CN113852051B - 具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直流固态断路器领域，具体涉及了一种具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器及控制方法，旨在解决在中低压开断场合如何实现直流固态断路器的直流负载软起动以及双向故障电流的可靠开断的问题。本发明包括：检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号的线路电流检测及控制器；根据开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃的导通或断开，实现系统稳态、故障暂态、软启动暂态控制的开关通断驱动器；在相应状态吸收故障电流的吸能支路。本发明实现了中低压开断场合中直流固态断路器的双向故障电流的可靠开断以及容性负载接入时的软起动。

Description

具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器及控制方法

技术领域

本发明属于直流固态断路器领域，具体涉及了一种具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器及控制方法。

背景技术

近年来，随着可再生能源技术的不断发展，将大规模分布式电源(DistributionGenerations,DGs)接入电网是未来电网发展的一大趋势，正成为国内外学者的研究热点。对于直流输电系统而言，其所具有的传输距离长、输送能量大、损耗小等优点与分布式发电的供电灵活性相结合，形成的多端直流输电系统(MVDC)具有多电源供电、多落点受电的独特优势。但同样，将供电端口从传统的单端改进为双端甚至多端后，相应的故障电流也会由单向变为双向，在故障电流上升速率极快，同时故障短路电流不存在自然过零点这一难点仍然存在的情况下，开断双向故障电流的要求进一步增大了直流断路器(DC CircuitBreaker,DCCB)的设计难度。现有的双向开断方案一般是直接利用电力电子器件双向阀组来开断直流故障电流，开断可靠性有待提高。

随着现代电网智能化程度的不断提高，作为故障保护重要设备的断路器也在朝着智能化、集成化、最优化的方向发展。如何在实现传统故障过流开断的基础上，继续提高开断的智能化水平，并与其他重要的功能集成在一起，是断路器研究的重要课题。固态断路器(Solid State Circuit Breaker,SSCB)是基于现代大功率电力电子器件所发展起来的一种新型短路故障保护装置，电力电子器件极短的开断时间和超高的开关频率为断路器功能的集成创造了条件。

一些文献利用SiC JFET器件提出了一种具有数字可控电流-时间剖面的固态断路器[1]，该固态断路器可在过电流情况下区分不同的故障类型，并基于微处理器进行处理，同时还系统地对过电流情况下器件的结温变化情况和最大限流时间进行了分析，在一定程度上实现了多种功能的集成。另一些文献基于NaG器件提出了一种三模智能固态断路器[2]，该断路器将过电流情况分为三种模态，利用组合数字和模拟控制来进行操作，抗涌流过程基于Buck电路，且能够实现双向开断和软起动。

然而，目前的固态断路器依旧基于的是电力电子器件的一次开/关模式，并未对固态断路器中器件的高开关频率加以利用。因此，固态断路器如何有效的区分真正的短路故障电流和负载涌流是一个重大问题，也是断路器实现可靠开断并集成其他功能的基础。此外，现有的具有多种功能集成的固态断路器拓扑均需依靠特定的器件，例如宽禁带半导体器件，此类器件造价昂贵，且只能应用在低电压、小电流场合，应用场合和使用器件方面均需拓展。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]Dong,H.,Lei,Z.,Wang,Wei.,A SiC JFET-Based Solid State CircuitBreaker With Digitally Controlled Current-Time Profiles,IEEE Transactions onPower Electronics.,vol.7,no.3,pp.1556-1565,2019.

[2]Zhou,Y.,Na,R.,Feng,Y.,GaN-Based Tri-Mode Intelligent Solid-StateCircuitBreakers for Low-Voltage DC Power Networks,IEEE Transactions on PowerElectronics.,vol.36,no.6,pp.6596-6607,2021.

