CN111092410A - 一种混合式固态断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式固态断路器，由隔离开关SW、限流电抗L、主开关电路和吸收电路及其控制系统组成；所述主开关电路由两个全控型半导体器件T1，T2反向串联构成，串联后的两端再分别与限流电抗L和外部直流电源系统连接；所述的吸收电路由二极管D1～D4、吸收电容C、泄能开关T3和泄能电阻R组成，二极管D1～D4连接成为一个H型整流桥，吸收电容C、泄能开关T3与泄能电阻R串联后并联在H型整流桥正负极之间；还公开了控制方法，包括合闸、分断两个操作步骤；本发明系统结构简单，且不需要附加稳压装置，系统成本低，效率高。

Description

一种混合式固态断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子设备及电源系统故障保护技术领域，尤其涉及一种利用电力电子器件实现的混合式固态断路器，以及其控制方法。

背景技术

在直流电力系统网络中，由于线路直流阻抗通常较小，当系统发生短路故障后，线路中会瞬时产生很大的短路电流，若不及时切断线路阻值短路电流继续上升，会很容易造成系统设备因快速放电导致母线电压降低而发生故障保护，甚至设备损坏。

目前直流电力系统网络主要采用机械式直流断路器进行分断和保护。由于机械式断路器固有特点，如动作时间长，易拉弧，触头寿命短，而采用电力电子器件进行故障切除的固态断路器不存在以上问题，因此，固态断路器逐渐成为直流配电系统保护方式的研究热点。

电力电子器件承受的尖峰电压能力有限，而线路中电抗器及杂散电抗中存储的能量需要有合适的能量转移通道，因此需要增加相应的吸收回路，目前常用的吸收回路为RCD吸收电路，这种吸收电路存在增大短路电流的问题。

另外还可通过电压稳定装置吸收电容电压尖峰，图1所示为通过电容电压稳定装置进行吸收的一种实现方式。这种采用电压稳定装置（图1中的CH）来吸收过电压的方式，存在的问题，一方面电压稳定装置需要提供较高的瞬时功率，这对电压稳定装置提出了较高的技术要求，另一方面，当需要对直流电流进行双向分断保护时，需要两台图1所示的断路器，增大了系统成本。

发明内容

本发明的目的之一在于根据现有技术的不足，设计一种利用电力电子器件实现的混合式固态断路器，能够双向分断直流电流，且损耗低，成本低。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种混合式固态断路器，包括隔离开关SW、限流电抗L、主开关电路和吸收电路及其控制系统；所述的隔离开关SW一端与外部直流电源系统P1连接，一端与限流电抗L连接；所述主开关电路由两个全控型半导体器件T1，T2反向串联构成，串联后的两端再分别与限流电抗L和外部直流电源系统P2连接；所述的吸收电路由二极管D1～D4、吸收电容C、泄能开关T3和泄能电阻R组成，二极管D1～D4连接成为一个H型整流桥，吸收电容C、泄能开关T3与泄能电阻R串联后并联在H型整流桥正负极之间；所述泄能开关T3为一个可控半导体器件，一端与吸收电容C连接，一端与泄能电阻R连接；所述泄能电阻R为一个小阻值大功率的电阻，通过控制泄能开关T3钳位吸收电容C上的电压；所述的控制系统包括电流检测单元、电压检测单元和信号处理单元，所述的电流检测单元通过电流传感器测量系统中流过的电流，所述的电压检测单元通过电压传感器测量吸收电容C上的电压，所述的信号处理单元根据指令控制隔离开关SW、半导体器件T1～T3的导通及关断。

