直流断路器的拓扑结构及其控制方法

直流断路器的拓扑结构及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子技术领域，特别涉及直流输电用的直流断路器的拓扑结构及其控制方法，尤其涉及一种高性能低成本直流输、配电网直流断路器的拓扑方案及其控制策略。
【背景技术】
[0002]直流断路器是直流输、配电网中承载额定电流、关断故障电流、关断负荷电流的关键设备，能够可靠清除故障电流，防止故障范围扩大。随着多端直流输电技术、智能电网与直流配网技术、分布式电源与直流微网技术的迅速发展，直流断路器对电网的可靠、优质、经济运行具有重要意义。但是，由于直流电流没有自然过零点带来的灭弧问题、开断过程中的过电压和能量吸收等问题也成为直流断路器研宄难点。
[0003]目前直流断路器主要有四种技术路线:采用机械开关直接关断电流的直流断路器，动作速度慢，开关不能满足速动性和经济性的要求；采用振荡电路灭弧的直流断路器，动作时间较长，控制难度也较大；采用电力电子器件的全固态直流断路器，正常运行时损耗较高，导致向更高电压等级的扩展性较差；采用机械开关和电力电子器件的混合型直流断路器。其中，混合型直流断路器是比较适合于直流输配电网的应用的。如图1所示为ABB公司专利W02011141054A1的混合型直流断路器电路原理图，ABB的混合型直流断路器适用于各种工况，但明显的缺点是，为实现电流双向流通和双向关断，直流断路器中的全控型电力电子器件6连接成双向结构，这就使得器件数量增加一倍，设备成本显著提高。如图2所示为国家电网公司智能电网研宄院专利201310364653.3的混合型直流断路器电路原理图，该专利的主开关的全控型电力电子器件6为单向结构，因此降低了部分成本。但其直流断路器为实现双向通流和双向关断，其中两个辅助转换开关均采用两个全控型电力电子器件6组成的反并联结构，并分别与串联的电阻Rl和隔离开关BRK11、串联的电阻R2和隔离开关BRK21并联组成，因此其全控型电力电子器件的数量增加一倍；在检修分闸、合闸等较低电流、电压应力场合，采用电阻Rl和隔离开关BRKl1、电阻R2和隔离开关BRK21组成的软开通电路，并采用避雷器M0V2、交流断路器BRK3、电感L和电容C组成的直流负荷开关，显著增加了设备成本和控制的复杂度。
[0004]为了应对混合型直流断路器的高成本问题，直流输电急需高性能和低成本的混合型直流断路器。

【发明内容】

[0005]本发明的目的提出一种直流断路器的拓扑结构及其控制方法，其特征在于，所述直流断路器的拓扑结构采用“T型”双向对称结构；该‘1型”双向对称结构的直流断路器由第一电流通路1、第二电流通路2和第三电流通路3构成，第二电流通路2和第三电流通路3并联后与第一电流通路I的中点连接成双向对称的T型结构；第一电流通路I的引出端子a与直流输配电系统的等值电感L9的一端连接，第一电流通路I的中间引出端子b与第二电流通路2和第三电流通路3并联后的一端连接，第一电流通路I的另一个引出端子c与直流输、配电线路连接；第二电流通路2和第三电流通路3并联后的另一端接地；其中等值电感L9是在直流断路器运行回路中，包含直流输配电系统换流器桥臂电感、平波电抗器和线路电感等在内的总的等值电感。
[0006]所述第一电流通路I由第一辅助断路器16和第二辅助断路器17构成。
[0007]所述第二电流通路2至少由一个第三单向全控型电力电子器件63组成，具有断流作用；其各第三单向全控型电力电子器件63直接串联，串联个数根据直流输、配电线路的高、中、低不同电压等级决定，且应有一定冗余；所述全控型电力电子器件由一个IGBT器件和一个反向并联的二极管D构成。
[0008]所述第三电流通路3由能量吸收单元组成，能量吸收单元包含至少一个避雷器15，各避雷器15并联或串联；其避雷器的额定电压和残压由直流输、配电网直流侧额定电压、第一辅助断路器16和第二辅助断路器17的耐压水平、第二电流通路2耐压水平来决定。
[0009]所述第一辅助断路器由第一快速机械开关4和第一换流单元18串联组成，所述第二辅助断路器由第二换流单元19和第二快速机械开关14串联组成；第一辅助断路器和第二辅助断路器结构对称，元件相同。
[0010]所述第一换流单元18和由一个第一单向全控型电力电子器件61组成，第二换流单元19由一个第二单向全控型电力电子器件62组成。
