基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器及其控制方法

1.本发明涉及一种直流断路器领域，尤其涉及一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器及其控制方法。


背景技术：

2.伴随着直流电网结构的高度电力电子化，直流系统的低惯量性质对故障电流的发展存在不良影响，直流断路器动作时故障电流已大幅上涨，网络中的储能元件也积蓄了更多能量，因此直流断路器需要在较短时间内开断较大电流，同时耗散较多能量。
3.为满足未来直流电网高压大容量的需求，具备限流能力的多端口混合式dccb大有发展空间。提出一种fcl与dccb共用流通支路，故障切除过程中利用主限流器限流，利用主断路器开断的电容换向型限流式dccb，相较于fcl与dccb协调配合方案节省了一条通流支路，但是仍有较大经济性提升空间；也有学者提出一种在dccb的主断路支路串接限流电抗器的拓扑结构，虽然使dccb具备了限流能力，但是在换流初期电感两端可能产生过电压问题威胁设备安全；而提出一种阀段式模块化设计的限流式dccb，正常运行时电感支路并联运行以减小等值阻抗和对系统动态性能的影响，故障状态下电感支路由并联结构改为串联结构提高接入电网的电感值用于限流，但主断路阀段使用的器件数目较大、结构较为复杂且难以拓展为多端口形式；提出一种共用主限流器和主断路器的多端口限流式dccb，但主断路器需开断所有支路的故障电流，若能转移部分能量至其他储能元件再分别耗能则可以减少主断路器的电气要求。上述研究虽然能够实现故障的快速切除和隔离，但在设备集成度、稳态损耗、以及制造成本等方面还具有进一步提升空间。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器，以达到兼顾成本、缩短切除和隔离时间目的。为此，本发明采取以下技术方案。
5.一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器，多端口直流断路器设有一能与换流站相连接的直流断路器输入端，多个能与线路负载相连的直流断路器输出端；多端口直流断路器包括低损耗支路、稳压及汇流支路、电流转移及限流支路、耗能支路和状态恢复支路；
6.低损耗支路：包括开关ufd及与开关ufd串联的双向导通的负载转换开关lcs；用于负责系统正常运行时直流工作电流的输送以及直流侧发生线路短路故障时辅助故障电流转移至电流转移及限流支路；
7.稳压及汇流支路：包括电容cv；用于负责系统稳态运行时稳定直流侧的输出电压，清除直流侧故障时将故障电流能量暂时储存在电容cv中，并待故障电流清除后再将多余的能量释放；
8.电流转移及限流支路：包括电容cc；用于故障切除期间提供电流通路，同时利用电
容cc限制故障电流的增长速率；
9.耗能支路：包括电阻re；用于消耗故障线路中储能元件积蓄的能量；
10.状态恢复支路：包括电阻rs，用于当电容cv恢复至系统级电压后消耗电容cc储存的能量，使电容cc恢复零状态。
11.在本技术方案中，直流断路器输出端的数量根据需要设置，可以为两个，或三个等。
12.本技术方案实现了在断路器动作期间将故障电流的清除过程与故障线路残余能量的泄放过程解耦。不再采用避雷器进行能量耗散，通过增设的汇流电容和耗能支路进行故障电流的汇集和故障能量的吸收，从而实现了进一步缩短直流断路器的故障隔离时间和设备耐压需求。
13.作为优选技术手段：所述的低损耗支路设有多条，所述的低损耗支路的第一端通过主流通支路与多端口直流断路器的输入端相连，第二端与多端口直流断路器的对应输出端相连；所述的稳压及汇流支路的第一端与低损耗支路的第一端相连，第二端接地；所述的电流转移及限流支路的第一端与稳压及汇流支路相连，第二端与耗能支路相连；所述的状态恢复支路的第一端与电流转移及限流支路相连，第二端接地；所述的耗能支路设有与低损耗支路对应数量的第一端，耗能支路的第一端与对应低损耗支路的第二端相连。耗能支路的第二端可以为接地端。
14.作为优选技术手段：所述低损耗支路中的开关ufd为机械开关ufd，负载转换开关lcs为双向导通的全控型负载转换开关lcs；稳压及汇流支路包括串联的机械开关t
v1
、全控型阀组开关t
v2
