CN110190589A - 一种谐振型混合式直流开关 - Google Patents

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刘刚
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张志刚
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Abstract

本发明涉及一种谐振型混合式直流开关，属于电力电子技术领域，机械开关，设置在主支路上；电容、电感，均设置在转移支路上；承压电子开关单元，设置在转移支路上，且该承压电子开关单元中不配置电容；耗能避雷器，设置在能量吸收支路上，用于在承压电子开关单元的端电压达到避雷器的触发电压值时吸收转移支路上的电流；所述主支路与转移支路并联，所述承压电子开关单元与能量吸收支路并联。本发明的谐振型混合式直流开关拓扑无论分断电流多大，均能在数毫秒内清除分断电流，特别适合作为快速直流开关或断路器使用于直流配电网及直流线路中。

Description

一种谐振型混合式直流开关
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种谐振型混合式直流开关。
背景技术
直流断路器的拓扑结构以电容器谐振型和LC谐振型的机械式直流开关为主。实现的方式有负压耦合、谐振型等，但都存在小电流无法快速分断的缺陷。原因在于机械式直流开关分断后，都是靠承压电容器并联避雷器的方式清除系统直流电流，因此不能快速清除分断电流，特别是小电流分断时，系统电流往往需要数十毫秒才能下降为零。
对于采用RC阻尼的混合式直流开关，比如公告号为CN106558865B的中国发明专利公开的一种混合式直流断路器，由于该混合式直流断路器的转移支路电子开关子模块两端并联阻尼电阻、阻尼电容，当转移支路分断的是几十安的小电流时，由于小电流对阻尼电容的充电时间很长，需长达数十毫秒才能完全阻断，阻断电流的时间长，阻断快速性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种谐振型混合式直流开关，用于解决现有混合式直流断路器阻断小电流快速性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种谐振型混合式直流开关，包括：
主支路，主支路上设置有机械开关；
转移支路，转移支路上设置有电容、电感、承压电子开关单元，且该承压电子开关单元中不配置电容；
能量吸收支路，能量吸收支路上设置有耗能避雷器，用于在承压电子开关单元的端电压达到耗能避雷器的触发电压值时吸收转移支路上的电流；
所述主支路与转移支路并联，所述承压电子开关单元与能量吸收支路并联。
本发明的谐振型混合式直流开关，在阻断小电流时，在主支路上的机械开关完全关断前，通过控制承压电子开关单元导通，使电流通过转移支路中的电容、电感，转移支路和主支路形成谐振回路，谐振回路中的谐振电流与机械开关中的电流形成叠加电流，当叠加电流产生电流过零点时机械开关完全断开，承压电子开关单元断开。在整个过程中，转移支路中起到承压作用的是承压电子开关单元，而非电容，当承压电子开关单元的端电压达到避雷器的触发电压值，转移支路上的电流通过能量吸收支路上的耗能避雷器进行消纳，由于承压电子开关单元没有电容，即使阻断的是小电流，承压电子开关单元的端电压也能够迅速达到耗能避雷器的触发电压值，因此，无论阻断的电流是大是小，均能够保证阻断的快速性。
为了实现承压电子开关单元在转移支路上的承压作用，所述承压电子开关单元包括至少两个具有双向导通功能的电子开关，电子开关之间串联。
为了实现电子开关的双向导通功能，每个电子开关包括：
两个反向串联的全控型电力电子器件，每个全控型电力电子器件反并联有二极管。
进一步，每个电子开关两端并联有限压避雷器，主要用于限制电子开关的端电压，以保护电子开关。
进一步，所述转移支路上还设置有谐振电子开关，谐振电子开关与所述电容串联，谐振电子开关用于控制转移支路的接通，实现电充的充电。
进一步，所述谐振电子开关与电容的串联支路并联有限压避雷器，用于限制谐振电子开关和电容的端电压，以保护谐振电子开关。并且，该谐振电子开关包括两个反向串联的全控型电力电子器件，每个全控型电力电子器件反并联有二极管，以实现谐振电子开关的双向导通。
附图说明
图1是本发明开关实施例一的谐振型混合式直流开关示意图；
图2是本发明开关实施例二的谐振型混合式直流开关示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
开关实施例一：
本实施例提出一种谐振型混合式直流开关，包括主支路、转移支路和能量吸收支路，如图1所示，主支路上设置有机械开关CB，主支路与转移支路并联，转移支路上设置有电容C、承压电子开关单元、电感L，电容C为低压电容。
