CN115483669A - 基于复合电力电子开关的固态式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

基于复合电力电子开关的固态式直流断路器及其控制方法 Download PDF

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余占清
屈鲁
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Abstract

本发明公开了基于复合电力电子开关的固态式直流断路器及其控制方法。包括：主通流支路、转移支路和吸能支路，所述主通流支路、转移支路和吸能支路之间并联；所述主通流支路包括耐压电力电子开关模块和关断电力电子开关模块，用于直流电网正常情况下电流的流通，短路故障情况下缓冲电流，将电流换流至所述转移支路，所述耐压电力电子开关模块和关断电力电子开关模块之间串联；所述转移支路包括电容，用于接收短路故障情况下所述主通流支路换流来的电流，将电流转移至所述吸能支路；所述吸能支路包括吸能MOV，用于吸收短路故障情况下所述转移支路转移来的电流。能够大大减少器件的数量，降低成本，便于维护，保障了直流电网的安全可靠运行。

Description

基于复合电力电子开关的固态式直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流电网技术领域，特别涉及一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器及其控制方法。
背景技术
直流断路器是直流电网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。由于直流电网阻尼小，短路引起的故障电流上升率非常高，需要直流断路器在极短的时间内完成故障隔离。
相较于机械式直流断路器和混合式直流断路器，固态式直流断路器具有更快的开断速度，可以在百微秒内开断故障电流，完成故障隔离。同时还具有结构简单、无弧开断、无位移结构等优势，使得固态式直流断路器在直流电网中应用越来越广泛。但是在高电压、大电流的应用场景中，固态式直流断路器中的器件数量多，成本较高，也不便于维护。
发明内容
针对现有技术存在的固态式直流断路器中的器件数量多，成本较高，也不便于维护等缺陷，发明人做出本发明，通过具体实施方式，提供一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器及其控制方法。
本发明实施例提供一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，应用在直流电网中，包括：
主通流支路、转移支路和吸能支路，所述主通流支路、转移支路和吸能支路之间并联；
所述主通流支路包括耐压电力电子开关模块和关断电力电子开关模块，用于直流电网正常情况下电流的流通，短路故障情况下缓冲电流，将电流换流至所述转移支路，所述耐压电力电子开关模块和关断电力电子开关模块之间串联；
所述转移支路包括电容，用于接收短路故障情况下所述主通流支路换流来的电流，将电流转移至所述吸能支路；
所述吸能支路包括吸能MOV，用于吸收短路故障情况下所述转移支路转移来的电流。
具体的，在短路故障情况下，当所述转移支路中的电容电压达到所述吸能MOV动作电压时，电流从所述转移支路向所述吸能支路转移。
具体的，所述耐压电力电子开关模块，包括至少一组电力电子开关电路。
具体的，所述耐压电力电子开关模块中每组电力电子开关电路之间的连接结构为反串联结构，或反并联结构，或二极管桥式结构，或全桥结构。
具体的，所述关断电力电子开关模块，包括至少一组电力电子开关电路。
具体的，所述关断电力电子开关模块中每组电力电子开关电路之间的连接结构为反串联结构，或反并联结构，或二极管桥式结构，或全桥结构。
具体的，每组所述电力电子开关电路包括电力电子开关、缓冲RC电路和MOV。
具体的，当所述关断电力电子开关模块中MOV电压达到所述关断电力电子开关模块中所述MOV的动作电压时，电流从所述缓冲RC电路转移到所述关断电力电子开关模块中所述MOV。
可选的，所述转移支路还包括限压元件，所述限压元件与所述电容串联。
具体的，所述限压元件包括MOV和/或放电间隙。
具体的，所述限压元件的额定电压低于所述关断电力电子开关模块中MOV的额定电压。
可选的，所述吸能支路还包括吸能支路开关，所述吸能支路开关与所述吸能MOV串联，用于当直流电网正常时断开所述吸能支路，当短路故障时开通所述吸能支路。
具体的，所述吸能支路开关包括电力电子开关和/或放电间隙。
具体的，所述电力电子开关为可控型电力电子开关。
具体的，所述可控型电力电子开关包括IGCT、IGBT、IEGT和晶闸管。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器控制方法，将如前述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器接入直流电网，当所述直流电网发生短路故障时，使用所述固态式直流断路器将所述直流电网中的短路故障电流切除。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
针对直流电网，有效利用不同电力电子器件的优势，针对高电压、大电流的应用场景，提出了低成本的固态式直流断路器方案，大大减少器件的数量，便于维护，保障了直流电网的安全可靠运行。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器的具体结构示意图；
图3a为本发明实施例中直流电网正常情况下电流在主通流支路通流示意图；
图3b为本发明实施例中短路故障情况下电流到缓冲RC支路给电容充电示意图；
图3c为本发明实施例中短路故障情况下电流换流到转移支路示意图；
图3d为本发明实施例中短路故障情况下电流转移到吸能支路示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器及其控制方法。
本发明实施例提供一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，应用在直流电网中，其结构如图1所示，包括：
主通流支路、转移支路和吸能支路，所述主通流支路、转移支路和吸能支路之间并联；如图1所示，三条支路中器件数量较现有技术中的直流断路器中器件数量显著降低，降低了成本，易于维护管理。
所述主通流支路包括耐压电力电子开关模块和关断电力电子开关模块，用于直流电网正常情况下电流的流通，短路故障情况下缓冲电流，将电流换流至所述转移支路，所述耐压电力电子开关模块和关断电力电子开关模块之间串联；
所述转移支路包括电容，用于接收短路故障情况下所述主通流支路换流来的电流，将电流转移至所述吸能支路；其中，可选的，转移支路还可以包括限压元件，也可以不使用限压元件，从而减少了器件数量。
