CN116111565B - 一种双向固态断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双向固态断路器，该双向固态断路器的拓扑结构包括IGBT和二极管构成的主开关支路、晶闸管和电容构成的故障电流转移支路，以及晶闸管、电容和电阻构成的能量释放回路，其中，主开关支路发生故障时，可通过故障电流转移支路降低主开关支路电流应力，并通过能量释放回路释放能量，从而可快速阻断短路电流，并可有效地处理重合闸于永久性故障的情况，为直流系统的安全运行提供保障。本发明采用的桥式支路的新型拓扑结构简单，可有效减少器件投入，降低成本及其运行中的功率损耗，并且可满足直流微电网的双向传递功能。

Description

一种双向固态断路器
技术领域
本发明涉及断路器技术领域，尤其涉及一种双向固态断路器。
背景技术
由于直流微电网的阻尼小，发生短路故障时故障电流在极短的时间内升高，如若处理不及时，会对直流系统造成不可逆的损害。
传统的机械式断路器不能满足直流系统的速动性要求，且切断过程有电弧存在，断路器的使用寿命较低。混合式断路器虽然在速动性上有了提升，但依然避免不了电弧及其复杂的结构。随着电力电子技术的快速发展，全固态断路器被广泛的运用起来，但固态断路器目前存在故障能量释放不完全的问题，在重合闸于永久性故障的情况下，不能保证有效切断故障线路。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种双向固态断路器，可满足直流系统的速动性要求，并可在重合闸于永久性故障的情况下，能够保证有效切断故障线路。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种双向固态断路器，包括：
第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的集电极与第一直流端连接，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极连接，所述第二三极管的集电极与第二直流端连接；
第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一三极管的集电极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一三极管的发射极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二三极管的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二三极管的集电极连接，其中，三极管和二极管所在支路为主开关支路；
第一晶闸管至第五晶闸管，所述第一晶闸管的阳极和第三晶闸管的阴极连接后，与所述第一直流端连接，所述第一晶闸管的阴极与第二晶闸管的阴极连接并具有第一节点，所述第二晶闸管的阳极与第四晶闸管的阴极连接后，与所述第二直流端连接，所述第三晶闸管的阳极与所述第四晶闸管的阳极连接并具有第二节点；
电阻和电容，所述电阻与所述第五晶闸管串联后，与所述电容并联，所述电容并联在所述第一节点和所述第二节点之间，所述第五晶闸管的阳极与所述第一节点连接，其中，所述第一晶闸管、所述电容和所述第四晶闸管构成故障电流转移支路，所述第五晶闸管、所述电阻和所述电容构成能量释放回路；所述主开关支路发生故障时，通过所述故障电流转移支路降低主开关支路电流应力，并通过所述能量释放回路释放能量，以快速阻断短路电流，并保证直流系统安全运行。
可选的，所述第一直流端与直流电源连接，所述第二直流端与负载连接，或者，所述第二直流端与所述直流电源连接，所述第一直流端与所述负载连接。
可选的，当所述第一直流端与所述直流电源连接，所述第二直流端与所述负载连接，所述双向固态断路器在正常工作状态时，工作电流从所述第一直流端流经所述第一三极管、所述第二二极管至所述第二直流端。
可选的，所述第一晶闸管和所述第四晶闸管用于在所述第二直流端发生短路故障时，接收控制指令并导通，以降低主开关支路电流应力，其中，所述第一三极管在主开关支路电流应力降低后关断。
可选的，所述电容用于在所述第一晶闸管和所述第四晶闸管导通后，吸收所述故障电流转移支路的故障电流，其中，所述故障电流降低为零时，短路故障被隔离，所述第一晶闸管和所述第四晶闸管自动关断。
可选的，所述第五晶闸管用于在短路故障被隔离后导通，以通过所述能量释放回路释放所述电容储存的能量，并通过所述电阻消耗所述能量，其中，所述能量释放回路的电流降低为零时，所述第五晶闸管关断，能量释放过程结束，并重新进行重合闸操作。
可选的，该双向固态断路器还包括：
两个电流检测器，分别与所述第一直流端和所述第二直流端连接，两个所述电流检测器分别用于检测所述第一直流端和所述第二直流端的电流；
两个电流互感器，分别与相应的电流检测器连接，两个所述电流互感器分别用于感应出与相应电流检测器检测电流方向相反的感应电流；