承压电子开关单元包括n个具有双向导通功能的电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)，n≥2，每个电子开关均包括两个反向串联的IGBT，且每个IGBT反向并联有二极管；并且，每个电子开关并联有相应的限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)，用于限制电子开关的端电压，以保护电子开关；电容C两端并联有限压避雷器F1，用于限制电容C的端电压。
上述承压电子开关单元中不配置电容，并且，承压电子开关单元的两端并联有能量吸收支路，能量吸收支路上设置耗能避雷器F2，用于在承压电子开关单元的端电压达到耗能避雷器的触发电压值时吸收转移支路上的电流。
当谐振型混合式直流开关接入系统的IN、OUT两端之间，谐振型混合式直流开关的工作原理如下：
当需要分断系统电流时，首先分断机械开关CB，机械开关CB由于没有分断直流电流的能力而拉弧，当检测到机械开关CB分到承压开距时，不管机械开关CB中电流的方向，电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)中的IGBT均导通，电容C的电压经由机械开关CB-电感L-电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)中的IGBT形成谐振回路，当谐振电流与流过机械开关CB的系统电流二者叠加形成叠加电流，当叠加电流产生电流过零点时，机械开关CB息弧阻断，电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)中的IGBT全部关断，大部分系统电流转移至能量吸收支路上的耗能避雷器中。
这是由于，电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)两端不配置电容，而是只配置限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)，用于限制电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)的端电压。n个限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)串联后与耗能避雷器F2并联，在同样的电压下限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)的串联回路中的电流远小于耗能避雷器F2中的电流，因此，大部分的系统电流由耗能避雷器F2吸收，只有小部分的系统电流由限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)吸收。且因为电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)两端只有限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)，没有电容，且限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)是高阻元件，因此不论系统电流的大小，均能实现电流的完全快速阻断。
另外，本发明的谐振型混合式直流开关的器件较少，控制原理简单，成本较低，可广泛应用于10kV及以上的直流配电网中，用作直流断路器或直流负荷开关。
开关实施例二：
本实施例提出一种谐振型混合式直流开关，包括主支路、转移支路和能量吸收支路，如图2所示，主支路上设置有机械开关CB，主支路与转移支路并联，转移支路上设置有谐振电子开关、电容C、承压电子开关单元、电感L，谐振电子开关包括两个反向串联的IGBT(T21、T22)，且每个IGBT反向并联有二极管，谐振电子开关和电容C的两端并联有限压避雷器F1，用于限制谐振电子开关和电容C的端电压，以保护谐振电子开关。并且，上述电容C为低压电容。
承压电子开关单元包括n个具有双向导通功能的电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)，电子开关的结构与谐振电子开关的结构相同，每个电子开关并联有相应的限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)，用于限制电子开关的端电压，以保护电子开关。
上述承压电子开关单元中不配置电容，并且，承压电子开关单元的两端并联有能量吸收支路，能量吸收支路上设置耗能避雷器F2，用于在承压电子开关单元的端电压达到耗能避雷器的触发电压值时吸收转移支路上的电流。
当谐振型混合式直流开关接入系统的IN、OUT两端之间，谐振型混合式直流开关的工作原理如下：
