CN114172129B - 可双向开断和软起动的混合器件固态断路器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固态断路器领域，具体涉及了一种可双向开断和软起动的混合器件固态断路器及控制方法，旨在解决现有固态断路器无法在实现快速反应的同时实现高可靠性双向开断以及功能集成的问题。本发明包括：主通流支路半控器件组和全控器件均导通，系统稳态通流；发生故障时关闭相应全控器件，达到避雷器动作电压后将避雷器接入系统，导通换流支路，故障电流转至换流支路，半控器件组关断，再关断换流支路，故障电流转至吸能支路进行吸能，直至固态断路器安全断开；接入容性负载时，在半控器件组关断后，高频通断换流支路的相应开关，涌流在换流支路和吸能支路之间切换直至软起动成功。本发明低损耗、快速开断，结构简单，集成功能多、安全性高。

Description

可双向开断和软起动的混合器件固态断路器及控制方法

技术领域

本发明属于固态断路器领域，具体涉及了一种可双向开断和软起动的混合器件固态断路器及控制方法。

背景技术

直流输电系统具有高效率、低损耗、控制性能优良的优点，近年来得到快速发展。但同样由于直流系统惯性小，阻抗低，造成故障电流上升率高，且缺乏自然电流零点，使得直流系统面临更加严峻的故障开断形势，现有的固态断路器越来越难以满足直流系统在故障开断上的需求。

目前已有的固态断路器拓扑主要分为混合型和纯固态型，两种类型的固态断路器在开断速度和高可靠性上都只能做到有所侧重，难以实现完全兼顾。利用混合器件来综合混合型断路器高可靠性和纯固态断路器快速开断的特点，是近来固态断路器研究的热点。其主要思路是利用两种不同性质电力电子器件的特点，来弥补现有两种类型固态断路器的缺点。

固态断路器的另一大发展趋势是智能化、集成化和最优化，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，是断路器研究的一大方向。对于固态断路器而言，电力电子器件的开关特性是实现功能集成的一大优势，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。

XU,X.等人基于混合器件的思路，提出了一种混合器件的固态断路器[1]，利用两种不同的电力电子器件在一定程度上兼顾了开断的快速性和可靠性。Shu,J.等人提出的Z源断路器[2]，同样利用混合式器件的思路进行故障开断，同时也可以主动控制和中断故障电流或者工作电流。

Zhou,Y.等人基于NaG器件提出了一种三模智能固态断路器[3]，该断路器可将过电流情况分为三种模态，且能够实现双向开断和软起动。

然而，已有的混合器件固态断路器依旧还处在初步研究阶段，相应功能还在探索当中，并不能实现对快速开断和高可靠开断的完全兼顾。同时，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。现有的混合器件固态断路器拓扑仍需进行优化，功能集成度仍需拓展。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]Xu,X.,Chen,W.,Liu,C.,and et al:‘An Efficient and Reliable Solid-State Circuit Breaker Based on Mixture Device’,IEEE Transactions on PowerElectronics.,vol.36,no.9,pp.9767-9771,2021.

[2]Shu,J.,Wang,S.,Ma,J.,and et al:‘An Active Z-Source DC CircuitBreaker Combined With SCR and IGBT’,IEEE Transactions on Power Electronics.,vol.35,no.10,pp.10003-10007,2020.

[3]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，即现有固态断路器无法在实现快速反应的同时实现高可靠性双向开断以及功能集成的问题，本发明提供了一种可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，该固态断路器包括：

线路电流检测及控制器，用于检测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的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关S3的导通或断开；

主通流支路的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关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：

主流通支路的全控器件S1导通，其对应的半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3和半控器件组G4均导通，实现固态断路器双向电流通流的稳态通路；

系统右侧发生短路故障，关断所述主通流支路的全控器件S1：当所述全控器件S1两端的电压升高至所述主通流支路的避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1接入系统，故障电流流入避雷器MOV1；导通换流支路的开关S3，故障电流流入至换流支路，所述半控器件组G1和所述半控器件组G3承受反压并断开；控制换流支路的开关S3断开，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流流入所述吸能支路的避雷器MOV2进行吸能，实现固态断路器的右侧故障关断；

