CN112309743A - 一种双向γ源直流零电流分断固态断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，包括电源，电源的正极连接有H桥二极管a的阳极和b的阴极，电源的负级连接线路电感，二极管a的阴极连接开关晶闸管的阳极，开关晶闸管的阴极连接有变压器原边电感耦合端，变压器原边电感非耦合端连接二极管c的阳极，二极管c的阴极连接有源负载，有源负载连接线路电感，构成了Γ断路器的主电路；开关管的阴极还连接变压器副边电感的耦合端，变压器副边电感非耦合端与电容一端相连，电容的另一端接后级负载，解决了现有技术中存在的直流断路器要求功率双向流动的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器。
背景技术
与交流输电相比，直流输电在相同体积输电装置情况下能输送更大容量电能，更灵活的电能管理，较高的系统冗余和不存在无功系统可靠性更高等优势，但是，直流微电网有一些难题尚未得到很好地解决。直流系统中集成了很多敏感负载和大量变流器，直流短路故障将严重影响敏感负载的供电连续性和可靠性，且直流系统电流没有自然过零点，必须采用一定的技术手段迫使电流过零，才能实现类似交流过流关断。故障电流的上升率很高，因此直流短路故障零电流关断非常具有挑战性，其仍是直流输电和电源系统中的主要技术障碍之一。
所存在的解决方案中，机械式断路器存在分断短路故障时间过长、熄弧困难等问题，全固态断路器的故障限流与隔离又需要快速的故障检测和严格的时序判断，混合式断路器糅合了上述两种断路器，虽继承了两者优势，但技术难度复杂、成本高昂。其中，半固态Z源断路器以快速响应、自然换向、无需检测控制系统、价格便宜等优点受到了广泛关注，但Z源断路器存在共地、故障电源环流等问题，而且双向拓扑主要通过反并联晶闸管和以公共电容为起点将两个阻抗网络断路器反向串联等方法来控制电流流向实现双向，引入了过多开关器件和电感元件，增加了故障电流的延迟控制和电路成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，解决了现有技术中存在的直流断路器要求功率双向流动的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，包括电源，电源的正极连接有H桥二极管a的阳极和b的阴极，电源的负级连接线路电感，二极管a的阴极连接开关晶闸管的阳极，开关晶闸管的阴极连接有变压器原边电感耦合端，变压器原边电感非耦合端连接二极管c 的阳极，二极管c的阴极连接有源负载，有源负载连接线路电感，构成了Γ断路器的主电路；开关管的阴极还连接变压器副边电感的耦合端，变压器副边电感非耦合端与电容一端相连，电容的另一端接后级负载。
本发明的特点还在于：
二级管a、二级管b、二级管c、二级管d依次呈H桥结构摆放，二级管a阳极和二级管b阴极串联与直流电源相连，二级管b和二级管c阳极串联与变压器原边电感非耦合端连接，二级管d阳极和二级管c阴极串联与有源负载连接，二级管a和二级管d阴极串联与开关晶闸管阳极连接。
变压器原边电感的耦合端连接有缓冲吸收二极管a的阴极，缓冲吸收二极管a阳极连接有缓冲吸收电阻a，缓冲吸收电阻a连接变压器原边电感的另一端，构成了变压器原边缓冲吸收电路。变压器副边电感的耦合端连接有缓冲吸收二极管b的阳极，缓冲吸收二极管b阴极连接有缓冲吸收电阻b，缓冲吸收电阻b连接变压器副边电感的非耦合端，构成了变压器副边缓冲吸收电路。
选用开关为晶闸管，其阳极与H桥二极管a和二极管d的阴极连接，阴极与变压器原边电感、原边电感的耦合端相连。
电源为双向电源。
本发明的有益效果是：本发明的目的是提供一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，解决了现有技术中存在的直流断路器要求功率双向流动、短路关断速度快、故障无环流的问题，将晶闸管阴极串联接入Γ源阻抗网络的变压器原边接口，两路缓冲吸收电路分别接入Γ源阻抗网络的输入、输出端和中性点，发生短路时，晶闸管关断后，当电容电压为负时，缓冲二极管正向钳位，短路电流引入缓冲电路中，实现了晶闸管电流过零时自然换向快速切断短路电流功能，解决了变压器磁饱和问题和短路电流对电路器件的损坏，削弱了由原通过开关管流向电源侧的尖峰短路电流；将H桥二极管分别接入Γ源阻抗网络、双向电源及有源负载和晶闸管网络，当能量正向流动时，正常工作时，二极管D1、D4正向导通，D2、D3截止关断，短路发生时，二极管D1、D2、D3截止关断，二极管D4流过电容电流；当能量反向流动时，正常工作时，二极管D2、D3导通，D1、D4截止关断，短路发生时，二极管 D1、D2、D4截止关断，二极管D3流过电容电流，只需要四个二极管可以自主控制双向功率流和实现故障关断，减少了晶闸管的个数和电路成本，降低了传导损耗和电路控制复杂性。
