一种可控电压源振荡型直流断路器及其应用方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种可控电压源振荡型直流断路器及其应用方法。

背景技术

高压可控电压源振荡型直流断路器是多端及直流电网构建的核心设备之一，同时也是是直流输电系统灵活转换运行方式和开断故障电流的重要设备。其技术经济性直接影响了直流电网应用的灵活性与广泛性。

目前，高压可控电压源振荡型直流断路器主要有两种技术路线，一种为混合式可控电压源振荡型直流断路器，该断路器正常运行由机械开关通流，故障时利用辅助换流支路等将电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。该类型断路器通态损耗低，分断速度快，但是需要使用大量的全控器件串联，成本较高。另一种是机械式可控电压源振荡型直流断路器，通过预充电电容反向注入电流实现机械开关熄弧，最终完成直流开断，然而该类型断路器所需要电容容量大、电压高，且面临高压触发开关的经济性和可靠性设计问题。

由此可见，现有的混合式可控电压源振荡型直流断路器或机械式可控电压源振荡型直流断路器难以同时满足大规模直流电网建设对可控电压源振荡型直流断路器技术性与经济性双重要求，限制了高压可控电压源振荡型直流断路器在多端及直流电网中规模化应用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种可控电压源振荡型直流断路器及其应用方法，以解决现有混合式可控电压源振荡型直流断路器或机械式可控电压源振荡型直流断路器难以同时满足大规模直流电网建设对可控电压源振荡型直流断路器技术性与经济性双重要求的技术问题。

本发明实施例提供的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种可控电压源振荡型直流断路器，该可控电压源振荡型直流断路器包括：主通流支路、电流注入支路、电压振荡支路以及能量耗散支路，所述电流注入支路包括脉冲电容和直流电容，所述电流注入支路与所述主通流支路并联连接，所述电压振荡支路并联在所述脉冲电容的两端，所述能量耗散支路与所述主通流支路并联连接；所述主通流支路用于导通直流负荷电流，所述电压振荡支路用于改变所述脉冲电容的电压极性，所述电流注入支路用于实现脉冲电容振荡升压及向所述主通流支路注入反向电流，所述能量耗散支路用于完成能量耗散吸收与电流清除。

可选地，所述主通流支路包括：至少一个机械开关。

可选地，所述电流注入支路还包括：电感和晶闸管阀，所述电感、晶闸管阀、直流电容以及脉冲电容串联连接。

可选地，所述电流注入支路还包括：电感和晶闸管全桥模块，晶闸管全桥模块包括串联连接的第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管以及第四晶闸管，所述电感、直流电容以及脉冲电容串联连接，所述第一晶闸管的阳极连接所述第四晶闸管的阳极、所述直流电容的一端以及所述主通流支路的一端，所述第二晶闸管的阴极连接所述第三晶闸管的阴极、所述直流电容的另一端以及所述电感的一端。

