一種高壓直流斷路器及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種斷路器及其實現(xiàn)方法，具體涉及一種高壓直流斷路器及其實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著基于電壓源換流器(VSC)的多端柔性直流和直流電網(wǎng)技術(shù)的開始應(yīng)用，快速直流斷路器成為保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠運行的關(guān)鍵設(shè)備之一。在交流系統(tǒng)中，交流電流在一個周期內(nèi)存在兩個自然過零點，交流斷路器正是利用電流的自然過零點關(guān)斷電流，而在直流系統(tǒng)中，直流電流不存在自然過零點，因此直流電流的開斷遠(yuǎn)比交流電流的開斷困難。
[0003]開斷直流電流通常有三種方式，一種是在常規(guī)交流機(jī)械斷路器的基礎(chǔ)上，通過增加輔助電路，在開斷弧間隙的直流電流上迭加增幅的振蕩電流，利用電流過零時開斷電路，利用這種原理制造的機(jī)械式斷路器，在分?jǐn)鄷r間上無法滿足多端柔性直流輸電系統(tǒng)的要求；一種是利用大功率可關(guān)斷電力電子器件，直接分?jǐn)嘀绷麟娏鳎眠@種原理制造的固態(tài)斷路器，在時間上雖然可以滿足多端柔性直流系統(tǒng)的要求，但在正常導(dǎo)通時的損耗過大，經(jīng)濟(jì)性較差；最后一種是采用機(jī)械開關(guān)和電力電子器件混合的方式，正常運行由機(jī)械開關(guān)通流，故障時分?jǐn)鄼C(jī)械開關(guān)，利用產(chǎn)生的電弧電壓將電流轉(zhuǎn)移至并聯(lián)連接的電力電子器件支路中，然后由電力電子器件分?jǐn)嚯娏?。基于該原理斷路器既減低了通態(tài)損耗，又提高了分?jǐn)嗨俣?，但是需要使用大量的全控器件串?lián)，技術(shù)難度大，制造成本高，而且當(dāng)短路電流超過單個全控器件所能耐受電流峰值時，其成本將接近翻倍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種高壓直流斷路器，另一目的是提供一種高壓直流斷路器的實現(xiàn)方法，本發(fā)明斷路器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，控制簡便，且使用的電力電子器件主要為半控器件晶閘管，技術(shù)成熟，易于實現(xiàn)，分?jǐn)嚯娏髂芰Υ螅褪茈妷旱燃壐?，擴(kuò)展能力強，極大程度上降低了成本。
[0005]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明提供一種高壓直流斷路器，所述直流斷路器基于二次電流轉(zhuǎn)移原理，包括并聯(lián)的主支路、電流轉(zhuǎn)移支路和能量吸收支路，所述直流斷路器串聯(lián)連接于直流系統(tǒng)中，其改進(jìn)之處在于，所述主支路包括串聯(lián)的至少一個高速機(jī)械開關(guān)K和至少一個包含全控器件的電流轉(zhuǎn)移模塊；所述電流轉(zhuǎn)移支路為橋式電流轉(zhuǎn)移支路；所述能量吸收支路由非線性電阻器構(gòu)成。
[0007]進(jìn)一步地，所述電流轉(zhuǎn)移模塊采用由四個IGBT模塊和電容器Cl組成的全橋結(jié)構(gòu)；每個IGBT模塊均由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。
[0008]進(jìn)一步地，所述電流轉(zhuǎn)移模塊采用由四個二極管、并聯(lián)的電容器C2和IGBT模塊支路組成的橋式電路結(jié)構(gòu)，所述IGBT模塊由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。
[0009]進(jìn)一步地，所述電流轉(zhuǎn)移模塊由反向串聯(lián)連接的IGBT模塊構(gòu)成，電容器C3并聯(lián)在反向串聯(lián)連接的IGBT模塊支路的兩端；所述IGBT模塊由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。
