本發(fā)明屬于電力電子系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種具有自供能能力的組合式高壓直流斷路器及其自供能策略。

背景技術：

直流電網(wǎng)的直流故障自清除能力是關乎直流電網(wǎng)發(fā)展前景的重要技術難題。與傳統(tǒng)的交流輸電相比，研制適用于直流電網(wǎng)的高壓直流斷路器主要存在兩點技術難度：(1)直流電網(wǎng)阻尼較低，其故障發(fā)展速度更快，這對于斷路器的動作速度提出了較高要求；(2)由于直流輸電沒有電流過零點，因此其故障電弧更難熄滅。目前高壓直流斷路器的研究方案主要集中于三種類型，分別是基于常規(guī)開關的傳統(tǒng)機械式斷路器、基于純電力電子器件的固態(tài)斷路器和基于二者結(jié)合的混合式斷路器。其中，混合式高壓直流斷路器結(jié)合了前兩種斷路器的優(yōu)點，既具備較低的通態(tài)損耗，又有很快的分斷速度，具有良好的應用前景。

abb公司于2012年宣布其開發(fā)出世界首臺混合式高壓直流斷路器，該斷路器由超快速機械開關、電流轉(zhuǎn)移開關以及主斷路器三部分組成，額定電壓為320kv，開斷時間為5ms，電流開斷能力約為9ka。雖然該斷路器具有較好的動作性能，然而對于直流線路數(shù)量較多、網(wǎng)架結(jié)構復雜的直流電網(wǎng)，該斷路器將帶來較大的工程投資，其原因在于：在直流系統(tǒng)中，為有效切除故障電流，每條直流線路兩端都需要安裝高壓直流斷路器。為保證輸電的可靠性，在未來的直流系統(tǒng)中，網(wǎng)狀結(jié)構的直流電網(wǎng)將成為主流。此時直流線路的條數(shù)將明顯多于換流站個數(shù)，直流斷路器的安裝個數(shù)亦將大大增加。若采用混合式高壓直流斷路器，這將導致電網(wǎng)的造價成倍增加。

未來直流電網(wǎng)的可行度很大程度上依賴于系統(tǒng)對于直流故障的承受能力。針對現(xiàn)有技術所存在的問題，公開號為cn104767185a的中國專利提出一種適用于直流電網(wǎng)的組合式高壓直流斷路器，該斷路器參考了混合式高壓直流斷路器的設計理念，并對其各主要部件進行了重新配置并加以改進，尤其適用于網(wǎng)架結(jié)構較為復雜的直流電網(wǎng)系統(tǒng)。

目前，無論混合式高壓直流斷路器還是組合式高壓直流斷路器，其在高壓領域，如直流電壓為500kv的直流電網(wǎng)中尚不能成功運行，其根本原因在于：目前工程中均采用外部供電的方式，為斷路器中igbt的驅(qū)動電路供能，但由于斷路器需要串聯(lián)在直流線路中，且直流電壓等級較高，因此對外部供電電路的絕緣、耐壓能力提出了較高要求，工程中尚不能滿足；這一缺陷大大限制了直流斷路器在高壓技術領域的應用。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述情況，本發(fā)明提出了一種具有自供能能力的組合式高壓直流斷路器及其自供能策略，其針對傳統(tǒng)組合式高壓直流斷路器的日常通流支路進行了改進，將負載轉(zhuǎn)移開關由原有的igbt串聯(lián)變?yōu)槿珮蜃幽K串聯(lián)，同時設計了相應的自供能策略，使子模塊中的電容在正常工況下帶電運行。

一種具有自供能能力的組合式高壓直流斷路器，包括一條故障斷流支路和多條日常通流支路；所述故障斷流支路包括主動短路式斷流開關和隔離開關，隔離開關的一端接在換流站的直流母線上，另一端與主動短路式斷流開關的高壓端相連，主動短路式斷流開關的低壓端接地；

所述日常通流支路包括超快速機械開關、負載轉(zhuǎn)移開關以及輔助放電開關，超快速機械開關的一端接在所述直流母線上，另一端與負載轉(zhuǎn)移開關的一端相連，負載轉(zhuǎn)移開關的另一端與輔助放電開關的高壓端以及對應直流輸電線路相連，輔助放電開關的低壓端接地；

