一種全固態(tài)直流斷路器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種全固態(tài)直流斷路器及其控制方法，直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)連接的承壓開關(guān)和換流開關(guān)組成的換流支路、與換流支路并聯(lián)的斷流支路、與換流支路并聯(lián)的能量吸收支路和剩余電流切斷開關(guān)，剩余電流切斷開關(guān)與并聯(lián)連接的換流支路、斷流支路以及能量吸收支路串聯(lián)連接于輸電線路的主回路中，本發(fā)明提供的直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)新穎簡潔，功能全面，控制方法簡單，可以實現(xiàn)無弧快速切斷短路電流的功能，且承壓開關(guān)，換流開關(guān)和斷流開關(guān)均能夠通過電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)來實現(xiàn)模塊化，降低了對電力電子器件一致性的要求，易于實現(xiàn)串聯(lián)使用。
【專利說明】一種全固態(tài)直流斷路器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓直流輸電技術(shù)由于具有線路造價小，有功功率高，調(diào)節(jié)速度快等特點而越來越受到國內(nèi)外的重視。另外，多端柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)能、太陽能等可再生清潔能源固有的分散性、小型性、遠離負荷中心等缺陷提供了有效的解決辦法。而直流斷路器正是完善高壓直流輸電技術(shù)和多端柔性直流輸電技術(shù)，保證直流輸電系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵設(shè)備之一。
[0003]在交流系統(tǒng)中，交流電流在一個周期內(nèi)存在兩個自然過零點，交流斷路器可以利用電流的自然過零點來實現(xiàn)電流關(guān)斷；而在直流系統(tǒng)中，由于直流電流不存在自然過零點，無法消除高壓直流電弧，因此直流電流的開斷遠比交流電流的開斷困難。
[0004]目前，開斷直流電流主要有三種方式，一種是在常規(guī)交流機械斷路器的基礎(chǔ)上，通過增加輔助電路，人為地制造類似交流系統(tǒng)中的“過零點”來開斷電路，利用這種原理制造的機械式斷路器，分斷時間較長，壽命有限，通常無法滿足直流輸電系統(tǒng)的要求；一種是利用大功率半導(dǎo)體器件，直接分斷直流電流，利用這種原理制造的固態(tài)斷路器，雖然分斷時間短，無電弧，但通態(tài)損耗過大，且成本較高；而最新出現(xiàn)的機械開關(guān)-半導(dǎo)體開關(guān)的混合型結(jié)構(gòu)雖然結(jié)合了機械開關(guān)導(dǎo)通壓降小和半導(dǎo)體開關(guān)分斷速度快的優(yōu)點，但是由于混合型結(jié)構(gòu)中機械開關(guān)的存在，使得其分、合閘速度依然不夠迅速。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種全固態(tài)直流斷路器及其控制方法，實現(xiàn)了利用電力電子器件快速無弧切斷直流電流的功能。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0007]—種全固態(tài)直流斷路器，該直流斷路器包括剩余電流切斷開關(guān)、由串聯(lián)連接的承壓開關(guān)和換流開關(guān)組成的換流支路、與換流支路并聯(lián)的斷流支路以及與換流支路并聯(lián)的能量吸收支路，所述剩余電流切斷開關(guān)與并聯(lián)的換流支路、斷流支路和能量吸收支路相串聯(lián)連接于輸電線路的主回路中；所述承壓開關(guān)由M個承壓閥段串聯(lián)組成，每個承壓閥段包括至少一對反向并聯(lián)的晶閘管，當(dāng)承壓閥段包括多對反向并聯(lián)的晶閘管時，多對反向并聯(lián)的晶閘管間串聯(lián)連接。
[0008]所述換流開關(guān)包括反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。
[0009]所述斷流支路采用由N個串聯(lián)的斷流閥段組成的斷流開關(guān)。
[0010]每個斷流閥段包括若干個可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。
[0011]每個斷流閥段包括一對或多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件間串聯(lián)連接。[0012]所述剩余電流切斷開關(guān)為額定電壓低于系統(tǒng)額定電壓且具有切斷剩余電流能力的開關(guān)。
[0013]所述能量吸收支路采用避雷器。
[0014]上述全固態(tài)直流斷路器的控制方法，該控制方法包括以下步驟:
[0015]當(dāng)線路或設(shè)備發(fā)生短路故障時所述直流斷路器分閘的控制方法為:首先開通斷流支路，然后關(guān)斷換流開關(guān)，直流電流轉(zhuǎn)移至斷流支路，同時換流支路中的直流電流減??；當(dāng)換流支路中的直流電流減小到零后等待晶閘管恢復(fù)正向電壓阻斷能力，然后關(guān)斷斷流支路，主回路中剩余的能量由能量吸收支路吸收，最后斷開剩余電流切斷開關(guān)。
