CN111245087A - 一种混合式直流快切装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合式直流快切装置及其控制方法，包括主电源、备用电源、第一主开关、第二主开关，主电源通过第一主开关向负载供电，备用电源通过第二主开关向负载供电；第一主开关所在支路串联第一电流传感器，第二主开关所在支路串联第二电流传感器，第一电流传感器、第二电流传感器用于测量所在支路电流；第一主开关和第二主开关两端并联一个分断支路，分断支路用于分断额定电流及短路电流，包括隔离器件和固态开关。本发明实现了正常工况下备用电源与工作电源间的双向快速切换，及事故或非正常工况下工作电源向备用电源的单向快速切换，保证了负载的供电可靠性和连续性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统配电网技术，具体涉及一种混合式直流快切装置及其控制方法。
背景技术
直流配电网近年来得到了快速发展，主要因为光伏、风电等新能源具有波动性，适合通过直流并网；数据中心、电动汽车充电桩等负荷也是直流负荷，适合接入直流配电网，因此，发展低压直流配电网具有很好的工程实际意义。但是，直流配电网一旦形成，如何构建适用的直流配电网控制保护方案，快速切换电源，快速恢复供电，提高直流电网可靠性，就变得至关重要。快切装置用于正常工况下备用电源与工作电源间的双向切换，及事故或非正常工况下工作电源向备用电源的单向切换。使用时，两路工作电源同时运行且均带有各自负荷，其中一条电源跳闸，快切装置将其负荷快速切换至另外一路电源，由另一路电源向两路负荷供电。但是，目前的低压直流开关采用的框架断路器、塑壳断路器的开断时间在20ms至50ms，不能满足直流电源快速切换的需要。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种供电可靠性强、能够实现在备用电源与主电源之间进行双向快速切换的混合式直流快切装置；本发明的第二目的在于提供一种能够实现主电源和备用电源的双向快速切换的混合式直流快切装置的控制方法。
技术方案：本发明的混合式直流快切装置包括主电源S1、备用电源S2、第一主开关K1、第二主开关K2，主电源S1通过第一主开关K1向负载供电，备用电源S2通过第二主开关K2向负载供电；第一主开关K1所在支路串联第一电流传感器A1，第二主开关K2所在支路串联第二电流传感器A2，第一电流传感器A1、第二电流传感器A2用于测量所在支路电流；第一主开关K1和第二主开关K2两端并联一个分断支路，分断支路用于分断额定电流及短路电流，包括隔离器件和固态开关K5。
所述隔离器件为下述中的一种：采用永磁机构的双断口接触器；采用电磁机构驱动的双断口接触器；具有单向隔离功能的功率二极管；能够实现电源的快速切换。
所述双断口接触器包含两个辅助开关，其中，第一辅助开关K3一端连接于第一主开关K1所在支路的进线处，另一端连接固态开关K5；第二辅助开关K4一端连接于第二主开关K2所在支路的进线处，另一端连接固态开关K5，第一辅助开关K3、第二辅助开关K4分别控制分断支路的接通和断开。
所述功率二极管数量为四个，第一功率二极管D1的输入端连接第一主开关K1所在支路的输入端，输出端连接固态开关K5；第二功率二极管D2的输入端连接固态开关K5，输出端连接第一主开关K1所在支路的输出端；第三功率二极管D3的输入端连接第二主开关K2所在支路的输入端，输出端连接固态开关K5；第四功率二极管D4的输入端连接固态开关K5，输出端连接二主开关K2所在支路的输出端，采用具有单向隔离功能的功率二极管能够进一步缩短电源切换的时间，且无需手动操作。
所述第一主开关K1和第二主开关K2为采用斥力机构驱动的机械开关。
所述第一主开关K1和第二主开关K2的灭弧介质为真空灭弧室或气体灭弧室。
所述固态开关K5为电力电子式固态开关。
所述固态开关K5采用下述中的一种：IGBT；IEGT；IGCT；GTO。
本发明所述的混合式直流快切装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)切换电源时，第一主开关K1打开，开始燃弧，固态开关K5触发导通，在电弧电压的作用下，电流向固态开关K5所在的分断支路转移；
(2)第一电流传感器A1检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，控制系统向第二主开关K2发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(3)当第二主开关K2完成合闸动作，固态开关K5完成分断动作时，电源快速切换动作完成；
(4)与第二主开关K2连接的隔离器件闭合，与第一主开关K1连接的隔离器件断开，电源切换装置动作完成；
(5)当需要将备用电源S2切换至主电源S1时，第二主开关K2打开燃弧，固态开关K5触发导通，在电弧电压的作用下，电流向固态开关K5所在的分断支路转移；
(6)第二电流传感器A2检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，控制系统向第一主开关K1发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(7)当第一主开关K1完成合闸动作，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换完成；
(8)与第一主开关K1连接的隔离器件闭合，与第二主开关K2连接的隔离器件断开，电源切换装置动作完成。
本发明所述的混合式直流快切装置的控制方法，当采用功率二极管作为隔离器件时，控制方法包括以下步骤：
