一種混合式高壓直流斷路器及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種斷路器及其實(shí)現(xiàn)方法，具體涉及一種混合式高壓直流斷路器及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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)自然過零點(diǎn)，交流斷路器正是利用電流的自然過零點(diǎn)關(guān)斷電流，而在直流系統(tǒng)中，直流電流不存在自然過零點(diǎn)，因此直流電流的開斷遠(yuǎn)比交流電流的開斷困難。
[0003]開斷直流電流通常有三種方式，一種是在常規(guī)交流機(jī)械斷路器的基礎(chǔ)上，通過增加輔助電路，在開斷弧間隙的直流電流上迭加增幅的振蕩電流，利用電流過零時(shí)開斷電路，利用這種原理制造的機(jī)械式斷路器，在分?jǐn)鄷r(shí)間上無法滿足多端柔性直流輸電系統(tǒng)的要求；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)的損耗過大，經(jīng)濟(jì)性較差；最后一種是采用機(jī)械開關(guān)和電力電子器件混合的方式，正常運(yùn)行由機(jī)械開關(guān)通流，故障時(shí)分?jǐn)鄼C(jī)械開關(guān)，利用產(chǎn)生的電弧電壓將電流轉(zhuǎn)移至并聯(lián)連接的電力電子器件支路中，然后由電力電子器件分?jǐn)嚯娏鳌；谠撛頂嗦菲骷葴p低了通態(tài)損耗，又提高了分?jǐn)嗨俣龋切枰褂么罅康娜仄骷?lián)，技術(shù)難度大，制造成本高，而且當(dāng)短路電流超過單個(gè)全控器件所能耐受電流峰值時(shí)，其成本將接近翻倍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種混合式高壓直流斷路器，另一目的是提供一種混合式高壓直流斷路器的實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明斷路器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，且使用的電力電子器件主要為半控器件晶閘管，技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)，分?jǐn)嚯娏髂芰Υ?，耐受電壓等?jí)高，擴(kuò)展能力強(qiáng)，極大程度上降低了成本。
[0005]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明提供一種混合式高壓直流斷路器，所述直流斷路器包括并聯(lián)的主支路、電流轉(zhuǎn)移支路和能量吸收支路，所述直流斷路器串聯(lián)連接于直流系統(tǒng)中，其改進(jìn)之處在于，所述主支路包括串聯(lián)連接的至少一個(gè)高速機(jī)械開關(guān)K和至少一個(gè)包含全控器件的電流轉(zhuǎn)移模塊；所述電流轉(zhuǎn)移支路包括第一電流轉(zhuǎn)移支路和第二電流轉(zhuǎn)移支路；所述能量吸收支路由非線性電阻器構(gòu)成。
[0007]進(jìn)一步地，所述電流轉(zhuǎn)移模塊采用由四個(gè)IGBT模塊和電容器Cl組成的全橋結(jié)構(gòu)；每個(gè)IGBT模塊均由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。
[0008]進(jìn)一步地，所述電流轉(zhuǎn)移模塊采用由四個(gè)二極管和并聯(lián)連接的電容器C2、IGBT模塊組成的橋式電路結(jié)構(gòu)，所述IGBT模塊由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。
[0009]進(jìn)一步地，所述電流轉(zhuǎn)移模塊由反向串聯(lián)連接的IGBT模塊構(gòu)成，電容器C3并聯(lián)在反向串聯(lián)連接的IGBT模塊支路的兩端；所述IGBT模塊由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。
[0010]進(jìn)一步地，所述第一電流轉(zhuǎn)移支路由兩組反并聯(lián)的晶閘管閥構(gòu)成；兩組晶閘管閥分別用Tl和T2表示；
