CN107370119B - 基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法，该固态直流断路器包括主开关晶闸管、限流电抗器及限流电抗器的续流电路、储能关断单元；其中主开关晶闸管的阳极连接直流电源正极，主开关晶闸管的阴极经限流电抗器与一个负载相连，限流电抗器的续流电路并联在限流电抗器两端，储能关断单元接在主开关晶闸管阴极与直流电源负极之间。本发明采用模拟电路实现控制，控制电路简单且响应延迟小。

Description

基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种固态直流断路器及其控制方法，具体地，涉及一种基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子器件的发展，直流输配电技术的优势日益凸显。在可再生能源中，太阳能光伏与燃料电池本身就是直流电源，风能的利用也主要采用交-直-交变换，因此主流可再生能源均可视为直流电源。而在负载侧，计算机、LED、电动汽车等直流负载发展迅猛且得到了大规模应用，且由于可调速电机负载主要采用交-直-交变换器进行驱动，因此也可视为直流型负载。采用直流电网实现从直流电源到直流负载的供电无疑能显著提高用电效率。

与交流系统一样，直流电网的安全可靠运行同样离不开断路器的保护。由于在直流输配电系统中，直流电流不存在自然过零点，因此直流断路器不能像交流断路器那样利用电流自然过零点分断故障电流，采用传统机械式断路器会不可避免地在分断故障电流过程中产生高压电弧，这会对断路器触头造成损蚀，从而增加维护成本和维护难度，也降低了系统的可靠性。

半导体技术的发展为无弧直流断路器提供了一种解决方案。采用电力电子器件作为断路器开关，通过控制半导体内部结构使其工作在导通或阻断状态，从而实现直流线路的导通与无弧分断，能有效提高系统可靠性，降低维护成本和工作量。由于半导体并非导体，在导通状态下仍存在一定的通态压降，因此会产生导通损耗，使系统效率降低且需要采取散热措施。在所有典型电力电子器件中，晶闸管通态压降最低，例如ABB生产的5STP45Q2800型晶闸管，其阈值电压为0.86V，斜率电阻最大仅为70μΩ(结温125℃)，呈现出媲美机械触点的趋势。另外，晶闸管廉低易得，对冲击电流和冲击电压的耐受能力强，非常适合应用在断路器中。但由于晶闸管属于半控型器件，不具备关断能力，从而限制了其在断路器中的应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于电容储能的固态直流断路器，其特征在于，包括主开关晶闸管、限流电抗器及限流电抗器的续流电路、储能关断单元；其中主开关晶闸管的阳极连接直流电源正极，主开关晶闸管的阴极经限流电抗器与一个负载相连，限流电抗器的续流电路并联在限流电抗器两端，储能关断单元接在主开关晶闸管阴极与直流电源负极之间。

优选地，所述限流电抗器用于限制故障电流的上升速度，使得储能关断单元的放电电流大于故障电流，从而使主开关晶闸管电流过零，实现电路的分断。

优选地，所述电抗器的续流电路包括第一电阻和第一二极管；第一电阻用于在主开关晶闸管进入阻断状态后将存储在电抗器中的能量快速消耗掉，以减小电抗器的电流应力和热应力，若所用电抗器绝缘强度较高，第一电阻可省去；第一二极管用于限制续流方向，其阴极与主开关晶闸管阴极相连，在非故障状态下其处于阻断状态，在故障状态下，当电抗器承受反向电压时其进入导通状态，为电抗器提供续流支路，用于减小主开关晶闸管的电压应力。

优选地，所述储能关断单元由两组反向并联的阻容充电支路及在两组阻容之间跨接的限流放电开关构成，其中限流放电开关由限流电阻与晶闸管或逆阻型全控半导体器件串联构成；非故障状态下限流放电开关处于阻断状态，当负载需要通电时，主开关晶闸管被触发导通，两组反向并联的阻容单元分别独立充电，储能结束时，两组电容的电压均与直流电源电压持平；发生故障时限流放电开关被触发导通，两组电容经限流电阻串联后接在主开关晶闸管阴极与直流系统负极之间，使得主开关晶闸管承受反向电压，足够大的电容放电电流使主开关晶闸管电流过零并关断。