系统左侧发生短路故障，关断所述主通流支路的全控器件S1：当所述全控器件S1两端的电压升高至所述主通流支路的避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1接入系统，故障电流流入避雷器MOV1；导通换流支路的开关S2，故障电流流入至换流支路，所述半控器件组G2和所述半控器件组G4承受反压并断开；控制换流支路的开关S2断开，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流流入所述吸能支路的避雷器MOV2进行吸能，实现固态断路器的左侧故障关断；

系统右侧接入容性负载，控制所述主通流支路的全控器件S1关断，在全控器件S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，导通所述换流支路的开关S3，断开所述主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3，主通流支路完全断开；控制换流支路的开关S3进行高频通断，涌流在所述换流支路和所述吸能支路吸收之间切换，降低流入系统的过电流；当系统电流被限流至设定过电流阈值以下，控制主通流支路的半控器件组G1、半控器件组G3和全控器件S1重新导通，电流正常流过主通流支路，实现固态断路器的右侧容性负载接入软起动；

系统左侧接入容性负载，控制所述主通流支路的全控器件S1关断，在全控器件S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，导通所述换流支路的开关S2，断开所述主通流支路的半控器件组G2和半控器件组G4，主通流支路完全断开；控制换流支路的开关S2进行高频通断，涌流在所述换流支路和所述吸能支路吸收之间切换，降低流入系统的过电流；当系统电流被限流至设定过电流阈值以下，控制主通流支路的半控器件组G2、半控器件组G4和全控器件S1重新导通，电流正常流过主通流支路，实现固态断路器的左侧容性负载接入软起动。

在一些优选的实施例中，所述半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3和半控器件组G4均为一组串联的低损耗半控型半导体器件。

在一些优选的实施例中，所述换流支路的开关S2和开关S3均为IGBT组。

在一些优选的实施例中，所述固态断路器，其模块连接关系为：

所述主通流支路的第一连接端、所述换流支路的第一连接端、所述吸能支路的第一连接端一起连接至电源侧的直流电源；

所述主通流支路的第二连接端、所述换流支路的第二连接端、所述吸能支路的第二连接端一起连接至负载侧的负载；

所述线路电流检测及控制器的输入端连接至电源侧的直流电源，输出端连接至所述开关通断驱动器的输入端；

所述开关通断驱动器的输出端连接至主通流支路的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关S3的控制端。

在一些优选的实施例中，所述主通流支路包括全控器件S1、半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3、半控器件组G4和避雷器MOV1；

所述半控器件组G1的输入端和半控器件组G4的输出端连接到一起作为所述主通流支路的第一连接端；

所述半控器件组G2的输入端和半控器件组G3的输出端连接到一起作为所述主通流支路的第二连接端；

所述半控器件组G1的输出端和半控器件组G2的输出端一起连接至所述全控器件S1的第一连接端和所述避雷器MOV1的第一连接端；

所述半控器件组G4的输入端和半控器件组G3的输入端一起连接至所述全控器件S1的第二连接端和所述避雷器MOV1的第二连接端。

在一些优选的实施例中，所述主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3的通流方向相同，所述主通流支路的半控器件组G2和半控器件组G4的通流方向相同。

在一些优选的实施例中，所述换流支路的开关S2和开关S3为反向串联关系；

所述开关S2的阴极作为所述换流支路的第一连接端，所述开关S3的阴极作为所述换流支路的第二连接端；

所述开关S2的阳极和所述开关S3的阳极连接到一起。

在一些优选的实施例中，所述吸能支路包括避雷器MOV2；

所述避雷器MOV2用于在相应的状态下进行故障电流/容性负载涌流的吸能。

本发明的另一方面，提供了一种可双向开断和软起动的混合器件固态断路器的控制方法，基于上述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，该控制方法包括：