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即在中低压开断场合如何实现直流固态断路器的负载软起动以及双向故障电流的可靠开断的问题，本发明提供了一种具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，该直流固态断路器包括以下模块：

线路电流检测及控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

开关通断驱动器，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃，用于在开关通断驱动器的驱动下导通或断开，其状态包括：

主通流支路开关S_m导通且吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃断开，实现直流固态断路器电源侧的直流电源和负载侧的负载之间的通路；

主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁断开且吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃导通，或者主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₂断开且吸能通流支路开关S₁和吸能支路开关S₃导通，直流固态断路器中的左侧故障时产生的故障电流，或者右侧故障时产生的故障电流被吸能支路吸收，实现直流固态断路器故障状态的双向开断；

主通流支路开关S_m断开、吸能支路开关S₃导通且吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂高频通断，直流固态断路器中的涌流通过吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂传递至负载，实现直流负载的软起动；所述涌流为直流固态断路器所在系统接入大容量容性负载时，对系统输入的大于设定阈值的初始充电电流；

吸能支路，用于在相应状态吸收直流固态断路器中的故障电流。

在一些优选的实施例中，所述直流固态断路器，其连接关系为：

所述主通流支路开关S_m的第一连接端与直流固态断路器电源侧的直流电源的正极连接到端点a，第二连接端与直流固态断路器负载侧的负载的正极连接到端点b；

所述吸能通流支路开关S₁的第一连接端连接至端点a，所述吸能通流支路开关S₂的第二连接端连接至端点b，所述吸能通流支路开关S₁的第二连接端、吸能通流支路开关S₂的第一连接端和吸能支路开关S3的第一连接端均连接到端点e；

所述吸能支路开关S₃的第二连接端、吸能支路的第一连接端均连接到端点d；

所述吸能支路的第二连接端、直流固态断路器电源侧的直流电源的负极、直流固态断路器负载侧的负载的负极均连接到端点c；

所述线路电流检测及控制器的输入端连接到端点a，输出端连接到开关通断驱动器的输入端，开关通断驱动器的输出端连接到主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃的控制端。

在一些优选的实施例中，所述直流固态断路器还包括第一续流二极管和第二续流二极管；

所述第一续流二极管的阴极连接至端点a，阳极连接至端点c；

所述第二续流二极管的阴极连接至端点b，阳极连接至端点c。

在一些优选的实施例中，所述吸能支路包括缓冲电阻Rs、吸收电容Cs和避雷器MOV；

所述缓冲电阻Rs的一端、所述吸收电容Cs的一端和所述避雷器MOV的一端连接到一起作为吸能支路的第一连接端；

所述缓冲电阻Rs的另一端、所述吸收电容Cs的另一端和所述避雷器MOV的另一端连接到一起作为吸能支路的第二连接端。

在一些优选的实施例中，所述主通流支路开关S_m为双向IGCT阀组。

在一些优选的实施例中，所述吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃为IGBT开关。

本发明的另一方面，提出了一种具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法，基于上述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，该方法包括：

步骤S10，系统启动后，线路电流检测及控制器进行线路电流信号采样与检测，判断采样电流I与设定的最大电流值I_max之间的关系；

步骤S20，若采样电流I大于最大电流值I_max，则通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，直流固态断路器进入双向开断控制；否则，跳转步骤S30；

步骤S30，判断采样电流I与设定的最小电流值I_min之间的关系，若采样电流I不大于最小电流值I_min，则直流固态断路器处于正常状态；否则，跳转步骤S40；

步骤S40，通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂高频通断，直流固态断路器进入软起动控制直至达到设定的限流时间t_lim；

步骤S50，再次判断采样电流I与设定的最小电流值I_min之间的关系，若采样电流I不大于最小电流值I_min，则直流固态断路器处于正常状态；否则，跳转步骤S60；

步骤S60，通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂断开，直流固态断路器处于正常状态。

本发明的第三方面，提出了一种设备，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法。

本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法。

本发明的第四方面，提出了一种多端口拓展的直流固态断路器，基于上述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，该多端口拓展的直流固态短路器包括：

