一种高压直流断路器的自取能装置及其实现方法.pdf

本发明公开了一种高压直流断路器的自取能装置及其实现方法，所述自取能装置由依次连接的线路取能单元、高频逆变电路、高频变压器、磁环变压器和整流稳压电路构成，所述自取能装置的实现方法包括以下步骤：将所述线路取能单元串接在所述高压直流断路器的主支路中，从所述主支路的电流中获取能量；当主支路中流过电流时，控制所述开关管的导通和关断；调节所述电容的充电时间来控制所述电容的电压范围。本发明提供的技术方案利用线路中的能量，不需要另外单独的电源，适用于机械开关和电力电子器件混合型的直流断路器，在用于由多个直流断路器串联构成的限流装置时，相对于从低电位通过高频变压器供电的方案，对高频变压器的绝缘要求降低。

权利要求书1.  一种高压直流断路器的自取能装置，其特征在于，所述自取能装置由依次连接的 线路取能单元(5)、高频逆变电路(14)、高频变压器(6)、磁环变压器(8)和整流稳 压电路(15)构成。 2.  根据权利要求1所述高压直流断路器的自取能装置，其特征在于，所述线路取能 单元(5)由两个桥臂与一个电容并联构成，所述桥臂由一个二极管和一个带有反并联 二极管的开关管串联构成，所述二极管和所述开关管的连接点接入高压直流断路器的主 支路中，所述电容两端连接至所述高频逆变电路(14)。 3.  根据权利要求2所述高压直流断路器的自取能装置，其特征在于，所述高频逆变 电路(14)以线路取能单元(5)的电容端为输入，输出高频电流至所述高频变压器(6)。 4.  根据权利要求3所述高压直流断路器的自取能装置，其特征在于，所述高频变压 器(6)的原边和副边分别为一个绕组和一个以上绕组。 5.  根据权利要求4所述高压直流断路器的自取能装置，其特征在于，所述高频变压 器(6)的原边接高频逆变电路(14)，副边输出通过高压电缆接至磁环变压器(8)。 6.  根据权利要求4所述高压直流断路器的自取能装置，其特征在于，所述自取能装 置包括与所述整流稳压电路(15)连接的全桥子模块(7).。 7.  一种高压直流断路器的自取能装置的实现方法，所述自取能装置为上述权利要求 1-6任意一项权利要求所述的高压直流断路器的自取能装置，其特征在于，所述自取能 装置的实现方法包括以下步骤： S1，将所述线路取能单元(5)串接在所述高压直流断路器的主支路中，从所述主支 路的电流中获取能量； S2，当主支路中流过电流时，控制所述开关管的导通和关断； S3，调节所述电容的充电时间来控制所述电容的电压范围。 8.  根据权利要求7所述的自取能装置的其实现方法，其特征在于，所述电容的电压 小于所述开关管的导通压降。

说明书一种高压直流断路器的自取能装置及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子装置，具体涉及一种高压直流断路器的自取能装置及其实 现方法。
背景技术
高压直流断路器主要应用于直流输配电线路，分断直流线路电流。为减小通态损耗， 同时缩短断路器动作时间，采用机械开关和电力电子器件混合方式的直流断路器受到了 越来越多的关注，并衍生出多种拓扑。该类型的直流断路器正常运行时，电流流过机械 开关，线路中发生过流故障时，电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电 力电子器件分断电流。
如申请号为20130051175.9的专利中介绍的断路器就属于这类断路器，该类直流断 路器中正常运行时流过电流的机械开关支路称为主支路，用于分断电流的电力电子器件 支路称为转移支路。由于直流线路的电压高达几十到几百千伏，而电力电子器件的耐压 相对较小，因此电力电子器件在应用到直流线路中时，需要进行串联，包括直接器件串 联(专利200980162538.X)或者通过模块串联(专利20130051175.9)，串联的个数高达 几十甚至上百个。大量IGBT单元或者模块的需要供电并满足绝缘要求。在直流输电中 应用的直流串联的IGBT可从处于关断状态的IGBT端压上获取能量(EP0868014B1)， 模块化多电平(Modular Multilevel Converter，MMC)换流阀中的子模块也可从自身电 容中获取能量，因为其子模块电容在正常运行条件下均保持一定电压。