[0016]所述控制方法還包括以下步驟:
[0017]線路或設(shè)備故障排除后所述直流斷路器合閘的控制方法為:首先開通換流開關(guān)，待換流開關(guān)開通后開通承壓開關(guān)。
[0018]線路或設(shè)備工作正常時所述直流斷路器的工作狀態(tài)為:主回路中的電流從剩余電流切斷開關(guān)及換流支路中流過，斷流支路與能量吸收支路中沒有電流流過。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0020]本發(fā)明所述全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)新穎簡潔，功能全面，控制方法簡單，可以實現(xiàn)無弧快速切斷短路電流的功能，且換流支路和斷流支路均能夠通過電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)來實現(xiàn)模塊化，降低了對電力電子器件一致性的要求，易于實現(xiàn)串聯(lián)使用；本發(fā)明所述全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)中，由串聯(lián)的承壓開關(guān)和換流開關(guān)承擔(dān)正常導(dǎo)通電流，承壓開關(guān)由晶閘管構(gòu)成的多個閥段串聯(lián)組成，鑒于晶閘管與其它電力電子開關(guān)器件相比具有電壓等級高、通態(tài)壓降小的特點，因此電路的串聯(lián)級數(shù)少，通態(tài)損耗低，同時極大地提高了直流斷路器的容量和分斷能力，以及增大了直流斷路器的應(yīng)用電壓等級；另外，本發(fā)明由剩余電流切斷開關(guān)來最終切斷直流回路中的剩余電流，從而實現(xiàn)故障區(qū)域與線路的隔離，安全性好。
[0021]進一步的，本發(fā)明所述全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)中，由于換流開關(guān)、承壓開關(guān)、斷流開關(guān)均具有雙向電壓阻斷能力和雙向電流控制能力，因而整個直流斷路器具有雙向電壓阻斷能力和雙向電流控制能力，適用范圍廣，控制能力強。
[0022]進一步的，本發(fā)明所述全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)中，鑒于半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時間均在微秒級，因此理想情況下能夠在微秒級實現(xiàn)合閘與分閘，分閘和合閘速度快，提高了直流系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。
[0023]進一步的，本發(fā)明所述全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)中，通過關(guān)斷由可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的換流開關(guān)來將故障直流電流從換流支路切換到斷流支路，換流速度快，可控性強。
[0024]進一步的，本發(fā)明所述全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)中，通過關(guān)斷由可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成的斷流開關(guān)來切斷故障直流電流，無電弧切斷，分斷速度快，可控性強。
[0025]進一步的，本發(fā)明所述全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)中，由避雷器來限制直流斷路器的過電壓并且在斷流開關(guān)關(guān)斷時吸收回路中的剩余能量，可靠性好。
【專利附圖】

【附圖說明】[0026]圖1為本發(fā)明所述全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明所述承壓開關(guān)的示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明所述換流開關(guān)的示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明所述斷流開關(guān)的示意圖；
[0030]圖5為基于本發(fā)明所述承壓開關(guān)、換流開關(guān)和斷流開關(guān)的全固態(tài)直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖中:S為剩余電流切斷開關(guān)；Z為避雷器；TF1~TFm和Tri~TRm均為晶閘管,m為每個方向串聯(lián)晶閘管的數(shù)目；1和Tk均為可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件;MF1~MFl^PMK1~MKn均為可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，η為反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的對數(shù)。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。
