一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器及其控制方法，直流斷路器包括避雷器、主開關電路和輔助開關電路；避雷器與主開關支路并聯(lián)；主開關支路包括兩組結構相同的串聯(lián)的第一斷流單元和第二斷流單元；在第一斷流單元和第二斷流單元兩端分別并聯(lián)結構相同的第一輔助開關電路和第二輔助開關電路。輔助開關電路包括晶閘管-電抗串聯(lián)支路、電容、電阻和由一個晶閘管與二極管構成的閥段。本發(fā)明通過注入反向電流的方法使得直流電流過零來將其分斷。本發(fā)明采用半控型器件晶閘管構成直流斷路器拓撲，可應用于高壓大電流場合，成本較低，技術成熟，控制簡易，損耗較低。
【專利說明】一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子【技術領域】，具體涉及一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器及其控制方法。
【背景技術】
[0002]多端直流輸電技術能夠實現(xiàn)多電源供電、多落點受電，是一種靈活、快捷、經濟的輸電方式，滿足電力工業(yè)的發(fā)展需求。直流斷路器是多端直流輸電工程中一種十分重要的設備，在多端直流系統(tǒng)中采用直流斷路器才能充分發(fā)揮多端直流系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢，然而直流斷路器開斷直流電流過程承受電壓極高，需要吸收的能量特別大，要求開斷速度快，可靠性高，而且需要開斷雙向電流。目前，一些學者正在研究與其對應的直流斷路器。
【發(fā)明內容】
[0003]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器及其控制方法，核心是基于電流轉移原理采用疊加反向電流的方式分斷直流電流，實現(xiàn)了電流的雙向分斷，為直流斷路器的研制提供了一條嶄新的技術路線。
[0004]本發(fā)明提供的一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器，兩端分別連接電抗后接入直流系統(tǒng)；所述直流斷路器包括避雷器、主開關支路和輔助支路；所述避雷器與所述主開關支路并聯(lián)；其改進之處在于，
[0005]所述主開關支路包括兩組結構相同的串聯(lián)的第一斷流單元和第二斷流單元；在所述第一斷流單元兩端并聯(lián)設置第一輔助開關電路；在所述第二斷流單元兩端并聯(lián)設置第二輔助開關電路；
[0006]所述第一輔助開關電路包括晶閘管T13-電抗LI串聯(lián)支路、電容Cl、電阻R1、晶閘管Tll和二極管Dl ;晶閘管Tll和二極管Dl反并聯(lián)構成第一閥段，與所述第一斷流單元并聯(lián)；所述晶閘管T13-電抗LI串聯(lián)支路和所述電容Cl對地并聯(lián)接于所述第一閥段兩端，并通過所述電阻Rl接地；
[0007]所述第二輔助開關電路包括晶閘管T23-電抗L2串聯(lián)支路、電容C2、電阻R2、晶閘管T21和二極管D2 ;晶閘管T21和二極管D2反并聯(lián)構成第二閥段，與所述第二斷流單元并聯(lián)；所述晶閘管T23-電抗L2串聯(lián)支路和所述電容C2對地并聯(lián)接于所述第二閥段兩端，并通過所述電阻R2接地。
[0008]其中，所述第一斷流單元包括隔離開關BRK1、晶閘管Tl和晶閘管T12 ；
[0009]所述晶閘管Tl和所述晶閘管T12反并聯(lián)后與所述隔離開關BRKl串聯(lián)；
[0010]所述第二斷流單元包括隔離開關BRK2、晶閘管T2和晶閘管T22 ；
[0011]所述晶閘管T2和所述晶閘管T22反并聯(lián)后與所述隔離開關BRK2串聯(lián)。