模数转换模块和滤波模块，所述模数转换模块与两个所述电流互感器连接，所述滤波模块与所述模数转换模块连接，所述模数转换模块和所述滤波模块分别用于对两路所述感应电流进行模数转换和滤波，得到两路数字电流；
差动继电器和控制单元，所述差动继电器与所述滤波模块连接，所述控制单元与所述差动继电器连接，所述控制单元用于根据所述差动继电器的输入电流对三极管和晶闸管进行控制。
可选的，所述双向固态断路器正常运行或外部发生故障时，所述差动继电器的输入电流为两路所述数字电流取差值运算后的电流，并记为第一电流，所述双向固态断路器发生内部故障时，所述输入电流为两路所述数字电流进行求和运算后的电流，并记为第二电流。
可选的，设置一制动系数K和一差动保护启动值，所述控制单元具体用于：当所述第二电流大于或者等于K倍所述第一电流，且大于或者等于K倍所述差动保护启动值时，控制三极管和晶闸管导通或者关断。
可选的，所述第一三极管和所述第二三极管均为N沟道型IGBT。
本发明至少具有以下技术效果：
1、本发明的双向固态断路器串联在直流线路中，当没有发生短路故障时，该双向固态断路器可在正常情况下工作，不影响电路性能，并且具备双向传递性。
2、当发生短路故障后，该双向固态断路器可以快速阻断短路电流，其具有响应速度快、可靠性高的特点，并能够保证系统的安全性。
3、本发明中的阻塞电容由于结构的特殊性，即使不同方向的故障电流也会使电容两端的极性保持不变，从而减少了控制策略，此外该双向固态断路器可有效地处理重合闸于永久性故障的情况，为直流系统的安全运行提供保障，相较于传统的固态断路器，其结构简单，且成本较低，并能够降低系统运行中的功率损耗。
4、本发明还提供了双向固态断路器中控制单元的具体控制策略即提供了如何根据差动继电器的输入电流对三极管和晶闸管进行控制的策略，并且通过该控制策略能够有效地处理重合闸于永久性故障的情况，为直流系统的安全运行提供保障。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的双向固态断路器的电路拓扑结构示意图。
图2(a)-图2(d)为本发明实施例的双向固态断路器拓扑结构工作过程示意图。
图3为本发明实施例的双向固态断路器逻辑控制工作原理图。
图4(a)-图4(b)为本发明实施例电路的输出电压与电流波形示意图。
图5(a)-图5(b)为电容两端的电压值与电流值波形示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本实施例的一种双向固态断路器。
图1为本发明实施例的双向固态断路器的电路拓扑结构示意图。如图1所示，该双向固态断路器包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一晶闸管T1至第五晶闸管T5、电阻Re和电容C1。
其中，第一三极管Q1的集电极与第一直流端P1连接，第一三极管Q1的发射极与第二三极管Q2的发射极连接，第二三极管Q2的集电极与第二直流端P2连接；第一二极管D1的阴极与第一三极管Q1的集电极连接，第一二极管D1的阳极与第一三极管Q1的发射极连接，第二二极管D2的阳极与第二三极管Q2的发射极连接，第二二极管D2的阴极与第二三极管Q2的集电极连接，其中，三极管和二极管所在支路为主开关支路，第一三极管Q1和第二三极管Q2均为N沟道型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。
进一步的，第一晶闸管T1的阳极和第三晶闸管T3的阴极连接后，与第一直流端P1连接，第一晶闸管T1的阴极与第二晶闸管T2的阴极连接并具有第一节点，第二晶闸管T2的阳极与第四晶闸管T4的阴极连接后，与第二直流端P2连接，第三晶闸管T3的阳极与第四晶闸管T4的阳极连接并具有第二节点；电阻Re与第五晶闸管T5串联后，与电容C1并联，其中，电容C1并联在第一节点和第二节点之间，第五晶闸管T5的阳极与第一节点连接。
本实施例中，第一晶闸管T1、电容C1和第四晶闸管T4构成故障电流转移支路，第五晶闸管T5、电阻Re和电容C1构成能量释放回路。其中，主开关支路发生故障时，可通过故障电流转移支路降低主开关支路电流应力，并通过能量释放回路释放能量，由此可快速阻断短路电流，并可有效地处理重合闸于永久性故障的情况，为直流系统的安全运行提供保障。
需要说明的是，第一直流端P1可与直流电源连接，第二直流端P2可与负载连接，或者，第一直流端P1可与负载连接，第二直流端P2可与直流电源连接，即本实施例的双向固态断路器具有双向传递性。
图2(a)-图2(d)为本发明实施例的双向固态断路器拓扑结构工作过程示意图。图2(a)为正常导通阶段示意图。如图2(a)所示，以第一直流端P1流向第二直流端P2为例，导通路径为电流经过第一直流端P1流过第一三极管Q1，再经过第二二极管D2，最后流入第二直流端P2，即P1-Q1-D2-P2。