(a)在正常运行时，第一主开关K1闭合，第二主开关K2打开，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2自动导通，主电源S1通过第一主开关K1向负载供电；
(b)当电源需要由主电源S1切换至备用电源S2时，第一主开关K1打开，开始燃弧，固态开关K5触发导通，电流在电弧电压的作用下向固态开关K5转移；
(c)第一电流传感器A1检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，控制系统向第二主开关K2发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(d)当第二主开关K2完成合闸动作，第二主开关K2所在支路产生电流，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换动作完成，此时，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2自动断开，第三功率二极管D3、第四功率二极管D4自动导通；
(e)当需要将备用电源S2切换至主电源S1时，第二主开关K2打开燃弧，触发固态开关K5导通，电流在电弧电压的作用下向固态开关K5转移；
(f)第二电流传感器A2检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，向第一主开关K1发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(g)当第一主开关K1完成合闸动作，第一主开关K1所在支路产生电流，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换动作完成，此时，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2自动导通，第三功率二极管D3、第四功率二极管D4自动断开。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)实现了直流电源之间的毫秒级快速切换；(2)在发生短路故障的情况下，能够实现备用电源的快速切换，保证重要负荷的供电可靠性和连续性；(3)实现了在正常工况下备用电源与工作电源的双向快速切换，以及事故或非正常工况下工作电源向备用电源的单向快速切换；(4)采用永磁接触器或电磁接触器作为隔离器件时，在8ms左右便可完成电源的快速切换；(5)采用功率二极管作为隔离器件时，在6ms左右便可完成电源的快速切换，电源切换时间进一步缩短。
附图说明
图1为本发明所述混合式直流快切装置中实施例1的拓补图；
图2为本发明所述混合式直流快切装置中实施例2的拓补图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步详细介绍。
如图1所示，本发明包括主电源S1、备用电源S2、第一主开关K1、第二主开关K2，主电源S1通过第一主开关K1向负载供电，备用电源S2通过第二主开关K2向负载供电；第一主开关K1所在支路串联第一电流传感器A1，第二主开关K2所在支路串联第二电流传感器A2，第一电流传感器A1、第二主开关K2所在支路电流是否过零，给控制器提供动作参考依据，电流传感器可以替换成分流器或霍尔电流传感器；第一主开关K1和第二主开关K2两端并联一个分断支路，分断支路用于分断额定电流及短路电流，包括隔离器件和固态开关K5。第一主开关K1和第二主开关K2为采用斥力机构驱动的机械开关，灭弧介质为真空灭弧室或气体灭弧室，其中气体灭弧室为N2、H2等气体或其混合。固态开关K5为电力电子式固态开关，固态开关K5采用IGBT、IEGT、IGCT或GTO中的一种。
实施例1：
如图1所示，本实施例的隔离器件采用永磁机构或电磁机构驱动的双断口接触器，双断口接触器包括两个辅助开关，第一辅助开关K3一端连接于第一主开关K1所在支路的进线处，另一端连接固态开关K5；第二辅助开关K4一端连接于第二主开关K2所在支路的进线处，另一端连接固态开关K5，第一辅助开关K3、第二辅助开关K4分别控制分断支路的接通和断开。
本发明还包括一种混合式直流快切装置的控制方法，当采用辅助开关作为隔离器件时，控制方法包括以下步骤：
(1)在正常运行时，第一主开关K1、第一辅助开关K3闭合，第二主开关K2、第二辅助开关K4打开，电源S1通过K1向负载供电；
(2)切换电源时，第一主开关K1打开，开始燃弧，固态开关K5触发导通，在电弧电压的作用下，电流向固态开关K5所在的分断支路转移；
(3)第一电流传感器A1检测其所在支路的电流，待电流降至0V1ms后，控制系统向第二主开关K2发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(4)当第二主开关K2完成合闸动作，固态开关K5完成分断动作时，电源快速切换动作完成；
(5)第二辅助开关K4闭合，第一辅助开关K3断开，电源切换装置动作完成；
(6)当需要将备用电源S2切换至主电源S1时，第二主开关K2打开燃弧，固态开关K5触发导通，在电弧电压的作用下，电流向固态开关K5所在的分断支路转移；
(7)第二电流传感器A2检测其所在支路的电流，待电流降至0V1ms后，控制系统向第一主开关K1发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(8)当第一主开关K1完成合闸动作，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换完成；
(9)第一辅助开K3闭合，第二辅助开关K4断开，电源切换装置动作完成。
