CN110289604A - 一种风冷式全固态直流断路器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种风冷式全固态直流断路器，属于电力电子技术领域，包括主通流支路，主通流支路包括全控型开关单元，全控型开关单元的两端设置有第一功率组件和第二功率组件，第一功率组件和第二功率组件内分别设置有低损耗开关功率器件，低损耗开关功率器件的第一端与全控型开关单元的I/O端电连接，低损耗开关功率器件的第二端与相邻的功率组件电连接。由于低损耗开关功率器件具有电流大、开关频率高和低导通损耗等特点。系统正常运行时，承载系统运行的负载电流可实现低损耗的特性，进而可以减少固态直流断路器产生的热量。采用风冷式散热即可实现对固态直流断路器产生的热量的处理，进而避免了采用水冷散热导致系统复杂，占地面积大的问题。

Description

一种风冷式全固态直流断路器

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种风冷式全固态直流断路器。

背景技术

随着全球可再生能源开发利用规模不断扩大，柔性直流输配电技术得到了极大的发展，而直流断路器是多端直流系统向柔性直流电网发展的必不可少的电气设备。

但是传统的直流断路器在切断电流的过程中，没有电流过零点，严重制约着直流断路器的研制。为解决直流熄弧的问题，通常的做法是为机械开关配置辅助回路，创造人工过零点进行熄弧，但拓扑结构往往过于复杂，严重影响系统运行的稳定性，并且开断速度受到了机械开关的严重制约。

随着电力电子器件的发展，固态直流断路器应运而生，固态直流断路器包括通流支路、开断支路和吸能支路，它不仅可以直接切断直流，而且开断速度极快。但是现有的固态直流断路器中通流支路和开断支路分别采用单一的IEGT和绝缘栅双极型晶体管IGBT，IGBT和IEGT的通态损耗非常高，使得现有的固态直流断路器发热比较严重，因此需要配置复杂的水冷系统和控制系统,水冷系统结构比较复杂，占地面积大。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种风冷式全固态直流断路器，包括主通流支路，所述主通流支路包括全控型开关单元，所述全控型开关单元的两端设置有第一功率组件和第二功率组件，所述第一功率组件和第二功率组件内分别设置有低损耗开关功率器件，所述低损耗开关功率器件的第一端与所述全控型开关单元的I/O端电连接，所述低损耗开关功率器件的第二端与相邻的功率组件电连接。

采用上述实现方式，由于低损耗开关功率器件(例如集成门极换流晶闸管IGCT)具有电流大、阻断电压高、开关频率高和低导通损耗等特点。系统正常运行时，低损耗开关功率器件承载系统运行的负载电流，并且实现低损耗的特性，进而可以减少固态直流断路器产生的热量。采用风冷式散热即可实现对固态直流断路器产生的热量的处理，进而避免了采用水冷散热导致系统复杂，占地面积大的问题。

而且当系统直流侧发生短路故障时，主通流支路中的低损耗开关功率器件可以实现断路器的快速切断，进而风冷式全固态直流断路器无需设置额外的开断支路，进一步减小了系统的复杂度，减少占地面积。

结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述第一功率组件和第二功率组件之间设置有第三功率组件和第四功率组件，所述第三功率组件和所述第四功率组件内设置有二极管，所述二极管的第一端与所述全控型开关单元的I/O端电连接，所述二极管的第二端与相邻的所述功率组件电连接。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述第一功率组件设置有多个低损耗开关功率器件和多个第一散热器，所述低损耗开关功率器件间隔设置在所述第一散热器之间，所述低损耗开关功率器件的两端分别与相邻的所述第一散热器电连接，所述第一散热器的第一端与相邻的所述第三功率组件电连接，与所述低损耗开关功率器件第一端电连接的所述第一散热器的第二端与所述全控型开关单元的第一I/O端电连接。

结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述第二功率组件设置有多个低损耗开关功率器件和多个第二散热器，所述低损耗开关功率器件间隔设置在所述第二散热器之间，所述低损耗开关功率器件的两端分别与相邻的所述第二散热器电连接，所述第二散热器的第一端与相邻的所述第四功率组件电连接，与所述低损耗开关功率器件第一端电连接的所述第二散热器的第二端与所述全控型开关单元的第二I/O端电连接。

