CN117013485A - 一种磁耦合双向z源断路器及直流电传输设备 - Google Patents
一种磁耦合双向z源断路器及直流电传输设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117013485A CN117013485A CN202310972734.5A CN202310972734A CN117013485A CN 117013485 A CN117013485 A CN 117013485A CN 202310972734 A CN202310972734 A CN 202310972734A CN 117013485 A CN117013485 A CN 117013485A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diode
- current
- circuit breaker
- anode
- electronic switch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 title claims abstract description 45
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims description 112
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims description 112
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims description 108
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims description 8
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 84
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 8
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 5
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
- H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
- H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for DC applications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
- H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between AC networks via a high-tension DC link
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
Abstract
本申请公开了一种磁耦合双向Z源断路器，其包括耦合电感模块、电子开关、电容、第一‑第四二极管；第一二极管的正极与第三二极管的负极分别连接电源的正极；第二二极管的正极与第四二极管的负极连接分别连接负载；耦合电感模块中一次侧绕组的非同名端连接第一、第二二极管的负极，同名端连接电子开关的阳极；二次侧绕组的同名端连接第三、第四二极管的正极，非同名端连接电子开关的阴极；电容的正极与电子开关的阴极连接，负极连接负载及直流电源的负极。本发明利用耦合电感模块及电容构成的充放电回路实现故障的主动关断功能，且仅依靠电容提供故障电流，不会对电源测造成冲击，防止引发前级设备的连锁保护，能够快速隔离短路故障以及过载故障。
Description
技术领域
本申请涉及直流断路器技术领域，更具体地，涉及一种磁耦合双向Z源断路器及直流电传输设备。
背景技术
随着电力电子技术的进步，直流输配电技术因其高功率密度、高质量、高效率和可靠性而在电动飞机、轨道交通和分布式可再生能源发电领域越来越受欢迎。然而，与交流电源不同的是，直流电源缺少自然电流过零，因此更难中断故障电流。当发生短路故障时，故障电流可以快速上升到额定电流的十倍以上。如果不及时采取保护措施，半导体功率转换器将受到损坏。目前直流断路器是目前解决这一问题的有效方法，但是传统直流断路器存在关断时间长、电路结构复杂、存在电弧、可靠性以及抗干扰性低等问题，基于固态电力电子器件的固态断路器由于其低损耗、低成本、结构简单等优点受到了越来越多的关注。
