CN115693619A - 一种用于高压直流断路器的谐振电子开关及过零控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压直流断路器的谐振电子开关及过零控制策略，属于高压输变电装备技术领域。所述的受控谐振电子开关过零控制策略，包括采用闭环霍尔传感器采集谐振电流。霍尔传感器的输出信号直接驱动发光管。当谐振电流幅值大于一定值时，发光管发光，当谐振电流幅值低于一定值时，发光管熄灭，表示谐振电流已经接近零点。基于此，通过检测发光管的信号，快速的判断谐振电流已经到达了过零点，进而可以关断开关管，避免开关管关断大电流而损坏开关管。本发明可广泛应用于半桥或全桥子模块组成的柔性直流输电换流阀子模块或直流断路器中，作为上下开关管导通关断的必要条件。

Description

一种用于高压直流断路器的谐振电子开关及过零控制策略

技术领域

本发明涉及高压输变电装备技术领域，尤其涉及一种用于高压直流断路器的受控谐振电子开关及过零控制策略。

背景技术

目前，柔性直流输电技术发展迅速，为我国可再生能源的接入、多种形态能源互补和灵活消纳大规模能源并网提供了强力的技术支撑。但由于适用于高压直流系统的直流断路器具有技术局限性，柔性直流电网的发展和构建受到了较大制约。

高压直流断路器多采用混合式直流断路器，其兼顾了机械式直流断路器和固态直流断路器的优点，具有很强的分断能力，然而现阶段的高压直流断路器方案存在成本过高的问题，为优化直流断路器拓扑结构，进一步降低高压直流断路器的成本，本申请人提供了一种组合式高压直流断路器，参见中国发明专利申请CN202210775213.6。

结合参照图4和图5，上述组合式高压直流断路器包括：一条主断支路、至少两条分断支路、以及至少两条辅助支路，所述主断支路中采用受控谐振电子开关，该受控谐振电子开关包括多级半桥子模块、谐振电感器、承压电容器以及能量吸收单元，每个半桥子模块单独供电，所述半桥子模块包括上开关管和下开关管。

目前，应用在机械式高压直流断路器中的谐振回路，其谐振电流的频率和幅值是LC自然振荡的结果，谐振回路开关管导通后不管其状态，一般谐振电流是幅值从最大逐渐减小的衰减震荡电流。在上述组合式高压直流断路器中，基于半桥子模块触发开关的受控谐振回路的谐振电流是幅值逐渐增加的受控震荡电流，随着谐振电流的正负极换相相应的开关管也要跟随谐振电流的反向而关断导通，上下开关管的导通关断需在LC谐振电流的过零点交替导通。实现的方法可以事先在小电流情况下测量实际LC谐振电流的频率，控制装置按照实际测试的LC谐振电流频率交替导通。

在实施本发明的过程中，本发明人发现：上述方法中如果LC的参数不会变化是可行的，然而工程中不可避免的由于线路参数及LC参数的变化，必然会导致LC振荡频率的变化。如果控制装置原有的控制频率与实际的LC振荡频率不一致，开关管的导通关断跟不上谐振电流的变化而提前关断，开关管就要承受关断大电流造成的关断过电压或因关断过电流导致开关管损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高压直流断路器的受控谐振电子开关及过零控制策略，以使受控谐振电流在逐渐增加的过程中，开关管在谐振电流的过零点关断，降低开关管的关断电流及关断电压应力，避免开关管关断大电流而损坏。

为此，本发明一方面提供了一种用于高压直流断路器的谐振电子开关过零控制策略，所述高压直流断路器的主断支路采用受控谐振电子开关，所述受控谐振电子开关包括半桥子模块，所述半桥子模块包括上开关管和下开关管；所述谐振电子开关过零控制策略包括：采用闭环霍尔传感器采集所述谐振电子开关的谐振电流，由该霍尔传感器的输出信号直接驱动正向发光管和反向发光管；当谐振电流正向时，正向发光管发光，反向发光管熄灭，当谐振电流反向时，正向发光管熄灭，反向发光管发光，通过检测正向发光管和反向发光管的发光信号，据此控制关断上开关管和下开关管，以避免开关管关断大电流而损坏。