步骤S10，设定过电流阈值I₁和故障电流阈值I₂，将实时获取的线路电流检测结果记作I；

步骤S20，若I＜I₁，则系统处于稳态通路状态；若I₁≤I≤I₂，则线路电流为过电流，系统进入软起动暂态；若I大于I₂，则线路电流为短路故障电流，系统进入故障关断暂态。

在一些优选的实施例中，所述控制方法还包括系统软起动暂态恢复稳态的步骤：

当系统进入软起动暂态后，间隔t_lim时间后再次获取线路电流检测结果I'，若I'≥I₁，则系统软起动不成功，系统转为故障关断暂态，关断后重新进行系统起动；若I'＜I₁，则系统软起动成功，系统转为稳态通路状态；

其中，t_lim为预设的软起动持续时间阈值。

本发明的有益效果：

(1)本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，将半控型器件的优势和全控型器件的优势相结合，既能够实现大电流的低损耗通流，又可以对故障电流进行快速可靠双向开断，最大程度的兼顾了故障双向开断的快速性、可靠性和低损耗要求。

(2)本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，对多种功能进行了集成，在故障开断的基础上加入了负载软起动的功能，使断路器能够准确区分短路故障电流和负载涌流，降低了断路器误动作的可能性，提高了装置工作的可靠性，保证输电系统的安全可靠运行。

(3)本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，在系统正常时通流的半控型器件数量远多于全控型器件，相比于全部使用全控型器件可大大降低导通损耗。同时整个故障开断过程都利用支路换流原理换流至其他支路完成，对主支路带来的影响很小，这有利于系统在故障或涌流后的重合闸和快速恢复。

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是本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器的结构示意图；

图2是本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器一种实施例的正向稳态通路示意图；

图3是本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器一种实施例的系统右侧故障关断过程/系统右侧容性负载接入软起动过程示意图；

图4是本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器一种实施例的基于晶闸管和IGBT混合器件的固态断路器拓扑结构图。

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。

本发明提供一种可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，主要利用主通流支路半控器件的低导通损耗和全控器件的快速控制能力，并结合支路换流原理对混合器件固态断路器的动作进行优化，结构主要由桥式主通流支路(包括主通流支路半控器件组，主通流支路全控器件，避雷器MOV1)，换流IGBT组和吸能支路组成。本拓扑结构中，主通流支路半控器件组和全控器件共同构成了装置的主通流支路，为了实现双向通流，主通流支路的连接形式为桥式。主通流支路半控器件组G1-G4为一组串联的低损耗半控型半导体器件，G1和G3通流方向相同，G2和G4通流方向相同，在系统无故障时通流大电流，可充分发挥半控型器件通态压降低，通流能力强的优点。同时，在系统发生故障时承受大部分系统电压，可减少全控型器件使用的数量，其数量由系统电压等级所决定。主通流支路全控器件S1为全控型半导体器件，用于在故障发生时快速控制，对故障做出反应。避雷器MOV1用于保护全控器件S1。换流支路由换流IGBT组S2和S3组成，用于对故障电流进行双向换流，进而保证半控器件的顺利关断，IGBT组的高频通断可实现软起动功能。吸能支路由避雷器MOV2组成，用于故障电流的最终吸收。本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器除了具备一般断路器的开断功能，还集成了软起动功能，实现了断路器快速反应、高可靠性双向开断以及功能集成。

本发明的一种可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，该固态断路器包括：

线路电流检测及控制器，用于检测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的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关S3的导通或断开；

主通流支路的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关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：

主流通支路的全控器件S1导通，其对应的半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3和半控器件组G4均导通，实现固态断路器双向电流通流的稳态通路；

系统右侧发生短路故障，关断所述主通流支路的全控器件S1：当所述全控器件S1两端的电压升高至所述主通流支路的避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1接入系统，故障电流流入避雷器MOV1；导通换流支路的开关S3，故障电流流入至换流支路，所述半控器件组G1和所述半控器件组G3承受反压并断开；控制换流支路的开关S3断开，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流流入所述吸能支路的避雷器MOV2进行吸能，实现固态断路器的右侧故障关断；