所述的一种混合式固态断路器，其隔离开关SW为机械开关。

所述的一种混合式固态断路器，其半导体器件T1，T2，T3为全控型半导体器件。进一步，半导体器件T1，T2为IGBT、IGCT或IEGT。

所述的一种混合式固态断路器，其半导体器件T3为全控型或半控型半导体器件，可以是IGBT、IGCT、IEGT或SCR。

所述的一种混合式固态断路器，其限流电抗L为线路中自然存在的杂散电感或接入线路的中限流电感、或两者的结合。

本发明的目的之二在于提供一种上述混合式固态断路器的控制方法，包括合闸、分断两个操作步骤，合闸步骤为：控制系统发出泄能开关T3关断指令，由外部电源对吸收电容C预充电，电压传感器检测吸收电容C上电压是否达到预设值，当吸收电容C电压达到预设值后，控制系统发出隔离开关SW接通指令，控制隔离开关SW导通，当隔离开关SW导通后，控制系统发出半导体器件T1，T2导通指令，系统接通。分闸步骤为：控制系统发出半导体器件T1，T2关断指令，半导体器件T1，T2关断，限流电抗L中存储能量向吸收电容C转移，当控制系统监测到吸收电容C电压达到设定阀值时，控制系统对吸收电容C电压进行闭环控制，驱动泄能开关T3反复导通关断，泄能电阻R泄能，将吸收电容C电压钳位在设定阀值并保持稳定，当控制系统检测到线路电流下降到设定阀值时，如下降到0，控制系统发出隔离开关SW分断指令，控制隔离开关SW分断，控制系统驱动泄能开关T3导通，吸收电容C通过泄能电阻R泄能，分断过程完毕。

其中，吸收电容C的阀值电压必须高于电源系统电压，以保证当隔离开关SW分断前且泄能开关T3导通时，电源系统不会经泄能电阻R向短路点提供电流。

本发明的有益效果是：

1，采用二极管整流桥作为吸收回路电流通路，可实现双向短路电流工况下的电压尖峰吸收，配合双向主开关可实现双向直流电流分断功能，可以简化系统，降低成本；

2，可设定吸收电容钳位电压阀值，但须高于电源系统电压，灵活设计泄能电阻阻值及功率；

3，吸收电容电压被钳位在设定阀值，线路电流逐渐降低，隔离开关可在线路电流为0时关断；

4，在系统正常运行时泄能电阻不消耗功率，可降低系统损耗；

5，吸收电容电压由预充电装置提供，预充电装置不参与吸收电容的能量回收，使预充电电路极大简化。

6，可作为交流系统固态断路器使用，提高分断速度。

本发明采用双向主开关电路加H型整流桥吸收电路，可实现双向直流电流关断；通过预置吸收电容C电压，可有效限制半导体器件关断时由吸收回路产生的附加短路电流；通过泄能开关T3可控制泄能电阻R放电，钳位预充电电容峰值电压。本发明显著不同于其它固态断路器的特征在于通过二极管整流桥作为吸收回路电流通路，实现双向直流电流分断；通过闭环控制，钳位吸收电容上的电压，限流电抗存储的能量完全由泄能电阻吸收，能有效防止电压尖峰；系统结构简单，且不需要附加稳压装置，系统成本低，效率高。

附图说明

图1是现有的固态断路器电气拓扑结构图；

图2是本发明的固态断路器的电器拓扑结构图；

图3是本发明正常工作时的一种电流流向图；

图4是本发明正常工作时的另一种电流流向图；

图5、图6是本发明不同短路点发生短路故障时电流流向图；

图7是本发明一种预制电压时，短路后，吸收回路中的吸收电容C电压、线路电流、T3控制信号、隔离开关及半导体器件T1，T2控制信号波形示意图；

图8是本发明另一种预制电压时，短路后，吸收回路中的吸收电容C电压、线路电流、T3控制信号、隔离开关及半导体器件T1，T2控制信号信号波形示意图；

各附图标记为：SW—隔离开关，L—限流电抗， T1、T2、T3—半导体器件，D1、D2、D3、D4—二极管，C—吸收电容，R—泄能电阻，P1、P2—外部直流电源系统，Uc—吸收电容电压，IL—线路电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

为了克服现有固态断路器的不足，本发明的目的有3点：采用二极管整流桥作为吸收回路电流通路，可实现双向短路电流工况下的电压尖峰吸收，配合双向主开关可实现双向直流电流分断功能；通过开关控制耗能电阻，在系统正常运行时开关断开，降低系统损耗；通过外部预充电装置为吸收电容C提供预制电压，降低由吸收回路产生的附加短路电流。

