CN117439012A - 基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置。包括：第一半导体功率单元、第一断点单元、第二半导体功率单元、第二断点单元、控制单元；控制单元控制输入侧第一半导体功率单元和第一断点单元和输出侧的第二半导体功率单元和第二断点单元实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护，解决直流系统中发生短路或过载等故障情况下故障切除难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及民用低压直流供配电领域，是一种基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置。
背景技术
随着技术的进步，直流电力系统因效率高、功率密度高、供电安全可靠等优势发展迅速，应用愈加广泛，主要包括轨道交通、数据中心、微电网等领域，但是直流系统由于在故障下不存在电流过零，因此，传统的配电装置很难切除电弧，需要增加额外的灭弧装置。
申请人研究发现：目前在直流配电领域存在以下现状：1）大部分场景下都是通过提高交流断路器余度选型的方法从而达到直流故障分断的功能，2）采用2P断路器串联应用方式，多个触头同时分断灭弧的方法，提升故障下的可靠性分断能力，因此造成配电保护功能成本的急剧增加；3）出于直流不接地系统发生两点接地故障时的严重危害，因此设计规则中要求直流不接地系统的低压侧的功率输入侧和输出侧均需配备断路器设备，这样就造成了成本的再次增加；4）针对部分直流系统为保证后端用电负载不间断供电的需求，常在直流母线上挂载储能装置，当发生故障时，储能装置的故障电流和故障上升斜率极大，因此采用传统的机械式断路器很难满足快速切除故障的能力。
发明内容
针对上述背景中的问题，本发明提出的固态复合式电力电子混合开关保护装置具备高可靠、高智能化、高集成化的优势，可解决上述问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，包括：
该装置包括了输入侧的第一半导体功率单元、输出侧的第二半导体功率单元以及控制单元；输入侧为功率进线与功率输出+之间，输出侧为功率出线和功率输出-之间；
控制单元控制输入侧的第一半导体功率单元和输出侧的第二半导体功率单元，实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
进一步的，该装置还可包含断点单元，其中断点单元包括了输入侧的第一断点单元和输出侧的第二断点单元；输入侧的第一半导体功率单元和第一断点单元串联，输出侧的第二半导体功率单元和第二断点单元串联，控制输入侧的第一半导体功率单元和第一断点单元和输出侧的第二半导体功率单元和第二断点单元实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
进一步的，所述控制单元可以是一个，也可以是两个，当有两个控制单元时，记为第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元控制输入侧的第一半导体功率单元和第一断点单元，第二控制单元控制输出侧的第二半导体功率单元和第二断点单元。
进一步的，当固态复合式电力电子混合开关保护装置要分断所处配电回路或者配电线路发生过载、短路、接地故障时该装置要切除故障情况下，固态复合式电力电子混合开关保护装置首先分断第一半导体功率单元和第二半导体功率单元，实现快速切除故障，无弧分断回路，其次分断第一断点单元和第二断点单元，保证配电回路中具备物理分断间隙。
进一步的，当固态复合式电力电子混合开关保护装置给后端用电负载供电时，固态复合式电力电子混合开关保护装置首先闭合第一断点单元和第二断点单元，其次闭合第一半导体功率单元和第二半导体功率单元。
进一步的，在直流不接电系统中发生多点接地故障时，记故障a为功率进线上的任意一点，故障d为功率输出-上的任意一点，故障b为功率输出+上的任意一点，故障c为功率出线上的任意一点；
当故障a和故障d同时发生接地故障时，输入侧的第一半导体功率单元和第一断点单元被短路，只有第二半导体功率单元和第二断点单元处于配电回路中，第二半导体功率单元分断配电回路；
当故障b和故障c同时发生接地故障时，输出侧的第二半导体功率单元和第二断点单元被短路，只有第一半导体功率单元和第一断点单元处于配电回路中，第一半导体功率单元分断配电回路。
进一步的，该装置的第一断点单元和第二断点单元还用于在第一半导体功率单元和第二半导体功率单元同时失效情况下，分断回路，切除故障。
进一步的，所述控制单元至少包含如下功能模块：第一采集单元、第二采集单元、计量单元、处理器单元、快速保护单元、逻辑单元、驱动单元、电源单元、通讯单元；