[0011]所述第一快速机械开关和第二快速机械开关为参数相同的元件；均采用快速机械开关或采用大功率电力电子器件V的双向反并联结构；在电流从第一电流通路转移到第二电流通路后断开，主要起耐压作用。
[0012]所述大功率电力电子器件包含晶闸管或门极可关断晶闸管的半控型和全控型器件。
[0013]所述全控型电力电子器件为压接型或焊接型的IGBT、IGCT, IEGT和BiGT。
[0014]所述直流断路器控制方法，其特征在于，首先设定电流方向从第一辅助断路器流向第二辅助断路器，控制方法包括如下步骤:
[0015](I)故障分闸控制
[0016]故障前，第一快速机械开关、第一换流单元、第二快速机械开关、第二换流单元均导通，断流单元关断，电流通过第一电流通路；故障发生后，各部分触发控制时序由预先整定的电流限值决定；
[0017]a.故障发生后，当检测到电流达到某一限值，触发断流单元使其导通；
[0018]b.触发第二换流单元使其关断，电流迅速从第一电流通路向第二电流通路转移；
[0019]c.触发第二快速机械开关使其关断；
[0020]d.待第二快速机械开关可靠恢复耐压能力后，触发断流单元使其关断，第三电流通路中的能量吸收单元在关断过电压达到其起始动作电压后由高阻态变为低阻态，电流迅速从第二电流通路向第三电流通路转移；
[0021]e.能量吸收单元中的避雷器耗散开断过程中的能量并限制过电压，第二换流单元和断流单元得到有效保护；
[0022]f.触发系统隔离开关8使其关断，完成故障分闸；
[0023](2)检修分闸控制
[0024]a.触发断流单元使其导通；
[0025]b.触发第二换流单元使其关断；
[0026]c.触发第二快速机械开关使其关断；
[0027]d.待第二快速机械开关可靠恢复耐压能力后，触发断流单元使其关断；
[0028]e.第三电流通路能量吸收单元中的避雷器耗散开断过程中的能量并限制过电压；
[0029]f.触发系统隔离开关8使其关断，完成检修隔离。
[0030](3)合闸控制
[0031]a.触发第二换流单元使其导通；
[0032]b.触发第一快速机械开关、第二快速机械开关使其导通；
[0033]c.触发系统隔离开关8使其导通，完成合闸正常运行。
[0034](4)故障识别控制
[0035]a.检测电流达到预先整定限值时，触发断流单元使其导通；
[0036]b.若检测电流恢复，触发断流单元使其关断；若检测电流继续升高，触发第二换流单元使其关断，触发第二快速机械开关使其关断；
[0037]c.若检测电流恢复，触发第二换流单元使其导通，触发第二快速机械开关使其导通，触发断流单元使其关断；若检测电流继续升高，触发断流单元使其关断。
[0038]所述直流断路器控制方法均假定电流方向从第一辅助断路器流向第二辅助断路器，当电流反向流通时，应在对应步骤中操作第一换流单元和第一快速机械开关，其他步骤相同。
[0039]本发明的有益效果是与现有技术相比，具有如下优点:
[0040]I)本发明提出的新型直流断路器电路拓扑，采用“T型”双向对称结构，有效减少核心全控型电力电子器件使用数量，显著降低成本。
[0041]2)本发明提出的新型直流断路器电路拓扑，结构灵活，扩展性强，满足不同电压、电流等级下的直流开断要求。
[0042]3)本发明提出的新型直流断路器电路拓扑，正常运行时通态损耗较低，能量吸收和过电压抑制效果好。
[0043]4)本发明提出的新型直流断路器电路控制策略，能够可靠应对故障分闸、检修分闸、合闸等不同工况，设备各部分元件在开断过程中均能得到有效保护，故障检测与识别控制策略能够有效降低设备误动作。
[0044]因此，本发明的混合 型直流断路器是成本较低，通态损耗、断流水平、耐压水平、动作速度、控制策略等性能指标优异的直流断路器拓扑及控制方案。
【附图说明】
[0045]图1为ABB公司的发明专利W02011141054A1提供的直流断路器电路原理图。
[0046]图2为国家电网公司智能电网研宄院的发明专利201310364653.3提供的直流断路器电路原理图。
[0047]图3为本发明提供的直流断路器拓扑结构示意图。
[0048]图4为本发明提供的直流断路器电路原理图。
[0049]图5为本发明提供的另一种直流断路器的电路原理图。