主通流支路开关S_mn和吸能通流支路开关S_n并联后的第一连接端作为多端口拓展的直流固态短路器的第n端口正极；

主通流支路开关S_mn和吸能通流支路开关S_n并联后的第二连接端连接至吸能支路开关S_n+1的第一连接端；

吸能支路开关S_n+1的第二连接端连接至吸能支路的第一连接端；

吸能支路的第二连接端作为多端口拓展的直流固态短路器的n个端口的负极；

多端口拓展的直流固态短路器的第n端口正极和多端口拓展的直流固态短路器的第n端口负极之间设置有第n续流二极管。

本发明的有益效果：

(1)本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，结合了开关器件的低损耗高通流能力与高频开关特性，能够实现大电流的低损耗通流、故障电流的双向开断以及负载的软起动控制等多种功能。当直流输电系统处于稳态时，本发明的直流固态断路器相比于传统固态断路器损耗更小，更适用于大电流的通流。当出现短路故障时，本发明的直流固态断路器可以快速实现双向故障开断功能，故障发生在任何一侧都可以完成开断，从而避免故障的扩大化。当接入容性负载时，本发明的直流固态断路器可以依靠开关器件的高开关频率实现负载的软起动，避免涌流所造成的断路器误动作。本发明的直流固态断路器对其自我保护以及输电系统的安全可靠运行具有重要意义。

(2)本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，对多种功能的综合控制进行了优化，通过提取线路电流信号来对短路故障和负载涌流进行综合判断。利用一套控制系统和流程来进行双向开断和软起动，一方面可以简化控制过程，降低控制难度，另一方面也可以降低涌流造成断路器误动作的可能性，最大程度的兼顾开断可靠性和功能集成度。

(3)本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，双向开断过程和软起动过程都是利用电流旁路原理，在非主支路上对过电流进行处理，在系统稳态时，断路器对外电路而言相当于被旁路，不会对直流系统的暂态响应特性、稳定性、传输效率等方面带来不利影响。同时，整个装置使用无源器件较少，集成度较高，可实现装置的小型化和轻量化。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器的结构示意图；

图2是本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器一种实施例的电路结构图；

图3是本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法一种实施例的双向开断与软起动综合控制流程示意图；

图4是本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法一种实施例的稳态和故障暂态示意图；

图5是本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法一种实施例的软起动右侧涌流示意图；

图6是本发明多端口拓展的直流固态断路器一种实施例的3端口直流固态断路器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的一种具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，该直流固态断路器包括以下模块：

线路电流检测及控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

开关通断驱动器，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃，用于在开关通断驱动器的驱动下导通或断开，其状态包括：

主通流支路开关S_m导通且吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃断开，实现直流固态断路器电源侧的直流电源和负载侧的负载之间的通路；

主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁断开且吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃导通，或者主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₂断开且吸能通流支路开关S₁和吸能支路开关S₃导通，直流固态断路器中的左侧故障时产生的故障电流，或者右侧故障时产生的故障电流被吸能支路吸收，实现直流固态断路器故障状态的双向开断；

主通流支路开关S_m断开、吸能支路开关S₃导通且吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂高频通断，直流固态断路器中的涌流通过吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂传递至负载，实现直流负载的软起动；所述涌流为直流固态断路器所在系统接入大容量容性负载时，对系统输入的大于设定阈值的初始充电电流；

吸能支路，用于在相应状态吸收直流固态断路器中的故障电流。

为了更清晰地对本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，主要利用主通流支路开关S_m器件的低导通损耗和高通流能力，并结合电流旁路原理对负载起动时固态断路器的动作进行优化，包括线路电流检测及控制器、开关通断驱动器、主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂、吸能支路开关S₃和吸能支路，各模块详细描述如下：

线路电流检测及控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号。

开关通断驱动器，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃的导通或断开。

主通流支路开关S_m的第一连接端与直流固态断路器电源侧的直流电源的正极连接到端点a，第二连接端与直流固态断路器负载侧的负载的正极连接到端点b；吸能通流支路开关S₁的第一连接端连接至端点a，吸能通流支路开关S₂的第二连接端连接至端点b，吸能通流支路开关S₁的第二连接端、吸能通流支路开关S₂的第一连接端和吸能支路开关S₃的第一连接端均连接到端点e；吸能支路开关S₃的第二连接端、吸能支路的第一连接端均连接到端点d；吸能支路的第二连接端、直流固态断路器电源侧的直流电源的负极、直流固态断路器负载侧的负载的负极均连接到端点c；线路电流检测及控制器的输入端连接到端点a，输出端连接到开关通断驱动器的输入端，开关通断驱动器的输出端连接到主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃的控制端。