如图2所示，本发明的混合式固态断路器，由隔离开关SW、限流电抗L、主开关电路和吸收电路及其控制系统组成；所述的隔离开关SW一端与外部直流电源系统P1连接，一端与限流电抗L连接；所述主开关电路由两个全控型半导体器件T1，T2反向串联构成，串联后的两端再分别与限流电抗L和外部直流电源系统P2连接；所述的吸收电路由二极管D1～D4、吸收电容C、泄能开关T3和泄能电阻R组成，二极管D1～D4连接成为一个H型整流桥，吸收电容C、泄能开关T3与泄能电阻R串联后并联在H型整流桥正负极之间；所述泄能开关T3为一个可控半导体器件，一端与吸收电容C连接，一端与泄能电阻R连接；所述泄能电阻R为一个小阻值大功率的电阻，通过控制泄能开关T3钳位吸收电容C上的电压；所述的控制系统包括电流检测单元、电压检测单元和信号处理单元，所述的电流检测单元通过电流传感器测量系统中流过的电流，所述的电压检测单元通过电压传感器测量吸收电容C上的电压，所述的信号处理单元根据指令控制隔离开关SW、半导体器件T1～T3的导通及关断。

本专利混合式固态断路器的工作原理为：

正常工作时，所述混合式固态断路器正常工作时的电流流向如图3所示，隔离开关SW闭合，半导体器件T1、T2导通，泄能开关T3关断，线路中电流流向为外部电源系统1→隔离开关SW→限流电抗L→半导体器件T1→半导体器件T2→外部电源系统2。

图4所示为本专利混合式固态断路器正常工作时的另一种电流流向图，线路中电流流向为外部直流电源系统P2→半导体器件T2→半导体器件T1→限流电抗L→隔离开关SW→外部直流电源系统P1。

图5所示为外部直流电源系统P2侧短路时，控制系统的电流检测单元检测到线路电流超过预设阀值，信号处理单元发出控制信号关断半导体器件T1、T2，固态断路器中半导体器件T1、T2关断后的电流流向为外部直流电源系统P1→隔离开关SW→限流电抗L→二极管D1→吸收电容C（泄能开关T3→泄能电阻R）→二极管D4→短路点。吸收电容C电压上升，控制系统电压检测单元检测到吸收电容C电压达到预设阀值，信号处理单元发出控制信号控制泄能开关T3导通和关断，对吸收电容C电压做闭环调节，使吸收电容C电压稳定在预设阀值附近，泄能电阻R在T3的控制下泄能，同时线路电流开始下降，线路中电流流向为外部直流电源系统P1→隔离开关SW→限流电抗L→二极管D1→吸收电容C（泄能开关T3→泄能电阻R）→二极管D4→短路点。

图6所示为外部直流电源系统P1侧短路时，所述固态断路器中半导体器件T1、T2关断后的电流流向图，线路中电流流向为外部电源系统2→二极管D3→吸收电容C（泄能开关T3→泄能电阻R）→二极管D2→限流电抗L→隔离开关SW→短路点。

当线路电流降到0后，关断隔离开关SW，此时，电源与短路点已经被物理隔离，电源不会再向线路提供电流，分断过程完成，但是吸收电容C上还有危险电压需要释放。此时，信号处理单元发出控制信号控制泄能开关T3导通，吸收电容C上的电压通过泄能电阻R放电到0。

图7所示为以图3、5为例说明的外部电源系统2短路，所述一种混合式固态断路器的工作过程：外部电源系统1电压为1000V，线路电流1000A，方向为由外部电源系统1流向外部电源系统2，吸收电容C的预制电压设定为1100V，0.2s时刻，外部电源系统2发生短路，线路电流IL开始上升，经过50us延时，T1、T2关断，线路电流IL开始下降，吸收电容电压Uc开始上升，当吸收电容电压Uc达到预设阀值1100V，T3开始被控制反复导通关断，泄能电阻R开始泄能，吸收电容C电压被钳位在1100V，当线路电流IL下降到0，经10ms延时，隔离开关SW断开，再经10ms延时，T3导通，吸收电容C电压下降到0。从图7中可以看出，短路后线路电流基本维持在短路前电流1000A水平，吸收电容C上的电压尖峰也被有效钳位在预设阀值1100V上，起到了保护主开关的作用。