综上，该拓扑可以实现电源S1和S2的切换工作。第一主开关K1、第二主开关K2打开并将其电流完全转移至K5大约需要2ms，第一主开关K1、第二主开关K2合闸时间大约需要5ms，加上检测和等待第一主开关K1、第二主开关K2所在支路电流为零的时间1ms，因此，该快切装置可在8ms左右完成电源的快速切换。
实施例2：
如图2所示，当采用具有单向隔离功能的功率二极管作为隔离器件时，功率二极管数量为四个，第一功率二极管D1的输入端连接第一主开关K1所在支路的输入端，输出端连接固态开关K5；第二功率二极管D2的输入端连接固态开关K5，输出端连接第一主开关K1所在支路的输出端；第三功率二极管D3的输入端连接第二主开关K2所在支路的输入端，输出端连接固态开关K5；第四功率二极管D4的输入端连接固态开关K5，输出端连接二主开关K2所在支路的输出端。
本发明还包括另一种混合式直流快切装置的控制方法，当采用功率二极管作为隔离器件时，控制方法包括以下步骤：
(a)在正常运行时，第一主开关K1闭合，第二主开关K2打开，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2自动导通，主电源S1通过第一主开关K1向负载供电；
(b)当电源需要由主电源S1切换至备用电源S2时，第一主开关K1打开，开始燃弧，固态开关K5触发导通，电流在电弧电压的作用下向固态开关K5转移；
(c)第一电流传感器A1检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，控制系统向第二主开关K2发出合闸指令，经过一定的延迟，大约为3ms左右，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(d)当第二主开关K2完成合闸动作，第二主开关K2所在支路产生电流，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换动作完成，此时，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2自动断开，第三功率二极管D3、第四功率二极管D4自动导通；
(e)当需要将备用电源S2切换至主电源S1时，第二主开关K2打开燃弧，触发固态开关K5导通，电流在电弧电压的作用下向固态开关K5转移；
(f)第二电流传感器A2检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，向第一主开关K1发出合闸指令，经过一定的延迟之后，延迟时间大约为3ms，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(g)当第一主开关K1完成合闸动作，第一主开关K1所在支路产生电流，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换动作完成，此时，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2自动导通，第三功率二极管D3、第四功率二极管D4自动断开。
综上，该拓扑可以实现双路电源S1和S2对路负载切换工作。第一主开关K1、第二主开关K2打开并将其电流完全转移至固态开关K5大约需要2ms，第一主开关K1、第二主开关K2合闸时间大约需要3ms，加上检测和等待K1、K2所在支路电流为零的时间1ms，因此，该快切装置可在6ms左右完成电源的快速切换，该方案在原来的基础上，将隔离器件换成具有单向隔离功能的功率二极管，进一步缩短了电源切换的时间，并且辅助开关需要手动操作，而功率二极管是单向自动导通的，无需人工操作，更加自动化。
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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种混合式直流快切装置，其特征在于：包括主电源S1、备用电源S2、第一主开关K1、第二主开关K2；
主电源S1通过第一主开关K1向负载供电；
备用电源S2通过第二主开关K2向负载供电；
第一主开关K1所在支路串联第一电流传感器A1，第二主开关K2所在支路串联第二电流传感器A2，其中，第一电流传感器A1、第二电流传感器A2用于测量所在支路电流；
第一主开关K1和第二主开关K2两端并联一个分断支路，其中所述分断支路用于分断额定电流及短路电流，包括隔离器件和固态开关K5。
2.根据权利要求1所述的混合式直流快切装置，其特征在于：所述隔离器件为下述中的一种：
采用永磁机构的双断口接触器；
采用电磁机构驱动的双断口接触器；
具有单向隔离功能的功率二极管。
3.根据权利要求2所述的混合式直流快切装置，其特征在于：所述双断口接触器包含两个辅助开关，其中：
第一辅助开关K3一端连接于第一主开关K1所在支路的进线处，另一端连接固态开关K5；
第二辅助开关K4一端连接于第二主开关K2所在支路的进线处，另一端连接固态开关K5，第一辅助开关K3、第二辅助开关K4分别控制分断支路的接通和断开。
4.根据权利要求2所述的混合式直流快切装置，其特征在于：所述功率二极管的数量为四个，其中：
第一功率二极管D1的输入端连接第一主开关K1所在支路的输入端，输出端连接固态开关K5；
第二功率二极管D2的输入端连接固态开关K5，输出端连接第一主开关K1所在支路的输出端；
第三功率二极管D3的输入端连接第二主开关K2所在支路的输入端，输出端连接固态开关K5；
第四功率二极管D4的输入端连接固态开关K5，输出端连接二主开关K2所在支路的输出端。
