一種混合式有源型高壓直流斷路器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種混合式有源型高壓直流斷路器，包括并聯的主支路、換流支路和耗能支路，以及限流電感、剩余直流電流斷路器和保護用高壓點火球隙。本發明直流斷路器的電路拓撲結構簡單、控制簡便、安全可靠、動作迅速，且使用的電力電子器件主要為半控和不控型，極大地減少了電力電子器件控制觸發電路的數量，技術成熟、易于實現；通流能力大、開斷電流能力強、耐受電壓等級高，擴展能力強，而且采用了成本低廉、技術成熟的高壓點火球隙作為放電和保護開關，極大程度上降低了成本，增大了可靠性，保護了設備安全。
【專利說明】
一種混合式有源型高壓直流斷路器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高壓直流輸電系統的直流斷路器，特別是涉及一種混合式有源型高壓直流斷路器。
【【背景技術】】
[0002]隨著電力電子技術的飛速發展，基于全控型電力電子器件和模塊化多電平換流器技術的柔性直流輸電，徹底解決了傳統高壓直流輸電受端存在的換相失敗問題，并可獨立快速控制所傳輸的有功和無功，極大地提高了輸電的靈活性。特別是近些年能夠實現多電源供電及多落點受電的多端直流輸電系統受到了越來越多的關注，而高壓直流斷路器是可實現多端直流輸電系統組網的關鍵技術之一。
[0003]目前只有轉移或開斷負載電流的高壓直流轉換開關成功應用到直流工程領域(ZL200820029503.1)，但其在分斷時間上無法滿足多端柔性直流輸電系統的要求。對于開斷短路電流的高壓直流斷路器則一直還處于研究階段。其中ABB提出了基于快速機械隔離開關與全控型電力電子器件IGBT串聯的混合式方案(CN102687221B)，而國網則提出了基于高速機械隔離開關與大功率全控型電力電子器件IGBT全橋級聯的混合式方案(CN104635151A)。上述的高壓直流斷路器方案中，一方面，需要配置大量的全控型電力電子器件IGBT，但是受制于目前全控型功率器件的技術水平，其價格非常昂貴，且IGBT的電壓電流參數遠不及半控型功率器件晶閘管，因此非常不適合在高壓直流輸電系統工程中大量推廣使用。另一方面，隨著直流輸電系統電壓等級的升高，為阻斷更高的電壓ABB方案中IGBT串聯的數量也要大量增加，考慮到IGBT的開通與關斷過程都是微秒級的，其串聯控制的同步性問題也隨之突出。
[0004]另外，專利CN104767170A和CN104767171A提出了兩種相似的混合式直流斷路器方案，其中前者需要使用兩套電容器組和兩套充電裝置，后者則使用了六組晶閘管閥，極大地增加了直流斷路器的制造成本。特別是，兩者的串聯晶閘管兩端都沒有反并聯二極管，雖然同樣可以實現直流電流的關斷功能，但是在關斷過程中，特別是關斷短路電流的過程中，晶閘管會出很大的反向恢復電流，且晶閘管兩端會出現很高的反向恢復電壓，這對晶閘管來說存在極易損壞的問題。同樣，兩者的LC放電回路中的晶閘管閥也存在因放電電流的變化率過高而損壞的風險。
【
【發明內容】
】
[0005]針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種混合式有源型高壓直流斷路器，本發明直流斷路器的電路拓撲結構簡單、控制簡便、安全可靠、動作迅速。
[0006]為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的:
[0007]—種混合式有源型高壓直流斷路器，包括了并聯的主支路、換流支路、耗能支路和保護用高壓點火球隙GAP3，以及限流電感LdP剩余直流電流斷路器BR;限流電感LdP剩余直流電流斷路器BR串聯后與并聯的主支路、換流支路、耗能支路和保護用高壓點火球隙GAP3連接；
[0008]所述高壓直流斷路器串聯連接與直流系統中，主支路包括了串聯的快速機械隔離開關QS和電流轉移模塊S;所述換流支路為橋式換流支路，由兩組晶閘管閥支路、兩組二極管閥和阻尼電感支路、兩組放電用高壓點火球隙支路和LC支路組成。
