CN107786188B - 基于lc振荡强迫换流型复合式开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路、装置及其控制方法，所述复合式开关电路包括并联的机械开关支路、LC振荡支路和能量吸收支路；其中，所述机械开关支路包括机械开关；LC振荡支路包括LC振荡电路、旁路开关和固态开关。本发明的基于LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关装置具有结构简洁可靠性高的特点，而且控制方便。

Description

基于LC振荡强迫换流型复合式开关

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路、切换开关装置及控制方法。

背景技术

目前断路器存在着需要将大量的全控器件串联，在技术实现上难度较大，制造成本也较高，而且当短路电流超过单个全控器件所能耐受电流峰值时，其成本将接近翻倍。针对这些问题，文献(专利公开号：CN103337851A)提出了一种半控型有源注入电流式高压直流断路器，其基于传统有源注入电流方式分断直流电流原理，加入半控型电力电子器件，并采用了高速机械开关，如图1所示。该断路器包括高速开关K-晶闸管T20、T10模块支路、以及与该支路并联的避雷器支路和由电力电子器件T3、电容器C、电抗器L、电阻R组成的桥式电路；电容器-电抗器串联支路和电阻-晶闸管串联支路并联后连接于所述桥式电路两桥臂的中点处；在电容器两端并联有充电回路。

(1)当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，晶闸管T20和T10保持触发。流过图中箭头所示方向电流时，则晶闸管T20处于导通状态，晶闸管阀T1、T2、T3、T4、T5保持闭锁，充电回路全控器件和晶闸管阀触发对电容C充电。由于反并联晶闸管所需要耐受的电压低，一般而言一组晶闸管即能满足要求，因此系统正常运行时，所发明断路器产生的损耗很小。

(2)当系统在端口2侧发生接地短路故障时，首先闭锁充电电路中全控器件，将电源与电容器C隔离，与此同时停发反并联晶闸管T20和T10的触发脉冲，那么晶闸管T10处于关断状态。紧接着触发晶闸管阀T2、T5，电容器C经过电抗器L放电，流过高速机械开关的短路电流迅速向晶闸管阀T2、电容器C、电抗器L和晶闸管阀所在支路转移直至过零。随后，触发晶闸管阀T4，电容器剩余的正向电压经T4-T1-L-C流通，与此同时，对高速机械开关进行分断。

这种断路器保持了在正常导通时低损耗的优点。这种断路器能够实现快速、无弧地分断双向电流，而且电路拓扑结构技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，扩展能力强，且使用的电力电子器件数目少，极大程度上降低了成本。

但是这种断路器的结构仍然复杂，而且可靠性较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路、切换开关装置及控制方法。

本发明提供了一种基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，其特征在于，

所述复合式开关电路包括并联的机械开关支路、LC振荡支路和能量吸收支路；其中，

所述机械开关支路包括机械开关；

LC振荡支路包括LC振荡电路、旁路开关和固态开关。

进一步地，

所述LC振荡电路与所述固态开关串联；

所述LC振荡电路与所述旁路开关并联。

进一步地，所述能量吸收电路包括避雷器。

本发明还提供了一种开关电路控制方法，应用于权利要求1-3任一所述的基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，其特征在于，

向所述机械开关发出分闸命令；

控制所述固态开关导通；

控制所述固态开关断开。

进一步地，

向所述机械开关发出分闸命令后，等待一个预先设定的延时，再控制所述固态开关导通，和/或，

在所述机械开关分闸运动到间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时，再控制所述固态开关断开。

进一步地，在所述延时时间内所述机械开关达到有效开距。

本发明还提供了一种开关电路控制方法，应用于如上任一所述的基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，其特征在于，

闭合所述旁路开关；

闭合所述固态开关；

闭合所述机械开关；

断开固态开关和旁路开关。

本发明还提供了一种自动切换开关装置，其特征在于，所述自动切换开关装置包括主切换开关部件和备切换开关部件，其中，

所述主切换开关部件包括三个如上所述的任一基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中；

所述备切换开关部件包括三个如上所述的任一基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中。

本发明还提供了一种电源切换保护系统，其特征在于，

所述电源保护切换系统包括：

工作电源和备用电源；

如上所述的自动切换开关装置，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接；

监测系统，用于监测工作电源和/或备用电源的工作状态；

控制保护系统，根据如上任一所述的开关电路控制方法控制所述自动切换开关装置中主切换开关部件和/或备切换开关部件分闸，和/或如上所述的开关电路控制方法控制所述自动切换开关装置中主切换开关部件和/或备切换开关部件合闸。