可选地，所述电压振荡支路包括：串联连接的球隙和第三控制电路。

可选地，所述第三控制电路包括：第一辅助晶闸管。

可选地，所述第三控制电路包括：串联连接的第二辅助晶闸管和第三辅助晶闸管。

可选地，该可控电压源振荡型直流断路器还包括：直流电源，所述直流电源用于为所述直流电容充电。

可选地，所述直流电容的预充电电压小于第一预设值，所述脉冲电容的容值小于第二预设值。

本发明实施例第二方面提供一种可控电压源振荡型直流断路器的应用方法，该方法包括：

当所述可控电压源振荡型直流断路器所在电力系统发生短路故障后，可控电压源振荡型直流断路器接收到开断命令时，向主通流支路发出分闸命令；触发电流注入支路晶闸管阀，所述电流注入支路的直流电容向所述主通流支路第一次注入反向电流，同时对脉冲电容充电；第一次充电完成后，控制电压振荡支路导通，使得所述电流注入支路中脉冲电容的电压极性振荡反向；再次触发电流注入支路晶闸管阀，所述电流注入支路的直流电容向所述主通流支路第二次注入反向电流，重复上述过程，直至注入反向电流达到故障电流峰值，实现主通流支路熄弧；电力系统的短路电流对脉冲电容持续充电，直至其电压达到能量耗散支路的保护阈值时，电流转移至所述能量耗散支路中，直至完成能量耗散吸收与电流清除。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器，通过在电路中设计主通流支路、电流注入支路、电压振荡支路以及能量耗散支路，当发生故障时，电流注入支路可以向主通流支路注入反向电流，同时，通过设置的电压振荡支路能够使得脉冲电容电压极性振荡反向，由此，通过重复电流注入以及振荡反向的过程可以不断提升注入电流的幅值，直至完成熄弧，最后通过能量耗散过程能够完成能量耗散吸收以及电流清除。实现了该可控电压源振荡型直流断路器直流开断过程。

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器，通过设置电流注入支路以及电压振荡支路，可以通过电压振荡支路不断提升向主通流支路注入反向电流的幅值，由此，电流注入支路中设计的直流电容和脉冲电容可以分别选择低压高容值以及高压低容值，相比现有技术中可控电压源振荡型直流断路器采用电容容量大电压高的电容器组，会造成可控电压源振荡型直流断路器体积大、成本高的问题，该低压高容值的直流电容和高压低容值的脉冲电容可以大幅降低电容的成本以及体积。同时可以显著降低高压电容容值及减少电力电子器件的数量，大幅降低可控电压源振荡型直流断路器的成本及体积。

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器及其应用方法中，主通流支路仅包含有机械开关，通流损耗低，且不需要水冷。在注入电流实现熄弧的过程中，通过直流电容与脉冲电容多次高频振荡实现注入电流幅值的提升，其中直流电容所需要预充电电压较低，因此，触发电流注入支路中的晶闸管阀或晶闸管全桥模块所需要的电压较低，由此晶闸管阀或或晶闸管全桥模块中的晶闸管可以选择耐受电压低的晶闸管，所需器件数量少；为实现高频振荡，脉冲电容容值可设计为微法级别，即脉冲电容可以选择一个高压低容值的电容器组，大幅降低了电容的成本及体积。此外，在电压振荡支路中，球隙用于耐受开断暂态电压，而辅助晶闸管仅耐受电流注入支路在电流振荡过程中脉冲电容两端的电压，不超过数十千伏，因此所需要器件也较少。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中可控电压源振荡型直流断路器的结构示意图；

图2为本发明另一实施例中可控电压源振荡型直流断路器的结构示意图；

图3(a)至图3(f)为本发明实施例中可控电压源振荡型直流断路器工作原理的结构示意图；

图4为本发明实施例中可控电压源振荡型直流断路器的应用方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种可控电压源振荡型直流断路器，如图1所示，该可控电压源振荡型直流断路器包括：主通流支路10、电流注入支路20、电压振荡支路30以及能量耗散支路40，电流注入支路20包括脉冲电容C1和直流电容C2，电流注入支路20与主通流支路10并联连接，电压振荡支路30并联在所述脉冲电容C1的两端，能量耗散支路40与主通流支路10并联连接；主通流支路10用于导通直流负荷电流，电压振荡支路30用于改变脉冲电容C1的电压极性，电流注入支路20用于实现脉冲电容C1振荡升压及向主通流支路10注入反向电流，能量耗散支路40用于完成能量耗散吸收与电流清除。

在一实施例中，直流电容C2的预充电电压小于第一预设值，脉冲电容C1的容值小于第二预设值。在一具体实施方式中，直流电容C2的预充电电压可以小于几十伏，例如可以是20V至60V；脉冲电容C1的容值可以是微法级别，例如可以是10微法至100微法，即脉冲电容C1可以选择高压低容值的电容器组。