所述限压元件与所述电容串联，限压元件包括MOV和/或放电间隙，可根据实际情况从中选择，有利于降低成本，有效利用不同电力电子器件的优势。MOV指金属氧化物限压器（metal oxide voltage limiter，MOV），是由电阻值与电压呈非线性关系的电阻组成的电容器过电压保护设备，可作为串联谐振型故障限流器的关键部件。短路故障时间越长，MOV需要吸收的能量越多；快速开关闭合时间的长短决定了MOV短时吸收能量的大小。放电间隙，又称保护间隙，它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线或零线相连，另一根金属棒与接地线相连接，当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。
所述吸能支路包括吸能MOV，用于吸收短路故障情况下所述转移支路转移来的电流。吸能MOV指用于吸收电路能量的MOV。
具体的，在短路故障情况下，当所述转移支路中的电容电压达到所述吸能MOV动作电压时，电流从所述转移支路向所述吸能支路转移。
具体的，所述耐压电力电子开关模块，包括至少一组电力电子开关电路。
具体的，所述耐压电力电子开关模块中每组电力电子开关电路之间的连接结构为反串联结构，或反并联结构，或二极管桥式结构，或全桥结构。
具体的，所述关断电力电子开关模块，包括至少一组电力电子开关电路。
具体的，所述关断电力电子开关模块中每组电力电子开关电路之间的连接结构为反串联结构，或反并联结构，或二极管桥式结构，或全桥结构等。
具体的，每组所述电力电子开关电路包括电力电子开关、缓冲RC电路和MOV。缓冲RC电路由电阻和电容串联而成。
具体的，当所述关断电力电子开关模块中MOV电压达到所述关断电力电子开关模块中所述MOV的动作电压时，电流从所述缓冲RC电路转移到所述关断电力电子开关模块中所述MOV。
具体的，所述限压元件的额定电压低于所述关断电力电子开关模块中MOV的额定电压。
可选的，所述吸能支路还包括吸能支路开关，所述吸能支路开关与所述吸能MOV串联，用于当直流电网正常时断开所述吸能支路，当短路故障时开通所述吸能支路。吸能支路也可以不设置吸能支路开关，从而减少了器件数量，有助于降低成本，便于维护。
具体的，所述吸能支路开关包括电力电子开关和/或放电间隙。
具体的，所述电力电子开关为可控型电力电子开关。
具体的，所述可控型电力电子开关包括IGCT、IGBT、IEGT和晶闸管等，可根据实际情况从中选择，有利于降低成本，有效利用不同电力电子器件的优势。IGCT（IntegratedGate-Commutated Thyristor）指集成门极换流晶闸管，IGCT结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性，具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高；IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)指绝缘栅双极型晶体管，兼有金属氧化物半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低；IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性；SCR(Silicon Controlled Rectifier) 指可控硅，也叫晶闸管，具有体积小、反应极快，在微秒级内开通、关断，无触点运行，无火花、无噪音，效率高，成本低等优点。
以IGCT作为主通路上的电力电子开关、以SCR作为吸能支路上的电力电子开关、以MOV作为转移支路限压元件为例介绍固态式直流断路器的其中一种拓扑结构，具体拓扑结构如图2所示。由于本发明实施例公开了转移支路可以包括限压元件，也可以不使用限压元件，吸能支路可以设置吸能支路开关，也可以不设置，关断电力电子开关模块中每组电力电子开关电路之间的连接结构为反串联结构，或反并联结构，或二极管桥式结构，或全桥结构等，所以固态式直流断路器可以有多种拓扑结构或连接结构。
如图3a所示，直流电网正常情况下，吸能支路上的电力电子开关关断，电流通过电力电子开关V-IGCT和I-IGCT流通。其中多组V-IGCT电路构成耐压电力电子开关模块，V-IGCT表示用在耐压电力电子开关模块中的IGCT电力电子开关，多组I-IGCT电路构成关断电力电子开关模块，I-IGCT表示用在关断电力电子开关模块中的IGCT电力电子开关。在图3a、3b、3c和3d中，为了使不同阶段所要介绍的电流通流的线路更加清楚，将本阶段要介绍的电流通流的线路用黑色直线表示，将其他线路用浅色直线表示。当直流电网发生短路故障时，关断电力电子开关模块中的I-IGCT关断，并导通吸能支路上的电力电子开关。如图3b所示，在关断电力电子开关模块中，故障电流从I-IGCT换流到由电阻R2和电容C2构成的缓冲RC支路，给电容C2充电。当电压达到钳位MOV2的动作电压后，电流从缓冲支路转移到MOV2。钳位是指将某点的电位限制在规定电位的措施，使过压保护对象不被损坏，从而提高整个电路的工作稳定性，是一种过压保护技术，例如，此处保护MOV2不受过压损坏。动作电压是指使MOV开启或关闭过压保护的阈值电压。同时，如图3c所示，由于转移支路上的MOV3额定电压低于I-IGCT钳位MOV2的额定电压，电流会因为电压差朝向转移支路换流。当主通流支路的电流全部换流到转移支路后，主通流支路上耐压电力电子开关模块中的V-IGCT器件在无电流的情况下关断，并开始耐受电压。电流换流到转移支路后，电流给电容Cf充电。如图3d所示，当Cf电压达到吸能支路中吸能MOV4动作电压后，电流从换流支路转移到吸能支路。最终，吸能支路吸收线路的能量，完成直流电网中的短路故障电流切除。
本实施例的上述固态式直流断路器，针对直流电网，有效利用不同电力电子器件的优势，针对高电压、大电流的应用场景，提出了低成本的固态式直流断路器方案，大大减少器件的数量，便于维护，保障了直流电网的安全可靠运行。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器控制方法，将如前述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器接入直流电网，当所述直流电网发生短路故障时，使用所述固态式直流断路器将所述直流电网中的短路故障电流切除。
关于上述实施例中的控制方法，其中固态式直流断路器执行短路故障电流切除的具体操作已经在一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
本发明实施例的上述控制方法，针对直流电网，有效利用不同电力电子器件的优势，针对高电压、大电流的应用场景，提出了低成本的固态式直流断路器方案，大大减少器件的数量，便于维护，保障了直流电网的安全可靠运行。
凡在本发明的原则范围内做的任何修改、补充和等同替换等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (16)

