一種預充電型高速直流斷路器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種預充電型高速直流斷路器及其控制方法。
【背景技術】
[0002]近幾年，隨著我國經濟和科技的不斷發(fā)展，對能源的需求也日益增加。為有效解決我國的能源分布不均問題，直流輸電技術目前正在成為一種有效的手段。尤其是柔性直流輸電技術的逐漸成熟更是促進了分布式新能源發(fā)展。由于直路系統(tǒng)具有故障發(fā)展速度快的特性，尤其是對于基于IGBT器件的柔性直流輸電系統(tǒng)，由于存在反并聯(lián)二極管，當直流側發(fā)生故障時，無法快速限制短路電流。因此直流斷路器的研宄對于直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要的意義。
[0003]目前，高壓直流斷路器主要有機械式直流斷路器、固態(tài)直流斷路器和混合式直流斷路器。機械式直流斷路器是在常規(guī)機械式交流斷路器結構基礎上，增加能夠在開斷直流電流過程中自動形成高頻振蕩電流過零點的振蕩換流電路，具有運行穩(wěn)定、帶載能力強、通態(tài)損耗小等優(yōu)點，但其觸頭易被開斷電弧損壞，開斷能力有限，且故障電流切除時間較長。
[0004]混合式高壓直流斷路器將機械式直流斷路器和固態(tài)直流斷路器結合，綜合了它們的優(yōu)點，具有通態(tài)損耗小、開斷快速可控制、無弧、無聲響、無需專用冷卻設備等優(yōu)點。混合式高壓直流斷路器一般采用電力電子開關對機械開關進行分流，采用電容鉗位電容的放電無法精確控制。例如中國專利文獻《混合式直流斷路器》(CN 103021739 A)，提出的一種混合式直流斷路器，該方案由并聯(lián)的高速真空開關、LC強制轉移電路和過電壓限制電路組成，LC強制轉移電路包括串聯(lián)的LC和電力電子門極可關斷器件。
[0005]正常狀態(tài)下，電流從高速真空開關流過，LC強制轉移電路中的預電容C充有一定的電壓，電力電子門極可關斷器件處于關斷狀態(tài)，當系統(tǒng)故障，需要斷路器斷開時，控制電力電子門極可關斷器件打開，LC強制轉移電路中的預電容通過電力電子門極可關斷器件、電感L和尚速真空開關形成回路放電，最終達到直流關斷目的。
[0006]然后，混合型直流斷路器對于機械開關的斷開速度要求非常苛刻，一般要在3ms以內完成開斷并恢復絕緣阻斷特性，目前這種快速的高壓機械開關研發(fā)難度非常大，因而極大的限制了該方案的工程應用。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種直流斷路器，用以解決現(xiàn)有技術中混合型直流斷路器的缺陷。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括:
[0009]一種預充電型高速直流斷路器，包括并聯(lián)的斷流支路和主電子開關支路，主電子開關支路用于流通正常運行時的電流；所述斷流支路包括串聯(lián)的斷流開關和電容，電容兩端用于連接充電電源；所述主電子開關支路包括至少一個電子開關單元，多個電子開關單元串聯(lián)，電子開關單元由大功率開關器件構成。
[0010]所述斷流支路中還設有限流電感，限流電感與所述電容串聯(lián)。
[0011]所述斷流開關由至少一對反向并聯(lián)的晶閘管構成，多對反向并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)。
[0012]所述電子開關單元為一對反向并聯(lián)的晶閘管。
[0013]所述預充電型高速直流斷路器還包括至少一個避雷器，避雷器與所述斷流支路和主電子開關支路的對應支路或元件并聯(lián)。
[0014]本發(fā)明還提供了一種預充電型高速直流斷路器的控制方法，正常狀態(tài)下，控制充電電源為電容充電；需要斷路器斷開時，首先關斷電容的充電回路，然后觸發(fā)導通斷流支路，使得一段時間后主電子開關支路在電流為零后關斷。
[0015]斷流開關和主電子開關支路均為固態(tài)開關，能夠避免由于現(xiàn)有技術中機械開關的使用的問題。本發(fā)明斷路器拓撲結構和控制過程簡單，實際工程中便于實現(xiàn)。
[0016]采用電容預充電方式，為主電子開關中晶閘管提供關斷所需的反向電壓。預充電回路斷開過程中為無電流操作，可實現(xiàn)充電回路快速切除；主電子開關的關斷時間非常小，保證了斷路器的斷開時間；采用晶閘管作為主電子開關，直流斷路器正常運行過程中損耗非常??；斷流支路中電容等形成的充電回路，能迅速減小斷路器中的故障電流。關斷過程中在斷路器上形成過電壓，由于避雷器的保護作用斷路器兩端電壓被限制在絕緣要求的全完范圍，同時斷路器關斷過程中能量由避雷器來泄放掉。
【附圖說明】
[0017]圖1是實施例1的直流斷路器拓撲結構；
[0018]圖2是直流斷路器關斷過程中的控制邏輯；
[0019]圖3是正常運行時直流斷路器的工作狀態(tài)；
[0020]圖4是直流斷路器換流過程；
[0021]圖5是主電子開關支路關斷過程中斷路器的工作狀態(tài)；
[0022]圖6是斷開過程中主電子開關支路的電流波形；
[0023]圖7是斷開過程中斷流支路的電流波形。
【具體實施方式】
[0024]直流斷路器實施例
[0025]如圖1所示的預充電型全固態(tài)高速直流斷路器，包括并聯(lián)的斷流支路、主電子開關支路和避雷器支路。主電子開關支路用于流通正常運行時的電流；斷流支路包括串聯(lián)的斷流開關C、電容和限流電感L，電容兩端通過充電開關連接充電電源Uc ;主電子開關支路包括至少一個電子開關單元，多個電子開關單元串聯(lián)，電子開關單元由大功率開關器件構成。避雷器與述斷流支路、主電子開關支路并聯(lián)。
[0026]本實施例中的沒有機械開關，全部米用固態(tài)開關，固態(tài)開關中的電力電子器件全部采用晶閘管。即，斷流開關的最小單元，以及主電子開關的最小單元都是一對反向并聯(lián)的晶閘管。晶閘管屬于半控型器件，只有觸發(fā)導通過程是可控的，但是關斷過程只能依靠電路特性。
[0027]控制方法為:正常狀態(tài)時，控制充電電源為電容充電；需要斷路器斷開時，首先關斷電容的充電回路，然后觸發(fā)導通斷流支路，使得一段時間后主電子開關支路在電流為零后關斷。
[0028]結合附圖來看，本實施例的直流斷路器控制邏輯中，只有兩個操作步驟:切除斷流電容的預充電回路；觸發(fā)導通斷流開關。正常運行時，主電子開關處于導通狀態(tài)，電路中的直流電流從斷路器的主電子開關支路中流過。斷流支路中，斷流開關處于關斷狀態(tài)，電容通過預充電回路進行充電。
[0029]當故障發(fā)生后即h時刻，首先關斷短路電容的預充電電路，此時電容已經充電完成，然后觸發(fā)導通斷流開關，兩組開關的動作過程中留出一定的時延，如圖2中的h?110
[0030]斷流開關觸發(fā)后，斷流電容、限流器等組成放電回路，斷流支路中的電流逐漸上升，主電子開關支路兩端的電壓反向，主電子開關中的電流迅速下降到零后，需要再為晶閘管留出足夠的關斷時間(熄弧角)，主電子開關中所有的晶閘管處于關斷狀態(tài)。如圖2中所述的1^?t 2o
[0031]在主電子開關中電流下降到零后，故障