CN105356411B - 一种桥式电路、高压直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种桥式电路，包括H桥开关模块和RCD缓冲模块，H桥开关模块包括4个功率半导体开关器件，每两个功率半导体开关器件同向串联构成一个桥臂，两个桥臂并联连接，且两个桥臂中点分别作为输入端和输出端；RCD缓冲模块包括相互串联的二极管和电容，且二极管和电容两端分别并联电阻；RCD缓冲模块与每两个功率半导体开关器件串联构成的桥臂并联。此电路包含的RCD缓冲模块数量少，安装空间大。本发明还公开一种由前述桥式电路级联而成的高压直流断路器，其具有重合闸功能。本发明还公开一种高压直流断路器的控制方法。

Description

一种桥式电路、高压直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于断路器技术领域，特别涉及一种桥式电路及其控制方法，以及基于该桥式电路的高压直流断路器及其控制方法。

背景技术

随着多端直流输电技术的发展，高压直流断路器将成为保证系统安全稳定运行的关键设备之一。

中国专利公开号CN102823121A公开了用于限制电力传输或分配线的电流和使其断路的装置中的开关模块，其功率半导体开关器件两端均并联有一个RCD缓冲电路，或每两个反向串联连接的功率半导体开关器件共用一个全桥RCD缓冲电路。由于直流断路器分断电流大，功率半导体开关器件多采用压接式器件。RCD缓冲电路仅可安装在狭窄的散热器和压接式功率半导体开关器件的厚度空间内，厚度往往在50mm～80mm之间，不利于二极管和电容的选型与安装。此外，直流断路器采用的功率半导体开关器件数量很多，从而RCD缓冲电路的数量也很多。

中国专利公开号CN103280763A公开了一种直流断路器及其实现方法，通过全桥/半桥结构换流器级联构成断流单元和换流单元。全桥结构换流器中四个功率半导体开关器件共用一个电容器作为缓冲电路，半桥结构换流器中两个功率半导体开关器件共用一个电容器作为缓冲电路，相比CN102823121A，其缓冲电路数量少且安装空间大。但是该直流断路器在完成电流分断操作后，全桥/半桥结构换流器的电容器带有高电压，若此时进行重合闸操作，将导致全桥或半桥的桥臂短路放电，使功率半导体开关器件损坏。重合闸是指当线路故障清除后，在短时间内闭合断路器；由于实际上大多数线路故障为瞬时或暂时性的，因此重合闸是运行中常采用的自恢复供电方法之一，是断路器不可或缺的重要功能。

基于目前断路器结构中存在的前述问题，本案发明人进行深入研究，终有本案产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种桥式电路及其控制方法，其包含的RCD缓冲模块数量少，安装空间大。

本发明的另一目的，在于提供一种高压直流断路器及其控制方法，其具有重合闸功能。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种桥式电路，包括H桥开关模块和RCD缓冲模块，其中，H桥开关模块包含有4个分别连接反并联二极管的功率半导体开关器件，第一功率半导体开关器件的负极与第二功率半导体开关器件的正极连接构成第一桥臂，第三功率半导体开关器件的负极与第四功率半导体开关器件的正极连接构成第二桥臂；第一、第二桥臂同向并联，并将第一、第二桥臂的中点分别作为H桥开关模块的输入端、输出端；

所述RCD缓冲模块包括二极管、电容和两个电阻，其中，二极管的阴极连接电容的一端，二极管的阳极连接第一功率半导体开关器件的正极，电容的另一端连接第二功率半导体开关器件的负极，且两个电阻分别并联在二极管、电容的两端。

上述功率半导体开关器件采用IGBT或IEGT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；所述功率半导体开关器件采用IGCT时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极；所述功率半导体开关器件采用MOSFET时，所述正极为其漏极，所述负极为其源极。

一种桥式电路的控制方法，用于控制桥式电路工作在导通模式和分断模式两种工作状态：

1)导通模式：四个功率半导体开关器件均处于开通状态；

2)分断模式：四个功率半导体开关器件均处于闭锁状态。

一种高压直流断路器，包括相互并联的通态支路、分断支路和耗能支路，其中，通态支路由至少一个快速机械开关和至少一个如前所述的桥式电路串联连接构成，分断支路由至少一个如前所述的桥式电路串联连接构成，耗能支路由非线性电阻构成，且通态支路中的桥式电路数量小于分断支路中的桥式电路数量。

