一种电流注入式直流断路器及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电流注入式直流断路器及控制方法。

背景技术

高压直流断路器是多端及直流电网构建的核心设备之一，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。随着风光等可再生能源大规模开发，直流电网传输容量及应用规模将不断增加，网架结构将日趋复杂，规模化应用对高压直流断路器技术经济性将提出更高的要求。

目前高压直流断路器主要有混合式与机械式两种技术路线。机械式方案存在小电流开断时间长、快速重合闸困难等瓶颈问题，限制了该方案开断性能的提升，且其成本随着重合闸次数的增加显著提升。因此，相较于机械式直流断路器，混合式方案在工程上应用更为广泛，然而目前的混合式直流断路器通常采用大量的全控型电力电子器件，随着开断电流需求的提升，将会造成器件进一步增大，导致成本大幅增加。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中混合式直流断路器成本高的缺陷，从而提供一种电流注入式直流断路器及控制方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种电流注入式直流断路器，包括：多个通流模块、电流注入模块、耗能模块、开断模块及多个隔离模块，其中，多个所述通流模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与每条直流线路接线端口连接，所述直流母线接线端口与所述直流线路接线端口一一对应设置；各所述隔离模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与所述电流注入模块的一端连接；所述电流注入模块的另一端分别与所述耗能模块的一端及开断模块的一端连接；所述耗能模块的另一端及开断模块的另一端与所述直流母线连接。

可选地，所述通流模块包括至少一个机械开关。

可选地，所述隔离模块包括：机械开关和至少一个双向电力电子开关单元，其中，所述机械开关与各所述双向电力电子开关单元串联连接。

可选地，所述隔离模块包括：多个串联的双向电力电子开关单元和与多个串联的双向电力电子开关单元并联连接的非线性电阻。

可选地，所述电流注入模块包括耦合电抗器、充电电容、晶闸管及与晶闸管反向并联的二极管，其中，所述耦合电抗器的二次侧的一端分别与各所述隔离模块的另一端连接，另一端分别与所述耗能模块的一端及开断模块的一端连接；所述耦合电抗器的一次侧的一端与所述充电电容的一端连接，所述充电电容的另一端分别与所述晶闸管的阴极及与晶闸管反向并联的二极管的阳极连接；所述耦合电抗器的一次侧的另一端分别与所述晶闸管的阳极及与晶闸管反向并联的二极管的阴极连接。

可选地，所述耗能模块为避雷器。

可选地，所述开断模块包括至少一个双向电力电子开关单元。

可选地，所述双向电力电子开关包括IGBT器件及与所述IGBT器件反向并联的二极管。

第二方面，本发明实施例提供一种电流注入式直流断路器控制方法，应用于本发明实施例第一方面所述的电流注入式直流断路器，所述控制方法包括：在接受到当前直流线路故障分断命令时，分断所述当前直流线路中的通流模块及与其他直流线路连接的隔离模块，导通与所述当前直流线路连接的隔离模块及换流支路中的开断模块；控制电流注入模块投入，向所述当前直流线路注入反向电流，以使所述当前直流线路的故障电流流入换流支路中；待通流模块及与其他线路连接的隔离模块具备耐受暂态开断电压能力时，闭锁开断单元，将电流转移至耗能模块进行清除。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的电流注入式直流断路器，包括：多个通流模块、电流注入模块、耗能模块、开断模块及多个隔离模块，其中，多个通流模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与每条直流线路接线端口连接，直流母线接线端口与直流线路接线端口一一对应设置；各隔离模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与电流注入模块的一端连接；电流注入模块的另一端分别与耗能模块的一端及开断模块的一端连接；耗能模块的另一端及开断模块的另一端与直流母线连接。上述电流注入式直流断路器可应用在多端口结构中，具备多条直流线路短路电流开断能力，减少了直流断路器整体体积和成本，使之具备良好的技术与经济性能，可满足高压直流断路器规模化应用需求。进一步地，通过共用换流支路，大幅降低了直流断路器的设备投资，有利于多端及直流电网的建设。