[0050]图6为本发明提供的直流断路器构成案例的电路原理图。
[0051]图7为本发明提供的直流断路器应用案例I的主接线示意图。
[0052]图8为本发明提供的直流断路器应用案例2的主接线示意图。
[0053]图9为本发明提供的直流断路器故障分闸时序图。
[0054]图10为本发明提供的直流断路器检修分闸时序图。
[0055]图11为本发明提供的直流断路器合闸时序图。
[0056]图12为本发明提供的直流断路器故障识别控制时序图。
【具体实施方式】
[0057]本发明提出了直流断路器的拓扑结构及其控制方法，下面结合附图，对本发明的技术内容作进一步详细说明。
[0058]图3为本发明提供的直流断路器拓扑结构示意图。图3中，所述直流断路器的拓扑结构采用“T型”双向对称结构；该‘1型”双向对称结构的直流断路器由第一电流通路1、第二电流通路2和第三电流通路3构成，第二电流通路2和第三电流通路3并联后与连接成双向对称的T型结构的第一电流通路I的中点连接；第一电流通路I的引出端子a与直流输配电系统的等值电感L9的一端连接，其中等值电感L9是在直流断路器运行回路中，包含直流输配电系统换流器桥臂电感、平波电抗器和线路电感等在内的总的等值电感，等值电感L9的另一端与系统隔离开关8的一端连接，第一电流通路I的中间引出端子b与第二电流通路2和第三电流通路3并联后的一端连接，第一电流通路I的另一个引出端子c与直流输电线路连接；第二电流通路2包含至少一个第三单向全控型电力电子器件63组成，具有断流作用；所述全控型电力电子器件由IGBT、IGCT、IEGT或BiGT器件及与反向并联的二极管D构成；所述各第三单向全控型电力电子器件63直接串联，串联个数根据直流输、配电线路的高、中、低不同电压等级决定，且应有一定冗余。第三电流通路3由能量吸收单元组成，能量吸收单元包含至少一个能量吸收元件，其能量吸收元件为避雷器15，各避雷器15并联或串联；各避雷器15的额定电压和残压由直流输、配电网直流侧额定电压、第一辅助断路器16和第二辅助断路器17的耐压水平、第二电流通路2耐压水平来决定。
[0059]所述第一辅助断路器由第一快速机械开关4和第一换流单元18串联组成，所述第二辅助断路器由第二换流单元19和第二快速机械开关14串联组成。第一辅助断路器和第二辅助断路器结构对称，元件相同。
[0060]所述第一换流单元18由一个第一单向全控型电力电子器件61组成，第二换流单元19由一个第二单向全控型电力电子器件62组成。
[0061]图4为本发明提供的直流断路器电路原理图。图4中的第一电流通路I由第一换流单元18与第一快速机械开关4串联组成的第一辅助断路器16 (如图3所示)和第二换流单元19与第二快速机械开关14串联组成的第二辅助断路器17 (如图3所示)串联组成；其中第一辅助断路器16和第二辅助断路器17结构对称，元件相同。但当电流从第一辅助断路器16流向第二辅助断路器17时，电流通过第一单向全控型电力电子器件61的二极管D和第二单向全控型电力电子器件62的IGBT器件；当电流从第二辅助断路器17流向第一辅助断路器16时，电流通过第二单向全控型电力电子器件62的二极管D和第一单向全控型电力电子器件61的IGBT器件；第二电流通路2由多个第三单向全控型电力电子器件63串联组成，起断流作用；其串联个数根据直流输、配电线路的高、中、低不同电压等级决定，且应有一定冗余；第三电流通路3中的能量吸收单元包含至少一个避雷器15，避雷器15可以并联或串联，如图4所示的是并联。避雷器的额定电压和残压等参数由直流输、配电线路直流侧额定电压、第一辅助断路器16和第二辅助断路器17的耐压水平、第二电流通路2耐压水平来决定。
[0062]第一快速机械开关4和第二快速机械开关14为参数相同的元件；采用快速机械开关的目的是，在电流从第一电流通路转移到第二电流通路后，第一电流通路快速断开，通常在Ims内断开，并在断开后承担耐压作用。第一快速机械开关4和第二快速机械开关14或可采用双向反并联大功率电力电子器件，如图5的标号22、标号23所示。
[0063]所述大功率电力电子器件包含如晶闸管等半控型器件，或门极可关断晶闸管等全控型器件，或IGBT等全控型器件。