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器，通过在电路中设计主通流支路10、电流注入支路20、电压振荡支路30以及能量耗散支路40，当发生故障时，电流注入支路20可以向主通流支路10注入反向电流，同时，通过设置的电压振荡支路30能够使得脉冲电容C1电压极性振荡反向，由此，通过重复电流注入以及振荡反向的过程可以不断提升注入电流的幅值，直至完成熄弧，最后通过能量耗散过程能够完成能量耗散吸收以及电流清除。实现了该可控电压源振荡型直流断路器直流开断过程。

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器，通过设置电流注入支路20以及电压振荡支路30，可以通过增加脉冲电容电压不断提升向主通流支路10注入反向电流的幅值，由此，电流注入支路20中设计的直流电容C2和脉冲电容C1可以分别选择低压高容值以及高压低容值，相比现有技术中可控电压源振荡型直流断路器采用电容容量大电压高的电容器组，会造成可控电压源振荡型直流断路器体积大、成本高的问题，该低压高容值的直流电容C2和高压低容值的脉冲电容C1可以大幅降低电容的成本以及体积。

在一实施例中，如图1所示，主通流支路10包括：至少一个机械开关K。当包括多个机械开关时，多个机械开关可以并联连接。该可控电压源振荡型直流断路器在主通流支路10中仅设计机械开关，通流损耗低，且不需要水冷。

在一实施例中，如图1所示，电流注入支路20还包括：电感L和晶闸管阀，电感L、晶闸管阀、直流电容C2以及脉冲电容C1串联连接。其中，晶闸管阀，用于实现电流注入支路20的导通。具体地，当电流注入支路20包括晶闸管T时，该可控电压源振荡型直流断路器可以实现单向开断。在一实施例中，当可控电压源振荡型直流断路器实现单向开断时，电压振荡支路30包括：串联连接的球隙G和第三控制电路。此时，第三控制电路包括：第一辅助晶闸管Taux。

在一实施例中，该可控电压源振荡型直流断路器还可以实现双向开断，此时，如图2所示，电流注入支路20还包括：电感L和晶闸管全桥模块，晶闸管全桥模块包括串联连接的第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3以及第四晶闸管T4，电感L、直流电容C2以及脉冲电容C1串联连接，第一晶闸管T1的阳极连接第四晶闸管T4的阳极、直流电容C2的一端以及主通流支路10的一端，第二晶闸管T2的阴极连接第三晶闸管T3的阴极、直流电容C2的另一端以及电感L的一端。在一实施例中，当可控电压源振荡型直流断路器实现双向开断时，电压振荡支路30包括：串联连接的球隙G和第三控制电路。此时，第三控制电路包括：串联连接的第二辅助晶闸管Taux1和第三辅助晶闸管Taux2。

在一具体实施方式中，第一辅助晶闸管Taux、第二辅助晶闸管Taux1和第三辅助晶闸管Taux2的耐压值为5千伏至10千伏。晶闸管T、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3以及第四晶闸管T4的耐压值小于90千伏。

在一实施例中，能量耗散支路40包括多个串联的金属氧化物压敏电阻(metaloxidevaristor，MOV)或避雷器。在一具体实施方式中，如图1或图2所示，该可控电压源振荡型直流断路器还包括直流电源DC，直流电源DC用于为直流电容C2进行预充电，同时，还可以在直流电源DC和直流电容C2之间设置开关S，用于在直流电源DC给电容充满电后打开。

在一实施例中，当可控电压源振荡型直流断路器采用单向开断的拓扑形式时，该可控电压源振荡型直流断路器的电流注入支路20包括串联连接的脉冲电容C1、直流电容C2、电感L和晶闸管T，电压振荡支路30包括串联连接的高压球隙和第一辅助晶闸管Taux。如图3(a)所示，在该可控电压源振荡型直流断路器所在电力系统正常运行时，主通流支路10中的机械开关闭合，晶闸管T和第一辅助晶闸管Taux均处于闭锁状态，系统负荷电流经机械开关流通。如图3(b)所示，当断路器右侧(端口2)发生短路故障，断路器收到分断命令后：首先向机械开关发送分闸命令。机械开关燃弧分闸，直至达到足够耐受暂态开断电压的设计开距；如图3(c)所示，触发晶闸管导通，直流电容C2经电感L向机械开关K注入反向振荡电流，并对脉冲电容C1充电，直至电流衰减至零(晶闸管具备单向导电性)；如图3(d)所示，触发球隙G和第一辅助晶闸管Taux，脉冲电容C1电压极性振荡反向；如图3(e)所示，重复上述注入电流和振荡反向的过程，不断提升注入电流的幅值，直至机械开关电流过零，完成熄弧，系统短路电流对脉冲电容C1充电直至达到能量耗散支路40的保护阈值；如图3(f)所示，电流转移至能量耗散支路40中，完成能量耗散吸收与电流清除。