[0009]進一步，所述的換流支中，第一組晶閘管閥TH1與第二組晶閘管閥TH2反向串聯連接構成第一支路，第一組二極管閥VD1、阻尼電感Lvd1與第二組二極管閥VD2、阻尼電感Lvd2反向串聯連接構成第二支路;第一組晶閘管閥TH1與第一組二極管閥VD1*向相反，第二組晶閘管閥TH2與第二組二極管閥VD2方向相反；
[0010]第一組高壓點火球隙64?!與第二組高壓點火球隙GAP2串聯連接構成第三支路；
[0011]第一支路、第二支路中點相連且與LC支路的一端相連，LC支路的另一端與第三支路中點相連;第一支路、第二支路、第三支路，三條支路兩端分別連接在一起。
[0012]進一步，所述電流轉移模塊S由兩組IGBT閥組件VS反向串聯構成，所述IGBT閥組件VS由至少一個全控型電力電子器件IGBT與至少一個全控型均壓電路分別并聯后再串聯，然后再與避雷器Rv并聯構成。
[0013]進一步，所述全控型均壓電路由靜態均壓電路Rs和動態均壓電路并聯構成，所述動態均壓電路由動態電容Cd、動態電阻Rd和動態二極管Dd構成。
[0014]進一步，所述第一組晶閘管閥TH1、第二組晶閘管閥TH2均由至少一個半控型電力電子器件晶閘管T與至少一組半控型均壓電路分別并聯后再串聯構成;所述半控型均壓電路由靜態均壓電路Rst和動態均壓電路并聯構成，所述動態均壓電路由吸收電容Cdt和吸收電阻Rdt串聯構成。
[0015]進一步，所述第一組二極管閥VD1和第二組二極管閥VD2均由至少一個不控型電力電子器件二極管D與至少一組不控型均壓電路分別并聯后再串聯構成;所述不控型均壓電路由靜態均壓電路Rsd和動態均壓電路并聯構成;所述動態均壓電路由吸收電容Cdd和吸收電阻Rdd串聯構成。
[0016]進一步，所述換流支路，其特征在于:所述第一組晶閘管閥TH1、第二組晶閘管閥TH2、第一組二極管閥VD1和第二組二極管閥VD2中的不控型電力電子器件二極管D共用一套均壓電路。
[0017]進一步，所述耗能支路由氧化鋅避雷器MOV構成。
[0018]進一步，所述LC支路由串聯的換流電感L和換流電容C組成，換流電容C被預充電至設定值。
[0019]與現有技術相比，本發明達到的有益效果是:
[0020]1、本發明所提供的直流斷路器拓撲中所使用主要為半控型和不控型電力電子器件，技術成熟，易于實現，且極大降低了制造成本；
[0021]2、本發明所提供的直流斷路器拓撲中所使用的全控型和半控型電力電子器件都大大減少，降低了對控制觸發系統的要求，極大地提高了整個裝置的可靠性，且降低了控制觸發系統的制造成本。
[0022]3、本發明所提供的二極管閥支路，可極大地減小晶閘管閥關斷過程中的反向恢復電流和反向恢復電壓，克服了關斷過程中LC支路放電時對晶閘管閥的暫態沖擊，避免了晶閘管閥的損壞。
[0023]4、本發明所提供的二極管閥與阻尼電感串聯支路，可為晶閘管閥提供關斷過程中的反向電壓，縮短了晶閘管的關斷時間，提高了直流斷路器的開斷性能。
[0024]5、本發明所提供的放電用高壓點火球隙，可適當增加LC支路的放電電流的峰值，且不受放電電流變化率的限制，從而提高直流斷路器的開斷能力。
[0025]6、本發明所提供的保護用高壓點火球隙，可在短路電流超過了高壓直流斷路器的關斷能力時，立即點火高壓點火球隙，從而旁路晶閘管閥及二極管閥，避免短路電流對晶閘管閥和二極管閥的損壞。
[0026]7、本發明所提供的直流斷路器結構新穎、控制簡單、安全可靠、動作迅速，開斷電流能力強，耐受電壓等級高，且易于擴展至不同電壓等級直流電網。
[0027]本發明還具有以下特點:
[0028]①在高壓直流斷路器的前端部分串聯了限流電感L1,以限制直流系統中短路電流的上升率，保證高壓直流斷路器中設備的安全；
[0029]②設置LC支路放電電流的最大值大于短路電流與晶閘管閥TH1(或TH2)反向恢復電流最大值之和，保證晶閘管支路電流實現可靠過零；
[0030]③在晶閘管閥TH1(或TH2)兩端反并聯二極管閥VD1(或VD2)，確保放電電流大于短路電流的部分流經二極管閥支路，保證晶閘管閥的設備安全；