附图说明
图1是本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器的电路图；
图2是本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器中的单向Γ源断路器电路图；
图3是本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器正常工作电路等效示意图；
图4是本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器短路关断过程电路电流流向示意图；
图5是本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器短路关断第一阶段等效框图；
图6是本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器短路关断第二阶段等效框图；
图7是本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器缓冲吸收电路工作状态示意图。
图中，1.电源，2.开关晶闸管，3.线路电感，4.变压器副边电感，5.变压器原边电感，6.有源负载，7.电容，8.二极管a，9.二极管b，10.二极管c，11.二极管d，12.缓冲吸收二极管a，13.缓冲吸收电阻a，14.缓冲吸收二极管b，15.缓冲吸收电阻b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，如图1和2所示，包括电源1，电源1的正极连接有H桥二极管a8的阳极和a9的阴极，电源1 的负级连接线路电感3，二极管a8的阴极连接开关晶闸管2的阳极，开关晶闸管2的阴极连接有变压器原边电感5耦合端，变压器原边电感5非耦合端连接二极管c10的阳极，二极管c10的阴极连接有源负载6，有源负载6连接线路电感3，构成了Γ断路器的主电路；开关管2的阴极还连接变压器副边电感4的耦合端，变压器副边电感4非耦合端与电容7一端相连，电容7 的另一端接后级负载6。二极管c10连接有二级管d11，二级管a8、二级管 b9、二级管c10、二级管d11依次呈H桥结构摆放，二级管a8阳极和二级管b9阴极串联与直流电源1相连，二级管b9和二级管c10阳极串联与变压器原边电感5非耦合端连接，二级管d11阳极和二级管c10阴极串联与有源负载6连接，二级管a8和二级管d11阴极串联与开关晶闸管2阳极连接。变压器原边电感5的耦合端连接有缓冲吸收二极管a12的阴极，缓冲吸收二极管a12阳极连接有缓冲吸收电阻a13，缓冲吸收电阻a13连接变压器原边电感5的另一端，构成了变压器原边缓冲吸收电路。变压器副边电感4的耦合端连接有缓冲吸收二极管b14的阳极，缓冲吸收二极管b14阴极连接有缓冲吸收电阻b15，缓冲吸收电阻b15连接变压器副边电感4的非耦合端，构成了变压器副边缓冲吸收电路。电源1为双向电源，选用开关为晶闸管2，其阳极与H桥二极管D1和D3的阴极连接，阴极与变压器原边电感5、原边电感4的耦合端相连。
本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器中，电源1与开关晶闸管2之间设置有二极管a8，二极管a8的一端连接电源1，二极管a8的另一端连接开关晶闸管2，二极管a8连接有二极管b9，二极管b9连接变压器原边电感5，变压器原边电感5连接二极管b9的一端还连接有二极管c10，二极管c10连接源负载6，述二极管c10连接源负载6的一端还连接有二极管 d11，二极管d11连接变压器原边电感5。构成了H桥二极管电路；压器原边电感5的一端连接有缓冲吸收二极管a12，缓冲吸收二极管a12连接有缓冲吸收电阻a13，缓冲吸收电阻a13连接变压器原边电感5的另一端。变压器副边电感4的一端连接有缓冲吸收二极管b14，缓冲吸收二极管b14连接有缓冲吸收电阻b15，缓冲吸收电阻b15连接变压器副边电感4的另一端。构成了缓冲电路。
