的投资成本。但上述现有技术中，图1所示的混合直流断路器为尽量减少使用的电力电子器件数目，导致了断流功能上的缺陷，存在无法开断母线故障、多条线路相继故障等问题，由于直流母线故障时十分严重的故障，危害极大，因此在直流母线故障时，断路器失去了保护作用；图2所示的混合直流断路器使用的主断流支路器件仍然较多，实施的成本较高。
技术实现思路
本专利技术提供了集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法，以解决以上问题。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。本专利技术提供了一种集约型桥式多端口混合直流断路器，包括：第一直流母线、第二直流母线、一条主断流支路、n条上通流支路、n条下通流支路和n个端口，n为不小于2的整数；所述的n条上通流支路和n条下通流支路中的每一条上通流支路和每一条下通流支路串联后作为一组串联支路，所述的n个端口中的每个端口对应一组串联支路并连接在所述的上、下通流支路的公共连接点上，所述的一条主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线和第二直流母线；所述的主断流支路包括多个断流单元串联，所述的断流单元为主断流开关与避雷器并联；所述的上通流支路由第一辅助开关和一个二极管串联，所述的第一辅助开关为一个电力电子开关和一个续流二极管反向并联；所述的下通流支路由一个快速机械开关和第二辅助开关串联，然后再与二极管并联，第二辅助开关为两个电力电子开关反向串联，所述的两个电力电子开关均安装有与其反向并联的续流二极管。优选地，当所述断路器安装在直流系统的正极时，所述第一辅助开关的电力电子开关的集电极连接在第一直流母线侧，发射极指向端口侧，所述上通流支路的二极管的阳极连接在端口侧，阴极指向第一直流母线侧；所述下通流支路的二极管的阴极连接在端口侧，阳极指向第二直流母线侧；所述主断流开关中的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向第二直流母线侧。优选地，当所述断路器安装在直流系统的负极时，所述第一辅助开关的电力电子开关的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向端口侧，所述上通流支路的二极管的阴极连接在端口侧，阳极指向第一直流母线侧；所述下通流支路的二极管的阳极连接在端口侧，阴极指向第二直流母线侧；所述主断流开关中的发射极连接在第二直流母线侧，集电极指向第一直流母线侧。优选地，主断流开关为多个电力电子开关同向串联。优选地，避雷器为金属氧化物避雷器。优选地，下通流支路中的快速机械开关和第二辅助开关为双向可关断开关。优选地，n个端口中的每个端口还串联有一个隔离刀闸。本专利技术的另一方面提供了一种集约型桥式多端口混合直流断路器的控制方法，包括以下步骤：a)直流电力系统正常工作阶段：闭锁所有的上通流支路中的第一辅助开关；导通所有下通流支路中的机械开关和第二辅助开关；闭锁主断流支路中的主断流开关，工作电流仅流经下通流支路；b)当单条线路故障：导通所有上通流支路的第一辅助开关和主断流支路上的主断流开关；闭锁所有下通流支路上的第二辅助开关，流过下通流支路的快速机械开关的电流逐渐减小；当下通流支路快速机械开关电流过零时，分断所有下通流支路上的快速机械开关；当快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的所有电力电子开关，同时电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器，故障电流能量最后通过避雷器耗散；当故障电流衰减至零后，闭锁故障端口对应的上通流支路的第一辅助开关，并打开故障端口处的隔离刀闸，对故障线路进行物理隔离；待故障线路隔离后，对于所有无故障的端口，首先闭锁其对应上通流支路的第一辅助开关，同时给其对应下通流支路的快速机械开关发送合闸指令，然后导通对应的下通流支路的第二辅助开关，此时断路器恢复初始运行状态；c)当直流母线故障：导通所有上通流支路的第一辅助开关和主断流支路上的主断流开关；闭锁所有下通流支路上的第二辅助开关，流过下通流支路机械开关的电流逐渐减小；当机械开关电流过零时，分断所有下通流支路上的快速机械开关；当快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的所有电力电子开关，同时电力电子开关的关断过电压将击穿与之并联的避雷器，故障电流能量最后通过避雷器耗散；当故障电流衰减至零后，闭锁所有上通流支路中的第一辅助开关，然后打开所有端口处的隔离刀闸，对所有连接在第二直流母线上的线路进行物理隔离。优选地，该控制方法还包括当直流线路相继故障时，断路器因上一直流线路故障跳闸，主断流支路在跳闸过程中处于关闭状态，不需要对所述断路器进行操作。