一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑的制作方法

本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑(clampedsinglemoduletypereciprocatinghighvoltagedccircuitbreakerwithcurrent-limitingcapability)。

背景技术：

随着以绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor,igbt)为代表的全控型电力电子器件的大规模应用，具有良好可控性和扩展性的柔性直流输电技术迅速发展。近年，相关研究不断深入，有关柔性直流输电技术的研究逐渐从以往的点对点输电发展为柔性直流电网。柔性直流电网能够最大限度地整合各种负荷，优势互补，结合先进的储能手段，将成为大规模新能源消纳的有效手段。然而直流电网具有“低惯量、低阻抗”的特性，发生直流侧短路故障后，故障电流将在极短时间内大幅度上升，严重影响直流电网系统的安全稳定。

直流电网中最可靠的故障隔离方式之一是使用直流断路器(directcurrentcircuitbreaker,dccb)。基于直流断路器的保护方案能够实现快速的故障线路清除与系统重启。因此，直流断路器对直流电网的稳定运行具有重要意义。直流断路器拓扑众多，根据断路器中主要开关器件的类型，可以分为机械式直流断路器、纯固态直流断路器和混合式直流断路器。在三种类型的断路器中，混合式直流断路器兼具机械式直流断路器的经济性和纯固态直流断路器的反应速度，在直流电网中具有广阔的应用前景。

以abb公司所提拓扑为代表的混合式高压直流断路器主要依靠全控型电力电子器件完成电流的切断。但目前igbt等全控型器件的使用受限于单个器件额定电压、电流，在高压大容量直流电网的场合，需要大量器件串并联，开关动作的一致性难以得到保证，可靠性较差。而且igbt的成本较高，大量使用igbt将增加经济成本。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明设计一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑。正常运行时，该拓扑可以工作在对直流电网稳态性能影响较小的支路并联模式；发生故障后，该拓扑可以工作在阻抗较高的支路串联模式，从而抑制故障电流并完成分断。

本发明提出的一种模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，为了实现故障电流限流和故障电流分断的功能，设计了相关的工作流程和控制逻辑。

附图说明

图1是所提断路器的3支路形式拓扑结构。其中lp为支路限流电感，th1、th2为转换igbt组。s为快速机械开关。sm为满足断路器要求的子模块原理示意图，若开关k打开，则电容投入电路，示意子模块的电容投入状态；若开关k闭合，则电容被旁路，示意子模块的旁路状态。n1为通流支路子模块串联个数，n2为转移支路子模块串联个数。

图2为断路器工作流程分析的简易系统拓扑图。其中，u1、u2分别为两端换流器直流电压，l01、l02为两端换流站平波电抗器，r01、r02为线路等效电阻，im为流过断路器的总电流，dccb1、dccb2为两换流站所配本发明所提直流断路器，bv为断路阀段。

图3为t0～t1时刻稳态运行阶段系统等效电路图。

图4为t1～t2时刻故障检测阶段系统等效电路图。

图5为t2～t3时刻限流阶段系统等效电路图。

图6为t2+时刻系统等效电路的运算电路图。

图7为电流转移过程示意图。

图8为t3～t4时刻电流转移和分断延时阶段系统等效电路图。

图9为t4～t5时刻故障清除阶段，在避雷器动作前的系统等效电路图。

图10为断路器的5支路形式拓扑结构图。

具体实施方式

如图1所示为本发明所提断路器拓扑，其子模块可以是任何满足断路器功能要求的子模块，一切具备闭锁、旁路功能的子模块均满足断路器功能要求。其中，闭锁状态是指仅当电流为电容充电时，电容接入电路中，而电容无法向电路放电的一种状态；旁路状态是指电容被子模块自身结构旁路，不与电路发生相互作用的一种状态。如图1中sm示意结构所示，当k打开时，电容c单向接入电路中，表示子模块处于闭锁状态；当k闭合时，电容c被旁路，表示子模块处于旁路状态。需要提出的是，图3仅示意子模块的闭锁、旁路状态，不表示子模块的具体电路结构，所有满足断路器要求的子模块(例如全桥子模块、半桥子模块等)在本发明中的使用均在本发明保护范围之内。

本发明所提出的断路器中，所有断路阀段同名支路中全部子模块的控制方式都相同，为简明起见，下文用“某支路闭锁/旁路”来指代该支路中所有子模块的统一控制状态。例如，“转移支路闭锁”即表示所有断路阀段的转移支路中，全部子模块的控制状态均为旁路。

为进一步阐述本发明的性能与工作原理，以下将结合附图，在如图2所示的简易系统中介绍断路器从稳态运行到故障后完成分断的工作流程。

断路器工作过程中，自t0时刻稳态运行至t5时刻断路器完成分断，中间共有t1、t2、t3、t4四个关键时刻：t1时刻发生直流故障，t2时刻机械开关收到分闸指令，t3时刻结束故障限流，t4时刻机械开关分闸完成。

t0～t1时刻，稳态运行阶段：当系统稳态运行时，转换igbt组th1、th2导通，通流支路旁路，转移支路闭锁，稳态电流经通流支路流过断路器。断路器的3条支路处于并联状态，对系统的稳态性能影响较小。其稳态电流通路如图1灰色点划线所示。

t1～t2时刻，故障检测阶段：t1时刻故障发生，保护装置尚需要一定时间进行检测，这段时间内断路器不动作，故障电流将经通流支路自由发展。故障电流通路如图1灰色点划线所示。这一阶段系统等效电路如图4所示。

t2～t3时刻，限流阶段：保护装置检测到故障后，在t2时刻发出指令，令通流支路闭锁，子模块接入电路中进行限流，同时转换igbt组th1、th2关断，断路器三条支路从并联结构变为串联，进入限流状态。限流状态下，不仅限流电感串联接入电路，通流支路中所有子模块电容也串联接入电路，其故障电流通路如图1中黑色点划线所示。这一阶段系统的等效电路如图5所示。

t3～t4时刻，电流转移和分断延时阶段：t3时刻前，若故障已清除，故障电流将不再继续发展，可以重新触发子模块使得通流支路旁路，直接恢复正常运行；反之则需要进行断路动作。保护装置判断需要断路动作后，令转移支路旁路，故障电流将从通流支路转移到转移支路。进一步检测通流支路的电流，当其小于快速机械开关的开断允许电流后，给出分闸指令。电流转移过程如图7所示。电流转移完成后，机械开关收到分闸指令。一般而言，机械开关的分断时间为2ms。

t4～t5时刻，故障清除阶段：机械开关完全分断后，闭锁转移支路。故障电流先为转移支路电容充电，当电容电压达到避雷器保护电压后，故障电流通过避雷器耗散能量，故障电流下降。避雷器是非线性元件，在避雷器动作前，系统的等效电路如图9所示。

由上述具体说明可知，结合适当的控制方法，所提出的一种模块型往复限流式高压直流断路器具备故障电流限制和故障电流分断的功能。

以上过程基于本发明所提出的一种模块型往复限流式高压直流断路器的3支路形式进行分析，当支路数目更多时，断路器具有类似的动作过程。如图10所示为本发明所提出的断路器的5支路形式。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。