多端口直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及多端口直流断路器及其控制方法。

背景技术

现今直流输配电技术成为风、光等可再生能源大规模送出消纳的有效手段，而高压直流断路器是直流输配电向更为经济灵活的网络化发展的关键设备。

随着高压大容量直流电网的发展，断路器使用数量的增加以及其开断容量需求的提升，使得电网对高压直流断路器的技术和经济性提出了更高的要求。机械式直流断路器开断能力强，具有较高的经济性，但其小电流开断困难以及多次重合闸要求带来的储能装置成本的大幅度增大，制约了其开断容量的提升。混合式断路器开断容量受限于全控器件固有截断电流能力，同时大量的全控器件的采用造成断路器造价高昂。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种多端口直流断路器及其控制方法，以解决开断容量与造价的平衡问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种多端口直流断路器，包括：

开断单元，一端与直流母线连接，所述开断单元至少包括第一电力电子开关单元；

至少两个通流支路，所述通流支路的一端与所述直流母线连接，所述通流支路至少包括第一机械开关，所述通流支路用于控制对应线路的通断；

至少两个辅助支路单元，所述辅助支路单元具有所述辅助支路单元与所述通流支路一一对应，所述辅助支路单元的两端分别与所述开断单元的另一端以及所述通流支路的另一端连接，所述辅助支路单元用于隔离各个线路；其中，所述辅助支路单元具有第一辅助支路与第二辅助支路，所述第一辅助支路与所述第二辅助支路的导通方向相反。

本发明实施例提供的多端口直流断路器，通过共用开断单元的方式可以使得全控器件使用数量节约50％以上，且采用机械开关与电力电子开关单元结合的方式实现多端口直流断路器，可以实现稳态和故障开断工况下的线路间电压隔离，可以降低隔离成本，从而保证了开断容量与造价之间的平衡。

可选地，所述开断单元包括并联的开断支路以及耗能支路，其中，所述开断支路具有所述第一电力电子开关单元；

所述通流支路还包括与所述第一机械开关串联的第二电力电子开关单元。

可选地，所述开断单元包括并联的开断支路以及耗能支路，其中，所述开断支路还包括与所述第一电力电子开关单元串联的负压耦合开关；

所述通流支路具有所述第一机械开关。

可选地，所述负压耦合开关包括：耦合电抗器、电容以及第三电力电子开关，所述电容与所述第三电力电子开关串联后与所述耦合电抗器的原边串联，所述耦合电抗器的副边与所述第一电力电子开关单元串联。

可选地，所述耗能支路包括非线性电阻单元。

可选地，所述辅助支路单元包括：第三电力电子开关单元或二极管单元。

本发明实施例提供的多端口直流断路器，利用各个辅助支路单元可独立开断各线路短路电流，同时具备多出线短路故障同时开断和直流母线故障清除能力。

可选地，所述第三电力电子开关单元包括：

串联的第一电力电子开关与单向阻流开关；

或，

顺次串联的第二电力电子开关。

可选地，所述二极管单元包括：

顺次串联的第一二极管；

或，

所述二极管单元包括：

并联的至少两个二极管支路；

第四电力电子开关，所述第四电力电子开关与并联后的至少两个二极管支路串联。

根据第二方面，本发明实施例还提供了一种多端口直流断路器的控制方法，用于上述的多端口直流断路器中，所述控制方法包括：

获取所述多端口直流断路器的工作状态；

基于所述工作状态切换所述开断单元、相应的所述通流支路以及相应的所述辅助支路单元的导通状态。

本发明实施例提供的多端口直流断路器的控制方法，通过对多端口直流断路器的工作状态进行监测，并依据监测结果对各个开断单元、通流支路以及辅助支路单元的导通状态进行相应的控制，能够实现短路电流的快速转移、限流和开断，开断电流可达到数十kA。