[0064]图5中采用反并联的半控型电力电子器件V，其标号22、23分别代替图4中的第一快速机械开关4和第二快速机械开关14的目的是在较低电压等级(如1kV)的直流配电系统应用中，半控型电力电子器件V (如晶闸管)耐压能力强，通态损耗不高，并能够避免机械开关因多次操作带来的触头磨损和使用寿命问题。
[0065]图6为直流断路器构成的电路原理图，该直流断路器构成的电路原理图表示直流网络等值电路，该等值电路由直流输、配电系统等效换流站(或等效电源)20、系统隔离开关8、等值电感L9、直流断路器和等值负载R21组成，其中等值电感L9是在直流断路器运行回路中，包含直流输配电系统换流器桥臂电感、平波电抗器和线路电感等在内的总的等值电感，图中所示直流断路器采用图4的拓扑结构。如图6所示，本发明提供的直流断路器拓扑结构由第一电流通路1、第二电流通路2和第三电流通路3构成，第二电流通路2和第三电流通路3并联后与第一电流通路I连接成双向对称的T型结构；第一电流通路I的引出端子a与直流输配电系统的等值电感L9的一端连接，直流输配电系统的等值电感L9的另一端与系统隔离开关8的一端连接，系统隔离开关8的另一端与直流输、配电系统等效换流站(或等效电源)20的正极端连接，等效换流站或等效电源20负极端接地；第一电流通路I的中间引出端子b与第二电流通路2和第三电流通路3并联后的一端连接；第二电流通路2和第三电流通路3并联后的另一端接地；第一电流通路I的另一个引出端子c与直流输、配电线路的等值负载R21的一端连接，等值负载R21的另一端接地。其余与图5结构相同；
[0066]如图6所示，电流方向从第一辅助断路器16流向第二辅助断路器17，在直流输、配电线路正常运行时，第一电流通路I中的第一快速机械开关4、第一单向全控型电力电子器件61中的二极管D、第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT器件和第二快速机械开关14均导通，第二电流通路2中的第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT均关断，电流通过第一电流通路I ;当直流线路远端发生短路故障时，即短路故障发生在等值负载R21端，这时线路电流迅速上升，当检测到电流达到某一设定限值，首先触发第二电流通路2中的各第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT器件使其导通，再触发第二辅助断路器17中第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT器件使其关断，电流迅速从第一电流通路I向第二电流通路2转移；然后关断第二辅助断路器17中的第二快速机械开关14 ;待第二快速机械开关14可靠恢复耐压能力后，再关断第二电流通路2中的各第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT器件，第三电流通路3中的避雷器15在关断过电压达到其起始动作电压后由高阻态转为低阻态，电流迅速从第二电流通路2向第三电流通路3转移；第三电流通路3中的避雷器15耗散开断过程中的能量并限制过电压，第二辅助断路器17和第二电流通路2中的第三单向全控型电力电子器件63得到有效保护；最后关断系统隔离开关8，完成电流关断。
[0067]如图6所示，电流方向从第二辅助断路器17流向第一辅助断路器16，在直流输、配电线路正常运行时，第一电流通路I中的第一快速机械开关4、第二单向全控型电力电子器件62中的二极管D、第一单向全控型电力电子器件61中的IGBT器件和第二快速机械开关14均导通，第二电流通路2中的第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT均关断，电流通 过第一电流通路I ;当直流线路近端发生短路故障时，即短路故障发生在等效换流站(或等效电源)20端，这时线路电流迅速上升，当检测到电流达到某一设定限值，首先触发第二电流通路2中的各第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT使其导通，再触发第一辅助断路器16中第一单向全控型电力电子器件61中的IGBT使其关断，电流迅速从第一电流通路I向第二电流通路2转移；然后关断第一辅助断路器16中的第一快速机械开关4 ;待第一快速机械开关4可靠恢复耐压能力后，再关断第二电流通路2中各第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT，第三电流通路3中的避雷器15在关断过电压达到其起始动作电压后由高阻态转为低阻态，电流迅速从第二电流通路2向第三电流通路3转移；第三电流通路3中的避雷器15耗散开断过程中的能量并限制过电压，第一辅助断路器16和第二电流通路2中的第三单向全控型电力电子器件63得到有效保护；最后关断系统隔离开关8，完成电流关断。
