專(zhuān)利名稱(chēng)：一種直流斷路器及其開(kāi)斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種直流斷路器及其開(kāi)斷方法。
背景技術(shù)：
隨著基于電壓源換流器(VSC)的多端柔性直流和直流電網(wǎng)技術(shù)的開(kāi)始應(yīng)用，快速直流斷路器成為保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。在交流系統(tǒng)中，交流電流在一個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)自然過(guò)零點(diǎn)，交流斷路器正是利用電流的自然過(guò)零點(diǎn)關(guān)斷電流，而在直流系統(tǒng)中，直流電流不存在自然過(guò)零點(diǎn)，因此直流電流的開(kāi)斷遠(yuǎn)比交流電流的開(kāi)斷困難。開(kāi)斷直流電流通常有兩種方式，一種是在常規(guī)交流機(jī)械斷路器的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加輔助電路，在開(kāi)斷弧間隙的直流電流上迭加增幅的振蕩電流，利用電流過(guò)零時(shí)開(kāi)斷電路，利用這種原理制造的機(jī)械式斷路器，在分?jǐn)鄷r(shí)間上無(wú)法滿足多端柔性直流輸電系統(tǒng)的要求；另一種是利用大功率可關(guān)斷電力電子器件，直接分?jǐn)嘀绷麟娏?，利用這種原理制造的固態(tài)斷路器，在時(shí)間上雖然可以滿足多端柔性直流系統(tǒng)的要求，但在正常導(dǎo)通時(shí)的損耗過(guò)大，經(jīng)濟(jì)性較差。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種直流斷路器及其開(kāi)斷方法，實(shí)現(xiàn)了用可關(guān)斷電力電子器件切斷直流電流，無(wú)電弧切斷，速度快的效果。本發(fā)明提供的一種直流斷路器，所述斷路器包括并聯(lián)連接的換流回路、斷流回路和能量吸收回路，其改進(jìn)之處在于，所述斷路器包括控制電路，所述控制電路分別與所述換流回路、斷流回路、能量吸收回路和總線路連接；所述換流回路包括串聯(lián)的換流單元和至少一個(gè)的機(jī)械開(kāi)關(guān)；所述斷流回路包括N個(gè)串聯(lián)的斷流單元。其中，所述換流單元和所述斷流單元均包括全橋結(jié)構(gòu)的換流器。其中，所述全橋結(jié)構(gòu)的換流器包括四個(gè)二極管和至少一個(gè)的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)；每?jī)蓚€(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成一條支路，兩條支路并聯(lián)，且分別引出兩條支路的中間點(diǎn)，作為輸入端或輸出端；功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與所述二極管構(gòu)成的支路并聯(lián)。其中，所述能量吸收回路包括避雷器。其中，所述能量吸收回路包括滑動(dòng)變阻器。本發(fā)明基于另一目的提供的一種直流斷路器的開(kāi)斷方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法包括如下步驟:A、控制電路控制換流單元的換流器導(dǎo)通，閉合機(jī)械開(kāi)關(guān)；B、控制電路監(jiān)測(cè)各支路的電流，需要開(kāi)斷回路中的直流電流時(shí)，控制電路觸發(fā)斷流單元中的換流器導(dǎo)通，若接收到閉鎖換流單元換流器信號(hào)，則閉鎖換流單元換流器；
C、斷開(kāi)所述機(jī)械開(kāi)關(guān)；D、若收到閉鎖斷流單元換流器信號(hào)，則控制電路閉鎖斷流單元換流器，將電流轉(zhuǎn)換至能量吸收回路中。其中，在生成和發(fā)送斷流單元換流器閉鎖信號(hào)之前生成和發(fā)送換流單元閉鎖信號(hào)。 其中，若電流超過(guò)第一電流極限，控制電路發(fā)送所述換流單元換流器斷開(kāi)信號(hào)；第一電流極限值大于或等于線路連接換流站的額定電流。其中，步驟C控制電路判斷電流從換流回路切換到斷流回路時(shí)，控制電路斷開(kāi)所述機(jī)械開(kāi)關(guān)。其中，在所述輸電線路或者配電線路，或連接到所述線路的電氣裝置發(fā)生故障時(shí)，則控制電路生成、發(fā)出和接收斷流單元換流器閉鎖信號(hào)；其中，在自所述換流單元換流器閉鎖起或者自所述高速機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)起第二段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到斷流單元換流器閉鎖信號(hào)情況下，所述高速機(jī)械開(kāi)關(guān)重新閉合，所述換流單元換流器解鎖。其中，在所述高速機(jī)械開(kāi)關(guān)閉合和所述換流單元換流器解鎖之后仍然接收或者再次接收到所述換流單元換流器閉鎖信號(hào)，首先閉鎖換流單元換流器，此后斷開(kāi)高速機(jī)械開(kāi)關(guān)，并且此后如果接收到所述斷流單元換流器閉鎖信號(hào)則閉鎖斷流單元換流器。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為:1、本發(fā)明提供的直流斷路器電路拓?fù)?，由換流回路承擔(dān)正常導(dǎo)通電流，換流回路中換流單元串聯(lián)級(jí)數(shù)少，因此直流斷路器正常導(dǎo)通時(shí)的通態(tài)損耗低。2、本發(fā)明提供的直流斷路器電路拓?fù)?，由高速機(jī)械開(kāi)關(guān)是無(wú)電流分?jǐn)?，大大加快了開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗨俣取?