一種基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器及其應(yīng)用方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器及其應(yīng)用方法，無(wú)源型混合直流斷路器包括并聯(lián)連接的主通流支路、第一轉(zhuǎn)移電流支路、第二轉(zhuǎn)移電流支路和能量吸收支路。其中主通流支路由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K和少量全控電力電子單元串聯(lián)構(gòu)成；第一轉(zhuǎn)移電流支路由兩組反向并聯(lián)的晶閘管閥T1構(gòu)成；第二轉(zhuǎn)移電流支路由電容C、電感L和一組反并聯(lián)的晶閘管閥T2構(gòu)成，電感與晶閘管閥連接線(xiàn)與電阻一端相連，電阻R另一端接地；能量吸收支路由避雷器組串聯(lián)構(gòu)成。本發(fā)明提供的技術(shù)方案解決現(xiàn)有混合式直流斷路器分?jǐn)嚯娏髂芰κ苤朴趩蝹€(gè)全控器件關(guān)斷能力，分?jǐn)嚯娏髂芰^小的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器及其應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及直流斷路器及其應(yīng)用方法，具體涉及一種基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器及其應(yīng)用方法。
【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)的示范應(yīng)用及規(guī)劃建設(shè)，高壓直流斷路器作為保證直流系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用需求日益迫切。混合采用機(jī)械開(kāi)關(guān)和全控型電力電子開(kāi)關(guān)直流斷路器技術(shù)兼具了機(jī)械開(kāi)關(guān)的低損耗特性和電力電子開(kāi)關(guān)的快速分?jǐn)嗵匦?，是目前?yīng)用高壓輸電系統(tǒng)中直流分?jǐn)嘧顬橛行У募夹g(shù)途徑。迄今國(guó)外已公布研制成功的混合式直流斷路器受限制于單個(gè)全控器件分?jǐn)嗄芰Γ嬖诜謹(jǐn)嚯娏飨鄬?duì)較低的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足高壓大容量直流系統(tǒng)的分?jǐn)嚯娏餍枨蟆?br>[0003]基于晶閘管的混合式直流斷路器，能夠顯著提升直流斷路器分?jǐn)嚯娏髂芰Γ捎诰чl管無(wú)法自關(guān)斷，需要配置額外的輔助電路增大了直流斷路器的設(shè)計(jì)和集成難度。而通過(guò)配置輔助電源對(duì)基于晶閘管的混合式直流斷路器中無(wú)源元件預(yù)充電的技術(shù)方式，更是降低了整體的可靠性和加大了設(shè)備的體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器及其應(yīng)用方法，解決現(xiàn)有混合式直流斷路器分?jǐn)嚯娏髂芰κ苤朴趩蝹€(gè)全控器件關(guān)斷能力，分?jǐn)嚯娏髂芰^小的問(wèn)題。
[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)明提供一種基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器，其改進(jìn)之處在于，所述無(wú)源型混合直流斷路器包括并聯(lián)連接的主通流支路、第一轉(zhuǎn)移電流支路、第二轉(zhuǎn)移電流支路和能量吸收支路。
[0007 ]進(jìn)一步地，所述主通流支路由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K和全控電力電子單元串聯(lián)構(gòu)成；
[0008]所述主通流支路用于在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通負(fù)荷電流;所述主通流支路的耐受電壓超過(guò)第一轉(zhuǎn)移電流直流晶閘管閥Tl的通態(tài)壓降時(shí)能夠保證故障電流從主通流支路的可靠轉(zhuǎn)移。
[0009]進(jìn)一步地，所述全控電力電子單元由全控器件反向串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)全控器件兩端均反并聯(lián)有續(xù)流二極管；
[0010]或所述全控電力電子單元由全控器件反向并聯(lián)構(gòu)成；
[0011]或所述全控電力電子單元由全控器件與電容構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)，每個(gè)全控器件兩端都有反并聯(lián)續(xù)流二極管。
[0012]進(jìn)一步地，所述全控器件為IGCT、IGBT或GTO。
[0013]進(jìn)一步地，所述第一轉(zhuǎn)移電流支路由兩組反向并聯(lián)的晶閘管閥Tl構(gòu)成;所述第二轉(zhuǎn)移電流支路由電容C、電感L和一組反并聯(lián)的晶閘管閥T2構(gòu)成，所述電容C的負(fù)極與電感L一端連接，電感的另一端和晶閘管閥T2的一端連接線(xiàn)均與電阻R—端相連，電阻R另一端接地；
[0014]所述第一轉(zhuǎn)移電流支路用于導(dǎo)通直流系統(tǒng)故障短路電流以及為第二轉(zhuǎn)移電流支路電容C和電感L提供振蕩通路;所述第一轉(zhuǎn)移電流支路導(dǎo)通由主通流支路轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的系統(tǒng)故障電流，為主通流支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K創(chuàng)造零電壓和零電流分?jǐn)鄺l件;為第二轉(zhuǎn)移電流支路電容C電壓經(jīng)電感L振蕩反向提供放電通路；