[0068]图7所示为直流断路器应用案例I。如图7所示，这是一个多端直流输电网络，交流系统A、B、C和D分别经过变压器T与换流站E、F、G、H相连接，构成一个多端直流输电网络，直流断路器DCB分别装设在换流站E、F、G、H的直流线路的每一个端口上。当多端直流输电网络正常运行时，各直流断路器DCB均闭合。在故障发生时，以最严重的直流双极故障为例，当故障发生在换流站F近端出口点时，直流断路器DCBl断开，待故障清除后DCBl再次闭合恢复正常运行；当故障发生在换流站F远端直流输电线路f2点时，直流断路器DCB2断开，待故障清除后DCB2再次闭合恢复正常运行；当故障发生在其他换流站近端或远端时，该换流站对应的直流断路器DCB断开，待故障清除后DCB再次闭合恢复正常运行。
[0069]图8所示为直流断路器应用案例2。如图8所示，这是一个多端直流配电网络。交流系统A和交流系统B分别经过AC/DC变流器接入直流配电网络，直流断路器DCB装设在各部分变流器出口处以及直流线路上；直流配电网由交流负载、直流负载、光伏发电、风力发电、储能设备和低压直流配电网组成。其中低压直流配电网通过直流变压器和直流断路器DCB接入直流网络；交流负载和风力发电分别通过AC/DC变流器和直流断路器DCB接入直流网络；直流负载、光伏发电和储能设备通过DC/DC变流器和直流断路器DCB接入直流网络；当直流网络正常运行时，各直流断路器DCB均闭合，当故障发生在直流母线f3点时，直流断路器DCB3断开，待故障清除后DCB3再次闭合恢复正常运行；当故障发生在直流线路f4点时，直流断路器DCB4断开，待故障清除后DCB4再次闭合恢复正常运行。
[0070]图9为直流断路器(如图6所示的电路结构)在故障时的分闸时序图。如图9所示，直流断路器故障分闸控制步骤为:
[0071]DO-ti阶段，系统正常运行，电流方向从第一辅助断路器16流向第二辅助断路器17。第一电流通路I中的第一快速机械开关4、第一单向全控型电力电子器件61中的二极管D、第二快速机械开关14和第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT器件均导通，第二电流通路2中的第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT均关断，第三电流通路中的避雷器15两端电压低于其动作电压，避雷器15保持高阻态，仅有微小电流通过，近似为断路。第一电流通路I流过额定电流iN;
[0072]2)故障后&时刻，当检测到电流达到限值i i，触发第二电流通路2中的各第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT使其导通，此时故障电流继续保持上升；
[0073]3)t2时刻，当检测电路检测到故障电流超过限值i 2时，触发第二辅助断路器17中第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT使其关断，故障电流迅速从第一电流通流I向第二电流通路2转移；
[0074]4) t3时刻，当检测电路检测到第一电流通流I中的电流为零或某一很低的值时，关断第二辅助断路器17中的第二快速机械开关14，此时由于电流已从第一电流通流I向第二电流通路2大量转移，第二快速机械开关14可实现无电弧开断，其动作速度、可靠性和寿命得到显著提升；
[0075]5) t4时刻，当检测电路检测到故障电流达到限值i b，且第二快速机械开关14可靠恢复耐压能力后，关断第二电流通路2中第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT，第三单向全控型电力电子器件63关断时产生较高的电压过冲，当该电压过冲达到第三电流通流3中避雷器15的动作电压时，避雷器15由高阻态转变为低阻态，故障电流迅速从第二电流通流2向第三电流通路3转移；
