一种功能集成型多端口直流断路器及使用方法

本发明涉及配电网领域，具体是一种功能集成型多端口直流断路器及使用方法。

背景技术：

1、柔性直流配电网易于直流“源荷储”接入，是新型电力系统的重要组成部分之一。然而，其弱阻尼特性易导致单点短路后故障点附近线路、电源和换流器等“广域”响应，增速快、高峰值的短路电流严重威胁配网安全，因此，急需研究快速、有效且选择性强的故障清除方案。

2、直流断路器(dc circuit breaker,dccb)故障清除选择性强、速度快，是柔直配网故障清除研究和应用的热点。然而，dccb仍存在若干技术瓶颈急需解决。

3、首先，dccb需大量电力电子器件，与同电压等级的交流断路器相比成本较高。为此，相关研究提出多线路“共享”的多端口直流断路器(multi-port dc circuit breaker,mp-dccb)：连接于同一节点的多条直流线路共用同一断路器，故障清除成本显著降低。根据设计方法和工作原理差异，可分为半桥型mp-dccb和全桥型mp-dccb两类。

4、为降低短路电流、提高故障清除效率，相关研究进一步探索故障限流和分断功能集成的mp-dccb。xu j，song b，lu y，et al的《a multi-port current-limiting hybriddc circuit breaker》[j].ieee transactions on power delivery，2021，36(3)：1672-1682.中和韩乃峥，樊强，贾秀芳，等在《一种具备限流能力的多端口直流断路器》[j].中国电机工程学报，2019，39(17)：5172-5181+5298.中通过将限流器(fault-current limier,fcl)与断路器内主断开关串联，分别提出半桥和全桥型限流式mp-dccb。

5、然而，为保障故障清除选择性，相较于常规“fcl+两端口dccb”的故障处理方案，限流式mp-dccb包含三段延时：①保护系统定位故障线路的毫秒级延时；②闭合故障转移支路内超快速机械开关(ultra-fast disconnector,ufd)的故障转移延时，约2ms；③分断与故障线路相连ufd的动作延时，约2ms。因此mp-dccb难以及时限流，配网健全区域内电力电子设备可能因过电流而被迫闭锁、停电区域扩大。

6、对此，zhang s，zou g，wei x，zhang c.在《multiport hybrid dc circuitbreaker with reduced fault isolation time and soft reclosing capability》[j].ieee transactions on industrial electronics，2022，69(4)：3776-3786.中采用线路限流电抗与mp-dccb配合，可避免延时问题。然而受限于电网动态响应能力和运行稳定性要求，限流电抗取值一般较小、限流能力较弱。文献[18]提出一种“可旁路线路限流电抗+断路器内嵌fcl”协同的限流式mp-dccb，限流速度和能力均较优，但其结构和控制方法较为复杂。

7、另外，随着配网内电缆线路比例增加，永久性故障占比也逐渐提高。若断路器重合于永久性故障，则二次电流冲击会威胁配网安全。因此，基于故障性质辨识的自适应重合也是断路器研究的关键和难点。郑涛，吕文轩.的《基于级联全桥型直流断路器的直流配电网自适应重合闸方案》[j].电力系统自动化，2020，44(22)：78-86.提出一种具备主动注入信号能力的级联断路器。通过主动注入特征频率的故障检测电压区分瞬时性/永久性故障。但相较于典型两端口dccb，该断路器需要大量igbt，成本较高。zhang s，zou g，xu c，sun w.在《a reclosing scheme of hybrid dc circuit breaker for mmc-hvdc systems》[j].ieee journal ofemerging and selected topics in power electronics，2021，9(6)：7126-7137.

8、利用故障分断后断路器缓冲回路内电容储存的残余能量向故障线路注入行波、实现故障性质辨识。然而，对于包含大量短线路和分支线路的柔直配网行波特征不显著、辨识可靠性存在下降风险。另外，也有研究提出基于mp-dccb的自适应重合策略，然而其基本原理为后加速重合闸，需采取复杂的主回路和控制方法抑制重合于永久性故障的二次冲击。

9、因此，现有的断路器性价比不高，需要改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种功能集成型多端口直流断路器及使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种功能集成型多端口直流断路器，包括：上桥臂可控通流支路(ccfia)、下桥臂可控通流支路(ccfib)、限流模块(current-limiting module,clm)和主断模块(main-breakermodule,mbm)；

