本發(fā)明涉及一種輔助換流模塊及高壓直流斷路器，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著基于電壓源換流器的多端柔性直流和直流電網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，快速直流斷路器成為保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全和可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。在交流系統(tǒng)中，交流電流在一個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)自然過零點(diǎn)，交流斷路器利用交流電流的自然過零點(diǎn)關(guān)斷電流，而在直流系統(tǒng)中，直流電流不存在自然過零點(diǎn)，因此直流電流開斷遠(yuǎn)比交流電流的開斷困難。另一方面，直流輸電系統(tǒng)的線路阻抗很小，直流側(cè)短路故障發(fā)生后故障電流上升速度快，最快可在幾個(gè)毫秒之內(nèi)上升到峰值，這對直流斷路器的動(dòng)作時(shí)間和開斷能力提出了苛刻的要求。

目前，直流斷路器的技術(shù)方案主要有三種類型，分別是基于常規(guī)開關(guān)的傳統(tǒng)機(jī)械式直流斷路器、基于純電力電子器件的固態(tài)直流斷路器以及基于二者結(jié)合的混合式直流斷路器。其中，傳統(tǒng)機(jī)械式直流斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間較長，固態(tài)直流斷路器的損耗較大，隨著高壓大容量半導(dǎo)體器件的發(fā)展，結(jié)合常規(guī)機(jī)械開關(guān)和電力電子器件特點(diǎn)的混合式直流斷路器技術(shù)得到快速發(fā)展。

大量采用的直流斷路器結(jié)構(gòu)均為：并聯(lián)的通流支路、斷流支路和耗能支路。通流支路由一組(如2-3個(gè))輔助換流模塊和一組(如2-3個(gè))機(jī)械開關(guān)串聯(lián)而成；斷流支路由大量斷流模塊串聯(lián)而成；耗能支路為避雷器或非線性電阻器以吸收過電流。所謂輔助換流模塊、斷流模塊均為開關(guān)管或者特定開關(guān)管拓?fù)?如H橋、半橋等)。另外，有些直流斷路器還包括并聯(lián)的緩沖支路，用于在閉鎖斷流支路時(shí)起到緩沖作用。

混合式直流斷路器正常運(yùn)行狀態(tài)下，由機(jī)械開關(guān)通流。若系統(tǒng)發(fā)生故障，在混合式直流斷路器分?jǐn)喙收系倪^程中，將電流轉(zhuǎn)移至與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)的斷流支路，然后由電力電子器件分?jǐn)嚯娏?，隨后斷開機(jī)械開關(guān)?；谠撛淼幕旌鲜街绷鲾嗦菲骷冉档土送☉B(tài)損耗，又提高了分?jǐn)嗨俣?。通常，通流支路中的輔助換流模塊由全控器件正向/反向串聯(lián)而成。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法使得其切斷電流過程中對直流系統(tǒng)產(chǎn)生很大的電壓應(yīng)力，不能保證直流輸電系統(tǒng)的功率傳輸，混合式直流斷路器“隔離故障區(qū)域保證健全部分”的優(yōu)勢無法發(fā)揮。

因此，研究成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、具備重合閘功能，可以限制切斷直流電流峰值同時(shí)降低對直流系統(tǒng)過電壓應(yīng)力的高壓直流斷路器及其實(shí)現(xiàn)方法，對保障直流輸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種輔助換流模塊及高壓直流斷路器，用于解決切斷電流過程中對直流系統(tǒng)產(chǎn)生很大的電壓應(yīng)力問題。進(jìn)一步的方案，還能夠解決使用全控器件較多造成制造成本過高的問題。