[0076]6) t4_t5阶段，第三电流通流3中的避雷器15耗散关断过程中的能量，避雷器15两端电压维持在其残压水平，第二辅助断路器中的第二单向全控型电力电子器件62和第二电流通路中各串联的第三单向全控型电力电子器件63得到可靠保护。第三电流通流3中的故障电流在能量耗散过程中迅速减小；
[0077]7) t5时刻，关断系统隔离开关8，清除故障残余电流，完成电流关断。
[0078]图10为6直流断路器(如图6所示的电路结构)在检修分闸时的时序图。在检修分闸时，直流断路器关断的电流为系统额定电流iN，开断过程中电压、电流应力较小。如图10所示，直流断路器检修分闸控制步骤为:
[0079]I) &时刻之前，系统正常运行，电流方向从第一辅助断路器16流向第二辅助断路器17。第一电流通路I中的第一快速机械开关4、第一单向全控型电力电子器件61中的二极管D、第二快速机械开关14和第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT均导通，第二电流通路2中的第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT均关断，第三电流通流中的避雷器15两端电压低于其动作电压，避雷器15保持高阻态，仅有微小电流通过，近似为断路。第一电流通路I流过额定电流iN;
[0080]2) h时刻，执行检修分闸操作，触发第二电流通路2中第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT使其导通；
[0081]3) t2时刻，触发第二辅助断路器17中第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT使其关断，故障电流迅速从第一电流通流I向第二电流通路2转移；
[0082]4) t3时刻，当检测电路检测到第一电流通流I中的电流为零或某一很低的值时，关断第二辅助断路器17中的第二快速机械开关14，此时由于电流已从第一电流通流I向第二电流通路2大量转移，第二快速机械开关14可实现无电弧开断，其动作速度、可靠性和寿命得到显著提升；
[0083]5)t4时刻，当检测电路检测到第二快速机械开关14可靠恢复耐压能力后，关断第二电流通路2中第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT，第三单向全控型电力电子器件63关断时产生较高的电压过冲，该电压过冲达到第三电流通流3中避雷器15的动作电压，避雷器15由高阻态转变为低阻态，故障电流迅速从第二电流通流2向第三电流通路3转移；
[0084]6)t5时刻，第三电流通流3中的避雷器15耗散关断过程中的能量，避雷器15两端电压维持在其残压水平，第二辅助断路器中的第二单向全控型电力电子器件62和第二电流通路中的各串联的第三单向全控型电力电子器件63得到可靠保护。第三电流通流3中的故障电流在能量耗散过程中迅速减小；
[0085]7) t6时刻，关断系统隔离开关8，清除残余电流，完成检修隔离。
[0086]图11为直流断路器(如图6所示的电路结构)合闸时的时序图。如图10所示，直流断路器合闸控制步骤为:
[0087]I) ^时刻之前，直流断路器为关断状态。第一电流通路I中的第一快速机械开关
4、第一单向全控型电力电子器件61和第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT、第二快速机械开关14均关断，第二电流通路2中的第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT均关断，第三电流通流中的避雷器15两端电压低于其动作电压，避雷器15保持高阻态，仅有微小电流通过，近似为断路；
[0088]2) &时刻，执行合闸操作，触发第二辅助断路器17中第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT使其导通；
[0089]3) t2时刻，触发第一1决速机械开关4和第二快速机械开关14使其导通；
