自然换流型混合式直流断路器及直流系统的电流关断方法
阅读说明：本技术 自然换流型混合式直流断路器及直流系统的电流关断方法 (Natural commutation type hybrid direct current circuit breaker and current turn-off method of direct current system ) 是由 余占清 曾嵘 黄瑜珑 屈鲁 周雁南 陈政宇 甘之正 于 2020-03-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种自然换流型混合式直流断路器及直流系统的电流关断方法,所述自然换流型混合式直流断路器由主通流支路、转移支路和能量吸收支路组成,所述主通流支路、转移支路和能量吸收支路并联连接；所述主通流支路由真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关串联组成。本发明的自然换流型混合式直流断路器具有通态损耗近零、支持重合闸和电流差异化、换流可靠、可控性强、体积紧凑、占地面积小、成本低等特点。(The invention provides a natural current conversion type hybrid direct current circuit breaker and a current turn-off method of a direct current system, wherein the natural current conversion type hybrid direct current circuit breaker consists of a main current branch, a transfer branch and an energy absorption branch, and the main current branch, the transfer branch and the energy absorption branch are connected in parallel; the main through-flow branch is formed by connecting a vacuum gap quick mechanical switch and a gas gap quick mechanical switch in series. The natural current conversion type hybrid direct current circuit breaker has the characteristics of nearly zero on-state loss, support of reclosing and current differentiation, reliable current conversion, strong controllability, compact size, small occupied area, low cost and the like.)
技术领域
本发明属于直流电网的关键设备之一——直流断路器领域，特别涉及一种自然换流型混合式直流断路器及直流系统的电流关断方法。
背景技术
随着分布式能源的不断发展，以及电力负荷种类的增加，直流电网在较大容量的电力传输、分布式能源接入、提供交流系统的无功补偿等方面显示出明显的优势
柔性直流电网因其系统主接线结构、运行方式更加复杂多样，进而导致直流系统故障方式多、故障发展快、影响范围广。因此，迫切需要柔性直流电网的故障隔离技术，以保障柔性直流电网的安全可靠运行。直流断路器是直流输配电系统中实现直流故障隔离最为理想的选择。根据拓扑结构的不同，直流断路器主要分为固态式直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。由于兼具固态式直流断路器的快速开断特性和机械式直流断路器的低损耗特性，混合式直流断路器成为高压直流断路器的主要发展方向之一。
国内外学者现在围绕用于直流电网或直流输配电系统的混合式直流断路器的新型拓扑结构、高可靠换流方式、运行控制策略、型式试验方法等方面开展了广泛研究，并在柔性直流电网示范工程中进行了初步应用。
现有的混合式断路器的类型主要为强迫换流型混合式直流断路器。
图1所示即为强迫换流型混合式直流断路器的典型拓扑结构。由图1可知，强迫换流型混合式直流断路器包括主支路、转移支路和能量吸收支路。其中，主支路由快速机械开关和全桥模块串联构成；转移支路由全桥模块串联构成；能量吸收支路由MOV构成；各全桥模块可为IGBT全桥模块或二极管全桥模块。直流系统稳态运行工况下，主支路导通，系统稳态运行负荷电流，主支路的通态阻抗低，所产生损耗可忽略不计；直流系统发生故障后T1时刻，直流断路器收到系统分断命令，主支路的全桥模块闭锁从而强迫电流转移至转移支路。在T1时刻之后的T2时刻，主通流支路电流过零后分快速机械开关，直至其产生足够开距能够耐受暂态分断电压，转移支路全桥模块闭锁，强迫电流转移至耗能支路。MOV过压保护动作抑制开断过电压，同时耗散系统感性元件储存能量，直至故障电流过零。
但是，目前上述的强迫换流型混合式直流断路器仍存在体积大、成本高、需配备散热设备、尚未考虑电流参数差异化、可靠性和可控性不理想等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种自然换流型混合式直流断路器及直流系统的电流关断方法。