本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器中，变压器原边电感耦合端与晶闸管控制开关相连，变压器副边电感非耦合端与H桥二极管电路相连，电容的负极与双向电源的电感LS相连，构建成了Γ源断路器；
H桥二极管电路的四个二极管D1-D4的阳极分别将双向电源及有源负载的直流电源输出端、原边电感非耦合端、双向电源及有源负载的有源负载输入端、原边电感非耦合端相连，构成能量双向流动H桥二极管电路。
将开关晶闸管SCR的负极接入变压器原边电感(L1)耦合电感端，开关晶闸管正级接入H桥二极管aD1的阴极，依靠Γ源直通状态为的晶闸管提供过零关断路径；将缓冲二极管aDdamp1阳极串联缓冲吸收电阻aRdamp1与变压器原边电感L1非耦合端相连，缓冲二极管aDdamp1的阴极与中性点相连，缓冲二极管bDdamp2阳极与变压器副边电感L2耦合端相连，缓冲二极管bDdamp2阴极串联缓冲电阻bRdamp2与电容C相连，提供能量续流路径。
H桥电路中二极管D1(D3)与晶闸管的正级连接，二极管D1(D2)阴极串联与直流电源相连，二极管D2和D4阳极串联与变压器原边电感(L1) 非耦合端连接，二极管D3阳极和二极管D4阴极串联与有源负载连接。
本发明一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，通过非直通状态实现正常供电过程，直通状态实现短路切断功能，电路主要分为开通过程和短路关断两种方式。
开通过程通过触发SCR对阻抗源电容和负载进行供电，使得电流经晶闸管SCR，变压器原边电感L1，流向后级负载，实现供电功能，电容充电至电源电压VS，等效电路如图3所示。
当发生短路时，由于变压器原边电感的耦合作用，晶闸管侧电流仍为正常的负载电流，故障电流从电容经右侧支路流向短路点，由于变压器是反激变压器，当变压器副边电感电流上升时，原副边的耦合作用使其在变压器原边电感侧产生于与正常电流相反的反向电流，流向晶闸管侧的电流呈现下降趋势，当反向电流大小等于正常负载电流时，使其在晶闸管侧产生零交叉点，SCR换流使得直流回路过零，将电源与负载快速分断。本文设定变压器耦合系数为K，则变压器互感值M为:
其中，LW1,LW2分别为变压器原、副边绕组W1和W2的电感值。
工作模式一:
当功率流从左侧电网流向右侧负载，电路处于功率正向流动阶段，在非直通状态下，开通过程通过触发SCR对阻抗源电容和负载进行供电，电源经二极管D1、变压器原边电感L1、D4流向后级负载，电容充电至电源电压VS。二极管D1、D4导通，D2、D3反向截止,SCR、L1电感器承载负载电流，其负载电流和电容电压为:
其中，电容充电时间为τc＝RcC。
当系统发生短路时(直通状态)，当发生负载侧短路时，电容C经变压器副边电感L2、变压器原边电感L1、D4流向短路点，如图4所示，电路主要经历三个阶段。
(1)第一阶段
当流经变压器的反激的电流ire等于正常的负荷电流iload时，晶闸管侧电流为0，出现零交叉点，因此，变压器原边电流不仅流过正常负载电流，也流过电容C两端的电流，同时，还出现反激变压器的反抗电流ire，即为：
电容放电等效电路如图5所示，从电容端看进去的等效阻抗为：
依据电路的分流原则，反射到原边的电流大小为ire，因此，流经电源侧晶闸管的电流为正常的负荷电流与反射电流的差值，为：
(2)第二阶段
当晶闸管SCR关断后，变压器原、副边之间的耦合作用消失，如图6 所示。电容C经变压器副边电感L2流向短路点，ic电流上升幅度变缓，斜率变小，该电流的大小为：
(3)第三阶段：缓冲吸收电路
当电容C完全放电，电容电流ic达到峰值，两端电压UC＝0，缓冲电路二极管正向钳位，RD缓冲吸收电路开始工作。
其缓冲电路工作方式为：
如图7所示，变压器原边电感L1非耦合端流入，经缓冲电阻Rdamp1和缓冲二极管Ddamp1阴极流出，变压器副边电感L2耦合端流入，经缓冲二极管 Ddamp2阳极流入，汇入变压器副边电感L2的非耦合端。
短路电流if开始流入缓冲吸收电路中，短路点电流为0，变压器电流等于缓冲电路的电流，随着缓冲吸收的工作，短路电流在环路电路以指数的形式降为0。
工作模式二：
当功率从下级流向上级时，即右侧为直流电网，左侧为有源负载，正常供电时，二极管D2、D3导通，D1、D4反向截至关断；当发生短路时，电容电流流经二极管D2，二极管D3因晶闸管零交叉点而电流为0，二极管D1、D4反向截至关断，其与工作模态一工作状态相同。有一不同之处在于，由二极管D3和D2来控制电流传播的方向。