4、ccfia,、mbm、clm、ccfib构成回路；

5、ccfia包括开关、igbt、反并联二极管，多个igbt串联后和多个串联的反并联二极管并联后连接开关；

6、ccfib由开关和多个单向晶闸管串联组成；

7、clm包括igbt1、晶闸管vt1、晶闸管vt2、二极管vd1、二极管vd2、二极管vd3、开关u1、避雷器moa、电阻r1电感l1、电容c1，igbt1的第一端连接二极管vd2的负极、晶闸管vt1的第一端、晶闸管vt2的第二端、二极管vd3的正极，igbt1的第二端连接二极管vd1的负极，二极管vd1的正极连接二极管vd2的正极、开关u1的一端、电阻r1的一端，开关u1的另一端接地，电阻r1的另一端连接电感l1的一端、电容c1的一端、避雷器moa的一端，电容c1的另一端连接避雷器moa的另一端、晶闸管vt2的第一端、二极管vd3的负极，电感l1的另一端连接晶闸管vt1的第二端；

8、mbm由负荷通流单元(load-communication unit,lcu)和分断单元(breakingunit,bu)并联组成，lcu由开关和igbt串联组成，bu由多个结构相同的子单元串联而成，每个子单元由igbt、反并联二极管和避雷器并联构成。

9、一种功能集成型多端口直流断路器使用方法，包括以下步骤：

10、步骤1，在电网故障早期阶段，判断短路电流idc和限流阈值ilim的大小关系，若短路电流idc大于限流阈值ilim，进入步骤2故障限流阶段，若短路电流idc小于限流阈值ilim，进入步骤3故障清除阶段；idc＝iclm＝imbm；

11、步骤2，故障限流阶段，对于低阻故障，故障后短路电流快速增长，待iclm>ilim后，t1i时刻，clm由零阻抗模式切换至限流模式；

12、步骤3，故障清除阶段，判断是低阻故障还是高阻故障，低阻故障时通过控制igbt导通状态来实现故障清除，最后断开与故障线路相连的ccfib内ufd；高阻故障时，先对电容充电后再通过控制igbt导通状态来实现故障清除，最后断开与故障线路相连的ccfib内ufd；

13、步骤4，自适应重合阶段，判断故障是否为永久性故障，若为永久性故障，清除故障；若不是永久性故障，控制故障线路两侧断路器重合。

14、作为本发明再进一步的方案：步骤1中，故障早期阶段，流经clm的电流小于限流阈值ilim(与mp-dccb相连任意线路最大额定电流的1.5倍)，因此clm仍维持零阻抗模式；该阶段短路电流idc：

15、

16、式中，i0为故障前流经故障线路的稳态电流，udc为配网稳态电压，rlinej和llinej为故障线路阻抗，rlinei和llinei为向故障点馈入电流的健全线路阻抗，rf为故障过渡电阻，此外，idc＝iclm＝imbm。

17、作为本发明再进一步的方案：步骤2中，对于低阻故障，故障后短路电流快速增长，待iclm>ilim后，t1i时刻，clm由零阻抗模式切换至限流模式；

18、t1i之前iclm仅流经路径①，t1i时刻之后，iclm同时流过路径①和路径②，然而路径②阻抗远大于路径①，路径②的电流可忽略；

19、t1ii时刻闭锁igbt1，此时，idc由路径①转移至路径②和③，c1开始充电；t2时刻，c1完全充电，流经路径③的电流降至0，idc仅流经路径②，且被限流阻感l1和r1抑制；t1ii至t2阶段，idc和c1电压(uc1)：

20、

21、式中，il1和ic1分别为流经路径②和路径③的电流，式中各变量初始值如式：

22、

23、t2之后，l1和r1投入，idc：

24、

25、作为本发明再进一步的方案：步骤3中，低阻故障：

26、t2ii时刻导通与健全线路相连的ccfia内igbt，以及mbm内bu的igbt，t2iii时刻关断mbm内lcu的igbt，故障电流由lcu转移至bu，t2iv时刻对零电流的ccfia和ccfib内ufd施加关断信号，同时对mbm内ufd施加关断信号，2ms后，上述ufd在t2v时刻完全关断；

27、随后，t2vi时刻闭锁mbm内bu的igbt，该过程产生的暂态电压导致mbm内moa由高阻抗变为低阻抗，流经mbm的故障电流由igbt转移至moa，并由其耗散故障能量；同时，在暂态电压作用下clm内vd2导通，clm切换至电感旁路模式，l1的能量由r1耗散；

28、t2vii时刻短路电流降为0，t2viii时刻对与故障线路相连的ccfib内ufd施加关断信号，约2ms后，ufd在t3时刻完全断开，ccfib内晶闸管因电流小于维持电流而闭锁，故障线路与配网彻底分断，mp-dccb完成故障清除；