结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述第三功率组件内设置有多个二极管和多个第三散热器，所述二极管间隔设置在所述第三散热器之间，所述二极管的两端分别与相邻的所述第三散热器电连接，与所述二极管第一端电连接的所述第三散热器与连接所述全控型开关单元的第一I/O端的所述第一散热器电连接，与所述二极管第二端电连接的所述第三散热器分别与相邻功率组件的散热器电连接。

结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述第四功率组件内设置有多个二极管和多个第四散热器，所述二极管间隔设置在所述第四散热器之间，所述二极管的两端分别与相邻的所述第四散热器电连接，与所述二极管第一端电连接的所述第四散热器与连接所述全控型开关单元的第二I/O端的所述第二散热器电连接，与所述二极管第二端电连接的所述第四散热器分别与相邻功率组件的散热器电连接。

结合第一方面第五种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，功率组件之间设置有导电排，所述导电排的两端与散热器电连接。

结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，还包括能量吸收支路和散热系统，所述主通流支路设置在所述能量吸收支路和所述散热系统之间，所述主通流支路的两端分别与所述能量吸收支路的两端电连接。

结合第一方面第七种可能的实现方式，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述能量吸收支路包括避雷器和RC缓冲装置，所述避雷器的两端和所述RC缓冲装置的两端分别与所述主通流支路的两端电连接。

结合第一方面第八种可能的实现方式，在第一方面第九种可能的实现方式中，所述散热系统包括风机和散热风道，所述散热风道设置在所述主通流支路的一侧，所述风机的出风口与所述散热风道的一端相连通。

附图说明

图1为本申请实施例提供的风冷式全固态直流断路器的框架示意图；

图2为本申请实施例提供的一种风冷式全固态直流断路器的框架示意图；

图3为本申请实施例提供的一种主通流支路的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的故障电流均流特性曲线图；

图5为本申请实施例提供的一种最小全控型开关单元的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种风冷式全固态直流断路器的框架示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种主通流支路的结构示意图；

图8为本申请实施例提供风冷式全固态直流断路器的结构示意图；

图1-8中，符号表示为：1-主通流支路，2-能量吸收支路，3-散热系统，21-避雷器，22-RC缓冲装置，31-风机，32-散热风道。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。

图1为本申请实施例提供的一种风冷式全固态直流断路器的框架示意图，参见图1，本实施例提供的风冷式全固态直流断路器包括主通流支路和能量吸收支路，主通流支路包含全控型开关单元，全控型开关单元中设置有低损耗开关功率器件，因此主通流支路既可以实现在系统正常运行时，完成对负载电流的正常通流，在系统故障时也可以实现断路器的快速切断。而且由于低损耗开关功率器件通流损耗低，因此产生的热量较少。

参加图2，风冷式全固态直流断路器的主通流支路包括一个全控型开关单元，全控型开关单元的两个I/O端分别与主通流支路的两端电连接。

具体的，参见图3，本实施例中的全控型开关单元包括第一功率组件S1、第二功率组件S2、第三功率组件S3和第四功率组件S4。其中，第一功率组件S1和第二功率组件S2设置在所述全控型开关单元的两端，所述第一功率组件S1和第二功率组件S2中均设置有散热器和低损耗开关功率器件，第三功率组件S3和第四功率组件S4中均设置有散热器和二极管。

需要指出的是，本实施例中的低损耗开关功率器件为集成门极换流晶闸管IGCT，IGCT通态损耗仅为IGBT/IEGT的30％。具体地，第一功率组件S1中包含有5个第一电热器：C11、C12、C13、C14和C15，4个IGCT：G11、G21、G31和G41。4个IGCT间隔设置在5个第一电热器之间，G11的两端分别与C11和C12电连接，G21的两端分别与C12和C13电连接，G31的两端分别与C13和C14电连接，G41的两端分别与C14和C15电连接。

第二功率组件S2中包含有5个第二电热器C41、C42、C43、C44和C45，4个IGCT：G12、G22、G32和G42。4个IGCT间隔设置在5个第二电热器之间，G12的两端分别与C41和C42电连接，G22的两端分别与C42和C43电连接，G32的两端分别与C43和C44电连接，G42的两端分别与C44和C45电连接。

