CN109981092A - 一种全桥模块、全桥模块的混合式直流断路器及应用方法 - Google Patents

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Abstract

一种全桥模块、全桥模块的混合式直流断路器及应用方法，包括：两个电力电子单元、两个二极管、电阻和电容；两个电力电子单元反向串联构成上桥臂；两个所述二极管共阳极串联或共阴极串联，构成下桥臂；所述电阻和电容并联后，连接于所述上桥臂和下桥臂之间，实现了反向串联器件共用阻尼，减少了无源元件数量，简化了拓扑设计，有利于降低设备体积与成本，通过控制混合式直流断路器的全桥模块，实现了全控型电力电子器件的电位统一，有利于减少高电位控制单元数量，简化控制电气接线，有利于提升设备整体可靠性。

Description

一种全桥模块、全桥模块的混合式直流断路器及应用方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种全桥模块、全桥模块的混合式直流断路器及应用方法。
背景技术
随着基于电压源换流器(VSC)的多端柔性直流和直流电网技术的应用，高压直流断路器成为保证系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。混合采用机械开关和全控型电力电子开关的直流断路器技术兼具了机械开关的低损耗特性和电力电子开关的快速分断特性，是目前应用高压输电系统中直流分断最为有效的技术途径。高压直流断路器应用于的含有大容量的架空线柔性多端直流和直流电网时，除了具备快速和低损耗等特性外，还应具备强电流分断以及高工作可靠性。
目前，出现了一种全桥混合式直流断路器，具有能在3ms切断25kA故障电流的能力，具备了良好的技术性能，为工程应用奠定了坚实的基础。然而，该拓扑结构每个器件都需并联阻容阻尼回路，所需的电容器数量较多，增大了断路器整体体积，不利于紧凑化设计。还有一种全桥子模块所需IGBT器件数量较多，增加成本与断路器整机体积；由于存在数量较多的IGBT，而每个IGBT需分别驱动，所需的驱动功率较大，二次布线复杂，同时还会使驱动控制的可靠性降低，影响断路器性能。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供一种全桥模块、全桥模块的混合式直流断路器及应用方法。
本发明提供的技术方案是：
一种全桥模块，其特征在于，包括：两个电力电子单元、两个二极管、电阻和电容；
两个电力电子单元反向串联构成上桥臂；
两个所述二极管共阳极串联或共阴极串联，构成下桥臂；
所述电阻和电容并联后，连接于所述上桥臂和下桥臂之间。
优选的，所述电力电子单元包括一个或多个由全控型电力电子器件反并联一个二极管构成的子模块，且所述每个电力电子单元的二极管与对应的所述下桥臂二极管方向相反。
优选的，当所述子模块为多个时，所述模块的连接方式包括：串联、并联、串联后并联或并联后串联。
优选的，所述全控型电力电子器件包括：IGBT、IGCT、IEGT或GTO。
基于同一种构思发明，还包括一种基于全桥模块的混合式直流断路器，所述混合式直流断路器包括：并联的主通路支路、转移支路和能量吸收支路；
其中所述主通路支路包括多个所述的全桥模块；
所述转移支路包括多个全控型电力电子器件或者所述全控型电力电子器件构成的单元；
所述主通路支路还包括开关，所述开关与多个全桥模块串联。
优选的，所述能量吸收支路包括压敏电阻。
优选的，所述主通路支路上的全桥模块先并联后串联或先串联后并联。
优选的，所述转移支路上的全控型电子电子器件或全控型电力电子器件构成的单元串联。
基于同一构思发明，还提供一种混合式直流断路器的应用方法，所述方法包括：
当运行正常时：主通路支路的开关闭合，所述主通路支路的全桥模块保持触发状态；
当运行故障时：所述主通路支路全桥模块断开，所述转移支路全控型电力电子器件保持触发状态，故障电流向所述转移支路转移，之后所述主通路支路的开关断开；
所述故障电流转移至所述混合式直流断路器能量吸收支路。
优选的，所述运行正常时：开关闭合，所述主通路支路全桥模块保持触发状态，包括：
电流从输入端经过全桥模块上桥臂电力电子单元的反并联二极管后，经过另一个电力电子单元的所述全控型电力电子器件，最后流出所述全桥模块。
优选的，所述当运行故障时：所述主通路支路全桥模块断开，所述转移支路全控型电力电子器件保持触发状态，故障电流向所述转移支路转移，之后所述开关断开，包括：
基于接收的分断命令，所述主通路支路全桥模块的全控型电力电子器件断开，故障电流给所述主通路支路全桥模块的电容进行充电；
当所述混合式直流断路器两端的电压达到所述转移支路导通电压时，所述故障电流向所述转移支路进行转移；