[0015]所述第二轉(zhuǎn)移電流支路用于向第一轉(zhuǎn)移電流支路注入反向電流，強(qiáng)迫第一轉(zhuǎn)移電流支路晶閘管閥Tl關(guān)斷;所述第二轉(zhuǎn)移電流支路電容C、電感L通過(guò)晶閘管閥Τ2觸發(fā)，向第一轉(zhuǎn)移電流支路注入反向電流，強(qiáng)迫直流系統(tǒng)故障電流換相至第二轉(zhuǎn)移電流支路;其中，接地電阻R在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)為電容C提供從直流系統(tǒng)取能通路，并限制直流系統(tǒng)對(duì)電容C充電電流。
[0016]進(jìn)一步地，所述晶閘管閥Tl由反并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管閥Tll和Τ12構(gòu)成;所述晶閘管閥Τ2由反并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管閥Τ21和Τ22構(gòu)成。
[0017]進(jìn)一步地，所述能量吸收支路由避雷器組串聯(lián)構(gòu)成;所述能量吸收支路用于消耗直流系統(tǒng)故障電流，并抑制分?jǐn)噙^(guò)電壓。
[0018]本發(fā)明提供一種基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器的應(yīng)用方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法針對(duì)直流系統(tǒng)直流斷路器線(xiàn)路側(cè)發(fā)生故障時(shí)和直流短路器電源側(cè)發(fā)生故障時(shí)兩種情況實(shí)施不同的操作。
[0019]進(jìn)一步地，當(dāng)直流斷路器線(xiàn)路側(cè)發(fā)生故障時(shí):
[0020]I)閉鎖主通流支路，同時(shí)觸發(fā)第一轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥Tl I和第二轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥Τ21;
[0021]2)電流全部轉(zhuǎn)移至第一轉(zhuǎn)移電流支路后，分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)K;
[0022]3)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K完成分?jǐn)嗪?，觸發(fā)第二轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥Τ22。
[0023]進(jìn)一步地，當(dāng)直流短路器電源側(cè)發(fā)生故障時(shí):
[0024]I)閉鎖主通流支路，同時(shí)觸發(fā)第一轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥Τ12;
[0025]2)電流全部轉(zhuǎn)移至第一轉(zhuǎn)移電流支路后，分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)K;
[0026]3)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K完成分?jǐn)嗪螅|發(fā)第二轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥Τ21。
[0027]與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是:
[0028]1、本發(fā)明所提直流斷路器能夠?qū)崿F(xiàn)直流電流的雙向、快速和無(wú)弧分?jǐn)啵揖邆鋸?qiáng)過(guò)載能力，分?jǐn)嚯娏骺蛇_(dá)到數(shù)十kA，滿(mǎn)足高壓大容量直流電網(wǎng)應(yīng)用需求；
[0029]2、本發(fā)明所提直流斷路器主要采用半控型電力電子器件，技術(shù)成熟，成本較低，承載電流能力強(qiáng)，且易于實(shí)現(xiàn)；
[0030]3、本發(fā)明所提直流斷路器電容可經(jīng)過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行充電，不需要配備高壓隔離輔助電源，簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是本發(fā)明提供的基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器拓?fù)鋱D；
[0032]圖2是本發(fā)明提供的全控電力電子單元示意圖；其中:(a)器件反向串聯(lián)示意圖；(b)器件反向并聯(lián)示意圖；(C)全橋模塊級(jí)聯(lián)示意圖；
[0033]圖3是本發(fā)明提供的基于晶閘管的無(wú)源型混合式直流斷路器一種實(shí)施例示意圖；
[0034]圖4是本發(fā)明提供的直流斷路器應(yīng)用系統(tǒng)示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]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。
[0036]以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實(shí)施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實(shí)施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過(guò)程的以及其他的改變。實(shí)施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨(dú)的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實(shí)施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實(shí)施方案的部分和特征。本發(fā)明的實(shí)施方案的范圍包括權(quán)利要求書(shū)的整個(gè)范圍，以及權(quán)利要求書(shū)的所有可獲得的等同物。在本文中，本發(fā)明的這些實(shí)施方案可以被單獨(dú)地或總地用術(shù)語(yǔ)“發(fā)明”來(lái)表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實(shí)上公開(kāi)了超過(guò)一個(gè)的發(fā)明，不是要自動(dòng)地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個(gè)發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。
