[发明专利]一种直流限流断路器

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流限流断路器，特别涉及一种柔性直流输电系统的高压直流限流断路器。

背景技术

随着风电、太阳能等新能源的开发与应用，基于电压源型换流器的多端柔性直流输电技术(MTDC)，在直流输电领域占据越来越重要的位置。风能、太阳能发电等新能源接入电网的最大障碍是其间歇性和不确定性，而柔性直流输电技术可以有效地控制电能，隔离电网故障的扩散，而且还能根据电网需求，快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量，从而优化电网的潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。

MTDC的直流侧线路上一旦发生短路故障，相当于换流器直流侧的电容直接放电，其短路电流会在几个毫秒到达峰值，最大值一般有几千安到几十千安。较大的电流上升率将带来热量集中、电弧火花、电磁应力等问题，同时，因为换流器一般采用IGBT或IGCT，其反并联二极管会形成不控整流桥，所以单纯控制换流器无法切断故障电流，短路电流甚至会损坏换流站。直流短路电流没有过零点，且其峰值和上升速率都要远远高于交流电网，因此，给直流短路故障断开提出了更高的要求。

故障电流的开断还受到直流断路器等技术发展的制约。文献“直流断路器技术发展综述”(南方电网技术，2015年02期)给机械断路器增加并联谐振电路实现和吸能支路，实现直流开断。但是，存在开断和灭弧时间较长的问题。如果采用给并联谐振电路预充电的方式来提高断路器的灭弧速度，不但实现难度大，而且开断速度也难以满足直流电网的需求。国网智能电网研究院以舟山五端直流网络的仿真结果为例，得出高压直流断路器需分断15KA的电流(柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案，电力系统自动化,2013,37(15):95-102.)，ABB于2012年完成的320KV/2KA的混合型高压直流断路器(The Hybrid HVDC Breaker An innovation breakthrough enabling reliable HVDC grids.ABB Grid Systems,Technical Paper Nov’2012)，可分断9KA的故障电流，但因造价太高而未投入商用，并且增加开断容量只能依赖更多IGBT单元的串并联，这会大幅度增加断路器成本，降低可靠性。总之，短路故障电流开断问题成为柔性直流输电网发展的一个瓶颈。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提出一种用于柔性直流输电系统的直流限流断路器，它结构简单、成本低，能够有效限制直流电网故障电流。

本发明采用的技术方案为：

本发明为用于柔性直流输电系统的直流限流断路器。该直流限流断路器包括限流器、机械断路器、换流器、线路短路阻抗、负载、A相交流电源、B相交流电源和C相交流电源。

所述的线路短路阻抗、限流器、机械断路器和负载依次串联，连接在换流器的第一输出端和第二输出端之间。A相交流电源的一端、B相交流电源的一端和C相交流电源的一端并联，A相交流电源的另一端与换流器的第一输入端、B相交流电源的另一端和与换流器的第二输入端相连，C相交流电源的另一端与换流器的第三输入端相连。

所述的换流器由第一IGBT开关管、第二IGBT开关管、第三IGBT开关管、第四IGBT开关管、第五IGBT开关管、第六IGBT开关管和电容器组成。第一IGBT开关管和第二IGBT开关管串联、第三IGBT开关管和第四IGBT开关管串联、第五IGBT开关管和第六IGBT开关管串联、三个串联支路与电容器并联组成换流器。其中，第一IGBT开关管的一端和第二IGBT开关管的一端与第三输入端相连；第三IGBT开关管的一端和第四IGBT开关管的一端与第二输入端相连；第五IGBT开关管的一端和第六IGBT开关管的一端与第一输入端相连；第一IGBT开关管的另一端、第三IGBT开关管的另一端和第五IGBT开关管的另一端与第一输出端相连；第二IGBT开关管的另一端、第四IGBT开关管的另一端和第六IGBT开关管的另一端与第二输出端相连；电容器连接在第一输出端和第二输出端之间。

所述的线路短路阻抗由短路电阻和短路电感组成，短路电阻和短路电感串联，连接在第一连接点和第二连接点之间。

所述的限流器是电感型限流器，或是电阻型限流器，或是混合型限流器。其等效电路由限流电阻和限流电感组成，限流电阻和限流电感串联，连接在第二连接点和第三连接点之间。其中，在电网稳态时，限流电阻近似为零电阻，对电网不产生影响。