一种晶闸管型直流断路器及其控制方法

1.本发明属于直流断路器领域，具体涉及一种晶闸管型直流断路器及其控制方法。


背景技术：

2.近年风、光等可再生能源持续接入电网，无论是应对远距离柔性直流送出中架空线易发生的暂时性故障，还是满足直流微网故障后故障区域的隔离需求，直流系统保护对于送电可靠性及安全性都极其重要。由于基于全控器件的电压源型换流器具有谐波含量少、可独立控制有功无功、可向无源网络供电等优势，包括多电飞机、地铁供电在内的多种直流系统场景均朝着应用电压源型换流器进行变流及供电的方向发展。电压源型换流器直流侧等效电容较大，直流侧发生故障后，直流侧等效电容会通过低阻抗线路及故障点泄能，直流故障电流持续迅速上升且没有过零点。直流系统的保护难题正成为直流系统发展的瓶颈问题。相较于闭锁换流站开断故障，直流断路器能够有选择地快速切除故障线路从而保护健康线路，已经被业内公认为是具有巨大应用价值的保护方案。
3.固态断路器动作快速，可以有效地限制故障电流峰值，在中低压直流场景中具有广阔的应用前景。晶闸管具有浪涌电流大、成本低、耐压高和导通损耗低等优点，因此晶闸管型固态直流断路器是近几年的研究热点。晶闸管型固态断路器一般可分为被动式方案和主动式方案两类。
4.以z源断路器为代表的被动式方案的工作原理类似，它们均利用故障本身作为触发条件。故障发生后，直流断路器内部晶闸管会自动承受一个反向恢复电压进而关断。为了提高实用性，一些研究者提出了改进的双向被动式方案。但是现存的双向被动式方式存在四个普适性的问题。1)导通损耗高，由于断路器是一种长期导电设备，正常情况下导电开关的数量及类型非常重要，通流支路中只有一组并联晶闸管是最理想的情况；2)可控性低，这些被动式方案都是在故障后触发的，这表明它们不能主动中断正常运行电流，即缺乏可控性；3)可靠性低，正常系统运行时，不可避免地会出现电流波动，而电流剧烈波动时类似于故障工况，可能导致误触发，此外，被动式方案都是按照理想情况进行设计，即没有考虑线路阻抗和故障类型，因此被动式方案不能保证可靠地开断电流；4)缺乏快速重合闸保护功能，最近十年提出的许多被动式方案只关心首次电流开断过程。由于它们都无法很好地处理电容能量的问题，他们不具备快速重合闸保护能力。
5.除了这些被动式方案，各国学者还提出了多种主动式方案。区别于被动式方案，主动式方案的最大特点为通过外部传感电路，主动地控制辅助晶闸管关断通流支路中的晶闸管，因此他们具备开断运行电流的潜力。但均不能很好地解决除可控性之外的其余三个问题。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种晶闸管型直流断路器及其控制方法。所述发明属于一种主动式方案，利用其内部电路结构及其控制方法进行主动控制，用于
解决现有技术中普遍存在的导通损耗高、可控性低、可靠性低和缺乏快速重合闸保护功能的问题。
7.实现本发明目的的技术方案如下：
8.一种晶闸管型直流断路器，晶闸管t
m1
的阳极连接晶闸管t
m2
的阴极构成断路器的a端，t
m1
的阴极连接t
m2
的阳极构成断路器的b端；晶闸管t
p1
的阳极、晶闸管t
p2
的阴极连接到a端；t
p1
的阴极连接t
p2
阳极后，依次通过电阻rg、开关rcbg接地；t
p1
的阴极连接t
p2
阳极后，还通过电感l
p
、电容c连接到b端；避雷器mov的一端连接到t
p1
的阴极，另一端连接到b端。
9.基于上述晶闸管型直流断路器的控制方法，所述直流断路器的状态为t
m1
或t
m2
导通、rcbg闭合，且电容c充满电；当收到主动断开信号，则测量从a端流至b端的电流im；若电流im大于0，则导通t
p1
且断开rcbg；若电流im小于0，则导通t
p1
且断开rcbg，等待半个lc谐振周期后，导通t
p2
。
10.基于上述晶闸管型直流断路器的控制方法，所述直流断路器的状态为t
m1
或t
m2
导通、rcbg闭合，且电容c充满电，包括以下步骤：
11.s1：测量从a端流至b端的电流im；若im的绝对值大于电流阈值i
f0
，则再判断im的正负，若为正进入s2，若为负进入s3。
12.s2：导通t
p1
且断开rcbg；待所有晶闸管和rcbg均断开，同时导通t
m1
和t
p2
；在时间t
f1
内，测量im；若im绝对值大于等于i
f0
，则导通晶闸管t
p1
；否则同时导通t
m1
和t
m2
且闭合rcbg。
13.s3：导通t
p1
且断开rcbg；半个lc谐振周期后，导通t