[0010]進(jìn)一步地，所述橋式電流轉(zhuǎn)移支路包括并聯(lián)的三組晶閘管閥串聯(lián)支路和LC串聯(lián)支路；第一組晶閘管閥串聯(lián)支路由同向串聯(lián)連接的晶閘管閥Tl和晶閘管閥T2組成；
[0011]第二組晶閘管閥串聯(lián)支路由同向串聯(lián)連接的晶閘管閥T5和晶閘管閥T6組成，第一組與第二組晶閘管閥支路所含晶閘管閥方向相反，中點相連；第一組與第二組晶閘管閥支路所連接中點與LC串聯(lián)支路的一端相連；
[0012]第三組晶閘管閥串聯(lián)支路由反向串聯(lián)連接的晶閘管閥T3和晶閘管閥T4組成，兩個晶閘管閥中點與LC串聯(lián)支路的另一端連接；
[0013]所述LC串聯(lián)支路由串聯(lián)的電感L和電容C組成，電容C被預(yù)充電至設(shè)定值。
[0014]進(jìn)一步地，所述非線性電阻器為避雷器。
[0015]本發(fā)明基于另一目的提供的一種高壓直流斷路器的實現(xiàn)方法，其改進(jìn)之處在于，當(dāng)電流轉(zhuǎn)移模塊采用由四個IGBT模塊和電容器組成的全橋結(jié)構(gòu)時，所述實現(xiàn)方法包括:
[0016]一)當(dāng)直流系統(tǒng)正常運行時，高速機(jī)械開關(guān)K閉合，電流轉(zhuǎn)移模塊中四個IGBT器件處于觸發(fā)狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)電流流經(jīng)主支路中串聯(lián)連接的高速機(jī)械開關(guān)K和電流轉(zhuǎn)移模塊，電流在電流轉(zhuǎn)移模塊兩條并聯(lián)連接的由IGBT和續(xù)流二極管串聯(lián)組成的支路中均分；在直流系統(tǒng)正常運行期間，電流轉(zhuǎn)移支路中的電容C進(jìn)行被充電至設(shè)定值；
[0017]二)直流系統(tǒng)發(fā)生單側(cè)短路故障:①當(dāng)直流系統(tǒng)在斷路器右側(cè)發(fā)生接地短路故障時，對電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥Tl和T2施加長觸發(fā)脈沖，再閉鎖主支路電流轉(zhuǎn)移模塊中的四個IGBT器件；
[0018]②主支路電流通過續(xù)流二極管Dl、D2對電流轉(zhuǎn)移模塊中的電容Cl進(jìn)行充電，當(dāng)電容Cl兩端電壓高于觸發(fā)晶閘管閥Tl和T2所需的最低正向電壓時，晶閘管閥Tl和T2將正常開通，流經(jīng)主支路電流開始向晶閘管閥Tl和T2轉(zhuǎn)移直至過零，隨后分?jǐn)喔咚贆C(jī)械開關(guān)K；
[0019]③維持晶閘管閥Tl和T2導(dǎo)通2ms，保證高速機(jī)械開關(guān)K產(chǎn)生足夠耐受直流系統(tǒng)過電壓的開距；觸發(fā)電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T3，預(yù)充電電容C經(jīng)電感L向晶閘管閥Tl反向注入電流，電流從晶閘管閥Tl向晶閘管閥T3轉(zhuǎn)移，晶閘管閥Tl電流降為零時關(guān)斷；
[0020]④短路電流經(jīng)晶閘管閥T3、電容C、電感L和晶閘管閥T2對電容C進(jìn)行充電，直至電容C極性反轉(zhuǎn)，當(dāng)其幅值達(dá)到避雷器動作閾值時，避雷器動作，電流轉(zhuǎn)移至避雷器中，直流系統(tǒng)能量將被其所消耗吸收，所述直流斷路器完成分?jǐn)唷?br>[0021 ] 進(jìn)一步地，當(dāng)電流轉(zhuǎn)移模塊采用由四個二極管、并聯(lián)的電容器和IGBT模塊支路組成的橋式電路結(jié)構(gòu)時，所述實現(xiàn)方法包括:
