CN109787187A - 一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构及其控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构。所述电路包括两个输入输出端口P1和P2、一个电容C、两个单向晶闸管Q1、Q2和一个双向晶闸管Q3、两个开关管S1和S2、一个电阻R和一个压敏电阻MOV。应用时将本发明电路串联工作在直流电网中，由电流的阻断回路发挥作用，当发生短路故障后，若电流由P1流向P2，通过控制S1关断，可快速通过电容阻断短路电流；若电流由P2流向P1，通过控制S2关断，也可快速通过电容阻断短路电流。当阻断电路中的短路电流后，导通双向晶闸管Q3，形成电容的释放回路，消耗电容中剩余的电能，为下一次阻断做准备。本发明电路结构简单，动态响应速度快，并且可以双向阻断，适用于故障发展速度快的直流微电网。

Description

一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构及其控制 策略

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构及其控制策略

背景技术

随着新能源发电以及蓄电池储能等的广泛应用，直流电网得到了快速发展。由于直流电网中采用了大量AC/DC、DC/DC型的电力电子设备，惯性环节很小，所以直流电网的短路故障扩散极快，必须快速采取措施阻断短路电流。

近年来，双向DC/DC型的电力电子器件不断发展，应用的场景也越来越多，流经的电流也越来越大，对于双向直流电路保护的需求也越来越紧迫。传统的熔断器来阻断短路电流时，熔断后需要及时更换；传统的机械开关来阻断短路电流时，会需要一定的动作时间而且还会存在灭弧等问题；在直流微电网的传输国策过程中，需要有双向的直流电网双向的短路短路电流来进行阻断，应用传统的单向阻断电路要达到阻断双向阻断电路电流的效果时，需要两个单向阻断电路反向并联，控制复杂且所需电子元器件多，不符合国家节能环保的理念。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于针对直流电网故障时快速阻断短路电流的需求以及部分直流电网能量双向流动的特点，从而提出一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构及其控制策略，与以往固态限流器相比，本发明电路能完全阻断短路电流，可完全替代传统断路器，是一个新型的拓扑结构，结构简单，动态响应速度快，并且可以双向阻断，非常适用于故障发展速度快的直流微电网。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构，包括两个输入输出端口P1和P2、一个电容C、两个单向晶闸管Q1和Q2、一个双向晶闸管Q3、两个开关管S1和S2、一个电阻R和一个压敏电阻MOV，其特征在于：

(1)开关管S1和S2为全控型半导体器件，包括但不限于IGBT、MOS管、GTO、IGCT器件，本发明以IGBT为例进行描述；

(2)开关管S1和S2并联连接；

(3)晶闸管Q1和Q2反向并联后与电容C进行串联；

(4)双向晶闸管Q3和电阻R串联后，与压敏电阻MOV并联，与电容C并联；

(5)开关管S1的集电极与开关管S2的发射极，与晶闸管Q1的阳极，与晶闸管Q2的阴极相连；

(6)开关管S1的发射极与开关管S2的集电极，与电阻R的一极，与电容C的一极，与压敏电阻MOV的一极相连；

(7)电容C的一极与晶闸管Q1的阴极与晶闸管Q2的阳极，与双向晶闸管Q3的阳极，与压敏电阻MOV的一极相连；

(8)输入输出端口P1连接在开关管S1的集电极与开关管S2的发射极连接点处，输入输出端口P2连接在开关管S1的发射极与开关管S2的集电极连接点处。

进一步地，所述电路通过输入输出端口P1和输入输出端口P2串联在直流电网的正极接线或负极接线上，主要功能是阻断来至电流两端短路电流。

进一步地，当电路串联在直流电网中，不启动阻断功能时，电路通过控制开关管S1和S2来导通电路；其中电路通过控制开关管S1、晶闸管Q1的控制极信号为高电平，开关管S2、晶闸管Q2、双向晶闸管Q3的控制极信号为低电平，让电流沿着P1-S1-P2路径流通；电路通过开关管S2、晶闸管Q2控制极信号为高电平，开关管S1、晶闸管Q1、Q3的控制极信号为低电平，让电流沿着P2-S2-P1路径流通；电流可以双向通过本发明电路，开关管S1和S2由于阻抗较小，导通电路基本不产生压降。