5.根据权利要求1所述的混合式直流快切装置，其特征在于：所述第一主开关K1和第二主开关K2为采用斥力机构驱动的机械开关。
6.根据权利要求1所述的混合式直流快切装置，其特征在于：所述第一主开关K1和第二主开关K2的灭弧介质为真空灭弧室或气体灭弧室。
7.根据权利要求1所述的混合式直流快切装置，其特征在于：所述固态开关K5为电力电子式固态开关。
8.根据权利要求6所述的混合式直流快切装置，其特征在于：所述固态开关K5采用下述中的一种：
IGBT；
IEGT；
IGCT；
GTO。
9.一种根据权利要求1所述混合式直流快切装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)切换电源时，第一主开关K1打开，开始燃弧，固态开关K5触发导通，在电弧电压的作用下，电流向固态开关K5所在的分断支路转移；
(2)第一电流传感器A1检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，控制系统向第二主开关K2发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(3)当第二主开关K2完成合闸动作，固态开关K5完成分断动作时，电源快速切换动作完成；
(4)与第二主开关K2连接的隔离器件闭合，与第一主开关K1连接的隔离器件断开，电源切换装置动作完成；
(5)当需要将备用电源S2切换至主电源S1时，第二主开关K2打开燃弧，固态开关K5触发导通，在电弧电压的作用下，电流向固态开关K5所在的分断支路转移；
(6)第二电流传感器A2检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，控制系统向第一主开关K1发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(7)当第一主开关K1完成合闸动作，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换完成；
(8)与第一主开关K1连接的隔离器件闭合，与第二主开关K2连接的隔离器件断开，电源切换装置动作完成。
10.一种根据权利要求4所述混合式直流快切装置的控制方法，其特征在于，当采用功率二极管作为隔离器件时，控制方法包括以下步骤：
(a)当电源需要由主电源S1切换至备用电源S2时，第一主开关K1打开，开始燃弧，固态开关K5触发导通，电流在电弧电压的作用下向固态开关K5转移；
(b)第一电流传感器A1检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，控制系统向第二主开关K2发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(c)当第二主开关K2完成合闸动作，第二主开关K2所在支路产生电流，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换动作完成，此时，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2自动断开，第三功率二极管D3、第四功率二极管D4自动导通；
(d)当需要将备用电源S2切换至主电源S1时，第二主开关K2打开燃弧，触发固态开关K5导通，电流在电弧电压的作用下向固态开关K5转移；
(e)第二电流传感器A2检测其所在支路的电流，待电流降至0V后，向第一主开关K1发出合闸指令，经过一定的延迟之后，控制系统向固态开关K5发出分断指令；
(f)当第一主开关K1完成合闸动作，第一主开关K1所在支路产生电流，固态开关K5完成分断动作，电源快速切换动作完成，此时，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2自动导通，第三功率二极管D3、第四功率二极管D4自动断开。
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| CN (1) | CN111245087A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112332523A (zh) * | 2020-10-13 | 2021-02-05 | 广东电网有限责任公司 | 适用于直流电源可切换的直流断路器及其应用方法 |
| WO2024002144A1 (zh) * | 2022-06-30 | 2024-01-04 | 施耐德电器工业公司 | 混合式快速转换开关及利用其在电源间快速切换的方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN204706946U (zh) * | 2015-06-12 | 2015-10-14 | 江西科技学院 | 一种双电源自动转换开关 |
| CN107769370A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-06 | 清华大学 | 一种基于二极管混联桥的固态式开关 |
-
2020
- 2020-01-19 CN CN202010059848.7A patent/CN111245087A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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| PB01 | Publication | ||
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