[发明专利]一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于高压直流断路器领域，更具体地，涉及一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法。

背景技术

直流输电方式是历史上出现最早的输电方式，但由于未能解决电压变化等关键技术，所以很快被交流输电技术所取代。但近年来随着电力系统的发展和特殊输电技术的需要以及大功率电力电子技术的进步，高压直流输电以其独特的优势又得到了重视和应用发展。与交流输电相比，高压直流输电具有线路费用经济、两端系统无需稳定运行、功率调节简单易行等优点，特别适合于超高压、大容量、远距离输电。

目前，世界上投入运行的HVDC工程有90多个，总容量超过70000MW。但世界上运行的高压直流输电系统均为无分支的双端网络，原因在于没有可供使用的高压直流断路器。这一缺陷不仅限制了高压直流输电优越性的发挥，也制约着多端直流电网的建立和发展。

当发生短路故障时，直流系统的低阻抗导致短路电流迅速上升，因此必须保证直流断路器在尽可能短的时间内可靠地切除短路故障。同时，由于直流断路器在开断电流期间需要承受较高的暂态恢复电压，必须保证主开关支路满足较高的耐压要求。

目前直流断路器主要分为三种类型：机械式直流断路器、全固态式直流断路器、结合机械开关和固态开关的混合式直流断路器。但是适用于高压领域的直流断路器目前只有两种方案：第一，利用常规交流机械断路器电流过零熄弧的特点，通过预充电电容与电感产生的反向高频振荡电流与机械开关中直流故障电流叠加以产生“人工电流零点”，从而熄灭电弧，开断电流。第二，近年提出的在主通路上串联机械开关和电力电子器件，另一条旁路由压接IGBT或者电容器和避雷器并联组成的采用无弧开断方式的混合式高压直流断路器。但是对于第一种方案，需要的组件多，控制复杂；对机械开关、振荡回路、充电电源等要求高。对于第二种方案，如采用压接IGBT和避雷器并联组成另一条旁路，则需要串并联的IGBT数量太多，开关动作一致性得不到保证，可靠性差，控制复杂，同时价格昂贵，体积庞大；如采用电容器和避雷器并联组成另一条旁路，利用无弧开断方式，则要求电容充电时间比较长，进而导致电容选择困难，满足要求的电容体积往往过于庞大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是提供一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法，在满足直流系统对高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流和承受高电压的基础上，解决现有高压直流断路器控制复杂、可靠性差、体积庞大等问题。

本发明提供的一种电容缓冲式混合高压直流断路器，包括依次串联连接的机械开关单元和电流转换单元，与所述机械开关单元的供电端连接的机械开关供能单元，以及一端与所述机械开关单元的输入端连接且另一端与所述电流转换单元的输出端连接的电容缓冲单元；所述机械开关单元包括N个串联连接的机械开关子单元，每一个机械开关子单元包括依次并联连接的机械开关、均压模块和吸能限压模块；所述均压模块用于实现对N个串联连接的所述机械开关子单元间的均压；所述吸能限压模块用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关的限压保护；N为大于等于1的整数；所述电流转换单元包括并联连接的电力电子开关模块和限压模块；所述电力电子开关模块用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块用于当所述电力电子开关模块两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块的限压保护；所述电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；所述机械开关供能单元用于给所述机械开关中的操动机构提供电源。