CN106356834B - 一种磁耦合换流式转移电路及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种磁耦合换流式转移电路及其使用方法，包括主电流电路和转移电流电路，主电流电路可以为机械开关、电力电子器件、限流器、电阻以及导线中的一个或多个串并联组合。所述转移电流电路包括由副边电感器L1和电阻器串联组成的第一电路；由预充电电容或超导电感组成的A3，功率半导体器件或触发间隙B1‑B4和原边电感器L0串联组成的第二电路。本公开通过互感器产生的电压可以直接将电流转移至电阻，省去了电流向电容器或者电力电子器件转移的过程，限流速度和可靠性远高于传统的技术；本公开能够实现电容充电单元与直流系统的隔离，显著减小充电单元的电压等级与体积，提高了动作可靠性。

Description

一种磁耦合换流式转移电路及其使用方法

技术领域

本公开属于电子电路领域，特别涉及一种磁耦合换流式转移电路及其使用方法。

背景技术

由于直流配网的短路电流上升速率高，较大的短路电流将给直流电力系统的安全稳定运行带来诸多威胁。通过短路电流的限制可以显著降低短路电流对系统及设备的冲击，提高中压直流电网安全可靠性，减轻直流断路器的分断压力。为了限制中压直流配电系统中的短路故障电流，国内外研究机构展开了大量的研究工作，大致分为超导限流、液态金属限流和混合式限流，其限流的本质是通过电流转移后转移支路限流器产生的电阻建立电压来抵制系统电压。

迄今为止，法国、美国、瑞士、日本等工业发达国家已经利用低温超导材料或高温超导材料研制成功多种类型的超导故障限流器试验样机。其原理是利用超导材料的超导态-正常态转变特性，在正常运行时表现为零阻抗或极小阻抗，而在故障时产生一个适当的阻抗从而限制短路电流。超导限流技术原理较为简单，但要实际应用到中压直流配网系统中，还需解决超导材料大容量能量耐受和失超恢复能力等关键问题。

近年来出现的基于镓铟锡(GaInSn)的液态金属限流技术，采用液态金属作为通流元件，利用其通过大电流时的自收缩效应限制故障短路电流，具有能够自动检测和反应限流以及具有自恢复性等独特优点，也是当前限流技术研究的一个热点。但目前液态金属磁收缩的限流机理及其影响因素尚不清晰，缺乏完善的收缩过程磁流体数学模型。

此外，国际上还提出了基于大功率电力电子器件的限流方案，但由于电子电子器件成本高、通流能力低、损耗大等原因，目前尚处于研究探索阶段。

发明内容

基于此，本公开公开了一种磁耦合换流式转移电路，所述电路包括主电流电路、转移电流电路和接入端口；

所述主电流电路用于连续承载电流或者临时导通电流；

所述转移电流电路用于承受从主电流电路转移过来的电流；

所述接入端口用于和外部系统相连接。

本公开还公开了一种磁耦合换流式转移电路使用方法，所述转移方法包括以下步骤：

S1、根据主电流电路的电流幅值和变化率或者根据接收到的外部转移指令，向主电流电路中的机械开关发出分闸信号；

S2、进而导通晶闸管B1至B4中的任意两个晶闸管，与第三电路A3和电感组成放电回路；同时，副边电感器两端产生上升的电压，直至电阻导通，主电流电路中的电流逐渐向第一电路转移；

S3、当主电路电流中的电流完全转移后，电阻两端的压降会抑制系统电压，因此能够限制电流。

本公开的有益效果：1)本公开通过互感器产生的电压可以直接将电流转移至电阻，省去了电流向电容器或者电力电子器件转移的过程，限流速度和可靠性远高于传统的技术；2)本公开能够实现电容充电单元与直流系统的隔离，显著减小充电单元的电压等级与体积，提高了动作可靠性；3)在转移电流电路互感器的原边侧使用功率半导体器件或触发间隙组成桥式电路，可以实现双向电流转移，桥式电路的耐压要求和成本低。

附图说明

图1是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路的结构示意图；

图2是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路的单向工作时的结构示意图；

图3是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路的另一种单向工作时的结构示意图；

图4是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路电流标志示意图；

图5(a)是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路的转移电流时主电流电路的电流流向示意图；

图5(b)是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路的转移电流时主电流电路和转移电流电路的电流流向示意图；

图5(c)是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路的转移电流时转移电流电路的电流流向示意图；