本发明还提供一种基于电容储能的固态直流断路器的控制方法，其特征在于，其采用以下工况：

工况一：负载通电；控制方法为：向主开关晶闸管发出触发脉冲，主开关晶闸管导通，直流断路器内的储能电容通过充电电阻自动完成充电储能，储能完成后，两个储能电容的电压均与直流电源电压持平，在电容储能的同时，负载也得电启动并进入工作状态；

工况二：负载断电；控制方法为：触发储能关断单元的限流放电开关导通，此时两组电容与限流电阻串联后经主开关晶闸管和直流电源形成回路，由于此时两组电容的电压均与直流电源电压持平，因此主开关晶闸管将承受接近电源电压的反向电压，使得主开关晶闸管电流迅速过零并将其关断，从而将负载断电；

工况三：故障保护；通过电流传感器监测断路器实时电流，并将电流值与保护阈值作比较，当断路器电流高于保护阈值时，触发储能关断单元的限流放电开关导通，使断路器关断；故障的监测和保护电路采用模拟电路实现，不需要采用数字控制器，响应延迟显著缩小。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

一，本发明能有效隔离短路故障对电源侧的冲击，防止前级保护设备连锁保护。

二，本发明采用模拟电路实现控制，控制电路简单且响应延迟小，能迅速切断故障电流。

三，本发明所需元器件少，且采用晶闸管作为主开关，成本低。

四，本发明具有低通特性，可兼作直流负载的输入滤波器，对于有纹波要求的直流负载，可省去输入侧的滤波器。

五，本发明在正常运行状态下，仅需考虑晶闸管压降损耗，由于晶闸管压降小，损耗比强迫换流型混合直流断路器及传统纯固态直流断路器低，故散热设计简单。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于电容储能的固态直流断路器拓扑结构；

图2为基于电容储能的固态直流断路器控制示意图；

图3为基于PSpice平台对负载通电、断电工况下的断路器测试结果波形图；

图4为基于PSpice平台对负载侧发生短路工况下的断路器故障保护波形图；

图5为基于PSpice平台对负载侧发生过载工况下的断路器故障保护波形图。

图中：

Ⅰ-限流电抗器的续流电路；

Ⅱ-储能关断单元；

Ⅲ-电流传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明基于电容储能的固态直流断路器包括主开关晶闸管T₁、限流电抗器L₁及限流电抗器的续流电路Ⅰ、储能关断单元Ⅱ。其中主开关晶闸管T₁的阳极连接直流电源正极，主开关晶闸管的阴极经限流电抗器L₁与一个负载Z₁相连，限流电抗器的续流电路Ⅰ并联在限流电抗器L₁两端，储能关断单元Ⅱ接在主开关晶闸管T₁阴极与直流电源负极之间。

所述限流电抗器L₁用于限制故障电流的上升速度，使得储能关断单元Ⅱ的放电电流大于故障电流，从而使主开关晶闸管T₁电流过零，实现电路的分断。

所述限流电抗器的续流电路Ⅰ包括第一电阻R₁和第一二极管D₁，第一电阻R₁和第一二极管D₁串联；第一电阻R₁用于在主开关晶闸管T₁进入阻断状态后将存储在限流电抗器L₁中的能量快速消耗掉，以减小限流电抗器L₁的电流应力和热应力，若所用限流电抗器L₁绝缘强度较高，第一电阻R₁可省去；第一二极管D₁用于限制续流方向，其阴极与主开关晶闸管T₁阴极相连，在非故障状态下其处于阻断状态，在故障状态下，当限流电抗器L₁承受反向电压时其进入导通状态，为限流电抗器L₁提供续流支路，用于减小主开关晶闸管的电压应力。