[0011]所述第二電流轉(zhuǎn)移支路包括串聯(lián)連接的電感L和晶閘管閥-電容模塊；所述晶閘管閥-電容模塊由并聯(lián)的兩組晶閘管閥-電容串聯(lián)支路構(gòu)成；兩組晶閘管閥-電容串聯(lián)支路均由串聯(lián)的晶閘管閥和電容器組成，兩組晶閘管閥通流方向相反；每組電容都被預(yù)充電至設(shè)定值；兩組晶閘管閥分別用T3和T4表示；電容器分別用C和C’表示。
[0012]進(jìn)一步地，所述非線性電阻器為避雷器。
[0013]本發(fā)明基于另一目的提供的一種混合式高壓直流斷路器的實(shí)現(xiàn)方法，其改進(jìn)之處在于，當(dāng)電流轉(zhuǎn)移模塊采用由四個(gè)IGBT模塊和電容器組成的全橋結(jié)構(gòu)時(shí)，所述實(shí)現(xiàn)方法包括:
[0014]一)當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，高速機(jī)械開關(guān)K閉合，電流轉(zhuǎn)移模塊中四個(gè)IGBT器件處于觸發(fā)狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)電流流經(jīng)主支路中串聯(lián)連接的高速機(jī)械開關(guān)K和電流轉(zhuǎn)移模塊，穩(wěn)態(tài)電流在電流轉(zhuǎn)移模塊兩條并聯(lián)連接的IGBT和續(xù)流二極管組成的串聯(lián)支路中被均分；在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，第二電流轉(zhuǎn)移支路中的電容C被充電至設(shè)定值；
[0015]二)直流系統(tǒng)發(fā)生單側(cè)短路故障:①當(dāng)直流系統(tǒng)在斷路器右側(cè)發(fā)生接地短路故障時(shí)，對(duì)第一電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T2施加長(zhǎng)觸發(fā)脈沖，再閉鎖主支路電流轉(zhuǎn)移模塊中的四個(gè)IGBT器件；
[0016]②主支路中電流通過續(xù)流二極管D1、D2對(duì)電流轉(zhuǎn)移模塊中電容Cl進(jìn)行充電，當(dāng)電容Cl兩端電壓高于觸發(fā)晶閘管閥T2所需的最低正向電壓時(shí)，晶閘管閥T2將被觸發(fā)開通，流經(jīng)主支路電流開始向晶閘管閥T2轉(zhuǎn)移直至過零，隨后分?jǐn)喔咚贆C(jī)械開關(guān)K ；
[0017]③維持晶閘管閥T2導(dǎo)通2ms，保障高速機(jī)械開關(guān)K無弧分?jǐn)嗖a(chǎn)生足夠耐受直流系統(tǒng)過電壓的開距；觸發(fā)第二電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T4，與之串聯(lián)的帶有預(yù)充電壓的電容C’經(jīng)電感L向晶閘管閥T2反向注入電流，電流從第一電流轉(zhuǎn)移支路向第二電流轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移，晶閘管閥T4在其電流降為零后關(guān)斷；
[0018]④短路電流經(jīng)電感L、晶閘管閥T4所在的第二電流轉(zhuǎn)移支路對(duì)電容C’進(jìn)行充電，直至電容C’極性反轉(zhuǎn)，當(dāng)其幅值達(dá)到避雷器動(dòng)作閾值時(shí)，避雷器動(dòng)作；短路電流轉(zhuǎn)移至避雷器中，直流系統(tǒng)能量將被其所消耗吸收，所述直流斷路器完成分?jǐn)唷?br>[0019]進(jìn)一步地，當(dāng)電流轉(zhuǎn)移模塊采用由四個(gè)二極管、并聯(lián)的電容器和IGBT模塊支路組成的橋式電路結(jié)構(gòu)時(shí)，所述實(shí)現(xiàn)方法包括:
[0020]一)當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，高速機(jī)械開關(guān)K閉合，電流轉(zhuǎn)移模塊中IGBT器件處于觸發(fā)狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)主支路中串聯(lián)連接的高速機(jī)械開關(guān)K和電流轉(zhuǎn)移模塊流通；在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，第二電流轉(zhuǎn)移支路中的電容C和C’被充電至設(shè)定值；