可选地，当所述多端口直流断路器投入运行时，所述基于所述工作状态切换所述开断单元、相应的所述通流支路以及相应的所述辅助支路单元的导通状态，包括：

导通所述开断单元中的开断支路，以使得电流经所述开断单元流通；

当满足合闸判定条件时，所述通流支路中的第一机械开关合闸，以使得电流从所述通流支路流通。

可选地，当所述多端口直流断路器的至少一个预设线路短路故障开断时，所述基于所述工作状态切换所述开断单元、相应的所述通流支路以及相应的所述辅助支路单元的导通状态，包括：

导通所述开断支路中的开断单元，并闭锁所述至少一个预设线路对应的第一预设通流支路，以强迫电流向所述开断支路以及所述第一辅助支路转移；

当所述至少一个第一预设通流支路电流过零时，所述至少一个第一预设通流支路中的第一机械开关分闸；

闭锁所述开断支路并对所述开断支路中的电容充电，以使得所述电流转移至所述耗能支路；

当所述耗能支路的电压高于所述多端口直流断路器的电压时，完成对所述至少一个第一预设通流支路的电流开断。

可选地，当所述直流母线短路故障开断时，所述基于所述工作状态切换所述开断单元、相应的所述通流支路以及相应的所述辅助支路单元的导通状态，包括：

导通所述开断支路中的开断单元，并闭锁各个所述通流支路，以强迫电流向所述开断支路以及所述第二辅助支路转移；

当各个所述通流支路电流过零时，各个所述通流支路中的第一机械开关分闸；

闭锁所述开断支路并对所述开断支路中的电容充电，以使得所述电流转移至所述耗能支路；

当所述耗能支路的电压高于所述多端口直流断路器的电压时，完成对各个所述通流支路的电流开断。

可选地，当第二预设通流支路所在线路短路且所述第二预设通流支路中的所述第一机械开关故障时，所述基于所述工作状态切换所述开断单元、相应的所述通流支路以及相应的所述辅助支路单元的导通状态，包括：

保持所述第二预设通流支路导通，并导通所述第二辅助支路；

闭锁其余通流支路以及所述第一辅助支路，以强迫电流转移至所述第二预设通流支路以及所述第二辅助支路；

当所述其余通流支路的电流过零时，所述其余通流支路的第一机械开关分闸并闭锁所述开断支路，完成对所述其余通流支路的隔离。

本发明实施例提供的多端口直流断路器的控制方法，在通流支路的第一机械开关故障失灵后，利用辅助支路为电流提供通路实现健全线路隔离，大幅度提高断路器灵活性和可靠性。

可选地，当非同期至少两个预设通流支路所在线路短路故障开断时，所述基于所述工作状态切换所述开断单元、相应的所述通流支路以及相应的所述辅助支路单元的导通状态，包括：

当第一时刻第三预设通流支路所在线路出现故障时，闭锁所述第三预设通流支路，以使得电流经相应的第一辅助支路向所述开断支路流通；

分闸所述第三预设通流支路的第一机械开关；

当第二时刻第四预设通流支路所在线路出现故障时，闭锁所述第四预设通流支路，以使得电流经相应的第一辅助支路向所述开断支路流通；

分闸所述第四预设通流支路的第一机械开关；

其中，所述的非同期表示所述至少两个预设通流支路所在线路短路故障发生时刻的时间差小于单次故障的清除时间。

本发明实施例提供的多端口直流断路器的控制方法，出现非同期多极线短路故障开断时，通过辅助支路设计可实现短时间间隔内(ms级)多极线短路连续故障的故障清除和隔离，并利用二极管阀进行和共用晶闸管阀进行隔离，极大的降低了设备成本。

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是根据本发明实施例的多端口直流断路器的结构示意图；

图2a与图2c是根据本发明实施例的开断支路的结构示意图；

图2b与图2d是根据本发明实施例的通流支路的结构示意图；

图3a-图3c是根据本发明实施例的第一辅助支路的结构示意图；

图4a-图4c是根据本发明实施例的第二辅助支路的机构示意图；

图5a-图5d是根据本发明实施例的电力电子开关单元的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的负压耦合开关的结构示意图；