p2
；待所有晶闸管和rcbg均断开，导通t
m2
；在时间t
f2
内，测量im；若im绝对值大于等于i
f0
，则导通晶闸管t
p1
，半个lc谐振周期后导通晶闸管t
p2
；否则同时导通t
m1
和t
m2
且闭合rcbg。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
15.1、本发明利用半控型电力电子器件晶闸管设计直流断路器，并且只需要两组并联晶闸管，断路器的成本极低。
16.2、通流支路中仅需要一对并联晶闸管，即正常运行工况时导通器件仅为单个晶闸管，导通损耗极低，断路器效率极高。
17.3、电流开断过程和重合闸过程中均不需要外部电源为电容充电，成本和设计复杂度进一步降低。
18.4、本发明的直流断路器能够主动且可靠地开导通或断开双向运行电流或双向故障电流，保证系统安全。
19.5、在传统方案使用谐振电路关断通流支路晶闸管思路的基础上，本发明利用重合闸时通流支路开关导通的时刻，进一步使用谐振电路恢复电容极性，从而满足快速重合闸保护需求。
附图说明
20.图1为本发明提出的一种晶闸管型直流断路器电路图。
21.图2为本发明提出的一种晶闸管型直流断路器的控制方法流程图。
具体实施方式
22.下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以便于本技术领域的技术人
员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
23.下面结合附图详细说明本发明的实施例。
24.如图1所示一种晶闸管型直流断路器，包括通流支路、并联支路和充电支路；
25.所述通流支路包含一对晶闸管t
m1
和t
m2
；晶闸管t
m1
的阳极与晶闸管t
m2
的阴极连接，构成所述断路器的a端；晶闸管t
m1
的阴极与晶闸管t
m2
的阳极连接，构成所述断路器的b端。
26.所述并联支路包含一对晶闸管t
p1
和t
p2
，电感l
p
，电容c和避雷器mov。晶闸管t
p1
的阳极、晶闸管t
p2
阴极连接到a端；晶闸管t
p1
的阴极连接晶闸管t
p2
阳极后，通过电感l
p
、电容c连接到b端；避雷器mov的一端连接到tp1的阴极，另一端连接到b端。
27.所述充电支路包含电阻rg和开关rcbg，所述电阻rg一端连接晶闸管t
p1
阴极，另一端通过开关rcbg接地。
28.本实例中的直流断路器基于半控型电力电子器件晶闸管设计，且如图1所示，只需要两对并联晶闸管，断路器的投资低。
29.本实例中的直流断路器方案中不需要外部充电电源，如图1所示，成本和设计复杂度得以降低。
30.本实例中的避雷器mov并联在lc谐振电路两端，具有两个作用：一、嵌位电压，进而保护电力电子器件；二、耗散直流系统能量。
31.本实例中电阻rg为大电阻，应该将时间常数rgc控制在合理范围内，一般可为几分钟，保证充电速度不慢的同时，避免导通并联支路中晶闸管时引入新的短路故障。
32.本实例中并联支路中的晶闸管仅需在电流开断过程流经电流，且晶闸管浪涌电流耐受能力强，在大电流工作场景中，可以合理设计并联支路中晶闸管的并联数量，从而进一步降低成本。
33.如图2所示，本发明基于上述晶闸管型直流断路器，提出了具备快速重合闸保护功能的控制方法，直流断路器初始态为所有晶闸管和开关rcbg均断开。下面通过不同情况下的实施例，对所述控制方案做进一步说明。
34.上述晶闸管型直流断路器初始态为所有晶闸管和开关rcbg均断开，完整的控制过程包括以下步骤：
35.s1：当需要开通直流电流时，同时导通晶闸管t
m1
和晶闸管t
m2
且闭合rcbg，由于a端、b端电势的不同，t
m1
和t
m2
最终只会有一路导通。电容c通过充电支路的电阻rg充满电，并进入s2。
36.s2：正常运行工况下，若未收到主动断开信号，进入s3。若收到主动断开信号，测量从a流至b的电流im。若电流im大于0，导通晶闸管t
p1
且断开rcbg，当并联支路电流大于im时，晶闸管t
m1
承受电容残余电压关断，电容c反向充电，当直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动耗散系统能量，最终所有晶闸管和rcbg均断开；若电流im小于0，导通t
p1
且断开rcbg，等待半个lc谐振周期后，电容极性翻转，导通晶闸管t
p2
当并联支路电流大于im时，晶闸管t
m1