[0031]④在二極管閥VDi (或VD2)支路串聯了阻尼電感Lvdi (或Lvd2 )，給晶閘管閥THi(或TH2)提供反向電壓，加快晶閘管的反向恢復過程，縮短晶閘管閥的關斷時間；
[0032]⑤在晶閘管閥兩端并聯高壓點火球隙GAP3,實現短路電流過大時，旁路晶閘管閥及二極管閥，保證晶閘管閥和二極管閥的設備安全；
[0033]⑥在高壓直流斷路器開斷短路電流的最后過程，剩余直流斷路器切斷殘余的直流電流，完成直流系統與故障點的電氣隔離。
【【附圖說明】】
[0034]圖1是本發明提供的高壓直流斷路器的拓撲結構圖；
[0035]圖2是本發明提供的電流轉移模塊的實施例；
[0036]圖3是本發明提供的晶閘管閥的實施例；
[0037]圖4是本發明提供的二極管閥的實施例；
[0038]圖5是本發明提供的晶閘管閥與二極管閥共用均壓電路的實施例；
[0039]圖6是本發明提供的直流斷路器的分斷原理示意圖；
[0040]圖中=L1-限流電感;BR-剩余直流電流斷路器;QS-快速機械隔離開關;S-電流轉移模塊;TH1-第一組晶閘管閥；TH2-第二組晶閘管閥；VD1-第一組二極管閥;VD2-第二組二極管閥；Lvd1-第一組阻尼電感;Lvd2-第二組阻尼電感;L-換流電感;C-換流電容;MOV-氧化鋅避雷器:GAP1-第一組放電用高壓點火球隙;GAP2-第二組放電用高壓點火球隙;GAP3-保護用高壓點火球隙。
【【具體實施方式】】
[0041]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。
[0042]如圖1所示，本發明提供一種高壓直流斷路器，所述高壓直流斷路器基于電流轉移原理，包括的主要部件有并聯的主支路、換流支路和耗能支路，輔助部件有限流電感U、剩余直流電流斷路器BR和保護用高壓點火球隙GAP3。所述高壓直流斷路器串聯連接于直流系統中，所述主支路包括了串聯的快速機械隔離開關QS和電流轉移模塊S。所述換流支路為橋式換流支路;所述耗能支路由氧化鋅避雷器MOV構成。
[0043]第一組晶閘管閥TH1與第二組晶閘管閥TH2反向串聯連接構成一條支路，第一組二極管閥VD1、阻尼電感Lvd1與第二組二極管閥VD2、阻尼電感Lvd2反向串聯連接構成另一條支路；晶閘管閥TH1(或TH2)與二極管閥VD1(或VD2)方向相反;所述兩條支路的中點相連;所述兩條支路的中點與LC支路的一端相連;第一組高壓點火球隙64?工與第二組高壓點火球隙GAP2串聯連接構成的支路中點與LC支路的另一端連接;除去LC支路外，剩余三條支路兩端分別連接在一起。
[0044]進一步地，如圖2所示，所述電流轉移模塊S由兩組IGBT閥組件VS反向串聯構成。所述IGBT閥組件VS由至少一個全控型電力電子器件IGBT與至少一個全控型均壓電路分別并聯后再串聯，然后再與避雷器Rv并聯構成。所述全控型均壓電路由靜態均壓電路Rs和動態均壓電路并聯構成。所述動態均壓電路由動態電容Cd、動態電阻Rd和動態二極管Dd構成。
[0045]進一步地，如圖1所示，所述換流支路包括兩組晶閘管閥支路、兩組二極管閥和阻尼電感支路、兩組高壓點火球隙支路和LC支路。所述LC支路由串聯的換流電感L和換流電容C組成，換流電容C被預充電至設定值。
[0046]如圖3所示，所述晶閘管閥TH1(或TH2)由至少一個半控型電力電子器件晶閘管T與至少一組半控型均壓電路分別并聯后再串聯構成。所述半控型均壓電路由靜態均壓電路Rst和動態均壓電路并聯構成。所述動態均壓電路由吸收電容Cdt和吸收電阻Rdt串聯構成。
[0047]如圖4所示，所述二極管閥VD1(或VD2)由至少一個不控型電力電子器件二極管D與至少一組不控型均壓電路分別并聯后再串聯構成。所述不控型均壓電路由靜態均壓電路Rsd和動態均壓電路并聯構成。所述動態均壓電路由吸收電容Cdd和吸收電阻Rdd串聯構成。
[0048]如圖5所示，為降低成本，所述晶閘管閥中的半控型電力電子器件晶閘管T和所述二極管閥中的不控型電力電子器件二極管D可共用一套均壓電路。