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種輔助換流模塊，包括以下方案：

輔助換流模塊方案一：所述輔助換流模塊為H橋模塊，具有并聯(lián)的第一橋臂和第二橋臂，所述第一橋臂由兩個(gè)閥組同向串聯(lián)而成，所述第二橋臂由另外兩個(gè)閥組同向串聯(lián)而成；第一橋臂的兩個(gè)閥組的串聯(lián)點(diǎn)為所述輔助換流模塊的輸入/輸出端，第二橋臂的兩個(gè)閥組的串聯(lián)點(diǎn)為所述輔助換流模塊的輸出/輸入端；所述輔助換流模塊還包括電容支路，所述電容支路與所述第一橋臂、第二橋臂并聯(lián)。

輔助換流模塊方案二：在輔助換流模塊方案一的基礎(chǔ)上，所述第一橋臂的兩閥組為全控器件閥組(T1、T3)，所述第二橋臂的兩閥組為全控器件閥組(T2、T4)。

輔助換流模塊方案三：在輔助換流模塊方案一的基礎(chǔ)上，所述第一橋臂的兩閥組為全控器件閥組(T1、T3)，所述第二橋臂的兩閥組為不控器件閥組(D2、D4)。

輔助換流模塊方案四：在輔助換流模塊方案一的基礎(chǔ)上，所述第一橋臂的兩閥組為不控器件閥組(D1、D3)，所述第二橋臂的兩閥組為不控器件閥組(D2、D4)；所述輔助換流模塊還包括一條包含全控器件閥組的全控器件支路，該全控器件支路與第一、第二橋臂并聯(lián)。

輔助換流模塊方案五：在輔助換流模塊方案一、二、三或四的基礎(chǔ)上，所述電容支路中還串聯(lián)有限流電阻(R0)。

輔助換流模塊方案六：在輔助換流模塊方案五的基礎(chǔ)上，所述電容支路還包括與所述限流電阻(R0)并聯(lián)的二極管(D0)。

輔助換流模塊方案七：在輔助換流模塊方案二、三或四的基礎(chǔ)上，所述全控器件閥組由一個(gè)或者至少兩個(gè)同向串聯(lián)的全控器件構(gòu)成，所述不控器件閥組由一個(gè)或者至少兩個(gè)同向串聯(lián)的二極管構(gòu)成。

輔助換流模塊方案八：在輔助換流模塊方案七的基礎(chǔ)上，所述全控器件為IGBT。

本發(fā)明還提供了一種高壓直流斷路器，包括以下方案：

斷路器方案一：包括一個(gè)或者至少兩個(gè)串聯(lián)連接的直流斷路器單元；所述直流斷路器單元包括并聯(lián)的通流支路、耗能支路、緩沖支路和斷流支路；所述通流支路包括串聯(lián)連接的至少一個(gè)機(jī)械開關(guān)和至少一個(gè)輔助換流模塊；所述輔助換流模塊為H橋模塊，具有并聯(lián)的第一橋臂和第二橋臂，所述第一橋臂由兩個(gè)閥組同向串聯(lián)而成，所述第二橋臂由另外兩個(gè)閥組同向串聯(lián)而成；第一橋臂的兩個(gè)閥組的串聯(lián)點(diǎn)為所述輔助換流模塊的輸入/輸出端，第二橋臂的兩個(gè)閥組的串聯(lián)點(diǎn)為所述輔助換流模塊的輸出/輸入端；所述輔助換流模塊還包括電容支路，所述電容支路與所述第一橋臂、第二橋臂并聯(lián)。

斷路器方案二：在斷路器方案一的基礎(chǔ)上，所述第一橋臂的兩閥組為全控器件閥組(T1、T3)，所述第二橋臂的兩閥組為全控器件閥組(T2、T4)。

斷路器方案三：在斷路器方案一的基礎(chǔ)上，所述第一橋臂的兩閥組為全控器件閥組(T1、T3)，所述第二橋臂的兩閥組為不控器件閥組(D2、D4)。

斷路器方案四：在斷路器方案一的基礎(chǔ)上，所述第一橋臂的兩閥組為不控器件閥組(D1、D3)，所述第二橋臂的兩閥組為不控器件閥組(D2、D4)；所述輔助換流模塊還包括一條包含全控器件閥組的全控器件支路，該全控器件支路與第一、第二橋臂并聯(lián)。