承受电容残余电压关断，电容c正向充电，当直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动耗散系统能量，最终所有晶闸管和rcbg均断开。主动关断电路流程结束。
37.s3：测量从a端流至b端的电流im，判断im是否等于0；若im等于0，同时导通t
m1
和t
m2
；由于a端、b端电势的不同，t
m1
和t
m2
最终只会有一路导通。进入s4。
38.s4：预设一个电流阀值i
f0
，并将im的绝对值与i
f0
作比较，若im的绝对值小于i
f0
，则返回s3；若im的绝对值大于等于i
f0
，则判断可能有故障发生。将电流im与0作比较；若电流im大于0，判定可能的故障发生在b侧，进入s5；若电流im小于0，判定可能的故障发生在a侧，进入s6。
39.s5：导通t
p1
且断开rcbg；当并联支路电流大于im时，晶闸管t
m1
承受电容残余电压关断，电容c反向充电，当直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动耗散系统能量，待所述的直流断路器进入初始态，重合闸过程开始，同时导通t
m1
和t
p2
；设定一个探测时间阈值t
f1
，在t
f1
内，测量im，并与i
f0
作比较；若im绝对值大于等于i
f0
，判断故障为永久性的，导通晶闸管t
p1
以关断通流支路晶闸管t
m1
，实现快速重合闸保护功能；若im绝对值小于i
f0
，则判断故障为暂时性的，系统已恢复正常，返回s1，使其重新进入正常运行工况。
40.s6：导通t
p1
且断开rcbg；等待半个lc谐振周期后，电容极性翻转，导通t
p2
；当并联支路电流大于im时，晶闸管t
m1
承受电容残余电压关断，电容c正向充电，当直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动耗散系统能量，待所述的直流断路器进入初始态，重合闸过程开始，导通t
m2
；设定一个探测时间阈值t
f2
，在t
f2
内，测量im，并与i
f0
作比较；若im绝对值大于等于i
f0
，判断故障为永久性的，导通晶闸管t
p1
，半个lc谐振周期后，导通晶闸管t
p2
以关断通流支路晶闸管t
m2
，实现快速重合闸保护功能；若im绝对值到小于i
f0
，则判断故障为暂时性的，系统已恢复正常，返回s1，使其重新进入正常运行工况。
41.实施例1：
42.需要正常工作时，同时导通晶闸管t
m1
和晶闸管t
m2
且闭合rcbg，电容c通过充电支路的电阻rg充满电。当接收到主动断开信号，测量从a流至b的电流im。若电流im大于0，导通晶闸管t
p1
且断开rcbg，当并联支路电流大于im时，晶闸管t
m1
承受电容残余电压关断，电容c反向充电，当直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动耗散系统能量，最终所有晶闸管和rcbg均断开；若电流im小于0，导通t
p1
且断开rcbg，等待半个lc谐振周期后，电容极性翻转，导通晶闸管t
p2
当并联支路电流大于im时，晶闸管t
m1
承受电容残余电压关断，电容c正向充电，当直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动耗散系统能量，最终所有晶闸管和rcbg均断开。直流断路器主动控制关断控制结束。
43.实施例2：
44.需要正常工作时，同时导通晶闸管t
m1
和晶闸管t
m2
且闭合rcbg，电容c通过充电支路的电阻rg充满电。当电路电流发生反向时，可能导致正常中正在导通的晶闸管t
m1
或晶闸管t
m2
自然关断，测量从a端流至b端的电流im，若im等于0，同时导通t
m1
和t
m2
；保证电路持续正常工作。
45.实施例3：
46.需要正常工作时，同时导通晶闸管t
m1
和晶闸管t
m2
且闭合rcbg，电容c通过充电支路的电阻rg充满电。为监测电路可能发生的故障，测量从a端流至b端的电流im。预设一个电流阀值i
f0
，并将im的绝对值与i
f0
作比较，若im的绝对值小于i
f0
，判断为正常。若im的绝对值大于等于i
f0
，则将电流im与0作比较；若电流im大于0，判定故障发生在b侧。若电流im小于0，判定故障发生在a侧。
47.当故障发生在b侧时，导通t
p1
且断开rcbg；当并联支路电流大于im时，晶闸管t
m1