1.一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，应用在直流电网中，其特征在于，包括：
主通流支路、转移支路和吸能支路，所述主通流支路、转移支路和吸能支路之间并联；
所述主通流支路包括耐压电力电子开关模块和关断电力电子开关模块，用于直流电网正常情况下电流的流通，短路故障情况下缓冲电流，将电流换流至所述转移支路，所述耐压电力电子开关模块和关断电力电子开关模块之间串联；
所述转移支路包括电容，用于接收短路故障情况下所述主通流支路换流来的电流，将电流转移至所述吸能支路；
所述吸能支路包括吸能MOV，用于吸收短路故障情况下所述转移支路转移来的电流。
2.如权利要求1所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，在短路故障情况下，当所述转移支路中的电容电压达到所述吸能MOV动作电压时，电流从所述转移支路向所述吸能支路转移。
3.如权利要求1所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述耐压电力电子开关模块，包括至少一组电力电子开关电路。
4.如权利要求1所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述耐压电力电子开关模块中每组电力电子开关电路之间的连接结构为反串联结构，或反并联结构，或二极管桥式结构，或全桥结构。
5.如权利要求1所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述关断电力电子开关模块，包括至少一组电力电子开关电路。
6.如权利要求1所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述关断电力电子开关模块中每组电力电子开关电路之间的连接结构为反串联结构，或反并联结构，或二极管桥式结构，或全桥结构。
7.如权利要求1-6任一所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，每组所述电力电子开关电路包括电力电子开关、缓冲RC电路和MOV。
8.如权利要求7所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，当所述关断电力电子开关模块中MOV电压达到所述关断电力电子开关模块中所述MOV的动作电压时，电流从所述缓冲RC电路转移到所述关断电力电子开关模块中所述MOV。
9.如权利要求7所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述转移支路还包括限压元件，所述限压元件与所述电容串联。
10.如权利要求9所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述限压元件包括MOV和/或放电间隙。
11.如权利要求9所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述限压元件的额定电压低于所述关断电力电子开关模块中MOV的额定电压。
12.如权利要求7所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述吸能支路还包括吸能支路开关，所述吸能支路开关与所述吸能MOV串联，用于当直流电网正常时断开所述吸能支路，当短路故障时开通所述吸能支路。
13.如权利要求12所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述吸能支路开关包括电力电子开关和/或放电间隙。
14.如权利要求8-13任一所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述电力电子开关为可控型电力电子开关。
15.如权利要求14所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器，其特征在于，所述可控型电力电子开关包括IGCT、IGBT、IEGT和晶闸管。
16.一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器控制方法，其特征在于，将如权利要求1-15任一所述的一种基于复合电力电子开关的固态式直流断路器接入直流电网，当所述直流电网发生短路故障时，使用所述固态式直流断路器将所述直流电网中的短路故障电流切除。
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