CN112838562A - 一种基于新型拓扑结构的双向z源固态直流断路器 - Google Patents

一种基于新型拓扑结构的双向z源固态直流断路器 Download PDF

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费玉清
赵峰晨
张博文
李尧
宋剑
李心毅
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    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications

Abstract

本发明公开了一种基于Z源结构的固态直流断路器，用于解决单向断路器只能实现能量单向流动以及双向断路器电路结构负载，负载和电源不共地，反馈大电流等问题。技术方案是通过使用四个二极管，一个晶闸管，一个电容，一个一二次侧比为2:1的变压器构成电路拓扑能量的前向和后向流动通道。故障发生时，变压器一次侧反向感应电流增大使晶闸管电流逐渐下降到0而关断；然后电路进入谐振状态使电容持续充电，变压器二次侧电压先上升后下降到0并保持；随后变压器绕组中储存的能量在续流回路中被消耗殆尽，绕组电流下降为0，故障被完全隔离。本发明解决了能量、功率不能双向流动且电源负载不共地的问题，实用性强。

Description

一种基于新型拓扑结构的双向Z源固态直流断路器
技术领域：
本发明属于直流断路器技术领域，尤其涉及一种新型双向Z源直流固态断路器的电路结构。
背景技术：
目前直流断路器主要分为三类，即利用传统机械开关开断的纯机械式直流断路器、利用电力电子器件(SCR、IGBT)开断的全固态断路器以及将两种形式相结合的混合式断路器。但是机械式断路器存在关断时间长、易产生电弧等缺点，普通固态断路器存在电路复杂，可靠性低，难控制且成本高昂等缺点。
Beheshtaein S等人在文献“Beheshtaein S,Cuzner R M,Forouzesh M,et al.DCmicrogrid protection:A comprehensive review[J].IEEE Journal of Emerging andSelected Topics in Power Electronics,2019”提出直流微网系统仍然存在一些如故障的检测和隔离以及短路时很大的故障电流等问题，直流断路器伴随着直流微网系统故障隔离的需求而发展，而固态直流断路器以其优秀的分断时间和更低的体积和重量获得更广泛的关注，现已成为保障直流输配送系统以及直流电网系统稳定安全可靠的关键设备之一。
Maqsood A等人在文献“Maqsood A,Corzine K.Z-source Dc circuit breakerswith coupled inductors[C]//2015IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE).IEEE,2015:1905-1909.”提出了Z源固态直流断路器，这种断路器具有结构简单、体积重量小、不需要复杂的检测和控制电路、更高的可靠性和更迅速的反应等优势。MaqsoodA等人和Corzine K A等人在文献“Maqsood A,Corzine K.Z-source Dc circuit breakerswith coupled inductors[C]//2015IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE).IEEE,2015:1905-1909.”,“Corzine K A,Ashton R W.A new Z-source DCcircuit breaker[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,27(6):2796-2804.”中提出了Z源固态直流断路器主要包含三种类型：交错型、并联型和串联型。然而Z源断路器仍存在一些问题，如交错型固态直流断路器存在电源与负载不共地的问题，并联型和串联型均存在较大的流经晶闸管的反向电流。不仅如此，上述Z源固态直流断路器存在的最大问题是不能实现功率和能量的双向流动。因此，在这种背景下，双向Z源固态直流断路器被设计出来，以满足双向功率流动的需求。但是这又带来了一些如复杂的结构、大量的元器件、电源与负载不共地等问题。这些严重制约了直流微电网的发展。
发明内容：
为了克服目前现有的单向断路器只能实现能量单向流动以及双向断路器电路结构负载，负载和电源不共地，反馈大电流等缺点，本发明提供了一种新型的双向直流固态断路器的电路拓扑结构，可以有效的克服以上的缺点。
本发明为解决以上技术问题所采取的技术方案是：所述的具有双向能量流动功能的直流固态断路器由双线圈变压器模块，第一二极管，第二二极管，第三二极管，第四二极管，晶闸管以及电容组成。变压器模块的第一引出端子与第一二极管的负极连接；变压器模块的第二引出端子与第三二极管的正极连接；变压器模块的两个线圈位于晶闸管两端：一次侧线圈连接晶闸管的阳极，二次侧线圈连接晶闸管的阴极；第一二极管的正极与第三二极管的负极连接，其连接点作为所述直流断路器拓扑的第一引出端子；第二二极管的正极与第四二极管的负极连接，其连接点作为所述直流断路器拓扑的第二引出端子；电容阳极与第二二极管的负极连接，电容负极与晶闸管阴极连接；第一二极管负极与第二二极管负极相交并与第一线圈连接；第三二极管正极与第四二极管正极相交并与第二线圈连接。
所述的变压器模块由变压器的两个线圈以及两个线圈各自的能量吸收回路组成，吸收回路由二极管和电阻构成。吸收回路的二极管和电阻串联然后并联于变压器线圈的两端。变压器模块第一引出端吸收回路的二极管的正极与晶闸管的正极连接，二极管负极串联电阻后和第一二极管的负极相连；变压器第二引出端吸收回路的二极管的正极和第三二极管的正极连接，二极管负极串联电阻后和晶闸管阴极相连。
所述的双向直流固态断路器可以实现双向的能量流动。第一二极管，变压器模块的一次侧线圈，晶闸管，变压器模块的二次侧线圈，第四二极管构成所述电路拓扑的能量的前向流动通道；第二二极管，变压器模块的一次侧线圈，晶闸管，变压器模块的二次侧线圈，第三二极管构成所述电路拓扑的能量的后向流动通道。
