[发明专利]一种混合式直流断路器拓扑结构及其控制方法

说明书

本发明公开了一种混合式直流断路器拓扑结构及其控制方法，拓扑结构中引入了三组二极管，同时将限流电感平均分成两部分，安装在断路器两端，并引入了一个带反并联二极管的。所述直流断路器包括：机械开关支路；二极管组，包括二极管桥臂D₁～D₄及接地二极管组D₅；固态开关支路，由子模块串联组成；限压吸能支路，并联在固态开关支路的两端；所述直流断路器还包括设置在固态开关支路及二极管桥臂D₁及D₂之间的T₁，为一个带有反并联二极管的IGBT，用来配合快速机械开关进行合闸操作。本发明的混合式直流断路器拓扑结构能有效减少故障电流切除总时间，加快短路故障切除速度，并降低对避雷器通流容量的要求，解决了断路器合闸操作时与隔离开关配合使用的问题。

技术领域

本发明涉及电气技术领域，特别是涉及一种混合式直流断路器拓扑结构及其控制方法。

背景技术

与交流输电相比，高压直流输电具有输电线路建设费用低、功率调节简单易行、无稳定性问题等优点，适用于超高压、大容量、远距离输电。直流系统的阻尼较低，与交流系统相比，直流系统的控制保护难度更大，并且对基于全控型半导体器件的柔性直流输电系统而言，器件耐受过电流的能力较弱，故障电流可能在数毫秒内超过器件的最高耐受值，使关键器件乃至整个换流站损毁，因此有必要快速限制并切断故障电流，以维持直流电网安全稳定运行并保护电网中的关键设备，高压直流断路器成为有效甚至唯一的技术手段。由于直流故障电流没有自然过零点，切断故障电流过程中产生的电弧很难熄灭，这使得直流断路器的设计与交流断路器相比较困难。

现有的强迫换流型混合式直流断路器方案根据其固态开关支路结构的不同可分为两类：

一类是固态开关支路由电力电子器件(一般为IGBT)串联构成的强迫换流型混合式直流断路器称为基于IGBT串联的混合式直流断路器，典型方案为ABB公司与2012年提出的拓扑结构，如图2所示。该方案高压应用场合下需解决大量IGBT串联动态均压、关断的同步性等问题，工程实现上难度较大，目前只有ABB公司掌握大数量级IGBT串联同步驱动及动态均压的工程应用技术。

另一类是固态开关支路由子模块(例如H桥)级联构成的强迫换流型混合式直流断路器称为基于子模块级联的混合式直流断路器。典型方案为在期刊《电力系统自动化》2013年，第37卷，第15期，第95至102页中刊登“柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案”一文(作者魏晓光等)提出的拓扑方案，如图3(a)所示，图3(b)-图3(c)为现有方案中的两种子模块的拓扑结构图，该方案将大量IGBT的串联动态均压问题转换为子模块电容的均压，依照现有技术，工程技术上实现比较容易，缺点是使用电力电子器件的数量较多，成本较高，体积较大，故障电流切除速度变慢，合闸操作时与隔离开关的配合使用存在问题。

综上所述，现有技术中的混合式直流断路器，尤其是固态开关支路由子模块级联构成的强迫换流型混合式直流断路器存在着故障切除速度较慢，合闸操作时与隔离开关的配合使用存在问题等缺点，对此尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种混合式直流断路器拓扑结构，本发明的混合式直流断路器拓扑结构中引入了三组二极管D₃～D₄，同时将限流电感L平均分成两部分L₁和L₂，安装在断路器两端，可以有效减少故障电流切除总时间，加快短路故障切除速度，也降低了对避雷器通流容量的要求，使用的器件数量较少，减小了装置的体积；同时引入了一个带有反并联二极管的IGBT(T₁)，解决了断路器合闸操作时与隔离开关配合使用的问题。此外，由于本方案中的固态开关支路采用子模块级联的形式，避开了大量IGBT串联动态均压的难题，工程技术上实现较为容易。

一种混合式直流断路器拓扑结构，所述直流断路器包括：