JP2023092522A

JP2023092522A - ハイブリッド回路遮断器

Info

Publication number: JP2023092522A
Application number: JP2022203865A
Authority: JP
Inventors: リー・チー; Li Qi; イージー・ジャン; Yuzhi Zhang; タオシャー・ジャン; Taosha Jiang
Original assignee: ABB SpA
Current assignee: ABB SpA
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2023-07-03
Also published as: CN116316466A; US11837865B2; EP4203218A1; US20230198248A1

Abstract

【課題】ＤＣ配電システムにおいて使用される回路遮断器の動作及び性能を改善する故障電流制限器を含むハイブリッド回路遮断器を提供する。【解決手段】ハイブリッド回路保護装置は、ＤＣソースに結合された入力端子１１８、１１９と、ＤＣ負荷に結合された出力端子１２０、１２１と、ＤＣソースを負荷に結合する帰線と、入力端子を出力端子に選択的に結合する主スイッチ１０８と、主スイッチと並列に結合されたスイッチングネットワーク１３２と、制御装置と、を含む。制御装置は、故障電流に応答して、主スイッチが開いたと決定する。故障電流は、初期値を有し、故障中に故障電流を初期値より小さいように電流制限するために、スイッチングネットワークをアクティブ化する。【選択図】図１

Description

［連邦政府支援の研究及び開発に関する陳述］
[0001]本発明は、エネルギー省から受けた契約番号ＤＥ－ＡＣ０２－０６ＣＨ１１３５７の下で政府支援を得てなされたものである。政府は、本発明に一定の権利を有する。

[0002]本開示の分野は、回路遮断器に関し、より詳細には、故障電流制限器を含むハイブリッド回路遮断器に関する。

[0003]回路遮断器は、故障中に分岐回路上の下流の負荷を保護するために、回路経路内に実装される装置である。下流の負荷における故障状態の間、回路遮断器は、トリップして開き（trip open）、回路遮断器によって給電されている分岐を非通電にする（de-energize）ように設計されている。しかしながら、分岐を非通電にすることは、分岐上の他の負荷も非通電にし得、これは、特に直流（ＤＣ）配電システムでは望ましくない。

[0004]したがって、回路遮断器の動作及び性能を改善すること、より具体的には、ＤＣ配電システムにおいて使用される回路遮断器の動作及び性能を改善することが望ましい。

[0005]一態様では、故障中にソースと負荷との間の故障電流を電流制限するためのハイブリッド回路保護装置が提供される。ハイブリッド回路保護装置は、ソースに結合するように構成された入力と、負荷に結合するように構成された出力と、ソースを負荷に結合するように構成された帰線（return）と、入力を出力に選択的に結合するように構成された主スイッチと、主スイッチと並列に結合されたスイッチングネットワークと、制御装置と、を含む。制御装置は、故障電流に応答して、主スイッチが開いたと決定することと、ここで、故障電流は、初期値を有し、故障中に故障電流を初期値より小さいように電流制限するために、スイッチングネットワークをアクティブ化することと、を行うように構成されている。

[0006]別の態様では、故障中に、ハイブリッド回路保護装置の入力に結合されたソースと、ハイブリッド回路保護装置の出力に結合された負荷との間の故障電流を電流制限するための、ハイブリッド回路保護装置によって動作可能な方法が提供される。方法は、主スイッチを通る故障電流の初期値が、閾値より大きいかどうかを決定することと、ここで、主スイッチは、入力を出力と選択的に結合し、故障電流の初期値が閾値より大きいと決定することに応答して、主スイッチを開くことと、故障中に故障電流を初期値より小さいように電流制限するために、主スイッチと並列に結合されたスイッチングネットワークをアクティブ化することと、を含む。

