CN112993931A - 一种ю源直流固态断路器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ю源直流固态断路器，包括直流电源，直流电源的正极与开关晶闸管的阳极相连，直流电源的负极与线路电感任一端口相连，开关晶闸管的阴极分别连接变压器原边电感的耦合端和变压器副边电感的耦合端，变压器原边电感的非耦合端与后级负载相连，变压器副边电感非耦合端通过H桥电路连接电容，线路电感的另一端口和后级负载的另一端口相连，线路电感的另一端口还相连H桥电路。本发明还公开了一种Ю源直流固态断路器的控制方法，解决了现有技术中存在的多次关断永久性故障难以保证安全重启的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种Ю源直流固态断路器，还涉及上述一种Ю源直流固态断路器的控制方法。
背景技术
随着世界范围内环境问题日益突出，新能源得到大规模应用，诸如船舶、航空、数据中心、储能装置等直流负荷日益增加，直流微电网得到了很大的研究与推广应用。但是，直流系统中集成了大量敏感负载和变流器且直流系统电流没有自然过零点，发生故障时系统电流上升率很高，严重影响敏感负载供电连续性和可靠性，因此短路保护非常具有挑战性，其仍是直流电源系统主要技术障碍之一。所存在的解决方案中，把DC/DC电路拓展应用于断路器中的半固态Z源类断路器以快速响应、自然换向、无需检测控制系统、成本较低等优点受到了广泛关注。
但是，Z源类断路器存在两大缺陷，一方面，Z源类断路器的关断范围受到电感、电容、变压器等无源器件参数的影响，参数的取值不同，关断范围不同，同时参数的设置计算过程较为复杂，使得Z源类断路器的通用性降低。另一方面，Z源类断路器不能在断路器重合闸前对C充电以提供中断能力，当断路器重新闭合时，若故障存在，电容两端无法建立电压，无法实现再次故障隔离，使得电源与故障点直通，产生极大的短路电流，无法保证微电网安全重启。
针对断路器对参数依赖的问题，学者李长乐将耦合电感引入断路器提出了T源断路器，可适当通过变压器变比来调节短路关断区域，但关断区域仍有一定局限性；李伟林教授等人提出了引入两个参数的断路器拓扑-Y源断路器，但仍没有从根本上解决问题；陈婉君教授等人提出了一种新型隔离断路器来解决参数影响问题，但其电路结构相对复杂。
针对Z源类断路器对于永久性故障关断以保证系统安全重启问题，为了实现电容短路关断后电压为正，Swati G Savaliya等人提出了充电电路将电流能量反向充电给电容实现电容正压来实现重合闸功能，该方法引入额外的充电电路，增加了成本和电路控制的复杂性；B.G.Fernandes等人将双向准Z源拓扑进行相位移动实现给电容充电储能，但并没有考虑启动抑制电路影响；Anindya Ray等人利用H桥来构建路径实现混合式断路器电容正压，所提出的控制方法相对复杂，且只应用于混合式断路器中。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种Ю源直流固态断路器，解决了现有技术中存在的多次关断永久性故障难以保证安全重启的问题。
本发明的第二目的是提供一种Ю源直流固态断路器的控制方法。
本发明所采用的技术方案是，一种Ю源直流固态断路器，包括直流电源，直流电源的正极与开关晶闸管的阳极相连，直流电源的负极与线路电感任一端口相连，开关晶闸管的阴极分别连接变压器原边电感的耦合端和变压器副边电感的耦合端，变压器原边电感的非耦合端与后级负载相连，变压器副边电感非耦合端通过H桥电路连接电容，线路电感的另一端口和后级负载的另一端口相连，线路电感的另一端口还相连H桥电路。
本发明的特点还在于：
H桥电路包括开关Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ和开关Ⅳ，变压器副边电感非耦合端分别连接开关Ⅰ的发射极和二极管Ⅱ的阴极，开关Ⅰ上设置有S1-反并联二极管，开关Ⅰ的集电极分别连接二极管Ⅲ的阴极和电容的正极，二极管Ⅱ的阳极分别连接开关Ⅳ的发射极和电容的负极，开关Ⅳ的集电极和二极管Ⅲ的阳极相连，开关Ⅳ上设置有S4-反并联二极管。
线路电感的另一端口连接在开关Ⅳ和二极管Ⅲ之间的连接线路上。
开关Ⅳ的集电极和二极管Ⅲ的阳极与直流系统的公共地端相连。
一种Ю源直流固态断路器的控制方法，具体按照以下实施：正常供电时，开关晶闸管、变压器副边电感、S1-反并联二极管、电容和S4-反并联二极管形成回路，电容充电储能；发生短路时，检测变压器原边电感电流is，与给定阈值电流ith进行比较，当检测电流is大于给定电流ith时，H桥电路的开关Ⅰ和开关Ⅳ的栅极信号触发，电容经开关Ⅰ、变压器副边电感、变压器原边电感、故障点、开关Ⅳ形成放电短路回路，开关晶闸管反向耦合关断；当开关晶闸管关断后，检测电流is小于给定电流ith，开关Ⅰ和开关Ⅳ的栅极信号关闭，短路电流经二极管Ⅲ、电容正极、电容负极、二极管Ⅱ、接变压器原边电感、变压器副边电感形成短路续流回路，为电容正向充电。
本发明的有益效果是：本发明一种Ю源直流固态断路器，解决了现有技术中存在的多次关断永久性故障以保证安全重启的问题。在短路关断后通过H桥电路和变压器原、副边电感的配合，实现电容C电压为正，保证断路器重合闸前对电容充电以获得可可靠再关断能力，能够中断故障而不会对电源和负载造成故障电流冲击，实现对永久性故障多次安全分断，确保了断路器安全重启。本发明一种Ю源直流固态断路器的控制方法，通过软件控制设置阈值参数值来自由控制短路关断区域和短路电流大小，解决了原Z源类断路器关断范围对断路器参数的依赖问题；同时，所提出的拓扑短路电流大小可控，且不受短路电流上升速度的影响，解决了Z源类断路器无法关断缓慢故障的问题。
附图说明
图1是本发明一种Ю源直流固态断路器的电路图；
图2是本发明一种Ю源直流固态断路器电路的控制框图；
图3是本发明一种Ю源直流固态断路器的控制方法中电路正常供电时电容充电等效电路图；
图4是本发明一种Ю源直流固态断路器的控制方法中电路短路时电容放电等效电路图；
图5是本发明一种Ю源直流固态断路器的控制方法中电路短路时电容反向充电等效电路图。
图6是本发明新型一种Ю源直流固态断路器的参数控制框图(T0<TSCR)；
图7是本发明一种Ю源直流固态断路器的控制仿真波形；
图8是本发明一种Ю源直流固态断路器在瞬时性和永久性故障两种情况下的仿真波形；
1.直流电源，2.开关晶闸管，3.变压器原边电感，4.变压器副边电感，5.开关Ⅰ，6.S1-反并联二极管，7.二极管Ⅱ，8.二极管Ⅲ，9.开关Ⅳ，10.S4-反并联二极管，11.C-电容，12.后级负载，13.Ls-线路电感。
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Ю源直流固态断路器，如图1和图2所示，包括直流电源1，直流电源1的正极与开关晶闸管2的阳极相连，直流电源1的负极与线路电感13任一端口相连，开关晶闸管2的阴极分别连接变压器原边电感3的耦合端和变压器副边电感4的耦合端，变压器原边电感3的非耦合端与后级负载12相连，变压器副边电感4非耦合端通过H桥电路连接电容11，线路电感13的另一端口和后级负载12的另一端口相连，线路电感13的另一端口还相连H桥电路。H桥电路包括开关Ⅰ5、二极管Ⅱ7、二极管Ⅲ8和开关Ⅳ9，变压器副边电感4非耦合端分别连接开关Ⅰ5的发射极和二极管Ⅱ7的阴极，开关Ⅰ5上设置有S1-反并联二极管6，开关Ⅰ5的集电极分别连接二极管Ⅲ8的阴极和电容11的正极，二极管Ⅱ7的阳极分别连接开关Ⅳ9的发射极和电容11的负极，开关Ⅳ9的集电极和二极管Ⅲ8的阳极相连，开关Ⅳ9上设置有S4-反并联二极管10。线路电感13的另一端口连接在开关Ⅳ9和二极管Ⅲ8之间的连接线路上。开关Ⅳ9的集电极和二极管Ⅲ8的阳极与直流系统的公共地端相连。
本发明一种Ю源直流固态断路器，通过开关晶闸管2串联变压器原边电感3和变压器副边电感4的耦合端，将H桥电路嵌入变压器副边电感4非耦合端和电容11中间，来构建Ю源直流固态断路器拓扑；通过提出一种控制方法，来实现短路关断过程中电容的正向充电功能，确保该断路器重合闸前获得可靠再关断能力。
本发明一种Ю源直流固态断路器的控制方法，具体按照以下实施：正常供电时，开关晶闸管2、变压器副边电感4、S1-反并联二极管6、电容11和S4-反并联二极管10形成回路，电容充电储能；发生短路时，检测变压器原边电感电流is，与给定阈值电流ith进行比较，当检测电流is大于给定电流ith时，H桥电路的开关Ⅰ5和开关Ⅳ9的栅极信号触发，电容11经开关Ⅰ5、变压器副边电感4、变压器原边电感3、故障点、开关Ⅳ9形成放电短路回路，开关晶闸管2反向耦合关断；当开关晶闸管2关断后，检测电流is小于给定电流ith，开关Ⅰ5和开关Ⅳ9的栅极信号关闭，短路电流经二极管Ⅲ8、电容11正极、电容11负极、二极管Ⅱ7、接变压器原边电感3、变压器副边电感4形成短路续流回路，为电容正向充电。
将短路期间电容释放于变压器的能量通过H桥电路控制重新存储在电容C中，在短路期间电容下降的电压在箝位，并将变压器的能量和电路中寄生电感能量传递给电容，箝位并抬升电容电压，实现电容正压。
一种新型Ю源直流固态断路器既可通过软件控制来自由设置短路电流和关断范围的大小，使其不受电路参数束缚；又能够在重合闸之前自动对电容C充电以获得中断能力，隔离故障而不会对电源和负载造成故障电流冲击。
本发明一种Ю源直流固态断路器的控制方法，正常运行时，如图3所示，电源经过开关晶闸管(SCR)、变压器原边电感(L1)给后级负载供电；同时，电源也经过开关晶闸管、变压器副边电感、S1-反并联二极管6、电容C和S1-反并联二极管10形成回路，给电容C充电储能，使得电容电压充电至电源电压。
发生短路时，电路经过两个阶段。在短路第一阶段，如图4所示，在当短路出现在电路中，电路中电流开始增加，电源侧电流也随之上升，当该电流is大小等于所设置的阈值电流ith大小时，经DLL比较模块，置位开关Ⅰ5和开关Ⅳ9栅极信号为高电平，使得开关Ⅰ5、Ⅳ9导通，电容产生放电路径，电容C经开关Ⅰ5、变压器副边电感L2、变压器原边电感L1、故障点、开关Ⅳ9形成放电短路回路，电容电流开始增加，电容将能量存储在变压器原副边电感中。此时，变压器副边电感的非耦合端口、原边电感耦合端处产生呈变压器变比关系的正向电压，使得晶闸管两端承受反向电压，并在变压器原边产生与正常负载电流相反的耦合电流，电源侧电流开始减少，当该电流大小等于正常负载电流时，晶闸管侧产生过零点，自然换向切断电源和后级负载。
在短路第二个阶段，如图5所示，短路时电源侧产生反向电流到晶闸管完全关断期间，电源侧电流开始减少，当采样电流is小于给定阈值电流ith时，开关Ⅰ5、Ⅳ9栅极信号被置为低电平，使得开关开关Ⅰ5、Ⅳ9关断，导致电容C放电路径被阻断，电容不再继续放电。此时，短路电流仍存在于电路中，故障尚未隔离，且短路电流方向无法突变，电流找寻能量耗散路径，开始通过短路点、二极管Ⅲ、电容C正极、电容C负极、二极管Ⅱ、变压器副边电感L2、变压器原边电感L1形成回路，将短路第一阶段电容储存于变压器电感的能量又重新传递给电容，同时，也将线路中的寄生电感的能量存储在电容中，电容电压由当前值继续增加，最后阶跃到另一更高的台阶，将电容电压在短路时降低一部分电压后箝位，开始正向充电，实现电容正压。
可以看出，如图6所示，在控制电路中，开关Ⅰ5、Ⅳ9电平维持多长时间，是控制电路研究的核心，也即为零阶保持器的频率或者采样周期T0参数的设置，而零阶保持器的时间设定与开关Ⅰ5、Ⅳ9开通时间和断路器关断时间TSCR有关。
(1)T0<TSCR
若零阶保持器采样周期T0小于主电路关断所需的电容放电时间TSCR时，电路检测负载侧电流，一旦该电流大于所设置的阈值电流时，经过采样周期的时间保持，输出IGBT的驱动栅极脉冲，电容放电，主电路电流减少，一旦电流小于该阈值电流ith，在下一次采样周期时，导致驱动输出为低电平，开关Ⅰ5、Ⅳ9关断，电容停止放电，变压器电感开始反向给电容充电，此时短路尚未切除，晶闸管支路电流又开始上升。
因此，主电路电流一直在减少和增加两个方向摆动，来回往复，但是，电源侧电流减少的速度慢，电路增加的速度快，最终，主电路电流呈现增加趋势，短路电流占据主导地位，导致系统无法关断。
(2)T0>TSCR
当零阶保持器采样周期T0大于主电路关断所需的电容放电时间TSCR时，如图7所示，零阶保持器的周期为1e-5，在t＝0.1s时发生短路故障，电路中电流还尚未达到给定阈值，电容不会放电；在短路后第四拍t＝0.1004的时候，电路中电流增加并超过给定阈值电流ith，使得H桥开关导通，信号Signal产生高电平，电容放电回路导通，电容电压VC降低，晶闸管电流ISCR降低，由于T0>TSCR，电路可实现关断，晶闸管侧电流ISCR降为0，故障电流I(fault)增加；在下一拍t＝0.10005时，晶闸管侧电流ISCR降为0，小于阈值电流ith，H桥开关栅极信号Signal为0，电容开始充电，电容电压VC开始上升并稳定到另一个正压。
所以，在电容放电期间，若零阶保持器的采样周期过小，短路电流会增大，因此，变压器副边电感L2的电流经历三个阶段：1)电容放电关断主电路；2)电容继续给电感放电；3)电感反向给电容充电。
综上所述，零阶保持器的频率设置很关键，如图7框图所示，为了实现最精准的控制和快速关断，理论上，应选择零阶保持器的保持时间恰好等于短路时晶闸管的关断时间，则可正好保证关断，且不会出现大的短路电流情况，以及短路发生后，电容充电的时间也会缩短。但是，由于实际中采样电路存在延迟，因此零阶保持器的采样时间略大于主电路的关断时间，则零阶保持器的频率设置为：
其中，f为零阶保持器的采样频率，tSCR为Γ源断路器的关断时间。
本专利提出的新型Ю源直流固态断路器电路最终可达到的效果如图8所示。在t＝0.1s时出现故障，晶闸管侧电流降为0，电路隔离故障，电容电压阶跃上升至一个台阶；在t＝0.105s时重新启动电路，此时故障仍存在与系统中，电路实现电路关断，电容电压再次阶跃到另一新台阶；在t＝0.115s时再次重启电路，此时故障已不存在于电路中，电路重启成功，电路电流达到稳定，电容电压电容在上一次短路关断的基础上充电到电源电压，为下一次短路关断储存能量。
本发明一种Ю源直流固态断路器，解决了现有技术中存在的多次关断永久性故障以保证安全重启的问题。在短路关断后通过H桥电路和变压器原、副边电感的配合，实现电容C电压为正，保证断路器重合闸前对电容充电以获得可可靠再关断能力，能够中断故障而不会对电源和负载造成故障电流冲击，实现对永久性故障多次安全分断，确保了断路器安全重启。本发明一种Ю源直流固态断路器的控制方法，通过软件控制设置阈值参数值来自由控制短路关断区域和短路电流大小，解决了原Z源类断路器关断范围对断路器参数的依赖问题；同时，所提出的拓扑短路电流大小可控，且不受短路电流上升速度的影响，解决了Z源类断路器无法关断缓慢故障的问题。
Claims (5)
1.一种Ю源直流固态断路器，其特征在于，包括直流电源(1)，所述直流电源(1)的正极与开关晶闸管(2)的阳极相连，所述直流电源(1)的负极与线路电感(13)任一端口相连，所述开关晶闸管(2)的阴极分别连接变压器原边电感(3)的耦合端和变压器副边电感(4)的耦合端，所述变压器原边电感(3)的非耦合端与后级负载(12)相连，所述变压器副边电感(4)非耦合端通过H桥电路连接电容(11)，所述线路电感(13)的另一端口和后级负载(12)的另一端口相连，所述线路电感(13)的另一端口还相连H桥电路。
2.如权利要求1所述的一种Ю源直流固态断路器，其特征在于，所述H桥电路包括开关Ⅰ(5)、二极管Ⅱ(7)、二极管Ⅲ(8)和开关Ⅳ(9)，所述变压器副边电感(4)非耦合端分别连接开关Ⅰ(5)的发射极和二极管Ⅱ(7)的阴极，所述开关Ⅰ(5)上设置有S1-反并联二极管(6)，所述开关Ⅰ(5)的集电极分别连接二极管Ⅲ(8)的阴极和电容(11)的正极，所述二极管Ⅱ(7)的阳极分别连接开关Ⅳ(9)的发射极和电容(11)的负极，所述开关Ⅳ(9)的集电极和二极管Ⅲ(8)的阳极相连，所述开关Ⅳ(9)上设置有S4-反并联二极管(10)。
3.如权利要求2所述的一种Ю源直流固态断路器，其特征在于，所述线路电感(13)的另一端口连接在开关Ⅳ(9)和二极管Ⅲ(8)之间的连接线路上。
4.如权利要求2所述的一种Ю源直流固态断路器，其特征在于，开关Ⅳ(9)的集电极和二极管Ⅲ(8)的阳极与直流系统的公共地端相连。
5.如权利要求2-4任意权力要求所述的一种Ю源直流固态断路器的控制方法，其特征在于，具体按照以下实施：正常供电时，开关晶闸管(2)、变压器副边电感(4)、S1-反并联二极管(6)、电容(11)和S4-反并联二极管(10)形成回路，电容充电储能；发生短路时，检测变压器原边电感电流is，与给定阈值电流ith进行比较，当检测电流is大于给定电流ith时，H桥电路的开关Ⅰ(5)和开关Ⅳ(9)的栅极信号触发，电容(11)经开关Ⅰ(5)、变压器副边电感(4)、变压器原边电感(3)、故障点、开关Ⅳ(9)形成放电短路回路，开关晶闸管(2)反向耦合关断；当开关晶闸管(2)关断后，检测电流is小于给定电流ith，开关Ⅰ(5)和开关Ⅳ(9)的栅极信号关闭，短路电流经二极管Ⅲ(8)、电容(11)正极、电容(11)负极、二极管Ⅱ(7)、接变压器原边电感(3)、变压器副边电感(4)形成短路续流回路，为电容正向充电。
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