[0012]其中，所述第一輔助開關電路中，所述晶閘管T13的陽極與所述二極管Dl的負極連接，其陰極與所述電抗LI的一端連接；所述電容Cl 一端與所述二極管Dl的正極連接；所述電容Cl另一端與所述電抗LI的另一端連接；所述電抗LI通過所述電阻Rl接地；[0013]所述第二輔助開關電路中，所述晶閘管T23的陽極與所述二極管D2的負極連接，其陰極與所述電抗L2的一端連接；所述電容C2 —端與所述二極管D2的正極連接；所述電容C2另一端與所述電抗L2的另一端連接；所述電抗L2通過所述電阻R2接地。
[0014]其中，所述第一輔助開關電路中的所述二極管D1、所述晶閘管Tll和所述晶閘管T13的個數均為兩個以上；
[0015]所述第二輔助開關電路中的所述二極管D2、所述晶閘管T21和所述晶閘管T23的個數均為兩個以上。
[0016]其中，所述第一閥段中的二極管Dl和所述第二閥段中的二極管D2負極相接，正極與線路中的限流電抗器連接。
[0017]本發(fā)明基于另一目的提供的一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器的控制方法，其改進之處在于，所述控制方法包括如下步驟:
[0018]開通過程:
[0019](I)將直流斷路器接入電路中，并保持晶閘管Tl、晶閘管T2、晶閘管T12、晶閘管T22、晶閘管TH、晶閘管T21、晶閘管T13和晶閘管T23為閉鎖狀態(tài)，隔離開關BRKl和隔離開關BRK2為打開狀態(tài)；
[0020](2)閉合第一斷流單元中的隔離開關BRK1，并觸發(fā)所述第一斷流單元中的晶閘管Tl ；
[0021](3)閉合第二斷流單元中的隔離開關BRK2，并觸發(fā)所述第二斷流單元中的晶閘管T2 ；
[0022]關斷過程:
[0023]I)觸發(fā)導通第一輔助開關電路中的晶閘管T13 ；
[0024]2)斷開所述第一斷流單元中的隔離開關BRKl ；
[0025]3)避雷器動作并吸收能量；
[0026]4)斷開所述第二斷流單元中的隔離開關BRK2。
[0027]本發(fā)明基于另一目的提供的一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器的控制方法，其改進之處在于，所述控制方法包括如下步驟:
[0028]開通過程:
[0029](I)將直流斷路器接入電路中，并保持晶閘管Tl、晶閘管T2、晶閘管T12、晶閘管T22、晶閘管TH、晶閘管T21、晶閘管T13和晶閘管T23為閉鎖狀態(tài)，隔離開關BRKl和隔離開關BRK2為打開狀態(tài)；
[0030](2)閉合第二斷流單元中的隔離開關BRK2，并觸發(fā)所述第二斷流單元中的晶閘管T22 ；
[0031](3)閉合第一斷流單元中的隔離開關BRK1，并觸發(fā)所述第一斷流單元中的晶閘管T12 ；
[0032]關斷過程:
[0033]I)觸發(fā)導通第二輔助開關電路中的晶閘管T23 ；
[0034]2)斷開所述第二斷流單元中的隔離開關BRK2 ；
[0035]3)避雷器動作并吸收能量；
[0036]4)斷開所述第一斷流單元中的隔離開關BRKl。[0037]與現(xiàn)有技術比，本發(fā)明的有益效果為:
[0038]本發(fā)明結合了強迫換流思想和電流轉移分斷思想，實現(xiàn)了大容量系統(tǒng)直流電流的分斷。
[0039]本發(fā)明采用半控型器件晶閘管構成直流斷路器拓撲，利用半控型器件代替昂貴的全控型器件，通態(tài)損耗低，制造成本和散熱要求較低，技術成熟。
[0040]本發(fā)明可應用于高壓大電流場合，拓撲結構簡單緊湊，控制簡易，可擴展性高。
[0041]本發(fā)明應用快速隔離開關，實現(xiàn)了多工況雙向直流電流分斷，分斷過程無弧快速。