本发明的另一方面，提供了一种用于高压直流断路器的受控谐振电子开关，其特征在于，所述高压直流断路器包括一条主断支路、至少两条分断支路、至少两条辅助支路、以及控制装置，所述受控谐振电子开关用于所述主断支路中，所述受控谐振电子开关包括半桥子模块，所述半桥子模块包括上开关管和下开关管，其特征在于，还包括：闭环霍尔传感器，用于采集所述受控谐振电子开关的谐振电流，其中，由该霍尔传感器的输出信号直接驱动正向发光管和反向发光管，发光信号传送单元，用于将正向发光光和反向发光管的发光信号传送至所述控制装置，其中，当谐振电流正向时，正向发光管发光反向发光管熄灭，当谐振电流反向时，正向发光管熄灭反向发光管发光，所述控制装置根据检测到的发光信号来控制关断上开关管和下开关管，以避免开关管关断大电流而损坏。

本发明采用闭环霍尔电流传感器采集谐振电流。霍尔电流传感器的输出直接驱动正反向发光管。当谐振电流幅值大于一定值时，发光管发光，当谐振电流幅值低于一定值时，发光管熄灭，表示谐振电流已经接近零点。基于此，通过检测发光管有光无光，快速的判断谐振电流已经到达了过零点，进而控制上下开关管的导通关断。在电流正向过零时，下管关断上管导通。在反向电流过零时，下管关断上管导通。

本控制策略确保半桥子模块中开关管在电流过零点时关断，不会导致因为关断大电流而损坏开关管。即使有控制延时，也能确保开关管不关断大电流。

本发明可广泛应用于半桥或全桥子模块组成的直流断路器或柔性直流输电换流阀子模块中，作为上下开关管导通关断的必要条件。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还提供一种包含上述受控谐振电子开关的组合式高压直流断路器，以及一种包含所述组合式高压直流断路器的高压直流输电系统。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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是受控谐振开关及其电流检测系统图；

图2是正反向电流检测电路；

图3是电子触发开关控制流程图；

图4发光管信号与谐振电流的关系示意图；

图5是组合式高压直流断路器拓扑结构原理图；

图6是电子触发开关拓扑结构原理图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是受控谐振开关过零系统主回路及谐振电流检测系统图。电子触发开关有如图1所示的半桥子模块串联组成。谐振回路由半桥子模块，谐振电感L，谐振电容器C2，电流传感器CT组成。

图2是霍尔电流传感器输出信号转换为光信号示意图。

在实施图4和图5所示高压直流断路器的过程中，本发明人发现：其谐振式开关中振荡电流的频率和幅值是不受控制的，是LC自然振荡的结果，一般是衰减振荡。本发明中基于半桥子模块触发开关的受控振荡电路，上下管的导通关断需在LC谐振电流的过零点交替导通。实现的方法可以事先小电流情况下测量实际LC谐振电流的频率，控制装置按照实际测试的LC谐振电流频率交替导通。这样的方法如果LC的参数不会变化是可以的。工程中不可避免的由于线路参数及LC参数的变化，必然会导致LC振荡频率的变化。如果控制装置原有的控制频率与实际的LC振荡频率不一致，必然导致上下两个开关管导通关断时承受一定的电流，可能会导致开关管因为关断大电流损坏。

本发明提出了采用闭环式小电流霍尔传感器检测谐振电流的方法，确保开关管在小电流或电流过零的情况下关断，不会出现关断大电流的可能。

闭环霍尔电流传感器的响应时间滞后不到1us，其工作过程见图4。这里霍尔电流传感器在谐振电流超过其额定电流(假如霍尔电流传感器额定电流1000A)时输出是饱和的最大值(如15V)，只有谐振电流小于传感器的额定电流时，霍尔输出才与谐振电流成比例输出。也就是说霍尔电流传感器在本发明中仅检测谐振电流小于霍尔传感器自身额定值的区域，大于额定值的区域，霍尔电流传感器的输出就是一个固定的饱和幅值，霍尔传感器的输出就是一个与谐振电流频率一致的方波信号。如图4所示。

本发明中，即使发光管信号滞后一定的时间，比如在正向谐振电流过零点后T+才熄灭，因为上管中的正向电流已经过零没有电流流过，此时的反向电流是流过上管反向并联的二极管，因此即使此时再关断上管，上管中也没有电流流过。

