CN111509677A - 一种全桥模块和一种直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全桥模块，包括：多个二极管、多个全控器件、避雷器、多个驱动电路；多个二极管串联成桥式结构；每个全控器件连接一个驱动电路，所述多个全控器件串联后与避雷器并联，再连接于所述桥式结构的上下桥臂中点处，采用串联的二极管，使全桥模块达到额定电压，避免被击穿，同时基于桥式串联的二极管，显著降低了串联模块数量，有利于降低设备成本与体积，通过驱动电路和避雷器的有效配合，解决了全控器件串联均压的问题。

Description

一种全桥模块和一种直流断路器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种全桥模块和一种直流断路器。
背景技术
随着基于电压源换流器(VSC)的多端柔性直流和直流电网技术的应用，高压直流断路器成为保证系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。混合采用机械开关和全控型电力电子开关的直流断路器技术兼具了机械开关的低损耗特性和电力电子开关的快速分断特性，是目前应用高压输电系统中直流分断最为有效的技术途径。高压直流断路器应用于的含有大容量的架空线柔性多端直流和直流电网时，除了具备快速和低损耗等特性外，还应具备强电流分断以及高工作可靠性。
目前提出了新型混合式直流断路器拓扑(专利号：200980162538.X)，双向开断需要器件多，且每级器件需要配置阻尼电路，整体开断能力较低。也提出了全桥子模块级联的混合式直流断路器(专利号：ZL 2013 1 0061175.9)，但该方案中子模块单元每级均需配置电容均压，大量子模块级联造成设备体积较大，同时分布参数较大导致了过电压也较高，降低了器件利用率，增加成本与占地面积。
发明内容
针对现有的大量子模块级联造成设备体积较大，同时分布参数较大导致了过电压也较高，降低了器件利用率，增加成本与占地面积的不足，本发明提供了一种全桥模块，具体包括：
多个二极管、多个全控器件、避雷器、多个驱动电路；
多个二极管串联成桥式结构；
每个全控器件连接一个驱动电路，所述多个全控器件串联后与避雷器并联，再连接于所述桥式结构的上下桥臂中点处。
优选的，所述全控器件包括IGBT、IGCT、IEGT、GTO电力电子器件。
优选的，所述二极管的数量由所述全控器件的额定电压决定。
优选的，所述全桥模块的工作方式包括：
当所述全桥模块导通时：故障电流由左向右或由右向左流通，故障电流流经串联的二极管、串联的并连接有驱动电路的全控器件，再流经串联的二极管之后流出；
当所述全桥模块关断时：故障电流由左向右或由由右向左流通，故障电流流经串联的二极管、并联的避雷器转为负载电流后，经串联的二极管之后流出。
本发明提供了一种直流断路器，包括：并联的主通流支路和转移电流支路；
所述主通流支路包括：串联的快速机械开关和多个电力电子开关；
所述转移电流支路包括多个串联的如权利要求1至4任一项所述全桥模块。
优选的，所述主通流支路电力电子开关，包括：由可控器件、二极管和电容的任意组合构成的电力电子开关器件。
优选的，所述主通流支路电力电子开关的数量由主通流支路的导通损耗以及可靠性决定；
所述转移电流支路全桥模块的数量由转移电流支路的故障电压等级、分断能力决定。
优选的，所述的直流断路器，还包括由多个避雷器构成的能量吸收支路；
所述能量吸收支路与所述转移电流支路和主通流支路并联。
优选的，所述直流断路器的工作方式，包括：
当电力系统正常运行时，主通流支路通负载电流；
当电力系统故障时，主通流支路电力电子开关关断，在故障电流为主通流支路上电容充电完成并且达到转移电流支路导通电压时，主通流支路的电力电子开关将故障电流流向转移电流支路，故障电流转移完毕后快速机械开关关断；
故障电流流到转移电流支路后流过多个串联的全桥模块，之后转移电流支路在所述快速机械开关达到安全距离时关断。
优选的，当所述直流断路器的工作方式处于电力系统正常运行时主通流支路通负载电流时，具体包括：
在电力系统正常运行时快速机械开关执行闭合命令通负载电流，使负载电流流向主通流支路的电子电子开关中可控器件及二极管使负载电流流过。
优选的，当所述直流断路器的工作方式处于故障电流流到转移电流支路后流过多个串联的全桥模块，之后转移电流支路在所述快速机械开关达到安全距离时关断时，具体包括：
转移电流支路执行全桥模块驱动电路的导通命令，控制全桥模块的全控器件通故障电流，并在所述快速机械开关达到安全距离时，控制所述全控器件执行驱动电路的关断命令，使所述转移电流支路的避雷器关断故障电流。
优选的，所述直流断路器的工作方式，还包括：
当电力系统故障时，能量吸收支路进行系统感性能量的吸收。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种全桥模块，包括：多个二极管、多个全控器件、避雷器、多个驱动电路；多个二极管串联成桥式结构；每个全控器件连接一个驱动电路，所述多个全控器件串联后与避雷器并联，再连接于所述桥式结构的上下桥臂中点处；采用串联的二极管，使全桥模块达到额定电压，避免被击穿，同时基于桥式串联的二极管，显著降低了串联模块数量，有利于降低设备成本与体积；