在一实施例中，如图2所示，当可控电压源振荡型直流断路器采用双向开断的拓扑形式时，该可控电压源振荡型直流断路器的电流注入支路20包括串联连接的脉冲电容C1、直流电容C2和电感L，同时在直流电容C2的外围设计了第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3以及第四晶闸管T4串联连接构成的晶闸管全桥模块，电压振荡支路30包括串联连接的球隙G和第三控制电路。此时，第三控制电路包括：串联连接的第二辅助晶闸管Taux1和第三辅助晶闸管Taux2。具体地，当该可控电压源振荡型直流断路器采用双向开断的拓扑形式时，其工作原理与单向开断可控电压源振荡型直流断路器相同，但需要依据故障电流方向选择需触发的晶闸管。同样以断路器右侧(端口2)故障开断为例，在单向开断过程触发晶闸管时，双向开断则需要触发第一晶闸管T1和第三晶闸管T3；单向开断触发第一辅助晶闸管时，双向开断需要触发第二辅助晶闸管Taux1。当电流方向为另外一个方向时，则需先触发第二晶闸管T2和第四晶闸管T4，后面需触发第三辅助晶闸管Taux2。

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器，主通流支路10仅包含有机械开关，通流损耗低，且不需要水冷。在注入电流实现熄弧的过程中，通过直流电容C2与脉冲电容C1多次高频振荡实现注入电流幅值的提升，其中直流电容C2所需要预充电电压较低，因此，触发电流注入支路20中的晶闸管阀或晶闸管全桥模块所需要的电压较低，由此晶闸管阀或晶闸管全桥模块中的晶闸管可以选择耐受电压低的晶闸管，所需器件数量少；为实现高频振荡，脉冲电容C1容值可设计为微法级别，即脉冲电容C1可以选择一个高压低容值的电容器组，大幅降低了电容的成本及体积。此外，在电压振荡支路30中，球隙用于耐受开断暂态电压，而辅助晶闸管仅耐受电流注入支路20在电流振荡过程中脉冲电容C1两端的电压，不超过数十kV，因此所需要器件也较少。

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器，无损耗，过流能力强，无需水冷系统，开断电流可达到数十千安，满足直流系统应用需求；同时，该可控电压源振荡型直流断路器利用振荡升压的原理实现机械开关熄弧关断，不需要使用高压电力电子开关及高压大容量的电容器组，大幅降低了设备体积与成本。

本发明实施例还提供一种可控电压源振荡型直流断路器的应用方法，如图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101：当可控电压源振荡型直流断路器所在电力系统发生短路故障后，可控电压源振荡型直流断路器接收到开断命令时，向主通流支路发出分闸命令；具体地，主通流支路10包括：至少一个机械开关。当包括多个机械开关时，多个机械开关可以并联连接。该可控电压源振荡型直流断路器在主通流支路10中仅设计机械开关，通流损耗低，且不需要水冷。

步骤S102：触发电流注入支路晶闸管阀，电流注入支路的直流电容向主通流支路第一次注入反向电流，同时对脉冲电容充电。

在一实施例中，当可控电压源振荡型直流断路器采用单向开断的拓扑形式时，该可控电压源振荡型直流断路器的电流注入支路20包括串联连接的脉冲电容C1、直流电容C2、电感L和晶闸管T，在控制电流注入支路20导通时，可以先触发晶闸管T导通，直流电容C2经电感L向机械开关K注入反向振荡电流，并对脉冲电容C1充电，直至电流衰减至零(晶闸管具备单向导电性)。