因此，该电路通过加入晶闸管串联阻抗网络变压器阴极的方法，依靠变压器的直通状态来实现短路时晶闸管过零关断，加入缓冲电路与Γ源阻抗网络的连接，提供能量续流路径，使得故障无环流、关断冲击小，解决了变压器磁饱和及短路能量泄放问题，实现故障安全分离；通过灵巧地利用H桥对称结构与Γ源网络和电源及负载侧的连接方式，实现双向断路器供电及短路关断功能，既优化完善了断路器拓扑功能，又实现了能量的双向流动，减少了电路器件多和成本高等问题。
本发明的目的是提供一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，解决了现有技术中存在的直流断路器要求功率双向流动、短路关断速度快、故障无环流的问题，将晶闸管阴极串联接入Γ源阻抗网络的变压器原边接口，两路缓冲吸收电路分别接入Γ源阻抗网络的输入、输出端和中性点，发生短路时，晶闸管关断后，当电容电压为负时，缓冲二极管正向钳位，短路电流引入缓冲电路中，实现了晶闸管电流过零时自然换向快速切断短路电流功能，解决了变压器磁饱和问题和短路电流对电路器件的损坏，削弱了由原通过开关管流向电源侧的尖峰短路电流；将H桥二极管分别接入Γ源阻抗网络、双向电源及有源负载和晶闸管网络，当能量正向流动时，正常工作时，二极管D1、 D4正向导通，D2、D3截止关断，短路发生时，二极管D1、D2、D3截止关断，二极管D4流过电容电流；当能量反向流动时，正常工作时，二极管D2、D3导通，D1、D4截止关断，短路发生时，二极管D1、D2、D4截止关断，二极管D3流过电容电流，只需要四个二极管可以自主控制双向功率流和实现故障关断，减少了晶闸管的个数和电路成本，降低了传导损耗和电路控制复杂性。
Claims (5)
1.一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，其特征在于，包括电源(1)，所述电源(1)的正极连接有H桥二极管a(8)的阳极和a(9)的阴极，所述电源(1)的负级连接线路电感(3)，所述二极管a(8)的阴极连接开关晶闸管(2)的阳极，所述开关晶闸管(2)的阴极连接有变压器原边电感(5)耦合端，所述变压器原边电感(5)非耦合端连接二极管c(10)的阳极，所述二极管c(10)的阴极连接有源负载(6)，所述有源负载(6)连接线路电感(3)，构成了Γ断路器的主电路；所述开关管(2)的阴极还连接变压器副边电感(4)的耦合端，所述变压器副边电感(4)非耦合端与电容(7)一端相连，所述电容(7)的另一端接后级负载(6)。
2.如权利要求1所述的一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，其特征在于，所述二级管a(8)、二级管b(9)、二级管c(10)、二级管d(11)依次呈H桥结构摆放，二级管a(8)阳极和二级管b(9)阴极串联与直流电源(1)相连，二级管b(9)和二级管c(10)阳极串联与变压器原边电感(5)非耦合端连接，二级管d(11)阳极和二级管c(10)阴极串联与有源负载(6)连接，二级管a(8)和二级管d(11)阴极串联与开关晶闸管(2)阳极连接。
3.如权利要求1所述的一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器的缓冲吸收电路，其特征在于，所述变压器原边电感(5)的耦合端连接有缓冲吸收二极管a(12)的阴极，所述缓冲吸收二极管a(12)阳极连接有缓冲吸收电阻a(13)，所述缓冲吸收电阻a(13)连接变压器原边电感(5)的另一端，构成了变压器原边缓冲吸收电路。所述变压器副边电感(4)的耦合端连接有缓冲吸收二极管b(14)的阳极，所述缓冲吸收二极管b(14)阴极连接有缓冲吸收电阻b(15)，所述缓冲吸收电阻b(15)连接变压器副边电感(4)的非耦合端，构成了变压器副边缓冲吸收电路。
4.如权利要求1所述的一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，其特征在于，选用开关为晶闸管(2)，其阳极与H桥二级管a(8)和二级管d(11)的阴极连接，阴极与变压器原边电感(5)、原边电感(4)的耦合端相连。
5.如权利要求1所述的一种双向Γ源直流零电流分断固态断路器，其特征在于，所述电源为双向电源。
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2020
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