、电容cv；电流转移及限流支路包括串联的全控型阀组开关tc、电容cc；耗能支路包括二极管和及与二极管串联的电阻re；状态恢复支路包括串联的机械开关t
s1
、半控型晶闸管开关t
s2
、二极管d
s3
及电阻rs。
15.作为优选技术手段：所述的主流通支路包括串联的机械开关ufd1和全控型负载转换开关lcs1，其机械开关ufd1的输入端与直流断路器输入端相连，其全控型负载转换开关lcs1的输出端与低损耗支路及稳压及汇流支路相连；稳压及汇流支路的机械开关t
v1
的一端与全控型及负载转换开关lcs1的输出端相连，另一端与稳压及汇流支路的全控型阀组开关t
v2
一端、电流转移及限流支路的全控型阀组开关tc一端相连；全控型阀组开关t
v2
的另一端与电容cv正极相连，电容cv负极接地；全控型阀组开关tc的另一端与电容cc正极、状态恢复支路的机械开关t
s1
一端相连；电容cc负极与耗能支路的二极管正极、电阻re一端相连；耗能支路的二极管负极与低损耗支路相连；电阻re另一端接地。
16.作为优选技术手段：所述的机械开关ufd、机械开关t
v1
均能耐受高压后消耗故障线路中储能元件积蓄的能量，且机械开关ufd的合分闸效率高于机械开关t
v1
。
17.本发明的另一个目的是提供一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器的控制方法，多端口直流断路器接入直流系统使用时：
18.当系统正常运行时，直流断路器通过内部各低损耗支路进行电能输送，此时各机械开关ufd和负载转换开关lcs导通，开关t
v1
及t
v2
处于导通状态，稳压及汇流支路接入直流系统，此时电容cv作为稳压电容使用，当换流站直流侧输出电压出现小范围波动时，稳压及汇流支路起到稳定直流输出电压的作用，转移及限流支路处于开路状态，耗能支路无电流流过；
19.当检测到疑似故障时，关断对应发生疑似故障线路所接低损耗支路上的负载转换开关lcs和全控型阀组开关t
v2
，导通全控型阀组开关tc，转移及限流支路投入，限流电容cc开始充电限流；确认故障后，跳开发生故障线路所接低损耗支路上的机械开关ufd，并关断限流支路开关tc，稳压及汇流支路投入，进行故障电流衰减及故障线路能量泄放的解耦，延时后，断开机械开关t
v1
，短路故障线路切除，非故障线路恢复正常运行。
20.作为优选技术手段：当在t0时刻发生故障后，多端口直流断路器控制步骤包括：
21.1)直流线路短路时间t0≤t《t122.发生故障后经过延时，t1时刻继电保护装置检测到直流系统发生可疑故障，t0≤t《t1时段内，直流故障电流自由增长，此时故障电流通路与直流系统正常工作状态相同；
23.2)直流线路短路时间t1≤t《t224.t1时刻给转移及限流支路的全控型阀组开关tc施加导通信号，同时关断稳压及汇流支路的全控型阀组开关t
v2
、对应发生故障线路所接低损耗支路上的负载转换开关lcs，此时限流电容cc开始进行充电并抑制故障电流的增长速率；若t2时刻准确检测到故障则进行后续动作，否则重新导通lcs并将转移及限流支路退出，系统恢复至正常工作状态；
25.3)直流线路短路时间t2≤t《t326.t2时刻故障检测阶段结束且准确检测到故障位置，此时跳开故障线路所接低损耗支路上的机械开关ufd，限流电容持续充电，故障限流能力进一步增强；待到t3时刻，故障线路所接低损耗支路上的机械开关ufd达到额定开距，以为故障线路的切除提供足够电气强度；
27.4)直流线路短路时间t3≤t《t428.t3时刻故障线路所接低损耗支路上的机械开关ufd打开到额定分闸位置，此时给转移及限流支路开关tc施加关断信号，故障电流通过稳压及汇流支路的二极管和电容cc构成回路并将故障电流能量储存到电容cc中，此时电容cc作为汇流电容存在于故障回路；与此同时，故障线路上平波电抗器中储存的能量通过耗能支路—平波电抗器—故障接地点构成回路进行能量的释放，进行故障电流衰减及故障线路能量泄放的解耦，以缩短直流断路器切除直流故障线路的动作时间。
29.5)直流线路短路时间t≥t430.t4时刻故障线路上的储能元件耗能结束，故障线路电流降为0，故障线路完成隔离工作，t5时刻稳压及汇能支路上的故障电流降为0，此时机械开关t
v1
进行无弧分断，非故障线路恢复正常运行。