[0037]本發(fā)明主要針對(duì)基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器及應(yīng)用方法進(jìn)行。
[0038]圖1為所提出的基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器拓?fù)?。所述直流斷路器由機(jī)械開(kāi)關(guān)、大功率半導(dǎo)體器件、電阻和避雷器單元構(gòu)成，包含有4條并聯(lián)支路，主通流支路、第一轉(zhuǎn)移電流支路、第二轉(zhuǎn)移電流支路和能量吸收支路，如圖1所示。其中主通流支路由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K和全控電力電子單元串聯(lián)構(gòu)成;第一轉(zhuǎn)移電流支路由兩組反向并聯(lián)的晶閘管閥Tl構(gòu)成;第二轉(zhuǎn)移電流支路由電容C、電感L和一組反并聯(lián)的晶閘管閥T2構(gòu)成，電感與晶閘管閥連接線(xiàn)與電阻一端相連，電阻R另一端接地;能量吸收支路由避雷器組串聯(lián)構(gòu)成。
[0039]所述全控電力電子模塊單元可以由全控器件反向串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)全控器件兩端都有反并聯(lián)續(xù)流二極管，如圖2(a)所示;或由全控器件反向并聯(lián)構(gòu)成，如圖2(b)所示;或?yàn)槿仄骷c電容構(gòu)成的橋式結(jié)構(gòu)，每個(gè)全控器件兩端都有反并聯(lián)續(xù)流二極管，如圖2(c)所示。所選用全控器件可以為IGCT、IGBT或GTO。
[0040]直流斷路器主通流支路用于在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通負(fù)荷電流。主通流支路中所包含的全控電力電子模塊單元數(shù)量較少，其耐受電壓超過(guò)第一轉(zhuǎn)移電流直流晶閘管閥Tl的通態(tài)壓降，即能夠保證故障電流從主通流支路的可靠轉(zhuǎn)移。因此，所提直流斷路器拓?fù)渚邆涞屯☉B(tài)損耗。
[0041]第一轉(zhuǎn)移電流支路用于導(dǎo)通直流系統(tǒng)故障短路電流，和為第二轉(zhuǎn)移電流支路電容、電感提供振蕩通路。第一轉(zhuǎn)移電流支路導(dǎo)通由主通流支路轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的系統(tǒng)故障電流，為主通流支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)創(chuàng)造零電壓、零電流分?jǐn)鄺l件。同時(shí)，還為第二轉(zhuǎn)移電流支路電容電壓經(jīng)電感振蕩反向創(chuàng)造了放電通路。
[0042]第二轉(zhuǎn)移電流支路用于向第一轉(zhuǎn)移電流支路注入反向電流，強(qiáng)迫第一轉(zhuǎn)移電流支路晶閘管閥TI關(guān)斷。第二轉(zhuǎn)移電流支路電容、電感通過(guò)晶閘管閥T2觸發(fā)，向第一轉(zhuǎn)移電流支路注入反向電流，強(qiáng)迫系統(tǒng)故障電流換相至第二轉(zhuǎn)移電流支路。其中，接地電阻R在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)為電容C提供從系統(tǒng)取能通路，并限制系統(tǒng)對(duì)電容充電電流。
[0043]能量吸收支路用于消耗系統(tǒng)故障電流，并抑制分?jǐn)噙^(guò)電壓。
[0044]以選用圖2(a)所示全控電力電子模塊單元為實(shí)施例，如圖3所示所用器件優(yōu)選為IGCT，和以圖4所示直流系統(tǒng)來(lái)闡述所提高壓直流斷路器器應(yīng)用方法。
[0045]直流斷路器線(xiàn)路側(cè)發(fā)生故障時(shí):
[0046]I)閉鎖主通流支路IGCT，同時(shí)觸發(fā)第一轉(zhuǎn)移電流支路晶閘管閥T11和第二轉(zhuǎn)移電流支路晶閘管閥T21;
[0047]2)電流全部轉(zhuǎn)移至第一轉(zhuǎn)移電流支路后，分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)K;
[0048]3)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K完成分?jǐn)嗪螅|發(fā)第二轉(zhuǎn)移電流支路晶閘管閥T22。
[0049]直流短路器電源側(cè)發(fā)生故障時(shí):
[0050]I)閉鎖主通流支路IGCT，同時(shí)觸發(fā)第一轉(zhuǎn)移電流支路晶閘管閥T12;
[0051]2)電流全部轉(zhuǎn)移至第一轉(zhuǎn)移電流支路后，分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)K;
[0052]3)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K完成分?jǐn)嗪?，觸發(fā)第二轉(zhuǎn)移電流支路晶閘管閥T21。