本发明提出的自然换流型混合式直流断路器由主通流支路、转移支路和能量吸收支路组成，
其中，
所述主通流支路、转移支路和能量吸收支路并联连接；
所述主通流支路由真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关串联组成。
进一步，
所述气体间隙快速机械开关为SF6间隙快速机械开关。
进一步，
所述能量吸收支路由金属氧化物压敏电阻构成。
进一步，
所述转移支路由双向固态开关串联构成。
进一步
所述双向固态开关为模块化双向固态开关。
进一步
所述双向固态开关为反串联结构双向固态开关、全桥结构双向固态开关或二极管桥结构双向固态开关。
本发明还提出一种直流系统的电流关断方法，所述关断电流方法采用前述的自然换流型混合式直流断路器关断电流。
进一步，
当所述直流系统发生障碍后，向所述自然换流型混合式直流断路器发出分闸指令，控制所述真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关分闸。
进一步，
通过所述真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关的分闸动作，使得：1、故障电流转移至转移支路；2、所述真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关触头熄弧后，所述真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关触头间隙的承受所述直流系统的瞬态恢复电压，然后向所述自然换流型混合式直流断路器发出关断指令，控制所述转移支路中双向固态开关关断。
本发明的自然换流型混合式直流断路器损耗低、支持重合闸和电流差异化、可控性和可靠性强、占地面积小、换流可靠、体积紧凑、成本低等特点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为现有技术的强迫换流型混合式直流断路器的拓扑结构；
图2所示为本发明的自然换流型混合式直流断路器的拓扑结构；
图3a所示为本发明的自然换流型混合式直流断路器中的反串联结构双向固态开关模块；
图3b所示为本发明的自然换流型混合式直流断路器中的全桥结构双向固态开关模块；
图3c所示为本发明的自然换流型混合式直流断路器中的二极管桥结构双向固态开关模块；
图4所示为本发明的自然换流型混合式直流断路器的动作时序。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2所示为本发明的自然换流型混合式直流断路器的拓扑结构。由图2可知，本发明的自然换流型混合式直流断路器包括：主通流支路、转移支路和能量吸收支路，且主通流支路、转移支路和能量吸收支路三者并联。
主通流支路是由真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关串联组成，所述气体间隙快速机械开关优选为SF6间隙快速机械开关；转移支路由双向固态开关串联构成；能量吸收支路由金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistors，MOV)组成。
其中，所述主通流支路为机械开关串联，无需特殊散热设备，因而所述自然换流型混合式直流断路器的通态损耗近零；所述转移支路中的双向固态开关可使用模块化设计，因而可形成多电流等级系列产品，支持按换流站需求进行电流参数差异化选择，可最大限度提高设备的技术经济性能。
所述双向固态开关可为如图3a、图3b、图3c分别所示的反串联结构、全桥结构、二极管桥结构。
由图3a可知，反串联结构双向固态开关由两个二极管D1和D2以及两个全控器件S1和S2构成。D1的阴极连接S1的阳极，D1的阳极连接S1的阴极；D2的阴极连接S2的阳极，D2的阳极连接S2的阴极；S1的阴极连接S2的阴极。D1的阴极作为反串联结构双向固态开关的输入端(或输出端)，D2的阴极作为反串联结构双向固态开关的输出端(或输入端)。
由图3b可知，全桥结构双向固态开关包括：一个电容C，四个二极管D3、D4、D5和D6以及四个全控器件S3、S4、S5和S6。D3的阳极连接S3的阴极和C的一个电极，D3的阴极连接S3的阳极、S4的阴极和D4的阳极，D4的阴极连接S4的阳极和C的另一个电极；D5的阳极连接S5的阴极和S3的阴极，D5的阴极连接S5的阳极、S6的阴极和D6的阳极，D6的阴极连接S6的阳极和S4的阳极。D3的阴极作为全桥结构双向固态开关的输入端(或输出端)，D5的阴极作为全桥结构双向固态开关的输出端(或输入端)。
由图3c可知，二极管桥结构双向固态开关由五个二极管D7、D8、D9、D10和D11以及全控器件S7构成。D7的阴极连接D9的阴极、D11的阴极和S7的阳极，D7的阳极连接D8的阴极；D9的阳极连接D10的阴极，D10的阳极连接D11的阳极、D8的阳极和S7的阴极，D11与S7为反并联。D7的阳极作为二极管桥结构双向固态开关的输入端(或输出端)，D9的阳极作为二极管桥结构双向固态开关的输出端(或输入端)。
图3a、图3b和图3c中的全控器件可为晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)、集成门极换流晶闸管(integrated Gate CommutatedThyristors，IGCT)和栅极注入增强晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT)等全控电力电子器件。当全控器件为IGBT时，所述全控器件的阳极应为集电极且阴极应为发射极。