31.有益效果：本技术方案能将故障电流的衰减清除过程与故障线路残余能量的泄放过程进行解耦，利用转移支路电容实现限流功能，利用稳压及汇流支路电容为电路解耦后的源侧故障电流提供通路并使其快速衰减，故障线路中储能元件所含能量通过耗能支路进行释放，解耦后可显著缩短故障线路隔离所需时长。
32.本技术方案不再采用避雷器进行能量耗散，降低成本；而且通过增设的汇流电容和耗能支路进行故障电流的汇集和故障能量的吸收，从而实现了进一步缩短直流断路器的故障隔离时间和设备耐压需求。
附图说明
33.图1是本发明的dc cl&ec mp-dccb拓扑结构图。
34.图2是本发明的四端直流电网图。
35.图3是本发明的多端口直流断路器动作流程图。
36.图4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)是本发明的故障隔离动作时序图。
37.图5是本发明的电容cv参数分析等效电路及其简化电路图。
38.图6(a)、(b)是本发明的不同cv参数下的故障电流及电容峰值电压曲线图。
39.图7是本发明的不同耗能电阻re参数下的故障线路电流曲线图。
40.图8(a)、(b)、(c)、(d)是本发明的直流故障电流开断曲线图。
41.图9是本发明的限流电容及汇流电容电压曲线图。
42.图10是本发明的多端口断路器主分断开关两端电压曲线图。
43.图11是现有的直流断路器拓扑结构图。
44.图12是故障线路开断时间对比图。
具体实施方式
45.以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
46.实施例一：
47.多端口直流断路器具有多个端口，端口可以有两个、三个、四个等等。在本实施例中，多端口直流断路器具有三个端口，分别为一个直流断路器输入端；两个直流断路器输出端；
48.本实施例的基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器(multi-port dc circuit breaker based on double capacitor current limiting and energy collection，dc cl&ec mp-dccb)拓扑结构如图1所示，该拓扑结构共包含六条主要支路，分别是主流通支路、低损耗支路、稳压及汇流支路、电流转移及限流支路、耗能支路和状态恢复支路。其中，ufd
1-3
为超快速机械开关，稳态时处于合闸状态，用于承载系统正常运行的电流，故障时分闸用于隔离故障线路；lcs
1-3
为负载转换开关，由反并联二极管-igbt模块串联而成，具有双向导通的作用；l
dc
为平波电抗器，防止系统发生故障时产生较大的电流波动，限制故障电流的上升；p1为该断路器的输入端口，与换流站mmc2端口连接；p
2-3
为输出端，与负载侧线路的相连，当某条线路发生金属性接地故障，与之相连端口的负荷阻抗接近于零。
49.图1中，主流通支路(main circulation branch，mcb)由超快速机械开关ufd1和双向导通的全控型负载转换开关lcs1组成，其本质也是低损耗支路，用于承载系统的稳态电流和故障电流，并作为负载端p
2-3
的总输入端。
50.低损耗支路(low loss branch，llb)为超快速机械开关ufd
2-3
与负载转换开关lcs
2-3
串联构成，负责系统正常运行时直流工作电流的输送以及直流侧发生线路短路故障时辅助故障电流转移至电流转移及限流支路；
51.稳压及汇流支路(voltage-stabilizing and current-collection branch，vs&ccb)由可耐受较大电压且价格低廉的机械开关t
v1
和少量全控型阀组t
v2
以及稳压及汇流电容cv构成，该支路的作用主要有两点：一是负责系统稳态运行时稳定直流侧的输出电压；二是清除直流侧故障时暂时储存故障电流能量，待故障电流清除后再将多余的能量释放；
52.电流转移及限流支路(current-transferring and current-limiting branch，ct&clb)由全控型阀组tc以及限流电容cc串联构成，用于故障切除期间提供电流通路同时利用限流电容cc限制故障电流的增长速率；
