CN116845835A - 一种基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器及其控制方法，其利用电容放电注入主回路调制以实现无弧直流关断，属于电力设备技术领域。该直流断路器工作原理如下所述：采用两个预充电电容，其中低压电容放电并通过脉冲变压器注入较小的与故障电流相反方向的电流，高压电容放电并通过脉冲变压器注入较大的与故障电流相反方向的电流，并在电流零点附近进行调制，故障电流经过调制成为幅值很小的电流纹波，直流中并不存在的过零点通过此种方法可以得到，在故障过零点处或所调制的纹波之内断开主开关即可实现无弧隔离故障。

Description

一种基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，特别是一种基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器。

背景技术

随着可再生能源接入直流电网的需求不断增加，直流输配电系统因其效率、灵活性和经济性而被认为是较好的解决方案。虽然直流输配电网为大规模高比例可再生能源并网和大容量远距离电能传输等难题提供了解决方案，是构建以可再生能源为主体的新型电力系统重要发展方向，但是目前直流电力系统的保护存在极大的挑战，如线路阻抗小，故障电流上升极为迅速；电流缺乏自然过零点，常规的交流断路器难以适用等。

直流断路器是直流系统故障保护的关键设备，直流断路器可以快速开断故障电流、有效的无弧隔离故障，是保证直流输配电网可靠运行的关键设备之一，对直流系统的稳定性和可靠性具有极其重要的作用。故障响应速度与通态损耗是评价直流断路器性能的两个关键指标。

目前的机械式直流断路器故障响应速度慢；固态断路器的通态损耗较高，需要配备价格高昂的散热设备；混合式直流断路器结合了机械式断路器和固态断路器的优点，但其故障响应速度仍受限于主开关的延迟时间；改进的混合直流断路器在主支路中添加一个换流开关(固态开关)与主开关串联，大幅提升了故障响应速度，但换流开关的通态损耗不可忽视；常规的注入式直流断路器只在主回路电流中创造了一个电流过零点，需要考虑主开关的延迟时间，对主开关的断开时机要与故障电流过零点精确配合。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本发明的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的直流断路器中存在的对主回路的故障电流过零点缺乏和主开关需要与故障电流过零点精确配合的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，可以解决故障电流过零点缺乏和主开关需要与故障电流过零点精确配合的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，包括，主支路模块，所述主支路模块包括主开关、电流传感器和变压器原边绕组，所述主开关、电流传感器和变压器原边绕组串联运行；副支路模块，所述副支路模块包括充电电路模块和电流注入模块，所述充电电路模块与电流注入模块串联运行；主回路，所述主回路包括负载正端和负载负端，所述负载负端和负载正端之间连接有副支路模块。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述充电电路模块包括第一全控型功率器件、第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻，所述第一分压电阻一端连接至第一全控型功率器件输出端，一端连接至第二分压电阻，所述第三分压电阻；一端连接至第二分压电阻。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述充电电路模块还包括第一防逆流二极管和第二防逆流二极管，所述第一防逆流二极管与第一全控型功率器件输出端相连，所述第二防逆流二极管与第一分压电阻相连。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述电流注入模块包括第三续流二极管、第四续流二极管、第二储能电容、第三全控型功率器件和变压器副边绕组，所述第三续流二极管连接至第二储能电容，所述第二储能电容连接至第三全控型功率器件输入端，所述第三全控型功率器件输出端连接至变压器副边绕组。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述电流注入模块还包括第一储能电容和第二全控型功率器件，所述第一储能电容连接至第二全控型功率器件输入端，所述第二全控型功率器件输出端连接至变压器副边绕组。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述第一全控型功率器件输入端连接至负载正端，所述第三分压电阻一端连接至负载负端。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述第一储能电容一端连接至负载负端。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述第三续流二极管一端连接至负载负端。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述变压器副边绕组一端连接至负载负端。

作为本发明所述基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器的一种优选方案，其中：所述主支路模块位于负载正端上。