29、t2vi至t2vii阶段idc，结果如式：

30、

31、t2vii之后，故障电流被moa清除，idc降为0；

32、作为本发明再进一步的方案：步骤3中，高阻故障：

33、所提断路器自适应重合功能基于clm内电容主动放电，由于idc<ilim，高阻故障后clm未切换至限流模式，因此首先对电容c1充电，t2i时刻对clm内ufd施加闭合信号，clu由零阻抗模式切换至电容充电模式，t2ii时刻导通与健全线路相连的ccfia内igbt，并导通mbm内bu的igbt，t2iii时刻关断mbm内lcu的igbt，故障电流由lcu转移至bu，t2iv时刻对零电流的ccfia和ccfib内ufd、以及mbm内ufd施加关断信号，t2v(t2ii+2ms)时刻clm内ufd彻底闭合，c1开始充电，t2vi时刻c1完成充电，充电电流降为0，t2vii(t2iv+2ms)时刻ccfia和ccfib内ufd完全关断；

34、随后，t2viii时刻闭锁mbm内bu的igbt，该过程产生的暂态电压导致mbm内moa由高阻抗变为低阻抗，因此，流经mbm的故障电流由igbt转移至moa，并由其耗散故障能量，同时，在暂态电压作用下，clm内vd2导通，clm切换至电感旁路模式，l1的能量由r1耗散；

35、t2ix时刻，短路电流降为0，健全区域电流转移，随后对于故障线路相连的ccfib内ufd施加关断信号，2ms后，ufd在t3时刻完全断开；同时，ccfib内晶闸管因电流小于维持电流而闭锁，故障线路与柔直配网彻底分断，mp-dccb完成故障清除；

36、t2v至t2vi阶段，idc、流经clm的电流iclm以及c1电压uc1计算：

37、

38、式中，ic1为流经c1的电流，此外，对于高阻故障，由于限流电感未投入，且r1和rf远大于线路电抗，线路电抗对故障暂态电流和电压影响较小，因此在式(6)中可以忽略电抗参数；

39、求解式(6)可获得式(7)所示的idc、iclm和uc1解析表达式：

40、

41、式中，

42、

43、t2vi时刻之后c1完全充电且被旁路，因此，t2vi至t2ix阶段故障电流idc可由式(9)计算：

44、

45、t2ix之后，故障电流被moa清除，idc降为0。

46、作为本发明再进一步的方案：步骤4中，经过150-300ms去游离时间后，mp-dccb进入自适应重合阶段，t3i时刻对与故障线路一端相连的ccfib内ufd施加闭合信号，同时对与故障线路两端相连mp-dccb内clm的u1均施加闭合信号。t3ii(t3i+2ms)时刻上述ufd完全闭合，随后，t3iii时刻导通前述ccfib内晶闸管，同时导通clm内igbt1、vt1和vt2，clm切换至故障性质辨识模式；

47、若故障性质为永久性，c1将向故障点放电，流经ccfib的检测电流ic1显著上升；

48、若故障性质为瞬时性，由于故障点消失且与故障线路另一端相连的ccfib未重合，c1不会向故障点放电，流经ccfib的电流ic1基本为零；

49、据此，故障性质辨识判据：

50、

51、t3iv时刻断路器完成故障性质辨识，对于永久性故障，t3v时刻与重合ccfib相连的c1能量被clm内电阻r1和故障线路电阻rlinej、过渡电阻rf耗散，uc1降为0；与非重合ccfib相连的c1能量被clm内电阻r1耗散，随后，t3v时刻对ccfib内ufd和clm内u1施加关断信号，最终，t4(t3v+2ms)时刻上述ufd完全关断，断路器不再重合；

52、对于瞬时性故障，t3iv时刻断路器完成故障性质辨识，t3v时刻c1的能量被clm内电阻r1耗散，uc1降为0，随后，t3vi时刻对mp-dccb内所有ccfia、ccfib和mbm内ufd施加闭合信号，t3vii(t3vi+2ms)时刻上述ufd均闭合，t3viii时刻导通ccfib内晶闸管，同时导通mbm内lcu的igbt，最终，t4时刻闭锁所有ccfia内igbt，mp-dccb完成自适应重合并恢复至稳态状态。

53、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明连接于同一节点的多条直流线路共用同一断路器，显著降低了复杂配网的故障清除成本；

54、断路器集成故障限流、故障分断和自适应重合多功能，具备以下技术优势：

55、故障限流过程中仅clm内部存在电流转移，断路器桥型主回路不存在电流转移，相较于常规集成clm的多端口限流器，限流速度较快；

56、断路器基于非对称桥型主回路，在具备故障线路选择性清除能力的同时，通过控制桥型主回路导通/关断状态，实现健全区域电流转移，保障健全区域持续供电；

57、通过断路器内部各类子模块协同配合，在不影响健全区域供电的前提下辨识故障性质，实现断路器自适应重合。