然而直流断路器中直接串联的IGBT单元或者级联的子模块，在断路器正常运行中， 长期处于导通状态，子模块的电容中也没有电压，因此不能直接从子模块自身获取能量。 针对直流断路器这种应用场合，WO2011/095212 A2号专利文献披露了一种激光送能的 解决高压绝缘的技术方案。然而激光送能成本较高，尤其是在IGBT单元或者级联的子 模块的功能较多时，需要供能的能量更大，无疑这大大增加了设备的成本。
另外一种取能方法是使用高压绝缘的脉冲变压器送能，由于每个脉冲变压器都要承 受大于直流母线电压的高压绝缘，所以成本也不菲。
因此，需要提供一种取能装置以及其方法，以能从直流断路器主支路中获取能量进 而向转移支路中大量串联子模块供电。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高压直流断路器的自取能装置，所述自取能 装置由依次连接的线路取能单元、高频逆变电路、高频变压器、磁环变压器和整流稳压 电路构成。
优选地，所述线路取能单元由两个桥臂与一个电容并联构成，所述桥臂由一个二极 管和一个带有反并联二极管的开关管串联构成，所述二极管和所述开关管的连接点接入 高压直流断路器的主支路中，所述电容两端连接至所述高频逆变电路。
优选地，所述高频逆变电路以线路取能单元的电容端为输入，输出高频电流至所述 高频变压器。
优选地，所述高频变压器的原边和副边分别为一个绕组和一个以上绕组。
优选地，所述高频变压器的原边接高频逆变电路，副边输出通过高压电缆接至磁环 变压器。
优选地，所述自取能装置包括与所述整流稳压电路连接的全桥子模块.。
一种高压直流断路器的自取能装置的实现方法，所述自取能装置为上述的高压直流 断路器的自取能装置，所述自取能装置的实现方法包括以下步骤：
S1，将所述线路取能单元串接在所述高压直流断路器的主支路中，从所述主支路的 电流中获取能量；
S2，当主支路中流过电流时，控制所述开关管的导通和关断；
S3，调节所述电容的充电时间来控制所述电容的电压范围。
优选地，所述电容的电压小于所述开关管的导通压降。
和最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明提出的取能装置，能够从主支路线路电流中获取能量，为转移支路子模 或IGBT单元的驱动供电，不需要另外单独的电源。
2、本发明提出的取能装置中线路取能单元和高频逆变器采用低压开关器件，用于 储能的电容也选用低压电容，因此成本较低。
3、本发明提出的取能装置在用于由多个直流断路器串联构成的限流装置时，高频 变压器绝缘电压根据其所在的单个直流断路器耐压要求设计，相对于从地电位通过高频 变压器供电的方案，对高频变压器的绝缘要求降低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明高压直流断路器的自取能装置的组成示意图；
图2为图1中线路取能单元的主电路图；
图3为本发明高压直流断路器的自取能装置在直流断路器中应用时的主电路图；
图4为图1中全桥子模块的主电路图；
图5为本发明应用于由全桥子模块构成的直流限流装置的接线图；
附图标记：5-线路取能单元；6-高频变压器；7-全桥子模块；8-磁环变压器； 14-高频逆变电路；15-整流稳压电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实 施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细 描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照图1-图4，图1为本发明高压直流断路器的自取能装置的组成示意图；图2为 图1中线路取能单元的主电路图；图3为本发明高压直流断路器的自取能装置在直流断 路器中应用时的主电路图；图4为图1中全桥子模块的主电路图。图1中所述自取能装 置由依次连接的线路取能单元5、高频逆变电路14、高频变压器6、磁环变压器8、整 流稳压电路15和全桥子模块7.构成。