所述負載轉(zhuǎn)移開關由至少一個全橋子模塊串聯(lián)而成，所述全橋子模塊由四個帶反并聯(lián)二極管的igbt管t1～t4和一個子模塊電容構成；其中，igbt管t1的發(fā)射極與igbt管t2的集電極相連并作為子模塊面向超快速機械開關一側(cè)的連接端口a，igbt管t1的集電極與igbt管t3的集電極以及子模塊電容的一端相連，igbt管t2的發(fā)射極與igbt管t4的發(fā)射極以及子模塊電容的另一端相連，igbt管t3的發(fā)射極與igbt管t4的集電極相連并作為子模塊面向輔助放電開關一側(cè)的連接端口b，igbt管t1～t4的基極接igbt驅(qū)動電路所提供的開關控制信號；負載轉(zhuǎn)移開關在穩(wěn)態(tài)運行時用于導通直流線路的直流電流，在故障處理時用于將電流轉(zhuǎn)移至故障斷流支路，由于不需要承受高電壓等級，串聯(lián)的全橋子模塊數(shù)不需要太多。

進一步地，所述主動短路式斷流開關由多個開關單元串聯(lián)而成，所述的開關單元由多個帶反并聯(lián)二極管的igbt管串聯(lián)后與一個避雷器并聯(lián)構成。

進一步地，所述輔助放電開關由多個帶反并聯(lián)二極管的晶閘管串聯(lián)后與一個避雷器并聯(lián)構成。

由于主動短路式斷流開關以及輔助放電開關高壓端接直流線路，低壓端接地，因此其自然帶電，其驅(qū)動電路的供電不存在絕緣、耐壓等問題。因此，本發(fā)明主要解決的是負載轉(zhuǎn)移開關從初始不帶電狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)時的驅(qū)動電路供能問題，故提出上述組合式高壓直流斷路器的自供能策略，包括如下過程：

(1)換流站充電完畢并完成啟動的準備工作，此時使故障斷流支路中的隔離開關處于導通狀態(tài)、主動短路式斷流開關處于開斷狀態(tài)，使日常通流支路中的超快速機械開關處于導通狀態(tài)、輔助放電開關處于開斷狀態(tài)，負載轉(zhuǎn)移開關由于缺少電能為其igbt驅(qū)動電路供電，因此處于關斷狀態(tài)；

(2)換流站啟動后，將其有功功率參考值設定在額定有功功率的1％～5％范圍內(nèi)，保證換流站的直流電流維持在較低水平；此時，由于負載轉(zhuǎn)移開關處于關斷狀態(tài)，因此直流電流將為其子模塊電容充電且電容電壓的上升速度較為緩慢；

(3)當負載轉(zhuǎn)移開關中的子模塊電容電壓上升至設定的啟動閾值后，使其igbt驅(qū)動電路解鎖，并利用子模塊電容中的電能為igbt驅(qū)動電路供電；

(4)igbt驅(qū)動電路解鎖后，根據(jù)子模塊電容電壓大小對全橋子模塊進行控制，具體分以下三種情況：

①當子模塊電容電壓小于設定的穩(wěn)態(tài)閾值下限，則使子模塊電容繼續(xù)充電，具體控制方式為：若電流流向為正即電流從端口a流入從端口b流出，則對igbt管t1和t4施加導通信號，對igbt管t2和t3施加關斷信號；若電流流向為負即電流從端口b流入從端口a流出，則對igbt管t1和t4施加關斷信號，對igbt管t2和t3施加導通信號；

②當子模塊電容電壓大于設定的穩(wěn)態(tài)閾值上限，則使子模塊電容放電，具體控制方式為：若電流流向為正，則對igbt管t1和t4施加關斷信號，對igbt管t2和t3施加導通信號；若電流流向為負，則對igbt管t1和t4施加導通信號，對igbt管t2和t3施加關斷信號；