一种高压直流断路器的控制方法，包括如下内容：

一)当直流系统正常运行时，通态支路的快速机械开关处于闭合状态、桥式电路处于导通模式，分断支路的桥式电路处于分断模式、RCD缓冲模块中电容两端电压为零；

二)线路发生短路故障，系统要求直流断路器分断时：

①首先开通分断支路的桥式电路，再闭锁通态支路的桥式电路；

②当通态支路电流完全转移至分断支路后，分断通态支路的快速机械开关；

③当快速机械开关无弧分断后，闭锁分断支路的桥式电路，此时故障电流转移至非线性电阻中，直至系统能量被其所消耗吸收，此时高压直流断路器完成分断；

三)直流断路器完成分断后短时间内，系统要求重合闸时：

①首先开通分断支路的桥式电路；

②当故障电流不超过过流保护定值并保持一定时间后，开通通态支路的桥式电路和闭合快速机械开关；

③当电流完全从分断支路转移至通态支路后，闭锁分断支路的桥式电路；至此完成重合闸操作完成。

采用上述方案后，本发明所达到的有益效果是：

(1)本发明提供的高压直流断路器用桥式电路，具有缓冲电路少、安装空间大等优点；

(2)本发明提供的高压直流断路器拓扑，具有重合闸功能；

(3)本发明提供的高压直流断路器拓扑，采用模块化桥式电路结构，有利于功率半导体器件串联均压；

附图说明

图1是本发明中桥式电路的电路图；

图2是本发明中高压直流断路器的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种桥式电路，包括H桥开关模块和RCD缓冲模块，其中，H桥开关模块包含有4个功率半导体开关器件Q1-Q4，且每个功率半导体开关器件都连接一个反并联二极管；Q1和Q2同向串联构成第一桥臂，具体是将Q1的负极与Q2的正极连接，而Q3和Q4同向串联构成第二桥臂，具体是将Q3的负极与Q4的正极连接；将第一、第二桥臂同向并联，也即将Q1的正极与Q3的正极连接，将Q2和Q4的负极连接，并将第一桥臂的中点(也即Q1和Q2的连接点)作为H桥开关模块的输入端，将第二桥臂的中点(也即Q3和Q4的连接点)作为H桥开关模块的输出端。

所述RCD缓冲模块包括有二极管D1、电容C1和两个电阻R1、R2，其中，D1的阴极连接C1的一端，二者构成串联支路，而R1并联在D1的两端，R2并联在C2的两端；所述串联支路与前述第一桥臂(或第二桥臂)并联，具体是D1的阳极连接Q1(或Q3)的正极，C1的另一端连接Q2(或Q4)的负极。

其中，所述功率半导体开关器件是指全控型器件，当采用IGBT或IEGT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；所述功率半导体开关器件采用IGCT时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极；所述功率半导体开关器件采用MOSFET时，所述正极为其漏极，所述负极为其源极。需要说明的是，在具体实施时，4个功率半导体开关器件可选用不同类型的全控型器件。

基于以上桥式电路，本发明还提供一种桥式电路的控制方法，用于控制桥式电路工作在导通模式和分断模式两种工作状态。

1)导通模式：四个功率半导体开关器件Q1-Q4均处于开通状态。若RCD缓冲模块中电容C1存在电压，则通过电阻R1和第一、第二桥臂进行放电。

2)分断模式：四个功率半导体开关器件Q1-Q4均处于闭锁状态。分断模式暂态过程，电流通过桥式电路的对角功率半导体开关器件的反并联二极管和RCD缓冲模块中的二极管D1给RCD缓冲模块中的电容C1充电；断模式稳态过程，RCD缓冲模块中电容C1两端存在电压，并通过电阻R2放电。

RCD缓冲模块的主要作用是：1)降低功率半导体器件关断时的关断电压尖峰；2)降低桥式电路串联使用时关断不同步导致的均压误差；3)降低重合闸模式下电容放电电流尖峰。

桥式电路中四个功率半导体器件共用一个RCD缓冲模块，安装空间为两个功率半导体器件厚度和两个散热器厚度之和，有利于RCD缓冲模块的选型和安装。安装空间大可以选择较大容值的RCD缓冲模块电容，易于提高桥式电路的串联均压效果。

本发明还提供一种高压直流断路器，配合图2所示，包括相互并联的通态支路、分断支路和耗能支路，其中，通态支路由至少一个快速机械开关K1和至少一个桥式电路串联连接构成，分断支路由至少一个桥式电路串联连接构成，耗能支路由非线性电阻R3构成，且通态支路中的桥式电路数量小于分断支路中的桥式电路数量。

