CN114825290A - 一种低成本电力电子式交流无弧断路系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低成本电力电子式交流无弧断路系统，包括：三个相同独立的通流支路，其串入三相电力线路，用于导通三相负荷电流；一个三相共用的辅助支路，通过两个机械切换开关与三个通流支路分时并联连接，用于在开断、合闸以及重合闸过程中辅助导通电流；包括检测模块、控制模块以及驱动模块，分别用于检测三相电压和电流信息，控制三个相同独立的通流支路以及一个三相共用的辅助支路动作时序，驱动辅助支路功率半导体组件、机械切换开关的导通与关断。本发明还提供了一种低成本电力电子式交流无弧断路系统的控制方法。本发明通过三相共用一个辅助支路的方式，避免了三相均配置一个辅助支路，从而大幅降低了电力电子式固态交流断路器的成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子开关技术领域，特别涉及一种低成本电力电子式交流无弧断路系统及其控制方法。
背景技术
随着以新能源为主体的新型电力系统构建的推进以及光伏整县计划的实施，交流配网中新能源的占比将显著增大。新能源的波动性为配网中潮流与电压控制提出了挑战，此外，配网中潮流由传统单向性变为双向性进一步加剧了潮流控制的复杂性。电力电子化的主动配电网利用电压源换流器、DC/DC变换器等电力电子装备的控制灵活性，具备可观可控以及潮流优化管理等能力，已成为配网发展的主流方向。
主动配电网中电力电子设备较多，由于电力电子设备的故障电流耐受能力较弱，需要进行快速的保护。相比于常规机械开关，电力电子式固态开关可以实现机械操作机构和触头无弧化，以及开关的无噪声化成为研究热点。现阶段，三相系统中用交流电力电子式断路器需要三个相同的单相断路器独立串入三相电力线路中，导致造价昂贵，制约了电力电子式交流断路器的推广和应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提出一种低成本电力电子式交流无弧断路系统及其控制方法，通过三相共用一个辅助支路的方式，避免了三相均配置一个辅助支路，克服了现有技术中电力电子式交流断路器集成度低、体积大的缺陷，从而大幅降低了电力电子式固态交流断路器的成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种低成本电力电子式交流无弧断路系统，包括一次主电路模块以及二次检测、控制与驱动模块；
所述一次主电路模块包括：三个相同独立的通流支路，其串入三相电力线路，用于导通三相负荷电流；一个三相共用的辅助支路，通过两个机械切换开关与三个通流支路分时并联连接，用于在开断、合闸以及重合闸过程中辅助导通电流；
所述二次检测、控制与驱动模块包括检测模块、控制模块以及驱动模块，分别用于检测三相电压和电流信息，控制三个相同独立的通流支路以及一个三相共用的辅助支路动作时序，驱动辅助支路功率半导体组件、机械切换开关的导通与关断。
进一步的，当应用在低压交流系统场景时，所述通流支路包括机械开关；当应用在高压交流系统场景时，所述通流支路包括机械开关和电流转移模块，所述机械开关与电流转移模块串联。
进一步的，所述电流转移模块包括功率半导体器件。
进一步的，所述三相共用的辅助支路包括两个机械切换开关及功率半导体组件；所述功率半导体组件的两端分别串联连接一个机械切换开关，所述机械切换开关将功率半导体组件分时与三相的通流支路并联。
进一步的，所述功率半导体组件包括：全控型功率开关器件串联组件、MOV 耗能装置。
进一步的，所述全控型功率开关器件串联组件包括两组含反并联二极管的 IGBT串联组件，两组IGBT串联组件异向串联连接，所述MOV耗能装置分别与两组IGBT串联组件并联。
进一步的，所述功率半导体组件包括：IGBT串联组件、MOV耗能装置以及二极管桥式电路，所述IGBT串联组件包括若干个同向的IGBT串联而成，所述MOV耗能装置与IGBT串联组件的两端并联并连接于二极管桥式电路中。
进一步的，所述检测模块、控制模块以及驱动模块分别为三相电力系统相电压与相电流测量电路、断路器顺序控制电路、功率半导体器件与机械开关的驱动电路。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种采用如上述的低成本电力电子式交流无弧断路系统的控制方法，通过检测模块实时检测三相通流支路对应的三相电力线路是否故障，当检测到三相电力线路发生故障时，包括以下控制流程：
S1：导通共用辅助支路中机械切换开关，将共用辅助支路与电流最大的一相并联；
S2：导通辅助支路中功率半导体组件，将该故障相电流转移至共用辅助支路；
S3：当该相通流支路电流过零后，控制该相通流支路中的机械开关分闸；
S4：确保通流支路中机械开关达到暂态电压开距时，闭锁辅助支路中功率半导体组件实现电流关断；
S5：断开共用辅助支路中机械切换开关，并与剩余两相通流支路中的线路电流最大的一相并联，重复上述步骤S2-S4；
S6：断开共用辅助支路中机械切换开关，并与最后一相未开断的通流支路并联，重复上述步骤S2-S4。