电流转移完成后，所述主通路支路开关断开。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的全桥模块，包括：两个电力电子单元、两个二极管、电阻和电容；两个电力电子单元反向串联构成上桥臂；两个所述二极管共阳极串联或共阴极串联，构成下桥臂；所述电阻和电容并联后，连接于所述上桥臂和下桥臂之间，实现了反向串联器件共用阻尼，减少了无源元件数量，简化了拓扑设计，有利于降低设备体积与成本。
2、本发明提供的一种全桥模块、全桥模块的混合式直流断路器及应用方法，实现了全控型电力电子器件的电位统一，有利于减少高电位控制单元数量，简化控制电气接线，有利于提升设备整体可靠性。
3、本发明提供的一种全桥模块、全桥模块的混合式直流断路器及应用方法，实现混合式直流断路器全控型电力电子器件紧凑压装结构设计，易于降低杂散参数和实现过电压抑制，提高整体应用可靠性和经济性。
附图说明
图1为本发明的全桥模块下桥臂二极管共阳极连接结构示意图；
图2为本发明的全桥模块下桥臂二极管共阴极连接结构示意图；
图3为本发明的全桥模块电力电子单元由单个全控型电力电子器件构成的结构示意图；
图4为本发明的全桥模块电力电子单元由全控型电力电子器件并联构成的结构示意图；
图5为本发明的全桥模块电力电子单元由全控型电力电子器件串联构成的结构示意图；
图6为本发明的全桥模块电力电子单元由全控型电力电子器件先并联后串联构成的结构示意图；
图7为本发明的全桥模块电力电子单元由全控型电力电子器件先串联后并联构成的结构示意图；
图8为本发明的全桥模块导通时电流由左向右流通路径示意图；
图9为本发明的全桥模块导通时电流由右向左流通路径示意图；
图10为本发明的全桥模块关断时电流由左向右流通路径示意图；
图11为本发明的全桥模块关断时电流由右向左流通路径示意图；
图12为本发明的混合式直流断路器拓扑结构示意图；
图13为本发明的混合式直流断路器主通路支路电力电子开关先串联后并联的构成示意图；
图14为本发明的混合式直流断路器主通路支路电力电子开关先并联后串联的构成示意图；
图15为本发明的采用全桥模块的混合式直流断路器拓扑结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
本发明针对混合式直流断路器阻尼部件较多、高电位控制单元较多，致使结构设计复杂、控制电气接线复杂的特点，提出了一种新型全桥模块，及其在混合式直流断路器中的应用方法，简化了级联全桥直流断路器拓扑构成，减少了高电位控制单元数量、电气接线及功率需求，有利于断路器整体体积减小和工作可靠性提升。
实施例1：
一种全桥模块，包括：两个电力电子单元、两个二极管、电阻和电容；
两个电力电子单元反向串联构成上桥臂；
两个所述二极管共阳极串联或共阴极串联，构成下桥臂；
所述电阻和电容并联后，连接于所述上桥臂和下桥臂之间。
所述电力电子单元包括一个或多个由全控型电力电子器件反并联一个二极管构成的子模块，且所述每个电力电子单元的二极管与对应的所述下桥臂二极管方向相反。
当所述子模块为多个时，所述模块的连接方式包括：串联、并联、串联后并联或并联后串联。
所述全控型电力电子器件包括：IGBT、IGCT、IEGT或GTO。
一种基于全桥模块的混合式直流断路器，所述混合式直流断路器包括：并联的主通路支路、转移支路和能量吸收支路；
其中所述主通路支路包括多个所述的全桥模块；
所述转移支路包括多个全控型电力电子器件或者所述全控型电力电子器件构成的单元；
所述主通路支路还包括开关，所述开关与多个全桥模块串联。
所述能量吸收支路包括压敏电阻。
所述主通路支路上的全桥模块先并联后串联或先串联后并联。
所述转移支路上的全控型电子电子器件或全控型电力电子器件构成的单元串联。
实施例2：
所述新型全桥模块由电力电子单元、二极管、电阻和电容组成，由两个电力电子单元和两个二极管构成全桥结构，电容器与电阻R并联后连接于全桥模块上、下桥臂之间。该新型模块有两种基本结构，两二极管可以共阳极连接，如图1，也可以共阴极连接，如图2。新型全桥模块中的电力电子单元也有两种实现形式：可以由单个全控型电力电子器件构成，也可由全控型电力电子器件串、并联组合形式构成。其中全控型电力电子器件可以是IGBT、IGCT、IEGT、GTO等电力电子器件。具体实施例如图3、图4、图5、图6和图7所示。
新型全桥模块工作过程如下：
导通时，若电流由左向右流通，电流分别经IGBT1、2的反并联二极管以及 IGBT3、4流通，如图8所示；若电流由右向左流通，电流分别经IGBT3、4的反并联二极管以及IGBT1、2流通，如图9所示。
关断时，若电流由左向右流通，电流分别经IGBT1、2的反并联二极管，模块电容以及二极管5流通，如图10所示；若电流由左向右流通，电流分别经IGBT3、 4的反并联二极管，模块电容以及二极管6流通，如图11所示。