进一步的，由于所设计的拓扑结构满足直流系统的双向传递性，所以此处以第二直流端P2发生短路故障为例(第一直流端P1发生故障可同理分析)，线路中的电流急剧提升，控制单元可发出指令导通故障电流转移支路，如图2(b)所示，即使第一晶闸管T1和第四晶闸管T4导通，以减少主开关支路电流应力，再关断第一三极管Q1。然后，电路进入吸收故障电流阶段，即第一晶闸管T1与第四晶闸管T4导通后，此时故障电流被电容C1吸收，故障电流转移支路中的故障电流逐渐减小，当降为0时，短路故障被隔离，即如图2(c)所示。与此同时，第一晶闸管T1和第四晶闸管T4没有可以维持导通的电流，便自动关断。如图2(d)所示，短路故障被隔离之后，储存在电容里的能量需要在能量释放回路中消耗，由此可控制第五晶闸管T5导通，电容C1释放故障能量，故障能量在电阻Re上被消耗，随着电流逐渐减小到0时，第五晶闸管T5关断，能量消耗过程结束，控制单元发出指令进行重合闸操作，第一三极管Q1导通，即故障清除后断路器重合闸，直流电压恢复正常，直流微电网恢复运行。
进一步的，该双向固态断路器还包括：两个电流检测器、两个电流互感器、模数转换模块、滤波模块、差动继电器和控制单元。其中，两个电流检测器分别与第一直流端P1和第二直流端P2连接，两个电流互感器分别与相应的电流检测器连接，模数转换模块与两个电流互感器连接，滤波模块与模数转换模块连接，差动继电器与滤波模块连接，控制单元与差动继电器连接，上述各器件构成逻辑控制电路。
如图3所示，以第一直流端P1流向第二直流端P2为例，两个电流检测器分别用于检测双向固态断路器正常运行时第一直流端P1和第二直流端P2的电流IL1、IL2；两个电流互感器分别用于感应出与相应电流检测器检测电流方向相反的感应电流IL1′、IL2′，其中，两个电流互感器为相同型号、相同变比的互感器；模数转换模块A/D和滤波模块分别用于对两路感应电流进行模数转换和滤波，并取绝对值得到相应的两路数字电流II、III；控制单元用于根据差动继电器的输入电流对三极管和晶闸管进行控制。
其中，IL1、IL2分别为第一直流端P1和第二直流端P2的电流；IL1′、IL2′分别为与IL1、IL2相对应的感应电流，II、III分别为与IL1、IL2相对应的两路数字电流。
进一步的，当双向固态断路器正常运行或外部发生故障时，差动继电器的输入电流为两路数字电流取差值运算即Sub运算后的电流，并记为第一电流Ir，双向固态断路器发生内部故障时，输入电流为两路数字电流进行求和运算即Add运算后的电流，并记为第二电流Id，所述第一电流Ir和第二电流Id分别表示如下：
Ir＝II-III (1)
Id＝II+III (2)
由于，只有在给晶闸管输入正向电压时，晶闸管才具备导通条件，所以在此引入逻辑信号Vcap以作为晶闸管导通的逻辑信号之一。
进一步的，可设置一制动系数K(0<K<1)和一差动保护启动值Iq，控制单元可具体用于：当第二电流Id大于或者等于K倍第一电流Ir，且大于或者等于K倍差动保护启动值Iq时，控制三极管和晶闸管导通或者关断。
具体的，为了防止系统内电流波动导致保护误动作，可设置K*Ir作为保护误动作的阈值，K*Iq作为差动继电器的动作电流阈值，其保护判断依据如下：
当控制单元检测到流入差动继电器的电流超过保护误动作的阈值和动作电流阈值时，立即输出信号控制IGBT、晶闸管的关断与导通，阻断故障支路，保护电路安全。
图4(a)-图4(b)为本发明实施例电路的输出电压与电流波形示意图，本实施例中，可设计输入电压为600V，其中图4(a)为输出电压Uout波形，线路在0.1s时发生永久性故障，输出电压瞬间降为0；由图4(b)输出端电流iout波形可知，发生故障后，在0.1s时电流短时间内大幅度上升，经过本拓扑结构的迅速阻断后，短路电流降为0，故障被阻断。在0.3s时刻，进行重合闸操作，断路器重合闸于永久性故障，固态断路器第二次进行断路操作，并成功切断故障线路。
图5(a)-图5(b)为电容C1两端的电压值与电流值波形示意图，图5(a)为电容的电压值Uc，可以看出，当0.1s发生短路故障后，电容C1投入运行，电压值迅速上升至最大值1240V，导通第五晶闸管T5，电容C1反向放电，电压逐渐减小至0，能量释放完全。在0.3s时刻，由于重合闸于永久性故障，电容C1被二次充电，再次导通第五晶闸管T5，电容C1反向放电，电压在0.36s减小至0V。图5(b)为流经电容C1的电流值iR，从中可以看出流经电容C1的电流值与电容C1两端的电压值波形呈现较高的相似度，即在t＝0.1s，t＝0.3s的两次断路操作都使得流经电容C1的电流降为0，证实了该拓扑结构可用于提高永久性故障情况下的系统可靠性。
综上所述，本发明设计了一款有效处理重合闸于永久性故障的双向固态断路器及其拓扑结构，并利用仿真软件对该电路进行仿真分析，从而得到验证，从仿真结果可知，该方案具有快速阻断故障电路的作用，具有可靠性，并且满足直流电网双向传递的功能，在控制策略方面，由于桥式结构的特殊性，电容极性在两种故障情况下都可保持不变，减少了器件投入，具有较好的应用前景。此外，该双向固态断路器可以有效地处理重合闸于永久性故障的情况，为直流系统的安全运行提供保障。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意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、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种双向固态断路器，其特征在于，包括：