第一采集单元用于采集配电回路的电流值；
第二采集单元用于采集用电负载设备工作电压；
计量单元用于实现用电负载的功率检测；快速保护单元用于快速检测配电回路短路故障；
处理器单元用于配电回路的状态检测和数据处理；
逻辑单元用于电信号的快速处理；
驱动单元用于实现驱动半导体单元和断点单元；
电源单元为所有单元提供所需的工作电压；
通讯单元用于与上位机间的数据交互。
本发明技术方案提供的一种基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，包括：第一半导体功率单元、第一断点单元串联、第二半导体功率单元、第二断点单元串联、控制单元；控制单元控制输入侧第一半导体功率单元和第一断点单元和输出侧的第二半导体功率单元和第二断点单元实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护，解决直流系统中发生短路或过载等故障情况下故障切除难的问题。
附图说明
图1 直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构一；
图2 直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构二；
图3 直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构三；
图4 直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构四；
图5 直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构五；
图6 直流固态复合式电力电子混合开关保护装置控制单元架构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明实施例提供一种基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，包括：
该装置包括了输入侧的第一半导体功率单元1、输出侧的第二半导体功率单元2以及控制单元组成；输入侧为功率进线与功率输出+之间，输出侧为功率出线和功率输出-之间；
控制单元控制输入侧的第一半导体功率单元1和输出侧的第二半导体功率单元2，实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
该装置还可包含断点单元，其中断点单元包括了输入侧的第一断点单元3和输出侧的第二断点单元4；输入侧的第一半导体功率单元1和第一断点单元3串联，输出侧的第二半导体功率单元2和第二断点单元4串联，控制输入侧的第一半导体功率单元1和第一断点单元3和输出侧的第二半导体功率单元2和第二断点单元4实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
所述控制单元可以是一个，也可以是两个，当有两个控制单元时，记为第一控制单元5和第二控制单元6，第一控制单元5控制输入侧的第一半导体功率单元1和第一断点单元3，第二控制单元6控制输出侧的第二半导体功率单元2和第二断点单元4。
当固态复合式电力电子混合开关保护装置要分断所处配电回路或者配电线路发生过载、短路、接地故障时该装置要切除故障情况下，固态复合式电力电子混合开关保护装置首先分断第一半导体功率单元1和第二半导体功率单元2，实现快速切除故障，无弧分断回路，其次分断第一断点单元3和第二断点单元4，保证配电回路中具备物理分断间隙。
当固态复合式电力电子混合开关保护装置给后端用电负载供电时，固态复合式电力电子混合开关保护装置首先闭合第一断点单元3和第二断点单元4，其次闭合第一半导体功率单元1和第二半导体功率单元2。
在直流不接电系统中发生多点接地故障时，记故障a为功率进线上的任意一点，故障d为功率输出-上的任意一点，故障b为功率输出+上的任意一点，故障c为功率出线上的任意一点；
当故障a和故障d同时发生接地故障时，输入侧的第一半导体功率单元1和第一断点单元3被短路，只有第二半导体功率单元2和第二断点单元4处于配电回路中，第二半导体功率单元2分断配电回路；
当故障b和故障c同时发生接地故障时，输出侧的第二半导体功率单元2和第二断点单元4被短路，只有第一半导体功率单元1和第一断点单元3处于配电回路中，第一半导体功率单元1分断配电回路。
该装置的第一断点单元3和第二断点单元4还用于在第一半导体功率单元1和第二半导体功率单元2同时失效情况下，分断回路，切除故障。
所述控制单元至少包含如下功能模块：第一采集单元7、第二采集单元8、计量单元9、处理器单元10、快速保护单元11、逻辑单元12、驱动单元13、电源单元14、通讯单元15；
