[发明专利]适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法

说明书

本发明提供了一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法，断路器包括电抗器、隔离开关、一条正常通流支路和一条故障断流支路，正常通流支路由超快速隔离开关和模块化多电平潮流控制器串联组成，故障断流支路由多个具备双向通流能力的主断路器分段串并联组成。本发明将直流潮流控制功能整合到混合式高压直流断路器中，使组合式高压直流断路器同时具备直流潮流控制能力和直流线路故障处理能力，提升了设备的功能多样性和运行灵活性。

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法。

背景技术

近年来，随着化石能源的日益枯竭和生态环境的不断恶化，绿色可再生能源的开发和利用得到了全球各界的广泛关注和快速发展。由于新能源技术具有间歇性、高波动性、随机性等特点，并网和消纳大规模新能源的传统技术受到了很大的限制。由多个换流端通过直流输电线路互联构成的直流电网凭借其可以独立控制有功功率和无功功率、更强的适应性和稳定性、灵活安全的潮流控制等优越的控制运行特性，已成为解决大规模新能源并网和构建未来智能电网的有效技术策略之一。此外，随着电力系统容量的持续增长和用电负荷的不断增加，电网中的短路电流水平日益提高，尤其对于某些特定的用电场合，例如大型舰船上的供电系统、轨道交通供电系统等等，短路电流峰值可达到100kA以上，且短路电流上升速率极高(超过20A/μs)。

复杂的直流电网由放射状、环状和网状三种基本拓扑结构和直流输电线路组合而成，其中环状、网状结构具有较好的灵活性和冗余度，可以增加系统的稳定性和可靠性。然而，直流电网面临着许多额外的技术挑战，其中最为迫切的就是直流潮流控制自由度不够和直流线路故障。

一方面，直流电网内存在多条直流输电线路，仅依靠换流站的电压、电流控制无法实现对直流电网内所有直流输电线路的有效潮流控制，即直流潮流控制自由度不够。直流电网内部可能因得不到有效的潮流控制可能导致某些输电线路过负荷运行，进而影响整个直流输电系统的正常稳定运行。因此，需要引入额外的电力电子设备，将可变电压源或可变电阻与输电线路串联，增加控制自由度来实现对直流电网内输电线路潮流的有效控制。目前国内外很多研究人员已经对直流潮流控制器进行过研究，并提出了相应的拓扑结构和控制策略，如可变电阻型、AC/DC(辅助电压源)变换型、DC/DC变换型、线间直流潮流控制型。

另一方面，相比于传统的交流电网，直流电网的功率平衡的惯性时间常数极小，稳态短路电流更大，故障电流没有极性变化(不存在过零点)，对快速切除直流故障的要求极高，控制保护的难度更大；目前学术界和工程界普遍认为采用高压直流断路器是处理多端柔性直流系统直流故障的最佳方案。相比于基于常规开关的传统机械式断路器和基于纯电力电子器件的固态断路器，ABB公司于2012年宣布开发出的混合式高压直流断路器，通态损耗较低，分断速度更快，具有良好的应用前景。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法，该断路器将混合式高压直流断路器正常通流支路中的负载转移开关替换为模块化多电平潮流控制器，使其同时具备直流潮流控制能力和直流线路故障处理能力，在直流电网内具有一定的工程价值和应用前景。

一种适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器，包括电抗器、隔离开关、正常通流支路以及故障断流支路，电抗器的一端与直流输电线路相连，电抗器的另一端与隔离开关的一端相连；正常通流支路与故障断流支路并联后一端与隔离开关的另一端相连，另一端与换流站的直流母线相连；所述正常通流支路由超快速机械开关和模块化多电平潮流控制器串联组成。

进一步地，所述超快速机械开关的一端与隔离开关的另一端相连，超快速机械开关的另一端与模块化多电平潮流控制器直流侧正极相连，模块化多电平潮流控制器直流侧负极与换流站的直流母线相连。