[发明专利]一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略

说明书

本发明公开了一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略，断路器包括IGBT模块、超快速机械开关、负载转移开关、子模块电容以及泄能支路。本发明针对传统混合式高压直流断路器的基本拓扑进行了改进，通过引入改进型半桥子模块，使故障能量通过子模块电容进行吸收，避免额外配置MOV避雷器所带来的设备投资；同时通过其泄能支路的开断，使子模块电容电压稳定在合理范围内，防止器件损毁。

技术领域

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略。

背景技术

为解决跨区域、大规模电力传输以及提升分布式新能源接纳能力，基于模块化多电平换流器的柔性直流电网技术正逐渐成为我国电网未来发展的重要方向之一。与交流输电以及传统直流输电技术相比，柔性直流输电具有有功功率无功功率可解耦控制、无需无功补偿装置、占地面积小、输出电压波形质量好等优点。然而虽然其在稳态运行方面具备显著优势，但其在直流故障保护与处理方面仍存在较大技术难题，其中高压直流断路器的研制是其中最为关键的技术难点。

就目前研发现状而言，基于常规机械开关和电力电子器件组合的混合式高压直流断路器最具有大规模商业化应用的前景。ABB公司于2012年宣布其开发出世界首台混合式高压直流断路器，开断时间为5ms，额定电压为320kV，电流开断能力约为9kA。Alstom公司于2013宣布其研发的超快速机械电子断路器获得成功，额定电压为120kV，电流开断能力约为5.2kA。全球能源互联网研究院于2014年宣布研制完成额定电压为200kV的混合式高压直流断路器，可在3ms内分断15kA的故障电流，并于2016年12月在舟山五端柔性直流输电工程成功投运。然而以上断路器拓扑皆未解决其造价昂贵、经济性差的缺点，这一缺陷严重限制了直流电网的建设可行性。

造成以上混合式高压直流断路器经济性差的原因主要包含两方面：第一，其故障断流支路由大量电力电子器件串联而成，其造价较为昂贵；第二，故障切除后剩余能量需通过耗能支路(主要为MOV避雷器)来进行耗散，这使其需承受较高的过电压，导致其占地面积大、设备投资高。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器及其控制策略，其针对传统混合式高压直流断路器的基本拓扑进行了改进，通过引入改进型半桥子模块，使故障能量通过子模块电容进行吸收，避免额外配置MOV避雷器所带来的设备投资；同时通过其泄能支路的开断，使子模块电容电压稳定在合理范围内，防止器件损毁。

一种基于改进型半桥子模块的混合式高压直流断路器，具有稳态运行和故障处理两种工作模式，其一端通过隔离开关以及电抗器与换流站相连，另一端则与直流输电线路相连；所述混合式高压直流断路器包括IGBT模块T1、超快速机械开关、负载转移开关、电容C以及泄能支路；其中，所述负载转移开关由IGBT模块T2构成，所述泄能支路由IGBT模块T3和泄能电阻构成，IGBT模块T1的发射极与超快速机械开关的一端以及隔离开关相连IGBT模块T1的集电极与电容C的一端以及IGBT模块T3的集电极相连，IGBT模块T3的发射极与泄能电阻的一端相连，超快速机械开关的另一端与IGBT模块T2的集电极相连，IGBT模块T2的发射极与电容C的另一端、泄能电阻的另一端以及直流输电线路相连。

所述IGBT模块T1和T2均由若干带反并联二极管的IGBT串并联组成，IGBT模块T3则由若干IGBT串并联组成。

所述负载转移开关在稳态运行模式下处于导通状态，在故障处理模式下用于将直流电流转移至电容C。

在稳态运行模式下，所述混合式高压直流断路器的控制策略为：使IGBT模块T1和T3关断、超快速机械开关闭合、负载转移开关导通；此运行模式下，断路器中的电容C不会充电且电容电压为零；

在故障处理模式下，所述混合式高压直流断路器的控制策略包括如下步骤：