进一步地，所述监测系统还用于将所述工作状态的信息发送给所述控制保护系统，所述控制保护系统根据所述信息控制所述自动切换开关装置在所述主切换开关部件和备切换开关部件之间切换。

进一步地，所述监测系统还检测所述自动切换开关的合闸和分闸状态，并将所述状态的信息反馈给所述控制保护系统。

本发明的基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路、切换开关装置及控制方法具有低损耗、控制方便、能够快速切换的特点，而且结构简洁、性能可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术中混合自动转换开关的结构示意图；

图2示出了本发明实施例的基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关电路结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关装置结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的双电源冗余供电系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的切换开关采用了基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关电路。本发明实施例以切换开关电路为例进行示例性说明，但本领域技术人员应当认识到，在不偏离本发明的基本发明构思的情况下，切换开关、断路器等所有能够实现电路通断的开关电路、元件、部件、设备、系统等均可实现本发明，这些都属于本发明的保护范围内。

如图2所示，所述开关电路包括机械开关支路、LC振荡支路和能量吸收支路，三条支路以并联的方式实现连接。其中，所述开关支路主要包括机械开关，在所述开关电路正常运行时，所述机械开关处于闭合状态、所述旁路开关处于断开状态、所述固态开关处于断开状态，电流流经所述机械开关；LC振荡支路包括由电感L和电容C串联而成的LC振荡电路、与所述LC振荡电路串联的固态开关S、与所述LC振荡电路并联的旁路开关；所述能量吸收支路主要包括避雷器，实施例中采用了MOV(金属氧化物压敏电阻)氧化锌避雷器，避雷吸收系统吸收在所述机械开关的开合过程中所产生的剩余能量，进而实现对机械开关的过电压保护。本发明以MOV氧化锌避雷器作为示例性的避雷吸收系统，但并不仅限于以MOV氧化锌避雷器作为避雷吸收系统，所有能够吸收支路中剩余能量的能量吸收电路或系统均可用于本发明。

所述开关电路在正常运行以建立电源与负荷之间的连接时，所述机械开关支路中的所述机械开关闭合，LC振荡支路中的固态开关S断开，所述旁路开关同样处于断开状态，此时电流流经所述机械开关。

实施例所述的基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关电路的分闸控制过程如下：向所述机械开关发出分闸命令，并开始计时，经过一个预先设定的延时t，触头开距达到2-3毫米(mm)时，认为所述机械开关已达到有效开距，此时导通固态开关s，预充反向电压的振荡电容C与振荡电感L产生的振荡电流被叠加到机械开关支路，机械开关过零熄弧。在所述机械开关分闸运动到间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时，控制固态开关断开，避雷器吸收系统剩余能量，分闸过程完成。

实施例所述的基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关电路的合闸控制过程如下：将所述旁路开关、所述固态开关和所述机械开关闭合，当电流转移至机械开关时，再断开固态开关和旁路开关。

实施例还提供了一种开关部件，其采用了上述基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式开关电路。该开关部件用于三相交流电系统中，每一相的电路分别采用上述基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式开关电路。如图3所示，所述开关部件分别在A相、B相、C相中采用了上述自动切换开关电路：主切换开关部件中的A相、B相、C相(图中为了与备切换开关的三相线区分，A1、B1、C1来表示A相、B相、C相线)均采用了上述基于固态开关的LC振荡强迫换流型机械式开关电路；备切换开关部件中的A相、B相、C相(图中为了与主切换开关的三相线区分，A2、B2、C2来表示A相、B相、C相线)同样均采用了上述基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式开关电路。

如图3所示，实施例还提供了一种自动切换开关装置，所述自动切换开关装置包括两个上述开关部件，其中一个为主切换开关部件、另一个为备切换开关部件。正常工作过程中，所述主切换开关部件导通，实现电源通过所述主切换开关部件向所述负荷提供电流；所述备切换开关部件断开。出现故障需要将供电从主切换开关部件切换到备切换开关部件时，通过上述分闸控制过程断开所述主切换开关部件，并通过上述合闸控制过程接通所述备切换开关部件。