传统的固态断路器使用全控型半导体器件，如IGBT、IGCT和IEGT，这意味着需要复杂的驱动和控制电路。这个缺陷可以通过使用Z源断路器及其衍生拓扑结构来缓解。Z源断路器利用晶闸管作为主开关，大大降低电路成本及驱动的复杂度；使用Z源换向电路强制电流过零达到分闸的目的。MaqsoodA等人和CorzineKA等人在文献“MaqsoodA,CorzineK.Z-source Dccircuitbreakerswithcoupledinductors[C]//2015IEEEEnergyConversionCongressandExposition(ECCE).IEEE,2015:1905-1909.”,“CorzineKA,AshtonRW.AnewZ-sourceDCcircuitbreaker[J].IEEETransactionsonPower Electronics,2011,27(6):2796-2804.”中提出了Z源固态直流断路器主要包含三种类型：交错型、并联型和串联型。然而Z源断路器仍存在一些问题，如交错型固态直流断路器存在电源与负载不共地的问题，并联型和串联型均存在较大的反射到电源的故障电流，且三者存在三个共性问题：负载突变易引起断路器误触发、不支持能量的双向流动及双向保护、无主动触发能力。
申请号为202110024670.7的中国专利提出了一种双向Z源断路器拓扑，通过嵌套整流桥及耦合电感实现了源荷共地、双向保护及可调节故障电流阈值的功能，但是该电路结构在工作时依旧需要从源端汲取故障电流，且不具备主动触发功能。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁耦合双向Z源断路器及直流电传输设备，其目的在于实现故障的快速主动触发关断、避免出现对源侧的冲击。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种磁耦合双向Z源断路器，其包括耦合电感模块、电子开关、电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述第一二极管的正极与第三二极管的负极连接，其连接点作为所述断路器的第一引出端子，用以连接直流电源的正极；所述第二二极管的正极与第四二极管的负极连接，其连接点作为所述断路器的第二引出端子，用以连接负载；
所述耦合电感模块包括耦合电感一次侧绕组、耦合电感二次侧绕组，以及与所述耦合电感一次侧绕组并联的能量吸收回路；
所述耦合电感一次侧绕组的非同名端分别连接第一二极管与第二二极管的负极，耦合电感一次侧绕组的同名端连接所述电子开关的阳极；所述耦合电感二次侧绕组的同名端分别连接第三二极管与第四二极管的正极，耦合电感二次侧绕组的非同名端连接电子开关的阴极；所述电容的正极与电子开关的阴极连接，电容的负极分别连接负载及直流电源的负极。
进一步地，上述磁耦合双向Z源断路器中，所述第一二极管、耦合电感一次侧绕组、电子开关、耦合电感二次侧绕组、第四二极管构成能量的前向流动通道；所述第三二极管、耦合电感二次侧绕组、电子开关、耦合电感一次侧绕组、第二二极管构成能量的后向流动通道。
进一步地，上述磁耦合双向Z源断路器中，所述电容在短路故障发生后开始放电，产生的短路电流流经耦合电感二次侧绕组、第四二极管、负载，并在耦合电感一次侧绕组处产生反向感应电流，控制电子开关关断。
进一步地，上述磁耦合双向Z源断路器中，所述电子开关被关断后，断路器进入无源RLC谐振工作状态；所述电容持续进行放电直至其电流降低为零，所述无源RLC谐振工作状态结束。
进一步地，上述磁耦合双向Z源断路器中，当电容电流的导数由正转负时，耦合电感一次侧绕组中感应的电压方向发生改变，此时耦合电感一次侧绕组感应的电流开始在能量吸收回路中被消耗，直至流经耦合电感一次侧绕组和电容的电流下降为零。
进一步地，上述磁耦合双向Z源断路器中，所述能量吸收回路包括串联的续流二极管和续流电阻；
所述续流二极管的正极与电子开关的阳极连接，续流二极管的负极串联所述续流电阻后与耦合电感一次侧绕组的非同名端相连。
进一步地，上述磁耦合双向Z源断路器还包括串联的限流电阻和受控开关；
所述限流电阻的第一端分别连接第三二极管、第四二极管的正极，第二端连接受控开关的一端；所述受控开关的另一端分别连接直流电源的负极以及负载。
进一步地，上述磁耦合双向Z源断路器还包括第一电流传感器和第二电流传感器，分别用以检测直流电源和负载的电流，并在所述电流超过预设值时触发受控开关断开；
所述第一电流传感器的第一端连接第一二极管的正极及第三二极管的负极，第二端用以连接直流电源的正极；
所述第二电流传感器的第一端连接第二二极管的正极及第四二极管的负极，第二端用以连接负载；
第一电流传感器、第二电流传感器的第三端均连接受控开关。
进一步地，上述磁耦合双向Z源断路器中，所述电子开关选用晶闸管。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种直流电传输设备，其包括上述任一项所述的磁耦合双向Z源断路器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的磁耦合双向Z源断路器，利用耦合电感模块中的耦合电感一次侧绕组与耦合电感二次侧绕组以及电容构成的充放电回路实现了故障的主动关断功能，并且该电路仅依靠电容提供故障电流，不会对电源测造成冲击，防止引发前级设备的连锁保护，能够快速隔离短路故障以及过载故障，拓宽了断路器的保护范围。
(2)本发明提供的磁耦合双向Z源断路器，采用的耦合电感模块在故障状态下工作于变压器模式，短暂的冲击电流不会导致其磁路饱和，因此耦合电感模块的体积大大减小，同时耦合电感线圈的匝数比可调使得本电路可以准确区分短路故障和负载突变，不会误触发。