53.耗能支路(energy consuming branch，ecb)由二极管和耗能电阻re构成，用于故障线路所连接的超快速机械开关可耐受高压后消耗故障线路中储能元件积蓄的能量；
54.状态恢复支路由机械开关t
s1
、半控型晶闸管开关t
s2
、二极管d
s3
及恢复电阻rs构成，该支路用于电容cv恢复至系统级电压左右后消耗限流电容cc储存的能量，使电容cc恢复零状态。
55.以图1所示的三端口形式的dc cl&ec mp-dccb为例说明所提断路器的工作原理，其在四端直流电网中的安装位置及短路故障发生位置同样如图2所示。
56.假设t0时刻线路l
23
靠近换流站mmc2端处发生单极接地短路故障，多端口直流断路器的p1端口连接换流站mmc2，p2端口连接线路l
12
，p3端口连接线路l
23
，所提断路器隔离故障线路的具体工作流程如图3所示，动作时序如图4所示，具体的工作原理如下所述。
57.系统正常运行时(t《t0)，直流断路器通过内部主流通支路和低损耗支路进行电能输送，此时各超快速机械开关ufd和负载转换开关lcs导通，开关t
v1
及t
v2
处于导通状态，稳压及汇流支路接入直流系统，此时电容cv作为稳压电容使用，当换流站直流侧输出电压出现小范围波动时，稳压及汇流支路可起到稳定直流输出电压的作用，提高直流电网的供电质量，转移及限流支路处于开路状态，耗能支路无电流流过，正常工作状态下的电流路径如图4(a)所示。
58.(1)直流线路短路时间t0≤t《t159.发生故障后经过0.3ms延时，t1时刻继电保护装置检测到直流系统发生可疑故障，t0≤t《t1时段内，直流故障电流自由增长，此时故障电流通路与直流系统正常工作状态相同，电流路径如图4(a)所示。
60.(2)直流线路短路时间t1≤t《t261.t1时刻给转移及限流支路的全控型阀组tc施加导通信号，同时闭锁稳压及汇流支路的全控型阀组t
v2
并关断负载转换开关lcs3，此时限流电容cc开始进行充电并抑制故障电流的增长速率，闭锁阀组t
v2
的目的为防止与系统同电压等级的稳压及汇流电容cv对故障点进行放电，同样地，由于电力电子开关的开断时间极短，上述动作在分析时视为同时发生，若t2时刻准确检测到故障则进行后续动作，否则重新导通lcs3并将转移及限流支路退出，系统恢复至正常工作状态，此阶段的电流通路如图4(b)所示。
62.(3)直流线路短路时间t2≤t《t363.t2时刻故障检测阶段结束且准确检测到故障位置，此时跳开故障支路所直接连接的超快速机械开关ufd3，限流电容持续充电，故障限流能力进一步增强，待到t3时刻ufd3达到额定开距，可为故障线路的切除提供足够电气强度，t2≤t《t3时间段内的电流路径同样如图4(b)所示。
64.(4)直流线路短路时间t3≤t《t465.t3时刻ufd3打开到额定分闸位置，此时给转移及限流支路开关tc施加关断信号，故障电流通过稳压及汇流支路的二极管和电容cc构成回路并将故障电流能量储存到电容cc中，此时电容cc作为汇流电容存在于故障回路，电流路径如图4(c)中虚线所示，由于电容cc本身初始电压即为系统级电压，故障电流会在较短时间内下降为0，与此同时，故障线路上平波电抗器中储存的能量通过耗能支路—平波电抗器—故障接地点构成回路进行能量的释放，电流路径如图4(c)中虚线所示，从而实现了故障电流衰减及故障线路能量泄放的解耦，可大幅缩短直流断路器切除直流故障线路的动作时间。
66.(5)直流线路短路时间t≥t467.t4时刻故障线路上的储能元件耗能结束，故障线路电流降为0，故障线路完成隔离工作，t5时刻稳压及汇能支路上的故障电流降为0，此时机械开关t
v1
可进行无弧分断，非故障线路恢复正常运行，t4≤t《t5时段及t5时刻后的电流路径分别如图4(d)、图4(e)所示。
68.由于直流断路器工作原理研究主要集中于故障开断过程，对故障开断完成后断路器内部储能元件的能量耗散过程而言，为尽快使瞬时性故障的故障线路恢复正常运行，恢复电阻rs可取较小值，以减小限流电容cc状态恢复回路(限流电容cc—开关t
s1
、t
s2
、d
s3
、恢复电阻rs—耗能电阻re)的时间常数。因此本技术方案所提多端口直流断路器拓扑结构中的关键元件包括限流电容cc、稳压及汇流电容cv和耗能电阻re，对于本技术方案中的限流电容cc，其参数设计原则与常见转移电容c的参数设计相同，故限流电容cc的取值即定为215μf，下面对其他两个关键参数的设计进行分析。
