CN102377235B - 一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置，其结构包括主开关模块和辅助开关K1、辅助开关K2和辅助开关K3；主开关模块通过辅助开关K1与电源相连接，通过辅助开关K3与负载相连接，主开关模块与辅助开关K1和辅助开关K3串联后与辅助开关K2并联；主开关模块包括级联型H桥变流器和滤波环节，所述级联型H桥变流器的输出端与滤波环节相连接，级联型H桥变流器包括n个相串联的H桥变流器级联单元。本发明提供的一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置可以灵活应用于多种电源和负载的连接方式，并具有超高速投切、电压补偿以及故障限流等多种功能，其级联型结构使得该装置非常适用于中高压场合。

Description

一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术在电力系统中的应用，尤其涉及一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置。

背景技术

近年来，随着经济发展和高科技设备的广泛应用，用户对供电质量要求不断提高，电能质量问题日益突出。电能质量问题包括稳态电能质量和暂态电能质量两个方面，它直接影响电力系统的供电安全及用户设备的正常运行。近几年来，随着大量敏感负荷的投入使用，暂态电能质量问题使供电质量面临新的挑战。

为了保证不间断供电，一种传统的解决方法是当主侧电源发生故障时，通过机械开关或晶闸管将敏感负荷切换至备用电源。由于机械触点的开关特性，以及感性负载的电流保持特点，这种切换一般需时较长。有人提出了将机械开关和晶闸管结合的混合式开关，这种方案同时具备机械开关的优良稳态特性和晶闸管的快速切换速度。但在大感性负载情况下，仍需采用强制换流技术才能保证系统快速切换。而现有的强制换流技术，由于传感器精度等问题的影响，往往有换流触发失误的可能，这将导致系统发生环流短路的重大故障，因此实际很少采用。该装置的另外一个技术难点是中高压场合的应用。现在的固态开关大都以低电压小电流为主，作为无功补偿、UPS(Uninterruptible PowerSupply，不间断电源)装置电源切换时使用，而10kv及以上中高压适用的设备却较少。基于级联型变流器的多功能快速开关装置可以解决系统在各种不同负载下快速切换的需要，通过级联数的调整，可以方便地应用于各种中高压应用场合。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置，其在各种负载下，均具有超高速投切能力，并集成了H桥逆变电压补偿和故障限流等多种功能，其级联结构非常适用于各种中高压应用场合。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置，包括主开关模块和三个辅助开关，所述三个辅助开关分别为辅助开关K1、辅助开关K2和辅助开关K3；所述主开关模块通过辅助开关K1与电源相连接，通过辅助开关K3与负载相连接，主开关模块与辅助开关K1和辅助开关K3串联后与辅助开关K2并联；

所述主开关模块包括级联型H桥变流器和滤波环节，所述级联型H桥变流器的输出端与滤波环节相连接；

所述级联型H桥变流器包括n个相串联的H桥变流器级联单元，n为自然数；

所述H桥变流器级联单元包括H桥变流器和储能装置，所述H桥变流器包括四个全控开关和四个二极管，所述全控开关分别为全控开关T1、全控开关T2、全控开关T3和全控开关T4，所述二极管分别为二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，每一个全控开关与一个反向连接的二极管相并联；所述储能装置与H桥变流器相并联。

通过主开关模块与辅助开关的配合导通，可以使上述开关装置工作在不同的工作状态，即正常状态、维修状态以及调试状态；所述H桥变流器级联单元的个数，即n的数目可以根据电源电压等级确定。

上述开关装置中的储能装置可以采用从电网直接取电的连续储能方式或非连续储能方式，一般来说，H桥变流器级联单元还包括全控开关T5和二极管D5，所述全控开关T5与反向连接的二极管D5相并联，由全控开关T5和二极管D5形成的结构与储能装置相串联，由储能装置、全控开关T5和二极管D5形成的结构与H桥变流器相并联。若采用内部含全控开关器件的连续储能方式，则可以不加全控开关T5与二极管D5。

在所述H桥变流器级联单元的输入端和输出端之间连接有旁路开关K，所述旁路开关K为晶闸管、GTO(Gate Turn-Off Thyristor，可关断晶闸管)，或各种机械开关如高速真空开关等，旁路开关的设计能够提高H桥变流器级联单元的容错性能。

所述全控开关可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)、IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)或GTO等全控型开关器件，优选为IGBT。

所述滤波环节包括电感L1、电感L2和电容C。

所述储能装置起储存并提供电能的作用，可以为电容、超级电容、蓄电池、飞轮等非连续储能装置，或者为连续储能装置。

本发明提出的开关装置可以灵活应用于多种电源和负载的连接方式(比如星形或三角形)，使用时只需要在每一相上串联该开关装置即可，无需变动电路结构；且该开关装置具有超高速投切、H桥逆变电压补偿以及故障限流等多种功能。

