[發明專利]一種混合式直流斷路器拓撲結構及其控制方法

在審

• 申請號: 201810031759.4
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108597926A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 王輝;韓國慶;郝全睿
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01H9/54
• 分類號: H01H9/54;H02H7/22;H02H9/02
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發明公開了一種混合式直流斷路器拓撲結構及其控制方法，拓撲結構中引入了三組二極管，同時將限流電感平均分成兩部分，安裝在斷路器兩端，并引入了一個帶反并聯二極管的。所述直流斷路器包括：機械開關支路；二極管組，包括二極管橋臂D₁～D₄及接地二極管組D₅；固態開關支路，由子模塊串聯組成；限壓吸能支路，并聯在固態開關支路的兩端；所述直流斷路器還包括設置在固態開關支路及二極管橋臂D₁及D₂之間的T₁，為一個帶有反并聯二極管的IGBT，用來配合快速機械開關進行合閘操作。本發明的混合式直流斷路器拓撲結構能有效減少故障電流切除總時間，加快短路故障切除速度，并降低對避雷器通流容量的要求，解決了斷路器合閘操作時與隔離開關配合使用的問題。

技術領域

本發明涉及電氣技術領域，特別是涉及一種混合式直流斷路器拓撲結構及其控制方法。

背景技術

與交流輸電相比，高壓直流輸電具有輸電線路建設費用低、功率調節簡單易行、無穩定性問題等優點，適用于超高壓、大容量、遠距離輸電。直流系統的阻尼較低，與交流系統相比，直流系統的控制保護難度更大，并且對基于全控型半導體器件的柔性直流輸電系統而言，器件耐受過電流的能力較弱，故障電流可能在數毫秒內超過器件的最高耐受值，使關鍵器件乃至整個換流站損毀，因此有必要快速限制并切斷故障電流，以維持直流電網安全穩定運行并保護電網中的關鍵設備，高壓直流斷路器成為有效甚至唯一的技術手段。由于直流故障電流沒有自然過零點，切斷故障電流過程中產生的電弧很難熄滅，這使得直流斷路器的設計與交流斷路器相比較困難。

現有的強迫換流型混合式直流斷路器方案根據其固態開關支路結構的不同可分為兩類：

一類是固態開關支路由電力電子器件(一般為IGBT)串聯構成的強迫換流型混合式直流斷路器稱為基于IGBT串聯的混合式直流斷路器，典型方案為ABB公司與2012年提出的拓撲結構，如圖2所示。該方案高壓應用場合下需解決大量IGBT串聯動態均壓、關斷的同步性等問題，工程實現上難度較大，目前只有ABB公司掌握大數量級IGBT串聯同步驅動及動態均壓的工程應用技術。

另一類是固態開關支路由子模塊(例如H橋)級聯構成的強迫換流型混合式直流斷路器稱為基于子模塊級聯的混合式直流斷路器。典型方案為在期刊《電力系統自動化》2013年，第37卷，第15期，第95至102頁中刊登“柔性直流輸電網用新型高壓直流斷路器設計方案”一文(作者魏曉光等)提出的拓撲方案，如圖3(a)所示，圖3(b)-圖3(c)為現有方案中的兩種子模塊的拓撲結構圖，該方案將大量IGBT的串聯動態均壓問題轉換為子模塊電容的均壓，依照現有技術，工程技術上實現比較容易，缺點是使用電力電子器件的數量較多，成本較高，體積較大，故障電流切除速度變慢，合閘操作時與隔離開關的配合使用存在問題。

綜上所述，現有技術中的混合式直流斷路器，尤其是固態開關支路由子模塊級聯構成的強迫換流型混合式直流斷路器存在著故障切除速度較慢，合閘操作時與隔離開關的配合使用存在問題等缺點，對此尚缺乏有效的解決方案。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種混合式直流斷路器拓撲結構，本發明的混合式直流斷路器拓撲結構中引入了三組二極管D₃～D₄，同時將限流電感L平均分成兩部分L₁和L₂，安裝在斷路器兩端，可以有效減少故障電流切除總時間，加快短路故障切除速度，也降低了對避雷器通流容量的要求，使用的器件數量較少，減小了裝置的體積；同時引入了一個帶有反并聯二極管的IGBT(T₁)，解決了斷路器合閘操作時與隔離開關配合使用的問題。此外，由于本方案中的固態開關支路采用子模塊級聯的形式，避開了大量IGBT串聯動態均壓的難題，工程技術上實現較為容易。

一種混合式直流斷路器拓撲結構，所述直流斷路器包括：