[0022]一)當(dāng)直流系統(tǒng)正常運行時，高速機(jī)械開關(guān)K閉合，電流轉(zhuǎn)移模塊中IGBT器件處于觸發(fā)狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)電流流經(jīng)主支路中串聯(lián)連接的高速機(jī)械開關(guān)K和電流轉(zhuǎn)移模塊；在直流系統(tǒng)正常運行期間，電流轉(zhuǎn)移支路中的電容C進(jìn)行被充電至設(shè)定值；
[0023]二)直流系統(tǒng)發(fā)生單側(cè)短路故障:①當(dāng)直流系統(tǒng)在斷路器右側(cè)發(fā)生接地短路故障時，對電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥Tl和T2施加長觸發(fā)脈沖，再閉鎖主支路電流轉(zhuǎn)移模塊中的IGBT器件；
[0024]②主支路電流通過續(xù)流二極管Dl、D2對電流轉(zhuǎn)移模塊中的電容Cl進(jìn)行充電，當(dāng)電容Cl兩端電壓高于觸發(fā)晶閘管閥Tl和T2所需的最低正向電壓時，晶閘管閥Tl和T2將正常開通，流經(jīng)主支路電流開始向晶閘管閥Tl和T2轉(zhuǎn)移直至過零，隨后分?jǐn)喔咚贆C(jī)械開關(guān)K；
[0025]③維持晶閘管閥Tl和T2導(dǎo)通2ms，保證高速機(jī)械開關(guān)K產(chǎn)生足夠耐受直流系統(tǒng)過電壓的開距；觸發(fā)電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T3，預(yù)充電電容C經(jīng)電感L向晶閘管閥Tl反向注入電流，電流從晶閘管閥Tl向晶閘管閥T3轉(zhuǎn)移，晶閘管閥Tl電流降為零時關(guān)斷；
[0026]④短路電流經(jīng)晶閘管閥T3、電容C、電感L和晶閘管閥T2對電容C進(jìn)行充電，直至電容C極性反轉(zhuǎn)，當(dāng)其幅值達(dá)到避雷器動作閾值時，避雷器動作，電流轉(zhuǎn)移至避雷器中，直流系統(tǒng)能量將被其所消耗吸收，所述直流斷路器完成分?jǐn)唷?br>[0027]進(jìn)一步地，當(dāng)電流轉(zhuǎn)移模塊由反向串聯(lián)連接的IGBT模塊構(gòu)成時，所述實現(xiàn)方法包括:
[0028]一)當(dāng)直流系統(tǒng)正常運行時，高速機(jī)械開關(guān)K閉合，電流轉(zhuǎn)移模塊中兩個IGBT器件處于觸發(fā)狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)電流流經(jīng)主支路中串聯(lián)連接的高速機(jī)械開關(guān)K和電流轉(zhuǎn)移模塊；在直流系統(tǒng)正常運行期間，電流轉(zhuǎn)移支路中的電容C進(jìn)行被充電至設(shè)定值；
[0029]二)直流系統(tǒng)發(fā)生單側(cè)短路故障:①當(dāng)直流系統(tǒng)在斷路器右側(cè)發(fā)生接地短路故障時，對電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥Tl和T2施加長觸發(fā)脈沖，再閉鎖主支路電流轉(zhuǎn)移模塊中的兩個IGBT器件；
[0030]②主支路電流通過續(xù)流二極管Dl、D2對電流轉(zhuǎn)移模塊中的電容Cl進(jìn)行充電，當(dāng)電容Cl兩端電壓高于觸發(fā)晶閘管閥Tl和T2所需的最低正向電壓時，晶閘管閥Tl和T2將正常開通，流經(jīng)主支路電流開始向晶閘管閥Tl和T2轉(zhuǎn)移直至過零，隨后分?jǐn)喔咚贆C(jī)械開關(guān)K；
[0031 ] ③維持晶閘管閥Tl和T2導(dǎo)通2ms，保證高速機(jī)械開關(guān)K產(chǎn)生足夠耐受直流系統(tǒng)過電壓的開距；觸發(fā)電流轉(zhuǎn)移支路中的晶閘管閥T3，預(yù)充電電容C經(jīng)電感L向晶閘管閥Tl反向注入電流，電流從晶閘管閥Tl向晶閘管閥T3轉(zhuǎn)移，晶閘管閥Tl電流降為零時關(guān)斷；
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