基于人工过零技术的混合式双向全负荷直流开断装置及其开断方法

技术领域

本发明涉及电力行业中的直流开断技术领域，具体涉及一种基于人工过 零技术的混合式双向全负荷直流开断装置及其开断方法。

背景技术

与交流电流相比，直流电流由于没有自然过零点而难以开断。基于人工 过零的直流开断是通过人工产生电流零点使其开断的方法，在主断路器MCB 两端并联一条由预充电的换流电容器C、换流电抗器L和换流开关S构成的 换流支路。开断时，打开主断路器，在其电极间形成电弧，此时闭合换流开 关，则换流电容器通过换流电抗器和主断路器电弧形成放电回路，产生反向 振荡电流i，并叠加在主断路器电弧电流I上，使其电弧电流形成“人工过零 点”而熄灭，主断路器电弧熄灭后，电流转移至换流支路，对换流电容反向 充电，此时主断口两端电压随着换流电容电压的变化而变化，如投入反向电 流时刻系统电流较大则主断口两端电压将会迅速升高至避雷器动作电压，避 雷器动作，吸收能量，最终完成系统电流开断。

文献《new type of DC vacuum circuit breaker for locomotives》中介绍了一 种牵引系统中的直流开断技术，换流回路投入反向电流时用机械开关进行控 制，且只有一个方向的换流支路，不能解决双向开断问题。

文献《The Basic Investigation of the High-speed VCB and Its application for  the DC Power System》中介绍了一种牵引系统中的直流开断技术，用半控型 电力电子器件做换流开关投入反向电流，当开断较小的负荷电流时，换流支 路将流过缓慢衰减的小电流，由于半控型电力电子器件不能关断流过其的小 电流，所以在系统负荷电流较小时，文献中介绍的技术不能成功开断电路。

文献《1500V船用新型直流断路器的研究》中介绍了一种新型的单机构同 步操作的直流断路器，其换流电容需预先充好1500V电压，换流电容的充电 方式比较繁琐。

此外，现有技术中均未考虑换流电容的放电问题，在开断负荷电流时， 换流电容需要通过负载放电，放电时间较长，容易对负载造成破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于人工过零技术的混合式双向全负荷直流 开断装置及其开断方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种基于人工过零技术的混合式双向全负荷直流开断装置，该装置包括 主断路器以及分别与主断路器并联的第一换流支路和第二换流支路，所述第 一换流支路包括串联的第一换流电容器、第一换流电抗器以及第一换流开关， 第二换流支路包括串联的第二换流电容器、第二换流电抗器以及第二换流开 关，第一换流开关由并联的第一全控型电力电子器件和第一半控型电力电子 器件组成，第二换流开关由并联的第二全控型电力电子器件和第二半控型电 力电子器件组成。

所述第一换流支路与第二换流支路投入的反向电流方向相反。

所述装置还包括第一充电支路和第二充电支路，第一充电支路包括第一 充电电阻，第一充电电阻的一端接地，另一端接于第一换流电容器一侧，第 一换流电容器的另一侧直接与母线连接，第二充电支路包括第二充电电阻， 第二充电电阻的一端接地，另一端接于第二换流电容器一侧，第二换流电容 器的另一侧直接与母线连接。

所述装置还包括第一换流电容器放电支路和第二换流电容器放电支路， 第一换流电容器放电支路包括第三半控型电力电子器件、第四半控型电力电 子器件、第一电阻以及第二电阻，由第三半控型电力电子器件与第一电阻串 联而成的支路A以及由第四半控型电力电子器件与第二电阻串联而成的支路 B分别与第一换流电容器并联，第二换流电容器放电支路包括第五半控型电 力电子器件、第六半控型电力电子器件、第三电阻以及第四电阻，由第五半 控型电力电子器件与第三电阻串联而成的支路C以及由第六半控型电力电子 器件与第四电阻串联而成的支路D分别与第二换流电容器并联。

所述装置还包括与主断路器并联的避雷器。

所述装置还包括中央控制单元，所述中央控制单元分别与主断路器、第 一全控型电力电子器件、第一半控型电力电子器件、第二全控型电力电子器 件、第二半控型电力电子器件、第三半控型电力电子器件、第四半控型电力 电子器件、第五半控型电力电子器件、第六半控型电力电子器件、设置于母 线上的电流传感器、用于检测避雷器电流的传感器以及用于检测第一、第二 换流支路电流的传感器相连。