系统左侧发生短路故障，关断所述主通流支路的全控器件S1：当所述全控器件S1两端的电压升高至所述主通流支路的避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1接入系统，故障电流流入避雷器MOV1；导通换流支路的开关S2，故障电流流入至换流支路，所述半控器件组G2和所述半控器件组G4承受反压并断开；控制换流支路的开关S2断开，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流流入所述吸能支路的避雷器MOV2进行吸能，实现固态断路器的左侧故障关断；

系统右侧接入容性负载，控制所述主通流支路的全控器件S1关断，在全控器件S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，导通所述换流支路的开关S3，断开所述主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3，主通流支路完全断开；控制换流支路的开关S3进行高频通断，涌流在所述换流支路和所述吸能支路吸收之间切换，降低流入系统的过电流；当系统电流被限流至设定过电流阈值以下，控制主通流支路的半控器件组G1、半控器件组G3和全控器件S1重新导通，电流正常流过主通流支路，实现固态断路器的右侧容性负载接入软起动；

系统左侧接入容性负载，控制所述主通流支路的全控器件S1关断，在全控器件S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，导通所述换流支路的开关S2，断开所述主通流支路的半控器件组G2和半控器件组G4，主通流支路完全断开；控制换流支路的开关S2进行高频通断，涌流在所述换流支路和所述吸能支路吸收之间切换，降低流入系统的过电流；当系统电流被限流至设定过电流阈值以下，控制主通流支路的半控器件组G2、半控器件组G4和全控器件S1重新导通，电流正常流过主通流支路，实现固态断路器的左侧容性负载接入软起动。

为了更清晰地对本发明可双向开断和软起动的混合器件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可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，各模块详细描述如下：

线路电流检测及控制器，用于检测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的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关S3的导通或断开。

本发明具有双向开断和负载软起动两种功能，两种功能都是基于控制开关器件来实现的，且都是对故障过电流进行处理，从控制的简便性角度考虑，可将两种功能的控制进行集成，用一套控制系统完成控制。

电流检测信号传递到控制器，再由控制器来判定故障类型并控制主通流支路全控器件S1、换流支路IGBT组S2和S3的驱动状态，进而控制故障电流的流向。控制器在完成过流故障检测的同时，也对开关器件的驱动状态进行实时监测。

主通流支路的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关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：

主流通支路的全控器件S1导通，其对应的半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3和半控器件组G4均导通，实现固态断路器双向电流通流的稳态通路。

如图2所示，为本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器一种实施例的正向稳态通路示意图，在电网稳态时，主通流支路半控器件组和全控器件均处于导通状态，正常导通系统电流，固态断路器对系统不产生影响。通流半控器件的数量多于全控器件，导通损耗相较于都使用全控器件通流时明显减小。

系统右侧发生短路故障，关断所述主通流支路的全控器件S1：当所述全控器件S1两端的电压升高至所述主通流支路的避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1接入系统，故障电流流入避雷器MOV1；导通换流支路的开关S3，故障电流流入至换流支路，所述半控器件组G1和所述半控器件组G3承受反压并断开；控制换流支路的开关S3断开，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流流入所述吸能支路的避雷器MOV2进行吸能，实现固态断路器的右侧故障关断。

一旦发生短路故障，固态断路器将进入短路故障暂态，如图3所示，为本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器一种实施例的系统右侧故障关断过程/系统右侧容性负载接入软起动过程示意图，

如图3上图所示，控制器判定短路故障之后，立即关断主通流支路全控器件S1，全控器件S1两端的电压随之迅速升高，当全控器件S1两端电压升高至避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1将接入系统用于保护全控器件S1，故障电流流入避雷器MOV1。

