本發(fā)明涉及一種輔助換流模塊及高壓直流斷路器，屬于電力電子技術領域。

背景技術：

隨著基于電壓源換流器的多端柔性直流和直流電網技術的廣泛應用，快速直流斷路器成為保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全和可靠運行的關鍵設備之一。在交流系統(tǒng)中，交流電流在一個周期內存在兩個自然過零點，交流斷路器利用交流電流的自然過零點關斷電流，而在直流系統(tǒng)中，直流電流不存在自然過零點，因此直流電流開斷遠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，直流側短路故障發(fā)生后故障電流上升速度快，最快可在幾個毫秒之內上升到峰值，這對直流斷路器的動作時間和開斷能力提出了苛刻的要求。

目前，直流斷路器的技術方案主要有三種類型，分別是基于常規(guī)開關的傳統(tǒng)機械式直流斷路器、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合的混合式直流斷路器。其中，傳統(tǒng)機械式直流斷路器分斷時間較長，固態(tài)直流斷路器的損耗較大，隨著高壓大容量半導體器件的發(fā)展，結合常規(guī)機械開關和電力電子器件特點的混合式直流斷路器技術得到快速發(fā)展。

大量采用的直流斷路器結構均為：并聯的通流支路、斷流支路和耗能支路。通流支路由一組(如2-3個)輔助換流模塊和一組(如2-3個)機械開關串聯而成；斷流支路由大量斷流模塊串聯而成；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、斷流模塊均為開關管或者特定開關管拓撲(如H橋、半橋等)。另外，有些直流斷路器還包括并聯的緩沖支路，用于在閉鎖斷流支路時起到緩沖作用。

混合式直流斷路器正常運行狀態(tài)下，由機械開關通流。若系統(tǒng)發(fā)生故障，在混合式直流斷路器分斷故障的過程中，將電流轉移至與機械開關并聯的斷流支路，然后由電力電子器件分斷電流，隨后斷開機械開關。基于該原理的混合式直流斷路器既降低了通態(tài)損耗，又提高了分斷速度。通常，通流支路中的輔助換流模塊由全控器件正向/反向串聯而成。這種拓撲結構和控制方法使得其切斷電流過程中對直流系統(tǒng)產生很大的電壓應力，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、可擴展性強、具備重合閘功能，可以限制切斷直流電流峰值同時降低對直流系統(tǒng)過電壓應力的高壓直流斷路器及其實現方法，對保障直流輸電系統(tǒng)的可靠運行具有重要意義。

技術實現要素：

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)產生很大的電壓應力問題。進一步的方案，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，具有并聯的第一橋臂和第二橋臂，所述第一橋臂由兩個閥組同向串聯而成，所述第二橋臂由另外兩個閥組同向串聯而成；第一橋臂的兩個閥組的串聯點為所述輔助換流模塊的輸入/輸出端，第二橋臂的兩個閥組的串聯點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。

輔助換流模塊方案二：在輔助換流模塊方案一的基礎上，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。

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

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

輔助換流模塊方案七：在輔助換流模塊方案二、三或四的基礎上，所述全控器件閥組由一個或者至少兩個同向串聯的全控器件構成，所述不控器件閥組由一個或者至少兩個同向串聯的二極管構成。

輔助換流模塊方案八：在輔助換流模塊方案七的基礎上，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：包括一個或者至少兩個串聯連接的直流斷路器單元；所述直流斷路器單元包括并聯的通流支路、耗能支路、緩沖支路和斷流支路；所述通流支路包括串聯連接的至少一個機械開關和至少一個輔助換流模塊；所述輔助換流模塊為H橋模塊，具有并聯的第一橋臂和第二橋臂，所述第一橋臂由兩個閥組同向串聯而成，所述第二橋臂由另外兩個閥組同向串聯而成；第一橋臂的兩個閥組的串聯點為所述輔助換流模塊的輸入/輸出端，第二橋臂的兩個閥組的串聯點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。

斷路器方案二：在斷路器方案一的基礎上，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。

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

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

斷路器方案七：在斷路器方案二、三或四的基礎上，所述全控器件閥組由一個或者至少兩個同向串聯的全控器件構成，所述不控器件閥組由一個或者至少兩個同向串聯的二極管構成。

斷路器方案八：在斷路器方案七的基礎上，所述全控器件為IGBT。

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

進一步的，在輔助換流模塊中，將H橋模塊的一個橋臂中價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合，減少了全控器件的數量，降低了H橋模塊的制造成本，同時確保了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將全控器件和不控器件相結合的輔助換流模塊，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量，降低了高壓直流斷路器的制造成本，同時確保了高壓直流斷路器的電流雙向切斷能力。