第三功率组件S3中包含有5个第三电热器C21、C22、C23、C24和C25，4个二极管：D11、D21、D31和D41。4个二极管间隔设置在5个第三电热器之间，D11的两端分别与C21和C22电连接，D21的两端分别与C22和C23电连接，D31的两端分别与C23和C24电连接，D41的两端分别与C24和C25电连接。

第四功率组件S4中包含有5个第四电热器C31、C32、C33、C34和C35，4个二极管：D12、D22、D32和D42。4个二极管间隔设置在5个第四电热器之间，D12的两端分别与C31和C32电连接，D22的两端分别与C32和C33电连接，D32的两端分别与C33和C34电连接，D42的两端分别与C34和C35电连接。

其中,G11和G21的第一端通过C12与全控型开关单元的第一输入/输出端I/O1电连接，G31和G41的第一端通过C14与全控型开关单元的I/O1电连接。G12和G22的第一端通过C42与全控型开关单元的第二输入/输出端I/O2电连接，G32和G42的第一端通过C44与全控型开关单元的I/O2电连接。

G11、G21、G31和G41的第二端分别通过与其相连接的电热器与第三功率组件电连接。具体的，G11的第二端与C11电连接，C11与C21电连接，C21与D11的第二端电连接。G21和G31的第二端与C13电连接，C13与C23电连接，C23分别与D21和D31的第二端电连接。G41的第二端与C15电连接，C15与C25电连接，C25与D41的第二端电连接。D11和D21的第一端分别与C22电连接，C22与C12电连接，D11和D21依次通过C22和C12与I/O1电连接。D31和D41的第一端分别与C24电连接，C24与C14电连接，D31和D41依次通过C24和C14与I/O1电连接。

相应地，G12、G22、G32和G42的第二端分别通过与其相连接的电热器与第四功率组件电连接。具体的，G12的第二端与C41电连接，C41与C31电连接，C31与D12的第二端电连接。G22和G32的第二端与C43电连接，C43与C33电连接，C33分别与D22和D32的第二端电连接。G42的第二端与C45电连接，C45与C35电连接，C355与D42的第二端电连接。D12和D22的第一端分别与C32电连接，C32与C42电连接，D12和D22依次通过C32和C42与I/O2电连接。D32和D42的第一端分别与C34电连接，C34与C44电连接，D32和D42依次通过C34和C34与I/O2电连接。

C21与C31、C23与C33、C25与C35分别电连接，本实施例中功率组件之间设置有导电排，所述导电排的两端与散热器电连接。并且在第三功率组件和第四功率之间时间设置一导电排，将C21、C31、C23、C33、C25和C35进行短接。

采用本实施例中的全控型开关单元对故障电流进行均流时，如果故障电流从I/O1进入，自I/O1至I/O2的通流方向为例，四条通流支路：

I/O1-C12-G11-C11-C21-C31-D12-C32-C42-I/O2；

I/O1-C12-G21-C13-C23-C33-D22-C32-C42-I/O2；

I/O1-C14-G31-C13-C23-C33-D32-C34-C44-I/O2；

I/O1-C14-G41-C15-C25-C35-D42-C34-C44-I/O2。

通流回路结构完全一致，保证额定载荷以及故障电流的完全均流，此外，通过在第三功率组件和第四功率之间设置导电排将C21、C31、C23、C33、C25和C35进行短接，使得各通流支路之间载荷可自由分布，进一步确保了本实例结构的均流特性。

如图4所示，总的故障电流值为2.915K，通过上述的4条通流支路均流后分别通流电流值为656、626.67、641.33和730。虽然没有达到完全均分，但是使得每条支路中的电流已经相比总故障电流大大减小。加上IGCT和二极管的低损耗通流特性，使得每条通流支路产生的热量较少，进而使得全控型开关单元对故障电流进行均流时可以产生较少的热量。相应地，当系统正常运行时，IGCT和二级管承载系统运行的负载电流，也可实现低损耗的特性，可以减少固态直流断路器产生的热量。