此处的连接关系中，直流电源的正极和负极以及负载的正极和负极的位置仅是为了描述方便设定的，实际应用中，可以将直流电源设置于左侧、负载设置于右侧，也可以反过来将负载设置于左侧、直流电源设置于右侧。

主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃，用于在开关通断驱动器的驱动下导通或断开，其状态包括：

主通流支路开关S_m导通且吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃断开，实现直流固态断路器电源侧的直流电源和负载侧的负载之间的通路；

主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁断开且吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃导通，或者主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₂断开且吸能通流支路开关S₁和吸能支路开关S₃导通，直流固态断路器中的左侧故障时产生的故障电流，或者右侧故障时产生的故障电流被吸能支路吸收，实现直流固态断路器故障状态的双向开断；

主通流支路开关S_m断开、吸能支路开关S₃导通且吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂高频通断，直流固态断路器中的涌流通过吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂传递至负载，实现直流负载的软起动；所述涌流为直流固态断路器所在系统接入大容量容性负载时，对系统输入的大于设定阈值的初始充电电流。

双向主通流支路开关S_m为低损耗全控型半导体器件(通常情况下，选用双向IGCT阀组作为主通流支路开关S_m，在一些实施例中，也可以根据需要选择其他的低损耗全控型半导体器件，本发明在此不一一详述)，在系统无故障时通流大电流，可充分发挥该半导体器件通态压降低，通流能力强的优点。

半导体器件及其反并联二极管(即第一续流二极管和第二续流二极管：第一续流二极管的阴极连接至端点a，阳极连接至端点c，第二续流二极管的阴极连接至端点b，阳极连接至端点c)组成的双向吸能通流支路开关S₁和S₂(吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂为双向IGBT开关)一方面可将短路故障电流旁路至吸能支路，另一方面在负载突然接入时可控制涌流，进而实现负载的软起动。

吸能支路开关S₃(吸能支路开关S₃为双向IGBT开关)用于开断和涌流流入时吸能支路的接入控制，可为全控型器件、半控型器件或全控型器件与半控型器件的混联。

同时控制双向主通流支路开关S_m和吸能支路开关S₃，可实现故障电流的旁路操作，同时控制控制双向主通流支路开关S_m、双向吸能通流支路开关S₁和S₂、吸能支路开关S₃三者，可实现负载的软起动。

吸能支路，用于在相应状态吸收直流固态断路器中的故障电流。

吸能支路包括缓冲电阻Rs、吸收电容Cs和避雷器MOV(避雷器MOV为ZnO避雷器，即氧化锌避雷器)：

缓冲电阻Rs的一端、吸收电容Cs的一端和避雷器MOV的一端连接到一起作为吸能支路的第一连接端；

缓冲电阻Rs的另一端、吸收电容Cs的另一端和避雷器MOV的另一端连接到一起作为吸能支路的第二连接端。

吸能支路基于RC缓冲吸收电路，通过缓冲电阻Rs和吸收电容Cs的合理取值可有效降低dV/dt的值，以此避免可能在主支路开关上出现的高电压振荡，同时并联ZnO避雷器MOV，用于电力电子开关的过电压保护和开断过程的吸能。

如图2所示，为本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器一种实施例的电路结构图，包括：直流电源V_DC、线路电感L_line、双向IGCT阀组S_m、负载R_load和L_load、双向IGBT支路S₁和S₂、IGBT开关S₃、缓冲电阻R_s、吸收电容C_s、ZnO避雷器MOV、续流二极管D₁和D₂。直流电源V_DC为整个系统供电，线路电感L_line代表线路和杂散电感的总和，双向IGCT阀组S_m接入到主支路当中，并与负载R_load和L_load串联。直流电源V_DC、线路电感L_line、双向IGCT阀组S_m与负载R_load和L_load构成系统正常工作时的主通流支路。缓冲电阻R_s、吸收电容C_s、ZnO避雷器MOV三者并联，再与IGBT开关S₃串联，构成单独的吸能支路。吸能支路与双向IGBT支路S₁和S₂在左右两侧串联后再并联在直流电源V_DC和线路电感L_line两端以及负载两端，在开断和软起动过程中起着缓冲和吸能的作用。续流二极管D₁和D₂与吸能支路并联，同样并联在直流电源V_DC和线路电感L_line两端以及负载两端，在开断过程中进行双向续流。

