[发明专利]一种全固态直流断路器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种全固态直流断路器拓扑，及其控制方法。

背景技术

随着直流输配电技术的发展，传统直流输电和轻型直流输电技术成为了未来电网发展的重要方向。在多端直流输电系统中，直流断路器作为故障保护设备，成为了系统安全运行存在的重要设备之一。直流断路器在切断故障电流过程中，没有电流过零点。因此，直流断路器的研制面临着更多困难。

通常采用机械开关构成的直流断路器，为了解决开断电流过程中的电弧问题，需要增加辅助的振荡电路，制造关断过程中的电流过零点，使得机械开关可以在零电流条件下关断。但电路结构往往比较复杂且分断时间难以满足系统要求。机械开关和固态开关构成的混合直流断路器，其关断特性同样受到机械开关特性的制约，对于机械开关的分断速度提出了过高的要求。普通全固态直流断路器，由于需要直接正反串联多个全控的功率器件，损耗和成本都比较高，对于全控器件的控制一致性要求也较高。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提出了一种新型全固态直流断路器及其控制方法，本发明具有开断电流速度快、通态损耗小、控制简单等特点。同时，全桥整流单元的引入，可以有效的减少全控器件的数量，降低系统控制的复杂程度和成本。断流单元化设计可以降低对于器件直接串联的技术要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种全固态直流断路器，由长期通流支路、电流分断支路、能量吸收支路并联构成，其特征在于，

所述的长期通流支路由至少一个半控器件开关单元和至少一个全控器件开关单元串联构成，半控器件开关单元串联数量由系统电压等级确定；所述的半控器件开关单元和全控器件开关单元均与全桥整流电路相连接，长期通流支路采用全桥整流电路实现电流的双向流动；

所述的电流分断支路由多个断流单元串联组成，所述断流单元由单向全控开关器件、吸收电路、避雷器并联组成，所述的并联电路与全桥整流电路相连接，电流分断支路采用桥式整流电路实现电流双向流动；

所述的能量吸收支路，包含至少一个避雷器单元，吸收开断过程中的系统能量。

所述的长期通流支路的全控器件开关单元、所述的电流分断支路的单向全控开关器件，包含IGBT，IGCT，IEGT等所有全控型器件。

所述的电流分断支路的吸收电路为电阻、电容和二极管构成的RCD吸收电路，所述避雷器为与单向全控开关器件电压相匹配的低压避雷器，避雷器的残压根据器件的安全运行条件选取。

所述能量吸收支路由避雷器单元够成，根据系统参数决定避雷器的串、并联个数及串并联连接结构。

所述全固态直流断路器的控制方法，具体步骤如下：

1)在系统正常时，系统电流依次流过全控器件开关单元和半控器件开关单元，在检测到系统电流超过限定电流值后，系统首先开通电流分断支路的全部断流单元；然后关断系统长期通流单元中的全控器件开关单元，系统电流转移到电流分断支路；此时，长期通流支路中的半控器件开关单元电流自动过零，半控器件开关单元中的半控器件恢复承担高电压能力，长期通流支路完成换流过程；

2)在长期通流支路完成换流过程后，电流分断支路，部分或全部的关断断流单元；根据系统的限流控制等级，在电流过载较低的情况下，部分关断断流单元，限制系统电流的上升斜率，如果系统仅仅是短期的过载故障，则重新开通长期通流支路；开通的时序是：先开通全控器件开关单元，再触发开通半控器件开关单元；

3)在电流过载较高的情况下，系统电流超过设置的限值，或者在关断部分断流单元后系统电流依然上升超过设定的限值后，控制策略是关闭全部的断流单元，彻底分断系统电流，由能量吸收支路吸收系统的残余能量。

所述的全固态直流断路器系统恢复正常运行时的闭合步骤为：

1)断路器控制器发出电流分断支路断流单元的开通信号，开通电流分断支路；

2)断路器控制器发出长期通流支路，全控器件开关单元的触发开通信号；

3)断路器控制器发出长期通流支路，半控器件开关单元的触发开通信号；

4)断路器控制器发出电流分断支路断流单元的分断信号。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)本发明提出了一种全固态的直流断路器拓扑方案，辅助回路承担系统正常状态下，系统工作电流，辅助回路采用半控器件单元与全控器件单元串联方案，具有通态损耗小，的特点。