上述是实现4个通流支路，如果故障电流或系统正常运行时的负载电流较小时，也可以通过图5中的最小全控型开关单元实现。并且在最小全控型开关单元中也包含IGCT和二极管，也可以实现电流额低损耗通流特性。

一个示意性实施例，如果系统负载电流或者故障电流过大，通过4条通流支路可能也会导致固态直流断路器产生的热量相对较多。因此可以增加主通流支路中全控型开关单元的数量，参见图6，本实施例中的全控型开关单元包括两个。

参见图7，本实施例中的全控型开关单元串联连接，并且每个全控型开关单元相比上述实施例中的全控型开关单元的IGCT、二极管和散热器数量均增多。如图7所示，本实施例中的全控型开关单元依然包括4个功率组件，其中每个功率组件中的散热器设置有7个，散热器之间的IGCT或二极管设置有6个,这样每个全控型开关单元就对应有6条通流支路。

自I/O1至I/O2的通流方向为例第一个全控型开关单元的6条通流支路为：

I/O1-C12-G11-C11-C21-C31-D12-C32-C42；

I/O1-C12-G21-C13-C23-C33-D22-C32-C42；

I/O1-C14-G31-C13-C23-C33-D32-C34-C44；

I/O1-C14-G41-C15-C25-C35-D42-C34-C44；

I/O1-C16-G51-C15-C25-C35-D52-C36-C46；

I/O1-C16-G61-C17-C27-C37-D62-C36-C46。

第二个全控型开关单元的6条通流支路为：

C52-G71-C51-C61-C71-D72-C72-C82-I/O2；

C52-G81-C83-C83-C73-D82-C72-C82-I/O2；

C54-G91-C53-C63-C73-D92-C74-C84-I/O2；

C54-G101-C55-C65-C75-D102-C74-C84-I/O2；

C56-G111-C55-C65-C75-D112-C76-C86-I/O2；

C56-G121-C57-C67-C77-D122-C76-C86-I/O2。

其中，电路通过I/O1经第一个全控型开关单元通过6条通流支路进行均流，然后在6条通流支路的输出端后再次进行均流进入到第二个全控型开关单元的6条通流支路。进而实现了电流的二次分流相比上述实施例中的一次分流和四条通流支路，每条通流支路中的电流差异变小，进而使得产生的热量也得到降低。

需要指出的是，根据系统的需求可以在主通流支路中增加所述全控型开关单元额数量，并且可以对每个全控型开关单元额数量中的通流支路通过增加散热器、IGCT和二极管的手段进行增加，进而保证均流的效果。从而满足各种电压等级不同电流水平的需求，并增加一定的冗余单元，增强系统稳定运行的可靠性。

并且本实施例中完全对称性的结构设计，各并通流支路回路阻抗特性高度一致，保证各通流支路在稳定通流及开断过程中的均流效果，进一步增强支路并联通流能力及散热能力。

参见图8，本实施例提供的风冷式全固态直流断路器还包括，散热系统3，所述主通流支路1设置在所述能量吸收支路2和所述散热系统3之间，所述主通流支路1的两端分别与所述能量吸收支路2的两端电连接。

进一步地，本实施例中所述能量吸收支路2包括避雷器21和RC缓冲装置22，所述避雷器21的两端和所述RC缓冲装置22的两端分别与所述主通流支路1的两端电连接。所述散热系统3包括风机31和散热风道32，所述散热风道32设置在所述主通流支路1的一侧，所述风机31的出风口与所述散热风道32的一端相连通。

本实施例提供的风冷式全固态直流断路器整体结构设计采用横向分层布置：散热系统3、主通流支路1和能量吸收支路2采用纵向竖置排布方式，其中主通流支路1中的功率组件层上下左右侧呈对称分布，所有热管散热器翅片均朝向一侧形成统一的散热通道，在保证散热效果一致的同时，极大的简化散热系统的复杂性。此外，功率组件由四个竖直放置的功率单元组成，各功率单元器件运行时序完全一致，在避免相邻器件间相互干扰的同时，充分利用了散热器的散热性能。