图7a-图7b是根据本发明实施例的多端口直流断路器的结构示意图；

图8a-图8b是根据本发明实施例的多端口直流断路器投入运行过程示意图；

图9a-图9e是根据本发明实施例的线路1短路故障时多端口直流断路器开断过程示意图；

图10a-图10e是根据本发明实施例的直流母线短路故障时多端口直流断路器开断过程示意图；

图11a-图11b是根据本发明实施例的非同期多极线故障时多端口直流断路器开断过程示意图；

图12a-图12b是根据本发明实施例的第一机械开关故障时多端口直流断路器开断过程示意图；

图13是根据本发明实施例的多端口直流断路器的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

本发明实施例提供了一种多端口直流断路器，包括开断单元、至少两个通流支路以及至少两个辅助支路单元。其中，所述的辅助支路单元与通流支路一一对应设置。

如图1所示，所述的多端口直流断路器包括m个通流支路以及m个辅助支路单元，在本实施例中对m具体数值并不做任何限制，具体可以根据实际情况进行相应的设置，只需保证通流支路与辅助支路单元一一对应设置即可。

具体地，直流母线共引出m个直流线路，在每条直流线路上均设置有通流支路。即，通流支路的一端与直流母线连接，另一端通过对应的辅助支路单元与开断单元的一端连接。其中，开断单元的另一端与直流母线连接。

所述的开断单元至少包括第一电力电子开关单元，在第一电力电子开关单元的基础上还可以结合其他开关单元，等等，在此对第一电力电子开关单元以及其他开关单元的具体电路结构并不做任何限制，只需保证其能够依据需求进行相应的开断控制即可。其中，第一电力电子开关单元可以采用IGBT、IGCT、BIGT、IEGT等全控器件形成，其用于短时承载、关断负荷和短路电流。为下文描述方便，将第一电力电子开关单元称之为主断路器，表示为MB。

所述的通流支路至少包括第一机械开关，其用于控制对应线路的通断。如图1所示，通流支路串联在各个直流线路上。具体地，通流支路用于在直流系统正常运行时导通负荷电流。

所述的辅助支路单元的两端分别与开断单元以及通流支路连接，用于在分闸和合闸过程中辅助导通电流以及分闸后的隔离各个线路。其中，如图1所述，所述的辅助支路单元具有第一辅助支路与第二辅助支路，且第一辅助支路与第二辅助支路的导通方向相反。具体地，辅助支路单元用于在开断过程中为电流提供通路和线路间电压隔离，第一辅助支路(也称之为上辅助支路)用于导通开断单元向直流线路流通电流，第二辅助支路(也称之为下辅助支路)用于导通直流线路向开断单元流通电流。为下文描述方便，将第一辅助支路称之为上辅助支路，将第二辅助支路称之为下辅助支路。

以直流线路1为例，其对应的幅值支路单元具有第一辅助支路1以及第二幅值支路1，第一辅助支路1与第二辅助支路2的两端分别与开断单元以及通流支路1连接。

本实施例提供的多端口直流断路器，通过共用开断单元的方式可以使得全控器件使用数量节约50％以上，且采用机械开关与电力电子开关单元结合的方式实现多端口直流断路器，可以实现稳态和故障开断工况下的线路间电压隔离，可以降低隔离成本，从而保证了开断容量与造价之间的平衡。

在本实施例的一些可选实施方式中，开断单元包括并联的开断支路以及耗能支路，其中，开断支路具有第一电力电子开关单元。所述的开断支路用于短时承载和开断负荷、短路电流；所述的耗能支路用于限制开断过电压和吸收能量。

具体地，耗能支路可以包括非线性电阻单元SA，其并联与开断支路两端。耗能支路和开断支路的一端与直流母线连接，另一端分别通过上辅助支路和下辅助支路与相应的直流线路连接后并联与通流支路两端。

在本实施例中，对于开断支路以及通流支路分别给出了2种可选的实施方式。具体地，方案1：如图2a所示，开断支路具有第一电力电子开关单元，即MB；如图2b所示，通流支路包括与第一机械开关(即，UFD)串联的第二电力电子开关单元(即，LCS)。其中，第二电力电子开关单元也可以称之为电流转移开关单元。