承受电容残余电压关断，电容c反向充电，当直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动耗散系统能量。待所述的直流断路器进入初始态，重合闸过程开始，同时导通t
m1
和t
p2
；设定一个探测时间阈值t
f1
，在t
f1
内，测量im，并与i
f0
作比较；若im绝对值大于等于i
f0
，判断为永久性故障，导通晶闸管t
p1
以关断通流支路晶闸管t
m1
，实现快速重合闸保护功能；若im绝对值小于i
f0
，判定为暂时性故障，继续正常工作。
48.当故障发生在a侧，导通t
p1
且断开rcbg；等待半个lc谐振周期后，电容极性翻转，导通t
p2
；当并联支路电流大于im时，晶闸管t
m1
承受电容残余电压关断，电容c正向充电，当直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动耗散系统能量，待所述的直流断路器进入初始态，重合闸过程开始，导通t
m2
；设定一个探测时间阈值t
f2
，在t
f2
内，测量im，并与i
f0
作比较；若im绝对值大于等于i
f0
，判断为永久性故障，导通晶闸管t
p1
，半个lc谐振周期后，导通晶闸管t
p2
以关断通流支路晶闸管t
m2
，实现快速重合闸保护功能；若im绝对值到小于i
f0
，判定为暂时性故障，继续正常工作。
49.在实例中，系统能量指断路器所工作的整个直流系统的能量，通过避雷器mov实现了系统能量吸收和对断路器本身的保护，保护效果较好。
50.在实例3中，处理发生在a侧的故障时，需要提前翻转电容极性，而电容极性翻转需要半个lc谐振周期，在此时间段内，电流持续上升，故处理发生在a侧的故障的要求高于处理发生在b侧的故障的要求。
51.在实例中，要保证所有晶闸管承受反向电压的时间超过其所需反向恢复时间，从而保证各晶闸管可以可靠关断。
52.本实例针对于中低压直流电网，图1的直流断路器利用图2所示的控制方法，可以可靠且主动地开断双向运行电流和故障电流。
53.本实例处理b侧故障时，重合闸过程启动之后，电容极性翻转所需时间和并联支路晶闸管反向恢复时间之和应该短于断路器重新动作的时间，以保证重合闸保护的可靠性。

技术特征：
1.一种晶闸管型直流断路器，其特征在于，晶闸管t
m1
的阳极连接晶闸管t
m2
的阴极构成断路器的a端，t
m1
的阴极连接t
m2
的阳极构成断路器的b端；晶闸管t
p1
的阳极、晶闸管t
p2
的阴极连接到a端；t
p1
的阴极连接t
p2
阳极后，依次通过电阻r
g
、开关rcb
g
接地；t
p1
的阴极连接t
p2
阳极后，还通过电感l
p
、电容c连接到b端；避雷器mov的一端连接到t
p1
的阴极，另一端连接到b端。2.如权利要求1所述的晶闸管型直流断路器的控制方法，其特征在于，所述直流断路器的状态为t
m1
或t
m2
导通、rcb
g
闭合，且电容c充满电；当收到主动断开信号，则测量从a端流至b端的电流i
m
；若电流i
m
大于0，则导通t
p1
且断开rcb
g
；若电流i
m
小于0，则导通t
p1
且断开rcb
g
，等待半个lc谐振周期后，导通t
p2
。3.如权利要求1所述的晶闸管型直流断路器的控制方法，其特征在于，所述直流断路器的状态为t
m1
或t
m2
导通、rcb
g
闭合，且电容c充满电；包括以下步骤：s1：测量从a端流至b端的电流i
m
；若i
m
的绝对值大于电流阈值i
f0
，则再判断i
m
的正负，若为正进入s2，若为负进入s3；s2：导通t
p1
且断开rcb
g
；待所有晶闸管和rcb
g
均断开，同时导通t
m1
和t
p2
；在时间t
f1
内，测量i
m
；若i
m
绝对值大于等于i
f0
，则导通晶闸管t
p1
；否则同时导通t
m1
和t
m2
且闭合rcb
g
；s3：导通t
p1
且断开rcb
g
；半个lc谐振周期后，导通t
p2
；待所有晶闸管和rcb
g
均断开，导通t
m2
；在时间t
f2
内，测量i
m
；若i
m
绝对值大于等于i
f0
，则导通晶闸管t
p1
，半个lc谐振周期后导通晶闸管t
p2
；否则同时导通t
m1
和t
m2
且闭合rcb
g
。

技术总结
本发明涉及直流断路器领域，公开了一种晶闸管型直流断路器及其控制方法，所述直流断路器结构为晶闸管T


技术研发人员：王顺亮 秦科军 马俊鹏 刘天琪
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/14