[0021]二)直流系統(tǒng)發(fā)生單側(cè)短路故障:①當(dāng)直流系統(tǒng)在斷路器右側(cè)端口發(fā)生接地短路故障時(shí)，對(duì)第一電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T2施加長(zhǎng)觸發(fā)脈沖，再閉鎖主支路電流轉(zhuǎn)移模塊中的IGBT器件；
[0022]②主支路中電流通過續(xù)流二極管D1、D2對(duì)電流轉(zhuǎn)移模塊中電容Cl進(jìn)行充電，當(dāng)電容Cl兩端電壓高于觸發(fā)晶閘管閥T2所需的最低正向電壓時(shí)，晶閘管閥T2將被觸發(fā)開通，流經(jīng)主支路電流開始向晶閘管閥T2轉(zhuǎn)移直至過零，隨后分?jǐn)喔咚贆C(jī)械開關(guān)K ；
[0023]③維持晶閘管閥T2導(dǎo)通2ms，保障高速機(jī)械開關(guān)K無弧分?jǐn)嗖a(chǎn)生足夠耐受直流系統(tǒng)過電壓的開距；觸發(fā)第二電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T4，與之串聯(lián)的帶有預(yù)充電壓的電容C’經(jīng)電感L向晶閘管閥T2反向注入電流，電流從第一電流轉(zhuǎn)移支路向第二電流轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移，晶閘管閥T4在其電流降為零后關(guān)斷；
[0024]④短路電流經(jīng)電感L、晶閘管閥T4所在的第二電流轉(zhuǎn)移支路對(duì)電容C’進(jìn)行充電，直至電容C’極性反轉(zhuǎn)，當(dāng)其幅值達(dá)到避雷器動(dòng)作閾值時(shí)，避雷器動(dòng)作；短路電流轉(zhuǎn)移至避雷器中，直流系統(tǒng)能量將被其所消耗吸收，所述直流斷路器完成分?jǐn)唷?br>[0025]進(jìn)一步地，當(dāng)電流轉(zhuǎn)移模塊由反向串聯(lián)連接的IGBT模塊構(gòu)成時(shí)，所述實(shí)現(xiàn)方法包括:
[0026]一)當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，高速機(jī)械開關(guān)K閉合，電流轉(zhuǎn)移模塊中兩個(gè)IGBT器件處于觸發(fā)狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)電流流經(jīng)主支路中串聯(lián)連接的高速機(jī)械開關(guān)K和電流轉(zhuǎn)移模塊，在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，第二電流轉(zhuǎn)移支路中的電容C和C’被充電至設(shè)定值；
[0027]二)直流系統(tǒng)發(fā)生單側(cè)短路故障:①當(dāng)直流系統(tǒng)在斷路器右側(cè)端口發(fā)生接地短路故障時(shí)，對(duì)第一電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T2施加長(zhǎng)觸發(fā)脈沖，再閉鎖主支路電流轉(zhuǎn)移模塊中的兩個(gè)IGBT器件；
[0028]②主支路中電流對(duì)電流轉(zhuǎn)移模塊中電容Cl進(jìn)行充電，當(dāng)電容Cl兩端電壓高于觸發(fā)晶閘管閥T2所需的最低正向電壓時(shí)，晶閘管閥T2將被觸發(fā)開通，流經(jīng)主支路電流開始向晶閘管閥T2轉(zhuǎn)移直至過零，隨后分?jǐn)喔咚贆C(jī)械開關(guān)K ；
[0029]③維持晶閘管閥T2導(dǎo)通2ms，保障高速機(jī)械開關(guān)K無弧分?jǐn)嗖a(chǎn)生足夠耐受直流系統(tǒng)過電壓的開距；觸發(fā)第二電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T4，與之串聯(lián)的帶有預(yù)充電壓的電容C’經(jīng)電感L向晶閘管閥T2反向注入電流，電流從第一電流轉(zhuǎn)移支路向第二電流轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移，晶閘管閥T4在其電流降為零后關(guān)斷；
[0030]④短路電流經(jīng)電感L、晶閘管閥T4所在的第二