[0033]本發(fā)明提出一種全固態(tài)直流斷路器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1、圖5所示，包括剩余電流切斷開關(guān)、由串聯(lián) 連接的承壓開關(guān)和換流開關(guān)組成的換流支路、與換流支路并聯(lián)的斷流支路以及與換流支路并聯(lián)的能量吸收支路，所述剩余電流切斷開關(guān)與并聯(lián)的換流支路、斷流支路和能量吸收支路相串聯(lián)連接于輸電線路的主回路中；參見圖2，所述承壓開關(guān)由M個承壓閥段串聯(lián)組成，每個承壓閥段由至少一對反向并聯(lián)的晶閘管及其輔助元件(輔助元件包括驅(qū)動供電電路、觸發(fā)板、阻尼均壓元件、冷卻單元和控制系統(tǒng)等)組成。當(dāng)承壓閥段包括多對反向并聯(lián)的晶閘管時，多對反向并聯(lián)的晶閘管間串聯(lián)連接。承壓開關(guān)具有雙向電壓阻斷能力和雙向電流控制能力。
[0034]參見圖3，所述換流開關(guān)由一對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件(如大功率IGBT、IEGT、GTO、IGCT等)及其輔助元件(輔助元件包括驅(qū)動供電電路、驅(qū)動板、阻尼均壓元件、冷卻單元和控制系統(tǒng)等)組成。當(dāng)換流開關(guān)采用多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件時，多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件間串聯(lián)連接。也可以采用其他現(xiàn)有串聯(lián)方式構(gòu)成換流開關(guān)。換流開關(guān)具有雙向電壓阻斷能力和雙向電流控制能力。
[0035]參見圖4，所述斷流支路采用斷流開關(guān)(斷流開關(guān)由N個斷流閥段串聯(lián)組成)。每個斷流閥段由一對或多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件(如大功率IGBT、IEGT,GTO、IGCT等)及其輔助元件(輔助元件包括驅(qū)動供電電路、驅(qū)動板、阻尼均壓元件、冷卻單元和控制系統(tǒng)等)組成。多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件間串聯(lián)連接。也可以采用其他現(xiàn)有串聯(lián)方式構(gòu)成斷流閥段。斷流開關(guān)具有雙向電壓阻斷能力和雙向電流控制能力。
[0036]所述剩余電流切斷開關(guān)為額定電壓低于系統(tǒng)額定電壓的所有具有切斷剩余電流能力的開關(guān)。
[0037]所述能量吸收支路采用避雷器，避雷器的作用是限制直流斷路器的過電壓并且在斷流開關(guān)關(guān)斷時吸收回路中的剩余能量。
[0038]換流支路用于線路正常工作時導(dǎo)通直流電流，或短路故障發(fā)生時將直流電流切換到斷流支路，換流支路具有雙向電壓阻斷能力和雙向電流控制能力；換流支路開通時只承受斷路器導(dǎo)通時的通態(tài)壓降；承壓開關(guān)斷開后與換流支路承受整個直流斷路器的電壓。
[0039]斷流支路負責(zé)在承壓開關(guān)斷開之后快速切斷回路中的直流電流，具有雙向電壓阻斷能力和雙向電流控制能力，斷流支路包括串聯(lián)連接的斷流單元。
[0040]能量吸收支路在斷流支路切斷回路直流電流后，能夠吸收直流輸電系統(tǒng)中電感儲存的能量。
[0041]本發(fā)明提出的全固態(tài)直流斷路器切斷直流電流后，剩余電流切斷開關(guān)最終切斷直流回路中的剩余電流，將故障與輸電線路完全隔離開。
[0042]m等于承壓開關(guān)的耐壓值除以選用的單個晶閘管的承壓值，同時可以考慮保留一定的安全裕量，m為非零正整數(shù)。M為非零正整數(shù)，當(dāng)每個承壓閥段僅包括一對反向并聯(lián)的晶閘管時，M = m ;當(dāng)承壓閥段包括多對反向并聯(lián)的晶閘管時，M〈m。
[0043]η等于斷流開關(guān)的耐壓值除以選用的單個可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的承壓值，同時可以考慮保留一定的安全裕量，η為非零正整數(shù)。N為非零正整數(shù)，當(dāng)每個斷流閥段僅包括一對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件時，N = η ;當(dāng)斷流閥段包括多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件時，Ν〈η。
[0044]上述全固態(tài)直流斷路器的控制方法，描述如下:
[0045]Α、線路或設(shè)備工作正常時直流斷路器的工作狀態(tài)為:主回路中的電流從剩余電流切斷開關(guān)及換流支路中流過，斷流支路與能量吸收支路中沒有電流流過。
[0046]B、當(dāng)線路或設(shè)備發(fā)生短路故障時直流斷路器分閘的控制方法為:首先迅速開通斷流開關(guān)，然后關(guān)斷換流開關(guān)，換流支路中的直流電流迅速轉(zhuǎn)移至斷流支路，同時換流支路中的直流電流迅速減??；待換流支路中的直流電流減小到零后，等待一段時間使晶閘管恢復(fù)正向電壓阻斷能力，然后即可無弧關(guān)斷斷流開關(guān)，主回路中剩余的能量由與斷流開關(guān)并聯(lián)的避雷器吸收，最后斷開剩余電流切斷開關(guān)后，整個直流斷路器具有了完全阻斷直流電流和電壓的能力，實現(xiàn)了隔離故障設(shè)備與直流線路的目的，至此直流斷路器分閘完成。