[0049]本發明的種高壓直流斷路器電路拓撲結構簡單、控制簡便、安全可靠、動作迅速，且使用的電力電子器件主要為半控和不控型，極大地減少了電力電子器件控制觸發電路的數量，技術成熟、易于實現，通流能力大、開斷電流能力強、耐受電壓等級高、擴展能力強;而且采用了成本低廉、技術成熟的高壓點火球隙作為放電和保護開關，極大程度上降低了成本，增大了可靠性，保護了設備安全。
[0050]本發明提出的高壓直流斷路器的工作原理是:
[0051 ]如圖6所示，本發明所提供的技術方案主要包含有主支路、換流支路和耗能支路三條并聯支路。其中主支路主要由快速機械隔離開關和少量全控型電力電子器件IGBT串聯構成，用于導通直流系統負荷電流，由于機械開關通態阻抗小，IGBT數量少使得高壓直流斷路器的通態損耗較小。換流支路分為兩部分:第一部分用于短時間承載直流系統故障電流，主要由多個半控型電力電子器件晶閘管串聯組成;第二部分用于提供人工過零點，由換流電感L、換流電容C和高壓點火球隙GAP1 (或GAP2)串聯組成。耗能支路由多組氧化鋅避雷器組成，吸收直流系統中感性元件存儲的大量能量。
[0052]具體過程如下:
[0053]I)如圖6(a)所示，當直流系統正常運行時，剩余直流電流斷路器BR和快速機械隔離開關QS閉合，電流轉移模塊S中的所有IGBT器件處于觸發導通狀態;穩態電流先流經限流電抗器LdP剩余直流電流斷路器BR，再經主支路中串聯連接的高速機械開關QS和電流轉移模塊S;在直流系統正常運行期間，電流轉移支路中的換流電容C被充電至設定值；
[0054]2)直流系統發生單側短路故障時:
[0055]①當直流系統在直流斷路器某一側發生接地短路故障時，當電流方向為從左至右，則對電流轉移支路中的晶閘管閥TH1施加觸發脈沖(或當電流方向為從右向左，對電流轉移支路中的晶閘管閥TH2施加觸發脈沖)；再閉鎖主支路電流轉移模塊S中所有的IGBT;隨后分斷快速機械隔離開關QS。
[0056]②當主支路的電流轉移模塊S中的IGBT閥組件VB兩端電壓高于避雷器Rv的動作電壓時，避雷器Rv立即動作，以限制電流轉移模塊S兩端的電壓，如圖2所示；當避雷器Rv的殘壓高于晶閘管閥TH1(或TH2)的最低導通正向電壓，且維持時間大于晶閘管閥TH1(或TH2)的導通時間時，晶閘管閥TH1 (或TH2)將正常開通，流經主支路的電流開始向晶閘管閥TH1 (或TH2)和二極管閥VD2 (或VD1)轉移，如圖6 (b)所示。
[0057]③維持晶閘管閥TH1(或TH2)導通2?3ms，保證快速機械隔離開關QS產生足夠耐受直流系統過電壓的開距;觸發換流支路中的高壓點火球隙GAP1(或GAP2),如圖6(c)所示。因晶閘管閥TH1 (或TH2)支路的阻抗值小于二極管閥VD1 (或VD2)支路，則LC支路會向晶閘管閥TH1 (或TH2)反向注入放電電流，晶閘管閥TH1 (或TH2)電流逐漸降為零。
[0058]④當晶閘管閥TH1(或TH2)電流將至零時，因晶閘管閥TH1 (或TH2)不能反向流通電流，則放電電流大于故障電流的部分會從晶閘管閥TH1 (或TH2)向二極管閥VD1 (或VD2)流過，二極管閥VD1 (或VD2)支路的電流快速上升。因二極管閥VD1 (或VD2)支路中存在阻尼電感Lvdi(或Lvd2)，則晶閘管閥TH1(或TH2)兩端會承受反向電壓，保證晶閘管閥TH1(或TH2)過零可靠關斷，如圖6(d)所示。
[0059]⑤短路電流從晶閘管閥TH1(或TH2)向由GAP1 (或GAP2)、換流電容C、換流電感L和二極管閥VD2 (或VD1)構成的回路轉移時，逐步對換流電容C進行充電，直至換流電容C極性反轉，如圖6(e)所示。當其幅值達到避雷器動作電壓時，避雷器立即動作，電流轉移至避雷器MOV中，如圖6(f)所示。
[0060]⑥避雷器MOV將消耗吸收直流系統中殘余的感性能量，待高壓直流斷路器的電流下降至預定值時，分斷剩余直流電流斷路器BR，所述高壓直流斷路器完成分斷。
[0061]最后應該說明的是:以上實施例僅用于說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本權利要求范圍當中。
【主權項】