图6是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路对应于图5的转移电流时各电路中电流变化曲线图；

图7是根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路图；

图8是根据本公开另一个实施例的磁耦合换流式转移电路图；

图9是根据本公开一个实施例图8优化后的双向分断的混合式限流器的分断方法的步骤示意图。

具体实施方式

以下详细描述实际上仅是示例性的而并不意欲限制应用和使用。此外，并不意欲受以上技术领域、背景、简要概述或以下详细描述中呈现的任何明确或暗示的理论约束。除非明确地具有相反的描述，否则词语“包括”及其不同的变型应被理解为隐含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

在一个实施例中，公开了一种磁耦合换流式转移电路，所述电路包括主电流电路、转移电流电路和接入端口；

所述主电流电路用于连续承载电流或者临时导通电流；

所述转移电流电路用于承受从主电流电路转移过来的电流；

所述接入端口用于和外部系统相连接。

本实施例所述的转移电路利用互感器和电阻串联实现电流的快速转移和限制，省去了利用电容器或者电力电子器件建立电压将系统电流转移至电阻的过程。通过控制与直流系统隔离的互感器原边侧电容放电，使其产生脉冲电流，同时与直流系统连接的互感器副边侧感应出高电压使得电阻导通形成脉冲电流，利用该电流来抵制主电流电路电流，使电流从主电流电路向包含电阻和互感器的转移电路转移，进而利用电阻完成电流的限制。

在一个实施例中，所述主电流电路由机械开关、电力电子器件以及限流器中的一个或多个串联或者并联组成。

本实施例所述的主电流电路可以连续承载或临时导通电流，主电流电路包含机械开关、电力电子器件、限流器、导线中的一个或多个串并联组合的A1，主电流电路作为本专利转移电路中的被转移部分，其两端引出作为本专利对外部系统的接入端口。

在一个实施例中，所述转移电流电路包括第一电路和第二电路；

所述第一电路包括副边电感器和电阻器，所述副边电感器与电阻器相串联；

所述第二电路包括预充电电容、电感、晶闸管B1至B4和原边电感器；

所述预充电电容和电感相串联组成第三电路A3；

所述晶闸管B1至B4包括功率半导体或者触发间隙；

所述晶闸管B1至B4相串联组成回路后与原边电感器相串联；

所述晶闸管B1至B4和第三电路A3组成桥式电路；

所述原边电感器和副边电感器组成互感器。

在本实施例中，所述转移电流电路具有承受从主电流电路所转移电流的能力，包含由副边电感器L1和电阻。副边电感器L1、电阻串联组成的第一电路；由预充电电容或超导电感组成的A3，功率半导体器件或触发间隙组成的B1至B4和原边电感器L0串联组成的第二电路，所述原边电感器和副边电感器组成互感器，所述第一电路与主电流电路并联，所述第二电路与第一电路可以绝缘，也可以不绝缘。

根据电流方向不同，为实现转移双向电流，在转移电流电路互感器的原边侧使用功率半导体器件或触发间隙组成桥式电路。

电流转移之前，电流从所述主电流电路中A1中流过；此时，所述转移电流电路中电力电子器件、触发开关器件和晶闸管B1至B4处于关断状态，所述转移电流电路中第一电路和第二电路均没有电流流过。

更优的，所述第一电路与主电流电路并联，所述第二电路与第一电路之间选择绝缘或者不绝缘。

更优的，所述原边电感器和副边电感器为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成。

更优的，所述电阻器包括碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻中的一种。

更优的，所述机械开关包括基于弹簧机构的普通机械开关、基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关中的一种；

所述限流器包括超导故障限流器SFCL、液态金属限流器LMFCL、PTC限流器中的一种。

更优的，所述功率半导体器件包括电力二极管、晶闸管、IGBT、IGCT中的一个或多个串并联组合。

在一个实施例中，所述电路能够通过自身的传感测量信号触发，也能够通过外部指令触发；

所述磁耦合换流式转移电路通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以确定所述转移电流电路中功率半导体器件、触发间隙以及主电流电路中的机械开关、功率半导体器件是否动作以及相应的动作时序。

在一个实施例中，本公开公开了一种磁耦合换流式转移电路使用方法，所述转移方法包括以下步骤：

S1、根据主电流电路的电流幅值和变化率或者根据接收到的外部转移指令，向主电流电路中的机械开关发出分闸信号；

S2、根据所述电路的电流流动方向，导通晶闸管B1至B4中的两个晶闸管，与第四电路A3和电感组成放电回路；同时，副边电感器两端产生上升的电压，，主电流电路中的电流逐渐向第一电路的电阻器转移；