图8所示为吸收电容C的预制电压设定为1500V的情况，可以看出，线路电流下降的时间更短，限流电抗中存储的能量快速的转移到了吸收电容C上。

从图8中可以看出，短路后线路电流基本维持在短路前电流1000A水平，吸收电容C上的电压尖峰也被有效钳位在预设阀值1500V上，起到了保护主开关的作用。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种混合式固态断路器，包括隔离开关（SW）、限流电抗（L）、主开关电路和吸收电路及其控制系统，其特征在于：

所述的隔离开关（SW）一端与外部直流电源系统P1连接，一端与限流电抗（L）连接；

所述主开关电路由两个全控型半导体器件（T1，T2）反向串联构成，串联后的两端分别与限流电抗（L）和外部直流电源系统P2连接；

所述的吸收电路由二极管（D1，D2，D3，D4）、吸收电容（C）、泄能开关（T3）和泄能电阻（R）组成，二极管（D1，D2，D3，D4）连接成为一个H型整流桥，吸收电容（C）、泄能开关（T3）与泄能电阻（R）串联后并联在H型整流桥正负极之间；所述泄能开关（T3）为一个可控半导体器件，一端与吸收电容（C）连接，一端与泄能电阻（R）连接；所述泄能电阻（R）为一个小阻值大功率的电阻，通过控制泄能开关（T3）钳位吸收电容（C）上的电压；

所述的控制系统包括电流检测单元、电压检测单元和信号处理单元，所述的电流检测单元通过电流传感器测量系统中流过的电流，所述的电压检测单元通过电压传感器测量吸收电容（C）上的电压，所述的信号处理单元根据指令控制隔离开关（SW）、半导体器件（T1，T2，T3）的导通及关断。

2.根据权利要求1所述的一种混合式固态断路器，其特征在于，所述的隔离开关（SW）为机械开关。

3.根据权利要求1所述的一种混合式固态断路器，其特征在于，所述的半导体器件（T1，T2，T3）为全控型半导体器件。

4.根据权利要求3所述的一种混合式固态断路器，其特征在于，所述的半导体器件（T1，T2）为IGBT、IGCT或IEGT。

5.根据权利要求3所述的一种混合式固态断路器，其特征在于，所述的半导体器件（T3）为全控型或半控型半导体器件。

6.根据权利要求1所述的一种混合式固态断路器，其特征在于，所述的限流电抗（L）为线路中自然存在的杂散电感或接入线路的中限流电感、或两者的结合。

7.一种如权利要求1所述混合式固态断路器的控制方法，其特征在于，合闸步骤为：控制系统发出泄能开关（T3）关断指令，由外部直流电源系统对吸收电容（C）预充电，电压传感器检测吸收电容（C）上的电压，当吸收电容（C）电压达到预设值后，控制系统发出隔离开关（SW）接通指令，控制隔离开关（SW）导通，控制系统发出半导体器件（T1，T2）导通指令，系统接通。

8.一种如权利要求1所述混合式固态断路器的控制方法，其特征在于，分闸步骤为：控制系统发出半导体器件（T1，T2）关断指令，半导体器件（T1，T2）关断，限流电抗（L）中存储能量向吸收电容（C）转移，当控制系统监测到吸收电容（C）电压达到设定阀值时，控制系统对吸收电容（C）电压进行闭环控制，驱动泄能开关（T3）反复导通关断，泄能电阻（R）泄能，将吸收电容（C）电压钳位在设定阀值，当控制系统检测到线路电流下降到设定阀值时，控制系统发出隔离开关（SW）分断指令，控制隔离开关（SW）分断，控制系统驱动泄能开关（T3）导通，吸收电容（C）通过泄能电阻（R）泄能，分断过程完毕。

9.根据权利要求8所述的一种混合式固态断路器的控制方法，其特征在于，吸收电容（C）的阀值电压必须高于电源系统电压，以保证当隔离开关（SW）分断前且泄能开关（T3）导通时，电源系统不会经泄能电阻（R）向短路点提供电流。

Images