CN110707668A - 一种固态断路器的过流检测及开断控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合于固态断路器的故障电流检测及开断控制方法，属于电力系统配电和用电领域。该方法主要包括半导体器件电流检测模块、过流阈值设定与输出模块、过流信号的比较与逻辑综合模块等。本发明利用半导体器件固有的伏安特性，通过检测器件的导通电压实现电流检测，并通过多项式拟合计算得到过流阈值信号，无需在电路中增加额外的采样电阻，不增加额外的损耗；也无需成本较高的电流传感器，且容易实现快速的故障检测与开断控制。

Description

一种固态断路器的过流检测及开断控制方法
技术领域
本发明涉及配电与用电领域，特别是涉及一种固态断路器的故障电流检测与开断控制技术。
背景技术
随着光伏等新能源的大规模接入，以及用户对供电质量和可靠性要求的提高，交流配电网的缺点和劣势使其难以满足现代及未来配网的需求。直流配电网具有线路损耗小、供电质量好及距离远等优势，成为了学术界及工业界广泛关注的配电网发展方向。然而，直流配用电技术面临的关键问题为故障的清除。不同于交流电流，直流电流不具有自然过零点，且当出现短路故障时电流上升速度非常快，这要求故障保护装置需在非常短的时间内切除故障，否则影响整个配电网的运行可靠性。断路器是直流配电网保护系统的核心装置，需在直流配电网出现短路、过流等故障时，自动的断开电路，切出故障。因此，研究高性能的断路器技术对直流配电网的发展具有重要意义。
适用于直流配电网的断路器主要包括机械式和固态式两大类。机械式直流断路器是在传统交流断路器的基础上发展而来，需要复杂的灭弧装置或人为产生电流过零点。固态断路器包括全固态和混合式两种，均采用功率半导体器件实现故障电路的切断。相对于机械式断路器，固态断路器无需灭弧，结构和控制均比较简单，因此被广泛认为是直流配电网最可行的断路器方案。
无论是全固态还是混合式固态断路器，均需要快速的故障电流检测来实现电路的可靠关断。目前，常见的电流检测方法包括直接式和间接式两类。直接式的方法原理如图1所示，该方法在电路中串联电阻Rs，通过检测Rs两端的电压uR并利用uR和电路电路i之间的比例关系uR＝i·Rs，反计算出电流i。该方法结构简单、精度高、成本低，但存在串联电阻产生的功耗大、适用的电流小等明显缺点。间接式的方法如图2所示，采用霍尔等电流传感器检测得到电路中的电流信号，克服了直接式的缺点，但高速的电流传感器成本高昂，且在高干扰噪声的环境中可靠性降低，削弱了固态断路器相对于机械式断路器的优势。两种方法获得电流信号，可送入控制器中，通过与设定的电流阈值作比较，产生半导体器件的控制信号。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种适用于固态断路器的无额外损耗、低成本、快速的过流检测技术，并以此实现固态断路器的可靠关断。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：一种固态断路器的过流检测及开断控制方法，包括以下步骤：
第一步，通过导通电压检测电路获得半导体器件的导通电压uce；
第二步，根据设定的过流阈值信号ith，在数字控制器中通过电压拟合计算出电压阈值的数字信号uthd；
第三步，根据数字信号uthd，通过数模转换器产生电压阈值的模拟信号uth；
第四步，将第一步中的uce信号与第三步中的uth信号作比较，产生故障信号sf，比较的规则为，若uce大于等于uth，则sf为高电平；若uce小于uth，则sf为低电平；
第五步，在数字控制器中，根据第四步中信号sf产生半导体器件的驱动控制信号g，并通过驱动电路对半导体器件进行开断控制。
进一步的，第二步中的电压拟合方法采用多项式拟合，即过流阈值信号ith与电压阈值的数字信号uthd满足如下关系：
Figure BDA0002230452390000021
式中，N为多项式的阶数，a0为常数项，aj为多项式中第j项的系数，a0和aj均由半导体的伏安特性决定。
进一步的，第五步中，在数字控制器中，对信号sf进行逻辑综合判断，对sf的高电平时间进行判断，若sf的高电平时间大于预先设定的阈值thigh，则数字控制器产生半导体器件的关断信号，即驱动控制信号g为低电平，使得半导体器件关闭；否则，g为高电平，保持半导体器件处于导通状态。
有益效果：本发明公开了的固态断路器故障电流检测技术，既不在电路中串联电阻，也不采用额外的电流传感器，仅利用半导体器件固有的伏安特性曲线实现故障电流的检测及触发信号的产生，由此带来如下有益效果：
(1)不产生额外的电路损耗；
(2)成本低廉，增强了固态断路器的价格优势；
(3)容易实现故障电流的快速检测；
(4)容易实现故障情况下电路的开断控制。
附图说明
图1为传统的直接式电流检测方法；
图2为传统的间接式电流检测方法；
图3为本发明方法的原理图，图中虚线框部分表示在数字控制器中实现；
图4为某型半导体器件的伏安特性(导通电压-导通电流)曲线图；
图5为半导体器件的导通电流-导通电压曲线及多项式拟合结果；
图6一种导通电压检测电路(虚线框部分)示意图；
图7故障信号sf与半导体器件驱动信号g之间的逻辑关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。图3为本发明方法的原理图，包括半导体器件的导通电压检测电路、电压拟合模块、数模转换模块、电压比较模块、逻辑综合模块、驱动电路等。下面以某型半导体器件为例来说明本发明的具体实施方式。
该型IGBT的伏安特性曲线如图4所示。为了实现故障电流检测，只需要判断半导体器件的导通电流iCE是否大于设定的阈值ith。由图4可知，该半导体的导通电流iCE和导通电压uCE存在一对一的函数关系。因此，可以通过判断半导体器件的导通电压uCE是否大于阈值uth，其中uth对应于ith，就可以判断是否发生过流或短路故障。这即为本发明方法的基本原理。
具体地，将图4的横坐标和纵坐标对调，可以获得该器件的导通电压-导通电流关系图，如图5所示。采用多项式拟合方法对uCE-iCE之间的关系进行拟合，即uCE的拟合结果uCE1满足：
Figure BDA0002230452390000031
式中，N为多项式的阶数，a0为常数项，aj为多项式中第j项的系数，a0和aj为待定的参数。对于该型半导体，由图5中uCE-iCE的数据，采用8阶多项式进行拟合，uCE1满足：
Figure BDA0002230452390000032
拟合出的结果亦绘制于图5中。由图5可以看出，uCE1与uCE几乎完全重合。因此，式(2)所示的多项式可以用于替代该半导体器件的uCE-iCE关系。
一般地，对于任意半导体器件，式(1)所示多项式均可用于表征其伏安特性，只需要设定合适的多项式阶数N，并计算出系数a0和aj即可。则由(1)可知，对于设定的过流阈值ith，可以在数字控制器中容易通过式(1)计算出对应的电压阈值数字信号uthd：
Figure BDA0002230452390000041
数字控制器控制数模转换器，即可产生电压阈值信号uth。由上述分析可知，“导通电流iCE是否大于电流阈值ith”这一问题完全等价于“导通电压uCE是否大于电压阈值uth”。
相对于检测导通电流，检测半导体的导通电压变得十分容易，图6给出了一种实用的导通电压检测电路。该电路由探测电流源ide、探测电阻Rde、探测二极管Dde和探测开关Sde组成。在半导体器件正常导通时，即其驱动信号g处于高电平，开关Sde处于关闭状态。此时电流源ide经Rde、Dde及半导体器件流过。则检测到的电压uCE包括Rde和Dde的压降、以及半导体器件的导通电压组成，只要在式(3)中常数项增加Rde、Dde的压降，则检测得到的uCE即可代表实际的半导体器件导通电压。
在检测到导通电压uCE后，将其与阈值信号uth比较，即可产生故障信号sf。比较规则为：若uce大于等于uth，则sf为高电平；若uce小于uth，则sf为低电平。在实际情况中，考虑到冲击电流、干扰等因素，sf为高电平并不表示此时电路发生短路故障，还需结合其高电平的时间来判断。即只有当sf维持的时间大于设定的时间阈值thigh时，sf的高电平脉冲才表示有效脉冲，此时电路发生过流故障，半导体器件应立即关闭；否则，sf的高电平脉冲为窄脉冲，表示冲击电流或干扰信号等，电路并未发生过流故障，半导体器件应保持导通。

