[发明专利]一种限流型的混合直流断路器

说明书

本发明提供一种限流型的混合直流断路器，本发明涉及电力高压大容量直流断路器技术领域，所提出的限流型混合直流断路器(CL‑HCB)的拓扑结构引入限流器(FCL)，可提供限流功能。此外，能量耗散电路(EDC)的并联可降低金属氧化物避雷器(MOA)耗散的能量，缩短故障隔离时间，从而大大降低MOA的热效应，提高其可靠性。FCL由限流电感L₀和两端并联的EDC和MOA1组成。FCL旨在降低CL‑HCB的容量要求，加速故障隔离，并提供限流功能。EDC能够消耗L₀中存储的能量，减少MOA2吸收的能量，从而缩短故障隔离时间，并且显著降低硬件成本。

技术领域

本发明涉及电力高压大容量直流断路器技术领域，特别是涉及一种限流型的混合直流断路器。

背景技术

未来智能电网和全球能源互联网的建设在很大程度上依赖高压、大容量的直流电网技术。基于模块化多电平变流器(modular multilevel converters，MMC)的高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)系统助力直流电网建设，为电力行业创造了新的期望。然而，由于其低惯性和低阻抗，直流网络无法承受严重的直流短路，直流故障保护是直流配电网络中最重要的问题之一。在故障期间，转换器子模块的电容会迅速放电，导致直流电流迅速增加，从而对直流网络系统造成严重损坏。通常，在这种情况下使用直流断路器(DC circuit breakers，DCCB)来中断故障电流。但随着直流网络的容量发展，故障电流将在更短的时间内超过电力电子设备的电流限制。为了降低故障电流增长速率，DCCB分闸时承受的电流应力以及DCCB的成本，限流电抗器经常安装在直流线路和DCCB的两端。然而，增加电抗器不仅增加了建设成本，而且影响了整个直流系统的动态特性，导致系统由于过阻尼而不稳定。因此，研究具有限流功能的断路器以减轻直流系统各级设备的压力是目前亟需解决的问题。

ABB混合直流断路器(Hybrid DC Circuit Breaker，HCB)完全电力电子设备来中断电流，需要大量串联和并联设备来分离高压、大容量直流电网中的电压和电流。然而，串并联IGBT技术并不完善，其开关动作的恒定性难以保证，可靠性较差。并且IGBT成本高，会增加经济成本。能够抑制故障电流的DCCB拓扑可以有效地保护电力电子设备，并降低DCCB的尺寸和成本。在Daozhuo J,Chi Z,Huan Z,et al.A scheme for current-limitinghybrid DC circuit breaker.中提出的限流DCCB拓扑采用直流电抗器来限制故障电流，但这可能会损害电流传输质量。在Xu J,Zhao X,Han N,et al.A thyristor-based DC faultcurrent limiter with inductor inserting–bypassing capability.中，提出了一种用于HVDC系统的混合故障限流器拓扑，该系统使用预充电电容器和置于限流电感器中的晶闸管。但是，在限制故障电流之前，需要几毫秒才能完全激活超快速开关(UltrafastDisconnect Switch，UFD)，这增加损坏电力电子设备的风险。在Li C,Li S,Zhao C,etal.A novel topology of current-limiting hybrid DC circuit breaker for DCgrid.中提出了一种具有限流功能的DCCB拓扑，但由于限流电感的存在，故障电流分断速度一般。在Li B,He J,Li Y,et al.A novel solid-state circuit breaker with self-adapt fault current limiting capability for LVDC distribution network中，提出了一种用于低压直流配电系统的固态限流DCCB拓扑。但它需要一个直流电压源，限制了它在中压直流配电网络中的使用。在Xue S,Liu B,Wang S,et al.A modular hybrid DCcircuit breaker with fault current self-adaptive control and protectioncoordination中提出了一种具有限流功能的模块化混合直流断路器。但在电路中串联了耗能电阻，增加了耗能压力。综上，目前已有的方法仍存在断路器性能不佳，造价昂贵等不足。为此，亟需一种可以提高混合直流断路器性能和降低成本的拓扑。