一种主动限流型混合式直流断路器拓扑及其控制方法

本发明涉及电气设备，具体涉及一种主动限流型混合式直流断路器拓扑及其控制方法。

背景技术：

1、随着直流输电技术向跨区域、大容量电力输送方向发展，高压直流输电成为实现电力资源远距离统筹调配的核心载体。柔性直流电网等效阻抗低、系统惯性小，一旦发生短路故障，故障电流会急剧攀升，峰值电流极易损毁系统内各类电力电子器件。直流断路器作为柔性直流电网核心保护装置，能够在毫秒级时限内完成故障支路的快速分断隔离，避免故障电流蔓延造成电网失稳与器件损毁，是保障柔性直流输电系统安全稳定运行的核心关键设备。

2、直流断路器主要分为机械式、固态式、混合式三类拓扑。其中混合式直流断路器整合了机械式稳态通流损耗低、固态式故障响应速度快的双重优势，现已成为柔性直流输电工程故障快速切除领域的主流研究方向。但现有传统拓扑设备含大量igbt成本高，同时还存在限流效果差导致故障电流峰值过高、故障清除速度慢等诸多不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种主动限流型混合式直流断路器拓扑及其控制方法，该断路器通过电感支路主动投入限流与旁路耗能，降低了故障电流峰值，缩短了故障清除时间，采用晶闸管器件替代传统igbt功率模块，降低了断路器成本。

2、为实现本发明的上述目的，使用以下技术方案实现：

3、一种主动限流型混合式直流断路器拓扑及其控制方法，断路器拓扑包括载流支路、桥式转移支路、限流支路、分断支路、预充电接地支路和接地支路；

4、所述载流支路由载流开关ccs以及超快速机械开关ufd串联构成，两侧端头分别接入直流线路配套接口；

5、所述桥式转移支路包含四组分支路，每个分支路采用二极管构成；

6、所述限流支路为四晶闸管桥式结构，包含一条由电容横向跨接在桥式结构内部的分支路，一条由晶闸管反并联左下桥臂晶闸管的分支路，一条由电感串联电阻后同时并联二极管、右下桥臂晶闸管的分支路；

7、所述分断支路为二极管、电容和两个晶闸管串联，由避雷器横向跨接在串联结构内部而成；

8、所述预充电接地支路由晶闸管和电阻串联接地而成；

9、所述接地支路，由晶闸管和电阻串联接地而成。

10、优先的是，所述载流支路的载流开关ccs是由4只二极管和1个igbt管构成，左上二极管的阳极和左下二极管的阴极连接，左上二极管的阴极和右上二极管的阴极连接，左下二极管的阳极和右下二极管的阳极连接，右上二极管的阳极和右下二极管的阴极连接，igbt管的集电极与左上二极管的阴极连接，igbt管的发射极与左下二极管的阳极连接，左上二极管的阳极与超快速机械开关ufd的一端连接，右上二极管的阳极对外接线直流线路配套接口。

11、优先的是，所述桥式转移支路包含四组分支路，第一个分支路采用二极管d1构成，第二个分支路采用二极管d2构成，第三个分支路采用二极管d3构成，第四个分支路采用二极管d4构成，二极管d1的阳极分别与二极管d3的阴极、所述载流支路超快速机械开关ufd接入直流线路的一端连接，二极管d2的阳极分别与二极管d4的阴极、所述载流支路接入直流线路的另一端连接，二极管d1的阴极与二极管d2的阴极相连，二极管d3的阳极与二极管d4的阳极相连。

12、优先的是，所述限流支路为四晶闸管桥式结构，左上晶闸管t1的阴极和左下晶闸管t3的阳极连接，左上晶闸管t1的阳极分别和右上晶闸管t2的阳极、二极管d1阴极连接，左下晶闸管t3的阴极和右下晶闸管t4的阴极连接，右上晶闸管t2的阴极和右下晶闸管t4的阳极连接，电容c1横向跨接在桥式结构内部分别与晶闸管t1的阴极、晶闸管t2的阴极连接，晶闸管t5反并联左下桥臂晶闸管t3，电感l串联电阻r后同时并联二极管d5、右下桥臂晶闸管t4，二极管d5的阳极与晶闸管t4的阴极连接。