所述储能关断单元Ⅱ由两组反向并联的阻容充电支路及在两组阻容之间跨接的限流放电开关构成，其中第一组阻容充电支路由串联的第一电容C₁和第二电阻R₂构成，第二组阻容充电支路由串联的第二电容C₂和第三电阻R₃构成，限流放电开关由串联的限流电阻R₄与晶闸管T₂(或逆阻型全控半导体器件)构成，第一电容C₁、第二电阻R₂都与晶闸管T2连接，第二电容C₂、第三电阻R3都与限流电阻R4连接；非故障状态下限流放电开关处于阻断状态，在负载需要通电时，主开关晶闸管被触发导通，两组反向并联的阻容单元分别独立充电，储能结束时，第一电容C₁和第二电容C₂的电压均与直流电源电压V_s持平；发生故障时限流放电开关被触发导通，第二电容C₂、限流电阻R₄、第一电容C₁经主开关晶闸管T₁和直流电源形成回路，使得主开关晶闸管T₁承受反向电压，第一电容C₁和第二电容C₂的放电电流使主开关晶闸管T₁电流过零并关断。

本发明利用电容储能提供了一种晶闸管过零关断电路且不需要额外的充电电路，为低损耗固态断路器提供了一种新型实现方案；采用模拟电路实现控制，控制电路简单且响应延迟小；断路器采用晶闸管作为主开关，成本低，通态损耗小，可实现直流短路、过载等故障电流的快速无弧分断，且能避免故障电流对电源侧的冲击，防止前级保护设备连锁保护。

进一步地，本实施例提供的基于电容储能的固态直流断路器，还包括断路器在典型工况下的控制方法，即本发明基于电容储能的固态直流断路器的控制方法主要采用负载通电、负载断电、故障保护等典型工况，其中：

工况一：负载通电。控制方法为：向主开关晶闸管T₁发出触发脉冲，主开关晶闸管T₁导通，直流断路器内的第一储能电容C₁、第二储能电容C₂分别通过充电电阻R₂、 R₃自动完成充电储能，储能完成后，第一储能电容C₁和第二储能电容C₂的电压均为直流电源电压V_s，在电容储能的同时，负载得电启动并进入工作状态。

工况二：负载断电。控制方法为：触发储能关断单元Ⅱ的限流放电开关导通，此时第二电容C₂、限流电阻R₄、晶闸管T₂、第一电容C₁、主开关晶闸管T₁将经直流电源形成回路，由于此时第一储能电容C₁和第二储能电容C₂的电压均为直流电源电压V_s，因此主开关晶闸管T₁将承受接近电源电压V_s的反向电压，使得主开关晶闸管T₁的电流迅速过零并将其关断，从而将负载断电。

工况三：故障保护。控制方法为：如图2所示，通过电流传感器Ⅲ监测断路器实时电流，并将电流值与保护阈值I_th(一般略高于额定电流值)作比较，当断路器电流高于保护阈值I_th时，触发储能关断单元Ⅱ的晶闸管T₂导通，此时第二电容C₂、限流电阻R₄、晶闸管T₂、第一电容C₁、主开关晶闸管T₁将经直流电源形成回路，由于此时第一储能电容C₁和第二储能电容C₂的电压均为直流电源电压V_s，因此主开关晶闸管T₁将承受接近电源电压V_s的反向电压，使得主开关晶闸管T₁的电流迅速过零并将其关断；阈值比较采用比较器实现，当断路器电流高于保护阈值I_th时，比较器的输出由低电平跳转为高电平，晶闸管T₂的驱动电路捕捉到该电平跳变，并向晶闸管T₂产生一个触发脉冲，使断路器关断；由于整个故障保护过程不需要数字控制器的参与，响应延迟显著缩小。

更进一步地，基于PSpice平台搭建本发明的电路模型，并对上述典型工况进行测试，本实施例以1kV直流电网为例，选取1kV/200A直流负载。各工况测试结果如下：

负载通电、断电工况下的测试结果如图3所示，由图可见，本发明通电、断电过程均较短，动作迅速，开关过程对主开关晶闸管T₁的电压、电流冲击小，有利于断路器长期安全稳定运行；