(3)本发明提供的磁耦合双向Z源断路器，利用耦合电感模块及第一-第四二极管构成的桥式耦合结构实现了电路能量的双向流动，并且在二极管桥的加持下，主动关断时不会造成负载侧电压和电流的波动。
(4)本发明提供的磁耦合双向Z源断路器，该电路拓扑实现了电源和负载的共地，且具有即插即用特性，便于实用推广。
(5)本发明提供的磁耦合双向Z源断路器，电路拓扑结构得到了简化，使用的半导体开关元器件较少，降低了电路的复杂度，降低体积、重量，降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种磁耦合双向Z源断路器的拓扑结构示意图；
图2为本实施例提供的断路器在稳态工作时的电流流动路径(以正向工作为例)示意图；
图3为本实施例提供的断路器在故障暂态工作时的电流流动路径(以正向工作为例)示意图；
图4为本实施例提供的断路器在谐振状态工作时的电流流动路径(以正向工作为例)示意图；
图5为本实施例提供的断路器在续流状态工作时的电流流动路径(以正向工作为例)示意图；
图6为本实施例提供的断路器样机在短路工况下的实验波形；
图7为本实施例提供的断路器样机在过载工况下的实验波形；
图中，1—耦合电感模块，2—第一二极管，3—第二二极管，4—第三二极管，5—第四二极管，6—负载，7—第二二极管正极和第四二极管负极交点，8—第一二极管正极和第三二极管负极交点，9—耦合电感一次侧绕组，10—耦合电感二次侧绕组，11—电子开关，12—电容，13、14—耦合电感模块引出端子，15—受控开关与负载、直流电源连接的交点，16—电容与电子开关、耦合电感二次侧绕组的交点，17—限流电阻，18—受控开关，19—续流电阻，20—续流二极管，21—直流电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
此外，为了避免使技术人员对本发明的理解模糊，可能不详细地描述或示出公知的或广泛使用的技术、元件、结构和处理。尽管附图表示本发明的示例性实施例，但是附图不必按照比例绘制，并且特定的特征可被放大或省略，以便更好地示出和解释本发明。
图1是本实施例提供的磁耦合双向Z源断路器的拓扑结构示意图，请参阅图1，该磁耦合双向Z源断路器包括耦合电感模块1、电子开关11、电容12、第一二极管2、第二二极管3、第三二极管4和第四二极管5；
其中，第一-第四二极管构成桥式耦合结构，具体的：第一二极管2的正极与第三二极管4的负极连接，其连接点8作为断路器的第一引出端子，用以连接直流电源21的正极；第二二极管3的正极与第四二极管5的负极连接，其连接点7作为断路器的第二引出端子，用以连接负载6。
耦合电感模块1包括设置于电子开关11两端的耦合电感一次侧绕组9与耦合电感二次侧绕组10，还包括与耦合电感一次侧绕组9并联的能量吸收回路；耦合电感一次侧绕组9与耦合电感二次侧绕组10能够互感。
耦合电感一次侧绕组9的非同名端的引出端子13分别连接第一二极管2与第二二极管3的负极，耦合电感一次侧绕组9的同名端连接电子开关11的阳极；耦合电感二次侧绕组10的同名端的引出端子14分别连接第三二极管4与第四二极管5的正极，耦合电感二次侧绕组10的非同名端连接电子开关11的阴极；电容12的正极分别与电子开关11的阴极、耦合电感二次侧绕组10的非同名端连接于交点16，电容12的负极分别连接负载6及直流电源21的负极。负载6的负极与直流电源21的负极连接。
本实施例提供的具有桥式耦合结构的磁耦合双向Z源断路器可以实现双向的能量流动。其中，第一二极管2、耦合电感一次侧绕组9、电子开关11、耦合电感二次侧绕组10、第四二极管5构成电路拓扑的能量的前向流动通道；第三二极管4、耦合电感二次侧绕组10、电子开关11、耦合电感一次侧绕组9、第二二极管3构成电路拓扑的能量的后向流动通道。
本实施例中，电子开关可以为晶闸管、晶体管、场效应管、可控硅等等；在一个优选的示例中，电子开关选用通态损耗更小的晶闸管。
基于上述电路结构，本实施例提供的磁耦合双向Z源断路器能够实现短路故障隔离。具体的，电容12在短路故障发生后进行充电，产生的短路电流流经耦合电感二次侧绕组10、第四二极管5和负载6，基于电磁感应效应，在耦合电感一次侧绕组9处产生反向感应电流，控制电子开关11关断。
为使断路器拥有更好的性能，需要选择合适的耦合电感参数。获得耦合电感模块的漏感值计算公式为：
其中，NC为线圈匝数，AC为磁芯的有效截面积，lg为气隙长度，MPL为磁路长度，μm为磁芯的导磁率。
以耦合电感磁芯采用75μ-26铁粉芯为例，则设计耦合电感一次侧绕组9的线圈匝数为40，漏感为387μH；耦合电感二次侧绕组10的匝数为20，漏感为96.8μH。
电子开关11被关断后，断路器进入无源RLC谐振工作状态；此时电容12持续进行放电直至其电流降低为零则无源RLC谐振工作状态结束。
当电容12电流的导数由正转负时，耦合电感一次侧绕组9中感应的电压方向发生改变，此时耦合电感一次侧绕组9感应的电流开始在能量吸收回路中被消耗，直至流经耦合电感一次侧绕组9和电容12的电流下降为零，则短路故障被完全隔离。
在一个可选的实施方式中，能量吸收回路包括续流二极管20和续流电阻19。该续流二极管20和续流电阻19串联然后并联于耦合电感模块1的耦合电感一次侧绕组9的两端。续流二极管20的阳极与电子开关11的阳极连接，续流二极管20的负极串联续流电阻19后与耦合电感一次侧绕组9的非同名端引连接。