Claims (3)

1.一种固态断路器的过流检测及开断控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，通过导通电压检测电路获得半导体器件的导通电压uce；
第二步，根据设定的过流阈值信号ith，在数字控制器中通过电压拟合计算出电压阈值的数字信号uthd；
第三步，根据数字信号uthd，通过数模转换器产生电压阈值的模拟信号uth；
第四步，将第一步中的uce信号与第三步中的uth信号作比较，产生故障信号sf，比较的规则为，若uce大于等于uth，则sf为高电平；若uce小于uth，则sf为低电平；
第五步，在数字控制器中，根据第四步中信号sf产生半导体器件的驱动控制信号g，并通过驱动电路对半导体器件进行开断控制。
2.根据权利要求1所述的固态断路器的过流检测及开断控制方法，其特征在于，所述第二步中的电压拟合方法采用多项式拟合，即过流阈值信号ith与电压阈值的数字信号uthd满足如下关系：
Figure FDA0002230452380000011
式中，N为多项式的阶数，a0为常数项，aj为多项式中第j项的系数，a0和aj均由半导体的伏安特性决定。
3.根据权利要求1所述的固态断路器的过流检测及开断控制方法，其特征在于，所述第五步中，在数字控制器中，对信号sf进行逻辑综合判断，对sf的高电平时间进行判断，若sf的高电平时间大于预先设定的阈值thigh，则数字控制器产生半导体器件的关断信号，即驱动控制信号g为低电平，使得半导体器件关闭；否则，g为高电平，保持半导体器件处于导通状态。
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