上述基于人工过零技术的混合式双向全负荷直流开断装置的开断方法， 包括以下步骤：

步骤1：系统正常运行时，第一半控型电力电子器件、第二半控型电力电 子器件、第一全控型电力电子器件以及第二全控型电力电子器件处于断开状 态，第三半控型电力电子器件、第四半控型电力电子器件、第五半控型电力 电子器件以及第六半控型电力电子器件处于断开状态，主断路器闭合，系统 给负载正常供电，同时通过第一充电电阻和第二充电电阻给第一换流电容器 以及第二换流电容器充电；

步骤2：情况一：若系统发生短路，中央控制单元根据监测的主断路器电 流大小和方向确认短路发生后使主断路器分闸，并根据主断路器电流方向使 第一半控型电力电子器件或第二半控型电力电子器件对应导通，投入反向电 流；或情况二：若开断负荷电流，则中央控制单元根据主断路器电流方向使 第一全控型电力电子器件或第二全控型电力电子器件对应导通，投入反向电 流；前述两种情况下投入反向电流后，当主断路器电弧电流过零时，换流过 程结束，主断路器断开；

步骤3：主断路器断开后，系统电源与负载之间通过相应的换流支路构成 新回路，电流完全转移到相应的换流支路，此时有两种情况：

情况①：若新回路处于欠阻尼状态，则当开断短路电流时，在新回路电 流振荡过零时刻第一半控型电力电子器件或第二半控型电力电子器件自动关 断，完成整个开断过程；当开断负荷电流情况下，在新回路电流振荡过零后 中央控制单元给第一全控型电力电子器件或第二全控型电力电子器件关断信 号，第一全控型电力电子器件或第二全控型电力电子器件可靠关断，完成整 个开断过程；

情况②：若新回路处于过阻尼状态，当中央控制单元监测到新回路电流 小于预定值时，向第一全控型电力电子器件或第二全控型电力电子器件发出 关断信号使换流开关关断，完成开断过程；

步骤4：开断过程完成后，中央控制单元给第三半控型电力电子器件和第 四半控型电力电子器件导通信号，第一换流电容器放电，或者，开断过程完 成后，中央控制单元给第五半控型电力电子器件和第六半控型电力电子器件 导通信号，第二换流电容器放电。

所述步骤3的情况①中，若主断路器两端电压大于避雷器动作电压，则 避雷器导通，使新回路电流过零，当避雷器电流降为零后，完成开断过程。

本发明的有益效果体现在：

1）采用两套换流回路分别开断两个方向的电流，实现了双向直流开断， 且控制方便可靠。

2）在开断较小的负荷电流时，换流过程后，电流完全转移至换流支路， 且在之后的过程中并联在主断口两端的避雷器不动作，此时构成的新回路处 于过阻尼状态，新回路流过的电流没有过零点，现有的技术中采用的机械开 关或者半控型电力电子器件不能开断新回路，导致现有技术在开断较小负荷 电流时开断失败。本发明在开断较小负荷电流时，采用全控型电力电子器件 投入反向电流，在换流过程结束后且新回路电流降至设定值时给全控型电力 电子器件关断信号强制关断新的电流回路，成功开断流过新回路的电流，完 成整个开断过程。

3）直接通过系统母线向两个换流回路中的换流电容器充电，可以保持换 流电容电压的稳定，从而保证在开断短路电流时需要的反向电流峰值，既满 足了双向开断的要求，也省去了附加的充电电路，同时增加了开断装置的可 靠性。

4）通过在换流电容两端并联双向可控的放电支路，实现了换流电容双向 快速放电的功能，在现有的技术中，开断负荷电流时，没有考虑换流电容的 放电问题，换流电容将通过负载放电，而且放电时间较长，将对负载和系统 产生损害，本发明在换流电容两端并联了双向可控的放电支路，在整个开断 过程完成后，对换流电容快速放电，保护了直流系统和负载，同时便于换流 电容下次充电。