69.在系统正常运行时，稳压及汇流电容cv可等效为一个系统级电压的大电源，稳态下讨论其参数并无太大意义，而在直流侧线路短路故障切除期间，电容cv的参数设计直接影响故障线路所连接的超快速机械开关完全跳开后，故障电流流向电容cv最终降为0所需要的时间以及电容cv最终达到的峰值电压，即图4(c)所示阶段，该阶段的等效电路及其简化电路如图5所示，图中u为换流站等效直流电压源，l
dc
为平波电抗器。
70.由图5简化电路可列写下述方程：
[0071][0072][0073][0074]
分析可知，电容cv参数取值越小时，电容对故障电流的吸收越快，则故障电流下降到0的时间越短，但是同时电容最终达到的峰值电压也越大，在pscad/emtdc软件中搭建模型进行仿真，结果如图6所示。由图6(a)可知，当电容cv参数取50微法时，故障电流可在故障发生后5.8ms衰减至0，所需时间最短，但是电容cv的峰值电压达到373kv，严重影响设备的绝缘水平和绝缘造价。随着电容cv参数取值的逐渐增大，故障电流的衰减时间略微增加，当电容cv参数达到200微法时，故障电流切除时间基本保持不变，与电容cv参数取50微法所需的故障电流切除时间相比仅增加了0.8ms，但电容cv的峰值电压从373kv下降为259kv；且由图6(b)可直观发现，电容cv参数达到200微法后，电容参数的变化对电容cv最终的峰值电压变化影响显著降低。通过上述分析，综合考虑故障电流切除时间、电容cv峰值电压和电容参数对设备的绝缘影响，本实施例中稳压及汇流电容cv参数取值为200μf。
[0075]
耗能电阻re主要影响故障电流转移至稳压及汇流支路后，故障线路中储能元件的能量释放时长，即影响故障线路的隔离时间，为满足断路器的快速性需求，在pscad/emtdc
软件中搭建模型进行仿真分析，不同耗能电阻re参数下的故障线路电流曲线图如图7所示。由图7可知，耗能电阻re参数逐渐增大时，故障线路上电流的衰减时长逐渐缩短，但当耗能电阻re增大至150ω时，故障线路可在故障发生后4.8ms完成隔离，继续增大阻值时，故障线路的隔离时长基本不再改变，综上所述，本实施例中耗能电阻re参数取值为150ω。
[0076]
仿真分析
[0077]
在pscad/emtdc仿真软件中搭建如图2所示的四端直流电网模型对所提断路器的功能进行验证，各换流站参数设置如表1，直流断路器元件参数如表2所示，线路参数为r0＝0.01ω/km，l0＝0.82mh/km，直流线路平波电抗取20mh。假设系统稳定运行1.5s时，l
23
首端发生单极短路故障，以换流站mmc2连接的三端口直流断路器为例校验本实施例所提断路器拓扑的开断性能和故障开断时间。
[0078]
图8给出了在断路器开断直流故障电流的过程中，所提多端口直流断路器内部各支路的电流流通情况。
[0079]
表1换流站参数
[0080][0081]
表2直流断路器参数
[0082][0083]
[0084]
图8(a)为低损耗支路的电流情况，稳态运行时，换流站mmc2和mmc3为受端换流站，线路l
23
上的工作电流流向为换流站mmc3至mmc2，发生故障后，线路l
23
上的电流先快速衰减到0然后反向增大至0.68ka，至1.5003s时转移及限流支路投入，故障电流转到转移及限流支路，该支路的电流情况用流过限流电容cc的电流i
cc
表示，i
cc
电流曲线图如图8(b)所示。1.5003s时转移及限流支路电流先迅速增大至0.68ka，由于限流电容cc的存在，故障电流在增至0.68ka后稍有降低而后故障电流给限流电容持续充电，限流电容的限流能力逐渐增强，故障电流的上升速率逐渐下降，至1.504s故障线路所连接的超快速机械开关分断至额定打开位置，转移及限流支路退出，i
cc
电流值迅速减小至零，此后故障电流所含能量被分为两部分：一是由于网络中电感元件的作用导致其他换流站的馈送电流不能瞬时改变，这一部分的电流能量通过汇流电容暂时将其储存起来，换流站的馈送电流在几个毫秒内快速下降至零，而后网络中的非故障部分逐渐恢复正常运行从而减小故障的影响范围，该阶段的电流情况如图8(c)所示，该曲线中1.5s时的电流波动是由于故障发生瞬间稳压及汇流电容的短时放电及充电所引起，但该支路在故障后0.3ms便及时切除，阻止了稳压及汇流电容的进一步放电；二是故障线路中的平波电抗器所储存的能量，该部分能量通过耗能支路和故障线路构成的回路进行释放，该时段的电流情况如图8(d)中t》1.504s部分所示，由图8(d)可知，故障支路电流在1.5048ms即完成储能元件的能量释放工作，隔离故障线路所需的时长显著缩短。
