一种具有双向阻断能力的多端直流断路器及其控制方法

1.本发明属于直流电网技术领域，涉及直流断路器，特别是一种具有双向阻断能力的多端直流断路器及其控制方法。


背景技术：

2.直流断路器在直流电网中应用有较强的需求前景。但目前已有的直流断路器一般基于点对点直流系统，在只涉及到两个端口时，其工作可靠性和成本都较为可控。但当直流系统的端口较多、结构复杂时，应用在多端直流系统中的直流断路器将由大量的分立式直流断路器组成，如图1所示。直流断路器的大量使用一方面使得成本和导通损耗都成倍增加，另一方面在开断故障时需要多个断路器配合，这增加了系统的控制难度，开断可靠性也有待提高。
3.总之，现有的直流断路器开断故障方案难以满足多端直流系统的开断需求，将其应用在多端直流系统场景时其成本、损耗和可靠性等各个方面都难以达到满意的效果，亟需提出新的拓扑结构来减少主断路器的使用数量，进而降低成本，提高开断可靠性。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有多端直流系统中存在的缺陷，提供一种具有双向阻断能力的多端直流断路器及其控制方法，以阻断多条线路故障，节省昂贵的主断路器数量；以保护直流母线故障，极大地提高断路器的可靠性。
5.为达到上述目的，本发明采用的一种技术方案如下：一种具有双向阻断能力的多端直流断路器，包括用于连接在直线母线上的主断路器支路，其还包括与主断路器支路并联的第一负荷电流支路和第三负荷电流支路；所述第一负荷电流支路远离直流母线的一端为第一端口；所述第三负荷电流支路远离直流母线的一端为第二端口；
6.所述主断路器支路远离直流母线的一端与第一负荷电流支路远离直流母线的一端之间串联第二负荷电流支路，所述主断路器支路远离直流母线的一端与第三负荷电流支路远离直流母线的一端之间串联第四负荷电流支路。
7.进一步地，第一至第四负荷电流支路均包括相串联的两个igbt和一个机械开关。
8.进一步地，所述的主断路器支路包括多个串联的igbt和并联在多个串联igbt两端的避雷器。
9.本发明利用多条负荷电流支路减少三端口混合式直流断路器中主断路器直流的数量，将主断路器支路igbt总量减少至分立混合式直流断路器的1/3；每个端口均拥有负载电流阻断能力和直流短路故障处理能力；便于多端拓展，且不增加昂贵的主断路器结构。
10.本发明还提供上述多端直流断路器的控制方法，其包括：
11.1)外部线路直流短路故障阻断控制
12.在未发生故障时主断路器直流保持关断，若第一端口发生短路故障，短路电流经过第一负荷电流支路与第二负荷电流支路流向第一端口，当检测到短路故障后，主断路器
支路导通，第一负荷电流支路与第四负荷电流支路上的igbt闭锁，使得电流流经主断路器与第二负荷电流支路；之后打开第一负荷电流支路与第四负荷电流支路上的机械开关，当机械开关达到额定开距时，主断路器直流上的igbt同时关断，随后主断路器直流上的避雷器消耗剩余的能量，短路故障处理完毕；
13.2)直流母线短路故障阻断控制
14.在未发生故障时主断路器直流保持关断，若直流母线发生短路故障，短路电流经过第一负荷电流支路与第三负荷电流支路流向直流母线，当检测到短路故障后，主断路器支路导通，关断第一负荷电流支路与第三负荷电流支路上的igbt，故障电流转移至第二负荷电流支路、第四负荷电流支路与主断路器支路；之后打开第一负荷电流支路与第三负荷电流支路上的快速机械开关，当机械开关达到额定开距时，主断路器直流上的igbt同时关断，随后主断路器直流上的避雷器消耗剩余的能量，直流母线短路故障处理完毕；
15.3)双向负荷电流阻断控制
16.以第一端口为例，当需要阻断负荷电流时，主断路器支路导通，第一负荷电流支路与第四负荷电流支路上的igbt闭锁，使得电流流经主断路器与第二负荷电流支路；之后打开第一负荷电流支路与第四负荷电流支路上的快速机械开关，当机械开关达到额定开距时，主断路器直流上的igbt同时关断，随后主断路器直流上的避雷器消耗剩余的能量，负载电流阻断完毕。