如图12所示，混合式直流断路器，包含有3条并联支路：主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路。其中，主通流支路由快速机械开关K和少量电力电子开关构成，用以承载系统正常运行时的系统额定电流；转移电流支路由全控型电子电子器件或全控型电力电子器件构成的单元串联串联构成，用于开断系统短路电流；能量吸收支路由多组避雷器单元构成，用于吸收系统感性能量，实现故障电流清除。
本发明所提出的新型全桥模块可用于混合式直流断路器中电力电子开关设计。主支路电力电子开关可由少量新型全桥模块串并联构成，具体实现形式有两种：先串联后并联方式如图13所示和先并联后串联方式，如图14。转移支路电力电子开关由全控型电子电子器件或全控型电力电子器件构成的单元串联而成。
如图15所示，采用新型全桥模块的混合式直流断路器拓扑来阐述工作原理。
系统正常运行时，负载电流只流经主通流支路，即负载电流只流过快速机械开关K和主支路电力电子开关。此时电力电子开关内的可控器件IGBT保持触发状态，负载电流流经新型全桥模块上桥臂中与左侧IGBT反并联的二极管，之后流经上桥臂右侧两并联IGBT，最后流出新型全桥模块，此时电流并不流过模块内的电容支路。故障发生后，断路器收到系统分断命令，主支路电力电子开关闭锁，转移支路电力电子开关保持触发状态。主支路电力电子开关内的IGBT关断，此时故障电流流经模块内电容支路给电容充电，待断路器两端电压达到转移支路导通电压时，故障电流从主支路向转移支路转移；转移完成后，快速机械开关K 分断，在其分断完成后，闭锁转移支路电力电子开关，实现电流从转移支路向能量吸收支路转移，完成故障电流分断。所述新型直流断路器关合原理与级联全桥直流断路器也基本相同，首先是导通转移支路，若合闸于健全线路，则触发主通流支路；若合闸于故障线路，则闭锁转移支路。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和 /或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种全桥模块，其特征在于，包括：两个电力电子单元、两个二极管、电阻和电容；
两个电力电子单元反向串联构成上桥臂；
两个所述二极管共阳极串联或共阴极串联，构成下桥臂；
所述电阻和电容并联后，连接于所述上桥臂和下桥臂之间。
2.如权利要求1所述的全桥模块，其特征在于，所述电力电子单元包括一个或多个由全控型电力电子器件反并联一个二极管构成的子模块，且所述每个电力电子单元的二极管与对应的所述下桥臂二极管方向相反。
3.如权利要求2所述的全桥模块，其特征在于，当所述子模块为多个时，所述模块的连接方式包括：串联、并联、串联后并联或并联后串联。
4.如权利要求2所述的全桥模块，其特征在于，所述全控型电力电子器件包括：IGBT、IGCT、IEGT或GTO。
5.一种基于全桥模块的混合式直流断路器，其特征在于，所述混合式直流断路器包括：并联的主通路支路、转移支路和能量吸收支路；
其中所述主通路支路包括多个由权1-4任一项所述的全桥模块；
所述转移支路包括多个全控型电力电子器件或者所述全控型电力电子器件构成的单元；
所述主通路支路还包括开关，所述开关与多个全桥模块串联。
6.如权利要求5所述的基于全桥模块的混合式直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路包括压敏电阻。
7.如权利要求5所述的基于全桥模块的混合式直流断路器，其特征在于，所述主通路支路上的全桥模块先并联后串联或先串联后并联。
8.如权利要求5所述的基于全桥模块的混合式直流断路器，其特征在于，所述转移支路上的全控型电子电子器件或全控型电力电子器件构成的单元串联。
9.一种如权利要求5-8任一项所述的混合式直流断路器的应用方法，其特征在于，所述方法包括：
当运行正常时：主通路支路的开关闭合，所述主通路支路的全桥模块保持触发状态；
当运行故障时：所述主通路支路全桥模块断开，所述转移支路全控型电力电子器件保持触发状态，故障电流向所述转移支路转移，之后所述主通路支路的开关断开；
所述故障电流转移至所述混合式直流断路器能量吸收支路。
10.如权利要求9所述的应用方法，其特征在于，所述运行正常时：开关闭合，所述主通路支路全桥模块保持触发状态，包括：
电流从输入端经过全桥模块上桥臂电力电子单元的反并联二极管后，经过另一个电力电子单元的所述全控型电力电子器件，最后流出所述全桥模块。
11.如权利要求9所述的应用方法，其特征在于，所述当运行故障时：所述主通路支路全桥模块断开，所述转移支路全控型电力电子器件保持触发状态，故障电流向所述转移支路转移，之后所述开关断开，包括：
基于接收的分断命令，所述主通路支路全桥模块的全控型电力电子器件断开，故障电流给所述主通路支路全桥模块的电容进行充电；
当所述混合式直流断路器两端的电压达到所述转移支路导通电压时，所述故障电流向所述转移支路进行转移；
电流转移完成后，所述主通路支路开关断开。
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