本发明有益效果为：

(1)本发明通过飞跨电容进行多电平的注入，只使用了一个脉冲变压器，其拓扑简单。

(2)本发明提出了直接从直流母线取电为储能电容进行充电的方法，不需要额外的辅助电源装置，进一步降低了直流断路器的成本投入。

(3)本发明所提出的故障电流调制，使故障电流被调制成为很小幅值的电流纹波，创造了很多个过零点，在过零点处或者纹波时间段进行故障的切除不会产生电弧，对主开关的动作时间不需要很精确的控制，控制难度降低，稳定性和可靠性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明的拓扑结构图；

图2为本发明工作在正常情况下的示意图；

图3为本发明工作在隔离故障情况下的示意图；

图4为本发明隔离故障时的关键波形图；

图5为本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1～3，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，具体包括，主支路模块100，主支路模块100包括主开关MS、电流传感器IM和变压器原边绕组101，主开关MS、电流传感器IM和变压器原边绕组101串联运行；副支路模块200，副支路模块200包括充电电路模块201和电流注入模块202，充电电路模块201与电流注入模块202串联运行；主回路300，主回路300包括负载正端301和负载负端302，负载负端302和负载正端301之间连接有副支路模块200。

进一步的，充电电路模块201包括第一全控型功率器件Q1、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3，第一分压电阻R1一端连接至第一全控型功率器件Q1输出端，一端连接至第二分压电阻R2，第三分压电阻R3；一端连接至第二分压电阻R2；充电电路模块201还包括第一防逆流二极管D1和第二防逆流二极管D2，第一防逆流二极管D1与第一全控型功率器件Q1输出端相连，第二防逆流二极管D2与第一分压电阻R1相连；电流注入模块202包括第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第二储能电容C2、第三全控型功率器件Q3和变压器副边绕组202a，第三续流二极管D3连接至第二储能电容C2，第二储能电容C2连接至第三全控型功率器件Q3输入端，第三全控型功率器件Q3输出端连接至变压器副边绕组202a。

较佳的，电流注入模块202还包括第一储能电容C1和第二全控型功率器件Q2，第一储能电容C1连接至第二全控型功率器件Q2输入端，第二全控型功率器件Q2输出端连接至变压器副边绕组202a；第一全控型功率器件Q1输入端连接至负载正端301，第三分压电阻R3一端连接至负载负端302；第一储能电容C1一端连接至负载负端302；第三续流二极管D3一端连接至负载负端302；变压器副边绕组202a一端连接至负载负端302；主支路模块100位于负载正端301上。

应当说明的是，飞跨电容结构的有源注入式直流断路器在发生短路故障时，有以下工作模态：

模态1：主支路模块100的主开关MS闭合，导通路径中仅包含主开关MS、电流传感器IM和变压器原边绕组101，不包含任何功率型器件，具有较低的通态损耗；充电电路模块201中的第一全控型功率器件Q1闭合，第一储能电容C1和第二储能电容C2得到充电，当充电完毕后给第一全控型功率器件Q1施加关断信号；

模态2：发生短路故障后，由于直流线路的低惯性因素，主支路模块100的电流迅速增加；

模态3：当电流传感器IM检测到故障电流达到直流断路器的动作阈值时，电流注入模块202开启，对第二全控型功率器件Q2和第三全控型功率器件Q3施加开通信号，第一储能电容C1放电，并通过脉冲变压器注入到主回路300中，使得主回路300中的故障电流迅速下降；

模态4：当主回路300中的故障电流下降至所要调制纹波电流的波谷时，对第二全控型功率器件Q2施加关断信号，主回路300中的故障电流回升；

模态5：当主回路300中的故障电流回升至所要调制纹波电流的波峰时，对第二全控型功率器件Q2施加开通信号，主回路300中的故障电流下降；

模态6：重复模态4和模态5中的操作，并在所调制的纹波电流时间窗口断开主回路300中的主开关MS，即可实现无弧隔离故障；

模态7：故障被隔离后，变压器副边绕组202a上的能量通过第三续流二极管D3、第四续流二极管D4进行耗散。

实施例2

参照图1～3，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例。

具体的，对于第三全控型功率器件Q3只需要在发生故障时施加开通信号，在故障被无弧隔离后施加关断信号；对于第二全控型功率器件Q2需要在发生故障时施加PWM信号控制其开通或关断；对第一储能电容C1和第二储能电容C2的充电是取自于直流母线。