1.一種混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:包括了并聯的主支路、換流支路、耗能支路和保護用高壓點火球隙GAP3,以及限流電感LdP剩余直流電流斷路器BR;限流電感LjP剩余直流電流斷路器BR串聯后與并聯的主支路、換流支路、耗能支路和保護用高壓點火球隙GAP3連接； 所述高壓直流斷路器串聯連接與直流系統中，主支路包括了串聯的快速機械隔離開關QS和電流轉移模塊S;所述換流支路為橋式換流支路，由兩組晶閘管閥支路、兩組二極管閥和阻尼電感支路、兩組放電用高壓點火球隙支路和LC支路組成。2.如權利要求1所述的混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:所述的換流支中，第一組晶閘管閥TH1與第二組晶閘管閥TH2反向串聯連接構成第一支路，第一組二極管閥VD1、阻尼電感Lvd1與第二組二極管閥VD2、阻尼電感Lvd2反向串聯連接構成第二支路;第一組晶閘管閥TH1與第一組二極管閥VD1*向相反，第二組晶閘管閥TH2與第二組二極管閥VD2方向相反； 第一組高壓點火球隙64?!與第二組高壓點火球隙GAP2串聯連接構成第三支路； 第一支路、第二支路中點相連且與LC支路的一端相連，LC支路的另一端與第三支路中點相連;第一支路、第二支路、第三支路，三條支路兩端分別連接在一起。3.如權利要求2所述的混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:所述電流轉移模塊S由兩組IGBT閥組件VS反向串聯構成，所述IGBT閥組件VS由至少一個全控型電力電子器件IGBT與至少一個全控型均壓電路分別并聯后再串聯，然后再與避雷器Rv并聯構成。4.如權利要求2所述的混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:所述全控型均壓電路由靜態均壓電路Rs和動態均壓電路并聯構成，所述動態均壓電路由動態電容Cd、動態電阻Rd和動態二極管Dd構成。5.如權利要求2所述的混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:所述第一組晶閘管閥TH1、第二組晶閘管閥TH2均由至少一個半控型電力電子器件晶閘管T與至少一組半控型均壓電路分別并聯后再串聯構成;所述半控型均壓電路由靜態均壓電路Rst和動態均壓電路并聯構成，所述動態均壓電路由吸收電容Cdt和吸收電阻Rdt串聯構成。6.如權利要求1或2所述的混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:所述第一組二極管閥VD1和第二組二極管閥VD2均由至少一個不控型電力電子器件二極管D與至少一組不控型均壓電路分別并聯后再串聯構成;所述不控型均壓電路由靜態均壓電路Rsd和動態均壓電路并聯構成;所述動態均壓電路由吸收電容Cdd和吸收電阻Rdd串聯構成。7.如權利要求2所述的混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:所述換流支路，其特征在于:所述第一組晶閘管閥TH1、第二組晶閘管閥TH2、第一組二極管閥VD1和第二組二極管閥VD2中的不控型電力電子器件二極管D共用一套均壓電路。8.如權利要求1或2所述的混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:所述耗能支路由氧化鋅避雷器MOV構成。9.如權利要求1或2所述的混合式有源型高壓直流斷路器，其特征在于:所述換流支路，其特征在于:所述LC支路由串聯的換流電感L和換流電容C組成，換流電容C被預充電至設定值。
【文檔編號】H02H3/087GK106026012SQ201610497419
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】茍銳鋒, 封磊, 楊曉平, 王江濤, 李超, 趙朝偉
【申請人】中國西電電氣股份有限公司