17.本发明采用的另一种技术方案如下：具有双向阻断能力的多端直流断路器，包括用于连接在直线母线上的主断路器支路，其还包括与主断路器支路并联的第一负荷电流支路、第三负荷电流支路和第五负荷电流支路；所述第一负荷电流支路远离直流母线的一端为第一端口；所述第三负荷电流支路远离直流母线的一端为第二端口；所述第五负荷电流支路远离直流母线的一端为第三端口；
18.所述主断路器支路远离直流母线的一端与第一负荷电流支路远离直流母线的一端之间串联第二负荷电流支路，所述主断路器支路远离直流母线的一端与第三负荷电流支路远离直流母线的一端之间串联第四负荷电流支路；所述主断路器支路远离直流母线的一端与第五负荷电流支路远离直流母线的一端之间串联第六负荷电流支路。
19.进一步地，第一负荷电流支路至第六负荷电流支路均包括相串联的两个igbt和一个机械开关。
20.进一步地，所述的主断路器支路包括多个串联的igbt和并联在多个串联igbt两端的避雷器。
21.本发明还提供上述多端直流断路器的控制方法，其包括：
22.在未发生故障时主断路器直流保持关断，若第一端口发生短路故障，短路电流经过第一负荷电流支路与第二负荷电流支路流向第一端口，当检测到短路故障后，主断路器支路导通，第一负荷电流支路与第四负荷电流支路、第六负荷电流支路上的igbt闭锁，使得电流流经主断路器与第二负荷电流支路；之后打开第一负荷电流支路与第四负荷电流支路、第六负荷电流支路上的快速机械开关，当机械开关达到额定开距时，主断路器直流上的igbt同时关断，随后主断路器直流上的避雷器消耗剩余的能量，短路故障处理完毕。
23.本发明具有以下有益效果：1、本发明的多端直流断路器相比于单端直流断路器可以阻断多条线路故障，节省昂贵的主断路器数量；2、本发明的多端直流断路器可以保护直
流母线故障，极大地提高了断路器的可靠性。3、本发明的多端直流断路器便于多端应用，且便于拓展。
附图说明
24.图1为现有多端直流系统故障开断结构示意图；
25.图2是本发明的一种多端直流断路器的拓扑结构图；
26.图3是本发明的另一种多端直流断路器的拓扑结构图。
具体实施方式
27.以下将结合说明书附图和具体实施方式，对本发明的技术方案进行详细说明。
28.实施例1
29.本实施例提供一种具有双向阻断能力的多端直流断路器，如图2所示，其由用于连接在直线母线11上的主断路器支路7、与主断路器支路7并联的第一负荷电流支路1和第三负荷电流支路3组成。所述第一负荷电流支路1远离直流母线11的一端为第一端口8；所述第三负荷电流支路3远离直流母线的一端为第二端口9。
30.所述主断路器支路7远离直流母线的一端与第一负荷电流支路1远离直流母线的一端之间串联第二负荷电流支路2，所述主断路器支路7远离直流母线的一端与第三负荷电流支路3远离直流母线的一端之间串联第四负荷电流支路4。
31.第一至第四负荷电流支路均由相串联的两个igbt和一个机械开关组成。
32.所述的主断路器支路由多个串联的igbt和并联在多个串联igbt两端的避雷器组成。
33.本实施例还提供上述多端直流断路器的控制方法，其包括：
34.1)外部线路直流短路故障阻断控制
35.在未发生故障时主断路器支路保持关断，若第一端口8发生短路故障，短路电流经过第一负荷电流支路1与第二负荷电流支路2流向第一端口8，当检测到短路故障后，主断路器支路7导通，第一负荷电流支路1与第四负荷电流支路4上的igbt闭锁，使得电流流经主断路器与第二负荷电流2支路；之后打开第一负荷电流支路1与第四负荷电流支路4上的机械开关，当机械开关达到额定开距时，主断路器直流上的igbt同时关断，随后主断路器直流上的避雷器消耗剩余的能量，短路故障处理完毕。在外部故障电流的阻断过程中，第三负荷电流支路3的igbt和快速机械开关始终导通，直流母线和非故障端口9保持连通状态，第一端口8的外部故障开断不影响第二端口9的正常工作。