13、优先的是，所述分断支路由二极管d6的阴极连接电容c2的一端，电容c2的另一端连接晶闸管t6的阴极，晶闸管t6的阳极分别和晶闸管t7的阳极、二极管d5的阳极连接，晶闸管t7的阴极和二极管d6的阳极连接，避雷器moa的一端和晶闸管t7的阴极连接，避雷器moa的另一端和晶闸管t6的阴极连接。

14、优先的是，所述预充电接地支路由晶闸管t8的阴极和电阻rc串联后接地，晶闸管t8的阳极和二极管d6的阴极连接。

15、优先的是，所述接地支路由晶闸管t9的阳极和电阻rj串联后接地，晶闸管t9的阴极分别和晶闸管t6的阴极、二极管d3的阳极连接。

16、基于本发明的断路器限流分断控制方法为：

17、正常工作过程：若断路器放置在高压直流线路左侧，正向送电时电流从断路器流出、向右输送至线路，首先对所述电容c1和c2进行预充电，电网系统正常运行时，所述载流部分正常通流，即所述载流支路的超快速机械开关ufd闭合，载流开关ccs的左上二极管、igbt管和右下二极管均导通，导通所述晶闸管t1、t4、t6和t8，待充电完成后，所述晶闸管t1、t4、t6和t8自然关断；

18、限流分断过程：当保护装置检测出线路故障工况，立刻闭锁ccs中的igbt，并触发d1、t2、t4、t6与d4支路流通，故障电流实现通路转移，直至载流支路不存在电流流通，给ufd分闸指令信号，ufd完全分闸时，触发晶闸管t3，电容c1进行放电，同时晶闸管t4承受电容c1提供的反向电压而关断，rl串联支路开始主动投入限流；待c1放电完成并开始反向充电，至c1反充完成，晶闸管t3回路工作电流小于维持电流，器件无法维持导通状态，继而关断，rl串联支路对故障电流完全限流；此时导通晶闸管t7，由于受到来自c2的反压，t6被迫关断，对c2进行放电，并在放电完成后反充至系统电压，回路中故障电流逐渐减小，因电感电流不可突变，l两边出现上负下正的感应电势，d5受正压导通主动旁路l，此时l能量由电阻r耗散，触发t9旁路电网直流线路电感，电网直流线路电感能量被rj耗散；c2经反充电压达到moa动作电压，故障电流被迫换流至moa支路，moa避雷器投入吸能，各电力电子管件自然关断，实现故障切除；c1、c2电压极性均为左负右正，触发晶闸管t5、t8、t9，c1与c2开始泄能，c1能量被r耗散，c2能量被rc和rj耗散。

19、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

20、1、本发明的一种主动限流型混合式直流断路器拓扑的rl串联电感支路在故障电流上升阶段能够主动投入限流，在故障电流下降阶段能够主动旁路，提升了断路器限流效果，有效抑制了故障电流上升率与故障电流峰值，加速了断路器故障清除速度；

21、2、本发明的一种主动限流型混合式直流断路器拓扑的接地支路通过触发t9旁路电网直流线路电感，使电网直流线路电感能量被rj耗散，降低避雷器moa的吸能压力，利于避雷器moa的选型；

22、3、本发明的一种主动限流型混合式直流断路器拓扑的接地支路与预充电接地支路结合使用，减少了支路数，通过触发晶闸管t8、t9，电容c2能量被rc和rj同时耗散，加速了电容c2的泄能速度；

23、4、本发明的一种主动限流型混合式直流断路器拓扑的限流支路、分断支路、预充电接地支路和接地支路采用晶闸管管组来代替传统igbt管组，载流支路的载流开关ccs是由4只二极管和1个igbt管构成，在兼顾电压耐受与通流承载性能的前提下，减少了igbt大量的使用，降低了成本。