当系统处于稳态时，直流电源V_DC通过主通流支路为负载供电，电流流通路径为:V_DC→L_line→S_m→R_load和L_load。作为主支路开关的双向IGCT阀组S_m在流通系统电流时，可发挥IGCT器件通态压降小，通流能力强的特点，相比与其他固态断路器可大大降低损耗。

当系统发生短路故障时，进入短路故障暂态。控制器收到故障信号后，识别过电流I＞I_max，迅速判定短路故障发生，先控制吸能支路上的IGBT开关S₃导通，随后再控制主支路开关S_m关断。在S_m关断后，故障电流将不再流经主通流支路，而是流经与双向IGBT支路S₁和S₂反并联的二极管和吸能支路IGBT开关，被旁路至吸能支路。在故障电流被转移至吸能支路后，负载中由于电感L_load的存在而残余的电流将由续流二极管支路续流，直至残余电流降至0。同时，系统故障电流在吸能支路中，首先流经吸收电容C_s，相当于给电容C_s充电，该吸收电容的存在可以显著限制主支路开关S_m两端电压的上升速率

进而减小开关器件栅极发生电压振荡的可能性。吸收电容C_s两端电压随着充电的进行而增大，当电压达到ZnO避雷器MOV的钳位电压时，触发MOV动作进入电压钳位状态，MOV开始发挥吸能作用，故障电流开始减小。当故障电流减至MOV的泄露电流时，MOV的电压恢复至标称电压，吸能过程结束，短路故障电流被开断。

当系统接入容性负载产生涌流时，进入软起动暂态。控制器收到故障信号后，识别过电流I_min＜I＜I_max，迅速判定为非短路故障，先控制吸能支路上的IGBT开关S₃导通，随后再控制主支路开关S_m关断。在S_m关断的同时，开始控制相应的吸能通流支路开关S₁或S₂进行高频通断，使过电流在流入系统和被吸能支路吸收之间切换。此时V_DC、L_line、S₁或S₂、S₃、R_s和C_s、D₁或D₂、容性负载之间构成Buck降压电路，利用PWM高频通断的方法可显著降低流入系统的过电流。在Buck电路工作时间达到设定的限流时间t_lim时，控制器再次检测线路电流，若此时的电流依旧大于I_min，则关断相应的吸能通流支路开关S₁或S₂，过电流被转移至吸能支路直至被开断，若此时的电流小于I_min，判定系统恢复正常，控制主支路开关S_m导通，电流正常流过主支路，完成软起动过程。

本发明第二实施例的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法，如图3所示，基于上述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，该方法包括：

步骤S10，系统启动后，线路电流检测及控制器进行线路电流信号采样与检测，判断采样电流I与设定的最大电流值I_max之间的关系；

步骤S20，若采样电流I大于最大电流值I_max，则通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，直流固态断路器进入双向开断控制；否则，跳转步骤S30；

步骤S30，判断采样电流I与设定的最小电流值I_min之间的关系，若采样电流I不大于最小电流值I_min，则直流固态断路器处于正常状态；否则，跳转步骤S40；

步骤S40，通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂高频通断，直流固态断路器进入软起动控制直至达到设定的限流时间t_lim；

步骤S50，再次判断采样电流I与设定的最小电流值I_min之间的关系，若采样电流I不大于最小电流值I_min，则直流固态断路器处于正常状态；否则，跳转步骤S60；