2、本发明提供的一种全桥模块，通过驱动电路和避雷器(MOV)的有效配合，解决了全控器件串联均压的问题；
3、本发明提供的一种直流断路器，包括：并联的主通流支路和转移电流支路；所述主通流支路包括：串联的快速机械开关和多个电力电子开关；所述转移电流支路包括多个串联的所述全桥模块；简化了试验电路，提升了电力电子器件利用率，同时提升了产品的技术经济性能；
4、本发明提供的一种直流断路器，拓扑模块电路简单，应用于直流断路器有利于实现紧凑化集成，显著降低内部杂散参数，实现了过电压抑制。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于半导体器件串联的全桥模块图；
图2为本发明实施例提供的基于半导体器件串联的全桥模块左侧导通时电流流通路径图；
图3为本发明实施例提供的基于半导体器件串联的全桥模块右侧导通时电流流通路径图；
图4为本发明提供的基于半导体器件串联的全桥模块关断时电流由左向右流通路径图；
图5为本发明提供的基于半导体器件串联的全桥模块关断时电流由右向左流通路径图；
图6为模块级联全桥直流断路器拓扑图；
图7为传统的主支路辅助换流模块拓扑示意图；
图8为基于半导体器件串联的全桥模块级联混合式直流断路器拓扑全图；
图9为基于半导体器件串联的全桥模块级联混合式直流断路器拓扑简易图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。
实施例1：
本发明提供了一种全桥模块，基于半导体器件串联的新型全桥模块由半导体器件(包含全控型电力电子器件、二极管等)及其驱动电路、电阻、电容和避雷器(MOV)组成，如图1所示，具体包括：
多个二极管串联成桥式结构；
每个全控器件连接一个驱动电路，所述多个全控器件串联后与避雷器并联，再连接于所述桥式结构的上下桥臂中点处；
先由少量二极管串联组成桥式结构，再将少量全控器件串联连接于上下桥臂中点处，其中全控器件可以是IGBT、IGCT、IEGT、GTO等电力电子器件。通过驱动电路和避雷器(MOV)的有效配合，解决了全控器件串联均压的问题。
导通时，若电流由左向右流通，电流分别经串联的二极管D11...1n模组、IGBT11...1n和IGBT21...2n并联的IGBT串联模组、以及串联的二极管D31...3n模组流通，电流路径如图2所示；若电流由右向左流通，电流分别经串联的二极管D21...2n模组、IGBT11...1n和IGBT21...2n并联的IGBT串联模组、以及串联的二极管D41...4n模组流通，电流路径如图3所示。
关断时，若电流由左向右流通，电流分别经串联的二极管D11...1n模组、避雷器(MOV)、以及串联的二极管D31...3n模组流通，电流路径如图4所示；若电流由右向左流通，电流分别经串联的二极管D21...2n模组、避雷器(MOV)、以及串联的二极管D41...4n模组流通，电流路径如图5所示。这里值得注意的是，在关断期间，通过驱动调控和避雷器(MOV)的巧妙配合，可实现串联器件的主动均压，而不需要外部无源电路被动均压。
实施例2：
本发明提供了一种直流断路器，结合图9进行介绍，具体包括：
并联的主通流支路和转移电流支路；
所述主通流支路包括：串联的快速机械开关和多个电力电子开关；
所述转移电流支路包括多个串联的全桥模块；
图6为典型混合式直流断路器拓扑，包含有3条并联支路：主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路。其中，主通流支路由快速机械开关K和少量电力电子开关组成的辅助换流模块串联构成，用以承载系统正常运行时的系统额定电流；转移电流支路由大量电力电子开关串联构成，用于开断系统短路电流；能量吸收支路由多组避雷器单元构成，用于吸收系统感性能量，实现故障电流清除。
本发明所提出的基于半导体器件串联的新型全桥模块可用于混合式直流断路器中电力电子开关设计，进而将能量吸收支路并入到转移支路中。主支路换流模块可由少量新型全桥模块串、并联构成，也可由二极管、全控型电力电子器件组成的传统全桥模块串、并联构成，如图7所示。转移支路电力电子开关由大量基于半导体器件串联的新型全桥模块串联而成，辅助换流模块包括的电力电子开关数量由主通流支路的导通损耗以及可靠性决定；转移电流支路全桥模块的数量由转移电流支路的故障电压等级、分断能力决定的。
以图8所示的采用新型全桥模块的混合式直流断路器拓扑来阐述工作原理。