、本發(fā)明提供直流斷路器拓?fù)渫☉B(tài)損耗低。4、本發(fā)明提供的直流斷路器換流單元及斷流單元采用全橋結(jié)構(gòu)，模塊化降低了對(duì)電力電子器件一致性的要求，易于直流斷路器電力電子器件的串聯(lián)使用。5、本發(fā)明提供的直流斷路器電路拓?fù)?，由斷流回路的功率半?dǎo)體開(kāi)關(guān)來(lái)切斷直流電流，無(wú)電弧切斷，速度快。6、本發(fā)明提供的直流斷路器并可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通雙向電流，降低了對(duì)電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路的要求，同時(shí)降低了成本。7、本發(fā)明提供的直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)新穎簡(jiǎn)潔，功能全面，控制簡(jiǎn)單。8、本發(fā)明提供的開(kāi)斷方法，能夠安全、有序、可靠的保障斷路器正常運(yùn)行。


圖1為本發(fā)明提供的斷路器的電氣結(jié)構(gòu)示意圖。其中，K為機(jī)械開(kāi)關(guān)；Z為避雷器。圖2為本發(fā)明提供的全橋結(jié)構(gòu)換流器的示例圖。圖3為本發(fā)明提供的基于全橋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的斷路器的示例圖。圖4為本發(fā)明斷路器與控制電路連接示例圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例提出的一種斷路器，其電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括并聯(lián)連接的換流回路、斷流回路和能量吸收回路；在此之上，本合理的直流斷路器包括控制電路，控制電路分別與換流回路和斷流回路連接，用于控制換流回路和斷流回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，其可包括處理器、DSP或FPGA等，如圖4所示。且，本實(shí)施例進(jìn)一步提出的，換流回路用于將外部電流切換到斷流回路，包括串聯(lián)連接的機(jī)械開(kāi)關(guān)和換流單元，導(dǎo)通雙向電流；換流單元只承受斷流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的通態(tài)壓降；高速機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后承受整個(gè)斷路器的電壓。斷流回路負(fù)責(zé)在高速機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后快速切斷回路中的直流電流，可關(guān)斷雙向電流。其包括串聯(lián)連接的斷流單元。換流單元和斷流單元均由全橋結(jié)構(gòu)的換流器構(gòu)成。全橋結(jié)構(gòu)的換流器包括4個(gè)二極管和至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)組成，如圖2所示，每?jī)蓚€(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成一條支路，兩條支路并聯(lián)，且分別引出兩條支路的中間點(diǎn)，作為輸入端或輸出端，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)連接于兩串聯(lián)支路中點(diǎn)；一個(gè)全橋結(jié)構(gòu)的換流器、換流電感和機(jī)械開(kāi)關(guān)串聯(lián)構(gòu)成換流回路，N個(gè)全橋結(jié)構(gòu)的換流器與斷流電感串聯(lián)構(gòu)成斷流回路。用全橋結(jié)構(gòu)的換流器實(shí)現(xiàn)的斷路器示例如圖3所示。能量吸收回路在斷流回路切斷回路直流電流后，能夠吸收直流輸電系統(tǒng)中電感儲(chǔ)存的能量，包括避雷器或者滑動(dòng)變阻器。利用滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)中的電壓越大，滑動(dòng)變阻器的阻值越低，當(dāng)系統(tǒng)中的電壓越小，滑動(dòng)變阻器的阻值越高。采用本實(shí)施例的直流斷路器實(shí)現(xiàn)的開(kāi)斷方法，其步驟如下:A、控制電路控制換流單元的換流器導(dǎo)通，閉合機(jī)械開(kāi)關(guān)；B、控制電路監(jiān)測(cè)各支路的電流，在所述輸電線路或者配電線路，或連接到所述線路的電氣裝置發(fā)生故障時(shí)，則控制電路生成、發(fā)出和接收斷流單元換流器閉鎖信號(hào)；若電流超過(guò)第一電流極限，控制電路發(fā)送所述換流單元換流器斷開(kāi)信號(hào)；第一電流極限值大于或等于線路連接換流站的額定電流；C、控制電路判斷電流從換流回路切換到斷流回路時(shí)，控制電路斷開(kāi)所述機(jī)械開(kāi)關(guān);D、若接受到閉鎖斷流單元換流器信號(hào)，則閉鎖斷流單元換流器，將電流轉(zhuǎn)換至能量吸收回路中。在自所述換流單元換流器閉鎖起或者自所述機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)起第二段時(shí)間(由功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)在無(wú)冷卻情況下耐受電流能力決定)內(nèi)沒(méi)有接收到斷流單元換流器閉鎖信號(hào)情況下，所述高速機(jī)械開(kāi)關(guān)重新閉合，所述換流單元換流器解鎖。在所述機(jī)械開(kāi)關(guān)閉合和所述換流單元換流器解鎖之后仍然接收或者再次接收到所述換流單元換流器閉鎖信號(hào)，首先閉鎖換流單元換流器，此后斷開(kāi)高速機(jī)械開(kāi)關(guān)，并且此后如果接收到所述斷流單元換流器閉鎖信號(hào)則閉鎖斷流單元換流器。本實(shí)施例采用全橋結(jié)構(gòu)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)了換流和斷流的功能，實(shí)現(xiàn)了節(jié)省成本的效果。最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種直流斷路器，所述斷路器包括并聯(lián)連接的換流回路、斷流回路和能量吸收回路，其特征在于， 所述斷路器包括控制電路，所述控制電路分別與所述換流回路、斷流回路、能量吸收回路和總線路連接； 所述換流回路包括串聯(lián)的換流單元和至少一個(gè)的機(jī)械開(kāi)關(guān)； 所述斷流回路包括N個(gè)串聯(lián)的斷流單元。
