CN103560677A - 高压直流配电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压直流配电装置及其控制方法，高压直流配电装置包括机电混合式开关单元A、预充电单元B和放电续流回路单元C，其中主开关单元A包括：接触器T和绝缘栅双极型晶体管K₁；预充电单元B包括功率电阻R₂和充电开关K₂；放电续流回路单元C包括功率电阻R₃、放电开关K₃及续流二极管D。本发明有效解决了高压直流配电系统中接触器易烧毁、接通大电容时在接通瞬间出现冲击电流、关断时负载电容残余释放问题及配电装置对不同负载兼容性问题。

Description

高压直流配电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子与电工技术领域，尤其涉及一种高压直流配电装置的电路结构及其控制方法。

背景技术

随着车辆对电气系统的依赖不断提高，尤其是纯电动汽车的出现，车辆配电系统的容量不断提高。低压直流配电由于电流大，配电线缆线径大，重量高。为了减轻车辆配电线缆线径及其重量，车辆中直流配电电压不断提高。随着配电电压的提高，所带来的问题是接触器在切断负载时，因灭弧困难甚至电弧无法熄灭导致接触器触头烧结，导致接触器烧毁。为了解决这个问题，可以采用机电混合式开关装置，参见图1。其正常开通关断时序是：接通时先接通IGBT后接通接触器；关断时先关断接触器后关断IGBT，参见图2。

在直流配电系统中，正负母线之间一般存在大量储能滤波电容，如图3的典型电动机负载。开关装置在接通此类负载时在接通瞬间会有冲击电流流经开关装置。在高压、大电容情况下，开关装置为接触器时这个冲击电流有可能使接触器触头烧结；开关装置为机电混合式开关装置时IGBT有可能因接通损耗大而使IGBT烧毁。

发明内容

本发明目的是针对现有直流配电装置存在的缺陷提出一种新型的高压直流配电装置及其控制方法，有效解决了在高压直流配电系统中接触器的灭弧问题及接通容性负载时烧毁配电开关的问题。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种高压直流配电装置，包括直流供电电源和负载，其特征在于还包括机电混合式开关单元A、预充电单元B和放电续流回路单元C，机电混合式开关单元A和预充电单元B并联后串接在直流供电电源的正输出端与负载的正输入端之间，放电续流回路单元C与负载并联，其中，

机电混合式开关单元A包括接触器T和绝缘栅双极型晶体管K₁，接触器T的输入端连接绝缘栅双极型晶体管K₁的集电极，接触器T的输出端连接绝缘栅双极型晶体管K₁的发射极；

预充电单元B包括功率电阻R₂和充电开关K₂，功率电阻R₂和充电开关K₂串联；

放电续流回路单元C包括功率电阻R₃、放电开关K₃及续流二极管D，功率电阻R₃和放电开关K₃串联后与续流二极管D并联，续流二极管D的阴极连接负载的正输入端，续流二极管D的阳极连接负载的负输入端。

一种高压直流配电装置的控制方法，其特征在于：

t₀时刻，控制系统接收到开通指令，控制系统先发出放电开关K₃的关断指令，放电开关K₃完全关断后的t₁时刻，控制系统发出充电开关K₂的接通指令向负载进行试充电，待负载电压达到稳定后的t₂时刻，控制系统发出绝缘栅双极型晶体管K₁的接通指令，待绝缘栅双极型晶体管K₁完全接通后的t₃时刻，控制系统发出接触器T的接通指令同时发出充电开关K₂的关断指令，完成整个开通过程；

t₄时刻，控制系统接收到关断指令，控制系统先发出接触器T的关断指令，待接触器T关断后的t₅时刻，控制系统再发出绝缘栅双极型晶体管K₁的关断指令，待绝缘栅双极型晶体管K₁完全关断后的t₆时刻，控制系统发出放电开关K₃的接通指令，完成整个关断过程。

