CN115663757A - 一种限流式混合直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种限流式混合直流断路器，本发明涉及电力高压大容量直流断路器技术领域。当发生故障时，及时断开两侧的UFD，将并联支路转为串联。此时，系统等效电感增加，抑制短路电流的增长，并联的IGBT阀组切换为串联。限流电路可降低金属氧化物避雷器MOA耗能压力，提高可靠性。

Description

一种限流式混合直流断路器

技术领域

本发明涉及电力高压大容量直流断路器技术领域，特别是涉及一种限流式混合直流断路器。

背景技术

随着可再生能源和储能技术的进步，高压直流输电技术已成为世界范围内的研究热点。它具有损耗低、传输容量大、传输距离远等优点。当与复杂的储能技术相结合时，灵活的直流电网可以集成各种可再生能源和新负载的优势，它将发展成为一种大规模使用可再生能源的有效方法。但直流电网具有低惯性、低阻抗的特点。当直流侧发生短路故障时，故障电流急剧增加，对直流电网系统的安全性和稳定性构成重大威胁。短路电流迅速上升，使得对于直流断路器的要求更加复杂，其为直流断路器发展的重要技术障碍。

一些拓扑利用限流电感器来抑制初始故障电流，从而减少断路器分断故障电流的应变。直流电网的电压一般都比较高。假设限流电感的稳态电阻和电力电子器件的导通电阻相当大。在这种情况下，直流电网的稳态性能会受到影响。

在Lazzari,R.,Piegari,L.:Design and Implementation of LVDC HybridCircuit Breaker中介绍了载流、固态开关和吸收分支。在典型的工作条件下，载流支路以很小的导通损耗传输载流电流。载流支路中的超快速开关(Ultrafast DisconnectSwitch，UFD)在发生短路时断开，电流换向至固态支路。随后，关断信号传送到固态支路，关断后完成短路电流的消除。但是，混合直流断路器(Hybrid DC Circuit Breaker，HCB)的固态开关分支中使用大量的IGBT，因此HCB在大功率应用中更昂贵。

在Li,S.,Zhao,C.,Xu,J.,Guo,C.:A new topology for current-limiting HVDCcircuit breaker.Transactions of China Electrotechnical Society.提出了一种具备限流功能和支路串并联状态可变的断路器架构，为了满足稳态运行和瞬态故障分断的功能，UFD可以改变限流电感的串并联连接方式。限流电感并联不影响常规断路器过程中直流电网的稳态性能。限流电感的串联可有效抑制瞬态故障条件下故障电流的增长。但由于串联电感，这种拓扑结构运行缓慢并在较长时间内吸收能量。

文献Xu,J.,Feng,M.,Zhao,X.,Jiang,C.,Zhao,C.,Qiu,S.:A Topology ofClamped Single Module Type Reciprocating High Voltage DC Circuit BreakersWith Current-limiting Capability提出了一种以钳位子模块为中心工作单元的单钳位模块式往复式限流高压直流断路器拓扑结构。以子模块为中央运算单元，可在限流模式和常规工作模式之间快速转换，实现往复限流。子模块是核心工作单元，在限流模式和常规工作模式之间快速切换，实现往复限流。当拓扑正常运行时，各支路并联，可以提高直流电网的稳态性能。当发生故障时，将支路串联起来，可以提高对故障电流的抑制效果，但串联电感会降低系统经济性并长期消耗能量。

综上，目前已有的方法仍存在断路器性能不佳，造价昂贵等不足。为此，亟需一种具备限流功能和降低成本的混合直流断路器拓扑。

发明内容

本发明提出了一种限流型混合直流断路器。当发生故障时，及时断开两侧的UFD，将并联支路转为串联。此时，系统等效电感增加，抑制短路电流的增长，并联的IGBT阀组切换为串联。限流电路可降低金属氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester，MOA)耗能压力，提高可靠性。本发明提供一种限流式混合直流断路器，具体方案如下：