[0090]4) t3时刻，触发系统隔离开关8使其导通，第一电流通流I中流过额定电流i N，完成合闸操作，系统正常运行。 [0091]图12为本发明提供的直流断路器(如图6所示的电路结构)故障识别控制时序图。在实际运行中，考虑线路电流暂时上升的工况和故障缓慢发展的工况，检测电路需要不断检测电流水平以执行相应操作。如图12所示，直流断路器故障识别控制步骤为:
[0092]I) &时刻之前，系统正常运行，电流方向从第一辅助断路器16流向第二辅助断路器17。第一电流通路I中的第一快速机械开关4、第一单向全控型电力电子器件61中的二极管D、第二快速机械开关14和第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT均导通，第二电流通路2中的第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT均关断，第三电流通流中的避雷器15两端电压低于其动作电压，避雷器15保持高阻态，仅有微小电流通过，近似为断路。第一电流通路I流过额定电流iN;
[0093]2) h时刻，检测电路检测到电流上升。当电流在t 2时刻达到限值i 4寸，触发第二电流通路2中第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT使其导通；
[0094]3) t3时刻，检测到电流继续升高且达到限值i 2时，触发第二辅助断路器17中第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT使其关断，电流迅速从第一电流通流I转移到第二电流通路2 ；
[0095]4) t4时刻，检测到电流继续升高且达到限值i 3时，触发第二电流通流2中的第二快速机械开关14使其关断；
[0096]5) t5时刻，检测到电流降低，触发第二辅助断路器17中第二单向全控型电力电子器件62中的IGBT使其导通；
[0097]6) t6时刻，检测到电流恢复到额定值附近，触发第一电流通路I中的第二快速机械开关14使其导通；
[0098]7) t7时刻，检测电流恢复到额定值iN，触发第二电流通路2中第三单向全控型电力电子器件63中的IGBT使其关断，直流断路器恢复正常运行。
[0099]电流变化过程中应按照上述步骤不断循环检测电流水平直到检测电路判断故障发生并执行故障分闸操作。
[0100]需要说明的是，上述那些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，那些本领域技术人员可能对本发明作各种改动或修改，那些改动或修改后的等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1.一种直流断路器的拓扑结构及其控制方法，其特征在于，所述直流断路器的拓扑结构采用“T型”双向对称结构型”双向对称结构的直流断路器由第一电流通路(1)、第二电流通路(2)和第三电流通路(3)构成，第二电流通路(2)和第三电流通路(3)并联后与第一电流通路(I)的中点连接成双向对称的T型结构；第一电流通路(I)的引出端子(a)与直流输配电系统的等值电感L9的一端连接，第一电流通路(I)的中间引出端子(b)与第二电流通路(2)和第三电流通路(3)并联后的一端连接，第一电流通路(I)的另一个引出端子(c)与直流输、配电线路连接；第二电流通路⑵和第三电流通路(3)并联后的另一端接地；其中等值电感L9是在直流断路器运行回路中，包含直流输配电系统换流器桥臂电感、平波电抗器和线路电感等在内的总的等值电感。2.根据权利要求1所述直流断路器的拓扑结构，其特征在于，所述第一电流通路(I)由第一辅助断路器(16)和第二辅助断路器(17)构成。3.根据权利要求1所述直流断路器的拓扑结构，其特征在于，所述第二电流通路(2)至少由一个第三单向全控型电力电子器件(63)组成，具有断流作用；其各第三单向全控型电力电子器件(63)直接串联，串联个数根据直流输、配电线路的高、中、低不同电压等级决定，且应有一定冗余；所述全控型电力电子器件由一个IGBT器件和一个反向并联的二极管D构成。4.根据权利要求1所述直流断路器的拓扑结构，其特征在于，所述第三电流通路(3)由能量吸收单元组成，能量吸收单元包含至少一个避雷器(15)，各避雷器(15)并联或串联；其避雷器的额定电压和残压由直流输、配电网直流侧额定电压、第一辅助断路器(16)和第二辅助断路器(17)的耐压水平、第二电流通路(2)耐压水平来决定。