进一步地，当电路串联在直流电网中，启动阻断功能时，电路通过控制开关管S1和S2，晶闸管Q1和Q2来是实现电路的阻断功能；其中电路通过控制开关管S1的控制极信号由高电平变为低电平，开关管S2、晶闸管Q2、晶闸管Q3保持为低电平，晶闸管Q1保持为高电平，让电流沿着P1-Q1-C-P2的路径流通；电路通过开关管S2的控制极信号由高电平变为低电平，开关管S1、晶闸管Q1、晶闸管Q3保持为低电平，晶闸管Q2保持为高电平，让电流沿着P2-C-Q2-P1的路径流通。此时电流给电容C单方向充电，最终使得电容C电压足够高，阻断P1、P2间电流。

进一步地，当电路成功阻断短路电流且确认故障清除后，电路恢复到不启动阻断功能状态，此时双向晶闸管Q3导通一段时间，使得电容C对电阻R进行放电，将电容C中存储的能量泄放掉。

进一步地，压敏电阻MOV对电容C起到保护作用，当电容C因短路电流充电而导致两端电压过高时，MOV将能量释放掉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明电路串联在直流电源线中，当未发生短路故障时，本发明电路工作于正常模式，阻断电路基本不产生压降，不影响原电路性能；

(2)本发明电路串联在直流电源线中，当发生短路故障后，本发明电路启动阻断功能，可以阻断电路中双向的短路电流；

(3)本发明电路通过晶闸管代替传统的开关，由两个晶闸管分别来控制电路中的短路电流，可控性和灵活性较好，控制简单，不存在灭弧等问题，降低了电路的反应时间。

(4)本发明电路在实现双向阻断短路电流时，与将单向阻断电路构成的双向阻断电路相比，本发明电路结构简单，使用元器件数目少，成本低；

(5)本发明电路与传统断路器动态响应速度快，非常适用于故障发展速度快的微电网。在微电网中的应用可以代替多个单向断路器并达到相同的效果，减少开关误动作的可能，降低故障风险。

(6)本发明电路与当前固态限流器相比，能完全阻断短路电流，可完全替代传统断路器，是一个新型的拓扑结构，结构简单，并且可以双向阻断。

附图说明

图1为本发明电路拓扑结构示意图。

图2为本发明电路电流由P1流向P2，未启动阻断功能时的电流流通路径。

图3为本发明电路电流由P2流向P1，未启动阻断功能时的电流流通路径。

图4为本发明电路电流由P1流向P2，启动阻断功能后的电流流通路径。

图5为本发明电路电流由P2流向P1，启动阻断功能后的电流流通路径。

图6为本发明电路电容释放回路。

图7为本发明电路在直流电网中电流由P1流向P2时发生短路故障，启动阻断功能后的输入输出波形，其中Uout为输出直流电压波形，Uin为输出直流电压波形，Iin为输入侧电流波形。

图8为采用本发明电路，在直流电网中电流由P2流向P1时发生短路故障，启动阻断功能后输入输出波形，其中，Uout为输出直流电压波形，Uin为输出直流电压波形，Iin为输入侧电流波形。

图9为本发明电路应用在实施例中的仿真波形。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1为本发明一种直流电网双向短路电流阻断电路的拓扑结构示意图，包括两个输入输出端口P1和P2、一个电容C、两个晶闸管Q1和Q2、一盒双向晶闸管Q3、两个开关管S1和S2、一个电阻R和一个压敏电阻MOV，其特征在于：

