CN105490244B - 一种z源直流断路器 - Google Patents

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Abstract

一种Z源直流断路器，用于串接在负载和直流电源之间，Z源直流断路器包括依次串联的第一电感、半控型器件和第二电感；第一电感的一端接直流电源的正极，另一端接半控型器件的阳极，半控型器件的阴极接第二电感的一端，第二电感的另一端与负载相连；还包括第一电感吸收回路、第二电感吸收回路、第一电容和第二电容；第一电感吸收回路并接在第一电感两端，第二电感吸收回路并接在第二电感两端；第一电容的一端接半控型器件的阴极，另一端接直流电源负极；第二电容的一端接半控型器件的阳极，另一端接在第二电感和负载之间。本申请不需要外部触发命令即可迅速动作，缩短了隔离故障的时间，断路动作时间短，提升了系统的安全性。

Description

一种Z源直流断路器
技术领域
本申请涉及直流断路器技术领域，尤其是Z源直流断路器。
背景技术
随着新能源的不断开发以及电力电子技术的推进，直流电力系统已广泛应用于当代生活中，如高压直流输电系统、光伏发电系统、船舶电力推进系统、现代化建筑用电系统等。同时用户对于电能质量以及用电可靠性的要求越来越高，这就要求提高供电系统的可靠性和稳定性。断路器是切除故障、保持系统稳定性的重要元器件之一，已广泛应用于直流电力系统中。
传统的直流开断设备主要有机械断路器、固态断路器及混合型断路器。机械断路器虽然控制比较简单、通态损耗低，但是动作时间较长、使用寿命有限；固态直流断路器开关速度快，但需要额外的换流回路迫使电流过零，而且换流回路必须在故障电流超过开关的最大开断电流之前动作，这就要求精确的故障检测电路和控制电路，特别是在恶劣的故障条件下很难及时检测到故障并发出跳闸命令；混合型兼顾前两者的优点，结合了机械开关的低导通损耗特性和固态开关的快速动作特性，但是要求机械部分与其他部分协调性高，控制策略相对复杂。另外，传统的直流断路器都需要外部的故障检测回路发出操作信号才能动作，而故障的检测需要一定的延时，这增加了故障的切除时间，特别发生恶性短路故障时，将严重影响系统的稳定性。
发明内容
本申请提供一种Z源直流断路器，解决现有技术中断路动作时间长、安全性低的问题。
一种Z源直流断路器，用于串接在负载和直流电源之间，Z源直流断路器包括依次串联的第一电感、半控型器件和第二电感；第一电感的一端接直流电源的正极，另一端接半控型器件的阳极，半控型器件的阴极接第二电感的一端，第二电感的另一端与负载相连；还包括第一电感吸收回路、第二电感吸收回路、第一电容和第二电容；第一电感吸收回路并接在第一电感两端，第二电感吸收回路并接在第二电感两端；第一电容的一端接半控型器件的阴极，另一端接直流电源负极；第二电容的一端接半控型器件的阳极，另一端接在第二电感和负载之间。
优选的，还包括故障判断模块和三极管，三极管串接在半控型器件和第二电感之间，三极管的集电极接半控型器件的阴极，三极管的发射极接第二电感的一端；故障判断模块的输入端接第一电容与直流电源负极相连接的一端，故障判断模块的输出端接三极管的基极；故障判断模块在第一电容的电流值大于设定值时，用于向三极管的基极输出控制信号，控制三极管进入截止状态。
优选的，第一电感吸收回路包括串联的第一电阻和第一二极管，第一二极管的负极接直流电源的正极，第一二极管的正极接第一电阻的一端，第一电阻的另一端接在第一电感和半控型器件之间；第二电感吸收回路包括串联的第二电阻和第二二极管，第二二极管的负极接半控型器件和第二电感之间，第二二极管的正极接第二电阻的一端，第二电阻的另一端接在第二电感和负载之间。
优选的，故障判断模块为过流继电器。
优选的，三极管为绝缘栅双极型晶体管IGBT。
本申请的有益效果是，当负载侧发生短路故障时，由于电感中的电流不能突变，因此第一电感和第二电感中的电流I L等于故障前的稳态电流I load，流过本发明的故障电流突变分量将由Z源第一电容提供，该电流突变分量由第一电容反向流过半控型器件，此时半控型器件的阳极电流迅速减少，当半控型器件的阳极电流低于半控型器件的维持电流时，半控型器件满足自动关断条件而断开，从而将故障隔离。因此，本申请不需要外部触发命令即可迅速动作，缩短了隔离故障的时间，断路动作时间短，提升了系统的安全性。
同时，故障电流由直流电源和第一电容共同提供，减少了故障对电源的影响，在开断过程中不会产生电弧，开关元件不会承受过电压，可增加断路器的使用寿命。
附图说明
图1为实施例1的电路图；
图2为实施例1在负载发生故障时的电路简化图；
图3为实施例2的电路图；
图4为实施例3的电路图；
图5为实施例4的电路图；