斷路器方案五：在斷路器方案一、二、三或四的基礎(chǔ)上，所述電容支路中還串聯(lián)有限流電阻(R0)。

斷路器方案六：在斷路器方案五的基礎(chǔ)上，所述電容支路還包括與所述限流電阻(R0)并聯(lián)的二極管(D0)。

斷路器方案七：在斷路器方案二、三或四的基礎(chǔ)上，所述全控器件閥組由一個(gè)或者至少兩個(gè)同向串聯(lián)的全控器件構(gòu)成，所述不控器件閥組由一個(gè)或者至少兩個(gè)同向串聯(lián)的二極管構(gòu)成。

斷路器方案八：在斷路器方案七的基礎(chǔ)上，所述全控器件為IGBT。

本發(fā)明的輔助換流模塊采用H橋式結(jié)構(gòu)，能夠解決換流過程中電壓應(yīng)力問題，從而保證換流過程的安全性。

進(jìn)一步的，在輔助換流模塊中，將H橋模塊的一個(gè)橋臂中價(jià)格昂貴的全控器件替換為不控器件，將全控器件和不控器件相結(jié)合，減少了全控器件的數(shù)量，降低了H橋模塊的制造成本，同時(shí)確保了H橋模塊的雙向切斷能力。

通過在高壓直流斷路器的通流支路中串聯(lián)將全控器件和不控器件相結(jié)合的輔助換流模塊，與常規(guī)H橋模塊相比，輔助換流模塊減少了全控器件的數(shù)量，降低了高壓直流斷路器的制造成本，同時(shí)確保了高壓直流斷路器的電流雙向切斷能力。

再進(jìn)一步的，還可以將H橋模塊的兩個(gè)橋臂均替換為不控器件，同時(shí)增加一條全控支路，能夠進(jìn)一步地減少全控器件數(shù)量。

附圖說明

圖1是直流斷路器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是輔助換流模塊SMC的第一實(shí)施例；

圖3是輔助換流模塊SMC的第二實(shí)施例；

圖4是輔助換流模塊SMC的第三實(shí)施例；

圖5是輔助換流模塊SMC的第四實(shí)施例；

圖6是輔助換流模塊SMC的第五實(shí)施例；

圖7是輔助換流模塊SMC的第六實(shí)施例；

圖8是緩沖模塊SMS的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是斷流模塊SMB的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

現(xiàn)有的直流斷路器結(jié)構(gòu)包括并聯(lián)連接的通流支路、斷流支路和耗能支路。其中，通流支路由一組(如2-3個(gè))輔助換流模塊SMC和一組(如2-3個(gè))機(jī)械開關(guān)K串聯(lián)而成；斷流支路由串聯(lián)的大量斷流模塊SMB串聯(lián)而成；耗能支路為非線性電阻器Z，用于吸收過電壓。所謂輔助換流模塊、斷流模塊均為開關(guān)管或者特定開關(guān)管拓?fù)?如H橋、半橋等)。另外，有些直流斷路器，還包括并聯(lián)的緩沖支路，用于在閉鎖斷流支路時(shí)起到緩沖作用。如圖1所示為一個(gè)直流斷路器單元，該直流斷路器單元采用上述的直流斷路器結(jié)構(gòu)，直流斷路器可以由多個(gè)這種直流斷路器單元串聯(lián)構(gòu)成。

