CN109962462B - 一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路。所述电路包括两个开关管S1和S2，两个二极管D1和D2，二个个晶闸管Q1和Q2，一个双向晶闸管Q3，一个电容C，一个电阻R，一个压敏电阻MOV。将本发明电路串联工作在直流电网中，当未发生短路故障时，导通开关管S1，截止开关管S2，来导通P1到P2的电流；导通开关管S2，截止开关管S1，来导通P2到P1的电流，开关管S1和S2基本不产生压降；当发生短路故障后，通过控制开关管S1或S2的关断，可快速通过电容阻断由P1到P2或P2到P1的短路电流。与以往电力电子型故障限流器相比，本发明电路不仅成本低廉，而且控制简单，响应速度快，能完全阻断双向的短路电流，当作断路器使用。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路。
背景技术
随着直流输电技术和大功率电力电子器件的不断发展，直流输电工程日益增长，然而直流线路的阻抗低，当发生短路故障时，电路电流增长迅速，在很短的时间内达到电网无法承担的地步，直流断路器，作为直流输电的关键设备，能够快速隔离故障，日益受到人们的关注。
电网中的并网型的结构，就需要应用到直流断路器。这里应用传统的熔断器和断路器等器件来阻断短路电流，会出现熔断器熔断后需要更换，断路器不能实时、灵活、连续和快速地动作、易使事故扩大、破坏系统稳定性、在断开负载时往往有电弧产生、触头易烧损，不能满足某些的敏感的负载要求等缺点。但是断路器作为输电线路中一个不可或缺的环节，它的性能直接关联着电网能否正常运行。为了克服这些缺点，各种新型的电力电子器件的应用到这种场合，然而现有的直流短路故障限流器仅能限制短路电流，需配合断路器使用，并不能完全满足对电网故障时快速阻断双向短路电流的需求。
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，从而提出一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，与以往电力电子型故障限流器相比，本发明电路是一种新型的拓扑结构，选用市场常用的逆导性器件，不仅成本低廉，而且响应速度快，能完全阻断双向的短路电流，当作断路器使用。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，包括两个开关管S1和S2，两个二极管D1和D2，两个晶闸管Q1和Q2，一个双向晶闸管Q3，一个电容C，一个电阻R，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的发射极与S2的发射极相连；
(3)二极管D1的阴极与开关管S1的集电极相连，二极管D1的阳极极与开关管S1的发射极相连；
(4)二极管D2的阴极与开关管S2的集电极相连，二极管D2的阳极极与开关管S1的发射极相连；
(5)晶闸管Q1和Q2反向并联后与电容C进行串联；
(6)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；
(7)开关管S1的集电极与二极管D1的阴极，与晶闸管Q1的阳极，与晶闸管Q2的阴极相连；
(8)开关管S2的集电极与二极管D2的阴极，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；
(9)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；
(10)输入输出端口P1连接在开关管S1的集电极与二极管D1的阴极连接点处，输入输出端口P2连接在开关管S1的集电极与开关管D2的阴极连接点处。
进一步地，所述电路具有两个输入输出端口P1和P2，所述电路通过输入输出端口P1和P2串联在直流电网的正极接线或负极接线上，功能是阻断从P1到P2短路电流或P2到P1短路电流，起到断路器的作用。
进一步地，当电路串联在直流电网中时，电流由P1流向P2，不启动阻断功能时，开关管S1的控制极信号为高电平，开关管S2截止，晶闸管Q1导通，晶闸管Q2和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P1-S1-D2-P2的路径流通，由于S1导通阻抗较小，阻断电路基本不产生压降。
进一步地，当电路串联在直流电网中时，电流由P2流向P1，不启动阻断功能时，开关管S2的控制极信号为高电平，开关管S1截止，晶闸管Q2导通，晶闸管Q1和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P2-S2-D1-P1的路径流通，由于S2导通阻抗较小，阻断电路基本不产生压降。
进一步地，当电路串联在直流电网中时，电流由P1流向P2，启动阻断功能时，开关管S1的控制极信号为低电平，开关管S2截止，晶闸管Q1导通，晶闸管Q2和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P1-Q1-C-P2的路径流通，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，当电路串联在直流电网中时，电流由P2流向P1，启动阻断功能时，开关管S2的控制极信号为低电平，开关管S1截止，晶闸管Q2导通，晶闸管Q1和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P2-C-Q2-P1的路径流通，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，当电路阻断功能实施完毕后，晶闸管Q1和晶闸管Q2截止，双向晶闸管Q3导通，使得电容C中存储的能量进行消耗，为下一次阻断做准备。
进一步地，当电容C两端的电压过大，由压敏电阻MOV对电容C起到泄压保护作用。
本发明具有以下的有益效果：
(1)本发明电路串联在直流电源线中，可通过控制以下三种工况来正常导通电路或阻断电路中双向短路电流。
工况一：当电路未发生短路故障时，本发明电路工作于正常模式，通过导通开关管S1正常导通P1到P2的电流或导通开关管S2，正常导通P2到P1的电流，阻断电路基本不产生压降，不影响原电路性能；
工况二：当发生短路故障后，本发明电路通过控制开关管S1的控制极信号为低电平，S2截止，导通晶闸管Q1，将阻断电容C接入电路中，可快速阻断P1到P2的短路电流；通过控制开关管S2的控制极信号为低电平，S1截止，导通晶闸管Q2，将阻断电容C接入电路中，可快速阻断P2到P1的短路电流；
工况三：当故障处理完毕以后，本发明电路通过导通双向晶闸管Q3，用于消耗电容C中剩余的能量，为下一次阻断做准备。
(2)本发明电路可当作直流断路器使用，而其它故障限流器只能限制直流短路故障电流，不能阻断故障电流，需配合断路器使用。