附图说明

图1是现有基于人工过零方法的直流开断原理图；

图2是本发明所述装置的原理图；

图3是本发明开断短路电流时的仿真结果；

图4是本发明开断小的负荷电流时的仿真结果；

图5是换流电容充电过程；

图6是换流电容放电过程；

图中：MCB表示主断路器、MOV表示避雷器、I表示主断路器电弧电流、 i表示反向振荡电流、S表示换流开关、L表示换流电抗器、C表示换流电容 器、C₁表示第一换流电容器、L₁表示第一换流电抗器、I₁表示第一全控型电 力电子器件、T₁表示第一半控型电力电子器件、R₁表示第一充电电阻、S₁+ 表示第三半控型电力电子器件、S₁-表示第四半控型电力电子器件、R₁+表示 第一电阻、R₁-表示第二电阻、C₂表示第二换流电容器、L₂表示第二换流电抗 器、I₂表示第二全控型电力电子器件、T₂表示第二半控型电力电子器件、R₂表示第二充电电阻、S₂+表示第五半控型电力电子器件、S₂-表示第六半控型电 力电子器件、R₂+表示第三电阻、R₂-表示第四电阻、I+、I-表示主断路器电流， I+与I-方向相反。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明为了解决小电流开断以及双向开断问题，提出了一种基于人工过 零技术的混合式双向全负荷直流开断方法，同时该方法还解决了双向直流开 断中换流电容器充电问题以及换流电容器放电问题。

本发明主要有四个关键点：

1）利用半控型和全控型电力电子器件并联构成换流开关，分别承担短路 电流和负荷电流的开断任务；2）采用两套换流回路，各自承担某一方向的开 断任务；3）直接通过系统母线向两个换流回路中的换流电容器充电；4）在 换流电容两端并联双向可控的放电支路。

本发明的具体内容如下：

如图2所示，本发明采用的直流开断装置由六部分构成：

1.主断路器MCB；

2.由第一全控型电力电子器件I₁和第一半控型电力电子器件T₁组成第一 换流开关，由第一换流电容器C₁、第一换流电抗器L₁和第一换流开关构成的 第一换流支路；由第二全控型电力电子器件I₂和第二半控型电力电子器件T₂组成第二换流开关，由第二换流电容器C₂、第二换流电抗器L₂和第二换流开 关构成与第一换流支路反方向的第二换流支路；

3.由第一换流电容器C₁、第一充电电阻R₁构成的第一充电支路，由第二 换流电容器C₂、第二充电电阻R₂构成的第二充电支路；第一充电电阻R₁的 一端接地，另一端接于第一换流电容器C₁一侧，第一换流电容器C₁的另一 侧直接与母线连接，第二充电电阻R₂的一端接地，另一端接于第二换流电容 器C₂一侧，第二换流电容器C₂的另一侧直接与母线连接。

4.避雷器MOV；

5.由第三半控型电力电子器件S₁+（第四半控型电力电子器件S₁-）和第一 电阻R₁+（第二电阻R₁-）组成的第一换流电容器放电支路，由第五半控型电 力电子器件S₂+（第六半控型电力电子器件S₂-）和第三电阻R₂+（第四电阻 R₂-）组成的第二换流电容器放电支路；由第三半控型电力电子器件S₁+与第 一电阻R₁+串联而成的支路A以及由第四半控型电力电子器件S₁-与第二电阻 R₁-串联而成的支路B分别与第一换流电容器C₁并联；由第五半控型电力电 子器件S₂+与第三电阻R₂+串联而成的支路C以及由第六半控型电力电子器件 S₂-与第四电阻R₂-串联而成的支路D分别与第二换流电容器C₂并联。

6.中央控制单元，中央控制单元与上述半控型、全控型电力电子器件以及 电流传感器相连。

中央控制单元可以采用例如MSP430微处理器，半控型电力电子器件可 以采用例如晶闸管，全控型电力电子器件可以采用例如IGCT。

在实际情况中，电流流向可能是I+和I-两个方向（见图2），整个开断过 程分为四个步骤：

步骤1：系统正常运行，第一半控型电力电子器件T₁（第二半控型电力电 子器件T₂）和第一全控型电力电子器件I₁(第二全控型电力电子器件I₂)处于断 开状态，换流支路电流为0，第三半控型电力电子器件S₁+(第四半控型电力 电子器件S₂+)和第五半控型电力电子器件S₁-(第六半控型电力电子器件S₂-) 处于断开状态，主断路器MCB闭合，系统给负载正常供电，同时通过第一 充电电阻R₁和第二充电电阻R₂分别给两个换流电容器充电；

