[发明专利]一种具备能量转移支路的多端口直流断路器及其控制方法

说明书

本发明提供了一种具备能量转移支路的多端口直流断路器(multi‑port DC circuit breaker,Mp‑DCCB)拓扑及其控制方法，采用通流能力大的晶闸管作为主断路器和直流线路间的控制单元，采用单个主断路器保护多条直流线路，仅需要单向的电力电子元件，具备通态损耗低、降低避雷器耗能需求、提升分断速度等优势。本发明提供的多端口直流断路器的控制方法，分为多端口直流断路器所在的线路正常运行、多端口直流断路器所包括的一条直流线路检测到直流故障后进行断路、多端口直流断路器所包括的一条故障线路电流下降为零后进行耗能三种情况对具备能量转移支路的多端口直流断路器实现控制。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种具备能量转移支路的多端口直流断路器及其控制方法。

背景技术

高压大容量的直流电网技术，是未来构建智能电网和全球能源互联网的重要环节。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术便于构建直流电网，因而成为电力工业界的一个新的期望。我国即将建成的张北直流电网采用半桥子模块(half bridge sub module)加架空线方案，是世界上首个直流电网工程实践。采用架空线具有明显的技术经济性优势，但是随之而来的问题就是直流侧故障概率高，结合半桥子模块不具备直流侧故障清除能力的特点，需要采用直流断路器切断故障电流。随着直流电网容量的提高，故障电流会在更短时间内达到电力电子器件耐流极限，这要求在更快的时间内切除故障，对故障检测速度和直流断路器切断容量带来极高挑战。

故障保护是直流电网研究的热点之一，随着直流电网端点增多，采用DCCB切除故障成为直流电网保护的主流方案。由于直流故障暂态过程发展迅速，容易产生较高的过电流，DCCB需要具备较高的额定电流和较快的分断速度。固态断路器(solid state circuitbreaker,SSCB)切断速度较快，但电网正常运行时通态损耗高达同电压等级换流器损耗的30％，机械式断路器(mechanical circuit breaker,MCB)通态损耗很低，但切断故障时间较长。混合式断路器(hybrid circuit breaker,HCB)结合了SSCB和MCB的优点。

但是混合式DCCB采用了大量电力电子器件，为减少造价，多条线路共用主断路支路的DCCB被提出，可在达到相同断路能力的基础上大大减少成本。现有文献提出一种多线路直流断路器，充分利用了混合式断路器结构，降低了电力电子器件投入数量。但在断路之前故障电流流经故障线路下桥臂，下桥臂LCS承受故障发生后的最大电流，对电力电子器件产生过电流冲击。

发明内容

为了克服上述现有技术中避雷器耗能需求大并且断路器制造成本高和设备体积大的问题，本发明提供一种具备能量转移支路的多端口直流断路器及其控制方法，具备能量转移支路的多端口直流断路器包括通流支路、换流支路、主断路器支路和能量转移支路。通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路，换流支路，用于选择性地将故障线路电流转移，并隔离正常线路，主断路器支路，用于承载通流支路转移的故障电流，并利用避雷器切断故障电流；能量转移支路，用于在避雷器耗能阶段旁路直流电抗。分为多端口直流断路器所在的线路正常运行、多端口直流断路器所包括的一条直流线路检测到直流故障后进行断路、多端口直流断路器所包括的一条故障线路电流下降为零后进行耗能三种情况对具备能量转移支路的多端口直流断路器实现控制，具备能量转移支路的多端口直流断路器采用半控型器件，逻辑简单，经济性高，控制能力强。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种具备能量转移支路的多端口直流断路器，包括：

通流支路，用于在直流线路正常运行时实现直流线路稳态电流的导通，并在检测到直流线路发生的故障后将故障电流转移至主断路器支路；

换流支路，用于在检测到故障后有选择性地将故障线路电流转移，并实现非故障线路与主断路器支路的隔离；