进一步的，充电电路模块201的第一全控型功率器件Q1施加开通信号，通过第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3对第一储能电容C1和第二储能电容C2进行充电，充满电后，充电电路模块201的第一全控型功率器件Q1断开；在第一储能电容C1和第二储能电容C2充满电后，通过第一防逆流二极管D1和第二防逆流二极管D2可以保证第一储能电容C1和第二储能电容C2中的能量不会流失；在电流注入模块202中的第三、第四续流二极管D4是防止第一储能电容C1和第二储能电容C2在放电时路径不经过变压器副边绕组202a而发生短路；

应当说明的是，第一储能电容C1的电压等于直流电源电压，第二储能电容C2的电压为其中，R1为第一分压电阻R1，R2为第二分压电阻R2，R3为第三分压电阻R3，Udc为直流母线电压，UC2为第二储能电容C2的预充电电压；故障电流经过调制之后产生一段小电流纹波时间窗口，在此窗口关断主回路中的主开关MS不会产生电弧。

在本实施例中，故障发生之后，电流传感器IM检测到故障电流，当故障电流达到直流断路器的动作阈值时，第三全控型功率器件Q3得到开通信号从而导通，第二储能电容C2经过第三全控型功率器件Q3、变压器副边绕组202a、二极管D3进行放电。第二全控型功率器件Q2采用PWM信号进行控制其开断，第一储能电容第一储能电容C1通过第二全控型功率器件Q2、第三全控型功率器件Q3和变压器副边绕组202a进行间歇性放电。

应当说明的是，当PWM是高电平时，第一储能电容第一储能电容C1放电注入主回路300中，使得故障电流迅速降低，当故障电流降低到所想要调制的纹波电流的波谷时，此时PWM切换为低电平，第二全控型功率器件Q2被关闭，故障电流回升，当故障电流回升到所想要调制的纹波电流的波峰时，此时PWM切换为高电平。重复以上两个步骤即可实现对故障电流进行调制，得到在零附近的纹波电流，在纹波电流期间打开主开关即可实现无弧隔离故障。

实施例3

参照图1～图5，为本发明第三个实施例，该实施例基于前两个实施例。

具体的，在图2中，在主开关MS闭合以承载负荷电流，在充电电路模块201之中，第一全控型功率器件Q1施加导通信号，直流母线电压经过电阻分压，对第一储能电容C1和第二储能电容C2进行充电，当第一储能电容C1和第二储能电容C2充满电后施加关断信号于第一全控型功率器件Q1。

进一步的，在图3中，其中iins是注入电流，iF是故障电流。给第三全控型功率器件Q3施加开通信号，则第二储能电容C2通过第三全控型功率器件Q3、变压器副边绕组202a、第三续流二极管D3在故障期间进行放电；给第二全控型功率器件Q2施加一个PWM信号，则第一储能电容C1通过第二全控型功率器件Q2、第三全控型功率器件Q3、变压器副边绕组202a进行间歇性放电。在PWM的高电平期间，第一储能电容C1放电，在主回路300中注入一个大电流，使故障电流快速降低，在达到所想要调制纹波波谷的时候，第二全控型功率器件Q2关断，主回路300中的电流回升，在达到所想要调制纹波波峰的时候，第二全控型功率器件Q2闭合。重复以上步骤，即可在主回路300中形成小电流纹波，在此小电流纹波期间关断主开关MS即可实现无弧隔离故障。

较佳的，在图4中，在t0时刻之前直流断路器工作在正常工况下，其承载电流等于负荷电流；在t0时刻，直流线路发生短路故障，由于直流输配电系统的低惯性因素，导致短路电流急剧上升；在t1时刻，短路电流上升至直流断路器的动作阈值，同时打开全控型功率器件第二全控型功率器件Q2、第三全控型功率器件Q3，储能第一储能电容C1放电并通过脉冲变压器注入主回路之中，使故障电流快速下降。