步骤S60，通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂断开，直流固态断路器处于正常状态。

控制器基于电流检测信号，首先对过电流进行综合判断，再根据判断结果来控制开关器件的通断。对于短路故障电流和负载涌流而言，两者最大的区别在于，涌流持续时间远小于短路电流，一般只有几个ms，且电流上升幅值小于短路电流。基于上述两点，在综合判断上，可设置两个电流阈值I_max和I_min，当过电流I＞I_max时，控制器判定系统发生短路故障，或极端情况下的大电容负载接入，直接进行双向开断控制，控制吸能支路开关导通，故障电流流入吸能支路，直至最后被开断。当I_min＜I＜I_max时，控制器首先进入软起动控制，导通吸能支路开关和相应的吸能通流支路开关，并利用吸能通流支路开关的高开关频率进行限流。给定一个限流延时时间t_lim，在限流时间达到t_lim后，若电流减小至正常系统电流，认为系统发生涌流并已恢复正常状态，此时可重新导通主通流支路开关S_m，系统恢复正常，若电流在限流之后依旧维持大于I_min，认为系统发生短路故障，或者持续性涌流，启动双向开断控制，关断吸能通流支路开关，由吸能支路完全吸收故障电流。

通过上述的综合控制流程，本发明只需要一套控制系统即可实现双向开断和软起动两种功能的集成，降低了控制难度和控制成本，同时也降低了涌流造成断路器误动作的可能性，能最大程度的兼顾开断可靠性和功能集成度。

下面结合附图具体说明本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器的双向开断控制策略和软起动功能控制策略。

如图4所示，为本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法一种实施例的稳态和故障暂态示意图，图4上图为直流固态断路器稳态时的电流通路，此时，主通流支路开关S_m处于导通状态，正常导通系统电流，吸能支路开关S₃处于关断状态，吸能支路被旁路，固态断路器对系统不产生影响。一旦发生短路故障，固态断路器将进入短路故障暂态，以系统右侧发生短路故障为例，如图4中图所示，控制器判定短路故障之后，先控制吸能支路开关S₃导通，再控制主通流支路开关S_m关断。当S_m成功关断后，故障电流将流经与双向吸能通流支路开关S₁反并联的二极管，并转移至吸能支路，主支路将被旁路，故障电流最后由吸能支路进行吸能和开断。如图4下图所示，当系统左侧发生短路故障时，控制策略与系统右侧发生故障时一致，故障电流在流经与双向吸能支路开关S₂反并联的二极管后被转移至吸能支路，直至最后被开断。各不同状态下的电流通路详见附图4中加粗部分。

如图5所示，为本发明具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法一种实施例的软起动右侧涌流示意图，从图4上图的直流固态断路器稳态到大容量容性负载接入，固态断路器将进入软起动暂态，以系统右侧涌入涌流为例，控制器判定涌流流入后，先控制吸能支路开关S₃导通，再控制主通流支路开关S_m关断，同时对吸能通流支路开关S₁进行控制。当S_m成功关断后，故障电流的流通路径将完全取决于吸能通流支路开关S₁的通断状态。当吸能通流支路开关S₁关断时，如图5上图所示，涌流将流经与吸能通流支路开关S₂反并联的二极管后再流入至吸能支路，过大的涌流将被吸收支路所吸收，相当于负载被开断。当吸能通流支路开关S₁导通时，如图5下图所示，涌流将直接流过双向吸能通流支路开关S₁和S₂，相当于负载接入到系统当中。利用吸能通流支路开关S₁中开关器件的高频率开关特性，通过S₁的高频通断可控制涌流的接入和吸收，进而实现类似PWM限流的作用，既可保证负载能够接入到系统当中，又能限制流入系统的涌流大小，实现负载的软起动功能。两种状态下电流通路详见附图5中加粗部分。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器及控制方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种设备，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法。

本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器控制方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明第五实施例的一种多端口拓展的直流固态断路器，基于上述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，该多端口拓展的直流固态短路器包括：

主通流支路开关S_mn和吸能通流支路开关S_n并联后的第一连接端作为多端口拓展的直流固态短路器的第n端口正极；

主通流支路开关S_mn和吸能通流支路开关S_n并联后的第二连接端连接至吸能支路开关S_n+1的第一连接端；

吸能支路开关S_n+1的第二连接端连接至吸能支路的第一连接端；

吸能支路的第二连接端作为多端口拓展的直流固态短路器的n个端口的负极；

多端口拓展的直流固态短路器的第n端口正极和多端口拓展的直流固态短路器的第n端口负极之间设置有第n续流二极管。

多端口拓展的直流固态短路器的每一个端口都可以是直流电源端或负载端，也可以任意多个端口作为直流电源端，其余端口作为负载端，需要注意的是，多端口拓展的直流固态短路器的所有端口中必须至少存在一个直流电源端口和一个负载端口。