此时，导通换流支路的开关S2(即IGBT组开关S2)，如图3中图所示，故障电流将换流至换流支路，流经主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3的电流将降至0，同时在避雷器MOV1的钳位作用下，半控器件组G1和半控器件组G3将承受反压进而被关断，主通流支路完全断开。

在半控器件组G1和半控器件组G3可靠关断后，控制换流支路的开关S2关断，如图3下图所示，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流最后由避雷器MOV2进行吸能，直至最后被开断。

系统左侧发生短路故障，关断所述主通流支路的全控器件S1：当所述全控器件S1两端的电压升高至所述主通流支路的避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1接入系统，故障电流流入避雷器MOV1；导通换流支路的开关S2，故障电流流入至换流支路，所述半控器件组G2和所述半控器件组G4承受反压并断开；控制换流支路的开关S2断开，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流流入所述吸能支路的避雷器MOV2进行吸能，实现固态断路器的左侧故障关断。

负载涌流对于一次开/关模式的断路器来说通常难以判断，常造成断路器的误动作，降低了输电系统的工作可靠性。依赖于换流支路的IGBT组(即开关S2和开关S3)的高频通断能力，本发明可对涌流先进行限流操作，将涌流在非主通流支路上得到处理后，再接入主通流支路当中，进而实现负载的软起动。

系统右侧接入容性负载，控制所述主通流支路的全控器件S1关断，在全控器件S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，导通所述换流支路的开关S3，断开所述主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3，主通流支路完全断开；控制换流支路的开关S3进行高频通断，涌流在所述换流支路和所述吸能支路吸收之间切换，降低流入系统的过电流；当系统电流被限流至设定过电流阈值以下，控制主通流支路的半控器件组G1、半控器件组G3和全控器件S1重新导通，电流正常流过主通流支路，实现固态断路器的右侧容性负载接入软起动。

一旦有大容量容性负载接入，固态断路器将进入软起动暂态，以系统右侧接入容性负载为例，如图3上图和中图所示，控制器判定涌流流入后，首先控制主通流支路全控器件S1关断，在S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，再控制相应的换流支路的IGBT组S2导通，使主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3关断，主通流支路完全断开，这个过程与故障时的双向开断过程一致。

在主通流支路完全断开后，控制换流支路IGBT组S2进行高频通断，涌流在换流支路和吸能支路吸收之间切换，起到类似PWM限流的效果，可显著降低流入系统的过电流。当系统电流被限流至过电流阈值以下时，可认为装置软起动成功，此时控制主通流支路上的半控器件组G1、半控器件组G3和S1重新导通，电流正常流过主通流支路，系统恢复正常。

系统左侧接入容性负载，控制所述主通流支路的全控器件S1关断，在全控器件S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，导通所述换流支路的开关S2，断开所述主通流支路的半控器件组G2和半控器件组G4，主通流支路完全断开；控制换流支路的开关S2进行高频通断，涌流在所述换流支路和所述吸能支路吸收之间切换，降低流入系统的过电流；当系统电流被限流至设定过电流阈值以下，控制主通流支路的半控器件组G2、半控器件组G4和全控器件S1重新导通，电流正常流过主通流支路，实现固态断路器的左侧容性负载接入软起动。

半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3和半控器件组G4均为一组串联的低损耗半控型半导体器件，换流支路的开关S2和开关S3均为IGBT组。

固态断路器，其模块连接关系为：

主通流支路的第一连接端、换流支路的第一连接端、吸能支路的第一连接端一起连接至电源侧的直流电源；

主通流支路的第二连接端、换流支路的第二连接端、吸能支路的第二连接端一起连接至负载侧的负载；

线路电流检测及控制器的输入端连接至电源侧的直流电源，输出端连接至开关通断驱动器的输入端；

开关通断驱动器的输出端连接至主通流支路的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关S3的控制端。

主通流支路包括全控器件S1、半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3、半控器件组G4和避雷器MOV1：