(3)本发明电路简单，控制方便，是一种新型的电路拓扑结构，动态相应速度快，可以阻断直流电网中双向短路电流，非常适用于故障发展速度快的微电网。
(4)本发明电路中，二极管的选用能够有效的防止缓冲电容的放电回流。
(5)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。
本发明电路中选用的半导体器件均可选用市场常规的逆导性材料，不需要特定的逆阻性器件，成本低廉，更有利于模块化。
附图说明
图1为本发明电路拓扑结构示意图。
图2为本发明电路在未启动阻断功能时电流由P1流向P2的电流流通路径。
图3为本发明电路在未启动阻断功能时电流由P2流向P1的电流流通路径。
图4为本发明电路在启动阻断功能后，电流由P1流向P2的电流流通路径。
图5为本发明电路在启动阻断功能后，电流由P2流向P1的电流流通路径。
图6为本发明电路电容释放回路。
图7为采用本发明电路，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，Vout为输出直流电压波形；Vin为输入直流电压波形，Iin为输入电流波形。
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，Vout为输出直流电压波形；Vin为输入直流电压波形，Iin为输入电流波形。
图9为本发明电路的应用场景示意图。
图10为本发明电路在实施例中本电路的输入电压，输入电流和输出电压波形。
图11为本发明电路电容在阻断过程中的电压变化情况和阻断瞬间的电流值。
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为本发明一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，包括两个开关管S1和S2，两个二极管D1和D2，三个晶闸管Q1和Q2，一个双向晶闸管Q3，一个电容C，一个电阻R，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的发射极与S2的发射极相连；
(3)二极管D1的阴极与开关管S1的集电极相连，二极管D1的阳极与开关管S1的发射极相连；
(4)二极管D2的阴极与开关管S2的集电极相连，二极管D2的阳极与开关管S1的发射极相连；
(5)晶闸管Q1和Q2反向并联后与电容C进行串联；
(6)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；
(7)开关管S1的集电极与二极管D1的阴极，与晶闸管Q1的阳极，与晶闸管Q2的阴极相连；
(8)开关管S2的集电极与二极管D2的阴极，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；
(9)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；
(10)输入输出端口P1连接在开关管S1的集电极与二极管D1的阴极连接点处，输入输出端口P2连接在开关管S1的集电极与开关管D2的阴极连接点处。
所述电路具有两个输入输出端口P1和P2。
当电路串联在直流电网中时，电流由P1流向P2，不启动阻断功能时，开关管S1的控制极信号为高电平，开关管S2截止，晶闸管Q1导通，晶闸管Q2和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P1-S1-D2-P2的路径流通，由于S1导通阻抗较小，阻断电路基本不产生压降。
当电路串联在直流电网中时，电流由P1流向P2，启动阻断功能时，开关管S1的控制极信号为低电平，开关管S2截止，晶闸管Q1导通，晶闸管Q2和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P1-Q1-C-P2的路径流通，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。
当电路串联在直流电网中时，电流由P2流向P1，不启动阻断功能时，开关管S2的控制极信号为高电平，开关管S1截止，晶闸管Q2导通，晶闸管Q1和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P2-S2-D1-P1的路径流通，由于S2导通阻抗较小，阻断电路基本不产生压降。
当电路串联在直流电网中时，电流由P2流向P1，启动阻断功能时，开关管S2的控制极信号为低电平，开关管S1截止，晶闸管Q2导通，晶闸管Q1和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P2-C-Q2-P1的路径流通，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2为电流由P1流向P2时，本发明的基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路在未启动阻断功能时的电流流通路径。此时开关管S1的控制极信号为高电平，开关管S2截止，晶闸管Q1导通，晶闸管Q2和双向晶闸管Q3截止，本发明电路的电流流通路径由图2结构所示，开关管S1完全导通，可以认为压降很小。
图3为电流由P2流向P1时，本发明的一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路在未启动阻断功能时的电流流通路径。此时开关管S2的控制极信号为高电平，开关管S1截止，晶闸管Q2导通，晶闸管Q1和双向晶闸管Q3截止，本发明电路的电流流通路径由图3结构所示，开关管S1完全导通，可以认为压降很小。
图4为电流由P1流向P2时，本发明一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路在启动阻断功能后的电流流通路径。开关管S1的控制极信号为低电平，开关管S2截止，晶闸管Q1导通，晶闸管Q2和双向晶闸管Q3截止，本电路的电流流通路径为图4结构所示，此时电流沿发二极管给电容C1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为电流由P2流向P1时，本发明一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路在启动阻断功能后的电流流通路径。开关管S2的控制极信号为低电平，开关管S1截止，晶闸管Q2导通，晶闸管Q1和双向晶闸管Q3截止，本电路的电流流通路径为图5结构所示，此时电流沿发二极管给电容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为为本发明一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路中电容的释放电路。P1、P2间电流被阻断后，电容中间还残存着能量，此时晶闸管Q1和Q2截止，双向晶闸管Q3导通，电阻R消耗电容中的能量。