[0007]別の態様では、故障中にソースと負荷との間の故障電流を電流制限するためのハイブリッド回路保護装置が提供される。ハイブリッド回路保護装置は、ソースに結合するように構成された、第１の入力端子及び第２の入力端子と、負荷に結合するように構成された、第１の出力端子及び第２の出力端子と、第１の入力端子を第１の出力端子と選択的に結合するように構成された主スイッチと、スイッチングネットワークと、を含む。スイッチングネットワークは、インダクタと直列の固体スイッチを含み、インダクタと直列の固体スイッチは、第１の入力端子を第１の出力端子と結合している。スイッチングネットワークは、固体スイッチとインダクタとの間の接合点から、第２の入力端子及び第２の出力端子までの選択的伝導経路を形成する装置を更に含む。ハイブリッド回路保護装置は、故障電流に応答して、主スイッチが開いたと決定することと、ここで、故障電流は、初期値を有し、故障中に故障電流を初期値より小さいように電流制限するために、固体スイッチのデューティサイクルを修正することと、を行うように構成された制御装置を更に含む。

[0008]本開示のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部分を表す添付の図面を参照して以下の発明を実施するための形態を読むと、よりよく理解されよう。

図１は、例となる実施形態におけるハイブリッド回路保護装置を図示する。図２は、例となる実施形態における別のハイブリッド回路保護装置を図示する。図３は、例となる実施形態におけるハイブリッド配電システムを図示する。図４Ａは、故障中の図３の配電システムにおけるシミュレートされた電流波形を図示する。図４Ｂは、故障中の図３の配電システムにおけるシミュレートされた電圧波形を図示する。図４Ｃは、故障中の図３の配電システムにおけるシミュレートされた電流波形を図示する。図５は、例となる実施形態における別のハイブリッド配電システムを図示する。図６Ａは、故障中の図５の配電システムにおけるシミュレートされた電流波形を図示する。図６Ｂは、故障中の図５の配電システムにおけるシミュレートされた電流波形を図示する。図７は、例となる実施形態における別のハイブリッド配電システムを図示する。図８は、故障中の図７の配電システムにおけるシミュレートされた電圧波形を図示する。図９は、例となる実施形態における別のハイブリッド配電システムを図示する。図１０は、例となる実施形態における、故障中にソースと負荷との間の故障電流を電流制限するための方法の流れ図である。

[0019]別段の指示がない限り、本明細書で提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を例示することを意図している。これらの特徴は、本開示の１つ以上の実施形態を備える多種多様なシステムに適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示される実施形態の実施に必要とされる、当業者に既知の全ての従来の特徴を含むことを意味するものではない。

[0020]以下の明細書及び特許請求の範囲では、いくつかの用語への参照が行われ、これらは、以下の意味を有すると定義されるものとする。

[0021]単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、別途文脈によって明示されない限り、複数の言及を含む。

[0022]「オプションの」又は「オプションで」は、続いて記載される事象又は状況が起こっても起こらなくてもよいこと、及びその記載が、事象が起こる場合と、起こらない場合とを含むことを意味する。

[0023]本明細書で使用される場合、本明細書及び特許請求の範囲を通して、近似する文言は、それが関連する基本的な機能に変化をもたらすことなく、許容範囲内で変化し得る任意の定量的表現を修飾するために適用され得る。したがって、「約」、「およそ」、及び「実質的に」等の、１つ又は複数の用語によって修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるべきではない。少なくともいくつかの事例では、近似する文言は、値を測定するための機器の精度に対応し得る。ここで、並びに本明細書及び特許請求の範囲を通して、範囲の限定は、組み合わされ得及び／又は置き換えられ得、このような範囲は識別され、文脈又は文言が別段に指示しない限り、その中に含まれる全ての部分的な範囲を含む。