(1)开关管S1和S2为全控型半导体器件，包括但不限于IGBT、MOS管、GTO、IGCT等器件，本发明以IGBT为例进行描述；

(2)开关管S1和S2并联连接；

(3)晶闸管Q1和Q2反向并联后与电容C进行串联；

(4)双向晶闸管Q3和电阻R串联后，与压敏电阻MOV并联，与电容C并联；

(5)开关管S1的集电极与开关管S2的发射极，与晶闸管Q1的阳极，与晶闸管Q2的阴极相连；

(6)开关管S1的发射极与开关管S2的集电极，与电阻R的一极，与电容C的一极，与压敏电阻MOV的一极相连；

(7)电容C的一极与晶闸管Q1的阴极与晶闸管Q2的阳极，与双向晶闸管Q3的阳极，与压敏电阻MOV的一极相连；

(8)输入输出端口P1连接在开关管S1的集电极与开关管S2的发射极连接点处，输入输出端口P2连接在开关管S1的发射极与开关管S2的集电极连接点处。

所述电路具有两个输入输出端口P1和P2。

图2为本发明的双向短路电流阻断电路在未启动阻断功能时的电流流通路径。此时电流由P1流向P2，开关管S1、晶闸管Q1的控制极信号为高电平，开关管S2、晶闸管Q2、双向晶闸管Q3的控制极信号为低电平。本发明电路的电流流通路径如图2结构所示，开关管S1完全导通，可以认为压降很小。

图3为本发明的双向短路电流阻断电路在未启动阻断功能时的电流流通路径。此时电流由P2流向P1，开关管S2、晶闸管Q2的控制极信号为高电平，开关管S1、晶闸管Q1、双向晶闸管Q3控制极信号为低电平。本发明的电路电流流通路径如图3结构所示，开关管S2完全导通，可以认为压降很小。

图4为本发明一种直流电网双向短路电流阻断电路在启动阻断功能后的电流流通路径。此时电流由P1流向P2，开关管S1的控制极信号由高电平变为低电平，开关管S2、晶闸管Q2、双向晶闸管Q3保持低电平，晶闸管Q1保持高电平。本电路的电流流通路径如图4结构所示，此时电流沿晶闸管Q1给电容C单方向充电，最终使得电容C电压足够高，阻断P1、P2间电流。

图5为本发明一种直流电网双向短路电流阻断电路在启动阻断功能后的电流流通路径。此时电流由P2流向P1，开关管S2的控制极信号由高电平变为低电平，开关管S1、晶闸管Q1、双向晶闸管Q3保持低电平，晶闸管Q2保持高电平，本电路的电流流通路径如图5结构所示，此时电流沿晶闸管Q2给电容C单方向充电，最终使得电容C电压足够高，阻断P1、P2间电流。

图6为本发明一种直流电网双向短路电流阻断电路中电容的释放电路。当电路成功阻断短路电流且确认故障清除后，电路恢复到不启动阻断功能状态，此时双向晶闸管Q3导通一段时间，使得电容C对电阻R进行放电，将电容C中存储的能量泄放掉。

图7采用本发明电路，在直流电网中，电流由P1流向P2时，发生短路故障，启动阻断功能后输入输出波形，其中，Uout为输出直流电压波形；Uin为输入直流电压波形，Iin为输入侧电流波形。线路在0.2s处发生故障，从Uin可以看到输入电压短暂波动后迅速恢复正常，即基本不影响给其它线路供电，从Uout可以看到输出电压在短路故障发生后迅速减小到0；从Iin可以看到输入侧电流因发生短路增大后又迅速减小到0，即本电路迅速阻断了短路电流。图8采用本发明电路，在直流电网中，电流由P2流向P1时，发生短路故障，启动阻断功能后输入输出波形，仿真效果与图7一致。

发明的结果：本发明中给出了一种直流电网双向短路电流阻断电路，并利用专业的电源仿真软件Saber对该电路进行了仿真验证。从仿真结果可以看到，该方案在线路故障时能迅速的阻断双向短路电流，同时不影响线路正常工作时的电压，相比于其它保护装置，本发明电路响应速度快，电路简单，控制方法灵活，可以双向阻断直流电网的短路电流，具有较好的应用前景。