再進一步的，還可以將H橋模塊的兩個橋臂均替換為不控器件，同時增加一條全控支路，能夠進一步地減少全控器件數量。

附圖說明

圖1是直流斷路器單元的結構示意圖；

圖2是輔助換流模塊SMC的第一實施例；

圖3是輔助換流模塊SMC的第二實施例；

圖4是輔助換流模塊SMC的第三實施例；

圖5是輔助換流模塊SMC的第四實施例；

圖6是輔助換流模塊SMC的第五實施例；

圖7是輔助換流模塊SMC的第六實施例；

圖8是緩沖模塊SMS的結構示意圖；

圖9是斷流模塊SMB的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

現有的直流斷路器結構包括并聯連接的通流支路、斷流支路和耗能支路。其中，通流支路由一組(如2-3個)輔助換流模塊SMC和一組(如2-3個)機械開關K串聯而成；斷流支路由串聯的大量斷流模塊SMB串聯而成；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、斷流模塊均為開關管或者特定開關管拓撲(如H橋、半橋等)。另外，有些直流斷路器，還包括并聯的緩沖支路，用于在閉鎖斷流支路時起到緩沖作用。如圖1所示為一個直流斷路器單元，該直流斷路器單元采用上述的直流斷路器結構，直流斷路器可以由多個這種直流斷路器單元串聯構成。

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第一實施例：

如圖2所示，輔助換流模塊SMC為H橋模塊，包括并聯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同向串聯構成，第二橋臂由全控器件閥組T2和全控器件閥組T4同向串聯構成。全控器件閥組T1和T3通過電節(jié)點a同向串聯，全控器件閥組T2和T4通過電節(jié)點b同向串聯。全控器件閥組T1通過電節(jié)點c與全控器件閥組T2連接，全控器件閥組T3通過電節(jié)點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c和電節(jié)點d之間連接有電容支路，該電容支路包括串聯連接的限流電阻R0與充電電容C0，該電容支路與第一橋臂和第二橋臂并聯連接。全控器件閥組T1、T2、T3和T4均包括同向串聯連接的若干個全控器件IGBT。從電節(jié)點a和電節(jié)點b分別引出一個連接線，當電流方向為由a到b時，即電流經過全控器件閥組T3中的全控器件和全控器件閥組T4中的反并聯二極管時，電節(jié)點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；當電流方向為由b到a時，即電流經過全控器件閥組T1中的全控器件和全控器件閥組T2中的反并聯二極管時，電節(jié)點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。

當然，為簡化結構，輔助換流模塊SMC的全控器件閥組T1、T2、T3和T4也可均由一個全控器件構成。另外，該電容支路可以僅有電容構成，也可含有多個串聯連接的電容和電阻器。

輔助換流模塊SMC第二實施例：

如圖3所示，在輔助換流模塊SMC第一實施例的基礎上，電容支路中電阻器R0的兩端還并聯有一個二極管D0。當對充電電容C0進行充電時，二極管D0的存在避免了充電電流流經限流電阻R0。由于已對輔助換流模塊SMC第一實施例進行了詳細介紹，因此對輔助換流模塊SMC第二實施例不再贅述。

輔助換流模塊SMC第三實施例：

如圖4所示，輔助換流模塊SMC為H橋模塊，包括并聯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同向串聯構成，第二橋臂由不控器件閥組D2和不控器件閥組D4同向串聯構成。全控器件閥組T1和T3通過電節(jié)點a同向串聯，不控器件閥組D2和D4通過電節(jié)點b同向串聯。全控器件閥組T1通過電節(jié)點c與不控器件閥組D2連接，全控器件閥組T3通過電節(jié)點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c和電節(jié)點d之間連接有電容支路，該電容支路包括串聯連接的限流電阻R0與充電電容C0，該電容支路與第一橋臂和第二橋臂并聯連接。全控器件閥組T1和T3均由同向串聯連接的若干個全控器件IGBT組成，不控器件閥組D2和D4均由同向串聯連接的若干個二極管組成。從電節(jié)點a和電節(jié)點b分別引出一個連接線，當電流方向為由a到b時，即電流經過全控器件閥組T3中的全控器件和不控器件閥組D4中的二極管時，電節(jié)點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；當電流方向為由b到a時，即電流經過全控器件閥組T1中的全控器件和不控器件閥組D2中的二極管時，電節(jié)點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。