续流二极管20用于限制续流方向，在非故障状态下处于阻断状态，当发生故障耦合电感模块1的耦合电感一次侧绕组9承受反向电压时进入导通状态，提供续流支路，用于减小电子开关11的电压应力。续流电阻19用于在保护动作后将存储在耦合电感模块1绕组中的能量快速消耗掉，以减小电感的电流应力和热应力。
在一个更加优选的实施例中，上述磁耦合双向Z源断路器还包括串联的限流电阻17和受控开关18；
限流电阻17的第一端分别连接第三二极管4、第四二极管5的正极，第二端连接受控开关18的一端；受控开关18的另一端连接直流电源21的负极及负载6。
当负载6的过载程度没有严重到被此断路器自动识别及关断，则可以手动控制受控开关18断开，强行关断电子开关11，完成负载的隔离。
进一步优选的，上述磁耦合双向Z源断路器还包括第一电流传感器、第二电流传感器(图1中未示出)；
第一电流传感器的第一端连接第一二极管2的正极及第三二极管4的负极，第二端用以连接直流电源21的正极；第二电流传感器的第一端连接第二二极管3的正极及第四二极管5的负极，第二端用以连接负载6；第一电流传感器、第二电流传感器的第三端均连接受控开关18。
第一电流传感器用以检测源端电流，并在电源21电流超过预设值时自动触发受控开关18断开；第二电流传感器用以检测负载6的电流，并在负载电流超过预设值时自动触发受控开关18断开。
基于这一结构，本实施例提供的磁耦合双向Z源断路器还能够实现过载故障的清除。
下面以前向工作为例，对本实施例提供的磁耦合双向Z源断路器实现短路故障清除以及过载故障清除两种工况的解决策略作进一步详细说明：
工况1：短路故障清除
本实施例提供别的一种桥式磁耦合Z源断路器的工作过程分为四个步骤：稳态工作步骤、故障瞬间工作步骤、谐振工作步骤和续流工作步骤。
步骤一，稳态工作步骤
图2为断路器在稳态工作时的电流流动路径，如图2所示，当断路器处于正常工作状态时，电流经第一二极管2、耦合电感一次侧绕组9、电子开关11、耦合电感二次侧绕组10和第四二极管5流向负载6。当断路器正常工作时，耦合电感模块1中不会产生感应电流，电感线圈阻抗很低，耗散能量很少。定义流过电子开关11的电流为iSCR，流过耦合电感一次侧绕组9、耦合电感二次侧绕组10的电流分别为iL1、iL2；输出电流为io；直流电源21的电压为Vs；负载6的电阻为RL。此步骤中，输出电流io与流经电子开关11和耦合电感模块1绕组线圈的电流相等，则
步骤二，故障瞬间工作步骤
图2为断路器在故障暂态工作的电流流动路径，如图3所示，当短路故障发生时，电流在极短时间内发生较大的变化，电容12开始放电，短路电流流过耦合电感二次侧绕组10、第四二极管5和负载6。此时在耦合电感一次侧绕组9处产生的反向感应电流开始增大，开始抵消流过位于耦合电感模块1的两个绕组之间的电子开关11的电流。当电子开关11电流下降为0时，断路器完成分闸。以短路故障发生时间点为参考时间零点，短路故障持续时间为tf，则有
式中，C为电容，VC(t)为电容电压，N为耦合电感一二次侧绕组的匝数比。
步骤三，谐振工作步骤
图4为断路器在谐振状态工作时的电流流动路径，如图4所示，电子开关11关断后电路进入无源RLC谐振工作状态。此时电容12持续进行放电，电压逐步降低。对此无源RLC谐振电路进行KVL分析可知：
式中，L2为耦合电感二次侧绕组的漏感，Rf为故障电阻。
由于故障暂态时间太短，故假设电容电压依旧维持在电源电压水平，以及考虑到电容电流是连续的，得到电容电压和电流的初始条件为：
将式(5)代入式(4)，可以得到电容电压和电流的函数表达式
在谐振期间，耦合电感一次侧绕组、电子开关、电容与直流电源构成一个回路，复用KVL定理可得：
式中，VSCR(t)为电子开关电压，其函数表达式可以得到为：
令式(9)为0，即可求解出电子开关承受负压的时间，对电子开关的选型具有指导意义。故对式(9)进行二阶泰勒展开：
求解可得，当tC＝tn时，电子开关的电压为0，则有：
当电容电流降低为0时，意味着谐振状态结束。
步骤四，续流工作步骤
图5为断路器在续流状态工作时的电流流动路径，请参阅图5，当电容12的电流的导数由正转负时，耦合电感一次侧绕组9感应的电压方向也发生改变，此时耦合电感一次侧绕组9中产生的反向感应电流开始在能量吸收回路中被消耗。当电路中没有任何电流流动情况时，故障被完全隔离。
工况2：过载故障清除。
若负载6的过载程度没有严重到可被断路器自我识别且切断，此时，则通过第二电流传感器监测负载电流，当发生轻微过载时迅速触发受控开关18断开，强行关断电子开关11，完成负载6的隔离。
针对实例进行实验，以能量的前向流动为例。设定直流电源的电压Vs＝48V，耦合电感模块一次侧绕组9的电感为387μH，耦合电感模块二次侧绕组10的电感为96.8μH，电容12容值为80μF，负载6的阻值为10Ω，故障电阻大小0.5Ω。
工况1：短路实验波形图如图6所示，在电路正常工作时电容12的电流为0，当负载端发生短路故障时，电容12开始放电，电流在极短时间内阶跃上升。由于电容12的放电电流流过耦合电感二次侧绕组10，因此在耦合电感的一次侧绕组9处产生的反向感应电流开始增大，并开始抵消流过位于耦合电感模块两个绕组之间的电子开关11的电流，电子开关11的电流逐渐下降为0。从图6中可以看出，电子开关11的电流仅花费数μs就跌落至0，整个隔离故障的过程耗时400μs左右，动作迅速。