[0085]
图9给出了所提断路器开断直流线路故障期间限流电容cc及汇流电容cv的电压上升情况。
[0086]
其中，限流电容cc的电压在故障线路所连超快速机械开关分断至额定位置后达到电压峰值，其峰值为100kv，如图9中实线所示。汇流电容cv的电压上升情况如图9中虚线所示，稳态时汇流电容cv的电压约为系统电压，故障发生瞬间，其电压稍有波动，而后断路器及时动作，其电压保持稳定，直至故障线路所连超快速机械开关分断至额定位置汇流支路重新投入，转移及限流支路退出运行，汇流电容cv汇集换流站故障电流，电容cv电压逐渐升高，直至换流站馈送电流降为零，电容cv电压达到峰值，其值为260kv。
[0087]
图10为所提多端口断路器主分断开关两端电压曲线图，所提主分断开关指电流转移及限流支路的igbt全控开关以及稳压及汇流支路的igbt全控开关。
[0088]
由于系统稳态运行时断路器内部稳压及汇流支路导通，电流转移及限流支路开路，电容cv带系统级电压，直流故障开断期间电流转移及限流支路先导通后关断，稳压及汇流支路先关断后导通，两支路的全控开关状态互补，故将其共同视为断路器的主分断开关对其两端的电压状况进行观测。由图10可知，稳态时主分断开关(主要是电流转移及限流支路开关)承担系统级电压，故障后0.3ms时转移支路触发，主分断开关两端电压降为零，而后稳压及汇流支路开关闭锁，主分断开关(主要是稳压及汇流支路开关)承受电压，而后限流电容cc持续充电，主分断开关两端电压逐渐下降，直至1.504s汇流电容cv恢复导通并汇集故障电流能量，电容cv电压逐渐升高至峰值电压260kv，主分断开关(主要是电流转移及限流支路开关)两端电压升高，最终电压为156kv，据此进行电流转移及限流支路的igbt全控开关以及稳压及汇流支路的igbt全控开关的器件数量计算。
[0089]
为校验将故障电流的衰减清除过程与故障线路残余能量的泄放过程进行解耦，从而达到进一步减少直流断路器故障开断时间的效果，将本实施例所提多端口直流断路器与
同类型多端口电容限流式直流断路器(multi-port dc circuit breaker based on capacitor current-limiting，ccl mp-dccb)的进行仿真对比，对比方案的直流断路器拓扑结构如图11所示。分别从两种方案的限流性能和开断性能方面进行了仿真对比，对比结果如图12所示。
[0090]
由图12可明显看出，两种方案对故障电流的限流效果相同，故障电流峰值均在8.8ka，但本实施例所提多端口直流断路器拓扑方案由于将故障电流的衰减过程与故障线路能量的泄放过程进行了解耦，故障线路的电流在1.5048s时即下降为0，与mp-dccb型断路器拓扑方案相比，故障线路的隔离完成时间提前了2ms，减少了约29.4％的隔离故障线路所需时长，从而验证了将故障电流的衰减清除过程与故障线路残余能量的泄放过程进行解耦的有效性和必要性。
[0091]
由仿真结果图8可知，非故障点所在的低损耗支路的故障电流峰值为5.89ka，该支路由3条igbt集成模块并联而成，每条支路中igbt的串联数量为10个，故总需要30个igbt；故障点所在的低损耗支路的电流峰值为2.06ka，igbt额定电流为2ka，考虑电流裕度，该支路需并联2条igbt集成模块，每条支路中igbt的串联数量为20个，总需要40个igbt；转移及限流支路的故障电流峰值为8.6ka，因此该支路需并联5条支路，而该支路中串联的igbt数量需根据其两端电压情况确定，由图10图可知，该支路耐受电压峰值为193kv，考虑工程条件和安全裕度，igbt耐压能力计为2.25kv，可得出需要串联的igbt数量为193/2.25＝86个，因此该支路所需igbt数量为86
×
5＝430个；稳压及汇流支路的电流峰值为8.36ka，因此该支路需并联5条支路，由图10可知，该支路耐受电压峰值为188kv，需要串联的igbt数量为188/2.25＝84个，则该支路所需igbt数量为84