2.如權(quán)利要求1所述的直流斷路器，其特征在于，所述換流單元和所述斷流單元均包括全橋結(jié)構(gòu)的換流器。
3.如權(quán)利要求2所述的直流斷路器，其特征在于，所述全橋結(jié)構(gòu)的換流器包括四個(gè)二極管和至少一個(gè)的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)； 每?jī)蓚€(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成一條支路，兩條支路并聯(lián)，且分別引出兩條支路的中間點(diǎn)，作為輸入端或輸出端； 所述功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與所述二極管構(gòu)成的支路并聯(lián)。
4.如權(quán)利要求1所述的直流斷路器，其特征在于，所述能量吸收回路包括避雷器。
5.如權(quán)利要求1所述的直流斷路器，其特征在于，所述能量吸收回路包括滑動(dòng)變阻器。
6.一種直流斷路器的開(kāi)斷方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: A、控制電路控制換流單元的換流器導(dǎo)通，閉合機(jī)械開(kāi)關(guān)； B、控制電路監(jiān)測(cè)各支路的電流，需要開(kāi)斷回路中的直流電流時(shí)，控制電路觸發(fā)斷流單元中的換流器導(dǎo)通，若接收到閉鎖換流單元換流器信號(hào)，則閉鎖換流單元換流器； C、斷開(kāi)所述機(jī)械開(kāi)關(guān)； D、若收到閉鎖斷流單元換流器信號(hào)，則控制電路閉鎖斷流單元換流器，將電流轉(zhuǎn)換至能量吸收回路中。
7.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)斷方法，其特征在于，在生成和發(fā)送斷流單元換流器閉鎖信號(hào)之前生成和發(fā)送換流單元閉鎖信號(hào)。
8.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)斷方法，其特征在于，若電流超過(guò)第一電流極限，控制電路發(fā)送所述換流單元換流器斷開(kāi)信號(hào)； 第一電流極限值大于或等于線路連接換流站的額定電流。
9.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)斷方法，其特征在于，步驟C控制電路判斷電流從換流回路切換到斷流回路時(shí)，控制電路斷開(kāi)所述機(jī)械開(kāi)關(guān)。
10.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)斷方法，其特征在于，在所述輸電線路或者配電線路，或連接到所述線路的電氣裝置發(fā)生故障時(shí)，則控制電路生成、發(fā)出和接收斷流單元換流器閉鎖信號(hào)。
11.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)斷方法，其特征在于，在自所述換流單元換流器閉鎖起或者自所述高速機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)起第二段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到斷流單元換流器閉鎖信號(hào)情況下，所述高速機(jī)械開(kāi)關(guān)重新閉合，所述換流單元換流器解鎖。
12.如權(quán)利要求11所述的開(kāi)斷方法，其特征在于，在所述高速機(jī)械開(kāi)關(guān)閉合和所述換流單元換流器解鎖之后仍然接收或者再次接收到所述換流單元換流器閉鎖信號(hào)，首先閉鎖換流單元換流器，此后斷開(kāi)高速機(jī)械開(kāi)關(guān)，并且此后如果接收到所述斷流單元換流器閉鎖信號(hào)則閉鎖斷流單元換流器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直流斷路器，包括并聯(lián)連接的換流回路、斷流回路和能量吸收回路，其中，斷路器包括控制電路，分別與所述換流回路、斷流回路、能量吸收回路和總線路連接；換流回路包括串聯(lián)的換流單元和至少一個(gè)的機(jī)械開(kāi)關(guān)；斷流回路包括N個(gè)串聯(lián)的斷流單元。通過(guò)控制該直流斷路器，能夠快速無(wú)弧分?jǐn)嚯娏?，且在?shí)現(xiàn)雙向切斷能力的前提下大大降低了使用功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)數(shù)量，降低了成本。
文檔編號(hào)H02H3/08GK103178486SQ20131006117
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者魏曉光, 羅湘, 曹均正, 湯廣福, 邱宇峰 申請(qǐng)人:國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 中電普瑞電力工程有限公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司