有益效果：本发明具备高集成度、紧凑化和低成本等特点，且易于工程实现。在电力线路出现故障时，通过控制三相独立通流支路与三相共用辅助支路的配合时序，分时复用共用辅助支路，依次将三相通流支路中电流转移到共用辅助支路中，并在通流支路电流过零时，分闸通流支路的机械开关，从而依次实现三相无弧分断。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统应用在低压交流系统场景时的通流支路示意图；
图3为本发明实施例所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统应用在高压交流系统场景时的通流支路示意图；
图4为本发明实施例所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统的辅助支路中的功率半导体组件采用全控型功率开关器件串联组件、MOV耗能装置的电路示意图；
图5为本发明实施例所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统的辅助支路中的功率半导体组件采用IGBT串联组件、MOV耗能装置以及二极管桥式电路的示意图；
图6为本发明实施例所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统的控制方法流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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发明。
实施例1
参见图1-5：一种低成本电力电子式交流无弧断路系统，包括一次主电路模块以及二次检测、控制与驱动模块；
所述一次主电路模块包括：三个相同独立的通流支路，其串入三相电力线路，用于导通三相负荷电流；一个三相共用的辅助支路，通过两个机械切换开关与三个通流支路分时并联连接，用于在开断、合闸以及重合闸过程中辅助导通电流；
所述二次检测、控制与驱动模块包括检测模块、控制模块以及驱动模块，分别用于检测三相电压和电流信息，控制三个相同独立的通流支路以及一个三相共用的辅助支路动作时序，驱动辅助支路功率半导体组件、机械切换开关的导通与关断。
本实施例通过三相共用一个辅助支路的方式，避免了三相均配置一个辅助支路，克服了现有技术中电力电子式交流断路器集成度低、体积大的缺陷，从而大幅降低了电力电子式固态交流断路器的成本。
在一具体的实例中，参见图2：当应用在低压交流系统场景时，所述通流支路包括机械开关；参见图3：当应用在高压交流系统场景时，所述通流支路包括机械开关和电流转移模块，所述机械开关与电流转移模块串联。
需要说明的是，在电力线路出现故障时，通过控制三相独立通流支路与三相共用辅助支路的配合时序，分时复用共用辅助支路，依次将三相通流支路中电流转移到共用辅助支路中，并在通流支路电流过零时，分闸通流支路的机械开关，从而依次实现三相无弧分断。本实施例的机械开关可采用超高速真空开关。
在一具体的实例中，所述电流转移模块包括功率半导体器件。
需要说明的是，本实施例的功率半导体器件可以为两个含反并联二极管的 IGBT串联而成。
在一具体的实例中，所述三相共用的辅助支路包括两个机械切换开关及功率半导体组件；所述功率半导体组件的两端分别串联连接一个机械切换开关，所述机械切换开关将功率半导体组件分时与三相的通流支路并联。
在一具体的实例中，参见图4：所述功率半导体组件包括：全控型功率开关器件串联组件、MOV耗能装置，所述全控型功率开关器件串联组件包括两组含反并联二极管的IGBT串联组件，两组IGBT串联组件异向串联连接，所述 MOV耗能装置分别与两组IGBT串联组件并联。
选用IGBT元件作为开断元件使断路器具有开断速度快、无弧和驱动结构简单等优势。两组IGBT串联组件异向串联连接，因此该结构功率半导体组件具有电流可双向流通，可无弧、快速地开断交流电路等优点。
在一具体的实例中，参见图5：所述功率半导体组件包括：IGBT串联组件、 MOV耗能装置以及二极管桥式电路，所述IGBT串联组件包括若干个同向的 IGBT串联而成，所述MOV耗能装置与IGBT串联组件的两端并联并连接于二极管桥式电路中。
采用IGBT串联组件与二极管桥式电路并联的结构在保证电流双向流动、无弧快速开断功能的同时，减少了IGBT原件数量，大大降低了成本。因此该结构功率半导体组件具有电流双向流通、无弧快速开断交流电路、IGBT利用率高、成本低等优点。
在一具体的实例中，所述检测模块、控制模块以及驱动模块分别为三相电力系统相电压与相电流测量电路、断路器顺序控制电路、功率半导体器件与机械开关的驱动电路。
实施例2
为了实现上述目的，参见图6：本实施例还提供了一种采用如上述的低成本电力电子式交流无弧断路系统的控制方法，通过检测模块实时检测三相通流支路对应的三相电力线路是否故障，当检测到三相电力线路发生故障时，包括以下控制流程：
S1：导通共用辅助支路中机械切换开关，将共用辅助支路与电流最大的一相并联；
S2：导通辅助支路中功率半导体组件，将该故障相电流转移至共用辅助支路；
S3：当该相通流支路电流过零后，控制该相通流支路中的机械开关分闸；
S4：确保通流支路中机械开关达到暂态电压开距时，闭锁辅助支路中功率半导体组件实现电流关断；