[0053]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，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器，其特征在于，所述無(wú)源型混合直流斷路器包括并聯(lián)連接的主通流支路、第一轉(zhuǎn)移電流支路、第二轉(zhuǎn)移電流支路和能量吸收支路。2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源型混合直流斷路器，其特征在于，所述主通流支路由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K和全控電力電子單元串聯(lián)構(gòu)成； 所述主通流支路用于在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通負(fù)荷電流;所述主通流支路的耐受電壓超過(guò)第一轉(zhuǎn)移電流直流晶閘管閥Tl的通態(tài)壓降時(shí)能夠保證故障電流從主通流支路的可靠轉(zhuǎn)移。3.如權(quán)利要求2所述的無(wú)源型混合直流斷路器，其特征在于，所述全控電力電子單元由全控器件反向串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)全控器件兩端均反并聯(lián)有續(xù)流二極管； 或所述全控電力電子單元由全控器件反向并聯(lián)構(gòu)成； 或所述全控電力電子單元由全控器件與電容構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)，每個(gè)全控器件兩端都有反并聯(lián)續(xù)流二極管。4.如權(quán)利要求3所述的無(wú)源型混合直流斷路器，其特征在于，所述全控器件為IGCT、IGBT或GTO。5.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源型混合直流斷路器，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)移電流支路由兩組反向并聯(lián)的晶閘管閥Tl構(gòu)成;所述第二轉(zhuǎn)移電流支路由電容C、電感L和一組反并聯(lián)的晶閘管閥T2構(gòu)成，所述電容C的負(fù)極與電感L 一端連接，電感的另一端和晶閘管閥T2的一端連接線(xiàn)均與電阻R—端相連，電阻R另一端接地； 所述第一轉(zhuǎn)移電流支路用于導(dǎo)通直流系統(tǒng)故障短路電流以及為第二轉(zhuǎn)移電流支路電容C和電感L提供振蕩通路;所述第一轉(zhuǎn)移電流支路導(dǎo)通由主通流支路轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的系統(tǒng)故障電流，為主通流支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K創(chuàng)造零電壓和零電流分?jǐn)鄺l件;為第二轉(zhuǎn)移電流支路電容C電壓經(jīng)電感L振蕩反向提供放電通路； 所述第二轉(zhuǎn)移電流支路用于向第一轉(zhuǎn)移電流支路注入反向電流，強(qiáng)迫第一轉(zhuǎn)移電流支路晶閘管閥Tl關(guān)斷;所述第二轉(zhuǎn)移電流支路電容C、電感L通過(guò)晶閘管閥T2觸發(fā)，向第一轉(zhuǎn)移電流支路注入反向電流，強(qiáng)迫直流系統(tǒng)故障電流換相至第二轉(zhuǎn)移電流支路;其中，接地電阻R在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)為電容C提供從直流系統(tǒng)取能通路，并限制直流系統(tǒng)對(duì)電容C充電電流。6.如權(quán)利要求5所述的無(wú)源型混合直流斷路器，其特征在于，所述晶閘管閥Tl由反并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管閥Tll和T12構(gòu)成;所述晶閘管閥T2由反并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管閥T21和T22構(gòu)成。7.如權(quán)利要求1所述的無(wú)源型混合直流斷路器，其特征在于，所述能量吸收支路由避雷器組串聯(lián)構(gòu)成;所述能量吸收支路用于消耗直流系統(tǒng)故障電流，并抑制分?jǐn)噙^(guò)電壓。8.—種如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的基于晶閘管的無(wú)源型混合直流斷路器的應(yīng)用方法，其特征在于，所述方法針對(duì)直流系統(tǒng)直流斷路器線(xiàn)路側(cè)發(fā)生故障時(shí)和直流短路器電源側(cè)發(fā)生故障時(shí)兩種情況實(shí)施不同的操作。9.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用方法，其特征在于，當(dāng)直流斷路器線(xiàn)路側(cè)發(fā)生故障時(shí): 1)閉鎖主通流支路，同時(shí)觸發(fā)第一轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥Tll和第二轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥T21; 2)電流全部轉(zhuǎn)移至第一轉(zhuǎn)移電流支路后，分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)K; 3)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K完成分?jǐn)嗪?，觸發(fā)第二轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥T22。10.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用方法，其特征在于，當(dāng)直流短路器電源側(cè)發(fā)生故障時(shí):1)閉鎖主通流支路，同時(shí)觸發(fā)第一轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥T12;2)電流全部轉(zhuǎn)移至第一轉(zhuǎn)移電流支路后，分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)K;3)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)K完成分?jǐn)嗪螅|發(fā)第二轉(zhuǎn)移電流支路的晶閘管閥T21。
【文檔編號(hào)】H02H3/087GK105870877SQ201610142791
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月14日
【發(fā)明人】周萬(wàn)迪, 魏曉光, 賀之淵, 張升, 陳龍龍, 劉遠(yuǎn)
【申請(qǐng)人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司