图6为实施例4的实验波形图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种Z源直流断路器，如图1所示，用于串接在负载11和直流电源10之间，该Z源直流断路器包括依次串联的第一电感1、半控型器件2和第二电感3；第一电感1的一端接直流电源10的正极，另一端接半控型器件2的阳极，半控型器件2的阴极接第二电感3的一端，第二电感3的另一端与负载11相连；还包括第一电感吸收回路6、第二电感吸收回路7、第一电容4和第二电容5；第一电感吸收回路6并接在第一电感1的两端，第二电感吸收回路7并接在第二电感3的两端；第一电容4的一端接半控型器件2的阴极，另一端接直流电源10的负极；第二电容5的一端接半控型器件2的阳极，另一端接在第二电感3和负载11之间。
由于负载11侧的任何扰动都会在Z源第一电容4支路中产生扰动电流，因此，可以通过第一电容4的支路电流i CZ的大小来判断是否发生故障。系统正常运行时，稳态的负载电流小于或等于线路的额定负载电流，因此第一电容4的电流判断式如下：
式中，I e为线路额定负载电流，K为动作系数，取值范围为1>K>0，为了躲过正常的负载波动和投切负荷，可取K>0.5。实际情况中，由于线路的运行环境以及负载种类的不同，K的取值各不相同，可通过实际的运行经验得出更合理的经验值，而不限于本实施例提供的数值。
当负载侧发生故障时，由于Z源电感电流不能突变，此时故障电流中的故障分量完全由第一电容4和负载11提供。其简化电路如图2所示，图中两个阻抗电容12分别表示第一电容4和第二电容5，负载11侧包括故障电阻13和负载电容14，表示负载电容14产生的电流，由分流公式可得
因为只有满足条件时，半控型器件2才能达到关断的条件，因此Z源直流断路器最小可检测故障电流为：
即故障电流的突变分量满足上式时，本实施例不需要外部触发命令可迅速地动作，达到快速切除故障的目的。
实施例2：
作为实施例1的改进，如图3所示，由实施例1可知，可检测的故障电流最小值为，当故障电流小于这一最小值时，可能存在检测不到故障的现象，因此，本实施例增加了故障判断模块8和三极管9，三极管9串接在半控型器件2和第二电感3之间，三极管9的集电极接半控型器件2的阴极，三极管9的发射极接第二电感3的一端；故障判断模块8的输入端接第一电容1与直流电源10负极相连接的一端，故障判断模块8的输出端接三极管9的基极。故障判断模块8在第一电容1的电流值大于设定值时，向三极管9的基极输出控制信号，控制三极管9进入截止状态，就隔离了故障，进一步提升了系统的安全性。
本实施例中，三极管9选用绝缘栅双极型晶体管IGBT。作为本实施例的变形，也可以是其他类型的晶体管。
实施例3：
作为实施例1的改进，如图4所示，第一电感吸收回路6包括串联的第一电阻62和第一二极管61，第一二极管61的负极接直流电源10的正极，第一二极管61的正极接第一电阻62的一端，第一电阻61的另一端接在第一电感1和半控型器件2之间；第二电感吸收回路7包括串联的第二电阻72和第二二极管71，第二二极管71的负极接半控型器件2和第二电感3之间，第二二极管71的正极接第二电阻72的一端，第二电阻72的另一端接在第二电感3和负载11之间。负载11包括并联的负载侧电容111和负载侧电阻112。
实施例4：
作为实施例2的改进，如图5所示，第一电感吸收回路6包括串联的第一电阻62和第一二极管61，第一二极管61的负极接直流电源10的正极，第一二极管61的正极接第一电阻62的一端，第一电阻61的另一端接在第一电感1和半控型器件2之间；第二电感吸收回路7包括串联的第二电阻72和第二二极管71，第二二极管71的负极接半控型器件2和第二电感3之间，第二二极管71的正极接第二电阻72的一端，第二电阻72的另一端接在第二电感3和负载11之间。负载11包括并联的负载侧电容111和负载侧电阻112。
进一步的，故障判断模块8为过流继电器，当第一电容4的电流大于预定值时，过流继电器判断到负载侧或者中间线路发生故障，过流继电器的输出端向三极管9发送信号，从而使三级管进入截止状态，隔离了电路故障。
针对实施例4进行实验，设定电源电压US=24V，LZ1=1024μH，LZ2=1038μH，CZ1=47μF，CZ2=47μF，CL=47μF，RL=20Ω，Rf=2.5Ω。如图6所示，图中i LZ为第一电感1中的电流；i CZ为第一电容4中的电流；i S为直流电源10提供的电流；i SCR为流过半控型器件2的电流；u SCR为半控型器件2两端的电压；u o为负载侧电压。可以看出系统在正常运行情况下i CZ为零，当负载侧发生故障时，由于电感电流不能突变，此时i CZ迅速最大，当i CZ等于i LZ时半控型器件2断开，i CZ不再突变，此时相当于电源经过第一电感1和故障电阻13对第二电容5进行充电，当电容饱和时i CZ、i S都下降为零，第一电感1中剩余的能量经过第一电阻62和第一二极管61进行释放，直到i LZ变为零，至此故障完全被隔离。由图3可以看出，本发明从故障发生至故障完全隔离大约只用了1ms，动作迅速。且在开断过程中，开关元件两端无过电压现象。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (4)