S3、当主电路电流中的电流完全转移后，电阻两端的压降会抑制系统电压，因此能够限制电流。

将本实施例所述的方法进行扩展，可以实现多种工程应用功能，如交流限流器、直流限流器、能量耗散器等。本实施例一方面可以将主回路电流直接转移至电阻，建立电压完成电流限制，省去了主回路电流向电容器或者电力电子器件转移的中间过程。同时，互感器原边电容充电单元与直流系统隔离，显著减小充电单元的电压等级与体积，提高可靠性。此外，在转移电流电路互感器的原边侧使用功率半导体器件或触发间隙组成桥式电路，可以实现双向电流转移，桥式电路的耐压和成本低。本实施例的电流转移方法电路简单、部件少，反应时间短，提高了实际应用的灵敏性和可靠性。

在一个实施例中，本公开的实施例描述了一种磁耦合换流式转移电路及其转移方法，如图1所示的根据本公开一个实施例的磁耦合换流式转移电路结构示意图，其包括主电流电路以及转移电流电路。为了更好的说明转移电路工作过程，本文给出了直流电流按照某一方向流入流出本公开的方向示意图，如图2所示。图2中可能存在的功率半导体器件的电流方向与图中主电流电路A1、晶闸管B2和B3的箭头方向一致。图3给出了直流电流按照另一方向流入流出本公开的示意图。

参见图1、2、3公开的磁耦合换流式转移电路，磁耦合换流式转移电路包括主电流电路、转移电流电路以及与外部系统相连接的端部，所述主电流电路和转移电流电路并联。

所述主电流电路可以为机械开关、电力电子器件以及限流器中的一个或多个串并联组合。

所述转移电流电路包括由副边电感器L1和电阻串联组成的第一电路。由预充电电容或超导电感组成的第三电路A3，功率半导体器件或触发间隙组成的晶闸管B1至B4和原边电感器L0串联组成的第二电路，所述原边电感器和副边电感器组成互感器，所述第一电路与主电流电路并联，所述第二电路与第一电路可以绝缘。

根据电流方向不同，为实现双向电流转移，在转移电流电路互感器的原边侧使用功率半导体器件或触发间隙组成桥式电路。

正常工作状态下，电流从所述主电流电路中主电流电路A1中流过；此时，所述转移电流电路中电力电子器件、触发开关器件和晶闸管B1至B4处于关断状态，所述转移电流电路中第一电路和第二电路均没有电流流过。

当所述磁耦合换流式转移电路应用于直流限流器，并需要其转移电流时，通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率确定所述转移电流电路中功率半导体器件或触发间隙以及主电流电路中的机械开关、功率半导体器件是否动作以及相应的动作时序。

其中，所述机械开关可为基于弹簧机构的普通机械开关、基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关；所述限流器包括但不限于超导故障限流器SFCL、液态金属限流器LMFCL、PTC限流器；所述功率半导体器件包括但不限于电力二极管、晶闸管、IGBT、IGCT中的一个或任意多个串联或并联组合。

其中，组成互感器的原边电感器和副边电感器为空心电感或含磁芯的电感器，原边和副边可以采用一个或者多个电感串联或者并联。所述转移电流第二电路由功率电力电子器件或触发间隙B1至B4组成桥式电路。

图4给出了转移电流电路各支路电流标志，其中i0为转移电流第二电路中流经第三电路A3和原边电感器L0上的电流，i1为流经主电流电路的电流，i2为转移电流第一电路中与电感器副边L1的电流。

在主电流电路中，以电流从左向右流动为例，图5(a)、图5(b)和图5(c)给出了转移电流时各支路电流方向，具体的为对应从t1到t5各时刻的各支路电流方向。图6给出了各支路的电流变化曲线。

在一个实施例中，参见图9，使用所述的磁耦合换流式转移电路及其使用方法包括以下步骤。

第一步骤S1中，向主电流回路机械开关A1发出分闸信号。由于机械开关动作有延时，此时尚未形成断口。

第二步骤S2中，根据电流流动方向，控制器向所述转移电路第二电路中呈桥式的晶闸管B2至B4其中两个发送导通信号。第三电路A3与原边电感器L0形成放电回路。同时，由于感应作用第一电路的副边电感器L1两端产生快速上升的电压，直至电阻导通。主电流回路电流逐渐向转移电流第一电路转移。一段时间后，全部电流转移至转移电流第一电路。随后机械开关触头间形成断口。