本发明提供的电流注入式直流断路器控制方法，通过在多端口直流系统中配置电流注入式直流断路器，利用电流注入式直流断路器即可实现零电弧开断以及对故障电流的阻断，同时重合闸的功能，使之具备多条直流线路短路电流开断能力，减少了直流断路器整体体积和成本，可满足高压直流断路器规模化应用需求，同时大幅降低了直流断路器的设备投资，有利于多端及直流电网的建设。

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为本发明实施例中电流注入式直流断路器一个具体示例的结构图；

图2为本发明实施例中隔离模块的一个具体示例的拓扑结构图；

图3为本发明实施例中隔离模块的另一个具体示例的拓扑结构图；

图4为本发明实施例中双向电力电子开关单元的一个具体示例的拓扑结构图；

图5为本发明实施例中双向电力电子开关单元的另一个具体示例的拓扑结构图；

图6为本发明实施例中双向电力电子开关单元的另一个具体示例的拓扑结构图；

图7为本发明实施例中电流注入模块的一个具体示例的拓扑结构图；

图8为本发明实施例中电流注入式直流断路器控制方法一个具体示例的流程图；

图9为本发明实施例中电流注入式直流断路器另一个具体示例的结构图。

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电流注入式直流断路器，应用于多端及柔直电网。上述电流注入式直流断路器，如图1所示，包括：多个通流模块、电流注入模块、耗能模块、开断模块及多个隔离模块，其中，多个通流模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与每条直流线路接线端口连接，直流母线接线端口与直流线路接线端口一一对应设置；各隔离模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与电流注入模块的一端连接；电流注入模块的另一端分别与耗能模块的一端及开断模块的一端连接；耗能模块的另一端及开断模块的另一端与直流母线连接。

在一具体实施例中，电流注入式直流断路器安装在直流电网中，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至换流支路，实现故障阻断功能。在本发明实施例中，直流母线接线端口与直流线路接线端口在图1中未示出。

本发明提供的电流注入式直流断路器，包括：多个通流模块、电流注入模块、耗能模块、开断模块及多个隔离模块，其中，多个通流模块的一端与直流母线接线端口连接，另一端与每条直流线路接线端口连接，直流母线接线端口与直流线路接线端口一一对应设置；各隔离模块的一端与其对应的直流线路连接，另一端与电流注入模块的一端连接；电流注入模块的另一端分别与耗能模块的一端及开断模块的一端连接；耗能模块的另一端及开断模块的另一端与直流母线连接。上述电流注入式直流断路器可应用在多端口结构中，具备多条直流线路短路电流开断能力，减少了直流断路器整体体积和成本，使之具备良好的技术与经济性能，可满足高压直流断路器规模化应用需求。进一步地，通过共用换流支路，大幅降低了直流断路器的设备投资，有利于多端及直流电网的建设。

在一实施例中，通流模块包括至少一个机械开关。

在一具体实施例中，通流模块由至少一个快速机械开关构成，主要用于导通系统稳态运行时额定电流，及耐受系统故障后直流断路器开断过程中的暂态电压。通过在通流模块中仅设置机械开关，使得运行损耗近似为零，且不需要水冷系统，提高了断路器的可靠性。

在一实施例中，如图2所示，隔离模块包括：机械开关和至少一个双向电力电子开关单元，其中，机械开关与各双向电力电子开关单元串联连接。

在一具体实施例中，隔离模块为一种双向导通与阻断能力的快速开关单元，主要用于选择实现故障线路的短路电流及非故障线路的暂态开断电压隔离。可选地，如图3所示，隔离模块还可以包括：多个串联的双向电力电子开关单元和与多个串联的双向电力电子开关单元并联连接的非线性电阻。在本发明实施例中，如图4、图5及图6所示，为双向电力电子开关单元的典型拓扑，具体地，双向电力电子开关单元可以为如图4所示的全控器件反向串联构成形式，可以为如图5所示的全控器件构成全桥模块的构成形式，也可以为如图6所示的二极管构成全桥模块的构成形式。