下面具體介紹用于直流斷路器單元中的輔助換流模塊SMC、緩沖模塊SMS以及斷流模塊SMB。

輔助換流模塊SMC第一實(shí)施例：

如圖2所示，輔助換流模塊SMC為H橋模塊，包括并聯(lián)的第一橋臂和第二橋臂，其中第一橋臂由全控器件閥組T1和全控器件閥組T3同向串聯(lián)構(gòu)成，第二橋臂由全控器件閥組T2和全控器件閥組T4同向串聯(lián)構(gòu)成。全控器件閥組T1和T3通過電節(jié)點(diǎn)a同向串聯(lián)，全控器件閥組T2和T4通過電節(jié)點(diǎn)b同向串聯(lián)。全控器件閥組T1通過電節(jié)點(diǎn)c與全控器件閥組T2連接，全控器件閥組T3通過電節(jié)點(diǎn)d與全控器件閥組T4連接，第一橋臂和第二橋臂中的電流流向相反。電節(jié)點(diǎn)c和電節(jié)點(diǎn)d之間連接有電容支路，該電容支路包括串聯(lián)連接的限流電阻R0與充電電容C0，該電容支路與第一橋臂和第二橋臂并聯(lián)連接。全控器件閥組T1、T2、T3和T4均包括同向串聯(lián)連接的若干個(gè)全控器件IGBT。從電節(jié)點(diǎn)a和電節(jié)點(diǎn)b分別引出一個(gè)連接線，當(dāng)電流方向?yàn)橛蒩到b時(shí)，即電流經(jīng)過全控器件閥組T3中的全控器件和全控器件閥組T4中的反并聯(lián)二極管時(shí)，電節(jié)點(diǎn)a作為輔助換流模塊SMC的輸入端，b作為輔助換流模塊SMC的輸出端；當(dāng)電流方向?yàn)橛蒪到a時(shí)，即電流經(jīng)過全控器件閥組T1中的全控器件和全控器件閥組T2中的反并聯(lián)二極管時(shí)，電節(jié)點(diǎn)b作為輔助換流模塊SMC的輸入端，a作為輔助換流模塊SMC的輸出端。

當(dāng)然，為簡化結(jié)構(gòu)，輔助換流模塊SMC的全控器件閥組T1、T2、T3和T4也可均由一個(gè)全控器件構(gòu)成。另外，該電容支路可以僅有電容構(gòu)成，也可含有多個(gè)串聯(lián)連接的電容和電阻器。

輔助換流模塊SMC第二實(shí)施例：

如圖3所示，在輔助換流模塊SMC第一實(shí)施例的基礎(chǔ)上，電容支路中電阻器R0的兩端還并聯(lián)有一個(gè)二極管D0。當(dāng)對充電電容C0進(jìn)行充電時(shí)，二極管D0的存在避免了充電電流流經(jīng)限流電阻R0。由于已對輔助換流模塊SMC第一實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，因此對輔助換流模塊SMC第二實(shí)施例不再贅述。

輔助換流模塊SMC第三實(shí)施例：

如圖4所示，輔助換流模塊SMC為H橋模塊，包括并聯(lián)的第一橋臂和第二橋臂，其中第一橋臂由全控器件閥組T1和全控器件閥組T3同向串聯(lián)構(gòu)成，第二橋臂由不控器件閥組D2和不控器件閥組D4同向串聯(lián)構(gòu)成。全控器件閥組T1和T3通過電節(jié)點(diǎn)a同向串聯(lián)，不控器件閥組D2和D4通過電節(jié)點(diǎn)b同向串聯(lián)。全控器件閥組T1通過電節(jié)點(diǎn)c與不控器件閥組D2連接，全控器件閥組T3通過電節(jié)點(diǎn)d與不控器件閥組D4連接，第一橋臂和第二橋臂中的電流流向相反。電節(jié)點(diǎn)c和電節(jié)點(diǎn)d之間連接有電容支路，該電容支路包括串聯(lián)連接的限流電阻R0與充電電容C0，該電容支路與第一橋臂和第二橋臂并聯(lián)連接。全控器件閥組T1和T3均由同向串聯(lián)連接的若干個(gè)全控器件IGBT組成，不控器件閥組D2和D4均由同向串聯(lián)連接的若干個(gè)二極管組成。從電節(jié)點(diǎn)a和電節(jié)點(diǎn)b分別引出一個(gè)連接線，當(dāng)電流方向?yàn)橛蒩到b時(shí)，即電流經(jīng)過全控器件閥組T3中的全控器件和不控器件閥組D4中的二極管時(shí)，電節(jié)點(diǎn)a作為輔助換流模塊SMC的輸入端，b作為輔助換流模塊SMC的輸出端；當(dāng)電流方向?yàn)橛蒪到a時(shí)，即電流經(jīng)過全控器件閥組T1中的全控器件和不控器件閥組D2中的二極管時(shí)，電節(jié)點(diǎn)b作為輔助換流模塊SMC的輸入端，a作為輔助換流模塊SMC的輸出端。