方案2：如图2c所示，开断支路包括串联的第一电力电子开关单元MB以及负压耦合开关CNV；如图2d所示，通流支路具有第一机械开关，为了与图2b中的第一机械开关区分，在图2d中将第一机械开关表示为MS。

在方案1中，通流支路包括串联的第一机械开关UFD和电流转移开关LCS，开断支路由全控电力电子开关单元构成的主断路器MB组成。在方案2中，通流支路包括第一机械开关MS，开断支路由全控电力电子开关单元构成的主断路器MB和负压耦合开关CNV串联而成。

具体地，方案1利用电流转移开断LCS在开断过程中闭锁建立电压强迫电流转移至开断支路。方案2通过负压耦合单元主要起转移电流的作用，利用其感应放电向通流支路注入反向电流，迫使电流转移至开断支路，相比于方案1，方案2中的通流支路仅有机械开关，导通损耗可近似忽略，降低了断路器的运行成本。

在本实施例的一些可选实施方式中，辅助支路单元包括第三电力电子开关单元或二极管单元。即，辅助支路单元可以通过各种电力电子开关形成第三电力电子开关单元，也可以通过多个二极管的组合形成二极管单元，在本实施例中对其具体结构并不做任何限制，具体可以根据实际情况进行相应的设置即可。

利用各个辅助支路单元可独立开断各线路短路电流，同时具备多出线短路故障同时开断和直流母线故障清除能力。

其中，第三电力电子开关单元也可以包括串联的第一电力电子开关与单向主流开关；也可以是包括顺次串联的第二电力电子开关。

二极管单元也可以包括顺次串联的第一二极管，也可以是包括并联的至少两个二极管支路以及第四电力电子开关，其中，第四电力电子开关与并联后的至少两个二极管支路串联。

基于此，本实施例提出了3中上下辅助支路的结构。其中，图3a-图3c给出了上辅助支路的结构示意图，图4a-图4c给出了下辅助支路的结构示意图。

对于上辅助支路，方案1：串联的单向阻流开关UCBS与第一电力电子开关，所述的第一电力电子开关可以为辅助阀T；

方案2：顺次串联的第二电力电子开关，所述的第二电力电子开关可以采用辅助阀T；

方案3：顺次串联的第一二极管，所述的第一二极管可以采用辅助阀D。

对于下辅助支路，方案1：串联的单向阻流开关UCBS与第一电力电子开关，所述的第一电力电子开关可以为辅助阀T；

方案2：顺次串联的第二电力电子开关，所述的第二电力电子开关可以采用辅助阀T；

方案3：并联的多个二极管支路以及第四电力电子开关，其中，第四电力电子开关与并联后的多个二极管支路串联。所述的第四电力电子开关也可以采用共用辅助阀T，所述的二极管支路中的二极管可以采用辅助阀D。

此处需要说明的是，对于上辅助支路与下辅助支路中的方案1，均包括第一电力电子开关，但在上下辅助支路中的两个第一电力电子开关可以是相同的，也可以是不同的。

同样地，对于上辅助支路与下辅助支路中的方案2，均包括第二电力电子开关，但在上下辅助支路中的两个第二电力电子开关可以是相同的，也可以是不同的。

在本实施例的一些可选实施方式中，所述的主断路器MB以及第二电力电子开关单元LCS可以由图5a-图5d中的各个电力电子开关单元级联构成，所述的电力电子开关单元可以采用IGBT、IGCT、BIGT、IEGT等全控器件。

负压耦合单元如图6所示，包括耦合电抗器、电容以及第三电力电子开关。其中，第三电力电子开关可以采用晶闸管阀实现，也可以采用其他电力电子开关实现。具体地，耦合电抗器的副边CR

在本实施例的一些具体应用中，以两条直流线路为例，通流支路采用如图2a所示的结构，开断支路采用如图2b所示的结构，其中，MB和LCS基于图5d中的二极管全桥子模块拓扑，上辅助支路采用图3c所示的结构，下辅助支路采用图4c所示的结构。基于此结构，所得到的多端口直流断路器的结构如图7a所示。