本实施例以双电源冗余供电系统来说明上述基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关装置的控制使用。但是应该明确的是，上述实施例的基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关装置并不仅限于双电源冗余供电系统，多电源冗余供电系统以及一般的诸如单电源供电系统、可以使用开关的电力系统等均可以使用上述实施例所述的基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关装置。

如图4所示的根据本发明实施例的双电源冗余供电系统结构示意图。所述双电源供电系统包括电源、控制保护系统、自动切换开关装置、负荷以及由传感器等监测部件组成的监测系统，其中电源包括工作电源和备用电源两套电源，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接。所述双电源冗余供电系统中工作电源支路上的主切换开关部件和/或备用电源支路上的备切换开关部件均可以使用上述实施例所述的基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关部件。本实施例以工作电源支路上的切换开关和备用电源支路上的切换开关均使用上述基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关部件为例进行示例性说明。

双电源冗余供电系统在正常供电状态下，所述自动切换开关装置中工作电源支路的主切换开关部件中的所有开关电路(也就是A、B、C相线路上的开关电路)均处于闭合状态，工作电源的电力通过所述切换开关装置提供给所述负荷；而所述自动切换开关装置中备用电源支路的备切换开关部件中的所有开关电路(也就是A、B、C相线路上的开关电路)均处于断开状态，所述备用电源不向所述负荷提供电力。

所述监测系统持续或周期性监测整个供电系统的工作状态，例如系统中的异常情况：工作电源支路中的传感器监测工作电源的工作状态、备用电源支路中的传感器监测备用电源的工作状态、负荷支路中的传感器监测负荷的工作状态。

所述监测系统检测到工作电源故障或压降过大时，向控制保护系统发送相应的故障信号。控制保护系统在接收到监测系统发来的表示工作电源发生故障的信号后，判断工作电源出现故障，需要将电源从工作电源切换到备用电源上。此时，控制保护系统中的控制单元向工作电源的切换开关部件发送分闸命令、并向备用电源的切换开关部件发送合闸命令，从而控制工作电源的切换开关部件断开连接，而控制备用电源的切换开关部件闭合以建立备用电源与负荷之间的电气连接，从而通过备用电源箱负荷提供电力。

正常运行时，主切换开关部件中A相、B相和C相线上的所有机械开关均处于闭合状态，各个相线上的电流流经各自的机械开关向负荷提供电力。在传感器监测到工作电源发生故障时，向控制保护系统发送报警信息。接收到所述报警信息后，控制保护系统中的控制单元向所述自动切换开关装置中的主切换开关部件的机械开关发出分闸命令。在触头开距达到2-3mm时，控制所述主切换开关部件的固态开关导通，此时预充反向电压的振荡电容C与振荡电感L产生的振荡电流被叠加到机械开关支路，机械开关过零熄弧。在所述机械开关分闸运动到间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时，控制固态开关断开，避雷器吸收系统剩余能量，主切换开关部件的分闸过程完成。

此时，控制保护系统中的控制单元还向备切换开关发出合闸命令。备切换开关部件收到所述控制保护系统发送来的合闸命令后，将所述旁路开关、所述固态开关和所述机械开关闭合，当电流转移至机械开关时，再断开固态开关和旁路开关。备切换开关部件的合闸过程完成，从而实现对备用电源支路中的切换开关装置的合闸，使得备用工作电源对所述负荷供电。

所述双电源冗余供电系统中从备用电源向负荷提供电力切换到从工作电源向所述负荷提供电力的过程与从工作电源向负荷提供电力切换到从备用电源向所述负荷提供电力的过程相似，在此不再赘述。

负荷支路中的传感器在监测到所述负荷出现故障后，会将监测到的故障信息发送给控制保护系统。所述控制保护系统可以根据所述故障信息关闭工作电源支路和备用电源支路中的切换开关部件，以断开任何电源向所述负荷供电。

所述监测系统同时检测切换开断状态，并将状态信息反馈回所述控制保护系统，以确保开断和导通。

控制保护系统还根据接收的信息实现对其他联络开关的控制或接收其他联络开关的状态信息，并将接收的所有信息发送给远程计算机，同时可以从远程计算机中接收信息，例如控制相关切换开关进行开启或闭合的信息。