如图2所示，能够流过12、13所示正负两个方向的电流，图中线路取能单元5由 两个桥臂与一个电容C1并联构成，一个桥臂由T1、D1和D3串联构成，另一个由T2、 D2和D4串联构成。D1、D2分别为T1、T2的反并联二极管，D1、D2、D3、D4和T1、 T2的连接点接入高压直流断路器的主支路中，电容C1两端连接至高频逆变电路14；所 述高频逆变电路14以线路取能单元5的电容C1端为输入，输出高频电流至所述高频变 压器6；高频变压器6具有高压绝缘作用，高频变压器6的原边为一个绕组，副边为多 个绕组，原边接高频逆变电路14，副边输出通过高压电缆穿过多个磁环变压器8，每个 磁环变压器8的副边与转移支路的一个子模块或者IGBT单元中的整流稳压电路相连， 为该子模块或IGBT单元供电。
一种高压直流断路器的自取能装置的实现方法，所述自取能装置为上述高压直流断 路器的自取能装置，如图3所示，其中7为全桥子模块，5为本发明提出的自取能装置 的线路取能单元。线路取能单元5连接在主支路中；所述自取能装置的实现方法包括以 下步骤：
S1，将所述线路取能单元5串接在所述高压直流断路器的主支路中，从所述主支路 的电流中获取能量；
S2，当主支路中流过电流时，控制T1，T2的导通和关断；
S3，调节电容C1的充电时间，从而控制C1的电压在一定范围内。
如果主支路流过图2中12所示方向的电流，当T1，T2闭锁时，主支路电流流过 D1，C1，D4，电容C1充电；当T1，T2导通时，主支路电流流过D1，T2，电容C1 被旁路。如果主支路流过图2中13所示方向的电流，当T1，T2闭锁时，主支路电流流 过D2，C1，D3，电容C1充电；当T1，T2导通时，主支路电流流过D1，T2，电容C1 被旁路。C1向高频逆变电路输送能量。采样电容C1两端电压，反馈给迟滞比较器，输 出用于控制T1，T2的导通和闭锁，可将C1电压控制在一定范围内。该范围根据高频 逆变电路的正常工作电压范围设定。由于当线路取能单元闭锁时，C1串入主支路中， 如果C1电压过高，会引起主支路向转移支路换流。为防止线路取能单元对直流断路器 的工作状态产生影响，C1的电压应小于转移支路子模块或者IGBT单元的导通压降。因 此，高频逆变电路的正常工作电压范围在几十伏左右。
由于线路取能单元从主支路电流中获取能量，因此，要求断路器主支路中电流大于 一定限值，当主支路电流大于该电流限值时，该取能设备可以正常为转移支路子模块供 电；当主支路电流小于该电流限值时，该取能设备不能正常工作。主支路中子模块或者 IGBT单元需采用其它方式供能，如光送能，或者从地电位由高频变压器送能。由于主 支路子模块或者IGBT单元个数较少，因此不会对对成本影响很大。
由于线路取能单元和高频逆变电路工作电压在几十伏左右，这样高频逆变电路和线 路取能单元中的开关管可以使用较低电压的器件，甚至可以使用低电流下通态阻抗更低 的MOSFET作为功率开关管。电容可的体积也会比较小。由于电容C1的电压较低，存 储的能量较少，致使线路取能单元的开关管开关频率较高，但是对于低压器件来说，满 足开关频率的要求并不困难。
当C1选用较大的电容值时，由于存储的能量较大，可降低线路取能单元的开关管 的开关频率。如可采用容值为几个法拉的超级电容组，可有效降低开关频率。
当该取能装置应用于由全桥子模块构成的直流限流装置时，如图5所示，图5为本 发明应用于由全桥子模块构成的直流限流装置的接线图。每个断路器中的主支路均设置 线路取能单元，为该断路器的转移支路子模块供电，此时，高频变压器只需要满足其所 在断路器的绝缘耐压要求，即高于避雷器的最高残压。该取能装置同样适用于由半桥模 块或者IGBT单元串联构成的直流断路器中。
本发明所提出的自取能装置串连在直流断路器主支路中，将主支路中的电流存储到 储能电容中，再逆变为高频电流，通过高频变压器和脉冲变压器输送到直流断路器的子 模块或者IGBT单元，为其驱动和附加的控制电路供电。该自取能装置利用线路中的能 量，不需要另外单独的电源，适用于机械开关和电力电子器件混合型的直流断路器，在 用于由多个直流断路器串联构成的限流装置时，高频变压器绝缘电压根据其所在的单个 直流断路器耐压要求设计，相对于从地电位通过高频变压器供电的方案，对高频变压器 的绝缘要求降低。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管 参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发 明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或 者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。