实施例：

以实际400V直流微电网为例，本电路串联在直流母线与电动汽车动力电池组之间起短路保护作用，线路正常运作时期，由主开关进行电能传输。设在0.2s处发生短路故障，阻断电路主端口电流以一定的速率直线上升，当短路电流超出设定阈值时检测信号触发晶闸管Q1导通，电容器开始充电，当电容电压达到峰值时利用反向电压阻断电路，同时线路电流衰减至零，其阻断时间仅为2-3ms,之后晶闸管自然关闭，阻断电路两端被切断；在故障排除之后闭合主开关，并触发双向晶闸管导通，将剩余的电能快速释放，为下一次阻断过程做准备。如图9所示，将本发明电路串联在电路中，电路在0.2s时发生故障时，触发晶闸管Q1导通，开关管S1断开，此时给电容C充电，电容C的电压瞬间达到峰值约为750V，电路中的短路电流也为最大值约为176A，之后开始利用反向电压来阻断电流。经过2-3ms，将电路中的短路电流由176A变为0A，晶闸管自然关断，成功阻断短路电流。在故障排除之后于0.5S处闭合主开关，并触发双向晶闸管导通，将电容C中剩余的电能快速释放，为下一次阻断过程做准备。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构，包括两个输入输出端口P1和P2、一个电容C、两个晶闸管Q1和Q2、一个双向晶闸管Q3、两个开关管S1和S2、一个电阻R和一个压敏电阻MOV，其特征在于：

(1)开关管S1和S2为全控型半导体器件，包括但不限于IGBT、MOS管、GTO、IGCT器件；

(2)开关管S1和S2并联连接；

(3)晶闸管Q1和Q2反向并联后与电容C进行串联；

(4)双向晶闸管Q3和电阻R串联后，与压敏电阻MOV并联，与电容C并联；

(5)开关管S1的集电极与开关管S2的发射极，与晶闸管Q1的阳极，与晶闸管Q2的阴极相连；

(6)开关管S1的发射极与开关管S2的集电极，与电阻R的一极，与电容C的一极，与压敏电阻MOV的一极相连；

(7)电容C的一极与晶闸管Q1的阴极，与晶闸管Q2的阳极，与双向晶闸管Q3的阳极，与压敏电阻MOV的一极相连；

(8)输入输出端口P1连接在开关管S1的集电极与开关管S2的发射极连接点处，输入输出端口P2连接在开关管S1的发射极与开关管S2的集电极连接点处。

2.如权利要求1所述的一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构，其特征在于：所述电路通过输入输出端口P1和输入输出端口P2串联在直流电网的正极接线或负极接线上，功能是阻断来至电流两端短路电流。

3.如权利要求1或2所述的一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构，其特征在于：当电路串联在直流电网中，不启动阻断功能时，电路通过控制开关管S1和S2来导通电路；其中电路通过控制开关管S1、晶闸管Q1的控制极信号为高电平，开关管S2、晶闸管Q2、双向晶闸管Q3的控制极信号为低电平，让电流沿着P1-S1-P2路径流通；电路通过开关管S2、晶闸管Q2控制极信号为高电平，开关管S1、晶闸管Q1、Q3的控制极信号为低电平，让电流沿着P2-S2-P1路径流通；电流双向通过电路，开关管S1和S2由于阻抗较小，导通电路基本不产生压降。

4.如权利要求1或2所述的一种新型的双向直流短路电流阻断电路拓扑结构，其特征在于：当电路串联在直流电网中，启动阻断功能时，电路通过控制开关管S1和S2，晶闸管Q1和Q2来是实现电路的阻断功能；其中电路通过控制开关管S1的控制极信号由高电平变为低电平，开关管S2、晶闸管Q2、晶闸管Q3保持为低电平，晶闸管Q1保持为高电平，让电流沿着P1-Q1-C-P2的路径流通；电路通过开关管S2的控制极信号由高电平变为低电平，开关管S1、晶闸管Q1、晶闸管Q3保持为低电平，晶闸管Q2保持为高电平，让电流沿着P2-C-Q2-P1的路径流通。此时电流给电容C单方向充电，最终使得电容C电压足够高，阻断P1、P2间电流。

5.如权利要求3所述的一种直流电网双向短路电流阻断电路，其特征在于：当电路成功阻断短路电流且确认故障清除后，电路恢复到不启动阻断功能状态，此时双向晶闸管Q3导通一段时间，使得电容C对电阻R进行放电，将电容C中存储的能量泄放掉。

6.如权利要求1或2所述的一种直流电网双向短路电流阻断电路，其特征在于：压敏电阻MOV对电容C起到保护作用，当电容C因短路电流充电而导致两端电压过高时，MOV将能量释放掉。