S5：断开共用辅助支路中机械切换开关，并与剩余两相通流支路中的线路电流最大的一相并联，重复上述步骤S2-S4；
S6：断开共用辅助支路中机械切换开关，并与最后一相未开断的通流支路并联，重复上述步骤S2-S4。
本实施例在电力线路出现故障时，通过控制三相独立通流支路与三相共用辅助支路的配合时序，分时复用共用辅助支路，依次将三相通流支路中电流转移到共用辅助支路中，并在通流支路电流过零时，分断通流支路的机械开关，从而依次实现三相无弧分断。本实施例通过三相共用一个辅助支路的方式，避免了三相均配置一个辅助支路，从而大幅降低电力电子式固态交流断路器的成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低成本电力电子式交流无弧断路系统，其特征在于，包括一次主电路模块以及二次检测、控制与驱动模块；
所述一次主电路模块包括：三个相同独立的通流支路，其串入三相电力线路，用于导通三相负荷电流；一个三相共用的辅助支路，通过两个机械切换开关与三个通流支路分时并联连接，用于在开断、合闸以及重合闸过程中辅助导通电流；
所述二次检测、控制与驱动模块包括检测模块、控制模块以及驱动模块，分别用于检测三相电压和电流信息，控制三个相同独立的通流支路以及一个三相共用的辅助支路动作时序，驱动辅助支路功率半导体组件、机械切换开关的导通与关断。
2.根据权利要求1所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统，其特征在于，当应用在低压交流系统场景时，所述通流支路包括机械开关；当应用在高压交流系统场景时，所述通流支路包括机械开关和电流转移模块，所述机械开关与电流转移模块串联。
3.根据权利要求2所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统，其特征在于，所述电流转移模块包括功率半导体器件。
4.根据权利要求1所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统，其特征在于，所述三相共用的辅助支路包括两个机械切换开关及功率半导体组件；所述功率半导体组件的两端分别串联连接一个机械切换开关，所述机械切换开关将功率半导体组件分时与三相的通流支路并联。
5.根据权利要求4所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统，其特征在于，所述功率半导体组件包括：全控型功率开关器件串联组件、MOV耗能装置。
6.根据权利要求5所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统，其特征在于，所述全控型功率开关器件串联组件包括两组含反并联二极管的IGBT串联组件，两组IGBT串联组件异向串联连接，所述MOV耗能装置分别与两组IGBT串联组件并联。
7.根据权利要求4所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统，其特征在于，所述功率半导体组件包括：IGBT串联组件、MOV耗能装置以及二极管桥式电路，所述IGBT串联组件包括若干个同向的IGBT串联而成，所述MOV耗能装置与IGBT串联组件的两端并联并连接于二极管桥式电路中。
8.根据权利要求1所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统，其特征在于，所述检测模块、控制模块以及驱动模块分别为三相电力系统相电压与相电流测量电路、断路器顺序控制电路、功率半导体器件与机械开关的驱动电路。
9.一种采用如权利要求1至8任一项所述的低成本电力电子式交流无弧断路系统的控制方法，其特征在于，通过检测模块实时检测三相通流支路对应的三相电力线路是否故障，当检测到三相电力线路发生故障时，包括以下控制流程：
S1：导通共用辅助支路中机械切换开关，将共用辅助支路与电流最大的一相并联；
S2：导通辅助支路中功率半导体组件，将该故障相电流转移至共用辅助支路；
S3：当该相通流支路电流过零后，控制该相通流支路中的机械开关分闸；
S4：确保通流支路中机械开关达到暂态电压开距时，闭锁辅助支路中功率半导体组件实现电流关断；
S5：断开共用辅助支路中机械切换开关，并与剩余两相通流支路中的线路电流最大的一相并联，重复上述步骤S2-S4；
S6：断开共用辅助支路中机械切换开关，并与最后一相未开断的通流支路并联，重复上述步骤S2-S4。
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| CN117438887A (zh) * | 2023-12-20 | 2024-01-23 | 天津航空机电有限公司 | 固态断路器配电板卡、控制方法、配电机箱及配电机柜 |
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| CN117438887B (zh) * | 2023-12-20 | 2024-04-09 | 天津航空机电有限公司 | 固态断路器配电板卡、控制方法、配电机箱及配电机柜 |
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