CN113488970A - 基于逆阻型器件的固态式直流断路器及其动态均流方法 - Google Patents

基于逆阻型器件的固态式直流断路器及其动态均流方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于逆阻型器件的固态式直流断路器及其动态均流方法，该固态式直流断路器包括并联连接的多条开关支路和一条或多条谐振电容支路，每条所述开关支路分别包括串联连接的逆阻型全控电力电子器件和谐振电感。本发明简化了结构，降低了通态损耗和阀串体积；另外通过电感和电容在电流增大时产生的振荡，优化电力电子开关在动态时的电流分布，提高均流效果，从而提高器件的使用效率。

Description

基于逆阻型器件的固态式直流断路器及其动态均流方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，特别涉及一种基于逆阻型器件的固态式直流断路器及其动态均流方法。
背景技术
直流断路器是直流系统里不可或缺的关键装备，可以在极短时间内切除短路引起的故障电流，以保障直流系统的安全可靠运行。直流系统的阻尼小，短路引起的故障电流上升率非常高，需要直流断路器在几ms以内完成开断，否则故障电流将会上升到非常高，导致断路器无法开断。
固态式直流断路器开断速度极快，开断时间可到100μs以内，可有效抑制故障电流的发展，完成无弧开断。但固态式直流断路器中电力电子器件长期导通，通态损耗较高，需要散热系统，而且现有的电力电子器件无法耐受反压，导致固态式直流断路器结构复杂，进一步增加了损耗和体积，限制了固态式直流断路器的应用，且电力电子器件存在电流分布的问题，电流分布不均降低了器件的使用效率，增加器件的并联数量，增加成本和体积。
发明内容
针对上述问题，本发明采用的技术方案是：一种基于逆阻型器件的固态式直流断路器，包括并联连接的多条开关支路和一条或多条谐振电容支路，每条所述开关支路分别包括串联连接的逆阻型全控电力电子器件和谐振电感。
可选地，所述谐振电容支路包括与所述开关支路并联的谐振电容。
可选地，所述逆阻型全控电力电子器件包括串联连接的二极管和电力电子开关，所述二极管的阴极与所述电力电子开关的阳极连接。
可选地，所述电力电子开关为逆阻型集成门极换流晶闸管。
可选地，所述开关支路的数量为偶数，偶数条所述开关支路两两反并联连接。
可选地，所述谐振电容支路的数量为两条。
可选地，所述逆阻型全控电力电子器件并联连接有金属氧化物压敏电阻。
以及，一种基于逆阻型器件的固态式直流断路器的动态均流方法，所述动态均流方法包括：
当发生短路故障后，流过并联的多条开关支路中的电流迅速增加；
每条所述开关支路中的谐振电感和与所述开关支路并联的谐振电容支路发生谐振，多条所述开关支路分别产生振荡电流；
所述振荡电流随时间发生周期性变化，使所述开关支路之间的总电流差呈周期性变化，直至所述总电流差的差值最小。
可选地，所述动态均流方法还包括：
在所述电流差最小时控制多条所述开关支路中的逆阻型全控电力电子器件同步关断。
可选地，所述逆阻型全控电力电子器件并联连接有金属氧化物压敏电阻；所述动态均流方法还包括：
在所述逆阻型全控电力电子器件关断后，所述逆阻型全控电力电子器件的两端建立电压；
当所述电压达到所述金属氧化物压敏电阻的动作电压时，所述金属氧化物压敏电阻导通并吸收电流。
本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：简化了结构，降低了通态损耗和阀串体积；另外通过电感和电容在电流增大时产生的振荡，优化电力电子开关在动态时的电流分布，提高均流效果，从而提高器件的使用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明基于逆阻型器件的固态式直流断路器实施例一的电路图；
图2示出了根据本发明基于逆阻型器件的固态式直流断路器实施例二的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，包括并联连接的多条开关支路和一条或多条谐振电容支路，每条所述开关支路分别包括串联连接的逆阻型全控电力电子器件和谐振电感L，所述开关支路还并联有谐振电容支路。在本实施例中，所述开关支路的数量为两条，分别为支路1和支路2，所述谐振电容支路的数量为一条，且该条谐振电容支路包括与所述开关支路并联的谐振电容C。
