一种二极管桥式多端口混合式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二极管桥式多端口混合式直流断路器及其控制方法，该直流断路器包括通流部分、断流部分和n个端口。所述通流部分包括一条通流母线和n条旁通支路；每一旁通支路的一端均与通流母线相连，另一端与其对应的外围端口相连；所述断流部分包括两条断流母线、一条主断流支路、一个泄流晶闸管、n个上二极管桥臂以及n个下二极管桥臂。本发明专利技术所提供的二极管桥式多端口混合式直流断路器仅仅用一条单向的主断流支路即可实现故障电流的双向、无弧、快速分断；多条线路的故障电流可以用同一主断流支路进行分断，在线路数目较多的情况下，可以大大减小断路器中电力电子器件的使用个数，成本较低；采用二极管辅助换流，控制方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种二极管桥式多端口混合式直流断路器及其控制方法
本专利技术涉及断路器，具体涉及一种二极管桥式多端口混合式直流断路器及其控制方法。
技术介绍
柔性直流电网中的换流器以全控型IGBT为换流单元，采用脉宽调制技术，具备有功和无功解耦控制、传输容量大、无需滤波和无功补偿设备和可向孤岛供电等优点。它为可再生能源的集中规模化开发和大容量远距离输送、提升电网运行的灵活性和可靠性提供了有效的解决方案，在世界范围内正保持高速发展的趋势。柔性直流系统阻抗很小，直流侧发生故障时，故障电流通常在几毫秒内攀升至额定电流的数十倍，若不尽快隔离直流故障将对系统设备造成不可逆转的损害。采用直流断路器隔离直流故障可以保证系统在故障隔离过程中不断电运行，因此，直流断路器成为影响柔性直流电网发展的关键设备。目前用于柔性直流电网的直流断路器大体可以分为三类，分别是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结合的混合直流断路器。其中，混合直流断路器因其同时具备了机械开关的通流能力和固态开关的断流能力，具备较好的应用前景。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。其拓扑如图1所示，包含两条支路：旁通支路和主断流支路。其中，旁通支路由快速机械开关(UFD)和负载转移开关(LCS)串联而成，主断流支路由多个断流单元串联而成，每个断流单元都是反向串联的全控电力电子开关和金属氧化物避雷器并联，具备独立的断流能力。无故障时，UFD和LCS处于导通状态，线路电流流经旁通支路，主断流支路上的电流为零。当断路器收到跳闸命令后，主断流支路中的电力电子开关立即动筒，而LCS立即关断，使得流经旁通支路的电流下降为零，故障电流换流至主断流支路，UFD在零电流状态下开始分闸。当快速机械开关触头达到额定开距时，关断主断流支路上的电力电子开关，由此产生的过电压击穿避雷器，故障电流最终流经避雷器并被吸收至零。由于单个的混合直流断路器仅有两个连接端口，因此也称作两端口混合直流断路器但采用上述混合直流断路器方案进行保护时，存在实施成本过高的问题。一方面，为实现双向故障电流开断，可以看出，为双向切断故障电流，和承受全控电力电子开关关断时的过压，该混合直流断路器的主断流直流需要反向串联大量的全控电力电子开关，导致单个混合直流断路器成本过高。另一方面，由于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还存在使用个数多、总体实施成本过高的问题。近年来学者们提出了多端口混合直流断路器的概念(端口数大于2)。其基本思路是将连接在同一直流母线上的多个混合直流断路器进行重新组合和统一控制，从而使用一条共用的主断流支路来实现多条线路故障电流的开断。由于单个混合直流断路器的成本主要来源于其主断流支路，采用多端口混合直流断路器可以极大地减少主断流支路中全控电力电子开关的使用个数，从而降低断路器的总体实施成本。图2为现有多端口直流断路器的典型拓扑。通常包含两条直流母线和三类支路：旁通支路、主断流支路和选择支路。正常运行时，仅有旁通支路导通，主断流支路和选择支路处于断开状态。当端口1故障时，导通选择支路1；则旁通支路1、主断路器和选择支路1共同构成了一个典型的两端口混合直流断路器，用于阻断端口1的故障电流。选择支路的设计决定了多端口混合直流断路器的断流性能以及经济性。根据断路器的基本工作原理，选择支路应当满足以下条件。1)由于要阻断双向故障电流，因此选择支路应当满足双向电流流通功能；为使得故障电流流经主断路器，所有的选择支路之间的电流在任何情况下不能够双向流动，否则会导致故障换流失败；2)在主断流支路开断瞬间，两直流母线间会出现极大的关断过电压。此时，由于选择支路一端连接在通流直流母线上，另一端连接在断流直流母线上，因此，选择支路上将出现相同大小的过电压。由于流过主断路器的电流是双向的，该过电压可能是正向的，也可能是反向的。因此，选择支路要能够承受正反向的关断过电压；3)考虑到断路器的经济性，选择支路应当使用尽量低的成本。现有的多端口混合直流断路器的选择支路设计大致有以下几种。1)以单向旁通支路为选择支路，如图3所示(图3a表示原始拓扑，图3b表示变形后的拓扑)。缺点为：主断路器和选择支路为单向，因此不具备上直流母线故障断流功能，并且采用过多的快速机械开关，控制策略复杂且可靠性较低。2)以单向二极管为选择支路，如图4所示(图4a表示原始拓扑，图4b表示变形后的拓扑)。缺点为：主断流支路和选择支路为单向，缺失反向故障电流阻断能力和母线故障电流阻断能力。3)以单向串联晶闸管为选择支路，如图5所示(图5a表示原始拓扑，图5b表示变形后的拓扑)。缺点为：主断流支路和选择支路为单向，缺失反向故障电流阻断能力和母线故障电流阻断能力。4)以单向晶闸管和一个主断流单元为选择支路，如图6所示(图6a表示原始拓扑，图6b表示变形后的拓扑)。缺点为：选择支路不具备耐受双向关断过电压能力，在阻断反向电流时断路器器件容易被关断过电压损坏。5)以一半主断流支路为选择支路，，如图7所示(图7a表示原始拓扑，图7b表示变形后的拓扑)。满足上述对选择支路的要求，但随着端口数的增加，该断路器的成本增加较多，经济性较差。由此可以看出，现有的多端口直流断路器为尽量减少器件的使用个数，从而牺牲了断路器的部分断流功能。综合两端口混合直流断路器和多端口混合直流断路器的技术现状可知：目前混合直流断路器领域亟需解决的技术问题是如何在保持完善的断流性能的前提下降低混合直流断路器的实施成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种二极管桥式多端口混合式直流断路器及其控制方法，以在保持完善的断流性能的前提下降低混合直流断路器的实施成本。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种二极管桥式多端口混合式直流断路器，所述直流断路器包括通流部分、断流部分和n个端口；其中，所述n个端口连接在通流部分外围，用于连接需要保护的器件或线路；所述通流部分包括一条通流母线和n条旁通支路；每一旁通支路的一端均与通流母线相连，另一端与其对应的外围端口相连；所述断流部分包括两条断流母线、一条主断流支路、一个泄流晶闸管、n个上二极管桥臂以及n个下二极管桥臂；所述两条断流母线分别为断流母线A和断流母线B，主断流支路跨接在断流母线A和断流母线B间；泄流晶闸管的阳极与断流母线B相连，阴极接地；每一上二极管桥臂的阴极均与断流母线A相连，阳极与其对应的端口相连；每一下二极管桥臂的阳极均与断流母线B相连，阴极与其对应的端口相连；n为不小于2的整数。如上所述的二极管桥式多端口混合式直流断路器，进一步地，所述旁通支路包括一超快速机械开关和一负载转移开关，两者串联。如上所述的二极管桥式多端口混合式直流断路器，进一步地，所述负载转移开关由若干个带反并联二极管的全控电力电子开关反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二极管桥式多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述直流断路器包括通流部分、断流部分和n个端口；其中，/n所述n个端口连接在通流部分外围，用于连接需要保护的器件或线路；/n所述通流部分包括一条通流母线和n条旁通支路；每一旁通支路的一端均与通流母线相连，另一端与其对应的外围端口相连；/n所述断流部分包括两条断流母线、一条主断流支路、一个泄流晶闸管、n个上二极管桥臂以及n个下二极管桥臂；所述两条断流母线分别为断流母线A和断流母线B，主断流支路跨接在断流母线A和断流母线B间；泄流晶闸管的阳极与断流母线B相连，阴极接地；每一上二极管桥臂的阴极均与断流母线A相连，阳极与其对应的端口相连；每一下二极管桥臂的阳极均与断流母线B相连，阴极与其对应的端口相连；/nn为不小于2的整数。/n