當然，為簡化結構，輔助換流模塊SMC的全控器件閥組T1和T3也可均由一個全控器件構成，不控器件閥組D2和D4也可均由一個二極管構成。另外，該電容支路可以僅有電容構成，也可含有多個串聯連接的電容和電阻器。

輔助換流模塊SMC第四實施例：

如圖5所示，在輔助換流模塊SMC第三實施例的基礎上，電容支路中電阻器R0的兩端還并聯有一個二極管D0。當對充電電容C0進行充電時，二極管D0的存在避免了充電電流流經限流電阻R0。由于已對輔助換流模塊SMC第三實施例進行了詳細介紹，因此對輔助換流模塊SMC第四實施例不再贅述。

輔助換流模塊SMC第五實施例：

如圖6所示，輔助換流模塊SMC為H橋模塊，包括并聯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同向串聯構成，第二橋臂由不控器件閥組D2和不控器件閥組D4同向串聯構成。不控器件閥組D1和D3通過電節(jié)點a同向串聯，不控器件閥組D2和D4通過電節(jié)點b同向串聯。不控器件閥組D1通過電節(jié)點c與不控器件閥組D2連接，不控器件閥組D3通過電節(jié)點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c和電節(jié)點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連接。不控器件閥組D1、D2、D3和D4均由同向串聯連接的若干個二極管組成，全控器件閥組T5由同向串聯連接的若干個全控器件IGBT組成。從電節(jié)點a和電節(jié)點b分別引出一個連接線，當電流方向為由a到b時，即電流經過不控器件閥組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，電節(jié)點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；當電流方向為由b到a時，即電流經過不控器件閥組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，電節(jié)點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。

當然，為簡化結構，輔助換流模塊SMC的全控器件閥組T5也可由一個全控器件構成，不控器件閥組D1、D2、D3和D4也可均由一個二極管構成。另外，該電容支路可以僅有電容構成，也可含有多個串聯連接的電容和電阻器。

輔助換流模塊SMC第六實施例：

如圖7所示，在輔助換流模塊SMC第五實施例的基礎上，電容支路中電阻器R0的兩端還并聯有一個二極管D0。當對充電電容C0進行充電時，二極管D0的存在避免了充電電流流經限流電阻R0。由于已對輔助換流模塊SMC第五實施例進行了詳細介紹，因此對輔助換流模塊SMC第六實施例不再贅述。

緩沖模塊SMS的實施例：

緩沖模塊SMS由多個電阻R以及多個電容器C串聯構成，其結構示意圖如圖8所示。當然，緩沖模塊SMS也可僅由一個電阻R和一個電容器C串聯構成。

斷流模塊SMB的實施例：

如圖9所示，斷流模塊SMB為H橋模塊，包括并聯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同向串聯構成，第二橋臂由不控器件閥組D6和不控器件閥組D8同向串聯構成。不控器件閥組D1和D3通過電節(jié)點a’同向串聯，不控器件閥組D6和D8通過電節(jié)點b’同向串聯。不控器件閥組D1通過電節(jié)點c’與不控器件閥組D6連接，不控器件閥組D3通過電節(jié)點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c’和電節(jié)點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連接。不控器件閥組D1、D3、D6和D8均由同向串聯連接的若干個二極管組成，全控器件閥組T6由同向串聯連接的若干個全控器件IGBT組成。從電節(jié)點a’和電節(jié)點b’分別引出一個連接線，當電流方向為由a’到b’時，即電流經過不控器件閥組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，電節(jié)點a’作為斷流模塊SMB的輸入端，b’作為斷流模塊SMB的輸出端；當電流方向為由b’到a’時，即電流經過不控器件閥組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，電節(jié)點b’作為斷流模塊SMB的輸入端，a’作為斷流模塊SMB的輸出端。

為簡化結構，斷流模塊SMB的全控器件閥組T6也可由一個全控器件構成，不控器件閥組D1、D3、D6和D8也可均由一個二極管構成。

當然，在上述高壓直流斷路器的實施例中，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也可采用現有技術中的其他常見橋式結構、半橋結構或者本實施例中的輔助換流模塊SMC結構。且在不同的高壓直流斷路器中，所串聯的直流斷路器單元的數目不定，可以為一個，也可以為多個。