當(dāng)然，為簡化結(jié)構(gòu)，輔助換流模塊SMC的全控器件閥組T1和T3也可均由一個(gè)全控器件構(gòu)成，不控器件閥組D2和D4也可均由一個(gè)二極管構(gòu)成。另外，該電容支路可以僅有電容構(gòu)成，也可含有多個(gè)串聯(lián)連接的電容和電阻器。

輔助換流模塊SMC第四實(shí)施例：

如圖5所示，在輔助換流模塊SMC第三實(shí)施例的基礎(chǔ)上，電容支路中電阻器R0的兩端還并聯(lián)有一個(gè)二極管D0。當(dāng)對充電電容C0進(jìn)行充電時(shí)，二極管D0的存在避免了充電電流流經(jīng)限流電阻R0。由于已對輔助換流模塊SMC第三實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，因此對輔助換流模塊SMC第四實(shí)施例不再贅述。

輔助換流模塊SMC第五實(shí)施例：

如圖6所示，輔助換流模塊SMC為H橋模塊，包括并聯(lián)的第一橋臂和第二橋臂，其中第一橋臂由不控器件閥組D1和不控器件閥組D3同向串聯(lián)構(gòu)成，第二橋臂由不控器件閥組D2和不控器件閥組D4同向串聯(lián)構(gòu)成。不控器件閥組D1和D3通過電節(jié)點(diǎn)a同向串聯(lián)，不控器件閥組D2和D4通過電節(jié)點(diǎn)b同向串聯(lián)。不控器件閥組D1通過電節(jié)點(diǎn)c與不控器件閥組D2連接，不控器件閥組D3通過電節(jié)點(diǎn)d與不控器件閥組D4連接，第一橋臂和第二橋臂中的電流流向相反。電節(jié)點(diǎn)c和電節(jié)點(diǎn)d之間連接有電容支路和包含有全控器件閥組T5的全控器件支路，該電容支路包括串聯(lián)連接的限流電阻R0與充電電容C0，該電容支路、全控器件支路與第一橋臂和第二橋臂并聯(lián)連接。不控器件閥組D1、D2、D3和D4均由同向串聯(lián)連接的若干個(gè)二極管組成，全控器件閥組T5由同向串聯(lián)連接的若干個(gè)全控器件IGBT組成。從電節(jié)點(diǎn)a和電節(jié)點(diǎn)b分別引出一個(gè)連接線，當(dāng)電流方向?yàn)橛蒩到b時(shí)，即電流經(jīng)過不控器件閥組D1中的二極管、全控器件閥組T5中的全控器件和不控器件閥組D4中的二極管時(shí)，電節(jié)點(diǎn)a作為輔助換流模塊SMC的輸入端，b作為輔助換流模塊SMC的輸出端；當(dāng)電流方向?yàn)橛蒪到a時(shí)，即電流經(jīng)過不控器件閥組D2中的二極管、全控器件閥組T5中的全控器件和不控器件閥組D3中的二極管時(shí)，電節(jié)點(diǎn)b作為輔助換流模塊SMC的輸入端，a作為輔助換流模塊SMC的輸出端。

當(dāng)然，為簡化結(jié)構(gòu)，輔助換流模塊SMC的全控器件閥組T5也可由一個(gè)全控器件構(gòu)成，不控器件閥組D1、D2、D3和D4也可均由一個(gè)二極管構(gòu)成。另外，該電容支路可以僅有電容構(gòu)成，也可含有多個(gè)串聯(lián)連接的電容和電阻器。