如图6所示，为本发明多端口拓展的直流固态断路器一种实施例的3端口直流固态断路器的结构示意图，主通流支路开关S_m1和吸能通流支路开关S₁并联，其并联后的第一连接端作为第1端口(Line1)的正极，主通流支路开关S_m2和吸能通流支路开关S₂并联，其并联后的第一连接端作为第2端口(Line2)的正极，主通流支路开关S_m3和吸能通流支路开关S₃并联，其并联后的第一连接端作为第3端口(Line3)的正极，主通流支路开关S_m1和吸能通流支路开关S₁并联、主通流支路开关S_m2和吸能通流支路开关S₂并联以及主通流支路开关S_m3和吸能通流支路开关S₃并联后的第二连接端全部连接到一起后，与吸能支路开关S₄的第一连接端连接，吸能支路开关S₄的第二连接端连接到吸能支路的第一连接端，吸能支路的第二连接端作为3端口直流固态断路器的3个端口的负极，并且各端口的正极和负极之间设置有相应的续流二极管，第1续流二极管的阳极连接至第1端口的负极，阴极连接至第1端口的正极，第2续流二极管的阳极连接至第2端口的负极，阴极连接至第2端口的正极，第3续流二极管的阳极连接至第1端口的负极，阴极连接至第3端口的正极。

该结构可实现三端直流输电系统的故障开断与负载软起动。当三端当中有任何一端发生故障时，及时导通公共的吸能支路开关S₄，在故障侧的主通流支路开关断开后，故障电流可被吸能支路吸收，其余两侧保持原有供电状态，故障开断完成。当三端当中有任何一端接入容性负载时，吸能支路开关S₄导通，并控制其余两侧的吸能通流支路开关进行高频通断，流入主通流支路的电流类似PWM波形，完成主动限流，实现软起动功能。

多端口拓展的直流固态短路器，其控制过程与上述的3端口直流固态断路器控制过程类似，当n端当中有任何一端发生故障时，及时导通公共的吸能支路开关S_n+1，在故障侧的主通流支路开关断开后，故障电流可被吸能支路吸收，其余侧保持原有供电状态，故障开断完成。当n端当中有任何一端接入容性负载时，吸能支路开关S_n+1导通，并控制其余侧的吸能通流支路开关进行高频通断，流入主通流支路的电流类似PWM波形，完成主动限流，实现软起动功能。

本发明一个实施例中，将多端口拓展的直流固态断路器应用于多端柔性直流输电，多端柔性直流输电不分电源和负载，只有调压站和调功站的概念，调压站可以等效为恒压电源，调功站分正负，正为输出功率，相当于直流电源，负为输入功率，相当于负载，一个柔性直流输电系统必须至少有一个调压站和一个调功站。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，其特征在于，该直流固态断路器包括以下模块：

线路电流检测及控制器，用于检测直流固态断路器的电路状态，并根据线路状态生成相应的开关通断驱动信号；

开关通断驱动器，用于根据所述开关通断驱动信号驱动主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃的导通或断开；

主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃，用于在开关通断驱动器的驱动下导通或断开，其状态包括：

主通流支路开关S_m导通且吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃断开，实现直流固态断路器电源侧的直流电源和负载侧的负载之间的稳态通路；

主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁断开且吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃导通，或者主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₂断开且吸能通流支路开关S₁和吸能支路开关S₃导通，直流固态断路器中的左侧故障时产生的故障电流，或者右侧故障时产生的故障电流被吸能支路吸收，实现直流固态断路器故障状态的双向开断；