由上述本专利技术的集约型桥式多端口混合直流断路器及控制方法提供的技术方案可以看出，本专利技术依据组合使用直流断路器的设计理念，利用二极管的自然换流特性，将不同线路上的故障电流换流至同一断流支路开断，本专利技术的主要有益效果如下：1)本专利技术的集约型桥式多端口混合直流断路器在保证同等开断能力情况下，可以大大减少所使用的全控型电力电子器件数目，节约建设成本；2)本专利技术的集约型桥式多端口混合直流断路器采用了更少的电力电子器件数，兼顾了较好的断流特性和经济性；3)本专利技术的集约型桥式多端口混合直流断路器，能够解决母线故障的开断问题；4)本专利技术的集约型桥式多端口混合直流断路器能够有效解决断路器因单一线路故障跳闸后，在其未恢复正常运行期间发生其他线路相继故障时，换流器失去断路器保护的问题。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例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，还可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，包括：第一直流母线、第二直流母线、一条主断流支路、n条上通流支路、n条下通流支路和n个端口，n为不小于2的整数；所述的n条上通流支路和n条下通流支路中的每一条上通流支路和每一条下通流支路串联后作为一组串联支路，所述的n个端口中的每个端口对应一组串联支路并连接在所述的上、下通流支路的公共连接点上，所述的一条主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线和第二直流母线；所述的主断流支路包括多个断流单元串联，所述的断流单元为主断流开关与避雷器并联；所述的上通流支路由第一辅助开关和一个二极管串联，所述的第一辅助开关为一个电力电子开关和一个续流二极管反向并联；所述的下通流支路由一个快速机械开关和第二辅助开关串联，然后再与二极管并联，第二辅助开关为两个电力电子开关反向串联，所述的两个电力电子开关均安装有与其反向并联的续流二极管。

【技术特征摘要】
1.一种集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，包括：第一直流母线、第二直流母线、一条主断流支路、n条上通流支路、n条下通流支路和n个端口，n为不小于2的整数；所述的n条上通流支路和n条下通流支路中的每一条上通流支路和每一条下通流支路串联后作为一组串联支路，所述的n个端口中的每个端口对应一组串联支路并连接在所述的上、下通流支路的公共连接点上，所述的一条主断流支路与每一组串联支路并联，并联电路的两端分别为第一直流母线和第二直流母线；所述的主断流支路包括多个断流单元串联，所述的断流单元为主断流开关与避雷器并联；所述的上通流支路由第一辅助开关和一个二极管串联，所述的第一辅助开关为一个电力电子开关和一个续流二极管反向并联；所述的下通流支路由一个快速机械开关和第二辅助开关串联，然后再与二极管并联，第二辅助开关为两个电力电子开关反向串联，所述的两个电力电子开关均安装有与其反向并联的续流二极管。2.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，当所述断路器安装在直流系统的正极时，所述第一辅助开关的电力电子开关的集电极连接在第一直流母线侧，发射极指向端口侧，所述上通流支路的二极管的阳极连接在端口侧，阴极指向第一直流母线侧；所述下通流支路的二极管的阴极连接在端口侧，阳极指向第二直流母线侧；所述主断流开关中的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向第二直流母线侧。3.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，当所述断路器安装在直流系统的负极时，所述第一辅助开关的电力电子开关的发射极连接在第一直流母线侧，集电极指向端口侧，所述上通流支路的二极管的阴极连接在端口侧，阳极指向第一直流母线侧；所述下通流支路的二极管的阳极连接在端口侧，阴极指向第二直流母线侧；所述主断流开关中的发射极连接在第二直流母线侧，集电极指向第一直流母线侧。4.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，所述的主断流开关为多个电力电子开关同向串联。5.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，所述的避雷器为金属氧化物避雷器。6.根据权利要求1所述的集约型桥式多端口混合直流...

【专利技术属性】
技术研发人员：李猛，罗易萍，和敬涵，许寅，罗国敏，王小君，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11