一种限流式混合直流断路器，包括：超快速开关UFD₄、超快速开关UFD₅、多个断路模块、多个限流回路和多个二极管；

所述断路模块包括多个IGBT、一个超快速开关UFD和一个避雷器MOA；所述限流电路包括一个电感、一个耗能电阻和一个二极管；

超快速开关UFD和IGBT用于在负载电流路径中流动稳态电流，换流路径是由诸多串联的IGBT组成，主要用于传输和关断故障电流；MOA主要用于在故障电流清除时吸收冲击电压能量，二极管整流桥适用于流通双向电流。

优选地，多个断路模块分别为第一断路模块、第二断路模块和第三断路模块；

所述第一断路模块包括超快速开关UFD₁、IGBT₁、MOA1和n个串联的IGBT₁₁...IGBT_1n；

超快速开关UFD₁和IGBT₁串联连接，同时分别与n个串联的IGBT₁₁...IGBT_1n及MOA1并联。

优选地，第一断路模块、第二断路模块和第三断路模块的结构相同。

优选地，多个限流回路分别为第一限流回路、第二限流回路和第三限流回路；

所述第一限流回路包括电感L₁、二极管D₁和耗能电阻R_d1；

二极管D₁和耗能电阻R_d1，串联后与电感L₁并联。

优选地，第一限流回路、第二限流回路和第三限流回路的结构相同。

优选地，多个二极管包括二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₁₃、二极管D₁₄、二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃、二极管D₂₄、二极管D₃₁、二极管D₃₂、二极管D₃₃和二极管D₃₄；

二极管D₁₁和二极管D₁₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的一端；二极管D₁₂和二极管D₁₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的一端；二极管D₁₁和二极管D₁₃串联的一端连接第一断路模块的一端，第一断路模块的另一端连接第一限流回路的一端；二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₁₃、二极管D₁₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₁₃和二极管D₁₄的串联接点；

二极管D₂₁和二极管D₂₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的另一端；二极管D₂₂和二极管D₂₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的一端；二极管D₂₁和二极管D₂₃串联的一端连接第二断路模块的一端，第二断路模块的另一端连接第二限流回路的一端；二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃、二极管D₂₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₂₃和二极管D₂₄的串联接点；

二极管D₃₁和二极管D₃₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的另一端，二极管D₃₂和二极管D₃₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的另一端；二极管D₃₁和二极管D₃₃串联的一端连接第三断路模块的一端，第三断路模块的另一端连接第三限流回路的一端；极管D₃₁、二极管D₃₂、二极管D₃₃和二极管D₃₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₃₃和二极管D₃₄的串联接点。

有益效果：

本发明提出了一种具有限流功能的混合直流断路器。多个限流支路在导通状态下并联，可降低支路电流，减小对系统稳态性能影响，降低损耗延长使用寿命。限流电感由并联切换为串联，可提供限流功能。鉴于MOA吸收的能量与电感中存储的能量成正比，增加了限流电路，降低MOA的能耗要求，实现更快速的分断。

附图说明

图1为断路器拓扑结构示意图；

图2为正常运行阶段；

图3为故障检测阶段；

图4为限流阶段；

图5为故障清除阶段；

图6为断路器开断能力仿真。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

结合图1至图6所示，本发明提供一种限流式混合直流断路器，一种限流式混合直流断路器，包括：超快速开关UFD₄、超快速开关UFD₅、多个断路模块、多个限流回路和多个二极管；

所述断路模块包括多个IGBT、一个超快速开关UFD和一个避雷器MOA；所述限流电路包括一个电感、一个耗能电阻和一个二极管；

超快速开关UFD和IGBT用于在负载电流路径中流动稳态电流，换流路径是由诸多串联的IGBT组成，主要用于传输和关断故障电流；MOA主要用于在故障电流清除时吸收冲击电压能量，二极管整流桥适用于流通双向电流。