在本实施例的另一些具体应用中，以两条直流线路为例，通流支路采用如图2c所示的结构，开断支路采用如图2d所示的结构，其中，MB和LCS基于图5d中的二极管全桥子模块拓扑，上辅助支路采用图3c所示的结构，下辅助支路采用图4c所示的结构。基于此结构，所得到的多端口直流断路器的结构如图7b所示。

本发明实施例提供的多端口直流断路器中提出的共用主断路器方法较单台混合式断路器方案全控器件使用数量节约50％以上；进一步地，利用单向高压晶闸管阀和低压二极管阀实现稳态和故障开断工况下的线路间电压隔离，大幅降低隔离成本，整体成本较采用独立的单台混合式直流断路器方案至少节约40％以上。本发明实施例还提供了一种基于上述的多端口直流断路器的控制方法，如图13所示，所述的控制方法包括：

S11，获取多端口直流断路器的工作状态。

其中，多端口直流断路器的工作状态包括投入运行、线路短路故障开断、直流母线短路故障开断以及短路故障开断的通流支路中第一机械开关失灵等等。上述多端口直流断路器的工作状态可以是自动监测的，也可以是通过其他设备监测的。

S12，基于工作状态切换开断单元、相应的通流支路以及相应的辅助支路单元的导通状态。

多端口直流断路器依据其不同的工作状态，切换开断单元、相应的通流支路以及辅助支路单元的导通状态。

本实施例提供的多端口直流断路器的控制方法，通过对多端口直流断路器的工作状态进行监测，并依据监测结果对各个开断单元、通流支路以及辅助支路单元的导通状态进行相应的控制，能够实现短路电流的快速转移、限流和开断，开断电流可达到数十kA。

当多端口直流断路器投入运行时，上述S12包括：

(1)导通所述开断单元中的开断支路，以使得电流经所述开断单元流通；

(2)当满足合闸判定条件时，所述通流支路中的第一机械开关合闸，以使得电流从所述通流支路流通。

具体地，以图7a所示的多端口直流断路器为例，多端口直流断路器投入运行：

在直流断路器投入前，导通主断路器MB，电流经开断支路流通，如图8a所示；在满足合闸判定条件后，通流支路的机械开关UFD合闸，电流转移开关LCS导通；UFD合闸后，负荷电流流过通流支路，如图8b所示，多端口直流断路器投入运行。

为更好地说明本发明实施例中所涉及到的故障，在此对各个故障说明如下：

(1)单线路故障：单条直流线路短路故障；

(2)直流母线故障：直流母线短路故障；

(3)同期多线路故障：1条以上共母线直流线路同时发生故障，对应1条以上通流支路同时动作，动作原理同单线路故障开断；

(4)非同期线路故障：1条以上共母线直流线路发生故障，且故障时间差小于单线路故障清除时间，即，前次故障仍在清除过程中后续故障发生，其动作原理与同期多线路故障不同；

(5)失灵保护下的故障清除：直流线路出现发生故障且对应的通流支路的第一机械开关失灵。

当直流断路器线路侧发生故障，即预设线路短路故障开断时，以单极线故障为例，上述S12包括：

(1)导通所述开断支路中的开断单元，并闭锁所述预设线路对应的第一预设通流支路，以强迫电流向所述开断支路以及所述第一辅助支路转移；

(2)当所述第一预设通流支路电流过零时，所述第一预设通流支路中的第一机械开关分闸；

(3)闭锁所述开断支路并对所述开断支路中的电容充电，以使得所述电流转移至所述耗能支路；

(4)当所述耗能支路的电压高于所述多端口直流断路器的电压时，完成对所述第一预设通流支路的电流开断。

具体地，以图7a所示的多端口直流断路器为例，当直流线路1出现短路故障开断时，多端口直流断路器收到开断命令或过流保护动作，导通开断支路MB，通流支路1中的LCS1闭锁，强迫电流向开断支路转移，如图9a所示；通流支路1电流过零后，电流经过开断支路MB和上通流支路1的二极管阀向短路点馈入，UFD1分闸达到耐压开距，如图9b所示；UFD1达到耐压开距后，闭锁主断路器MB，电流对全桥模块中的电容充电，如图9c所示，电压上升至并联MOV动作，电流转移至MOV流通如图9d所示；当MOV电压高于系统直流电压，短路电流持续下降至过零，断路器完成电流开断，通流支路UFD1和开断支路MB以及相应的辅助开关将故障线路隔离，如图9e所示。