为使所示固态断路器拥有更好的性能，选择合适的变压器参数。获得变压器的电感值为：
Figure BDA0002889976240000031
其中Nc为线圈匝数，Ac为磁芯的有效截面积，lg为气隙长度，MPL为磁路长度，然后μm为磁芯的导磁率。
采用结合了PC40铁磁芯的EE16变压器来进行制造。一次侧绕组、二次侧绕组线圈电感值和匝数之间的关系为：
L＝1140×10-9NC 2
因此设计一次侧绕组的线圈匝数为20.94，二次侧绕组的匝数为10.47。
所述的双向直流固态断路器地工作过程可分为四个步骤：稳态工作步骤、故障瞬间工作步骤、谐振工作步骤和续流工作步骤。
步骤一，当断路器处于正常工作状态时，电流经第一二极管、变压器一次侧绕组、晶闸管、变压器二次侧绕和第四二极管流向负载。变压器的绕组中不会出现感应电流，绕组线圈的阻抗很低，断路器能量消耗非常小。
步骤二，当故障发生时，电流在极短时间内发生较大的变化，电容开始充电，短路电流流过第一二极管，电容，二次侧绕组，第四二极管。此时在变压器的一次侧绕组处产生的反向感应电流开始增大，开始抵消流过位于变压器两个绕组之间的晶闸管的电流，晶闸管电流逐渐下降为0完成关断。
步骤三，晶闸管关断后电路进入有源LC谐振工作状态。此时电容持续进行充电，电压逐步升高，而变压器二次侧绕组线圈的电压则是先升高后下降直至为0。
步骤四，当线圈两端电压下降为0时，续流回路的钳制作用使线圈两端的电压始终保持为0，电容两端电压等于电源电压，此时电路结束谐振过程，进入续流工作状态。在续流状态下，变压器绕组线圈中储存的能量在续流回路中被消耗掉，流经电容和线圈的电流开始下降，当电流下降为0时，意味着故障被完全隔离。
本发明的优点在于：
(1)解决了Z源固态直流断路器功率和能量的双向流动问题，并同时解决电源与负载不共地的问题；
(2)本发明结构简单，并且提升了故障隔离的速度和效率。
附图说明：
图1为本发明的拓扑结构示意图。
图2为电容与晶闸管电压的实例波形。
图3为负载与二次侧绕组电压的实例波形。
图4为电容和晶闸管电流的实例波形。
图5为故障发生瞬态时晶闸管电压与电容电流的实例波形。
图中，1—变压器模块，2—第一二极管，3—第二二极管，4—第三二极管，5—第四二极管，6—负载，7—第二二极管正极和第四二极管负极交点，8—第一二极管正极和第三二极管负极交点，9，10—变压器线圈，11，12—变压器吸收回路的电阻，13，14—变压器吸收回路的二极管，15—晶闸管，16—电容，17—第一引出端子，18—第二引出端子，19，20—非同名端，21—电容阳极与第二二极管负极的连接点，22—直流电源。
具体实施方式：
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的说明。
所述的双向直流断路器拓扑由变压器模块(1)，第一二极管(2)，第二二极管(3)，第三二极管(4)，第四二极管(5)以及负载(6)、电容(16)组成。变压器模块(1)的第一引出端子(17)与第一二极管(2)的阴极连接；变压器模块(1)的第二引出端子(18)与第三二极管(4)的阳极连接；第一二极管(2)的阳极与第三二极管(4)的阴极连接于点(8)变压器模块(1)中线圈(10)的非同名端(20)与电容(16)的阴极连接，第二二极管(3)的阴极和电容(16)的正极连接于点(21)并与变压器第一引出端子(17)连接；第四二极管(5)的阴极与第二二极管(3)的阳极连接于点(7)并与负载(6)的正极相连，负载(6)的负极与电源负极连接。
所述的变压器模块由变压器的两个线圈(9，10)、两个线圈各自的能量吸收回路，晶闸管组成，吸收回路由二极管和电阻构成，吸收回路的二极管和电阻串联然后并联于变压器线圈的两端，线圈(9)的非同名端(19)与晶闸管(15)的阳极相连，线圈(10)的非同名端(20)与晶闸管阴极连接于点(20)。
变压器模块第一引出端吸收回路的二极管(13)的阳极与晶闸管(15)的阳极连接于点(19)，二极管(13)负极串联电阻(11)后和第一引出端子(17)连接；变压器第二引出端吸收回路的二极管(14)的正极与第二引出端子(18)相连，二极管(14)负极串联电阻(12)后和晶闸管负极连接于线圈(10)的非同名端(20)，连接点(8)与电源(22)正极连接。
所述的双向直流固态断路器可以实现双向的能量流动。第一二极管(2)，变压器模块的第一端口线圈(9)，晶闸管(15)，变压器模块的第二端口线圈(10)，第四二极管(5)构成所述电路拓扑的能量的前向流动通道；第二二极管(3)，变压器模块的第一端口线圈(9)，晶闸管(15)，变压器模块的第二端口线圈(10)，第三二极管(4)构成所述电路拓扑的能量的后向流动通道。
针对实例进行仿真，以能量的前向流动为例。设定电源电压Us＝24V,变压器模块第一引出端子处的电感(9)为500μH，变压器模块第二引出端子处的电感(10)为125μH，电容C(16)为470μF，负载电阻为10Ω，故障电阻大小0.02Ω。仿真所得的波形图如图2所示。
从图2，3，4，5可以看出，在电路正常工作时电容C(16)的电流为0，当负载端发生短路故障时，电流在极短时间内发生较大的变化，电容(16)开始充电，由于此时存在变化的短路电流流过变压器的二次侧绕组(10)，因此在变压器的一次侧绕组(9)处产生的反向感应电流开始增大，并开始抵消流过位于变压器两个绕组之间的晶闸管(15)的电流，晶闸管(15)电流逐渐下降为0，这意味着晶闸管(15)完成关断，电容(16)的电压变为0。本发明从故障发生到故障完全隔离大约只用了0.65ms,动作迅速。
本发明的优点在于：
(1)解决了Z源固态直流断路器功率和能量的双向流动问题，并同时解决电源与负载不共地的问题；
(2)本发明结构简单，并且提升了故障隔离的速度和效率。
综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过以上实例予以具体阐述，但不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (6)