多个断路模块分别为第一断路模块、第二断路模块和第三断路模块；

所述第一断路模块包括超快速开关UFD₁、IGBT₁、MOA1和n个串联的IGBT₁₁...IGBT_1n；

超快速开关UFD₁和IGBT₁串联连接，同时分别与n个串联的IGBT₁₁...IGBT_1n及MOA1并联。

第一断路模块、第二断路模块和第三断路模块的结构相同。

多个限流回路分别为第一限流回路、第二限流回路和第三限流回路；

所述第一限流回路包括电感L₁、二极管D₁和耗能电阻R_d1；

二极管D₁和耗能电阻R_d1，串联后与电感L₁并联。

第一限流回路、第二限流回路和第三限流回路的结构相同。

多个二极管包括二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₁₃、二极管D₁₄、二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃、二极管D₂₄、二极管D₃₁、二极管D₃₂、二极管D₃₃和二极管D₃₄；

二极管D₁₁和二极管D₁₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的一端；二极管D₁₂和二极管D₁₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的一端；二极管D₁₁和二极管D₁₃串联的一端连接第一断路模块的一端，第一断路模块的另一端连接第一限流回路的一端；二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₁₃、二极管D₁₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₁₃和二极管D₁₄的串联接点；

二极管D₂₁和二极管D₂₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的另一端；二极管D₂₂和二极管D₂₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的一端；二极管D₂₁和二极管D₂₃串联的一端连接第二断路模块的一端，第二断路模块的另一端连接第二限流回路的一端；二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃、二极管D₂₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₂₃和二极管D₂₄的串联接点；

二极管D₃₁和二极管D₃₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的另一端，二极管D₃₂和二极管D₃₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的另一端；二极管D₃₁和二极管D₃₃串联的一端连接第三断路模块的一端，第三断路模块的另一端连接第三限流回路的一端；极管D₃₁、二极管D₃₂、二极管D₃₃和二极管D₃₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₃₃和二极管D₃₄的串联接点。

断路器工作原理

1)正常运行阶段(t₀-t₁)：图2描绘了此阶段断路器等效电路，等效电路的电流方向如图2所示。线路电阻、负载电流通路输入电路的电力电子开关器件的等效电阻、负载电阻、UFD导通电阻分别为R₀、R₁、R_s、R₂，线路电感表示为L₀。支路限流电感为L₁、L₂、L₃，其阻值分别为R_L1、R_L2、R_L3。L＝L₁＝L₂＝L₃，所以R_L＝R_L1＝R_L2＝R_L3。系统电流设置为I，每个分支设置为I_L1、I_L2和I_L3。直流电源的电压设置为U_dc。UFD的电阻R₂的阻值可以忽略不计，忽略R₂时，三个支路中的电流相同。

2)故障检测阶段(t₁-t₂)：在t₁，假设发生短路。直流故障发生后，保护装置需要时间来检测。在此期间断路器未激活，故障电流通过负载电流路径自由流动。图3描述了故障条件下的等效电路。

3)电流换相阶段(t₂-t₃)：电流的换向阶段从t₂开始，此时关断信号被传输到UFD。在固有的断开时间之后，UFD触点在时间t₂开始分离。一段时间后，UFD达到有效范围。当UFD在t₃分离时，三个平行分支同时串联连接。同时，负载电流路径被旁路，将故障电流从负载电流路径转移到换向路径。

4)限流阶段(t₃-t₄)：此时，电路由并联切换为串联，整体导通电阻值也随之变化。本阶段等效电路模型如图4所示。R₃为换流路径输入电路的电力电子开关器件的等效电阻。完全关闭UFD后，三个支路由并联切换到串联，系统电流I下降到原来的1/3左右。限流电感从并联切换到串联，故障电流的上升速度比故障检测阶段慢，这表明本拓扑具备限流功能。

5)故障清除阶段(t4-t5)：在t₄处阻断换向路径。故障电流通过MOA放电后降至零，最终切断支路，图5说明了相应的电路图。

使用PSCAD/EMTDC平台测试本发明提出的限流式断路器，测试系统的主要参数如表1所示。

图6为限流式断路器仿真的结果。系统正常运行时处于稳态，在t₁发生短路。此时保护机制尚未启动，故障电流增加。在t₂，断路器收到关断信号，UFD开始动作关断。当UFD在t₃分离时，三个并联的支路串联。如图6(b)所示，电流I_L2反向，其绝对值与稳定后的I_L1和I_L3相同。图6(a)显示故障电流从13.16kA降低到5.56kA，接近原始值的1/3。系统电流I稳步下降，然后逐渐增加。随着电感从并联切换到串联，故障电流上升速度减慢。当换流路径中的IGBT在t₄关断时，其两端电压升高。一旦达到MOA的工作电压，它就会通过MOA放电，最后故障电流降至零。