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基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，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短路电流，同时不影响线路正常工作时的电压，相比于保护装置，本发明电路响应速度快，电路简单，控制方法灵活，具有较好的应用前景。
实施例：
以图9为实施场景，本发明电路在电网和太阳能发电站中发挥保护作用。既可以保护电网向太阳能电站传输电能，又能保护太阳能向电网中传输并网电能。本实施例中以经过电网进过AC-DC变换后传输600V直流电压为例，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10和图11所示，Ia表示线路中的电流大小，Ua表示为电路中输入电压，Ud为输出电压。图11中为阻断瞬间电路中的电流和电容C电压的变化曲线。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，由于二极管D2的逆向阻断，电流经晶闸管Q1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260A，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260A变为0A，晶闸管自然关断，成功阻断短路电流。图10中的输入电压显示为570V，为电路中正常的电压损耗。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，电容电压如图11所示，在0.2s-0.7s过程中，避雷器MOV吸收多余的电能，让电容两端的电压降到500V左右，此时导通双向晶闸管，在10ms的时间内将电容中的电能消耗完毕，使得电容两端电压变为0V。
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 (8)
1.一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，包括两个开关管S1和S2，两个二极管D1和D2，两个晶闸管Q1和Q2，一个双向晶闸管Q3，一个电容C，一个电阻R，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的发射极与S2的发射极相连；
(3)二极管D1的阴极与开关管S1的集电极相连，二极管D1的阳极与开关管S1的发射极相连；
(4)二极管D2的阴极与开关管S2的集电极相连，二极管D2的阳极与开关管S1的发射极相连；
(5)晶闸管Q1和Q2反向并联后与电容C进行串联；
(6)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；
(7)开关管S1的集电极与二极管D1的阴极，与晶闸管Q1的阳极，与晶闸管Q2的阴极相连；
(8)开关管S2的集电极与二极管D2的阴极，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；
(9)电容C的另一极与晶闸管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的另一极相连；
(10)输入输出端口P1连接在开关管S1的集电极与二极管D1的阴极连接点处，输入输出端口P2连接在开关管S2的集电极与二极管D2的阴极连接点处。
2.如权利要求1所述的一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，其特征在于：所述电路具有两个输入输出端口P1和P2，所述电路通过输入输出端口P1和P2串联在直流电网的正极接线或负极接线上，功能是阻断从P1到P2短路电流或P2到P1短路电流，起到断路器的作用。
3.如权利要求1或2所述的一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，其特征在于：当电路串联在直流电网中，电流由P1流向P2时，开关管S1的控制极信号为高电平，开关管S2截止，晶闸管Q1导通，晶闸管Q2和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P1-S1-D2-P2的路径流通，由于S1导通阻抗较小，阻断电路基本不产生压降。
4.如权利要求1或2所述的一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，其特征在于：当电路串联在直流电网中时，电流由P2流向P1，不启动阻断功能时，开关管S2的控制极信号为高电平，开关管S1截止，晶闸管Q2导通，晶闸管Q1和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P2-S2-D1-P1的路径流通，由于S2导通阻抗较小，阻断电路基本不产生压降。
5.如权利要求1或2所述的一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，其特征在于：当电路串联在直流电网中时，电流由P1流向P2，启动阻断功能时，开关管S1的控制极信号为低电平，开关管S2截止，晶闸管Q1导通，晶闸管Q2和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P1-Q1-C-P2的路径流通，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。
6.如权利要求1或2所述的一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，其特征在于：当电路串联在直流电网中时，电流由P2流向P1，启动阻断功能时，开关管S2的控制极信号为低电平，开关管S1截止，晶闸管Q2导通，晶闸管Q1和双向晶闸管Q3截止，此时电流沿着P2-C-Q2-P1的路径流通，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。
7.如权利要求1或2所述的一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，其特征在于：当电路阻断功能实施完毕后，晶闸管Q1和晶闸管Q2截止，双向晶闸管Q3导通，使得电容C中存储的能量进行消耗，为下一次阻断做准备。
8.如权利要求1或2所述的一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路，其特征在于：当电容C两端的电压过大，由压敏电阻MOV对电容C起到泄压保护作用。
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