1.一种基于新型拓扑结构的双向Z源固态直流断路器，其特征在于所述断路器包括如下结构：
所述断路器由变压器模块(1)，第一二极管(2)，第二二极管(3)，第三二极管(4)，第四二极管(5)以及负载(6)、电容(16)组成；变压器模块(1)的第一引出端子(17)与第一二极管(2)的阴极连接；变压器模块(1)的第二引出端子(18)与第三二极管(4)的阳极连接；第一二极管(2)的阳极与第三二极管(4)的阴极连接于点(8)变压器模块(1)中线圈(10)的非同名端(20)与电容(16)的阴极连接，第二二极管(3)的阴极和电容(16)的正极连接于点(21)并与变压器第一引出端子(17)连接；第四二极管(5)的阴极与第二二极管(3)的阳极连接于点(7)并与负载(6)的正极相连，负载(6)的负极与电源负极连接。
2.一种基于新型拓扑结构的双向Z源固态直流断路器的工作方法，其特征在于所述断路器的工作过程可分为四个步骤：稳态工作步骤、故障瞬间工作步骤、谐振工作步骤和续流工作步骤；
其中，在续流状态下，变压器绕组线圈中储存的能量在续流回路中被消耗掉，流经电容和线圈的电流开始下降，当电流下降为0时，故障被完全隔离。
3.根据权利要求2所述的工作方法，其特征在于，所述稳态工作步骤包括：
当断路器处于正常工作状态时，电流经第一二极管、变压器一次侧绕组、晶闸管、变压器二次侧绕和第四二极管流向负载；变压器的绕组中不会出现感应电流，绕组线圈的阻抗很低，断路器能量消耗非常小。
4.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，所述故障瞬间工作步骤包括：
当故障发生时，电流在极短时间内发生较大的变化，电容开始充电，短路电流流过第一二极管，电容，二次侧绕组，第四二极管。此时在变压器的一次侧绕组处产生的反向感应电流开始增大，开始抵消流过位于变压器两个绕组之间的晶闸管的电流，晶闸管电流逐渐下降为0完成关断。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，所述谐振工作步骤包括：
晶闸管关断后电路进入有源LC谐振工作状态。此时电容持续进行充电，电压逐步升高，而变压器二次侧绕组线圈的电压则是先升高后下降直至为0。
6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，所述续流工作步骤具体包括：
当线圈两端电压下降为0时，续流回路的钳制作用使线圈两端的电压始终保持为0，电容两端电压等于电源电压，此时电路结束谐振过程，进入续流工作状态；在续流状态下，变压器绕组线圈中储存的能量在续流回路中被消耗掉，流经电容和线圈的电流开始下降，当电流下降为0时，故障被完全隔离。
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