第三步骤S3中，电流转移完毕后，电阻两端建立一定电压，可以完成电流限制功能。

在一个实施例中，参见图9，利用磁耦合换流式转移电路所构成的直流限流器的具体的操作步骤包括以下几个方面，电流以主电流电路左进右出为例：

系统正常运行，机械开关闭合，晶闸管断开，电流全部从主电流电路中的机械开关流过，如图5(a)所示，其中系统额定电流为I。

t1时刻，系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，在t0和t1间，当超过系统短路阈值时，控制器向主电流回路机械开关A1发出分闸信号。由于机械开关动作有延时，此时尚未形成断口。

t2时刻，导通晶闸管B2，B3，预充电的电容器A3与原边电感器L0形成放电回路。同时，如图5(b)所示：由于感应作用第一电路的电感L1两端产生快速上升的电压，主电流回路电流逐渐向转移电流第一电路转移。

t3时刻，主回路电流全部转移到转移电流电路中的第一电路，如图5(c)所示。随后机械开关触头两端形成断口。

t4时刻，电流完全转移后，由于电阻两端的压降会抵制系统电压，因此可以限制转移电流电路第二电路中的电流上升。

t5时刻，转移电流电路第二电路电流为零。

t6时刻，转移电流电路第一电路电流被限制到一定水平以下。

本公开中所述的转移电流电路中并不要求只包含一个互感器，可以为多个互感器及其原边侧电路的串联或并联组合，如图7、图8所示。

本公开公开了一种磁耦合换流式转移电路，包括主电流电路以及转移电流电路。转移电流电路包含一种互感器，使用该转移电流电路可以完成快速电流转移，实现电流限制。同时，第二电路中的电容器与直流系统的隔离，可以显著减小充电单元的电压等级与体积，提高转移的可靠性。

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。

Claims (7)

1.一种磁耦合换流式转移电路，其特征在于：所述电路包括主电流电路、转移电流电路和接入端口；

所述主电流电路用于连续承载电流或者临时导通电流；

所述转移电流电路用于承受从主电流电路转移过来的电流；

所述接入端口用于和外部系统相连接；

所述主电流电路由机械开关、电力电子器件以及限流器中的一个或多个串联或者并联组成；

所述转移电流电路包括第一电路和第二电路；

所述第一电路包括副边电感器和电阻器，所述副边电感器与电阻器相串联；

所述第二电路包括预充电电容、电感、晶闸管B1至B4和原边电感器；

所述预充电电容和电感相串联组成第三电路A3；

所述晶闸管B1的阴极和晶闸管B3的阳极相连，并连接至原边电感器的一端，晶闸管B1和晶闸管B2反向串联，晶闸管B3和晶闸管B4反向串联，第三电路A3连接在晶闸管B1和晶闸管B2的连接点与晶闸管B3和晶闸管B4的连接点之间，晶闸管B2的阴极和晶闸管B4的阳极相连，并连接至原边电感器的另一端；

所述原边电感器和副边电感器组成互感器。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述第一电路与主电流电路并联，所述第二电路与第一电路之间选择绝缘或者不绝缘。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述原边电感器和副边电感器为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述电阻器包括碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻中的一种。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述机械开关包括基于弹簧机构的普通机械开关、基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关中的一种；

所述限流器包括超导故障限流器SFCL、液态金属限流器LMFCL、PTC限流器中的一种。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电路，其特征在于：所述电路能够通过自身的传感测量信号触发，也能够通过外部指令触发；

所述磁耦合换流式转移电路通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以确定所述转移电流电路中晶闸管以及主电流电路中的机械开关、电力电子器件是否动作以及相应的动作时序。

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的磁耦合换流式转移电路的使用方法，其特征在于，所述转移方法包括以下步骤：

S1、根据主电流电路的电流幅值和变化率或者根据接收到的外部转移指令，向主电流电路中的机械开关发出分闸信号；

S2、根据所述电路的电流的流动方向，导通晶闸管B1至B4中的两个晶闸管，与第三电路A3和电感组成放电回路；同时，副边电感器两端产生上升的电压，主电流电路中的电流逐渐向第一电路中的电阻器转移；

S3、当主电路电流中的电流完全转移后，电阻两端的压降会抑制系统电压，因此能够限制电流。