本发明的有益效果如下：

1、从配电装置的寿命来说，拓扑结构有效解决了配电开关在切断过程中灭弧困难的问题，大大提高了配电开关在直流高压条件下的工作寿命。

2、从限制接通容性负载冲击电流来说，拓扑结构有效解决了在接通容性负载时存在冲击电流而导致配电装置烧毁问题，提高了配电装置的可靠性。

3、从负载兼容性来说，配电装置的控制策略可以适应阻性负载、阻感性负载及容性负载。

附图说明

图1是机电混合式开关装置电路结构图。

图2是机电混合式开关装置控制时序图。

图3是直流配电系统中典型电动机负载图。

图4是本发明设计的高压直流配电装置主电路结构图。

图5是本发明高压直流配电装置控制时序图。

图6是配电装置在阻性负载条件下开通关断波形图。

图7是配电装置在阻感性负载条件下开通关断波形图。

图8是配电装置在容性负载条件下开通关断波形图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明的电路如图4所示，高压直流配电装置包括直流供电电源V_DC和负载，还包括机电混合式开关单元A、预充电单元B和放电续流回路单元C。机电混合式开关单元A和预充电单元B并联后串接在直流供电电源的正输出端与负载的正输入端之间，放电续流回路单元C与负载并联，负载的负输入端连接直流供电电源的负输出端后接地。

其中机电混合式开关单元A由接触器T和绝缘栅双极型晶体管K₁组成；接触器T的输入端连接绝缘栅双极型晶体管K₁的集电极后连接直流供电电源的正输出端，接触器T的输出端连接绝缘栅双极型晶体管K₁的发射极后连接负载的正输入端。

预充电单元B由功率电阻R₂和充电开关K₂组成，功率电阻R₂和充电开关K₂串联，功率电阻R₂的一端连接直流供电电源的正输出端，另一端连接充电开关K₂的输入端，充电开关K₂的输出端连接负载的正输入端。

放电续流回路单元C由功率电阻R₃、放电开关K₃及续流二极管D组成。功率电阻R₃和放电开关K₃串联后与续流二极管D并联。放电开关K₃的输入端连接续流二极管D的阴极后连接负载的正输入端，放电开关K₃的输出端连接功率电阻R₃的一端，功率电阻R₃的另一端连接续流二极管D的阳极后连接负载的负输入端。

以下介绍本发明的直流配电装置的控制方法。

正常工作时电路工作状态分析：

图5是配电装置的控制时序示意图，t₀时刻控制系统接收到开通指令，控制系统接收到开通控制指令后，控制系统先发出放电开关K₃的关断指令，待放电开关K₃完全关断后的t₁时刻，控制系统发出充电开关K₂的接通指令向负载进行试充电，待负载电压达到稳定后的t₂时刻，控制系统发出绝缘栅双极型晶体管K₁的接通指令，待绝缘栅双极型晶体管K₁完全接通后的t₃时刻，控制系统发出接触器T的接通指令同时发出充电开关K₂的关断指令，此时完成整个开通过程。

在t₁和t₂时刻，当负载为阻性负载时负载电压表达式为U_LOAD为负载电压，V_DC为直流系统电源电压，R₂为预充电单元B中的功率电阻，R_LOAD为负载阻值；当负载为阻感性负载时负载电压表达式为 $u_{\mathrm{LOAD}}\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{R_2+R_{\mathrm{LOAD}}}\left({1-e}^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}\right)R_{\mathrm{LOAD}}+V_{\mathrm{DC}}{e}^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},$ u_LOAD为负载电压，V_DC为直流系统电源电压，R₂预充电单元B中的功率电阻，R_LOAD为负载阻值，τ=L/(R₂+R_LOAD)，L为负载电感；当负载为容性负载时负载电压表达式为

u_c为负载电压，V_DC为直流系统电源电压，τ=R₂C，R₂为预充电单元B中的功率电阻，C为负载电容。为了提升配电装置的负载兼容性，本发明采用的控制策略为当控制系统检测到负载电压达到du/dt<ε时接通绝缘栅双极型晶体管K₁，du/dt表示负载电压变换率，ε为设定值，ε规定了预充电单元为负载进行试充电时，判定负载达到稳态并令配电装置进入下一工作模态的标准。假设高压直流系统中，电源电压为V_DC，系统中最大电容为C，试充电过程中电容电压达到电源电压的a%时认为电容预充电完毕，则ε可由下式确定：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{V_{\mathrm{DC}}(1-a\%)}{R_{2}C}$

t₄时刻控制系统接收到关断指令，控制系统接收到关断指令后，控制系统先发出接触器T的关断指令，待接触器关断后的t₅时刻，控制系统再发出绝缘栅双极型晶体管K₁的关断指令，待绝缘栅双极型晶体管K₁完全关断后的t₆时刻，控制系统发出放电开关K₃的接通指令，至此，完成整个关断过程。

