[发明专利]一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法

说明书

本发明提供了一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法，限流式直流断路器包括主流通支路、强制转移支路、辅助支路以及能量吸收支路，控制方法包括限流式直流断路器的导通控制过程和关断控制过程。本发明提供的技术方案在直流线路正常工作情况下，直流线路的正常工作电流不经过强制转移支路中的第一限流电感和第二限流电感，使得柔性直流输电系统不会出现弱阻尼且不会产生低频振荡，保证了柔性直流输电系统的稳定性；且通过设置电容换流单元大大降低了直流断路器的设计成本，并解决了电力电子器件串联所需的动态均压问题，使基于电容换流单元的限流式直流断路器具有极好的动态性能，进而更适用于高压或特高压直流输电。

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法。

背景技术

随着柔性直流输电技术逐渐扩展到架空线输电场合，故障线路的快速识别和隔离显得尤为重要。柔性直流输电可以采用架空线路或电缆线路实现输电，相比于电缆线路，架空线路易发生短路和闪络等瞬时故障，必须采取相应措施隔离发生故障的线路，避免整个柔性直流输电系统停运。直流断路器作为隔离故障直流线路的核心设备受到了高度重视。目前，直流断路器可实现最小范围内的故障切除，保证剩余部分的正常运行，是最理想的故障隔离手段。

传统的混合式直流断路器由旁通支路和主断路器并联构成，其中的旁通支路由快速机械开关和电流转移开关串联构成，主断路器由多个开关单元串联而成。每个开关单元均包括若干正、反向串联的IGBT及反并联二极管，并配备独立的避雷器。但混合式直流断路器在高压柔性直流电网中需要串并联大量IGBT，以承受断开直流电流时产生的直流暂态电压。由于IGBT数量太多，且无法保证IGBT的动作一致性，导致传统的混合式直流断路器可靠性差，且成本高。虽然混合式直流断路器可以将主断路器结构变为全桥子模块结构，每个全桥子模块串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件，通过直流故障期间直流电流对直流电容的充电效应隔离直流故障电流。但该结构子模块元器件数量多，且成本依然高。

同时，为降低故障电流的上升速率，减小直流断路器承受的开断电流应力，现有的直流断路器拓扑均设有限流电感。在故障电流过大的场合，为了保证较好的故障电流抑制效果，限流电感往往设置较大，但是限流电感的增大不仅增加直流断路器的设计成本，还将影响整个柔性直流输电系统的动态特性，会导致整个柔性直流输电系统某些模态呈现弱阻尼，从而引起整个柔性直流输电系统的不稳定。

发明内容

为了克服上述现有技术中设置感值较大的限流电感导致的直流断路器设计成本增加以及柔性直流输电系统不稳定的不足，本发明提供一种基于电容换流单元的限流式直流断路器及其控制方法，

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于电容换流单元的限流式直流断路器，包括：

主流通支路，用于实现直流线路正常工作电流的双向导通；

强制转移支路，将主流通支路上直流线路的故障电流转移到强制转移支路，并降低故障电流的幅值和上升速率；

辅助支路，用于实现主流通支路或强制转移支路的导通；

能量吸收支路，用于吸收强制转移支路中电容换流单元存储的直流线路的能量。

所述能量吸收支路与主流通支路和强制转移支路并联，所述辅助支路与主流通支路或强制转移支路串联。

所述强制转移支路包括第一电容换流单元、与第一电容换流单元串联的第一限流电感、第二电容换流单元以及与第二电容换流单元串联的第二限流电感。

所述第一电容换流单元包括第一储能电容、第一卸能电阻、第一机械开关、第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂；

所述第一上桥臂和第一下桥臂串联，第二上桥臂和第二下桥臂串联，且第一卸能电阻与第一机械开关串联后，与第一储能电容并联。