[0024]本明細書で使用される場合、「プロセッサ」及び「コンピュータ」という用語、並びに関連用語、例えば、「処理装置」、「計算装置」、及び「制御装置」は、当該技術分野でコンピュータと称される集積回路のみに限定されず、マイクロ制御装置、マイクロコンピュータ、アナログコンピュータ、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及び他のプログラマブル回路を広義に指し、これらの用語は、本明細書では交換可能に使用される。本明細書で説明される実施形態では、「メモリ」は、限定はしないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のコンピュータ可読媒体、フラッシュメモリ等のコンピュータ可読不揮発性媒体を含み得る。代替として、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、及び／又はデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）も使用され得る。また、本明細書で説明される実施形態では、追加の入力チャネルは、限定はしないが、タッチスクリーン、マウス、及びキーボード等のオペレータインターフェースに関連付けられたコンピュータ周辺機器であり得る。代替として、例えば、限定はしないが、スキャナを含み得る、他のコンピュータ周辺機器も使用され得る。更に、例となる実施形態では、追加の出力チャネルは、限定はしないが、オペレータインターフェースモニタ又はヘッドアップ表示装置を含み得る。いくつかの実施形態は、１つ以上の電子装置又は計算装置の使用を伴う。このような装置は、典型的に、汎用中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、マイクロ制御装置、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、ＡＳＩＣ、プログラマブルロジック制御装置（ＰＬＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号処理（ＤＳＰ）装置、及び／又は本明細書で説明される機能を実行することが可能なその他任意の回路若しくは処理装置等の、プロセッサ、処理装置、又は制御装置を含む。本明細書で説明される方法は、限定はしないが、記憶装置及び／又はメモリ装置を含む、コンピュータ可読媒体内に具現化される実行可能命令として符号化され得る。このような命令は、処理装置によって実行されると、処理装置に、本明細書で説明される方法の少なくとも一部を行わせる。上記の例は、プロセッサ及び処理装置という用語の定義及び／又は意味を、いかなる形でも限定することを意図していない。

[0025]再生可能エネルギー源及びエネルギー貯蔵は、配電システムにおいてますます普及しつつある。再生可能エネルギー源及びエネルギー貯蔵は、典型的に、直流（ＤＣ）であるので、ＤＣ配電へのそれらの統合は、交流（ＡＣ）配電よりも効率的であり、より信頼性が高く、より安価である。したがって、従来型の純粋なＡＣ配電システムは、潜在的にハイブリッドＡＣ及びＤＣ配電システムに発展し得る。従来のＡＣ配電保護方式では、リクローザ（reclosers）又は回路遮断器が、変電所又は給電線（feeders）において設置され、ヒューズが各給電線の側線（laterals）において設置されている。給電線リクローザ又は遮断器は、一時的な故障に反応して、下流のヒューズを開き、それらを保護する。給電線リクローザ又は遮断器は、永続的故障において再投入する（reclose）ことができず、故障に近い下流のヒューズが溶融する。したがって、側線における顧客は、給電線リクローザ又は遮断器が開くことによる、一時的な電力損失を経験し得る。このヒューズセービング保護設計は、低損失、低コストであり、従来のＡＣ配電給電線の一時的な故障の高い発生に好適である。

[0026]再生可能エネルギー源及びエネルギー貯蔵の配電システムへの統合により、配電システムのあるセクションは、容易かつ効率的な統合のためのＤＣ配電システムになり得る。インターフェースコンバータが、配電システムのＡＣ部分とＤＣ部分とを統合するために利用され得る。ＤＣ配電システムのための保護方式は、配電保護の低損失、低コスト、及び高い一時的な故障の発生を考慮し得る。ＡＣ故障電流及びＤＣ故障電流は、異なる時定数を含む、異なる特徴を有する。ハイブリッドＡＣ及びＤＣ配電では、ＡＣ保護とＤＣ保護との間の保護協調がまた、ＡＣサブシステム及びＤＣサブシステムにおける異なる故障電流の時定数及び保護装置を考慮して設計され得る。

[0027]本明細書で説明される実施形態では、ＡＣ配電システムとＤＣ配電システムとの間の保護速度及び協調の制約を満たすハイブリッド回路保護装置が開示される。更に、従来の配電保護は、側線の一時的な故障では選択的でないので、本明細書で開示されるハイブリッド回路保護装置は、選択性を提供する。この点に関して、配電のダウンタイムが低減され、システムの信頼性が改善される。

[0028]より具体的には、本係属中の出願は、故障電流制限能力を含むハイブリッド回路保護装置を開示する。通常動作中、電流は、主遮断器又は主スイッチ（例えば、機械式遮断器又は低損失固体遮断器）を通って流れ、保護されたシステムは、高効率で動作する。故障中、主遮断器と並列のスイッチングネットワークが、下流の負荷への故障電流を電流制限するように動作される。故障電流は、電流制限され、したがって、保護された機器及び装置への高い故障電流による損傷を防止する。同時に、少なくとも低減された定格出力（reduced rated power）が、下流の負荷に供給される。従来の低コスト配電保護のヒューズセービング原理が、依然として適用可能であり、負荷が、故障電流制限動作状態中に、依然として低減された定格出力又は全定格出力で動作し得るので、システムの信頼性が改善される。