36.当第二端口9发生短路故障时，开断控制策略与第一端口8短路完全一致，此时开关动作的负荷电流支路变为：第二负荷电流支路2与第三负荷电流支路3。具体过程不再描述。
37.2)直流母线短路故障阻断控制
38.在未发生故障时主断路器支路保持关断，若直流母线发生短路故障，短路电流经过第一负荷电流支路1与第三负荷电流支路3流向直流母线，当检测到短路故障后，主断路器支路导通，关断第一负荷电流支路1与第三负荷电流支路3上的igbt，故障电流转移至第二负荷电流支路2、第四负荷电流支路4与主断路器支路7；之后打开第一负荷电流支路1与
第三负荷电流支路3上的快速机械开关，当机械开关达到额定开距时，主断路器直流上的igbt同时关断，随后主断路器直流上的避雷器消耗剩余的能量，直流母线短路故障处理完毕。
39.3)双向负荷电流阻断控制
40.在未发生故障时主断路器支路保持关断，负荷电流正常流过第二负荷电流支路2和第三负荷电流支路3。当需要阻断负荷电流时，以阻断第一端口8的负荷电流为例，主断路器支路7导通，第一负荷电流支路1与第四负荷电流支路4上的igbt闭锁，使得电流流经主断路器与第二负荷电流支路2；之后打开第一负荷电流支路1与第四负荷电流支路4上的快速机械开关，当机械开关达到额定开距时，主断路器直流上的igbt同时关断，随后主断路器直流上的避雷器消耗剩余的能量，负载电流阻断完毕。在负荷电流的阻断过程中，第三负荷电流支路3的igbt和快速机械开关始终导通，直流母线和非阻断端口9保持连通状态，第一端口8的负荷电流开断不影响第二端口9的正常工作。
41.当需要阻断第二端口9的负荷电流时，阻断控制过程与第一端口8的负荷电流阻断完全一致，此时开关动作的负荷电流支路变为：第二负荷电流支路2与第三负荷电流支路3。具体过程不再描述。
42.实施例2
43.本实施例提供一种具有双向阻断能力的多端直流断路器，如图3所示，其由用于连接在直线母线上的主断路器支路7、与主断路器支路并联的第一负荷电流支路1、第三负荷电流支路3和第五负荷电流支路5组成。所述第一负荷电流支路1远离直流母线的一端为第一端口8；所述第三负荷电流支路3远离直流母线的一端为第二端口9；所述第五负荷电流支路5远离直流母线的一端为第三端口10。
44.所述主断路器支路7远离直流母线的一端与第一负荷电流支路1远离直流母线的一端之间串联第二负荷电流支路2，所述主断路器支路7远离直流母线的一端与第三负荷电流支路3远离直流母线的一端之间串联第四负荷电流支路4；所述主断路器支路7远离直流母线的一端与第五负荷电流支路5远离直流母线的一端之间串联第六负荷电流支路6。
45.第一负荷电流支路至第六负荷电流支路均由相串联的两个igbt和一个机械开关组成。
46.所述的主断路器支路由多个串联的igbt和并联在多个串联igbt两端的避雷器组成。
47.本实施例还提供上述多端直流断路器的控制方法，其包括：在未发生故障时主断路器直流保持关断，若第一端口8发生短路故障，短路电流经过第一负荷电流支路1与第二负荷电流支路2流向第一端口8，当检测到短路故障后，主断路器支路导通，第一负荷电流支路1与第四负荷电流支路4、第六负荷电流支路6上的igbt闭锁，使得电流流经主断路器与第二负荷电流支路2；之后打开第一负荷电流支路1与第四负荷电流支路4、第六负荷电流支路6上的快速机械开关，当机械开关达到额定开距时，主断路器直流上的igbt同时关断，随后主断路器直流上的避雷器消耗剩余的能量，短路故障处理完毕。
48.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。