主通流支路开关S_m断开、吸能支路开关S₃导通且吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂高频通断，直流固态断路器中的涌流通过吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂传递至负载，实现直流负载的软起动；所述涌流为直流固态断路器所在系统接入大容量容性负载时，对系统输入的大于设定阈值的初始充电电流；

吸能支路，用于在相应状态吸收直流固态断路器中的故障电流；

其中，所述直流固态断路器，其双向开断与软起动控制方法为：

步骤S10，系统启动后，线路电流检测及控制器进行线路电流信号采样与检测，判断采样电流I与设定的最大电流值I_max之间的关系；

步骤S20，若采样电流I大于最大电流值I_max，则通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，直流固态断路器进入双向开断控制；否则，跳转步骤S30；

步骤S30，判断采样电流I与设定的最小电流值I_min之间的关系，若采样电流I不大于最小电流值I_min，则直流固态断路器处于正常状态；否则，跳转步骤S40；

步骤S40，通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂高频通断，直流固态断路器进入软起动控制直至达到设定的限流时间t_lim；

步骤S50，再次判断采样电流I与设定的最小电流值I_min之间的关系，若采样电流I不大于最小电流值I_min，则直流固态断路器处于正常状态；否则，跳转步骤S60；

步骤S60，通过开关通断驱动器控制吸能支路开关S₃导通，吸能通流支路开关S₁和吸能通流支路开关S₂断开，直流固态断路器处于正常状态。

2.根据权利要求1所述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，其特征在于，所述直流固态断路器，其模块连接关系为：

所述主通流支路开关S_m的第一连接端与直流固态断路器电源侧的直流电源的正极连接到端点a，第二连接端与直流固态断路器负载侧的负载的正极连接到端点b；

所述吸能通流支路开关S₁的第一连接端连接至端点a，所述吸能通流支路开关S₂的第二连接端连接至端点b，所述吸能通流支路开关S₁的第二连接端、吸能通流支路开关S₂的第一连接端和吸能支路开关S₃的第一连接端均连接到端点e；

所述吸能支路开关S₃的第二连接端、吸能支路的第一连接端均连接到端点d；

所述吸能支路的第二连接端、直流固态断路器电源侧的直流电源的负极、直流固态断路器负载侧的负载的负极均连接到端点c；

所述线路电流检测及控制器的输入端连接到端点a，输出端连接到开关通断驱动器的输入端，开关通断驱动器的输出端连接到主通流支路开关S_m、吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃的控制端。

3.根据权利要求2所述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，其特征在于，所述直流固态断路器还包括第一续流二极管和第二续流二极管；

所述第一续流二极管的阴极连接至端点a，阳极连接至端点c；

所述第二续流二极管的阴极连接至端点b，阳极连接至端点c。

4.根据权利要求1所述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，其特征在于，所述吸能支路包括缓冲电阻Rs、吸收电容Cs和避雷器MOV；

所述缓冲电阻Rs的一端、所述吸收电容Cs的一端和所述避雷器MOV的一端连接到一起作为吸能支路的第一连接端；

所述缓冲电阻Rs的另一端、所述吸收电容Cs的另一端和所述避雷器MOV的另一端连接到一起作为吸能支路的第二连接端。

5.根据权利要求1所述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，其特征在于，所述主通流支路开关S_m为双向IGCT阀组。

6.根据权利要求1所述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，其特征在于，所述吸能通流支路开关S₁、吸能通流支路开关S₂和吸能支路开关S₃为IGBT开关。

7.一种多端口拓展的直流固态断路器，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的具有双向开断和软起动功能的直流固态断路器，该多端口拓展的直流固态短路器包括：

主通流支路开关S_mn和吸能通流支路开关S_n并联后的第一连接端作为多端口拓展的直流固态短路器的第n端口正极；

主通流支路开关S_mn和吸能通流支路开关S_n并联后的第二连接端连接至吸能支路开关S_n+1的第一连接端；

吸能支路开关S_n+1的第二连接端连接至吸能支路的第一连接端；

吸能支路的第二连接端作为多端口拓展的直流固态短路器的n个端口的负极；

多端口拓展的直流固态短路器的第n端口正极和多端口拓展的直流固态短路器的第n端口负极之间设置有第n续流二极管。

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