第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的集电极与第一直流端连接，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极连接，所述第二三极管的集电极与第二直流端连接；
第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一三极管的集电极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一三极管的发射极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二三极管的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二三极管的集电极连接，其中，三极管和二极管所在支路为主开关支路；
第一晶闸管至第五晶闸管，所述第一晶闸管的阳极和第三晶闸管的阴极连接后，与所述第一直流端连接，所述第一晶闸管的阴极与第二晶闸管的阴极连接并具有第一节点，所述第二晶闸管的阳极与第四晶闸管的阴极连接后，与所述第二直流端连接，所述第三晶闸管的阳极与所述第四晶闸管的阳极连接并具有第二节点；
电阻和电容，所述电阻与所述第五晶闸管串联后，与所述电容并联，所述电容并联在所述第一节点和所述第二节点之间，所述第五晶闸管的阳极与所述第一节点连接，其中，所述第一晶闸管、所述电容和所述第四晶闸管构成故障电流转移支路，所述第五晶闸管、所述电阻和所述电容构成能量释放回路；所述主开关支路发生故障时，通过所述故障电流转移支路降低主开关支路电流应力，并通过所述能量释放回路释放能量，以快速阻断短路电流，并保证直流系统安全运行；
双向固态断路器还包括：
两个电流检测器，分别与所述第一直流端和所述第二直流端连接，两个所述电流检测器分别用于检测所述第一直流端和所述第二直流端的电流；
两个电流互感器，分别与相应的电流检测器连接，两个所述电流互感器分别用于感应出与相应电流检测器检测电流方向相反的感应电流；
模数转换模块和滤波模块，所述模数转换模块与两个所述电流互感器连接，所述滤波模块与所述模数转换模块连接，所述模数转换模块和所述滤波模块分别用于对两路所述感应电流进行模数转换和滤波，得到两路数字电流；
差动继电器和控制单元，所述差动继电器与所述滤波模块连接，所述控制单元与所述差动继电器连接，所述控制单元用于根据所述差动继电器的输入电流对三极管和晶闸管进行控制；
所述双向固态断路器正常运行或外部发生故障时，所述差动继电器的输入电流为两路所述数字电流取差值运算后的电流，并记为第一电流，所述双向固态断路器发生内部故障时，所述输入电流为两路所述数字电流进行求和运算后的电流，并记为第二电流；
设置一制动系数K和一差动保护启动值，所述控制单元具体用于：
当所述第二电流大于或者等于K倍所述第一电流，且大于或者等于K倍所述差动保护启动值时，控制三极管和晶闸管导通或者关断。
2.如权利要求1所述的双向固态断路器，其特征在于，所述第一直流端与直流电源连接，所述第二直流端与负载连接，或者，所述第二直流端与所述直流电源连接，所述第一直流端与所述负载连接。
3.如权利要求2所述的双向固态断路器，其特征在于，当所述第一直流端与所述直流电源连接，所述第二直流端与所述负载连接，所述双向固态断路器在正常工作状态时，工作电流从所述第一直流端流经所述第一三极管、所述第二二极管至所述第二直流端。
4.如权利要求3所述的双向固态断路器，其特征在于，所述第一晶闸管和所述第四晶闸管用于在所述第二直流端发生短路故障时，接收控制指令并导通，以降低主开关支路电流应力，其中，所述第一三极管在主开关支路电流应力降低后关断。
5.如权利要求4所述的双向固态断路器，其特征在于，所述电容用于在所述第一晶闸管和所述第四晶闸管导通后，吸收所述故障电流转移支路的故障电流，其中，所述故障电流降低为零时，短路故障被隔离，所述第一晶闸管和所述第四晶闸管自动关断。
6.如权利要求5所述的双向固态断路器，其特征在于，所述第五晶闸管用于在短路故障被隔离后导通，以通过所述能量释放回路释放所述电容储存的能量，并通过所述电阻消耗所述能量，其中，所述能量释放回路的电流降低为零时，所述第五晶闸管关断，能量释放过程结束，并重新进行重合闸操作。
7.如权利要求1-6中任一项所述的双向固态断路器，其特征在于，所述第一三极管和所述第二三极管均为N沟道型IGBT。
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