系统正常运行时，负载电流只流经主通流支路，即负载电流只流过快速机械开关K和主支路辅助换流模块中的电力电子开关，图7(a)所示拓扑的串联型式作为主支路辅助换流模块，此时电力电子开关内的可控器件IGBT保持触发状态，负载电流流经下桥臂中IGBT2，再流过上桥臂的IGBT4，此时电流并不流过模块内电容支路；图7(b)所示拓扑的并联型式作为主支路辅助换流模块，此时电力电子开关内的可控器件IGBT保持触发状态，负载电流流经左侧并联的二极管、IGBT，后流经电容上方二极管，再流经与电容上方二极管并联的电阻后流出，此时电流并不流过模块内电容支路；图7(c)所示拓扑的串联型式作为主支路辅助换流模块，此时电力电子开关内的可控器件IGBT保持触发状态，负载电流流经全桥模块上桥臂中与左侧IGBT反并联的二极管，之后流经上桥臂右侧两并联IGBT，最后流出该全桥模块，此时电流并不流过模块内电容支路。故障发生后，断路器收到系统分断命令，主支路电力电子开关闭锁，转移支路电力电子开关保持触发状态。主支路电力电子开关内的IGBT关断，此时故障电流流经模块内电容支路给电容充电，待断路器两端电压达到转移支路导通电压时，故障电流从主支路向转移支路转移；
转移完成后，快速机械开关K分断，在其分断完成后，闭锁转移支路电力电子开关，实现电流在转移支路内部向并联的MOV转移，当主支路机械开关分闸转移完成后，内部触头达到安全距离可耐受1.5倍系统电压时(也可说成故障电压，因为故障电压≥1.5倍的系统电压)，向转移支路的驱动电路下发关断命令，完成故障电流分断。所述新型直流断路器关合原理与传统级联全桥直流断路器也基本相同，首先是导通转移支路，若合闸于健全线路，则触发主通流支路；若合闸于故障线路，则闭锁转移支路。图9展示了最终基于任何型式半导体组件串联形成的全桥(桥式)模块级联混合式直流断路器拓扑图。
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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种全桥模块，其特征在于，包括：多个二极管、多个全控器件、避雷器、多个驱动电路；
多个二极管串联成桥式结构；
每个全控器件连接一个驱动电路，所述多个全控器件串联后与避雷器并联，再连接于所述桥式结构的上下桥臂中点处。
2.如权利要求1所述的全桥模块，其特征在于，所述全控器件包括IGBT、IGCT、IEGT、GTO电力电子器件。
3.如权利要求1所述的全桥模块，其特征在于，所述二极管的数量由所述全控器件的额定电压决定。
4.如权利要求1所述的全桥模块，其特征在于，所述全桥模块的工作方式包括：
当所述全桥模块导通时：故障电流由左向右或由右向左流通，故障电流流经串联的二极管、串联的并连接有驱动电路的全控器件，再流经串联的二极管之后流出；
当所述全桥模块关断时：故障电流由左向右或由由右向左流通，故障电流流经串联的二极管、并联的避雷器转为负载电流后，经串联的二极管之后流出。
5.一种直流断路器，其特征在于，包括：并联的主通流支路和转移电流支路；
所述主通流支路包括：串联的快速机械开关和多个电力电子开关；
所述转移电流支路包括多个串联的如权利要求1至4任一项所述全桥模块。
6.如权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述主通流支路电力电子开关，包括：由可控器件、二极管和电容的任意组合构成的电力电子开关器件。
7.如权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述主通流支路电力电子开关的数量由主通流支路的导通损耗以及可靠性决定；
所述转移电流支路全桥模块的数量由转移电流支路的故障电压等级、分断能力决定。
8.如权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，还包括由多个避雷器构成的能量吸收支路；
所述能量吸收支路与所述转移电流支路和主通流支路并联。
9.如权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器的工作方式，包括：
当电力系统正常运行时，主通流支路通负载电流；
当电力系统故障时，主通流支路电力电子开关关断，在故障电流为主通流支路上电容充电完成并且达到转移电流支路导通电压时，主通流支路的电力电子开关将故障电流流向转移电流支路，故障电流转移完毕后快速机械开关关断；
故障电流流到转移电流支路后流过多个串联的全桥模块，之后转移电流支路在所述快速机械开关达到安全距离时关断。
10.如权利要求9所述的直流断路器，其特征在于，当所述直流断路器的工作方式处于电力系统正常运行时主通流支路通负载电流时，具体包括：
在电力系统正常运行时快速机械开关执行闭合命令通负载电流，使负载电流流向主通流支路的电子电子开关中可控器件及二极管使负载电流流过。
11.如权利要求9所述的直流断路器，其特征在于，当所述直流断路器的工作方式处于故障电流流到转移电流支路后流过多个串联的全桥模块，之后转移电流支路在所述快速机械开关达到安全距离时关断时，具体包括：
转移电流支路执行全桥模块驱动电路的导通命令，控制全桥模块的全控器件通故障电流，并在所述快速机械开关达到安全距离时，控制所述全控器件执行驱动电路的关断命令，使所述转移电流支路的避雷器关断故障电流。
12.如权利要求11所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器的工作方式，还包括：
当电力系统故障时，能量吸收支路进行系统感性能量的吸收。
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