輔助換流模塊SMC第六實(shí)施例：

如圖7所示，在輔助換流模塊SMC第五實(shí)施例的基礎(chǔ)上，電容支路中電阻器R0的兩端還并聯(lián)有一個(gè)二極管D0。當(dāng)對充電電容C0進(jìn)行充電時(shí)，二極管D0的存在避免了充電電流流經(jīng)限流電阻R0。由于已對輔助換流模塊SMC第五實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，因此對輔助換流模塊SMC第六實(shí)施例不再贅述。

緩沖模塊SMS的實(shí)施例：

緩沖模塊SMS由多個(gè)電阻R以及多個(gè)電容器C串聯(lián)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。當(dāng)然，緩沖模塊SMS也可僅由一個(gè)電阻R和一個(gè)電容器C串聯(lián)構(gòu)成。

斷流模塊SMB的實(shí)施例：

如圖9所示，斷流模塊SMB為H橋模塊，包括并聯(lián)的第一橋臂和第二橋臂，其中第一橋臂由不控器件閥組D1和不控器件閥組D3同向串聯(lián)構(gòu)成，第二橋臂由不控器件閥組D6和不控器件閥組D8同向串聯(lián)構(gòu)成。不控器件閥組D1和D3通過電節(jié)點(diǎn)a’同向串聯(lián)，不控器件閥組D6和D8通過電節(jié)點(diǎn)b’同向串聯(lián)。不控器件閥組D1通過電節(jié)點(diǎn)c’與不控器件閥組D6連接，不控器件閥組D3通過電節(jié)點(diǎn)d’與不控器件閥組D8連接，第一橋臂和第二橋臂中的電流流向相反。電節(jié)點(diǎn)c’和電節(jié)點(diǎn)d’之間連接有包含有全控器件閥組T6的全控器件支路，該全控器件支路與第一橋臂和第二橋臂并聯(lián)連接。不控器件閥組D1、D3、D6和D8均由同向串聯(lián)連接的若干個(gè)二極管組成，全控器件閥組T6由同向串聯(lián)連接的若干個(gè)全控器件IGBT組成。從電節(jié)點(diǎn)a’和電節(jié)點(diǎn)b’分別引出一個(gè)連接線，當(dāng)電流方向?yàn)橛蒩’到b’時(shí)，即電流經(jīng)過不控器件閥組D1中的二極管、全控器件閥組T6中的全控器件和不控器件閥組D8中的二極管時(shí)，電節(jié)點(diǎn)a’作為斷流模塊SMB的輸入端，b’作為斷流模塊SMB的輸出端；當(dāng)電流方向?yàn)橛蒪’到a’時(shí)，即電流經(jīng)過不控器件閥組D6中的二極管、全控器件閥組T6中的全控器件和不控器件閥組D3中的二極管時(shí)，電節(jié)點(diǎn)b’作為斷流模塊SMB的輸入端，a’作為斷流模塊SMB的輸出端。

為簡化結(jié)構(gòu)，斷流模塊SMB的全控器件閥組T6也可由一個(gè)全控器件構(gòu)成，不控器件閥組D1、D3、D6和D8也可均由一個(gè)二極管構(gòu)成。

當(dāng)然，在上述高壓直流斷路器的實(shí)施例中，所有全控器件IGBT也可替換為IEGT、GTO或MOSFET；非線性電阻器Z也可替換為避雷器等其他耗能器件；斷流模塊SMB也可采用現(xiàn)有技術(shù)中的其他常見橋式結(jié)構(gòu)、半橋結(jié)構(gòu)或者本實(shí)施例中的輔助換流模塊SMC結(jié)構(gòu)。且在不同的高壓直流斷路器中，所串聯(lián)的直流斷路器單元的數(shù)目不定，可以為一個(gè)，也可以為多個(gè)。