[0029]図１は、例となる実施形態におけるハイブリッド回路保護装置１００を図示する。この実施形態では、保護装置１００は、１つ以上のＤＣ負荷１０２をＤＣソース１０４に結合し、ＤＣソース１０４とＤＣ負荷１０２との間に保護及び故障電流制限能力を提供する。この実施形態では、保護装置１００は、保護装置１００の動作を制御する制御装置１０６と、主スイッチ１０８（主遮断器とも呼ばれる）と、補助スイッチ１１０と、ダイオード１１２と、インダクタ１１４と、１つ以上のセンサ１１６と、を含む。保護装置１００は、ＤＣソース１０４に結合された入力端子１１８、１１９と、ＤＣ負荷１０２に結合された出力端子１２０、１２１と、を更に含む。入力端子１１９及び出力端子１２１は、共通の回路経路を共有するものとして図示されているが、他の実施形態では、入力端子１１９及び出力端子１２１は、互いに電気的に絶縁され得る。この実施形態では、補助スイッチ１１０、ダイオード１１２、及びインダクタ１１４は、主スイッチ１０８と並列に結合されたスイッチングネットワーク１３２を形成する。

[0030]通常動作中、主スイッチ１０８は閉じられ、ＤＣソース１０４とＤＣ負荷１０２との間に低損失電流経路を提供する。補助スイッチ１１０は、通常動作中は開いており、その結果、スイッチングネットワーク１３２は、非アクティブ化されている。故障が検出された場合（例えば、センサ１１６が、ＤＣソース１０４とＤＣ負荷１０２との間に閾値より大きい故障電流を検出した場合）、主スイッチ１０８は（例えば、制御装置１０６によって、又は主スイッチ１０８自体によって独立に）開かれる。いくつかの実施形態では、主スイッチ１０８は、機械式遮断器であり、オプションの固体遮断器１２２が、機械式の主スイッチ１０８に通常関連付けられたターンオフ時間を低減させるために、主スイッチ１０８と直列にある。次いで、制御装置１０６は、スイッチング期間にわたって補助スイッチ１１０をオン及びオフに動作させることによって、スイッチングネットワーク１３２をアクティブ化して、ＤＣソース１０４からＤＣ負荷１０２への故障電流を、故障電流の初期値より小さい値に電流制限する。例えば、主スイッチ１０８のトリップ電流値が１５０アンペアであり、初期故障電流値が５５０アンペアである場合、主スイッチ１０８は、トリップして開く。スイッチングネットワーク１３２は、故障電流を５５０アンペアより小さい値、例えば、２５０アンペアに電流制限するように動作し、これは、ＤＣ負荷１０２がＤＣソース１０４によって電力供給され続けることを可能にする。ＤＣ負荷１０２の電力要件に依存して、ＤＣ負荷１０２は、故障中に正常に動作し続け得る。例えば、ＤＣ負荷１０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＡＣコンバータを含み得、これらは、たとえＤＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＡＣコンバータにおける入力電圧が故障中に低下したとしても、正常に動作し続け得る。