在断路器分断电流的过程中，RC缓冲装置能够吸收大量的开断电流，在减轻全控型开关单元开断压力的同时，还可以降低系统的di/dt，限制开断过电压的增长。能量吸收支路2由避雷器单元构成，在系统电流开断成功后，吸收系统中残余的能量，保护通流主支路1的安全。

由上述实施例可知，本实施例提供的风冷式全固态直流断路器，由于IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高和低导通损耗等特点。系统正常运行时，低损耗开关功率器件承载系统运行的负载电流，并且实现低损耗的特性，进而可以减少固态直流断路器产生的热量。采用风冷式散热即可实现对固态直流断路器产生的热量的处理，进而避免了采用水冷散热导致系统复杂，占地面积大的问题。而且当系统直流侧发生短路故障时，主通流支路中的低损耗开关功率器件可以实现断路器的快速切断，进而风冷式全固态直流断路器无需设置额外的开断支路，进一步减小了系统的复杂度，减少占地面积。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种风冷式全固态直流断路器，包括主通流支路，其特征在于，所述主通流支路包括全控型开关单元，所述全控型开关单元的两端设置有第一功率组件和第二功率组件，所述第一功率组件和第二功率组件内分别设置有低损耗开关功率器件，所述低损耗开关功率器件的第一端与所述全控型开关单元的I/O端电连接，所述低损耗开关功率器件的第二端与相邻的功率组件电连接。

2.根据权利要求1所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，所述第一功率组件和第二功率组件之间设置有第三功率组件和第四功率组件，所述第三功率组件和所述第四功率组件内设置有二极管，所述二极管的第一端与所述全控型开关单元的I/O端电连接，所述二极管的第二端与相邻的所述功率组件电连接。

3.根据权利要求2所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，所述第一功率组件设置有多个低损耗开关功率器件和多个第一散热器，所述低损耗开关功率器件间隔设置在所述第一散热器之间，所述低损耗开关功率器件的两端分别与相邻的所述第一散热器电连接，所述第一散热器的第一端与相邻的所述第三功率组件电连接，与所述低损耗开关功率器件第一端电连接的所述第一散热器的第二端与所述全控型开关单元的第一I/O端电连接。

4.根据权利要求3所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，所述第二功率组件设置有多个低损耗开关功率器件和多个第二散热器，所述低损耗开关功率器件间隔设置在所述第二散热器之间，所述低损耗开关功率器件的两端分别与相邻的所述第二散热器电连接，所述第二散热器的第一端与相邻的所述第四功率组件电连接，与所述低损耗开关功率器件第一端电连接的所述第二散热器的第二端与所述全控型开关单元的第二I/O端电连接。

5.根据权利要求4所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，所述第三功率组件内设置有多个二极管和多个第三散热器，所述二极管间隔设置在所述第三散热器之间，所述二极管的两端分别与相邻的所述第三散热器电连接，与所述二极管第一端电连接的所述第三散热器与连接所述全控型开关单元的第一I/O端的所述第一散热器电连接，与所述二极管第二端电连接的所述第三散热器分别与相邻功率组件的散热器电连接。

6.根据权利要求5所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，所述第四功率组件内设置有多个二极管和多个第四散热器，所述二极管间隔设置在所述第四散热器之间，所述二极管的两端分别与相邻的所述第四散热器电连接，与所述二极管第一端电连接的所述第四散热器与连接所述全控型开关单元的第二I/O端的所述第二散热器电连接，与所述二极管第二端电连接的所述第四散热器分别与相邻功率组件的散热器电连接。

7.根据权利要求6所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，功率组件之间设置有导电排，所述导电排的两端与散热器电连接。

8.根据权利要求1所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，还包括能量吸收支路和散热系统，所述主通流支路设置在所述能量吸收支路和所述散热系统之间，所述主通流支路的两端分别与所述能量吸收支路的两端电连接。

9.根据权利要求8所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路包括避雷器和RC缓冲装置，所述避雷器的两端和所述RC缓冲装置的两端分别与所述主通流支路的两端电连接。

10.根据权利要求9所述的风冷式全固态直流断路器，其特征在于，所述散热系统包括风机和散热风道，所述散热风道设置在所述主通流支路的一侧，所述风机的出风口与所述散热风道的一端相连通。