③當子模塊電容電壓在穩(wěn)態(tài)閾值上下限之間，則保持全橋子模塊當前開關狀態(tài)不變；

(5)負載轉(zhuǎn)移開關中的子模塊電容完成上述初始充電過程后，將換流站的有功功率參考值提升至額定有功功率，使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。

上述自供能策略適用場景為：斷路器負載轉(zhuǎn)移開關中的子模塊電容尚未充能，其igbt驅(qū)動電路無外部供電，此時全橋子模塊中的4個igbt全部處于默認的關斷狀態(tài)。一般情況下，此場景出現(xiàn)在直流斷路器已安裝完畢，但直流系統(tǒng)尚未啟動的初始調(diào)試時刻。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明斷路器拓撲的負載轉(zhuǎn)移開關直接通過其子模塊電容取能，無需外部供電，避免了工程中難以克服的絕緣問題，可提升斷路器在高壓直流電網(wǎng)中的應用前景。故本發(fā)明具有以下有益技術效果：

(1)本發(fā)明負載轉(zhuǎn)移開關無需外部供電電路為其驅(qū)動電路供電，避免了工程中難以解決的絕緣及耐壓問題，降低了設計、制造及施工難度，有利于該斷路器拓撲在高壓直流系統(tǒng)中的應用。

(2)通過本發(fā)明自供能控制策略，可使子模塊電容電壓在人為設定的閾值內(nèi)波動，保證了能量的穩(wěn)定性，防止電容電壓出現(xiàn)劇烈波動，從而影響其驅(qū)動電路的供電可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明組合式高壓直流斷路器的應用結(jié)構示意圖。

圖2為本發(fā)明組合式高壓直流斷路器中日常通流支路的結(jié)構示意圖。

圖3為本發(fā)明電容電壓穩(wěn)定策略的流程示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例所采用的測試系統(tǒng)結(jié)構示意圖。

圖5為測試系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)移開關中的電容電壓波形圖。

圖6為測試系統(tǒng)中線路24的直流電流波形圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明具有自供能能力的組合式高壓直流斷路器由故障斷流支路及日常通流支路組成，其中故障斷流支路包括主動短路式斷流開關及其隔離開關，日常通流支路包括超快速機械開關、負載轉(zhuǎn)移開關以及輔助放電開關；主動短路式斷流開關的高壓端通過隔離開關與直流母線相連，低壓端直接接地；超快速機械開關的一端連接直流母線，另一端與負載轉(zhuǎn)移開關的一端相連，負載轉(zhuǎn)移開關的另一端連接至直流線路；輔助放電開關的高壓端與直流線路相連，低壓端直接接地。

如圖2所示，本發(fā)明與傳統(tǒng)組合式高壓直流斷路器拓撲相比，其區(qū)別在于對負載轉(zhuǎn)移開關結(jié)構進行了改進，其余部分的結(jié)構不變。由于主動短路式斷流開關以及輔助放電開關高壓端接直流線路，低壓端接地，因此其自然帶電，其驅(qū)動電路的供電不存在絕緣、耐壓等問題。因此，本發(fā)明主要解決負載轉(zhuǎn)移開關從初始不帶電狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)時的驅(qū)動電路供能問題。

本發(fā)明負載轉(zhuǎn)移開關由少量全橋子模塊串聯(lián)構成，所采用的全橋子模塊由4個igbt(編號為t1～t4)、4個反并聯(lián)二極管(編號為d1～d4)以及子模塊電容c構成。負載轉(zhuǎn)移開關在穩(wěn)態(tài)運行時用于導通直流線路的直流電流，在故障處理時用于將電流轉(zhuǎn)移至故障斷流支路；由于不需要承受高電壓等級，串聯(lián)的全橋子模塊數(shù)不需要太多。

本發(fā)明組合式高壓直流斷路器的自供能策略，其適用場景為：斷路器負載轉(zhuǎn)移開關中的子模塊電容尚未充能，其igbt驅(qū)動電路無外部供電，此時全橋子模塊中的4個igbt全部處于默認的關斷狀態(tài)。一般情況下，此場景出現(xiàn)在直流斷路器已安裝完畢，但直流系統(tǒng)尚未啟動的初始調(diào)試時刻；具體過程如下：

