[實用新型]一種混合式直流斷路器及直流輸配電系統的電路拓撲結構

有效

• 申請號: 201721479279.1
• 申請日: 2017-11-08
• 公開（公告）號: CN207426678U
• 公開（公告）日: 2018-05-29
• 發明（設計）人: 曾嶸;魏天予;余占清;黃瑜瓏;陳政宇;張翔宇;呂綱;何金良;莊池杰
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02H7/26
• 分類號: H02H7/26;H02H7/28
• 代理公司: 北京知聯天下知識產權代理事務所(普通合伙) 11594
• 代理人: 王沖;吳鑫

本實用新型涉及一種混合式直流斷路器及直流輸配電系統的電路拓撲結構，其中，直流輸配電系統的電路拓撲結構包括：直流線路、隔離開關和混合式直流斷路器；任一條直流線路均通過所述隔離開關與所述混合式直流斷路器相連，用于在故障切除后隔離故障線路；任一條直流線路通過所述混合式直流斷路器中的環路的連接端分別與相鄰的兩條直流線路相連，用于承載正常電流；任一條直流線路均通過所述混合式直流斷路器中的環路的連接端與所述混合式直流斷路器中的并聯電路相連，用于雙向承載并切斷故障電流。

技術領域

本實用新型涉及斷路器技術領域，特別涉及一種混合式直流斷路器及直流輸配電系統的電路拓撲結構。

背景技術

隨著社會經濟的發展，用戶對電能質量和供電可靠性的要求也隨之提升，建立可靠、靈活、經濟、環保的電力系統已經成為行業共識。傳統的交流配電網具有電壓變換靈活、控制保護技術較為成熟等優點，但受到輸電走廊的限制，交流輸電線路的輸送容量已經很難滿足用電負荷日益增長的需要。近年來，以光伏電池、風力發電、燃料電池、生物質發電為代表的新能源發電飛速發展，然而這些可再生能源在接入交流電網之間必須經過DC/AC變換，這帶來了一定的電能損失，嚴重阻礙了可再生能源的推廣。

相比交流電網，直流輸配電系統的成本較低，線路損耗小且控制靈活，有利于分布式電源、儲能裝置、微電網和電動汽車的接入，同時避免了交流電網固有的穩定性問題，可見直流輸配電系統未來的發展前景十分光明。目前，我國在柔性直流輸電領域發展迅速，以舟山多端柔性直流輸電示范工程和南澳多端柔性直流輸電示范工程為代表的一系列柔性直流輸電相繼投入使用。然而在這些直流輸配電系統當中并沒有安裝具有大電流開斷能力的直流斷路器，一旦系統出現短路故障，只能通過閉鎖換流器或依靠交流側跳閘來切除直流故障電流，這意味著整個直流輸配電系統將短時停運，造成大量負荷損失，并對交流電網造成極大的沖擊。如果能在直流輸配電系統中安裝具有大電流開斷能力的直流斷路器，在發生故障時迅速切除系統中的故障部分，保證系統無故障部分的安全運行，便能夠極大提高直流輸配電系統的可靠性。

直流斷路器作為直流線路組網的關鍵設備，能夠在規定時間內承載、開斷正常電流和故障電流，從而阻止直流輸配電系統故障的擴散，是提高直流輸配電系統可靠性的重要手段。最早投入使用的直流斷路器為機械式直流斷路器，其主體結構為快速機械開關，外部并聯有緩沖吸收電路和振蕩電路，開斷時依靠能量吸收電路來吸收線路中的能量，通過LC振蕩產生反向諧振電流來強迫主回路電流過零，從而實現開斷直流電流。機械式直流斷路器的通態損耗較低，但開斷速度較慢，很難滿足當前直流輸配電系統的需要。且隨著斷路器的額定電壓與開斷電流的提升，振蕩電路中的電感和電容的容量與體積也隨之提升，嚴重制約著機械式直流斷路器的發展。

隨著電力電子器件向著高電壓、大電流的方向發展，利用大功率電力電子器件直接開斷直流電流的全固態直流斷路器受到了廣泛關注。以門極關斷晶閘管GTO、絕緣柵雙極型晶體管IGBT和集成門極換流晶閘管IGCT為代表的大功率電力電子器件能夠迅速可靠的開斷直流電流，然而電力電子器件較大的導通壓降決定了全固態直流斷路器的通態損耗很大。

混合式直流斷路器結合了機械式直流斷路器和全固態直流斷路器的優點，目前已經成為直流斷路器的重要發展方向。傳統地混合式直流斷路器結構如圖1所示，主要包括快速機械開關支路、電力電子器件串聯開關支路、能量吸收支路和控制系統，三條支路并聯后與控制系統相連，控制系統控制三條支路的通斷。正常導通情況下電流流過快速機械開關支路；故障發生時斷路器動作，快速機械開關分閘，電流轉移至電力電子器件串聯開關支路，隨后電力電子器件串聯開關關斷，線路能量被能量吸收支路吸收，線路電流下降至零。

混合式直流斷路器的缺點主要在于其高昂的成本。電力電子器件的價格十分昂貴，在較高電壓的應用場合，通常需要將大量電力電子器件串聯使用以滿足絕緣要求。此外，機械開關可以雙向通流，而電力電子器件需要通過反串連等方式才能實現雙向通流，其成本進一步提高。在實際的混合式斷路器中電力電子器件串聯開關的價格通常遠高于快速機械開關。因此，如何降低混合式直流斷路器整體成本是急需解決的問題。