【技术特征摘要】
1.一种二极管桥式多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述直流断路器包括通流部分、断流部分和n个端口；其中，
所述n个端口连接在通流部分外围，用于连接需要保护的器件或线路；
所述通流部分包括一条通流母线和n条旁通支路；每一旁通支路的一端均与通流母线相连，另一端与其对应的外围端口相连；
所述断流部分包括两条断流母线、一条主断流支路、一个泄流晶闸管、n个上二极管桥臂以及n个下二极管桥臂；所述两条断流母线分别为断流母线A和断流母线B，主断流支路跨接在断流母线A和断流母线B间；泄流晶闸管的阳极与断流母线B相连，阴极接地；每一上二极管桥臂的阴极均与断流母线A相连，阳极与其对应的端口相连；每一下二极管桥臂的阳极均与断流母线B相连，阴极与其对应的端口相连；
n为不小于2的整数。


2.如权利要求1所述的二极管桥式多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述旁通支路包括一超快速机械开关和一负载转移开关，两者串联。


3.如权利要求2所述的二极管桥式多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述负载转移开关由若干个带反并联二极管的全控电力电子开关反向串联组成。


4.如权利要求1或3所述的二极管桥式多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述主断流支路包括多个断流单元，多个断流单元同向串联。


5.如权利要求4所述的二极管桥式多端口混合式直流断路器，其特征在于，每一所述断流单元由多个带反并联二极管的全控型电力电子开关同向串联之后与一个金属氧化物避雷器并联而成。


6.如权利要求5所述的二极管桥式多端口混合式直流断路器，其特征在于，所述全控型电力电子开关的电流仅从上直流母线流向下直流母线。


7.一种如权利要求6所述的二极管桥式多端口混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
正常运行模式
系统无故障时，主断流支路处于关断状态，所有的旁通支路处于导通状态，工作电流仅流经旁通支路。


8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括双向断路模式；
所述双向断路模式包括正向故障断流模式和负向故障断流模式；
所述正向故障断流模式包含故障检测、故障电流转移、故障能量耗散3个阶段；其中，发生发生故障的端口称作故障端口，其余端口称作非故障端口；
所述故障检测阶段从故障发生到保护检测到故障并发出断路器动作指令；在本阶段段中，断路器仍保持系统无故障运行状态，非故障端口仅通过旁通支路向故障端口注...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怿宁，刘坤，国建宝，杨光源，
申请(专利权)人：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，
类型：发明
国别省市：广东;44