一种双向直流故障中断装置及其控制方法与流程

本发明属于电力设备，具体涉及一种双向直流故障中断装置及其控制方法，适用于直流电力系统网络的保护，对直流网络故障进行无弧隔离，实现直流网络的安全运行。

背景技术：

1、随着对于直流负载的广泛使用，如电动汽车充电站，大型直流数据中心等，直流网络在输配电网系统占的比重增加。直流断路器因为具有快速且选择性的保护直流线路免受于因直流短路故障而造成的重大停电事故而被广泛关注且研究。和交流断路器相比，对于直流断路器的设计和研究必须考虑两点，其一是因为直流系统的低惯性因素，当发生短路故障时，故障电流上升速度会比交流系统中的故障电流快得多，因此需要直流断路器具有较快的响应速度，在短时间内对短路故障部分进行切除；其二是在直流系统中电流并无如在交流系统中自然存在的电流过零点，交流断路器是在电流过零点处实现对于电弧的熄灭，而如何实现对于直流故障电流进行无弧切断操作是研究难点。

2、国内外对于直流断路器的研究主要有以下三种：

3、（1）机械式直流断路器：导通损耗极低，开断容量较大，但其开断时间较长，为有弧操作；

4、（2）固态式直流断路器：具有极快的响应速度，但是导通损耗极高，发热量严重，开断容量较小，在实际使用中通常是数个进行串联并联提高其开断容量，且需要配备价格较为昂贵的辅助散热设备。

5、（3）混合式直流断路器：结合了机械式直流断路器低损耗的优点和固态式直流断路器响应速度快的优点，而被广大学者重点研究。但传统的混合式直流断路器需要主通流回路中的机械开关与人为创造的电流过零点精确配合才能实现对于短路电路的无弧切断操作，因此对于机械开关的控制难度较高。

技术实现思路

1、为了解决上述的问题，本发明提供了一种双向直流故障中断装置及其控制方法及其控制方法，解决了现有技术中对于直流短路故障切断速度较慢、对通流回路的故障电流过零点缺乏、机械开关控制难度高和只能对于单向直流短路故障开断的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种双向直流故障中断装置，包括：

4、主通流回路、充电回路、电压注入回路和换向单元；

5、电压注入回路设置有储能电容；

6、充电回路用于为储能电容进行充电，完成充电后的储能电容电压高于直流母线电压；

7、电压注入回路用于在发生短路故障时，接通储能电容，以向主通流回路中注入设定幅值的电压；

8、换向单元用于在发生正向或反向短路故障时，使得注入于主通流回路中的电压极性为反向或正向。

9、进一步地，主通流回路中包含依次串联连接的机械开关、限流电感和耦合电感的二次侧绕组；

10、充电回路中包含第五半控型功率器件、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻、第一防逆流二极管和第二防逆流二极管；

11、第五半控型功率器件的负极与第一分压电阻的一端、第一防逆流二极管的正极连接，第一分压电阻的另一端与第二分压电阻的一端连接，第二分压电阻的另一端与第三分压电阻的一端、第二防逆流二极管的正极连接，第五半控型功率器件的正极和第三分压电阻的另一端作为充电回路的输入端口；

12、电压注入回路中包含第一储能电容、第二储能电容、第一全控型功率器件、第二全控型功率器件、第三防逆流二极管、第四防逆流二极管和耦合电感一次侧绕组；

13、第一储能电容的正极和第一防逆流二极管的负极、第一全控型功率器件的正极连接，负极和第二储能电容的正极、第二全控型功率器件的正极连接，第二储能电容的正极和第二防逆流二极管的负极连接，第二全控型功率器件的负极与第三防逆流二极管的正极连接，第四防逆流二极管的负极与第三防逆流二极管的负极连接，第二储能电容的负极和第四防逆流二极管的正极接入直流母线，第一全控型功率器件的负极和第三防逆流二极管的负极作为电压注入回路的输出端口，通过换向单元与耦合电感一次侧绕组连接；

14、换向单元包含第一半控型功率器件、第二半控型功率器件、第三半控型功率器件、第四半控型功率器件；

15、第一半控型功率器件和第二半控型功率器件的正极与电压注入回路的输出端口连接，第一半控型功率器件的负极与耦合电感一次侧绕组的一端、第四半控型功率器件的正极连接，第二半控型功率器件的负极与耦合电感一次侧绕组的另一端、第三半控型功率器件的正极连接，第三半控型功率器件和第四半控型功率器件的负极接入直流母线。