当该开关装置作为开关使用时，通过对软件进行少量修改，就可以在实现超高速投切这一功能的基础上，支持两个电流档，而无需变动主电路拓扑。当电压发生跌落时，该开关装置通过H桥逆变进行电压补偿，此时需要触发全控开关T5导通，使储能装置并联在H桥两端，作为直流电源供H桥逆变成交流电压输出；由于先由储能装置补偿跌落电压，同时无缝切换至备用电源，所以可以实现真正的柔性无缝电源切换。此外，该开关装置还具有故障限流功能，当负载出现短路故障时，可以通过H桥逆变电压补偿作用在较短时间内，将负载两端电压调制为0，从而限制故障电流，之后再将负载从电源上切断。

因而，本发明的开关装置在传统IGBT串联结构固态开关的基础上，进行了结构创新和功能拓展，将该开关装置串联在电源和负载之间，可以实现超高速投切、H桥逆变电压补偿以及故障限流等多种功能，在现代配电网中有广泛的应用前景。

有益效果：本发明提供的一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置，与现有技术相比具有如下优点：

1、该开关装置具有多种功能，包括超高速投切、H桥逆变电压补偿以及故障限流等，与传统的基于机械开关、晶闸管或者混合式的固态开关相比，具有很大优势；

2、该新型快速开关装置支持两个电流档，可以根据实际情况通过修改软件进行选择，无须改变主电路的拓扑；

3、该开关装置在电压跌落时可通过操控H桥补偿电压，实现真正的柔性无缝电源切换，保证电压切换过程中波动极小。

4、该开关装置的每一个级联单元均配置有旁路开关，当单一级联模块故障，无法实现正常的开通与关断功能时，可以闭合旁路开关，使其它级联单元仍可正常工作，提高系统容错性；

5、该开关装置，可以在负载出现过流故障时，通过电压补偿功能在很短时间内将负载两端电压调制为0，从而限制瞬时出现的很大的故障电流；

6、该开关装置采用了创新的拓扑结构和控制策略，优选IGBT作为主要器件，控制方便灵活且速度极快。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在星形电源/星形负载电路中应用；

图3为本发明在三角形电源/三角形负载电路中应用；

图4为本发明处在开关功能电流一档的电路示意图；

图5为本发明处在开关功能电流二档的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置，包括主开关模块和三个辅助开关，所述三个辅助开关分别为辅助开关K1、辅助开关K2和辅助开关K3；所述主开关模块通过辅助开关K1与电源相连接，通过辅助开关K3与负载相连接，主开关模块与辅助开关K1和辅助开关K3串联后与辅助开关K2并联。

通过控制辅助开关配合导通，可使开关装置工作在不同状态，即正常状态、维修状态以及调试状态：当辅助开关K1与辅助开关K3闭合，辅助开关K2断开时，该开关装置处在正常工作状态，线路电流经辅助开关K1、主开关模块和辅助开关K3流入负载；当辅助开关K1和辅助开关K3断开，辅助开关K2闭合时，该开关装置处于维修状态，线路电流经过K2流入负载，主开关模块被旁路，没有电流通过，可以进行检修维护，更换故障器件；当辅助开关K1和辅助开关K2闭合，辅助开关K3断开时，该开关装置处于调试状态，线路电流经辅助开关K2流入负载，主开关模块上有电压，可以进行调试。

所述主开关模块包括级联型H桥变流器和滤波环节，所述级联型H桥变流器的输出端与滤波环节相连接；其中滤波环节包括电感L1、电感L2和电容C；所述级联型H桥变流器包括n个相串联的H桥变流器级联单元，n为自然数，n的大小可以根据电源电压等级确定。

所述H桥变流器级联单元包括H桥变流器和储能装置，所述H桥变流器包括四个全控开关和四个二极管，所述全控开关分别为IGBT-T1、IGBT-T2、IGBT-T3和IGBT-T4，所述二极管分别为二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，每一个全控开关与一个反向连接的二极管相并联；IGBT-T5与反向连接的二极管D5相并联，由IGBT-T5和二极管D5形成的支路与储能装置相串联；由储能装置、全控开关T5和二极管D5形成的结构与H桥变流器相并联；在所述H桥变流器级联单元的输入端和输出端之间连接有旁路开关K，以提高级联电路的容错能力。

所述旁路开关K为机械开关、晶闸管、GTO或高速真空开关；所述IGBT可以使用MOSFET、IGCT或GTO替代；所述储能装置为超级电容、蓄电池、飞轮或从电网直接取能的连续储能装置。