由上述可知，所述转移支路主要由电力电子开关构成，因而本发明的自然换流型混合式直流断路器可利用所述转移支路的电力电子开关实现快速重合闸。所述快速重合闸的具体过程为：当直流系统的控制保护系统判断直流系统故障清除后，发送导通指令给转移支路的电力电子开关，系统电流流过转移支路，如果此时仍有故障，则立即关断电力电子开关；如果此时没有故障，则给主通流支路的快速机械开关发送合闸指令，待系统电流通过主通流支路后，关断电力电子开关。
本发明的用于直流系统的自然换流型混合式直流断路器在工作时：1、利用主通流支路导通直流系统的正常电流；2、利用转移支路短时承载及开断直流系统故障电流，并利用转移支路建立瞬态恢复电压；3、利用能量吸收支路抑制所述瞬态恢复电压和吸收与本发明的自然换流型混合式直流断路器连接的直流线路及限流电抗储能的能量。其中，所述自然换流型混合式直流断路器的换流方式为“自然换流”，即利用真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关的弧压之和大于转移支路的导通压降，从而使故障电流由主通流支路“自然”转移至转移支路。
基于上述原理，本发明的直流系统的电流关断方法包括：当采用本发明的自然换流型混合式直流断路器的直流系统发生故障(所述故障形式有很多种如：直流系统侧单极对地故障、极间短路故障等)后，分闸指令由直流系统控制保护系统发出，所述自然换流型混合式直流断路器接收到分闸指令后同时分闸真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关，待所述真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关触头均开距达到一定距离时，导通转移支路中双向固态开关模块，强迫故障电流(即直流系统发生故障后，流经直流系统内直流线路的电流)从主通流支路转移至转移支路，当快速机械开关电流过零后，触头熄弧；随后，所述真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关触头继续做前述分闸运动，待快速机械开关触头间隙的预期承受电压值(即可承受的最大电压值)不低于直流系统的瞬态恢复电压后，直流系统控制保护系统发出关断指令，关断转移支路中双向固态开关，使得故障电流转移至能量吸收支路，直流断路器端间电压被能量吸收支路限制，同时故障电流逐渐下降至零。
本发明自然换流型混合式直流断路器的动作时序(所述动作时序的控制程序是在所述直流系统的控制保护系统中提前设置好)如图4所示，先看直流系统的电流的变化，在时刻t1直流系统发生故障，快速机械开关开始分闸，在时刻t2，快速机械开关触头开距达到一定距离，导通转移支路中双向固态开关模块故障电流开始从主通流支路转移至转移支路，到时刻t3故障电流完全转移至转移支路，在时刻t4关断转移支路中双向固态开关，故障电流开始转移至能量吸收支路，到时刻t5故障电流完全转移至耗能支路，本发明自然换流型混合式直流断路器从时刻t4开始耗能。从时刻t1直流系统发生故障起，系统电流持续增大至时刻t5随着耗能支路电流增至最大值Ip而后开始减少，直至到时刻t6后，系统电流将至为0，本发明自然换流型混合式直流断路器的耗能过程结束。而断路器的断口电压在转移支路电流将要达到最大值的时刻t7由0迅速增大至时刻t8的瞬态峰值电压Up，之后所述断口电压逐渐降低，在时刻t9所述断口电压降为MOV残压Uc，之后所述断口电压进一步降低，在系统电流将至为0的时刻t10降为直流系统中的直流线路电压Udc。
本申请提出的自然换流型混合式直流断路器为一种新型的混合式直流断路器。本发明的自然换流型混合式直流断路器利用真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关串联组成的主流通支路的弧压之和大于转移支路的导通压降，从而使故障电流由主通流支路“自然”转移至转移支路，既不同于LC谐振型机械式直流断路器中的机械开关需要LC谐振支路的辅助才能完成所述电流的转移，也不同于强迫换流型混合式直流断路器中通过全桥模块来迫使电流实现转移来完成断路器的功能，因而本申请提出的自然换流型混合式直流断路器为一种新型的混合式直流断路器。
与前述LC谐振型机械式直流断路器和强迫换流型混合式直流断路器相比，本发明的自然换流型混合式直流断路器还具有如下优势：
(1)占地面积小、制造成本低。相比于强迫换流型混合式直流断路器方案(如ABB断路器、联研院辅助开关强迫换流型混合式直流断路器、耦合负压强迫换流型混合式直流断路器)，本发明的自然换流型混合式直流断路器减少了强迫换流组件，进而可减少直流断路器的体积和制造成本。
(2)可靠性高。本发明的自然换流型混合式直流断路器与机械式断路器相比燃弧时间短，因而本发明的自然换流型混合式直流断路器使用寿命增加，可靠性提高；与强迫换流型混合式直流断路器相比，本发明的自然换流型混合式直流断路器利用真空间隙快速机械开关和气体间隙快速机械开关的弧压之和大于转移支路的导通压降，从而使故障电流由主通流支路“自然”转移至转移支路，换流可靠性高。
(3)可控性强。本发明的自然换流型混合式直流断路器相比于现有的混合式直流断路器换流过程简单，且其电力电子器件关断电流可靠性高，不同电流下关断时间确定，系统暂态能量控制能力强，与直流系统控制保护配合容易。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。