一种多端有源谐振式直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及断路器领域，特别是一种多端有源谐振式直流断路器及其控制方法。

背景技术

由于具备传输容量大、可靠性高、结构简单等诸多优势，直流电网技术备受关注。但是，与交流电网不同，在直流电网中电感不能有效地抑制故障电流，直流电网中电流上升速度远高于交流电网。由于没有自然电流过零点，直流故障的隔离更加困难。因此，直流故障的保护成为限制直流电网发展的瓶颈。

目前，直流故障的隔离方案主要分为两类：采用具有故障自清除能力的换流器拓扑、安装直流断路器。具备故障自清除能力的换流器通过改变换流器的结构来实现故障的清除，但是其所需的电力电子器件数量较多，控制也会相对复杂，同时也会引入额外的损耗。直流断路器根据断流原理的不同，可分为机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器。机械式直流断路器在正常运行时通态损耗低，在故障隔离时需要利用谐振支路创造电流过零点熄灭电弧。固态直流断路器采用全电力电子器件来开断故障支路，通态损耗较大，同时电力电子器件的大量使用也使得建设成本增加。混合式直流断路器结合机械式直流断路器和固态直流断路器的结构特点，利用电力电子器件为超快速机械开关创造零电流关断条件，满足电网速动性的要求，但是正常运行时电力电子器件仍会造成较大的通态损耗。

针对多端直流电网，为了保证电网的可靠性，每条出线上都应安装直流断路器，但是建设成本也会随之增加。一个换流站的多条出线共用主断路器，将断路器分为换流站侧主断路器和线路侧辅助断路器，可以降低建设成本。但是现有的多端直流断路器拓扑存在通态损耗大等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多端有源谐振式直流断路器及其控制方法，可以有效减少断路器的全控器件数量，降低控制复杂程度；故障隔离速度快；通态损耗低；且不需要预充电电路。

本发明采用以下方案实现：一种多端有源谐振式直流断路器，包括一个换流站侧断路器、多个线路侧断路器和多个超快速机械开关；所述换流站侧断路器并联在换流站出站口，用于切断换流站侧的直流故障电流；所述线路侧断路器并联安装在换流站的各直流出线上，用于阻断线路侧的故障电流；所述超快速机械开关串联安装在各直流线路上，位于所述换流站侧断路器和所述线路侧断路器之间，每个线路侧断路器均串联一个超快速机械开关。

进一步地，所述换流站侧断路器包括第一晶闸管阀组、限流电感、第一电容器组和第一氧化锌避雷器；所述第一晶闸管阀组、限流电感和第一电容器组依次串联，所述第一电容器组两端并联第一氧化锌避雷器。

进一步地，所述线路侧断路器包括第二晶闸管阀组、二极管阀组、限流电阻、第二电容器组和第二氧化锌避雷器；所述第二晶闸管阀组与所述第二电容器组串联；所述二极管阀组和所述限流电阻串联，并同时与所述第二晶闸管阀组并联；所述第二电容器组两端并联所述第二氧化锌避雷器。

进一步地，本发明还提供一种多端有源谐振式直流断路器的控制方法，当直流电网运行正常时，所述超快速机械开关上流过正常电流，线路侧断路器中的第二电容器组通过二极管阀组和限流电阻进行预充电，换流站侧断路器不接入电网；

直流故障发生后，换流站对故障点放电，故障电流迅速上升，到达直流保护整定值后，换流站侧断路器、线路侧断路器开始动作，外部电网给超快速发送关断信号；在2 ms的延时后，超快速机械开关触头分离，但是由于没有电流过零点，换流站继续通过超快速机械开关的电弧向故障点馈入电流；此时，导通线路侧和换流站侧的第一、第二晶闸管阀组分别将第一电容器组中的预充电电容和限流电感接入故障回路中，产生的谐振电流与故障电流反向，创造电流过零点，超快速机械开关触头间电弧熄灭；至此，故障线路和直流电网已经实现隔离；