半控器件组G1的输入端和半控器件组G4的输出端连接到一起作为主通流支路的第一连接端；

半控器件组G2的输入端和半控器件组G3的输出端连接到一起作为主通流支路的第二连接端；

半控器件组G1的输出端和半控器件组G2的输出端一起连接至全控器件S1的第一连接端和避雷器MOV1的第一连接端；

半控器件组G4的输入端和半控器件组G3的输入端一起连接至全控器件S1的第二连接端和避雷器MOV1的第二连接端。

主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3的通流方向相同，主通流支路的半控器件组G2和半控器件组G4的通流方向相同。

换流支路的开关S2和开关S3为反向串联关系：

开关S2的阴极作为换流支路的第一连接端，开关S3的阴极作为换流支路的第二连接端；

开关S2的阳极和开关S3的阳极连接到一起。

吸能支路包括避雷器MOV2，用于在相应的状态下进行故障电流/容性负载涌流的吸能。

如图4所示，为本发明可双向开断和软起动的混合器件固态断路器一种实施例的基于晶闸管和IGBT混合器件的固态断路器拓扑结构图，包括：线路电感L_line、双向晶闸管组G1-G4、IGBT开关S1、双向IGBT组S2和S3、ZnO避雷器MOV1和MOV2。线路电感L_line代表线路和杂散电感的总和，双向晶闸管组G1-G4和IGBT开关S1接在一起构成桥式回路，用于双向通流。线路电感L_line、晶闸管组G1、G3与IGBT开关S1构成系统正常工作时的一条主通流支路，线路电感L_line、晶闸管组G2、G4与IGBT开关S1构成系统正常工作时的另一条主通流支路。双向IGBT组S2和S3作为换流支路与桥式主通流支路并联，用于故障时对故障电流进行双向换流。避雷器MOV1并联在IGBT开关两端，起到保护IGBT器件的作用。MOV3作为吸能支路与换流支路并联，起到故障吸能的作用。

本发明的固态断路器中，可将系统的工作状态分为稳态、短路故障暂态、软起动暂态三种：

当系统处于稳态时，额定系统电流正常流过桥式主通流支路，两条主通流支路进行双向通流，电流流通路径为:L_line→G1→S1→G3或G2→S1→G4→L_line。作为主通流支路半控器件的双向晶闸管组G1-G4在流通系统电流时，可发挥晶闸管器件通态压降小，通流能力强的特点，相比与全部使用全控型器件可大大降低损耗。

当系统发生短路故障时，进入短路故障暂态。以系统右侧发生短路故障为例，控制器收到故障信号后，进行故障识别，并在故障识别完成后控制主通流支路上的IGBT开关S1关断。在S1关断后，S1两端的电压随之迅速升高。当S1两端电压升高至避雷器MOV1的动作电压时，MOV1将接入系统用于保护S1，故障电流将流入MOV1。此时导通换流支路IGBT组S2，故障电流将被换流至换流支路，流经晶闸管组G1和G3的电流将降至0。晶闸管组G1和G3的电流在降至0的同时，承受MOV1所带来的反压，晶闸管组G1和G3将关断，主通流支路完全断开。再关断换流支路上的IGBT组S2，故障电流被转移至吸能支路，MOV2发挥吸能作用，直至故障电流降至0，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。以系统右侧接入容性负载为例，控制器收到过流信号后，识别过电流I₁≤I≤I₂，迅速判定为非短路故障，先控制主通流支路上的IGBT开关S1导通，当S1两端电压达到MOV1的动作电压后，再控制相应的换流支路IGBT组S2导通，使主通流支路晶闸管组G1和G3关断。晶闸管组关断后，再控制S2进行高频通断，使涌流在换流支路和吸能支路吸收之间切换，起到类似PWM限流的效果，可显著降低流入系统的过电流。在限流时间达到阈值t_lim后，控制器再次检测线路电流，若此时的电流依旧大于过电流阈值I₁，则判定无法软起动，关断S2，涌流被转移至吸能支路直至被开断，若此时的电流小于过电流阈值I₁，判定软起动成功，系统恢复正常，控制主通流支路上的G1、G3和S1重新导通，电流正常流过主通流支路。