实施例中以三相交流电为例进行示例性说明，但本领域技术人员应当认识到，在不偏离本发明的基本发明构思的情况下，本发明的开关电路、开关装置、系统及其控制方法并不仅限于说明书中基于示例性说明目的的三相交流电，本发明的开关电路、开关装置、系统及其控制方法适用于包括但不限于直流电和交流电的系统中。

需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。前后两个步骤之间并不必然意味着一定是一种先后执行的顺序，只要能够解决本发明的技术问题即可，而且前后两个步骤之间并不必然意味着一定排除了发明中未列出的其他步骤，例如控制开关电路合闸过程中，所述旁路开关、固态开关和机械开关的闭合，可以是同时闭合的，也可以以任何先后顺序执行上述三个部件的闭合过程，而且在闭合过程中并不排除无其他的操作；同理，系统的各个元件、部件之间并不必然意味是一种直接的电气连接，说明书表示的仅仅是逻辑关系。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，其特征在于，

所述复合式开关电路包括并联的机械开关支路、LC振荡支路和能量吸收支路；其中，

所述机械开关支路包括机械开关；

LC振荡支路包括LC振荡电路、旁路开关和固态开关；

所述LC振荡电路与所述固态开关串联；

所述LC振荡电路与所述旁路开关并联；

LC振荡支路包括由振荡电感L和振荡电容C串联而成；

所述复合式开关电路用于在分闸过程中：

向所述机械开关发出分闸命令，经过一个预先设定的延时t，触头开距达到2-3毫米(mm)时，所述机械开关达到有效开距，控制所述固态开关导通；

预充反向电压的振荡电容C与振荡电感L产生的振荡电流被叠加到机械开关支路，机械开关过零熄弧，

在所述机械开关分闸运动到间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时，控制所述固态开关断开，避雷器吸收系统剩余能量；

所述复合式开关电路用于在合闸过程中：

闭合所述旁路开关；

闭合所述固态开关；

闭合所述机械开关；

断开固态开关和旁路开关；

所述能量吸收电路包括避雷器。

2.一种开关电路控制方法，应用于权利要求1所述的基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，其特征在于，

向所述机械开关发出分闸命令，经过一个预先设定的延时t，触头开距达到2-3毫米(mm)时，控制所述固态开关导通；

预充反向电压的振荡电容C与振荡电感L产生的振荡电流被叠加到机械开关支路，机械开关过零熄弧，

在所述机械开关分闸运动到间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时，控制所述固态开关断开，避雷器吸收系统剩余能量。

3.根据权利要求2所述的开关电路控制方法，其特征在于，

向所述机械开关发出分闸命令后，等待一个预先设定的延时，再控制所述固态开关导通，和/或，

在所述机械开关分闸运动到间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时，再控制所述固态开关断开。

4.根据权利要求3所述的开关电路控制方法，其特征在于，

在所述延时内所述机械开关达到有效开距。

5.一种开关电路控制方法，应用于权利要求1所述的基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，其特征在于，

闭合所述旁路开关；

闭合所述固态开关；

闭合所述机械开关；

断开固态开关和旁路开关。

6.一种自动切换开关装置，其特征在于，所述自动切换开关装置包括主切换开关部件和备切换开关部件，其中，

所述主切换开关部件包括三个如权利要求1所述的基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中；

所述备切换开关部件包括三个如权利要求1所述的基于LC振荡强迫换流型复合式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中。

7.一种电源切换保护系统，其特征在于，

所述电源切换保护系统包括：

工作电源和备用电源；

如权利要求6所述的自动切换开关装置，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接；

监测系统，用于监测工作电源和/或备用电源的工作状态；

控制保护系统，根据权利要求2-4任一所述的开关电路控制方法控制所述自动切换开关装置中主切换开关部件和/或备切换开关部件分闸，和/或根据权利要求5所述的开关电路控制方法控制所述自动切换开关装置中主切换开关部件和/或备切换开关部件合闸。

8.根据权利要求7所述的电源切换保护系统，其特征在于，

所述监测系统还用于将所述工作状态的信息发送给所述控制保护系统，所述控制保护系统根据所述信息控制所述自动切换开关装置在所述主切换开关部件和备切换开关部件之间切换。

9.根据权利要求7或8所述的电源切换保护系统，其特征在于，

所述监测系统还检测所述自动切换开关的合闸和分闸状态，并将所述状态的信息反馈给所述控制保护系统。

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