[0042]本發(fā)明利用輔助開關電路實現(xiàn)了直流斷路器的軟開通，減小了功率器件開通過程所承受的應力。
[0043]本發(fā)明屬于混合型高壓直流斷路器，結合了機械式直流斷路器和固態(tài)直流斷路器二者的優(yōu)勢，研發(fā)難度相對較小，適用于各種多端直流系統(tǒng)。
[0044]本發(fā)明利用線路為輔助開關回路中電容器充電，不需額外增加充電設備，從而降低設備間電氣隔離難度，減少占地面積和成本，易于工程化實現(xiàn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045]圖1為本發(fā)明提供的直流斷路器結構圖。
[0046]圖2為本發(fā)明提供的分斷故障電流的波形示意圖。
[0047]圖3為本發(fā)明提供的分斷負荷電流的波形示意圖。
【具體實施方式】
[0048]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0049]本實施例提出的一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器，其通過兩端分別串聯(lián)限流電抗器后接入電網，其結構如圖1所示，包括避雷器、主開關支路和輔助開關電路；其避雷器與主開關支路并聯(lián)。
[0050]本實施例的主開關支路包括兩組結構相同的第一斷流單元和第二斷流單元；第一斷流單元包括隔離開關BRK1、晶閘管Tl和晶閘管T12 ;晶閘管Tl和晶閘管T12反并聯(lián)后與隔離開關BRKl串聯(lián)；第二斷流單元包括隔離開關BRK2、晶閘管T2和晶閘管T22 ;晶閘管T2和晶閘管T22反并聯(lián)后與隔離開關BRK2串聯(lián)。第一斷流單元和第二斷流單元串聯(lián)，構成主開關支路。本實施例在第一斷流單元兩端并聯(lián)設置第一輔助開關電路；在第二斷流單元兩端并聯(lián)設置第二輔助開關電路。
[0051]如圖1所示，第一輔助開關電路包括晶閘管T13-電抗LI串聯(lián)支路、電容Cl、電阻R1、晶閘管Tll和二極管Dl ;晶閘管Tll和二極管Dl反并聯(lián)構成第一閥段，與第一斷流單元并聯(lián)；晶閘管T13-電抗LI串聯(lián)支路和電容Cl對地并聯(lián)接于第一閥段兩端，并通過電阻Rl接地。
[0052]第二輔助開關電路包括晶閘管T23-電抗L2串聯(lián)支路、電容C2、電阻R2、晶閘管T21和二極管D2 ；晶閘管T21和二極管D2反并聯(lián)構成第二閥段，與第二斷流單元并聯(lián)；晶閘管T23-電抗L2串聯(lián)支路和電容C2對地并聯(lián)接于第二閥段兩端，并通過電阻R2接地。
[0053]圖1中，兩組閥段中，二極管D2和晶閘管T21反并聯(lián)，二極管Dl和晶閘管Tll反并聯(lián)。其中每段閥段中的二極管Dl和D2，晶閘管Tll和晶閘管T21的個數均為多個(圖中只用一個標示)，且為串聯(lián)結構。二極管Dl和二極管D2方向相反，晶閘管Tll和晶閘管T21方向相反。
[0054]對于第一閥段所在的第一輔助開關電路，晶閘管T13的陽極與二極管Dl的負極連接，其陰極與電抗LI連接；電抗LI的另一端與電容Cl的一端連接，電容Cl的另一端與二極管Dl的正極連接，電抗LI與電容Cl之間通過電阻Rl接地，Rl起限流作用，電抗LI起抑制短路電流作用。其中晶閘管T13也由至少一個的晶閘管同向串聯(lián)構成。
[0055]對于第二閥段所在的第二輔助開關電路，晶閘管T23的陽極與二極管D2的負極連接，其陰極與電抗L2連接；電抗L2的另一端與電容C2的一端連接，電容C2的另一端與二極管D2的正極連接，電抗L2與電容C2之間通過另一個電阻R2接地，R2起限流作用，電抗L2起抑制短路電流作用。其中晶閘管T23也由至少一個的晶閘管同向串聯(lián)構成。