工况2：过载实验波形图如图7所示，当主动关断触发后，电容12迅速放电，电子开关11的电流逐渐下降至0，负载6的电流同电压一起共同下降，整个过程共持续400μs左右。
本实施例提供的磁耦合双向Z源断路器可以应用在各种直流电传输设备中，将断路器设置在直流电源与负载之间，能够有效实现短路故障隔离及过载故障清除。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，包括耦合电感模块、电子开关、电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述第一二极管的正极与第三二极管的负极连接，其连接点作为所述断路器的第一引出端子，用以连接直流电源的正极；所述第二二极管的正极与第四二极管的负极连接，其连接点作为所述断路器的第二引出端子，用以连接负载；
所述耦合电感模块包括耦合电感一次侧绕组、耦合电感二次侧绕组，以及与所述耦合电感一次侧绕组并联的能量吸收回路；
所述耦合电感一次侧绕组的非同名端分别连接第一二极管与第二二极管的负极，耦合电感一次侧绕组的同名端连接所述电子开关的阳极；所述耦合电感二次侧绕组的同名端分别连接第三二极管与第四二极管的正极，耦合电感二次侧绕组的非同名端连接电子开关的阴极；所述电容的正极与电子开关的阴极连接，电容的负极分别连接负载及直流电源的负极。
2.如权利要求1所述的磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，所述第一二极管、耦合电感一次侧绕组、电子开关、耦合电感二次侧绕组、第四二极管构成能量的前向流动通道；所述第三二极管、耦合电感二次侧绕组、电子开关、耦合电感一次侧绕组、第二二极管构成能量的后向流动通道。
3.如权利要求1所述的磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，所述电容在短路故障发生后开始放电，产生的短路电流流经耦合电感二次侧绕组、第四二极管、负载，并在耦合电感一次侧绕组处产生反向感应电流，控制电子开关关断。
4.如权利要求3所述的磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，所述电子开关被关断后，断路器进入无源RLC谐振工作状态；所述电容持续进行放电直至其电流降低为零，所述无源RLC谐振工作状态结束。
5.如权利要求4所述的磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，当电容电流的导数由正转负时，耦合电感一次侧绕组中感应的电压方向发生改变，此时耦合电感一次侧绕组感应的电流开始在能量吸收回路中被消耗，直至流经耦合电感一次侧绕组和电容的电流下降为零。
6.如权利要求1或5所述的磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，所述能量吸收回路包括串联的续流二极管和续流电阻；
所述续流二极管的正极与电子开关的阳极连接，续流二极管的负极串联所述续流电阻后与耦合电感一次侧绕组的非同名端相连。
7.如权利要求1-6任一项所述的磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，还包括串联的限流电阻和受控开关；
所述限流电阻的第一端分别连接第三二极管、第四二极管的正极，第二端连接受控开关的一端；所述受控开关的另一端分别连接直流电源的负极以及负载。
8.如权利要求7所述的磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，还包括第一电流传感器和第二电流传感器，分别用以检测直流电源和负载的电流，并在所述电流超过预设值时触发受控开关断开；
所述第一电流传感器的第一端连接第一二极管的正极及第三二极管的负极，第二端用以连接直流电源的正极；
所述第二电流传感器的第一端连接第二二极管的正极及第四二极管的负极，第二端用以连接负载；
第一电流传感器、第二电流传感器的第三端均连接受控开关。
9.如权利要求1或8所述的磁耦合双向Z源断路器，其特征在于，所述电子开关选用晶闸管。
10.一种直流电传输设备，其特征在于，其包括权利要求1～9任一项所述的磁耦合双向Z源断路器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310972734.5A CN117013485A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种磁耦合双向z源断路器及直流电传输设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310972734.5A CN117013485A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种磁耦合双向z源断路器及直流电传输设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117013485A true CN117013485A (zh) | 2023-11-07 |