[0047]C、線路或設(shè)備故障排除后直流斷路器合閘的控制方法為:首先開通換流開關(guān)，待換流開關(guān)完全開通后開通承壓開關(guān)。
[0048]本發(fā)明采用的全固態(tài)直流斷路器，鑒于半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時間均在微秒級，因此理想情況下能夠在微秒級實現(xiàn)合閘與分閘，這極大地提高了直流斷路器的開關(guān)速度，提高了直流系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。
[0049]本發(fā)明采用的承壓開關(guān)，換流開關(guān)和斷流開關(guān)均能夠通過電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)來實現(xiàn)模塊化，降低了對電力電子器件一致性的要求，易于實現(xiàn)串聯(lián)使用，同時也具有一定的經(jīng)濟性。
[0050]本發(fā)明可串聯(lián)應(yīng)用于IkV及以上電壓等級的中、高壓直流傳輸線路中。當(dāng)線路或直流設(shè)備出現(xiàn)故障時，直流斷路器可以迅速動作，將直流設(shè)備與線路斷開，以達到保護線路和直流設(shè)備的目的。
[0051]最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進行限制。
【權(quán)利要求】
1.一種全固態(tài)直流斷路器，其特征在于:該直流斷路器包括剩余電流切斷開關(guān)、由串聯(lián)連接的承壓開關(guān)和換流開關(guān)組成的換流支路、與換流支路并聯(lián)的斷流支路以及與換流支路并聯(lián)的能量吸收支路，所述剩余電流切斷開關(guān)與并聯(lián)的換流支路、斷流支路和能量吸收支路相串聯(lián)連接于輸電線路的主回路中；所述承壓開關(guān)由M個承壓閥段串聯(lián)組成，每個承壓閥段包括至少一對反向并聯(lián)的晶閘管，當(dāng)承壓閥段包括多對反向并聯(lián)的晶閘管時，多對反向并聯(lián)的晶閘管間串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種全固態(tài)直流斷路器，其特征在于:所述換流開關(guān)包括反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種全固態(tài)直流斷路器，其特征在于:所述斷流支路采用由N個串聯(lián)的斷流閥段組成的斷流開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種全固態(tài)直流斷路器，其特征在于:每個斷流閥段包括若干個可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種全固態(tài)直流斷路器，其特征在于:每個斷流閥段包括一對或多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，多對反向串聯(lián)的可控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件間串聯(lián)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種全固態(tài)直流斷路器，其特征在于:所述剩余電流切斷開關(guān)為額定電壓低于系統(tǒng)額定電壓且具有切斷剩余電流能力的開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種全固態(tài)直流斷路器，其特征在于:所述能量吸收支路采用避雷器。
8.—種如權(quán)利要求1所述全固態(tài)直流斷路器的控制方法，其特征在于:該控制方法包括以下步驟: 當(dāng)線路或設(shè)備發(fā)生短路故障時所述直流斷路器分閘的控制方法為:首先開通斷流支路，然后關(guān)斷換流開關(guān)，直流電流轉(zhuǎn)移至斷流支路，同時換流支路中的直流電流減??；當(dāng)換流支路中的直流電流減小到零后等待晶閘管恢復(fù)正向電壓阻斷能力，然后關(guān)斷斷流支路，主回路中剩余的能量由能量吸收支路吸收，最后斷開剩余電流切斷開關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種全固態(tài)直流斷路器的控制方法，其特征在于:所述控制方法還包括以下步驟: 線路或設(shè)備故障排除后所述直流斷路器合閘的控制方法為:首先開通換流開關(guān)，待換流開關(guān)開通后開通承壓開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種全固態(tài)直流斷路器的控制方法，其特征在于:線路或設(shè)備工作正常時所述直流斷路器的工作狀態(tài)為:主回路中的電流從剩余電流切斷開關(guān)及換流支路中流過，斷流支路與能量吸收支路中沒有電流流過。
【文檔編號】H03K17/04GK103997322SQ201410228403
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】楊旭, 朱曉斐, 張帆, 任宇 申請人:西安交通大學(xué)