[0056]對應的，本實施例提出一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器的控制方法，由于本實施例的斷路器結構對稱，雙向流通電流的分斷機理完全相同，僅取正向做原理分析，反方向可類比，附圖1中所示電流方向Id。為電流的正方向。對于切斷故障短路電流和切斷負荷電流的不同工況，本斷路器工作原理相同，故做統(tǒng)一說明。本實施例包括如下步驟:
[0057]開通過程:
[0058]電容Cl和C2利用線路通過輔助開關電路Cl-R及C2-R充電并保持常帶電狀態(tài)，電壓穩(wěn)定在系統(tǒng)額定電壓水平。開通時，先閉合快速隔離開關BRK1，然后觸發(fā)導通Tl，電流通過D2-BRK1-T1支路，待電流穩(wěn)定后閉合快速隔離開關BRK2，然后觸發(fā)導通晶閘管T2，由于D2所在支路阻抗遠大于T2支路，電流會迅速向BRK2-T2-BRK1-T1支路轉移，待電流穩(wěn)定后，電流穩(wěn)定通過BRK2-T2-BRK1-T1支路，至此斷路器完全投入穩(wěn)定運行狀態(tài)，開通過程結束。
[0059]關斷過程:
[0060]斷路器需要動作分斷電流時，觸發(fā)導通T13，由于電容電壓的作用，電容器Cl迅速在C1-T1-BRK1-T13-L1回路產生一個與線路正向電流反向的脈沖電流，使得晶閘管Tl中電流過零，由于Dl導通給Tl提供反向電壓，晶閘管Tl關斷，此時快速機械隔離開關BRKl在無電流情況快速動作分閘；當BRKl恢復阻斷能力后，電流完全轉移到BRK2-T2-T13-L1-C1支路，同時給電容器Cl充電，使得電容Cl電壓由上正下負變?yōu)樯县撓抡c圖示方向相反。當此支路電壓達到避雷器MOV動作電壓時，MOV動作，電流轉移到MOV所在支路，MOV吸收線路及限流電感中儲存的能量，當電容器Cl充電電流為零時，晶閘管T13關斷，BRK2分閘，待避雷器中電流逐漸減小至0，避雷器恢復阻斷狀態(tài)，至此流經直流斷路器電流完全分斷，關斷過程結束。
[0061]如圖2所示，為分斷故障電流的波形示意圖。通過對本實施例提出的直流斷路器的操控，從圖中可以看出，經過1.4ms主支路直流電流分斷，最終電流轉移至避雷器進行能
量耗散。
[0062]如圖3所示，為分斷負荷電流的波形示意圖。通過對本實施例提出的直流斷路器的操控，從圖中可以看出，經過1.3ms主支路直流電流分斷，最終電流轉移至避雷器進行能
量耗散。
[0063]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進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，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器，兩端分別連接電抗后接入直流系統(tǒng)；所述直流斷路器包括避雷器、主開關支路和輔助支路；所述避雷器與所述主開關支路并聯(lián)；其特征在于， 所述主開關支路包括兩組結構相同的串聯(lián)的第一斷流單元和第二斷流單元；在所述第一斷流單元兩端并聯(lián)設置第一輔助開關電路；在所述第二斷流單元兩端并聯(lián)設置第二輔助開關電路； 所述第一輔助開關電路包括晶閘管T13-電抗LI串聯(lián)支路、電容Cl、電阻R1、晶閘管Tll和二極管Dl ;晶閘管Tll和二極管Dl反并聯(lián)構成第一閥段，與所述第一斷流單元并聯(lián)；所述晶閘管T13-電抗LI串聯(lián)支路和所述電容Cl對地并聯(lián)接于所述第一閥段兩端，并通過所述電阻Rl接地； 所述第二輔助開關電路包括晶閘管T23-電抗L2串聯(lián)支路、電容C2、電阻R2、晶閘管T21和二極管D2 ;晶閘管T21和二極管D2反并聯(lián)構成第二閥段，與所述第二斷流單元并聯(lián)；所述晶閘管T23-電抗L2串聯(lián)支路和所述電容C2對地并聯(lián)接于所述第二閥段兩端，并通過所述電阻R2接地。