×
5＝420个。综上所述，本实施例所提断路器拓扑结构共需920个igbt，经济性上较mp-dccb型拓扑结构略有下降，但仍优于abb混合式直流断路器、基于电容换流的限流式直流断路器和阻感限流型混合式直流断路器，且断路器动作时长明显缩短。
[0092]
以上所示的一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

技术特征：
1.一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器，多端口直流断路器设有一能与换流站相连接的直流断路器输入端，多个能与线路负载相连的直流断路器输出端；其特征在于：多端口直流断路器包括低损耗支路、稳压及汇流支路、电流转移及限流支路、耗能支路和状态恢复支路；低损耗支路：包括开关ufd及与开关ufd串联的双向导通的负载转换开关lcs；用于负责系统正常运行时直流工作电流的输送以及直流侧发生线路短路故障时辅助故障电流转移至电流转移及限流支路；稳压及汇流支路：包括电容c
v
；用于负责系统稳态运行时稳定直流侧的输出电压，清除直流侧故障时将故障电流能量暂时储存在电容c
v
中，并待故障电流清除后再将多余的能量释放；电流转移及限流支路：包括电容c
c
；用于故障切除期间提供电流通路，同时利用电容c
c
限制故障电流的增长速率；耗能支路：包括电阻r
e
；用于消耗故障线路中储能元件积蓄的能量；状态恢复支路：包括电阻r
s
，用于当电容c
v
恢复至系统级电压后消耗电容c
c
储存的能量，使电容c
c
恢复零状态。2.根据权利要求1所述的一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器，其特征在于：所述的低损耗支路设有多条，所述的低损耗支路的第一端通过主流通支路与多端口直流断路器的输入端相连，第二端与多端口直流断路器的对应输出端相连；所述的稳压及汇流支路的第一端与低损耗支路的第一端相连，第二端接地；所述的电流转移及限流支路的第一端与稳压及汇流支路相连，第二端与耗能支路相连；所述的状态恢复支路的第一端与电流转移及限流支路相连，第二端接地；所述的耗能支路设有与低损耗支路对应数量的第一端，耗能支路的第一端与对应低损耗支路的第二端相连。3.根据权利要求2所述的一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器，其特征在于：所述低损耗支路中的开关ufd为机械开关ufd，负载转换开关lcs为双向导通的全控型负载转换开关lcs；稳压及汇流支路包括串联的机械开关t
v1
、全控型阀组开关t
v2
、电容c
v
；电流转移及限流支路包括串联的全控型阀组开关t
c
、电容c
c
；耗能支路包括二极管和及与二极管串联的电阻r
e
；状态恢复支路包括串联的机械开关t
s1
、半控型晶闸管开关t
s2
、二极管d
s3
及电阻r
s
。4.根据权利要求3所述的一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器，其特征在于：所述的主流通支路包括串联的机械开关ufd1和全控型负载转换开关lcs1，其机械开关ufd1的输入端与直流断路器输入端相连，其全控型负载转换开关lcs1的输出端与低损耗支路及稳压及汇流支路相连；稳压及汇流支路的机械开关t
v1
的一端与全控型及负载转换开关lcs1的输出端相连，另一端与稳压及汇流支路的全控型阀组开关t
v2
一端、电流转移及限流支路的全控型阀组开关t
c
一端相连；全控型阀组开关t
v2
的另一端与电容c
v
正极相连，电容c
v
负极接地；全控型阀组开关t
c
的另一端与电容c
c
正极、状态恢复支路的机械开关t
s1
一端相连；电容c
c
负极与耗能支路的二极管正极、电阻r
e
一端相连；耗能支路的二极管负极与低损耗支路相连；电阻r
e
另一端接地。5.根据权利要求3所述的一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器，其特征在于：所述的机械开关ufd、机械开关t
v1
均能耐受高压后消耗故障线路中储能元件积蓄的能
量，且机械开关ufd的合分闸效率高于机械开关t
v1