本发明采用小电流的霍尔传感器检测电流过零点的方案，可确保上下管不关断电流。避免因为关断大电流造成开关柜损坏，下面对上述方案进行详细阐述：

本发明提供了一种用于高压直流断路器的受控谐振电子开关过零控制策略，所述高压直流断路器的主断支路采用受控谐振电子开关，所述受控谐振电子开关包括半桥子模块，所述半桥子模块包括上开关管和下开关管；所述谐振电子开关过零控制策略包括：采用闭环霍尔传感器采集所述谐振电子开关的谐振电流，由该霍尔传感器的输出信号直接驱动正向发光管和反向发光管；当谐振电流正向时，正向发光管发光，反向发光管熄灭，当谐振电流反向时，正向发光管熄灭，反向发光管发光，通过检测正向发光管和反向发光管的发光信号，控制关断上开关管和下开关管。

所述控制策略中选用的霍尔传感器的特性如下：在检测的谐振电流小于霍尔传感器自身额定值的区域时，霍尔传感器的输出与该谐振电流成比例输出，当大于额定值的区域，霍尔电流传感器的输出为一个固定的饱和幅值，即一个与谐振电流频率一致的方波信号。

所述发光管由霍尔传感器的输出信号直接驱动，发光信号通过光纤发送到高压直流断路器的控制装置，控制关断上开关管和下开关管。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种用于高压直流断路器的受控谐振电子开关，所述高压直流断路器包括一条主断支路、至少两条分断支路、至少两条辅助支路、以及控制装置，所述受控谐振电子开关用于所述主断支路中，所述受控谐振电子开关包括半桥子模块，所述半桥子模块包括上开关管和下开关管，还包括闭环霍尔传感器和发光信号传送单元。

所述闭环霍尔传感器用于采集所述受控谐振电子开关的谐振电流，其中，由该霍尔传感器的输出信号直接驱动正向发光管和反向发光管。

所述发光信号传送单元用于将正向发光光和反向发光管的发光信号传送至所述控制装置。

其中，当谐振电流正向时，正向发光管发光反向发光管熄灭，当谐振电流反向时，正向发光管熄灭反向发光管发光，所述控制装置根据检测到的发光信号来控制关断上开关管和下开关管。

所述霍尔传感器检测的谐振电流小于霍尔传感器自身额定值的区域时，霍尔传感器的输出与该谐振电流成比例输出，当大于额定值的区域，霍尔电流传感器的输出为一个固定的饱和幅值，即一个与谐振电流频率一致的方波信号。

所述发光管由霍尔传感器的输出信号直接驱动，发光信号通过光纤发送到高压直流断路器的控制装置，控制关断上开关管和下开关管。

所述受控谐振电子开关还包括谐振电感器、承压电容器、能量吸收单元、以及为半桥子模块单独供电的供电单元。

以下详细说明半桥子模块中开关管T1、T2的过零控制策略：

当T2导通时，预充电电容器C1经T2，谐振电感L,谐振电容C2放电，形成第一个正半周的震荡电流。正半波期间，正向谐振电流给电容器C2充电，C2电压逐渐升高，当电容器C2电压达到最高时，谐振电流降到零。霍尔检测到正向谐振电流信号后，直接驱动T+发光管发光并发送到控制装置。当谐振电流过零后，T+发光管熄灭。当控制装置检测T+熄灭后，立即触发T1开关管导通。这样电容器C2储存的能量经谐振电感L，经T1反向放电形成反向震荡电流。同样的，霍尔检测到反向电流后，T-发光管发光并发送给控制装置，一旦反向电流过零。控制装置立即关断T1，并再次导通T2。从而控制形成下一个周期的震荡电流。

以上控制策略确保开关管不关断电流。即使霍尔传感器采样的电流信号由延时，也能确保开关管中不关断电流，电流仅在二极管中流过。原理如下：

假如T2导通时，霍尔传感器电流滞后真正的谐振电流过零点2us。测试T1仍然导通，但是因为电流正向电流已经过零，电容器C2会经过谐振电感L，二极管D2放电。这样当T2关断时，T2中是没有电流的，当控制装置在正向电流过零后延时2us控制T2关断T1导通时，T1仅与二极管D2换相，但是T2中已经没有电流。反之，当T1导通后，假如反向电流过零2us后控制装置才检测到反向电流过零，当关断T1导通T2时，此时T1中已经没有正向电流，正向电流是流过D1。T1也是过零关断。