2.如權利要求1所述的直流斷路器，其特征在于，所述第一斷流單元包括隔離開關BRKl、晶閘管Tl和晶閘管T12 ； 所述晶閘管Tl和所述晶閘管T12反并聯(lián)后與所述隔離開關BRKl串聯(lián)； 所述第二斷流單元包括隔離開關BRK2、晶閘管T2和晶閘管T22 ； 所述晶閘管T2和所述晶閘管T22反并聯(lián)后與所述隔離開關BRK2串聯(lián)。
3.如權利要求2所述的直流斷路器，其特征在于，所述第一輔助開關電路中，所述晶閘管T13的陽極與所述二極管Dl的負極連接，其陰極與所述電抗LI的一端連接；所述電容Cl一端與所述二極管Dl的正極連接；所述電容Cl另一端與所述電抗LI的另一端連接；所述電抗LI通過所述電阻Rl接地； 所述第二輔助開關電路中，所述晶閘管T23的陽極與所述二極管D2的負極連接，其陰極與所述電抗L2的一端連接；所述電容C2 —端與所述二極管D2的正極連接；所述電容C2另一端與所述電抗L2的另一端連接；所述電抗L2通過所述電阻R2接地。
4.如權利要求2所述的直流斷路器，其特征在于，所述第一輔助開關電路中的所述二極管D1、所述晶閘管Tll和所述晶閘管T13的個數均為兩個以上； 所述第二輔助開關電路中的所述二極管D2、所述晶閘管T21和所述晶閘管T23的個數均為兩個以上。
5.如權利要求1-4任一所述的直流斷路器，其特征在于，所述第一閥段中的二極管Dl和所述第二閥段中的二極管D2負極相接，正極與線路中的限流電抗器連接。
6.一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步驟: 開通過程: (1)將直流斷路器接入電路中，并保持晶閘管T1、晶閘管T2、晶閘管T12、晶閘管T22、晶閘管T11、晶閘管T21、晶閘管T13和晶閘管T23為閉鎖狀態(tài)，隔離開關BRKl和隔離開關BRK2為打開狀態(tài)； (2)閉合第一斷流單元中的隔離開關BRK1，觸發(fā)導通所述第一斷流單元中的晶閘管Tl ； (3)閉合第二斷流單元中的隔離開關BRK2，觸發(fā)導通所述第二斷流單元中的晶閘管T2 ； 關斷過程: 1)觸發(fā)導通第一輔助開關電路中的晶閘管T13; 2)斷開所述第一斷流單元中的隔離開關BRKl； 3)避雷器動作并吸收能量； 4)斷開所述第二斷流單元中的隔離開關BRK2。
7.一種多端直流系統(tǒng)用直流斷路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步驟: 開通過程: (1)將直流斷路器接入電路中，并保持晶閘管Tl、晶閘管T2、晶閘管T12、晶閘管T22、晶閘管T11、晶閘管T21、晶閘管T13和晶閘管T23為閉鎖狀態(tài)，隔離開關BRKl和隔離開關BRK2為打開狀態(tài)； (2)閉合第二斷流單元中的隔 離開關BRK2，觸發(fā)導通所述第二斷流單元中的晶閘管T22 ； (3)閉合第一斷流單元中的隔離開關BRK1，觸發(fā)導通所述第一斷流單元中的晶閘管T12 ； 關斷過程: 1)觸發(fā)導通第二輔助開關電路中的晶閘管T23; 2)斷開所述第二斷流單元中的隔離開關BRK2； 3)避雷器動作并吸收能量； 4)斷開所述第一斷流單元中的隔離開關BRKl。
【文檔編號】H02J1/00GK103457258SQ201310359625
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權日:2013年8月16日
【發(fā)明者】溫家良, 邱宇峰, 藥韜, 郭高朋, 楊杰 申請人:國家電網公司, 國網智能電網研究院