16、进一步地，主通流回路中通过机械开关对短路故障部分进行无弧隔离，包括：

17、当短路故障部分为正向故障时，第二全控型功率器件、第一半控型功率器件和第三半控型功率器件在主通流回路中的故障电流达到所预设的动作阈值电流时导通，在故障被无弧隔离后关断，在发生故障时，第一全控型功率器件由高频pwm信号控制开通或关断，正向故障为机械开关左端为直流母线，右端为故障部分；

18、当短路故障部分为反向故障时，第二全控型功率器件、第二半控型功率器件和第四半控型功率器件在主通流回路中的故障电流达到所预设的动作阈值电流时导通，在故障被无弧隔离后关断，在发生故障时，第一全控型功率器件由高频pwm信号控制开通或关断，反向故障为机械开关右端为直流母线，左端为故障部分。

19、进一步地，第一全控型功率器件由高频pwm信号控制开通或关断，包括：

20、当处于高电平信号时，第一全控型功率器件导通，第一储能电容和第二储能电容串联进行放电，通过换向单元和耦合电感的作用，在主通流回路中注入幅值高于直流母线但极性与直流母线相反的电压，以使故障电流幅值下降；

21、当处于低电平信号时，第一全控型功率器件关断，第一储能电容停止放电，由第二储能电容单独放电，通过换向单元和耦合电感的作用，在主通流回路中注入幅值低于直流母线但极性与直流母线相反的电压，以使故障电流的幅值缓慢增加。

22、进一步地，通过机械开关对短路故障部分进行无弧隔离，包括：

23、在所调制的纹波电流时间窗口内断开机械开关，以实现对于短路故障部分的无弧隔离；

24、纹波电流时间窗口为发生故障时，对第一全控型功率器件采用高频pwm信号控制开通或关断，使得故障电流被调制成纹波电流的时间窗口。

25、进一步地，通过机械开关对短路故障部分进行无弧隔离之后，还包括：

26、耦合电感中的能量通过第一半控型功率器件、第三半控型功率器件和第四防逆流二极管的内阻进行耗散，当能量耗散完毕之后，第一半控型功率器件和第三半控型功率器件关闭。

27、进一步地，充电回路的第五半控型功率器件开通时，通过第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻对第一储能电容和第二储能电容进行充电，当储能电容被完全充满电后，第五半控型功率器件关断。

28、进一步地，第一储能电容的电压为udc，第二储能电容的电压为，其中udc为直流母线电压，uc2为第二储能电容的预充电电压、r1为第一分压电阻值、r2为第二分压电阻值、r3为第三分压电阻值。

29、进一步地，充电回路的输入端口接入直流母线，以用于从直流母线取电并为第一储能电容和第二储能电容充电。

30、第二方面，本发明还提供一种双向直流故障中断装置的控制方法，应用于如第一方面中任一项的双向直流故障中断装置，包括如下步骤：

31、向充电回路施加充电信号，以使储能电容完成充电；

32、监测主通流回路中的短路故障电流信号；

33、当短路故障电流达到所预设的断路器动作电流阈值时，向电压注入回路施加第一放电信号，以向主通流回路注入幅值高于直流母线的电压，同时向换向单元施加换向信号，以使注入主通流回路的电压极性与主通流回路故障电流极性相反，此时，短路故障电流下降；

34、当短路故障电流下降至零点时，向电压注入回路施加第二放电信号，以向主通流回路注入幅值低于直流母线的电压，同时向换向单元施加换向信号，以使注入主通流回路的电压极性与主通流回路故障电流极性相反，此时，短路故障电流上升；

35、当短路故障电流上升至预设调制纹波电流的波峰值时，向电压注入回路施加第三放电信号，以向主通流回路注入幅值高于直流母线的电压，同时向换向单元施加换向信号，以使注入主通流回路的电压极性与主通流回路故障电流极性相反，此时，短路故障电流下降；

36、向电压注入回路重复施加第二放电信号和第三放电信号，并向换向单元对应施加换向信号，以使短路故障电流被调制为在零点附近的纹波电流，同时，在所调制的纹波电流时间窗口内中断主通流回路，以实现对故障部分的无弧隔离。

37、综上，本发明提供了一种双向直流故障中断装置及其控制方法，用以实现对于直流短路故障的无弧隔离操作，该装置通过充电回路对储能电容充电，再通过电压注入回路令储能电容放电，通过换向单元的作用，在主通流回路中注入与直流母线极性相反的电压，能够将故障电流调制成为在零点上下波动的纹波电流，为主通流回路中的故障中断操作提供了较长的工作时间窗口，在此时间窗口内进行故障中断操作即可实现对于直流短路故障部分的无弧隔离。本发明能够在不显著增加投入成本的情况下实现对于双向短路故障的无弧隔离操作。