本发明的一个实例中设计的参数：

线路电压V_dc=900V，线路额定电流I_N=200A，负载电阻R_L＝5Ω，负载电容C_L=8400μF，负载电感L_L=1.6mH；

R₂=200Ω，R₃=200Ω；

本实施例中采用的接触器T、绝缘栅双极型晶体管K₁、功率电阻R₂、充电开关K₂、功率电阻R₃、放电开关K₃、续流二极管D均为成熟常规产品。

图6、图7、图8是本发明所设计的电路采用设计的参数时阻性负载、阻感性负载和容性负载开通关断时的波形图。从图中可以看出：

1、在负载为阻性负载、阻感性负载和容性负载时，接触器T开通关断中无燃弧过程，本发明所设计的电路有效解决了配电开关在切断过程中灭弧困难的问题，大大提高了配电开关在直流高压条件下的工作寿命；

2、本发明所设计的配电开关有效抑制了接通容性负载时的冲击电流，有效解决配电装置的烧毁问题，提高了配电装置的可靠性；

3、本发明所设计的配电开关可适应阻性负载、阻感性负载和容性负载，在不同的负载类型下按照控制策略进行智能配电，负载兼容性好。

综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合均落入本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种高压直流配电装置，包括直流供电电源和负载，其特征在于还包括机电混合式开关单元A、预充电单元B和放电续流回路单元C，机电混合式开关单元A和预充电单元B并联后串接在直流供电电源的正输出端与负载的正输入端之间，放电续流回路单元C与负载并联，其中，

机电混合式开关单元A由接触器T和绝缘栅双极型晶体管K1组成，接触器T的输入端连接绝缘栅双极型晶体管K₁的集电极，接触器T的输出端连接绝缘栅双极型晶体管K₁的发射极；

预充电单元B由功率电阻R₂和充电开关K₂组成，功率电阻R₂和充电开关K₂串联；

放电续流回路单元C由功率电阻R₃、放电开关K₃及续流二极管D组成，功率电阻R₃和放电开关K₃串联后与续流二极管D并联，续流二极管D的阴极连接负载的正输入端，续流二极管D的阳极连接负载的负输入端。

2.根据权利要求1所述高压直流配电装置的控制方法，其特征在于：

t₀时刻，控制系统接收到开通指令，控制系统先发出放电开关K₃的关断指令，放电开关K₃完全关断后的t₁时刻，控制系统发出充电开关K₂的接通指令向负载进行试充电，待负载电压达到稳定后的t₂时刻，控制系统发出绝缘栅双极型晶体管K₁的接通指令，待绝缘栅双极型晶体管K₁完全接通后的t₃时刻，控制系统发出接触器T的接通指令同时发出充电开关K₂的关断指令，完成整个开通过程；

t₄时刻，控制系统接收到关断指令，控制系统先发出接触器T的关断指令，待接触器T关断后的t₅时刻，控制系统再发出绝缘栅双极型晶体管K₁的关断指令，待绝缘栅双极型晶体管K₁完全关断后的t₆时刻，控制系统发出放电开关K₃的接通指令，完成整个关断过程。

3.根据权利要求2所述高压直流配电装置的控制方法，其特征在于负载电压达到稳定的判断标准为du/dt<ε，其中du/dt表示负载电压变换率，ε为设定值，假设高压直流系统中，电源电压为V_DC，系统中最大电容为C，试充电过程中电容电压达到电源电压的a%时认为电容预充电完毕，则ε由下式确定：

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