本发明第二实施例的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器的控制方法，基于上述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，该控制方法包括：

短路故障与负载涌流最大的区别在于过电流大小的不同，短路故障会在短时间内上升到额定电流十倍甚至更多的电流等级，而负载涌流上升幅度较短路故障较小，且持续时间短。控制器在识别故障电流类型时，可设置不同电流阈值，将进入控制器的电流分为三种情况，相应的有三种控制模式，控制器按照不同控制策略对开关器件进行控制：

步骤S10，设定过电流阈值I₁和故障电流阈值I₂，将实时获取的线路电流检测结果记作I；

步骤S20，若I＜I₁，表示线路电流不过电流，控制器不动作，系统处于稳态通路状态；若I₁≤I≤I₂，表示线路电流过电流，但并没有发生短路故障，判断为接入容性负载产生涌流，控制器控制系统进入软起动暂态；若I大于I₂，表示电流过电流，且为短路故障电流，控制器控制系统进入故障关断暂态。

控制器在识别短路故障电流和涌流的同时，还需识别涌流和持续性过电流，持续性过电流与涌流大小类似，但作用时间很长，可设置一时间阈值t_lim(即预设的软起动持续时间阈值)加以判断：

当当前线路电流检测结果为I₁≤I≤I₂，初步判定为系统接入容性负载产生涌流，控制器控制系统进入软起动暂态，间隔t_lim时间后再次获取线路电流检测结果I'，若此时的线路电流依旧为I'≥I₁，则系统软起动不成功，系统为持续性过电流，控制器控制系统转为故障关断暂态，关断后重新进行系统起动；若此时的线路电流为I'＜I₁，则系统软起动成功，系统转为稳态通路状态。

本发明装置的整套功能集成综合控制模式，根据设置不同的电流阈值和时间阈值完成了三种不同类型过电流的判定，只需一个控制器即可实现功能集成控制，控制难度和成本都得到降低。

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，上述实施例提供的可双向开断和软起动的混合器件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的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种电子设备，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可双向开断和软起动的混合器件固态断路器的控制方法。

本发明第四实施例的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可双向开断和软起动的混合器件固态断路器的控制方法。

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。

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 (8)

1.一种可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，其特征在于，该固态断路器包括：

主通流支路包括全控器件S1、半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3、半控器件组G4和避雷器MOV1：所述半控器件组G1的输入端和半控器件组G4的输出端连接到一起作为所述主通流支路的第一连接端；所述半控器件组G2的输入端和半控器件组G3的输出端连接到一起作为所述主通流支路的第二连接端；所述半控器件组G1的输出端和半控器件组G2的输出端一起连接至所述全控器件S1的第一连接端和所述避雷器MOV1的第一连接端；所述半控器件组G4的输入端和半控器件组G3的输入端一起连接至所述全控器件S1的第二连接端和所述避雷器MOV1的第二连接端；

换流支路包括开关S2和开关S3：所述开关S2的阴极作为所述换流支路的第一连接端；所述开关S3的阴极作为所述换流支路的第二连接端；所述开关S2的阳极和所述开关S3的阳极连接到一起；

线路电流检测及控制器，用于检测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的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关S3的导通或断开；

所述主通流支路的第一连接端、所述换流支路的第一连接端和吸能支路的第一连接端一起连接至电源侧的直流电源；所述主通流支路的第二连接端、所述换流支路的第二连接端和吸能支路的第二连接端一起连接至负载侧的负载；所述线路电流检测及控制器的输入端连接至电源侧的直流电源，输出端连接至所述开关通断驱动器的输入端；所述开关通断驱动器的输出端连接至主通流支路的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关S3的控制端；

主通流支路的全控器件S1、换流支路的开关S2和开关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：

主流通支路的全控器件S1导通，其对应的半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3和半控器件组G4均导通，实现固态断路器双向电流通流的稳态通路；