在换流站侧，故障线路隔离之后，换流站还会继续通过第一晶闸管阀组对第一电容器组充电；在电容电压上升达到并联的第一氧化锌避雷器阈值电压后，第一氧化锌避雷器导通消耗能量，电流逐渐减小；在换流站侧断路器上电流过零后，第一晶闸管阀组自然熄灭，换流站侧故障隔离过程结束；

在线路侧，故障线路隔离之后，线路电感和限流器电感对第二电容器组进行反向充电，在电容电压上升达到并联的第二氧化锌避雷器阈值电压后，第二氧化锌避雷器导通消耗电感上储存的能量，电流逐渐减小；在线路侧的断路器上电流过零后，第二晶闸管阀组自然熄灭，线路侧故障隔离过程结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明能在5 ms内实现故障的隔离。

本发明将直流断路器中线路侧断流过程与换流站侧断流过程分开。在换流站侧，由于，断流过程不受线路电感以及限流器电感的影响，可以在4 ms 内隔离故障。在线路侧，超快速机械开关完全关断后，换流站不再向故障点馈入短路电流，线路侧断路器只需要消耗线路电感和限流器电感上的储存的能量，线路侧故障隔离时间可以控制在5 ms内。通过将断流过程分成换流站侧和线路侧，并且利用氧化锌避雷器吸收能量，从而实现直流侧短路故障的快速清除。

(2)本发明在正常运行时通态损耗较低。

常见的直流断路器拓扑中一般采用IGBT串联而成的换流开关来辅助超快速机械开关关断，但是在电网正常运行时，正常电流流过换流开关，通态损耗较大。而本发明采用并联结构，仅在故障时接入电网，在换流站满足安全可靠运行的同时，减小了通态损耗。

(3)本发明具有较低的建设成本

传统的直流断路器需要串联大量IGBT来配合实现故障隔离，但是本发明中主要使用晶闸管和二极管，建设成本将大大降低。并且随着电网的结构日益复杂，一个换流站对应多条直流出线，已有直流断路器方案需要在每条线路安装整套断路器，而本发明由于换流站侧断路器为公用部分，可进一步降低设备体积和建设成本。

附图说明

图1为本发明实施例的直流断路器拓扑图。

图2为本发明实施例的换流站侧断路器单元电路图。

图3为本发明实施例的线路侧断路器单元电路图。

图4为本发明实施例的直流电网模型。

图5为本发明实施例的故障前后电流电压波形，其中图5(a)为直流线路电流和超快速机械开关电流；图5(b)为线路侧断路器电流和换流站侧断路器电流；图5(c)为线路侧断路器电压和换流站侧断路器电压。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供一种多端有源谐振式直流断路器，包括一个换流站侧断路器、多个线路侧断路器和多个超快速机械开关；所述换流站侧断路器并联在换流站出站口，用于切断换流站侧的直流故障电流；所述线路侧断路器并联安装在换流站的各直流出线上，用于阻断线路侧的故障电流；所述超快速机械开关串联安装在各直流线路上，位于所述换流站侧断路器和所述线路侧断路器之间，每个线路侧断路器均串联一个超快速机械开关。

如图2所示，在本实施例中，所述换流站侧断路器包括第一晶闸管阀组、限流电感、第一电容器组和第一氧化锌避雷器；所述第一晶闸管阀组、限流电感和第一电容器组依次串联，所述第一电容器组两端并联第一氧化锌避雷器。

如图3所示，在本实施例中，所述线路侧断路器包括第二晶闸管阀组、二极管阀组、限流电阻、第二电容器组和第二氧化锌避雷器；所述第二晶闸管阀组与所述第二电容器组串联；所述二极管阀组和所述限流电阻串联，并同时与所述第二晶闸管阀组并联；所述第二电容器组两端并联所述第二氧化锌避雷器。

较佳的，本实施例还提供一种多端有源谐振式直流断路器的控制方法，当直流电网运行正常时，所述超快速机械开关上流过正常电流，线路侧断路器中的第二电容器组通过二极管阀组和限流电阻进行预充电，换流站侧断路器不接入电网；

在直流侧短路故障清除时的控制方法：直流故障发生后，换流站对故障点放电，故障电流迅速上升，到达直流保护整定值后，换流站侧断路器、线路侧断路器开始动作，外部电网给超快速机械开关发送关断信号；在2 ms的延时后，超快速机械开关触头分离，但是由于没有电流过零点，换流站继续通过超快速机械开关的电弧向故障点馈入电流；此时，导通线路侧和换流站侧的第一、第二晶闸管阀组分别将第一电容器组中的预充电电容和限流电感接入故障回路中，产生的谐振电流与故障电流反向，创造电流过零点，超快速机械开关触头间电弧熄灭；至此，故障线路和直流电网已经实现隔离；

在换流站侧，故障线路隔离之后，换流站还会继续通过第一晶闸管阀组对第一电容器组充电；在电容电压上升达到并联的第一氧化锌避雷器阈值电压后，第一氧化锌避雷器导通消耗能量，电流逐渐减小；在换流站侧断路器上电流过零后，第一晶闸管阀组自然熄灭，换流站侧故障隔离过程结束；

在线路侧，故障线路隔离之后，线路电感和限流器电感对第二电容器组进行反向充电，在电容电压上升达到并联的第二氧化锌避雷器阈值电压后，第二氧化锌避雷器导通消耗电感上储存的能量，电流逐渐减小；在线路侧的断路器上电流过零后，第二晶闸管阀组自然熄灭，线路侧故障隔离过程结束。

较佳的，本实施例在发生故障后，换流站侧断路器和线路侧断路器组成谐振回路，产生的反向谐振电流流过超快速机械开关，使其电弧快速熄灭；在故障线路与电网隔离后，线路侧断路器与换流站侧断路器分别进行故障电流的隔离。本实施例提出的直流断路器结构可以有效减少断路器的全控器件数量，降低控制复杂程度；故障隔离速度快；通态损耗低；且不需要预充电电路。

较佳的，本实施例多端有源谐振式直流断路器包括安装于换流站侧的断路器（Converter-side breaker, CSB）、线路侧的断路器（Line-side breaker, LSB）和超快速机械开关（Ultra-fast disconnector, UFD）。在发生直流短路故障后，由CSB和LSB组成的谐振回路提供的反向电流会为UFD的创造零电流关断条件。多端有源谐振式直流断路器具有故障隔离时间短、通态损耗低、不需要预充电电路和大量全控器件的优点。

针对如图1所示的基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）的直流电网，电网包含一个换流站和多条直流出线，其中一个换流站对应一个CSB，每条出线分别对应一个LSB和一个UFD。

所述的CSB并联安装在换流站直流出口处，用于切断换流站侧的直流故障电流。CSB包括一个晶闸管阀组（T

所述的LSB并联安装在换流站的每条直流出线上，用于阻断线路侧的故障电流。LSB包括一个晶闸管阀组（T

所述的UFD安装在线路侧的LSB和CSB之间，为电网正常电流流通提供通道。

此外，每条线路上还安装故障限流器（Fault Current Limiter, FCL）,用于限制故障电流上升速度。

如图5所示，所述断路器拓扑的控制方法包括以下步骤：

当直流电网运行正常时，UFD流过正常电流，LSB中的C

在直流电网发生短路故障后，断路器的控制方法包括如下步骤：

步骤S1：直流故障发生后，换流站对故障点放电，故障电流迅速上升，到达直流保护整定值后，断路器开始动作，给UFD发送关断信号。

步骤S2：在2 ms的延时后，UFD触头分离，但是由于没有电流过零点，换流站继续通过UFD上电弧向故障点馈入电流。此时，触发晶闸管阀组T

步骤S3：在换流站侧，故障线路隔离之后，换流站还会继续通过T

步骤S4：在线路侧，故障线路隔离之后，线路电感和限流器电感对C

图4所示为本发明的应用于四端直流电网的实例结构图，其中每个换流站出口配备一个CSB，每个换流站的两条出线均单独配备一个LSB和一个UFD。

以上控制策略保证了基于多端有源谐振式直流断路器的直流电网可以有效地熄灭短路电流，实现短路故障的清除。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。