1.一种Z源直流断路器，用于串接在负载(11)和直流电源(10)之间，其特征在于：
所述Z源直流断路器包括依次串联的第一电感(1)、半控型器件(2)和第二电感(3)；所述第一电感(1)的一端接直流电源的正极，另一端接半控型器件(2)的阳极，半控型器件(2)的阴极接第二电感(3)的一端，第二电感(3)的另一端与负载相连；
还包括第一电感吸收回路(6)、第二电感吸收回路(7)、第一电容(4)和第二电容(5)；第一电感吸收回路(6)并接在第一电感(1)两端，第二电感吸收回路(7)并接在第二电感(3)两端；第一电容(4)的一端接半控型器件(2)的阴极，另一端接直流电源(10)负极；第二电容(5)的一端接半控型器件(2)的阳极，另一端接在第二电感(3)和负载(11)之间；
还包括故障判断模块(8)和三极管(9)，所述三极管(9)串接在半控型器件(2)和第二电感(3)之间，三极管(9)的集电极接半控型器件(2)的阴极，三极管(9)的发射极接第二电感(3)的一端；故障判断模块(8)的输入端接第一电容(4)与直流电源(10)负极相连接的一端，故障判断模块(8)的输出端接三极管(9)的基极；故障判断模块(8)在第一电容(4)的电流值大于设定值时，用于向三极管(9)的基极输出控制信号，控制三极管(9)进入截止状态。
2.根据权利要求1所述的Z源直流断路器，其特征在于：
所述第一电感吸收回路(6)包括串联的第一电阻(62)和第一二极管(61)，所述第一二极管(61)的负极接直流电源(10)的正极，第一二极管(61)的正极接第一电阻(62)的一端，第一电阻(62)的另一端接在第一电感(1)和半控型器件(2)之间；所述第二电感吸收回路(7)包括串联的第二电阻(72)和第二二极管(71)，所述第二二极管(71)的负极接半控型器件(2)和第二电感(3)之间，第二二极管(71)的正极接第二电阻(72)的一端，第二电阻(72)的另一端接在第二电感(3)和负载(11)之间。
3.根据权利要求1或2所述的Z源直流断路器，其特征在于：
所述故障判断模块(8)为过流继电器。
4.根据权利要求1或2所述的Z源直流断路器，其特征在于：
所述三极管(9)为绝缘栅双极型晶体管IGBT。
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