Family
ID=88570565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310972734.5A Pending CN117013485A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种磁耦合双向z源断路器及直流电传输设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117013485A (zh) |
-
2023
- 2023-08-03 CN CN202310972734.5A patent/CN117013485A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107342754B (zh) | 基于耦合电感线圈的直流断路器及其控制方法 | |
| Lazzari et al. | Design and implementation of LVDC hybrid circuit breaker | |
| Wu et al. | Investigation of an active current injection DC circuit breaker based on a magnetic induction current commutation module | |
| CN106300236B (zh) | 一种隔离注入式电流转移电路及其使用方法 | |
| CN110286320A (zh) | 具有保护功能的直流断路器半导体组件关断能力测试回路 | |
| Yang et al. | A low-loss Z-source circuit breaker for LVDC systems | |
| WO2015081615A1 (zh) | 一种直流断路器 | |
| Wu et al. | Hybrid MVDC circuit breaker based on enhanced arc voltage of vacuum interrupter | |
| CN101546908A (zh) | 具有直流控制系统的饱和铁心型超导限流器及其控制方法 | |
| CN88102486A (zh) | 具有过电压保护的电流源功率转换装置 | |
| CN102751710A (zh) | 一种新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器 | |
| Xiao | An instantaneously triggered short-circuit protection architecture for boost switching DC/DC converters | |
| Xu et al. | Design of an isolated circuit breaker with robust interruption capability for DC microgrid protection | |
| Xi et al. | Integration of superconducting fault current limiter with solid-state DC circuit breaker | |
| Zhang et al. | A solid-state circuit breaker without current limiting inductor | |
| CN114977129B (zh) | 一种可选择中断的混合式直流断路器及其控制方法 | |
| CN112838562A (zh) | 一种基于新型拓扑结构的双向z源固态直流断路器 | |
| US11670933B2 (en) | Direct current momentary circuit interrupter | |
| Ray et al. | Bidirectional coupled inductor based hybrid circuit breaker topologies for DC system protection | |
| CN117013485A (zh) | 一种磁耦合双向z源断路器及直流电传输设备 | |
| CN112421575A (zh) | 电磁搅拌变频电源故障停机保护方法及装置 | |
| EP4175091A1 (en) | Electrical power system | |
| Liu et al. | A Series-Type Dual-Coupled-Inductors Based Hybrid Circuit Breaker With Simple Start-Up Operation and Adaptive Reclosing Capability | |
| CN116505495A (zh) | 基于电容自然充电换向的混合式直流断路器及其工作方法 | |
| CN1023169C (zh) | 脉冲激光器快速连通保护器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |