一种基于多级振荡的直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，特别涉及一种基于多级振荡的直流断路器及其控制方法。

背景技术

柔性直流电网因其系统主接线结构、运行方式更加复杂多样，进而导致直流系统故障方式多、故障发展快、影响范围广。因此，迫切需要柔性直流电网的故障隔离技术，以保障柔性直流电网的安全可靠运行。直流断路器是直流输配电系统中实现直流故障隔离最为理想的选择。但当前常用的混合式直流断路器在高压领域成本较高，而机械式直流断路器存在预充电电容带来的可靠性问题。

发明内容

为了解决上述问题，发明人做出本发明，通过具体实施方式，提供一种基于多级振荡的直流断路器及其控制方法。

第一方面，本发明实施例提供一种基于多级振荡的直流断路器，所述直流断路器输入、输出端之间的主通流电路上依次串联高弧压开关、第一组真空开关和第二组真空开关；

第一组电力电子开关并联在高弧压开关两端；

一级振荡电容的一端接在输入端和高弧压开关之间主通流电路上，另一端接在第一组真空开关和第二组真空开关之间主通流电路上，一级振荡电容两端并联第一MOV；

第二组电力电子开关的一端接在输入端和高弧压开关之间主通流电路上，另一端和二级振荡电容的一端连接，二级振荡电容的另一端接在第二组真空开关和输出端之间主通流电路上，二级振荡电容两端并联第二MOV；

高弧压开关分闸产生的电弧电压大于第一预设值。

具体的，高弧压开关采用带磁吹的机械开关或多断口的机械开关升高电弧电压。

具体的，第一组真空开关或第二组真空开关包括至少一个电磁斥力操动的快速真空机械开关，所述快速真空机械开关的开断短路电流时间不超过第二预设值。

具体的，第一组或第二组电力电子开关包括至少一个IGBT或IEGT或IGCT。

具体的，第一组电力电子开关额定电压小于第一组真空开关额定电压，且两者差值绝对值大于第三预设值；

第一组真空开关额定电压、一级振荡电容、第一MOV和第二组电力电子开关之间任意两者额定电压差值绝对值都小于第四预设值；

第一组真空开关额定电压小于第二组真空开关额定电压，且两者差值绝对值大于第五预设值；

第二组真空开关额定电压、二级振荡电容和第二MOV之间任意两者额定电压差值绝对值都小于第六预设值。

具体的，根据电压等级需求，第二组真空开关之后的主通流电路上还依次串联一组或多组真空开关；

第N组电力电子开关的一端接在输入端和高弧压开关之间主通流电路上，另一端和N级振荡电容的一端连接，N级振荡电容的另一端接在第N组真空开关和输出端之间主通流电路上，N级振荡电容两端并联第N MOV。N为正整数。

具体的，第N组电力电子开关额定电压小于第N组真空开关额定电压，且两者差值绝对值大于第三预设值；

第N组真空开关额定电压、N级振荡电容、第N MOV和第N+1组电力电子开关之间任意两者额定电压差值绝对值都小于第四预设值；

第N组真空开关额定电压小于第N+1组真空开关额定电压，且两者差值绝对值大于第五预设值。

第二方面，本发明实施例提供一种基于多级振荡的直流断路器控制方法，包括以下步骤：

正常工作时，所述直流断路器主通流电路上高弧压开关和每组真空开关均合闸；

发生短路故障，所述直流断路器收到开断指令后，将高弧压开关和每组真空开关均分闸，并导通第一组电力电子开关，经过预设的换流和介质恢复时间后，关断第一组电力电子开关，对一级振荡电容充电，当一级振荡电容电压达到第一MOV钳位电压时，导通第二组电力电子开关。

具体的，第二组真空开关之后的主通流电路上还依次串联有一组或多组真空开关时，基于多级振荡的直流断路器控制方法还包括以下步骤：

在导通第N组电力电子开关后，经过预设的换流和介质恢复时间，关断第N组电力电子开关，对N级振荡电容充电，当N级振荡电容电压达到第NMOV钳位电压时，导通第N+1组电力电子开关；

对第二组电力电子开关之后的每组电力电子开关依次执行上述操作，直到导通最后一组电力电子开关，此后直流断路器两端电压被最后一级振荡电容并联的MOV限制，同时故障电流逐渐下降。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种基于多级振荡的直流断路器控制装置，包括：存储器、处理器及存储于存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述的基于多级振荡的直流断路器控制方法。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

能够实现多级主动振荡换流，相比于混合式直流断路器减少了大量的电力电子器件，相比于单级主动振荡方案可大幅减小振荡电容容值，可低成本解决高压领域中的直流开断问题；且无需预充电电容，提高了直流断路器的运行可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中多级振荡断路器拓扑图；

图2为本发明实施例中基于多级振荡的直流断路器控制方法流程图；

图3(a)至3(e)为本发明实施例中两级振荡断路器控制过程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种基于多级振荡的直流断路器及其控制方法。

本发明实施例提供一种基于多级振荡的直流断路器，以两级振荡为例，电路拓扑如图1所示，基于多级振荡的直流断路器输入、输出端之间的主通流电路上依次串联高弧压开关、第一组真空开关和第二组真空开关。高弧压通常指电压大于600伏。图1中，第一MOV表示低压MOV，MOV为金属氧化物压敏电阻。第二MOV表示高压MOV。这里的低压MOV和高压MOV是相对的，第二MOV额定电压高于第一MOV额定电压。

第一组电力电子开关并联在高弧压开关两端；一级振荡电容的一端接在输入端和高弧压开关之间主通流电路上，另一端接在第一组真空开关和第二组真空开关之间主通流电路上，一级振荡电容两端并联第一MOV。

第二组电力电子开关的一端接在输入端和高弧压开关之间主通流电路上，另一端和二级振荡电容的一端连接，二级振荡电容的另一端接在第二组真空开关和输出端之间主通流电路上，二级振荡电容两端并联第二MOV。

如图1所示的两级振荡断路器，IN和OUT分别为两级振荡断路器的输入端和输出端，两级振荡断路器主要包括若干真空开关并分为第一组和第二组、若干电力电子开关并分为第一组和第二组、若干高弧压开关，一级振荡电容C

高弧压开关分闸产生的电弧电压大于第一预设值。具体的，高弧压开关采用带磁吹的机械开关或多断口的机械开关升高电弧电压，实现足够高的电弧电压。

具体的，第一组真空开关或第二组真空开关包括至少一个电磁斥力操动的快速真空机械开关，所述快速真空机械开关的开断短路电流时间不超过第二预设值。

第一组或第二组电力电子开关包括至少一个IGBT或IEGT或IGCT。优选的，第一组电力电子开关包括至少一个IGBT或IEGT，其他组电力电子开关包括至少一个IGCT。电力电子开关中器件可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和栅极注入增强晶体管(IEGT)等全控电力电子器件，第一组电力电子开关应有较强的开断能力，优选为采用IGBT、IEGT；第二组电力电子开关无需较强的开断能力，优选为采用IGCT；双向拓扑结构可采用反串联结构、全桥结构和二极管桥结构。

具体的，第一组电力电子开关额定电压小于第一组真空开关额定电压，且两者差值绝对值大于第三预设值；第一组真空开关额定电压、一级振荡电容、第一MOV和第二组电力电子开关之间任意两者额定电压差值绝对值均小于第四预设值；第一组真空开关额定电压小于第二组真空开关额定电压，且两者差值绝对值大于第五预设值；第二组真空开关额定电压、二级振荡电容和第二MOV之间任意两者额定电压差值绝对值都小于第六预设值。

优选地，第一组电力电子开关的额定电压应显著小于第一组真空开关的总额定电压，后者应与C

图1所示的两级振荡断路器外，本实施例提供的基于多级振荡的直流断路器，还可设置更多级的振荡电路，以实现更大故障直流电流的安全关断。具体的，根据电压等级需求，第二组真空开关之后的主通流电路上还可依次串联一组或多组真空开关；第N组电力电子开关的一端接在输入端和高弧压开关之间主通流电路上，另一端和N级振荡电容的一端连接，N级振荡电容的另一端接在第N组真空开关和输出端之间主通流电路上，N级振荡电容两端并联第N MOV。

具体的，第N组电力电子开关额定电压小于第N组真空开关额定电压，且两者差值绝对值大于第三预设值；第N组真空开关额定电压、N级振荡电容、第N MOV和第N+1组电力电子开关之间任意两者额定电压差值绝对值均小于第四预设值；第N组真空开关额定电压小于第N+1组真空开关额定电压，且两者差值绝对值大于第五预设值；第N+1组真空开关额定电压、N+1级振荡电容和第N+1MOV之间任意两者额定电压差值绝对值都小于第六预设值。例如，若在第二组真空开关后串联更高电压等级的真空开关丙，并将更高电压等级的电力电子开关丙及三级振荡电容、MOV整体并联在断路器两端，即可成为三级振荡断路器。大于三级振荡的断路器扩展方法与之类同。

本实施例中，能够实现多级主动振荡换流，相比于混合式直流断路器减少了大量的电力电子器件，相比于单级主动振荡方案可大幅减小振荡电容容值，可低成本解决高压领域中的直流开断问题；且无需预充电电容，提高了直流断路器的运行可靠性。

本发明另一实施例提供一种基于多级振荡的直流断路器控制方法，其流程如图2所示，包括以下步骤：

正常工作时，所述直流断路器主通流电路上高弧压开关和每组真空开关均合闸；

发生短路故障，所述直流断路器收到开断指令后，将高弧压开关和每组真空开关均分闸，并导通第一组电力电子开关，经过预设的换流和介质恢复时间后，关断第一组电力电子开关，对一级振荡电容充电，当一级振荡电容电压达到第一MOV钳位电压时，导通第二组电力电子开关。此后直流断路器两端电压被二级振荡电容并联的MOV限制，同时故障电流逐渐下降。

在一些具体实施例中，第二组真空开关之后的主通流电路上还依次串联有一组或多组真空开关时，上述控制方法还包括以下步骤：

在导通第N组电力电子开关后，经过预设的换流和介质恢复时间，关断第N组电力电子开关，对N级振荡电容充电，当N级振荡电容电压达到第N MOV钳位电压时，导通第N+1组电力电子开关；对第二组电力电子开关之后的每组电力电子开关依次执行上述操作，直到导通最后一组电力电子开关。

如图3(a)至3(e)，以两级振荡直流断路器的基本控制方法为例，说明基于多级振荡的直流断路器控制方法。三级及以上振荡断路器的基本控制方法，能够根据两级振荡直流断路器的基本控制方法，进行扩展，并得到确定的步骤。

说明两级振荡断路器的基本控制方法如下：

1.正常工作时，如图3(a)所示，主通流电路所有机械开关合闸，直流运行电流经过若干机械开关流通。

2.发生短路故障，直流断路器收到开断指令后，如图3(b)所示，所有机械开关同时执行分闸，并导通第一组电力电子开关，高弧压开关分闸产生的电弧电压首先驱动电流转移至第一组电力电子开关，然后故障电流流经第一组真空开关和第二组真空开关并燃弧。燃弧是指在电气设备中电流通过断路器或接触器时，由于接触点之间存在一定的电压和电流，导致接触点发生电弧放电现象的过程。当接触点之间存在一定的电压和电流消失或降低到一定程度后，电弧消失，称为熄弧。

3.经过预设的换流和介质恢复时间后，第一组电力电子开关关断，电流将从第一组电力电子开关和第一组真空开关转移至一级振荡电容C

4.随后一级振荡电容C

5.一段时间后，故障电流完全转移到第二组电力电子开关所在支路，第二组真空开关过零熄弧。随后二级振荡电容C

6.最终故障电流将降至0，此时第二组电力电子开关电流过零自然关断，因此其无需关断大电流。至此，两级振荡直流断路器实现了对故障电流的关断，相比于混合式直流断路器减少了大量的电力电子器件，相比于单级主动振荡方案可大幅减小振荡电容容值，且无需预充电电容。

上述过程1～6为两级振荡直流断路器的控制方法，根据两级振荡直流断路器的实施例所公开的技术方案可知，若在第二组真空开关后串联更高电压等级的真空开关丙，并将更高电压等级的电力电子开关丙及三级振荡电容、MOV整体并联在断路器两端，即可成为三级振荡断路器。大于三级振荡的断路器扩展方法与之类同。

本实施例中，能够实现多级主动振荡换流，相比于混合式直流断路器减少了大量的电力电子器件，相比于单级主动振荡方案可大幅减小振荡电容容值，可低成本解决高压领域中的直流开断问题；且无需预充电电容，提高了直流断路器的运行可靠性。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种基于多级振荡的直流断路器控制装置，包括：存储器、处理器及存储于存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述的基于多级振荡的直流断路器控制方法。

本领域技术人员能够对上述顺序进行变换而并不离开本公开的保护范围。

凡在本发明的原则范围内做的任何修改、补充和等同替换等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围内。

上述所指出的“连接”，除非特别声明，是表示电流传输的逻辑关系，并非一定表示直接的电气连接。同时，“第一”、“第二”等并非表示一种前后顺序，仅仅用于识别相关的器件、装置等。

本发明不限于上述电压等级，上述电压等级仅仅是实施例中的电压等级。