应当说明的是，在t2时刻，故障电流下降至所要调制纹波电流的波谷，此时关闭第二全控型功率器件Q2，打开第三全控型功率器件Q3，由于注入主回路300的电流减小，则故障电流开始回升，当故障电流回升至所要调制纹波电流的波峰，此时打开第二全控型功率器件Q2和第三全控型功率器件Q3，故障电流又开始下降，如此反复以上过程，便可得到如图4所示t2至t4的纹波电流，在此纹波电流窗口期关断主开关MS可以实现无弧隔离故障；将故障隔离后，注入回路中变压器副边绕组202a上电感存储的能量经过第三续流二极管D3和第四续流二极管D4进行消耗。

值得注意的是，第二全控型功率器件Q2和第三全控型功率器件Q3的控制信号分别如图4所示，在整个隔离故障期间，第三全控型功率器件Q3始终是处于导通状态，当故障被隔离后，施加信号将其关断，整个调制过程只有第二全控型功率器件Q2是高频动作的。

应当说明的是，在图5中，其中iLoad是负载电流，iSet是直流断路器动作阈值电流，itro是纹波电流波谷值，icre是纹波电流波峰值。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：包括，

主支路模块(100)，所述主支路模块(100)包括主开关(MS)、电流传感器(IM)和变压器原边绕组(101)，所述主开关(MS)、电流传感器(IM)和变压器原边绕组(101)串联运行；

副支路模块(200)，所述副支路模块(200)包括充电电路模块(201)和电流注入模块(202)，所述充电电路模块(201)与电流注入模块(202)串联运行；

主回路(300)，所述主回路(300)包括负载正端(301)和负载负端(302)，所述负载负端(302)和负载正端(301)之间连接有副支路模块(200)。

2.根据权利要求1所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述充电电路模块(201)包括第一全控型功率器件(Q1)、第一分压电阻(R1)、第二分压电阻(R2)和第三分压电阻(R3)，所述第一分压电阻(R1)一端连接至第一全控型功率器件(Q1)输出端，一端连接至第二分压电阻(R2)，所述第三分压电阻(R3)；一端连接至第二分压电阻(R2)。

3.根据权利要求1或2所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述充电电路模块(201)还包括第一防逆流二极管(D1)和第二防逆流二极管(D2)，所述第一防逆流二极管(D1)与第一全控型功率器件(Q1)输出端相连，所述第二防逆流二极管(D2)与第一分压电阻(R1)相连。

4.根据权利要求3所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述电流注入模块(202)包括第三续流二极管(D3)、第四续流二极管(D4)、第二储能电容(C2)、第三全控型功率器件(Q3)和变压器副边绕组(202a)，所述第三续流二极管(D3)连接至第二储能电容(C2)，所述第二储能电容(C2)连接至第三全控型功率器件(Q3)输入端，所述第三全控型功率器件(Q3)输出端连接至变压器副边绕组(202a)。

5.根据权利要求4所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述电流注入模块(202)还包括第一储能电容(C1)和第二全控型功率器件(Q2)，所述第一储能电容(C1)连接至第二全控型功率器件(Q2)输入端，所述第二全控型功率器件(Q2)输出端连接至变压器副边绕组(202a)。

6.根据权利要求5所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述第一全控型功率器件(Q1)输入端连接至负载正端(301)，所述第三分压电阻(R3)一端连接至负载负端(302)。

7.根据权利要求6所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述第一储能电容(C1)一端连接至负载负端(302)。

8.根据权利要求7所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述第三续流二极管(D3)一端连接至负载负端(302)。

9.根据权利要求8所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述变压器副边绕组(202a)一端连接至负载负端(302)。

10.根据权利要求5～8任一所述的基于飞跨电容结构的有源注入式直流断路器，其特征在于：所述主支路模块(100)位于负载正端(301)上。