(1)直流系統(tǒng)中各換流站已充電完畢，已完成直流系統(tǒng)啟動的準備工作；組合式高壓直流斷路器已安裝完畢，其故障斷流支路的主動短路式斷流開關處于開斷狀態(tài)，日常通流支路的超快速機械開關處于導通狀態(tài)、輔助放電開關處于開斷狀態(tài)；負載轉(zhuǎn)移開關的igbt由于缺少能量為其驅(qū)動電路供電，因此處于關斷狀態(tài)。

(2)直流系統(tǒng)中各換流站啟動，傳輸功率參考值設定為較低值，如1％～5％，保證直流線路中的電流維持在較小水平；由于負載轉(zhuǎn)移開關中的igbt默認為關斷狀態(tài)，因此直流電流將為電容充電；由于直流電流已被控制在較少水平，因此負載轉(zhuǎn)移開關中的子模塊電容上升速度較為緩慢。

(3)當負載轉(zhuǎn)移開關中的子模塊電容電壓上升至人為設定的啟動閾值后，其驅(qū)動電路解鎖，通過輔助電路，利用子模塊電容中的能量為其供電。

(4)驅(qū)動電路解鎖后，判斷子模塊電容電壓的大小。如圖3所示，可分三種情況：①若電容電壓小于人為設定的穩(wěn)態(tài)閾值下限umin，則電容需繼續(xù)充電，若電流流向為正(從t1、t2中間的端口a流入，從t3、t4中間的端口b流出)，則對t1、t4施加導通信號，對t2、t3施加關斷信號；若電流流向為負(從t3、t4中間的端口b流入，從t1、t2中間的端口a流出)，則對t2、t3施加導通信號，對t1、t4施加關斷信號。②若電容電壓大于人為設定的穩(wěn)態(tài)閾值上限umax，則電容需進行放電，若電流流向為正，則對t2、t3施加導通信號，對t1、t4施加關斷信號；若電流流向為負，則對t1、t4施加導通信號，對t2、t3施加關斷信號。③若電容電壓大于人為設定的穩(wěn)態(tài)閾值下限umin，且小于人為設定的穩(wěn)態(tài)閾值上限umax，則保持當前開關狀態(tài)不動作。

(5)當驅(qū)動電路解鎖，子模塊電容完成初始充電過程后，直流系統(tǒng)功率參考值提升至額定水平，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。

如圖4所示，本發(fā)明以典型的四端直流系統(tǒng)為例進行仿真驗證，系統(tǒng)主回路參數(shù)如表1所示；其中，換流站4為定直流電壓控制，換流站1、2、3均為定有功功率控制。

表1

以線路24中換流站2側(cè)的負載轉(zhuǎn)移開關充電為例進行說明，負載轉(zhuǎn)移開關由8個全橋子模塊構成，構成形式為2并4串；每個子模塊的電容值為1000μf，開關的整體等效電容為500μf，設定每個子模塊內(nèi)電容的波動范圍為0.9kv～1.1kv。

初始時刻，斷路器已安裝完畢；由于igbt缺少能量觸發(fā)，因此全部子模塊均處于默認閉鎖狀態(tài)。t＝4s時，將換流站1、2、3的有功功率參考值均設為額定值的5％，子模塊電容電壓波形如圖5所示，線路24的直流電流波形如圖6所示。

可以看出，系統(tǒng)初始時刻流過線路24的電流為110a左右，電流方向為正；由于子模塊igbt處于關斷狀態(tài)，因此直流電流將為電容電壓充能，電容電壓快速上升；約10ms左右，電容電壓升至約500v，igbt的驅(qū)動電路啟動，利用子模塊電容能量供能，實現(xiàn)對igbt的有效控制。在本發(fā)明自供能控制策略的作用下，子模塊電容電壓在0.9kv～1.1kv內(nèi)平滑波動，保證了電容能量的穩(wěn)定均衡?？梢钥闯?，利用本發(fā)明所提拓撲結(jié)構及自供能策略，可有效實現(xiàn)斷路器igbt的自供能能力，具有較強的工程應用價值。

上述對實施例的描述是為便于本技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。