在一实施例中，如图7所示，电流注入模块包括耦合电抗器L1、充电电容C1、晶闸管T1及与晶闸管T1反向并联的二极管D1，其中，耦合电抗器L1的二次侧的一端分别与各隔离模块的另一端连接，另一端分别与耗能模块的一端及开断模块的一端连接；耦合电抗器L1的一次侧的一端与充电电容C1的一端连接，充电电容C1的另一端分别与晶闸管T1的阴极及与晶闸管T1反向并联的二极管D1的阳极连接；耦合电抗器L1的一次侧的另一端分别与晶闸管T1的阳极及与晶闸管T1反向并联的二极管D1的阴极连接。

在一具体实施例中，电流注入模块主要用于实现故障直流极线短路电流转移。

在一实施例中，耗能模块为避雷器。

在一具体实施例中，耗能单元为非线性的电阻片串联，用于吸收系统感性元件电磁能量，清除短路电流。

在一实施例中，开断模块包括至少一个双向电力电子开关单元。

在一具体实施例中，开断模块为高速的双向电力电子开关单元，用于实现短路电流的开断，其典型的结构为全控器件反向串联或者桥式模块。在本发明实施例中，双向电力电子开关单元包括IGBT器件及与IGBT器件反向并联的二极管。

本发明实施例还提供一种电流注入式直流断路器控制方法，应用于上述电流注入式直流断路器，如图8所示，控制方法包括如下步骤：

步骤S1：在接受到当前直流线路故障分断命令时，分断当前直流线路中的通流模块及与其他直流线路连接的隔离模块，导通与当前直流线路连接的隔离模块及换流支路中的开断模块。

步骤S2：控制电流注入模块投入，向当前直流线路注入反向电流，以使当前直流线路的故障电流流入换流支路中。

步骤S3：待通流模块及与其他线路连接的隔离模块具备耐受暂态开断电压能力时，闭锁开断单元，将电流转移至耗能模块进行清除。

在一具体实施例中，其控制方法具体以图9所示的电流注入式直流断路器为例进行说明，首先在稳态运行时，开断模块处于闭锁状态，各隔离模块均处于阻断状态，隔离模块1及隔离模块2中的机械开关K11和K12处于导通状态，开断模块中的电力电子开关IGBT处于闭锁状态。系统负荷电流通过各直流线路上的通流模块中的机械开关K1和K2流通。

当断路器监测到直流线路1发生故障，发出机械开关K1和K12的分闸命令，当机械开关K1和K12具有一定的开距后，导通开断模块中的IGBT及隔离模块1中的IGBT，同时触发电流注入模块中的晶闸管T，注入电流实现机械开关K1电流过零熄弧。当机械开关K1、K12开距达到足够耐受暂态开断电压峰值时，闭锁开断模块中的IGBT，将电流强迫转移至耗能模块MOV中，实现电流清除，完成关断。

当直流线路1的电流上升率和电流幅值恢复正常即直流线路1故障清除后，首先闭锁开断模块中的IGBT，控制与当前直流线路连接的换流支路停止工作，并闭合机械开关K1，控制直流线路中的通流模块接通当前直流线路。若故障仍存在，则再次闭合开断模块中的IGBT，控制与当前直流线路连接的换流支路开启工作，以使当前直流线路的故障电流流入换流支路中的耗能模块进行故障电流的清除。

本发明提供的电流注入式直流断路器控制方法，通过在多端口直流系统中配置电流注入式直流断路器，利用电流注入式直流断路器即可实现零电弧开断以及对故障电流的阻断，同时重合闸的功能，使之具备多条直流线路短路电流开断能力，减少了直流断路器整体体积和成本，可满足高压直流断路器规模化应用需求，同时大幅降低了直流断路器的设备投资，有利于多端及直流电网的建设。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。