[发明专利]直流断路器的拓扑结构及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及直流输电用的直流断路器的拓扑结构及其控制方法，尤其涉及一种高性能低成本直流输、配电网直流断路器的拓扑方案及其控制策略。

背景技术

直流断路器是直流输、配电网中承载额定电流、关断故障电流、关断负荷电流的关键设备，能够可靠清除故障电流，防止故障范围扩大。随着多端直流输电技术、智能电网与直流配网技术、分布式电源与直流微网技术的迅速发展，直流断路器对电网的可靠、优质、经济运行具有重要意义。但是，由于直流电流没有自然过零点带来的灭弧问题、开断过程中的过电压和能量吸收等问题也成为直流断路器研究难点。

目前直流断路器主要有四种技术路线：采用机械开关直接关断电流的直流断路器，动作速度慢，开关不能满足速动性和经济性的要求；采用振荡电路灭弧的直流断路器，动作时间较长，控制难度也较大；采用电力电子器件的全固态直流断路器，正常运行时损耗较高，导致向更高电压等级的扩展性较差；采用机械开关和电力电子器件的混合型直流断路器。其中，混合型直流断路器是比较适合于直流输配电网的应用的。如图1所示为ABB公司专利WO2011141054A1的混合型直流断路器电路原理图,ABB的混合型直流断路器适用于各种工况，但明显的缺点是，为实现电流双向流通和双向关断，直流断路器中的全控型电力电子器件6连接成双向结构，这就使得器件数量增加一倍，设备成本显著提高。如图2所示为国家电网公司智能电网研究院专利201310364653.3的混合型直流断路器电路原理图，该专利的主开关的全控型电力电子器件6为单向结构，因此降低了部分成本。但其直流断路器为实现双向通流和双向关断，其中两个辅助转换开关均采用两个全控型电力电子器件6组成的反并联结构，并分别与串联的电阻R1和隔离开关BRK11、串联的电阻R2和隔离开关BRK21并联组成，因此其全控型电力电子器件的数量增加一倍；在检修分闸、合闸等较低电流、电压应力场合，采用电阻R1和隔离开关BRK11、电阻R2和隔离开关BRK21组成的软开通电路，并采用避雷器MOV2、交流断路器BRK3、电感L和电容C组成的直流负荷开关，显著增加了设备成本和控制的复杂度。

为了应对混合型直流断路器的高成本问题，直流输电急需高性能和低成本的混合型直流断路器。

发明内容

本发明的目的提出一种直流断路器的拓扑结构及其控制方法，其特征在于，所述直流断路器的拓扑结构采用“T型”双向对称结构；该“T型”双向对称结构的直流断路器由第一电流通路1、第二电流通路2和第三电流通路3构成，第二电流通路2和第三电流通路3并联后与第一电流通路1的中点连接成双向对称的T型结构；第一电流通路1的引出端子a与直流输配电系统的等值电感L9的一端连接，第一电流通路1的中间引出端子b与第二电流通路2和第三电流通路3并联后的一端连接，第一电流通路1的另一个引出端子c与直流输、配电线路连接；第二电流通路2和第三电流通路3并联后的另一端接地；其中等值电感L9是在直流断路器运行回路中，包含直流输配电系统换流器桥臂电感、平波电抗器和线路电感等在内的总的等值电感。

所述第一电流通路1由第一辅助断路器16和第二辅助断路器17构成。

所述第二电流通路2至少由一个第三单向全控型电力电子器件63组成，具有断流作用；其各第三单向全控型电力电子器件63直接串联，串联个数根据直流输、配电线路的高、中、低不同电压等级决定，且应有一定冗余；所述全控型电力电子器件由一个IGBT器件和一个反向并联的二极管D构成。

所述第三电流通路3由能量吸收单元组成，能量吸收单元包含至少一个避雷器15，各避雷器15并联或串联；其避雷器的额定电压和残压由直流输、配电网直流侧额定电压、第一辅助断路器16和第二辅助断路器17的耐压水平、第二电流通路2耐压水平来决定。

所述第一辅助断路器由第一快速机械开关4和第一换流单元18串联组成，所述第二辅助断路器由第二换流单元19和第二快速机械开关14串联组成；第一辅助断路器和第二辅助断路器结构对称，元件相同。

所述第一换流单元18和由一个第一单向全控型电力电子器件61组成，第二换流单元19由一个第二单向全控型电力电子器件62组成。

所述第一快速机械开关和第二快速机械开关为参数相同的元件；均采用快速机械开关或采用大功率电力电子器件V的双向反并联结构；在电流从第一电流通路转移到第二电流通路后断开，主要起耐压作用。

所述大功率电力电子器件包含晶闸管或门极可关断晶闸管的半控型和全控型器件。