系统右侧发生短路故障，关断所述主通流支路的全控器件S1：当所述全控器件S1两端的电压升高至所述主通流支路的避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1接入系统，故障电流流入避雷器MOV1；导通换流支路的开关S3，故障电流流入至换流支路，所述半控器件组G1和所述半控器件组G3承受反压并断开；控制换流支路的开关S3断开，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流流入所述吸能支路的避雷器MOV2进行吸能，实现固态断路器的右侧故障关断；

系统左侧发生短路故障，关断所述主通流支路的全控器件S1：当所述全控器件S1两端的电压升高至所述主通流支路的避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1接入系统，故障电流流入避雷器MOV1；导通换流支路的开关S2，故障电流流入至换流支路，所述半控器件组G2和所述半控器件组G4承受反压并断开；控制换流支路的开关S2断开，故障电流将被转移至吸能支路，故障电流流入所述吸能支路的避雷器MOV2进行吸能，实现固态断路器的左侧故障关断；

系统右侧接入容性负载，控制所述主通流支路的全控器件S1关断，在全控器件S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，导通所述换流支路的开关S3，断开所述主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3，主通流支路完全断开；控制换流支路的开关S3进行高频通断，涌流在所述换流支路和所述吸能支路吸收之间切换，降低流入系统的过电流；当系统电流被限流至设定过电流阈值以下，控制主通流支路的半控器件组G1、半控器件组G3和全控器件S1重新导通，电流正常流过主通流支路，实现固态断路器的右侧容性负载接入软起动；

系统左侧接入容性负载，控制所述主通流支路的全控器件S1关断，在全控器件S1两端电压达到避雷器MOV1的动作电压后，导通所述换流支路的开关S2，断开所述主通流支路的半控器件组G2和半控器件组G4，主通流支路完全断开；控制换流支路的开关S2进行高频通断，涌流在所述换流支路和所述吸能支路吸收之间切换，降低流入系统的过电流；当系统电流被限流至设定过电流阈值以下，控制主通流支路的半控器件组G2、半控器件组G4和全控器件S1重新导通，电流正常流过主通流支路，实现固态断路器的左侧容性负载接入软起动。

2.根据权利要求1所述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，其特征在于，所述半控器件组G1、半控器件组G2、半控器件组G3和半控器件组G4均为一组串联的低损耗半控型半导体器件。

3.根据权利要求1所述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，其特征在于，所述换流支路的开关S2和开关S3均为IGBT组。

4.根据权利要求1所述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，其特征在于，所述主通流支路的半控器件组G1和半控器件组G3的通流方向相同，所述主通流支路的半控器件组G2和半控器件组G4的通流方向相同。

5.根据权利要求3所述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，其特征在于，所述换流支路的开关S2和开关S3为反向串联关系。

6.根据权利要求1所述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，其特征在于，所述吸能支路包括避雷器MOV2；

所述避雷器MOV2用于在相应的状态下进行故障电流/容性负载涌流的吸能。

7.一种可双向开断和软起动的混合器件固态断路器的控制方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器，该控制方法包括：

步骤S10，设定过电流阈值I₁和故障电流阈值I₂，将实时获取的线路电流检测结果记作I；

步骤S20，若I＜I₁，则系统处于稳态通路状态；若I₁≤I≤I₂，则线路电流为过电流，系统进入软起动暂态；若I大于I₂，则线路电流为短路故障电流，系统进入故障关断暂态。

8.根据权利要求7所述的可双向开断和软起动的混合器件固态断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括系统软起动暂态恢复稳态的步骤：

当系统进入软起动暂态后，间隔t_lim时间后再次获取线路电流检测结果I'，若I'≥I₁，则系统软起动不成功，系统转为故障关断暂态，关断后重新进行系统起动；若I'＜I₁，则系统软起动成功，系统转为稳态通路状态；

其中，t_lim为预设的软起动持续时间阈值。

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