负载侧发生短路故障时断路器的保护波形如图4所示，由图可见，本发明在短路故障发生时能迅速实施保护，由于保护动作不需要数字控制器的参与，响应延迟小，可将故障电流峰值限制在较低的水平，主开关晶闸管T₁反向恢复电流较大以迅速进入阻断状态，短路故障发生后，主开关晶闸管T₁电流迅速减小并反向，消除了负载短路电流对前级保护设备的干扰，防止因连锁保护导致大面积停电，电感续流电路Ⅰ将主开关晶闸管T₁端电压限制在较低的水平；

负载侧发生两倍过载故障时断路器的保护波形如图5所示，由图可见，本发明在过载故障发生时能迅速保护，过载保护过程对主开关晶闸管T₁的电压、电流冲击小，有利于断路器长期安全稳定运行。

实施例的结果证明了本发明所提出的基于电容储能的固态直流断路器，能够在负载出现短路或过载时快速切断故障电流，将故障电流峰值限制在较低的水平，能够有效隔离故障电流对电源侧的冲击，防止前级保护设备连锁保护。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种基于电容储能的固态直流断路器，其特征在于，包括主开关晶闸管、限流电抗器及限流电抗器的续流电路、储能关断单元；其中主开关晶闸管的阳极连接直流电源正极，主开关晶闸管的阴极经限流电抗器与一个负载相连，限流电抗器的续流电路并联在限流电抗器两端，储能关断单元接在主开关晶闸管阴极与直流电源负极之间；所述限流电抗器用于限制故障电流的上升速度，使得储能关断单元的放电电流大于故障电流，从而使主开关晶闸管电流过零，实现电路的分断；所述电抗器的续流电路包括第一电阻和第一二极管；第一电阻用于在主开关晶闸管进入阻断状态后将存储在电抗器中的能量快速消耗掉，以减小电抗器的电流应力和热应力，若所用电抗器绝缘强度较高，第一电阻可省去；第一二极管用于限制续流方向，其阴极与主开关晶闸管阴极相连，在非故障状态下其处于阻断状态，在故障状态下，当电抗器承受反向电压时其进入导通状态，为电抗器提供续流支路，用于减小主开关晶闸管的电压应力；所述储能关断单元由两组反向并联的阻容充电支路及在两组阻容之间跨接的限流放电开关构成，其中限流放电开关由限流电阻与晶闸管或逆阻型全控半导体器件串联构成；非故障状态下限流放电开关处于阻断状态，当负载需要通电时，主开关晶闸管被触发导通，两组反向并联的阻容单元分别独立充电，储能结束时，两组电容的电压均与直流电源电压持平；发生故障时限流放电开关被触发导通，两组电容经限流电阻串联后接在主开关晶闸管阴极与直流系统负极之间，使得主开关晶闸管承受反向电压，足够大的电容放电电流使主开关晶闸管电流过零并关断。

2.一种基于电容储能的固态直流断路器的控制方法，其特征在于，其采用如权利要求1所述的基于电容储能的固态直流断路器并采用以下工况：

工况一：负载通电；控制方法为：向主开关晶闸管发出触发脉冲，主开关晶闸管导通，直流断路器内的储能电容通过充电电阻自动完成充电储能，储能完成后，两个储能电容的电压均与直流电源电压持平，在电容储能的同时，负载也得电启动并进入工作状态；

工况二：负载断电；控制方法为：触发储能关断单元的限流放电开关导通，此时两组电容与限流电阻串联后经主开关晶闸管和直流电源形成回路，由于此时两组电容的电压均与直流电源电压持平，因此主开关晶闸管将承受接近电源电压的反向电压，使得主开关晶闸管电流迅速过零并将其关断，从而将负载断电；

工况三：故障保护；通过电流传感器监测断路器实时电流，并将电流值与保护阈值作比较，当断路器电流高于保护阈值时，触发储能关断单元的限流放电开关导通，使断路器关断；故障的监测和保护电路采用模拟电路实现，不需要采用数字控制器，响应延迟显著缩小。