CN102684230A - 适用于高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开的适用于高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关，包括由全控型固态开关器件及一组晶闸管串联组成的固态开关支路、电容支路以及由二极管与阻抗组成的并联支路，并联支路中二极管的阳极与固态开关支路的固态开关器件的阳极端连接，并联支路中二极管的阴极与电容支路的一端连接，电容支路的另一端与固态开关支路的固态开关器件的阴极端连接。该复合型全控固态开关能应用于10kV及以上高压大容量交直流输配电系统，它不仅能作为快速的固态断路器使用，还能与其它装置如短路限流器等结合组成各种短路限流式快速固态断路器应用于高压大容量交直流输配电系统中。

Description

适用于高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关

技术领域

本发明涉及一种交直流输配电系统的复合型全控固态开关，尤其是适用于10KV及以上高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关。

背景技术

目前，高压大容量交直流输配电系统暜遍采用机械式断路器，随着电力系统容量的扩大，现有的机械式断路器已难以满足高压大容量交直流输配电系统不断增长的要求。另一方面全控型固态开关虽有良好的开关特性，但受其容量及昂贵价格的限制无法在高压大容量交直流输配电系统中应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于10KV及以上电压的高压大容量交直流输配电系统的

复合型全控固态开关。

为达上述目的，本发明采取的技术解决方案是：适用于高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关，包括由全控型固态开关器件及一组晶闸管串联组成的固态开关支路、电容支路以及由二极管与阻抗组成的并联支路，并联支路中二极管的阳极与固态开关支路的阳极端连接，并联支路中二极管的阴极与电容支路的一端连接，电容支路的另一端与固态开关支路的阴极端连接。

本发明中，所述的全控型固态开关器件可以采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）或门极可关断晶闸管（GTO）。

本发明中，一组晶闸管的串联个数由所在系统的最高工作电压决定。

晶闸管是一种大功率半控型固态开关器件，具有容量大、价格低廉、且大量串并联已有成熟的使用经验等优点，目前已广泛应用于高压大容量输配电系统（如HVDC、TCSC等），但它存在关断不可控的缺点。全控型固态开关器件如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）具有可控关断且开关特性好、易于集成过流自动关断保护等诸多优点，但其较之晶闸管存在容量较小且价格昂贵的不足之处。将这两种器件有机组合，扬长避短、优势互补，就能构成适用于高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关。

本发明的显著优点是系统高压由易于大量串联，且价格低廉的晶闸管承担，而其与全控型固态开关器件的组合使用可实现快速关断，大大降低系统的短路电流的幅值和存在时间。本发明所提出的复合型全控固态开关，还可与普通机械开关、各种限流器或其它装置等组合，构成应用于交直流输配电系统的短路限流式快速固态断路器等高性能新型电气设备。它的应用可大大降低系统中各装置的短路电流设计耐量值，既能有效提高各设备（装置）的可靠性，又可简化结构、降低体积与成本，具有巨大的经济价值。此外，本发明可使短路电流快速降为零，使系统原有的机械式断路器实现零电流断开，大大延长了机械式断路器的电气寿命。

本发明的复合型全控固态开关能应用于10KV及以上高压大容量交直流输配电系统，它不仅能作为快速的固态断路器使用，还能与其它装置如短路限流器等结合组成各种短路限流式快速固态断路器应用于高压大容量交直流输配电系统中。

附图说明

图1为本发明的复合型全控固态开关的拓扑结构图；

图2所示为本发明的复合型全控固态开关与桥式短路限流器组合构成的一种适用于高压大容量交流输配电系统的短路限流式快速固态断路器的应用实例，其中，(a)为单相结构，(b)为三相结构；

图3所示为本发明的复合型全控固态开关与耦合变压器、桥式限流器组合构成的一种适用于高压大容量交流输配电系统的变压器耦合短路限流式快速固态断路器的应用实例，其中 (a)为单相结构，(b)为三相结构。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关（图中虚线框所示），包括由全控型固态开关器件Q及一组晶闸管SCR 串联组成的固态开关支路、电容支路C以及由二极管D与阻抗Z组成的并联支路，并联支路中二极管D的阳极与固态开关支路的固态开关器件的阳极端连接，并联支路中二极管D的阴极与电容支路C的一端连接，电容支路C的另一端与固态开关支路的固态开关器件的阴极端连接。图示实例中，全控型固态开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT。