当系统发生短路故障后，流过固态式直流断路器的电流迅速增加，电感和电容会发生谐振，使两条开关支路产生振荡电流，从而使得两条开关支路间的电流差呈周期性变化，通过控制器件在电流差最小的时刻关断器件，从而优化均流效果，保证器件关断的安全。
因为电容的参数对振荡电流的幅值有影响，所以可以通过调节谐振电容的容值大小来调节支路之间的电流差。电容容值越大，振荡幅值越大，关断时刻的均流效果就越好。
所述逆阻型全控电力电子器件包括串联连接的二极管D和电力电子开关G，两条开关支路中的二极管的阳极相互连接，每条支路中的二极管的阴极与所述电力电子开关的阳极连接，所述电力电子开关的阴极与所述谐振电感的一端连接，两条开关支路中的谐振电感的另一端相互连接。
该逆阻型全控电力电子器件可以承受反向电压，减小固态式直流断路器的结构复杂度，降低损耗和体积。其中，所述电力电子开关为逆阻型集成门极换流晶闸管(以下简称逆阻型IGCT)。
进一步的，所述逆阻型全控电力电子器件并联连接有金属氧化物压敏电阻(以下简称MOV)。在正常工作时，长期导通其中一个方向的逆阻型IGCT器件通流，利用强迫风冷散热器进行散热。当所在的直流系统发生短路故障导致电流突然增加，控制系统或主动检测系统检测到故障电流，给逆阻型全控电力电子器件发出关断信号，逆阻型全控电力电子器件同步关断，并建立电压，当该电压达到MOV的动作电压后，MOV导通，吸收系统中的能量，完成开断。
实施例二
如图2所示，本发明实施例的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，包括并联连接的多条开关支路和一条或多条谐振电容支路，每条所述开关支路分别包括串联连接的逆阻型全控电力电子器件和谐振电感L，所述开关支路还并联有谐振电容支路。与实施例一不同之处在于，本实施例为具有动态均流能力的双向固态式直流断路器。在本实施例中，所述开关支路的数量为4条，且4条所述开关支路两两反向并联连接，所述谐振电容支路的数量为两条，且每条谐振电容支路均包括与所述开关支路并联的谐振电容C。
当系统发生短路故障后，流过固态式直流断路器的电流迅速增加，电感和电容会发生谐振，使两条开关支路产生振荡电流，从而使得两条开关支路间的电流差呈周期性变化，通过控制器件在电流差最小的时刻关断器件，从而优化均流效果，保证器件关断的安全。且本实施例具有动态均流能力。
因为电容的参数对振荡电流的幅值有影响，所以可以通过调节谐振电容的容值大小来调节支路之间的电流差。电容容值越大，振荡幅值越大，关断时刻的均流效果就越好。
在本实施例中，所述逆阻型全控电力电子器件包括串联连接的二极管D和电力电子开关G。如图2所示，支路1和支路2并联，支路3和支路4并联，且支路1、2与支路3、4之间是反向并联连接。在支路1和支路2中，二极管的阴极与电力电子开关的阳极连接，电力电子开关的阴极与谐振电感的一端连接；在支路3和支路4中，两个二极管的阴极与电力电子开关的阳极连接，二极管的阳极与谐振电感的一端连接；支路1、2、3、4中的多个谐振电感的另一端相互连接，支路1、2中二极管的阳极和支路3、4中电力电子开关的阴极相互连接。
该逆阻型全控电力电子器件可以承受反向电压，减小固态式直流断路器的结构复杂度，降低损耗和体积。其中，所述电力电子开关为逆阻型集成门极换流晶闸管(以下简称逆阻型IGCT)。在一些其他的实施例中，任何可双向承载的全控电力电子开关均适用。
进一步的，所述逆阻型全控电力电子器件并联连接有金属氧化物压敏电阻(以下简称MOV)。在正常工作时，长期导通其中一个方向的逆阻型IGCT器件通流，利用强迫风冷散热器进行散热。当所在的直流系统发生短路故障导致电流突然增加，控制系统或主动检测系统检测到故障电流，给逆阻型全控电力电子器件发出关断信号，逆阻型全控电力电子器件同步关断，并建立电压，当该电压达到MOV的动作电压后，MOV导通，吸收系统中的能量，完成开断。
结合上述实施例一的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，还提供一种基于逆阻型器件的固态式直流断路器的动态均流方法，如下：
当发生短路故障后，流过并联的两条开关支路中的电流迅速增加，支路1和支路2的电流分别为i1和i2；
两条所述开关支路中的谐振电感和与所述开关支路并联的谐振电容支路发生谐振，支路1和支路2分别产生振荡电流I1和I2。