5.根据权利要求2所述直流断路器的拓扑结构，其特征在于，所述第一辅助断路器由第一快速机械开关(4)和第一换流单元(18)串联组成，所述第二辅助断路器由第二换流单元(19)和第二快速机械开关(14)串联组成；第一辅助断路器和第二辅助断路器结构对称，元件相同。6.根据权利要求5所述直流断路器的拓扑结构，其特征在于所述第一换流单元(18)由一个第一单向全控型电力电子器件(61)组成，第二换流单元(19)由一个第二单向全控型电力电子器件(62)组成。7.根据权利要求1所述直流断路器的拓扑结构，其特征在于所述第一快速机械开关和第二快速机械开关为参数相同的元件；均采用快速机械开关或采用大功率电力电子器件V的双向反并联结构；在电流从第一电流通路转移到第二电流通路后断开，主要起耐压作用。8.根据权利要求7所述直流断路器的拓扑结构，其特征在于所述大功率电力电子器件包含晶闸管或门极可关断晶闸管的半控型和全控型器件。9.根据权利要求1所述直流断路器的拓扑结构，其特征在于所述全控型电力电子器件为压接型或焊接型的IGBT、IGCT, IEGT和BiGT。10.一种权利要求1所述直流断路器控制方法，其特征在于，首先设定电流方向从第一辅助断路器流向第二辅助断路器，控制方法包括如下步骤: (I)故障分闸控制 故障前，第一快速机械开关、第一换流单元、第二快速机械开关、第二换流单元均导通，断流单元关断，电流通过第一电流通路；故障发生后，各部分触发控制时序由预先整定的电流限值决定； a.故障发生后，当检测到电流达到某一限值，触发断流单元使其导通； b.触发第二换流单元使其关断，电流迅速从第一电流通路向第二电流通路转移； c.触发第二快速机械开关使其关断； d.待第二快速机械开关可靠恢复耐压能力后，触发断流单元使其关断，第三电流通路中的能量吸收单元在关断过电压达到其起始动作电压后由高阻态变为低阻态，电流迅速从第二电流通路向第三电流通路转移； e.能量吸收单元中的避雷器耗散开断过程中的能量并限制过电压，第二换流单元和断流单元得到有效保护； f.触发系统隔离开关(8)使其关断，完成故障分闸； (2)检修分闸控制 a.触发断流单元使其导通； b.触发第二换流单元使其关断； c.触发第二快速机械开关使其关断； d.待第二快速机械开关可靠恢复耐压能力后，触发断流单元使其关断； e.第三电流通路能量吸收单元中的避雷器耗散开断过程中的能量并限制过电压； f.触发系统隔离开关(8)使其关断，完成检修隔离； (3)合闸控制 a.触发第二换流单元使其导通； b.触发第一快速机械开关、第二快速机械开关使其导通； c.触发系统隔离开关(8)使其导通，完成合闸正常运行； (4)故障识别控制 a.检测电流达到预先整定限值时，触发断流单元使其导通； b.若检测电流恢复，触发断流单元使其关断；若检测电流继续升高，触发第二换流单元使其关断，触发第二快速机械开关使其关断； c.若检测电流恢复，触发第二换流单元使其导通，触发第二快速机械开关使其导通，触发断流单元使其关断；若检测电流继续升高，触发断流单元使其关断； 所述直流断路器控制方法均假定电流方向从第一辅助断路器流向第二辅助断路器，当电流反向流通时，应在对应步骤中操作第一换流单元和第一快速机械开关，其他步骤相同。
【专利摘要】本发明公开了属于电力电子技术领域的一种直流断路器的拓扑结构及其控制方法，直流断路器为“T”型双向对称结构，由第一电流通路、第二电流通路和第三电流通路组成。第一电流通路的引出端子a与直流输配电系统等值电感L9的一端连接，第一电流通路的中间引出端子b与第二电流通路和第三电流通路并联后的一端连接，第一电流通路的引出端子c与直流输、配电线路连接；第二电流通路和第三电流通路并联后的另一端接地；本发明能有效解决直流灭弧问题，结构灵活，扩展性强，满足直流输、配电网不同电压、电流等级下的通流、断流、耐压、损耗和能量吸收等要求，且能够显著降低设备成本。
【IPC分类】H01H33/59
【公开号】CN104900444
【申请号】CN201510363533
【发明人】黄永章, 卫思明
【申请人】华北电力大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月26日