。6.采用权利要求4所述的一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器的控制方法，其特征在于：多端口直流断路器接入直流系统使用时：当系统正常运行时，直流断路器通过内部各低损耗支路进行电能输送，此时各机械开关ufd和负载转换开关lcs导通，开关t
v1
及t
v2
处于导通状态，稳压及汇流支路接入直流系统，此时电容c
v
作为稳压电容使用，当换流站直流侧输出电压出现小范围波动时，稳压及汇流支路起到稳定直流输出电压的作用，转移及限流支路处于开路状态，耗能支路无电流流过；当检测到疑似故障时，关断对应发生疑似故障线路所接低损耗支路上的负载转换开关lcs和全控型阀组开关t
v2
，导通全控型阀组开关t
c
，转移及限流支路投入，限流电容c
c
开始充电限流；确认故障后，跳开发生故障线路所接低损耗支路上的机械开关ufd，并关断限流支路开关t
c
，稳压及汇流支路投入，进行故障电流衰减及故障线路能量泄放的解耦，延时后，断开机械开关t
v1
，短路故障线路切除，非故障线路恢复正常运行。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：当在t0时刻发生故障后，多端口直流断路器控制步骤包括：1)直流线路短路时间t0≤t<t1发生故障后经过延时，t1时刻继电保护装置检测到直流系统发生可疑故障，t0≤t<t1时段内，直流故障电流自由增长，此时故障电流通路与直流系统正常工作状态相同；2)直流线路短路时间t1≤t<t2t1时刻给转移及限流支路的全控型阀组开关t
c
施加导通信号，同时关断稳压及汇流支路的全控型阀组开关t
v2
、对应发生故障线路所接低损耗支路上的负载转换开关lcs，此时限流电容c
c
开始进行充电并抑制故障电流的增长速率；若t2时刻准确检测到故障则进行后续动作，否则重新导通lcs并将转移及限流支路退出，系统恢复至正常工作状态；3)直流线路短路时间t2≤t<t3t2时刻故障检测阶段结束且准确检测到故障位置，此时跳开故障线路所接低损耗支路上的机械开关ufd，限流电容持续充电，故障限流能力进一步增强；待到t3时刻，故障线路所接低损耗支路上的机械开关ufd达到额定开距，以为故障线路的切除提供足够电气强度；4)直流线路短路时间t3≤t<t4t3时刻故障线路所接低损耗支路上的机械开关ufd打开到额定分闸位置，此时给转移及限流支路开关t
c
施加关断信号，故障电流通过稳压及汇流支路的二极管和电容c
c
构成回路并将故障电流能量储存到电容c
c
中，此时电容c
c
作为汇流电容存在于故障回路；与此同时，故障线路上平波电抗器中储存的能量通过耗能支路—平波电抗器—故障接地点构成回路进行能量的释放，进行故障电流衰减及故障线路能量泄放的解耦，以缩短直流断路器切除直流故障线路的动作时间；5)直流线路短路时间t≥t4t4时刻故障线路上的储能元件耗能结束，故障线路电流降为0，故障线路完成隔离工作，t5时刻稳压及汇能支路上的故障电流降为0，此时机械开关t
v1
进行无弧分断，非故障线路恢复正常运行。

技术总结
本发明公开了一种基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器及其控制方法；多端口电容限流式直流断路器在故障隔离过程中故障电流的清除与故障线路残余能量的耗散存在的耦合关系，延长了故障的开断时长。本发明包括低损耗支路、稳压及汇流支路、电流转移及限流支路、耗能支路和状态恢复支路；将故障电流的衰减清除过程与故障线路残余能量的泄放过程进行解耦，提出基于双电容限流及汇能的多端口直流断路器，进一步降低直流断路器的故障开断时间和设备耐压要求；不再采用避雷器进行能量耗散，降低成本；而且通过增设的汇流电容和耗能支路进行故障电流的汇集和故障能量的吸收，从而实现了进一步缩短直流断路器的故障隔离时间和设备耐压需求。设备耐压需求。设备耐压需求。


技术研发人员：吴华华 谷炜 孙文多 楼贤嗣 蒙志全 黄启航 陈益渊 叶聪琪 黄立超 栗峰 梁兆洪 袁宸胤 王鹤 边竞 李石强 曹占辉
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司南京分院 东北电力大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/8/22