图3是上下开关管的控制策略流程图。实际工作时，上下管T1,T2交替导通关断之间会增加一定的死区时间，确保上下开关管不会直通。

上控制策略可确保半桥子模块中开关管不关断电流。确保开关管中仅流过谐振电流不关断谐振电流。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种组合式高压直流断路器，该组合式高压直流断路器采用上述受控谐振电子开关，由于上述受控谐振电子开关能够避免开关管关断谐振电流，性能得到改善，进而使组合式高压直流断路器的性能也相应得到改善。

所述组合式直流断路器还包括一条主断支路、至少两条分断支路、以及至少两条辅助支路，所述主断支路中采用所述受控谐振电子开关。

本发明还提供了一种高压直流输电系统，该高压直流输电系统采用上述性能改善的组合式高压直流断路器，进而使整个高压直流输电系统的性能也相应得到改善。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高压直流断路器的受控谐振电子开关过零控制策略，其特征在于，所述高压直流断路器的主断支路采用受控谐振电子开关，所述受控谐振电子开关包括半桥子模块，所述半桥子模块包括上开关管和下开关管；所述谐振电子开关过零控制策略包括：

采用闭环霍尔传感器采集所述谐振电子开关的谐振电流，由该霍尔传感器的输出信号直接驱动正向发光管和反向发光管；当谐振电流正向时，正向发光管发光，反向发光管熄灭，当谐振电流反向时，正向发光管熄灭，反向发光管发光，通过检测正向发光管和反向发光管的发光信号，控制关断上开关管和下开关管。

2.根据权利要求1所述的用于高压直流断路器的受控谐振电子开关过零控制策略，其特征在于，所述控制策略中选用的霍尔传感器的特性如下：在检测的谐振电流小于霍尔传感器自身额定值的区域时，霍尔传感器的输出与该谐振电流成比例输出，当大于额定值的区域，霍尔电流传感器的输出为一个固定的饱和幅值，即一个与谐振电流频率一致的方波信号。

3.根据权利要求1所述的用于高压直流断路器的受控谐振电子开关过零控制策略，其特征在于，所述发光管由霍尔传感器的输出信号直接驱动，发光信号通过光纤发送到高压直流断路器的控制装置，控制关断上开关管和下开关管。

4.一种用于高压直流断路器的受控谐振电子开关，其特征在于，所述高压直流断路器包括一条主断支路、至少两条分断支路、至少两条辅助支路、以及控制装置，所述受控谐振电子开关用于所述主断支路中，所述受控谐振电子开关包括半桥子模块，所述半桥子模块包括上开关管和下开关管，还包括：

闭环霍尔传感器，用于采集所述受控谐振电子开关的谐振电流，其中，由该霍尔传感器的输出信号直接驱动正向发光管和反向发光管，

发光信号传送单元，用于将正向发光光和反向发光管的发光信号传送至所述控制装置，

其中，当谐振电流正向时，正向发光管发光反向发光管熄灭，当谐振电流反向时，正向发光管熄灭反向发光管发光，所述控制装置根据检测到的发光信号来控制关断上开关管和下开关管。

5.根据权利要求4所述的用于高压直流断路器的受控谐振电子开关，其特征在于，所述霍尔传感器检测的谐振电流小于霍尔传感器自身额定值的区域时，霍尔传感器的输出与该谐振电流成比例输出，当大于额定值的区域，霍尔电流传感器的输出为一个固定的饱和幅值，即一个与谐振电流频率一致的方波信号。

6.根据权利要求4所述的用于高压直流断路器的受控谐振电子开关，其特征在于，所述发光管由霍尔传感器的输出信号直接驱动，发光信号通过光纤发送到高压直流断路器的控制装置，控制关断上开关管和下开关管。

7.根据权利要求4所述的用于高压直流断路器的受控谐振电子开关，其特征在于，所述受控谐振电子开关还包括谐振电感器、承压电容器、能量吸收单元、以及用于向半桥子模块单独供电的供电单元。

8.一种组合式高压直流断路器，其特征在于，包括权利要求4-7任意一项所述的受控谐振电子开关。

9.根据权利要求8所述的组合式高压直流断路器，其特征在于，所述组合式直流断路器还包括一条主断支路、至少两条分断支路、以及至少两条辅助支路，所述主断支路中采用所述受控谐振电子开关。

10.一种高压直流输电系统，其特征在于，包括权利要求8-9任意一项所述的组合式高压直流断路器。

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