第一采集单元7用于采集配电回路的电流值；
第二采集单元8用于采集用电负载设备工作电压；
计量单元9用于实现用电负载的功率检测；快速保护单元11用于快速检测配电回路短路故障；
处理器单元10用于配电回路的状态检测和数据处理；
逻辑单元12用于电信号的快速处理；
驱动单元13用于实现驱动半导体单元和断点单元；
电源单元14为所有单元提供所需的工作电压；
通讯单元15用于与上位机等外部装置间的数据交互。
当用电负载发生变化，可对控制单元中的处理器单元进行参数修改，重新配置I2T保护曲线，配置符合用电负载特性的保护曲线，提升装置的通用化能力。
图1是直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构一，该装置包括了输入侧第一半导体功率单元1、输入侧第一断点单元3、输出侧第二半导体功率单元2、输出侧第二断点单元4、控制单元；控制单元控制输入侧第一半导体功率单元1、输入侧第一断点单元3、输出侧的第二半导体功率单元2、输出侧第二断点单元4，实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
图2是直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构二，该装置包括了输入侧第一半导体功率单元1、输入侧第一断点单元3、输出侧第二半导体功率单元2、输出侧第二断点单元4、第一控制单元5、第二控制单元6；第一控制单元5控制输入侧第一半导体功率单元1、输入侧第一断点单元3；第二控制单元6控制输出侧的第二半导体功率单元2、输出侧第二断点单元4，实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
图3是直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构三，该装置包括了输入侧第一半导体功率单元1、输入侧第一断点单元3、第一控制单元5；第一控制单元5控制输入侧第一半导体功率单元1、输入侧第一断点单元3；实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
图4是直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构四，该装置包括了输入侧第一半导体功率单元1、输出侧第二半导体功率单元2、第一控制单元5、第二控制单元6；第一控制单元5控制输入侧第一半导体功率单元1；第二控制单元6控制输出侧第二半导体功率单元2；实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
图5是直流固态复合式电力电子混合开关保护装置架构五，该装置包括了输入侧第一半导体功率单元1、输出侧第二半导体功率单元2、第一控制单元5；第一控制单元5控制输入侧第一半导体功率单元1和输出侧第二半导体功率单元2；实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
图6直流固态复合式电力电子混合开关保护装置控制单元架构，控制单元至少包含如下功能模块：第一采集单元7、第二采集单元8、计量单元9、处理器单元10、快速保护单元11、逻辑单元12、驱动单元13、电源单元14、通讯单元15；第一采集单元7用于采集配电回路的电流值；第二采集单元8用于采集用电负载设备工作电压；计量单元9用于实现用电负载的功率检测；快速保护单元11用于快速检测配电回路短路故障；处理器单元10用于配电回路的状态检测和数据处理；逻辑单元12用于电信号的快速处理；驱动单元13用于实现驱动半导体单元和断点单元；电源单元14为所有单元提供所需的工作电压；通讯单元15用于与上位机等外部装置间的数据交互。
基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置的断点单元可在半导体功率单元无法执行分断的情况下分断，实现分断配电回路的目的，提升该装置的可靠性和安全性；
基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置为了保证电机等启动电流大于额定值的负载可以正常启动，在用电设备启动阶段，设计了软启动策略，在执行闭合指令后，当回路的电流超过设定的容性载阈值电流，立马关断半导体功率单元，但不关断断点单元，经过设定时间后，再次闭合半导体单元，如此反复设定的次数后，最终回路电流稳定后，闭合半导体单元和断点单元，其中，容性载阈值电流和重复次数均可通过软件进行配置；
基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置其特征还在于根据应用场景的应用需求，选择不同类型的断点单元，包括继电器、断路器等具备物理断电的单元，断点单元正常工作情况下不承担故障切除的能力，或只需具备承担有限次的故障切除的能力。