在断路器完成开断后可根据电网系统需求，进行快速重合闸操作，重合闸操作过程同合闸过程类似。

当直流断路器线路侧出现同期多极线故障时，即同期出现多个线路短路故障开断时，其控制方法与单极线故障的控制原理相同。具体地，与上文所述的预设线路短路故障开断的控制原理相同，不同的是，同期多极线故障时是同时对多个出现故障的线路进行控制。具体请参见上文所述，在此不再赘述。

当直流母线短路故障开断时，上述S12包括：

(1)导通所述开断支路中的开断单元，并闭锁各个所述通流支路，以强迫电流向所述开断支路以及所述第二辅助支路转移；

(2)当各个所述通流支路电流过零时，各个所述通流支路中的第一机械开关分闸；

(3)闭锁所述开断支路并对所述开断支路中的电容充电，以使得所述电流转移至所述耗能支路；

(4)当所述耗能支路的电压高于所述多端口直流断路器的电压时，完成对各个所述通流支路的电流开断。

具体地，以图7a所示的多端口直流断路器为例，直流断路器电源侧发生故障时开断原理与线路侧故障开断原理相同，区别在于开断过程中需导通下辅助阀Tl为短路电流提供通路，开断过程如图10a-图10e所示。

进一步地，当第二预设通流支路所在线路短路且第二预设通流支路中的第一机械开关故障时，上述S12包括：

(1)保持所述第二预设通流支路导通，并导通所述第二辅助支路；

(2)闭锁其余通流支路以及所述第一辅助支路，以强迫电流转移至所述第二预设通流支路以及所述第二辅助支路；

(3)当所述其余通流支路的电流过零时，所述其余通流支路的第一机械开关分闸并闭锁所述开断支路，完成对所述其余通流支路的隔离。

具体地，以图7a所示的多端口直流断路器为例，以线路1中的第一机械开关UFD1失灵且线路1出现短路故障为例，开断过程中UFD1因故障无法分闸，如图11a所示。保持LCS1导通，触发下辅助阀Tl、闭锁LCS2和单向阻流开关UCBS1。电流转移至下辅助阀Tl-MB-通流支路1流通，通流支路2电流过零后UFD2分闸，UFD2分闸分闸到位后闭锁MB，线路2完成隔离，如图11b所示。UFD失灵保护功能确保了UFD失灵后，多端口断路器可以有效的隔离健全线路。

当非同期至少两个预设通流支路所在线路短路故障开断时，其中，所述的非同期是所述至少两个预设通流支路所在线路短路故障发生时刻的时间差小于单次故障的清除时间，即前次故障仍在清除过程中后续故障发生，上述S12包括：

(1)当第一时刻第三预设通流支路所在线路出现故障时，闭锁所述第三预设通流支路，以使得电流经相应的第一辅助支路向所述开断支路流通；

(2)分闸所述第三预设通流支路的第一机械开关；

(3)当第二时刻第四预设通流支路所在线路出现故障时，闭锁所述第四预设通流支路，以使得电流经相应的第一辅助支路向所述开断支路流通；

(4)分闸所述第四预设通流支路的第一机械开关。

具体地，仍以图7a所示的多端口直流断路器为例，若0时刻极线1接地短路，LCS1闭锁，电流经开断支路流通，UFD1分闸。+δT时刻极线2发生接地短路，如图12a所示，此时仅需按照常规开断流程，闭锁LCS2，待通流支路2电流过零后UFD2分闸，如图12b所示，闭锁开断支路MB后完成开断。通过辅助支路设计可实现短时间间隔内(ms级)多极线短路连续故障的故障清除和隔离，并利用二极管阀进行和共用晶闸管阀进行隔离，极大的降低了设备成本。

需要说明的是，通流支路所在线路指通流支路所连接的直流线路。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，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。