当需要分断系统电流时，首先分断机械开关CB，机械开关CB由于没有分断直流电流的能力而拉弧，当检测到机械开关CB分到承压开距时，不管机械开关CB中电流的方向，谐振电子开关中的IGBT均导通，电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)中的IGBT均导通，电容C的电压经由谐振电子开关(T21、T22)-机械开关CB-电感L-电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)中的IGBT形成谐振回路，当谐振电流与流过机械开关CB的系统电流二者叠加形成叠加电流，当叠加电流产生电流过零点时，机械开关CB息弧阻断，谐振电子开关及电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)中的IGBT全部关断，大部分系统电流转移至能量吸收支路上的耗能避雷器中，只有小部分的系统电流由限压避雷器(F1、1F1、1F2、…、1Fn)吸收，原因参见开关实施例一，本实施例不再赘述。
由于本发明设计的低压电容、谐振电子开关，以及通过耗能避雷器承受转移支路大部分电压的承压电子开关单元，使得本发明的谐振型混合式直流开关具有谐振型的机械式直流开关的主支路没有损耗的特点，也具有混合式直流开关快速阻断系统电流的能力，除此之外，本发明的谐振型混合式直流开关拓扑无论分断电流多大，均能在数毫秒内清除分断电流，特别适合作为快速直流开关或断路器使用于直流配电网及直流线路中。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。
例如，对于开关实施例一和开关实施例二，谐振电子开关中的IGBT，及电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)中的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)，还可以采用其他全控型电力电子器件代替，如IGCT(Insulated Gate CommutatedTransistor,集成门极换流晶闸管)等。
开关实施例一和开关实施例二中具有双向导通功能的电子开关，还可以通过两个反向串联的全控型电力电子器件来实现，而不必在每个全控型电力电子器件两端反并联二极管。
对于开关实施例一和开关实施例二，耗能避雷器F2的数量可以根据需要设置一个，或一个以上。
另外，需要说明的是，关于耗能避雷器F2和限压避雷器(F1、1F1、1F2、…、1Fn)的区别，耗能避雷器F2的主要作用是吸收能量，次要作用是承压，而限压避雷器(F1、1F1、1F2、…、1Fn)的主要作用是限制电子开关(1T1、1T2、…、1Tn)和谐振电子开关的端电压，次要作用是吸收能量。一般情况下，不需要通过限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)吸收能量，因此，在设计限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)和耗能避雷器F2时，限压避雷器(1F1、1F2、…、1Fn)的触发电压值之和比耗能避雷器F2的触发电压值大。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种谐振型混合式直流开关，其特征在于，包括：
主支路，主支路上设置有机械开关；
转移支路，转移支路上设置有电容、电感、承压电子开关单元，且该承压电子开关单元中不配置电容；
能量吸收支路，能量吸收支路上设置有耗能避雷器，用于在承压电子开关单元的端电压达到耗能避雷器的触发电压值时吸收转移支路上的电流；
所述主支路与转移支路并联，所述承压电子开关单元与能量吸收支路并联。
2.根据权利要求1所述的谐振型混合式直流开关，其特征在于，所述承压电子开关单元包括至少两个具有双向导通功能的电子开关，电子开关之间串联。
3.根据权利要求2所述的谐振型混合式直流开关，其特征在于，每个电子开关包括：两个反向串联的全控型电力电子器件，每个全控型电力电子器件反并联有二极管。
4.根据权利要求3所述的谐振型混合式直流开关，其特征在于，每个电子开关两端并联有限压避雷器，限压避雷器用于限制电子开关的端电压。
5.根据权利要求1所述的谐振型混合式直流开关，其特征在于，所述转移支路上还设置有谐振电子开关，谐振电子开关与所述电容串联。
6.根据权利要求5所述的谐振型混合式直流开关，其特征在于，所述谐振电子开关与电容的串联支路并联有限压避雷器，用于限制谐振电子开关和电容的端电压。
7.根据权利要求5或6所述的谐振型混合式直流开关，其特征在于，所述谐振电子开关包括：两个反向串联的全控型电力电子器件，每个全控型电力电子器件反并联有二极管。
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