上述一组晶闸管的串联个数由所在系统的最高工作电压决定。

复合型全控固态开关的工作原理简述如下：如图1所示，将本发明的复合型全控固态开关串接在高电压直流系统中，在系统开关K闭合前，首先给IGBT及各晶闸管SCR加触发脉冲使之预导通，兼顾着将电容器C中可能储存的能量经阻抗Z释放掉；然后合上系统开关K，固态开关支路即刻导通流过负载电流。负载侧发生短路时，当短路电流上升到IGBT的过流保护动作值时，其过流自关断保护电路立即动作并迅速关断IGBT，使流过晶闸管SCR的短路电流也随之迅速下降到零。随后，短路电流将经二极管D向电容器C进行充电，电容器C两端电压随之上升。由于晶闸管SCR彻底恢复阻断能力需要一定的关断时间t_off ，则在t _off 时间内IGBT将承担全部电容电压。适当设计电容器C的容量，使其在t _off 时间内的充电电压不超过IGBT的允许工作电压，就能保证IGBT的安全。大于t _off 时间后，继续上升的电容电压将主要由已彻底恢复阻断能力的晶闸管SCR承担。随着电容电压的不断升高短路电流迅速减小，最终下降为零，实现了快速切断短路电流。之后在零电流状态下断开系统开关K，形成隔离断点。同时为下一次合闸做好准备。正常关断时的工作原理与上述切断短路电流的工作原理基本一样

图2所示为本发明提出的复合型全控固态开关与桥式短路限流器组合构成的一种适用于高压大容量交流输配电系统的短路限流式快速固态断路器的原理拓扑，其中图2(a)为单相结构，图2(b)为三相结构。

以图2(a）的单相短路限流式快速固态断路器为例，桥式限流器由单相晶闸管整流桥以及直流侧的电感L_d和续流晶闸管S₅并联支路组成。当晶闸管S₁～S₄触发导通和复合型全控固态开关以及系统开关K合闸导通后，电感L_d很快充电至负载电流峰值。由于续流晶闸管S₅的续流导通使直流端压降几乎为零，即整流桥交流端等效短接。当负载端发生短路时，系统电压经整流桥加到直流侧将续流管S₅截止，同时限流电感L_d自动串入短路回路限制短路电流的上升速率。由于复合型全控固态开关的迅速关断使短路故障被快速切除。复合型全控固态开关与桥式限流器的结合所形成的短路限流式快速固态断路器不仅能有效限制短路电流值和实现短路故障的快速切除，而且能大大减少限流电感的体积和成本以及系统中其它装置的短路电流设计耐量值和成本。

图2(b）所示的复合型全控固态开关与三相桥式限流器结合组成的三相短路限流式快速固态断路器的工作原理与单相短路限流式快速固态断路器工作原理相同。

图3所示为本发明提出的复合型全控固态开关与耦合变压器、桥式限流器等组合构成的一种适用于高压大容量交流输配电系统的变压器耦合短路限流式快速固态断路器的原理拓扑，其中图3(a)为单相结构，图3(b)为三相结构。

图3(a)所示的变压器耦合的单相短路限流式快速固态断路器的工作原理与单相短路限流式快速固态断路器工作原理相同。

图3(b)所示的变压器耦合的三相短路限流式快速固态断路器的工作原理与三相短路限流式快速固态断路器工作原理相同，也即与单相短路限流式快速固态断路器工作原理相同。

图3(a)中的耦合变压器T可以采用自耦式变压器；图3（b）的三相结构也可改用三个如图3（a）所示的单相结构。

上述图2、图3中构成整流桥桥臂的晶闸管均可用功率二极管代替。

Claims (2)

1.适用于高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关，其特征是包括由全控型固态开关器件（Q）及一组晶闸管（SCR）串联组成的固态开关支路、电容支路（C）以及由二极管（D）与阻抗（Z）组成的并联支路，并联支路中二极管（D）的阳极与固态开关支路的阳极端连接，并联支路中二极管（D）的阴极与电容支路（C）的一端连接，电容支路（C）的另一端与固态开关支路的阴极端连接。

2.根据权利要求1所述的适用于高压大容量交直流输配电系统的复合型全控固态开关，其特征在于所述的全控型固态开关器件是绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或门极可关断晶闸管。

Images