表1仿真参数

综上所述，本发明提出了一种具备限流功能的混合直流断路器。当发生故障时，及时断开两侧的UFD，将并联支路转为串联。此时，系统等效电感增加，短路电流迅速下降，并联的IGBT阀组切换为串联。限流回路可降低金属氧化物避雷器(Metal OxideArrester，MOA)耗能压力，提高其可靠性，缩短故障隔离时间。

以上对本发明所提供的一种限流式混合直流断路器，进行了详细介绍，本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种限流式混合直流断路器，其特征在于，包括：超快速开关UFD₄、超快速开关UFD₅、多个断路模块、多个限流回路和多个二极管；

所述断路模块包括多个IGBT、一个超快速开关UFD和一个避雷器MOA；所述限流电路包括一个电感、一个耗能电阻和一个二极管；

超快速开关UFD和IGBT用于在负载电流路径中流动稳态电流，换流路径是由诸多串联的IGBT组成，主要用于传输和关断故障电流；避雷器MOA主要用于在故障电流清除时吸收冲击电压能量，二极管整流桥适用于流通双向电流。

2.根据权利要求1所述的一种限流式混合直流断路器，其特征在于，多个断路模块分别为第一断路模块、第二断路模块和第三断路模块；

所述第一断路模块包括超快速开关UFD₁、IGBT₁、MOA1和n个串联的IGBT₁₁...IGBT_1n；

超快速开关UFD₁和IGBT₁串联连接，同时分别与n个串联的IGBT₁₁...IGBT_1n及MOA1并联。

3.根据权利要求2所述的一种限流式混合直流断路器，其特征在于，第一断路模块、第二断路模块和第三断路模块的结构相同。

4.根据权利要求3所述的一种限流式混合直流断路器，其特征在于，多个限流回路分别为第一限流回路、第二限流回路和第三限流回路；

所述第一限流回路包括电感L₁、二极管D₁和耗能电阻R_d1；

二极管D₁和耗能电阻R_d1，串联后与电感L₁并联。

5.根据权利要求4所述的一种限流式混合直流断路器，其特征在于，第一限流回路、第二限流回路和第三限流回路的结构相同。

6.根据权利要求5所述的一种限流式混合直流断路器，其特征在于，多个二极管包括二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₁₃、二极管D₁₄、二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃、二极管D₂₄、二极管D₃₁、二极管D₃₂、二极管D₃₃和二极管D₃₄；

二极管D₁₁和二极管D₁₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的一端；二极管D₁₂和二极管D₁₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的一端；二极管D₁₁和二极管D₁₃串联的一端连接第一断路模块的一端，第一断路模块的另一端连接第一限流回路的一端；二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₁₃、二极管D₁₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₁₃和二极管D₁₄的串联接点；

二极管D₂₁和二极管D₂₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的另一端；二极管D₂₂和二极管D₂₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的一端；二极管D₂₁和二极管D₂₃串联的一端连接第二断路模块的一端，第二断路模块的另一端连接第二限流回路的一端；二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃、二极管D₂₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₂₃和二极管D₂₄的串联接点；

二极管D₃₁和二极管D₃₃串联，串联接点连接超快速开关UFD₄的另一端，二极管D₃₂和二极管D₃₄串联，串联接点连接超快速开关UFD₅的另一端；二极管D₃₁和二极管D₃₃串联的一端连接第三断路模块的一端，第三断路模块的另一端连接第三限流回路的一端；极管D₃₁、二极管D₃₂、二极管D₃₃和二极管D₃₄形成串联回路，第一限流回路的另一端连接二极管D₃₃和二极管D₃₄的串联接点。

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