该开关装置可以灵活应用于多种电源和负载的连接方式(星形或三角形)，使用时只需要三相均串联该多功能快速开关装置即可，无须变动开关模块内部的电路结构，如图2和图3；且该开关装置具有超高速投切、H桥瞬时电压补偿以及故障限流等多种功能。

当该装置作为开关使用时，可以在不改变主电路拓扑的情况下，通过修改软件支持两个电流档，即电流一档和电流二档。当电流较小时，启动电流一档，将IGBT-T1、IGBT-T2闭合，此时电路由IGBT-T1、IGBT-T2、二极管D1、二极管D2构成双向电流回路，如图4。当电流较大时，启动电流二档，将IGBT-T1、IGBT-T2、IGBT-T3、IGBT-T4同时打开，通过并联分流，从而可以满足更大电流接入的需求，如图5所示，若电流从电源流向负载，则二极管D1与IGBT-T2的串联支路和二极管D3与IGBT-T4的串联支路构成了并联分流，反之亦然。需要指出的是，当该开关装置作为开关使用时，无论启动电流一档还是电流二档，IGBT-T5必须始终断开，保证储能装置不接入电路中。

当单一级联单元出现故障，无法实现正常的开通与关断功能时，可以闭合该级联单元的旁路开关K，使该H桥级联模块退出运行，保证整体正常运行，从而提高系统容错性能。

当电压发生跌落时，该开关装置可以实现电压补偿功能，此时触发IGBT-T5导通，使储能装置并联在H桥结构的两端，二极管D5可以为储能装置侧电流提供反向通路。当该开关装置进行电压补偿时，H桥变流器结构将储能装置侧的直流电压逆变成为交流电压输出以进行补偿。由于逆变采用脉宽调制技术(PWM)进行控制，补偿电压中会含有大量开关次谐波，所以级联结构的输出端需连接由电感L1、电感L2和电容C组成的低通滤波环节，以保证负载侧的电能质量。由于先由储能装置补偿跌落电压，之后再无缝切换至备用电源，所以可以保证电压在切换过程中波动极小，实现真正的柔性无缝电源切换。

当负载出现短路故障时，可以通过该开关装置的瞬时电压补偿作用在2～3ms时间内，将负载两端电压调制为0，从而限制故障电流，之后再利用该开关装置的开关作用将负载从电源上切断。

该开关装置采用了创新的拓扑结构和控制策略，利用IGBT作为主要器件，控制方便灵活且速度极快，在电力系统配电网中有着广阔的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于级联型变流器的多功能快速开关装置，其特征在于：该开关装置包括主开关模块和三个辅助开关，所述三个辅助开关分别为辅助开关K1、辅助开关K2和辅助开关K3；所述主开关模块通过辅助开关K1与电源相连接，通过辅助开关K3与负载相连接，主开关模块与辅助开关K1和辅助开关K3串联后与辅助开关K2并联；

所述主开关模块包括级联型H桥变流器和滤波环节，所述级联型H桥变流器的输出端与滤波环节相连接；

所述级联型H桥变流器包括n个相串联的H桥变流器级联单元，n为自然数； 

所述H桥变流器级联单元包括H桥变流器和储能装置，所述H桥变流器包括四个全控开关和四个二极管，所述全控开关分别为全控开关T1、全控开关T2、全控开关T3和全控开关T4，所述二极管分别为二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，每一个全控开关与一个反向连接的二极管相并联；所述储能装置与H桥变流器相并联;

所述H桥变流器级联单元还包括全控开关T5和二极管D5，所述全控开关T5与反向连接的二极管D5相并联，由全控开关T5和二极管D5形成的支路与储能装置相串联，由储能装置、全控开关T5和二极管D5形成的结构与H桥变流器相并联。

2.根据权利要求1所述的基于级联型变流器的多功能快速开关装置，其特征在于：在所述H桥变流器级联单元的输入端和输出端之间连接有旁路开关K。

3.根据权利要求2所述的基于级联型变流器的多功能快速开关装置，其特征在于：所述旁路开关K为晶闸管、GTO或机械开关。

4.根据权利要求1所述的基于级联型变流器的多功能快速开关装置，其特征在于：所述全控开关为IGBT、MOSFET、IGCT或GTO。

5.根据权利要求1所述的基于级联型变流器的多功能快速开关装置，其特征在于：所述滤波环节包括电感L1、电感L2和电容C。

6.根据权利要求1所述的基于级联型变流器的多功能快速开关装置，其特征在于：所述储能装置为超级电容、蓄电池、飞轮或从电网直接取电的连续储能装置。 

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