Claims (8)
1.一种基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，其特征在于，包括：
该装置包括了输入侧的第一半导体功率单元（1）、输出侧的第二半导体功率单元（2）以及控制单元组成；输入侧为功率进线与功率输出+之间，输出侧为功率出线和功率输出-之间；
控制单元控制输入侧的第一半导体功率单元（1）和输出侧的第二半导体功率单元（2），实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
2.如权利要求1所述的基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，其特征在于，该装置还包含断点单元，其中断点单元包括了输入侧的第一断点单元（3）和输出侧的第二断点单元（4）；输入侧的第一半导体功率单元（1）和第一断点单元（3）串联，输出侧的第二半导体功率单元（2）和第二断点单元（4）串联，控制输入侧的第一半导体功率单元（1）和第一断点单元（3）和输出侧的第二半导体功率单元（2）和第二断点单元（4）实现装置所处配电回路的开通和闭合，实现用电负载的供电控制和保护。
3.如权利要求1所述的基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，其特征在于，所述控制单元为一个或两个，当有两个控制单元时，记为第一控制单元（5）和第二控制单元（6），第一控制单元（5）控制输入侧的第一半导体功率单元（1）和第一断点单元（3），第二控制单元（6）控制输出侧的第二半导体功率单元（2）和第二断点单元（4）。
4.如权利要求1所述的基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，其特征在于，当固态复合式电力电子混合开关保护装置要分断所处配电回路或者配电线路发生过载、短路、接地故障时该装置要切除故障情况下，固态复合式电力电子混合开关保护装置首先分断第一半导体功率单元（1）和第二半导体功率单元（2），实现快速切除故障，无弧分断回路，其次分断第一断点单元（3）和第二断点单元（4），保证配电回路中具备物理分断间隙。
5.如权利要求1所述的基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，其特征在于，当固态复合式电力电子混合开关保护装置给后端用电负载供电时，固态复合式电力电子混合开关保护装置首先闭合第一断点单元（3）和第二断点单元（4），其次闭合第一半导体功率单元（1）和第二半导体功率单元（2）。
6.如权利要求1所述的基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，其特征在于，在直流不接电系统中发生多点接地故障时，记故障a为功率进线上的任意一点，故障d为功率输出-上的任意一点，故障b为功率输出+上的任意一点，故障c为功率出线上的任意一点；
当故障a和故障d同时发生接地故障时，输入侧的第一半导体功率单元（1）和第一断点单元（3）被短路，只有第二半导体功率单元（2）和第二断点单元（4）处于配电回路中，第二半导体功率单元（2）分断配电回路；
当故障b和故障c同时发生接地故障时，输出侧的第二半导体功率单元（2）和第二断点单元（4）被短路，只有第一半导体功率单元（1）和第一断点单元（3）处于配电回路中，第一半导体功率单元（1）分断配电回路。
7.如权利要求1所述的基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，其特征在于，该装置的第一断点单元（3）和第二断点单元（4）还用于在第一半导体功率单元（1）和第二半导体功率单元（2）同时失效情况下，分断回路，切除故障。
8.如权利要求1所述的基于直流系统的固态复合式电力电子混合开关保护装置，其特征在于，所述控制单元至少包含如下功能模块：第一采集单元（7）、第二采集单元（8）、计量单元（9）、处理器单元（10）、快速保护单元（11）、逻辑单元（12）、驱动单元（13）、电源单元（14）、通讯单元（15）；
第一采集单元（7）用于采集配电回路的电流值；
第二采集单元（8）用于采集用电负载设备工作电压；
计量单元（9）用于实现用电负载的功率检测；快速保护单元（11）用于快速检测配电回路短路故障；
处理器单元（10）用于配电回路的状态检测和数据处理；
逻辑单元（12）用于电信号的快速处理；
驱动单元（13）用于实现驱动半导体单元和断点单元；
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