基于下列公式：
Figure BDA0003136497260000061
式中，Ic表示电容中的振荡电流，L1是支路1中串联电感和杂散电感的总和，L2是支路2中串联电感和杂散电感的总和，Iall表示支路1、支路2和谐振电容支路的振荡电流之和，uall表示支路1、支路2和谐振电容支路的谐振电压。
可知，I1、I2之比为L2/L1，且电流的相位相同。若L1大于L2，则短路过程中支路1的电流小于支路2的电流，系统短路过程LC振荡引起的支路1电流增量小于支路2电流增量，所以支路1和支路2的总电流差为：
ΔI＝i2+I2-(i1+I1)＝i2-i1+I2-I1；
所述振荡电流随时间发生周期性变化，使所述开关支路之间的总电流差呈周期性变化，直至所述总电流差的差值最小。其中，I2-I1是周期性变化的值，当其小于0时，ΔI会减小，从而减小了两支路间的电流差。增加电容电感后，动态过程中的电流差在原来的基础上叠加周期变化分量；
在所述电流差最小时控制两条所述开关支路中的逆阻型全控电力电子器件同步关断；
在所述逆阻型全控电力电子器件关断后，所述逆阻型全控电力电子器件的两端建立电压；
当所述电压达到所述金属氧化物压敏电阻MOV的动作电压时，所述金属氧化物压敏电阻MOV导通并吸收电流，完成开断。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于逆阻型器件的固态式直流断路器，其特征在于，包括并联连接的多条开关支路和一条或多条谐振电容支路，每条所述开关支路分别包括串联连接的逆阻型全控电力电子器件和谐振电感。
2.如权利要求1所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，其特征在于，所述谐振电容支路包括与所述开关支路并联的谐振电容。
3.如权利要求1所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，其特征在于，所述逆阻型全控电力电子器件包括串联连接的二极管和电力电子开关，所述二极管的阴极与所述电力电子开关的阳极连接。
4.如权利要求3所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，其特征在于，所述电力电子开关为逆阻型集成门极换流晶闸管。
5.如权利要求1所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，其特征在于，所述开关支路的数量为偶数，偶数条所述开关支路两两反并联连接。
6.如权利要求5所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，其特征在于，所述谐振电容支路的数量为两条。
7.如权利要求1至6任意一项所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器，其特征在于，所述逆阻型全控电力电子器件并联连接有金属氧化物压敏电阻。
8.一种如权利要求1所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器的动态均流方法，其特征在于，所述动态均流方法包括：
当发生短路故障后，流过并联的多条开关支路中的电流迅速增加；
每条所述开关支路中的谐振电感和与所述开关支路并联的谐振电容支路发生谐振，多条所述开关支路分别产生振荡电流；
所述振荡电流随时间发生周期性变化，使所述开关支路之间的总电流差呈周期性变化，直至所述总电流差的差值最小。
9.如权利要求8所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器的动态均流方法，其特征在于，所述动态均流方法还包括：
在所述电流差最小时控制多条所述开关支路中的逆阻型全控电力电子器件同步关断。
10.如权利要求9所述的基于逆阻型器件的固态式直流断路器的动态均流方法，其特征在于，所述逆阻型全控电力电子器件并联连接有金属氧化物压敏电阻；所述动态均流方法还包括：
在所述逆阻型全控电力电子器件关断后，所述逆阻型全控电力电子器件的两端建立电压；
当所述电压达到所述金属氧化物压敏电阻的动作电压时，所述金属氧化物压敏电阻导通并吸收电流。
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