在一实施例中，当可控电压源振荡型直流断路器采用双向开断的拓扑形式时，该可控电压源振荡型直流断路器的电流注入支路20包括串联连接的脉冲电容C1、直流电容C2和电感L，同时在直流电容C2的外围设计了第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管以及第四晶闸管串联连接构成的晶闸管全桥模块，具体地，在控制电流注入支路20导通时，可以根据故障电流方向选择触发第一晶闸管T1和第三晶闸管T3或触发第二晶闸管T2和第四晶闸管T4，直流电容C2经电感L向机械开关K注入反向振荡电流，并对脉冲电容C1充电，直至电流衰减至零。

步骤S103：第一次充电完成后，控制电压振荡支路导通，使得电流注入支路中脉冲电容的电压极性振荡反向。

步骤S104：再次触发电流注入支路晶闸管阀，电流注入支路的直流电容向主通流支路第二次注入反向电流，重复上述过程，触发晶闸管阀注入电流，同时对脉冲电压充电；触发电压振荡支路，脉冲电压反向；再触发晶闸管阀，多次振荡，提升脉冲电容电压，从而实现注入电流幅值增大。直至注入反向电流达到故障电流峰值，实现主通流支路熄弧；

在一实施例中，当可控电压源振荡型直流断路器采用单向开断的拓扑形式时，电压振荡支路30包括串联连接的高压球隙和第一辅助晶闸管Taux。在控制压振荡支路导通时，可以先触发球隙G和第一辅助晶闸管Taux，脉冲电容C1电压极性振荡反向；重复步骤S103振荡反向和步骤S104再次注入电流的过程，不断提升注入电流的幅值，直至机械开关电流过零，完成熄弧。

在一实施例中，当可控电压源振荡型直流断路器采用双向开断的拓扑形式时，电压振荡支路30包括串联连接的高压球隙和第三控制电路。此时，第三控制电路包括：串联连接的第二辅助晶闸管和第三辅助晶闸管。具体地，在控制压振荡支路导通时，可以根据故障电流方向选择触发第二辅助晶闸管Taux1或第三辅助晶闸管，使得脉冲电容C1C1电压极性振荡反向；重复步骤S103振荡反向和步骤S104再次注入电流的过程，不断提升注入电流的幅值，直至机械开关电流过零，完成熄弧。

步骤S105：电力系统的短路电流对脉冲电容持续充电，直至其电压达到能量耗散支路的保护阈值时，电流转移至能量耗散支路中，直至完成能量耗散吸收与电流清除。

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器的应用方法中，主通流支路10仅包含有机械开关，通流损耗低，且不需要水冷。在注入电流实现熄弧的过程中，通过直流电容C2与脉冲电容C1多次高频振荡实现注入电流幅值的提升，其中直流电容C2所需要预充电电压较低，因此，触发电流注入支路20中的晶闸管阀或晶闸管全桥模块所需要的电压较低，由此晶闸管阀或晶闸管全桥模块中的晶闸管可以选择耐受电压低的晶闸管，所需器件数量少；为实现高频振荡，脉冲电容C1容值可设计为微法级别，即脉冲电容可以选择一个高压低容值的电容器组，大幅降低了电容的成本及体积。此外，在电压振荡支路30中，球隙用于耐受开断暂态电压，而辅助晶闸管仅耐受电流注入支路20在电流振荡过程中脉冲电容两端的电压，不超过数十千伏，因此所需要器件也较少。

本发明实施例提供的可控电压源振荡型直流断路器的应用方法中，开断电流可达到数十千安，满足直流系统应用需求；同时，该可控电压源振荡型直流断路器的应用方法利用振荡升压的原理实现机械开关熄弧关断，不需要使用高压电力电子开关及高压大容量的电容器组，大幅降低了设备体积与成本。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。