基于以上一种高压直流断路器，本发明还提供一种控制方法，分别用于高压直流断路器的以下几种工作方式：

一)当直流系统正常运行时，稳态电流流经通态支路中串联连接的快速机械开关和桥式电路；此时，通态支路的快速机械开关处于闭合状态、桥式电路处于导通模式，分断支路的桥式电路处于分断模式、RCD缓冲模块中电容两端电压为零。

二)线路发生短路故障，系统要求直流断路器分断时：

①首先开通分断支路的桥式电路，再闭锁通态支路的桥式电路；

②当通态支路电流完全转移至分断支路后，分断通态支路的快速机械开关；

③当快速机械开关无弧分断后，闭锁分断支路的桥式电路，此时故障电流转移至非线性电阻中，直至系统能量被其所消耗吸收，此时高压直流断路器完成分断。

三)直流断路器完成分断后短时间内，系统要求重合闸时：

①首先开通分断支路的桥式电路；此时分断支路的桥式电路的RCD缓冲模块中电容存在电压，通过电阻R1和桥式电路的第一、第二桥臂进行放电；

②当故障电流不超过过流保护定值并保持一定时间后，开通通态支路的桥式电路和闭合快速机械开关；此时通态支路的桥式电路的RCD缓冲模块中电容存在电压，通过电阻R1和桥式电路的第一、第二桥臂进行放电；

③当电流完全从分断支路转移至通态支路后，闭锁分断支路的桥式电路。至此完成重合闸操作完成。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种桥式电路，其特征在于：包括H桥开关模块和RCD缓冲模块，其中，H桥开关模块包含有4个分别连接反并联二极管的功率半导体开关器件，第一功率半导体开关器件的负极与第二功率半导体开关器件的正极连接构成第一桥臂，第三功率半导体开关器件的负极与第四功率半导体开关器件的正极连接构成第二桥臂；第一、第二桥臂同向并联，并将第一、第二桥臂的中点分别作为H桥开关模块的输入端、输出端；

所述RCD缓冲模块包括二极管、电容和两个电阻，其中，二极管的阴极连接电容的一端，二极管的阳极连接第一功率半导体开关器件的正极，电容的另一端连接第二功率半导体开关器件的负极，且两个电阻分别并联在二极管、电容的两端。

2.如权利要求1所述的一种桥式电路，其特征在于：所述功率半导体开关器件采用IGBT或IEGT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；所述功率半导体开关器件采用IGCT时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极；所述功率半导体开关器件采用MOSFET时，所述正极为其漏极，所述负极为其源极。

3.如权利要求1所述的一种桥式电路的控制方法，其特征在于用于控制桥式电路工作在导通模式和分断模式两种工作状态：

1)导通模式：四个功率半导体开关器件均处于开通状态；

2)分断模式：四个功率半导体开关器件均处于闭锁状态。

4.一种高压直流断路器，其特征在于：包括相互并联的通态支路、分断支路和耗能支路，其中，通态支路由至少一个快速机械开关和至少一个如权利要求1所述的桥式电路串联连接构成，分断支路由至少一个如权利要求1所述的桥式电路串联连接构成，耗能支路由非线性电阻构成，且通态支路中的桥式电路数量小于分断支路中的桥式电路数量。

5.如权利要求4所述的一种高压直流断路器的控制方法，其特征在于包括如下内容：

一)当直流系统正常运行时，通态支路的快速机械开关处于闭合状态、桥式电路处于导通模式，分断支路的桥式电路处于分断模式、RCD缓冲模块中电容两端电压为零；

二)线路发生短路故障，系统要求直流断路器分断时：

①首先开通分断支路的桥式电路，再闭锁通态支路的桥式电路；

②当通态支路电流完全转移至分断支路后，分断通态支路的快速机械开关；

③当快速机械开关无弧分断后，闭锁分断支路的桥式电路，此时故障电流转移至非线性电阻中，直至系统能量被其所消耗吸收，此时高压直流断路器完成分断；

三)直流断路器完成分断后短时间内，系统要求重合闸时：

①首先开通分断支路的桥式电路；

②当故障电流不超过过流保护定值并保持一定时间后，开通通态支路的桥式电路和闭合快速机械开关；

③当电流完全从分断支路转移至通态支路后，闭锁分断支路的桥式电路；至此完成重合闸操作完成。