步骤2：若系统发生短路，中央控制单元根据所监测的电流大小和方向确 认短路发生后使主断路器分闸，当电流为I+，使第一半控型电力电子器件T₁导通，投入反向电流，当电流为I-，使第二半控型电力电子器件T₂导通，投 入反向电流；若开断的是负荷电流，中央控制单元根据接收到的分闸指令使 主断路器分闸，当中央控制单元监测电流为I+时，使第一全控型电力电子器 件I₁导通，投入反向电流，当中央控制单元监测电流为I-时，使第二全控型 电力电子器件I₂导通，投入反向电流。当主断路器电弧电流强迫过零时，换 流过程结束，主断路器断开；

步骤3：主断路器MCB断开后，系统电源与负载之间通过相应的换流支 路构成新的回路，电流完全转移到换流支路，此时有两种情况：

①当新回路处于欠阻尼状态，则当开断短路电流时，回路电流可以振荡 过零，则在过零时刻换流开关（第一半控型电力电子器件T₁或第二半控型电 力电子器件T₂）自动关断，完成整个开断过程；当开断负荷电流情况下，在 新回路电流振荡过零后（流过换流开关的电流为0）中央控制单元给第一全 控型电力电子器件I₁或第二全控型电力电子器件I₂关断信号，全控型电力电 子器件可靠关断，完成整个开断过程。若主断口两端电压大于避雷器动作电 压，则避雷器导通，也可使换流回路电流过零，当避雷器电流降为零后，完 成开断过程，实例如图3所示。

②当新回路处于过阻尼状态，回路电流将不断衰减（衰减速度与线路参 数有关），当中央控制单元监测到新回路电流小于预定值时，中央控制单元向 换流开关（此为第一全控型电力电子器件I₁或第二全控型电力电子器件I₂） 发出关断信号使换流开关关断，完成开断过程，实例如图4所示。这种情况 就是本发明所实现的负荷电流很小时的开断方法。

步骤4：中央控制单元监测流过换流开关和避雷器的电流均为0时，判断 开断过程完成。然后，当开断装置开断电流为I+时，中央控制单元给第三半 控型电力电子器件S₁+和第四半控型电力电子器件S₁-导通信号，第一换流电 容器C₁通过放电支路放电，或者，当开断装置开断电流为I-时，中央控制单 元给第五半控型电力电子器件S₂+和第六半控型电力电子器件S₂-导通信号， 第二换流电容器C₂通过放电支路放电，实现换流电容器的快速放电，保护系 统和负载。

参见图3，直流开断装置开断短路电流时，选择换流开关中的半控型电力 电子器件投入反向电流。

参见图4，直流开断装置在开断负荷电流时，选择换流开关中的全控型电 力电子器件投入反向电流，电流转移至换流支路后，换流支路电流不能过零， 则给全控型电力电子器件关断信号强制关断换流支路。

参见图5，初始时刻换流电容电压为0，经过一定时间（可通过改变充电 电阻阻值来调节），换流电容电压接近母线电压。

参见图6，开断短路电流后，若没有放电支路，则换流电容将通过短路点 和放电电阻进行放电，如图中实线所示放电速度缓慢，若换流电容两端并联 放电支路，则开断过程完成后，换流电容可通过放电支路放电，如图中圆点 线所示，放电速度较快。这主要是由于实际情况下，充电电阻比放电支路电 阻大很多。

本发明中：

1）由全控型电力电子器件和半控型电力电子器件组成的换流开关可以强 制关断流过换流支路的小电流，在开断装置能够开断系统短路电流和大的负 荷电流的基础上，增加了开断小的负荷电流的能力，实现了开断装置的全负 荷开断；2）在主断口两端并联了上述两套换流支路，可以分别开断两个方向 的电流，实现了双向直流开断；3）由换流电容、充电电阻构成两个充电支路， 可以通过母线分别给两个换流电容充电，方便可靠；4）由半控型电力电子器 件和电阻组成换流电容的放电支路，可以在开断过程结束后快速对换流电容 放电，保护负载和系统。