[0031]補助スイッチ１１０が制御装置１０６によって設定されたスイッチング期間中にオンであるとき、ＤＣソース１０４は、補助スイッチ１１０及びインダクタ１１４を通じて直列にＤＣ負荷１０２に電気的に結合される。補助スイッチ１１０がスイッチング期間中にオフであるとき、ＤＣ負荷１０２への電流は、ダイオード１１２及びインダクタ１１４によって伝導される。一般に、補助スイッチ１１０、ダイオード１１２、及びインダクタ１１４は、ＤＣ負荷１０２に供給される故障電流を電流制限するために制御装置１０６によって動作されるバックレギュレータを形成する。いくつかの実施形態では、制御装置１０６は、ＤＣ負荷１０２に供給される故障電流を電流制限するために、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御方式を使用する。いくつかの実施形態では、保護装置１００は、メンテナンス中に保護装置１００をガルバニック絶縁するために使用される機械式切断部（mechanical disconnects）１２４を含む。一般に、保護装置１００は、故障状態の間、ＤＣソース１０４からＤＣ負荷１０２へ連続的な制限された電流の流れを提供し、それによって、故障が存在する場合であっても、ＤＣ負荷１０２において制限された機能を有効にする。例えば、保護装置１００によって供給される制限された故障電流と、ＤＣ負荷１０２によって利用される電力とに依存して、ＤＣ負荷１０２は、故障が識別され、解消されるか又は分離される（isolated）かのいずれかの間、正常に動作し続け得、それによって、故障中のＤＣ負荷１０２への途絶（disruption）を最小限に抑える。いくつかの実施形態では、保護装置１００は、ネットワークインターフェース１２６を含み、これは、保護装置１００にネットワーク化能力を提供する。ネットワークインターフェース１２６は、いくつかの実施形態では、配電システムにおける異なる保護装置１００間のアクティビティを調整するために、制御装置１０６によって使用される。ネットワークインターフェース１２６は、様々な実施形態では、有線インターフェース又は無線インターフェースを含み得る。

[0032]図１では、保護装置１００は、説明を目的として簡略化されており、保護装置１００は、他の実施形態では、異なる構成を含む。この点に関して、制御装置１０６は、制御装置１０６に関して本明細書で説明される機能を行う任意のシステム、構成要素、又は装置を含む。いくつかの実施形態では、制御装置は、メモリ１３０に結合されたプロセッサ１２８を含む。プロセッサ１２８は、いくつかの実施形態では、制御装置１０６に関して本明細書で説明される機能を行うために、メモリ１３０に記憶された命令を実行する。主スイッチ１０８は、保護装置１００によって検出された故障に応答して、入力端子１１８を出力端子１２０から切断するように動作する任意のシステム、構成要素、又は装置を含む。いくつかの実施形態では、主スイッチ１０８は、（例えば、センサ１１６からの情報を直接利用して）入力端子１１８を出力端子１２０から切断するために、制御装置１０６とは独立に動作する。他の実施形態では、主スイッチ１０８は、制御装置１０６が（例えば、センサ１１６を利用して）故障を検出したことに応答して、制御装置１０６の指示の下で動作する。いくつかの実施形態では、主スイッチ１０８は、機械式スイッチであり、これは、入力端子１１８と出力端子１２０との間に低損失順方向伝導経路を提供する。他の実施形態では、主スイッチ１０８は、低損失固体スイッチである。主スイッチ１０８が低損失固体スイッチである実施形態では、主スイッチ１０８は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、逆阻止集積ゲート整流サイリスタ（ＲＢ－ＩＧＣＴ：Reverse Blocking-Integrated Gate Commutated Thyristors）、炭化ケイ素金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ）、窒化ガリウム（ＧＡＮ）ＦＥＴ等の１つ以上を含む。

[0033]補助スイッチ１１０は、故障中にＤＣ負荷１０２に制限された電流を提供するために制御装置１０６によって切り替え可能な任意のシステム、構成要素、又は装置を含む。補助スイッチ１１０は、様々な実施形態では、１つ以上のＩＧＢＴ、ＲＢ－ＩＧＣＴ、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ、ＧＡＮＦＥＴ等を含む。ダイオード１１２は、スイッチング期間中に補助スイッチ１１０がオフであるときに、電流を選択的に伝導するように動作する任意のシステム、構成要素、又は装置を含む。ダイオード１１２は、いくつかの実施形態では、能動スイッチング素子を含む。例えば、ダイオード１１２は、いくつかの実施形態では、固体スイッチによって置き換えられ得、これは、保護装置１００が、制限された故障電流をＤＣ負荷１０２に供給するためにバックモードで動作するとき、スイッチング期間のオフ間隔中に電流を選択的に伝導するように制御装置１０６によって制御される。

[0034]インダクタ１１４は、保護装置１００についてのスイッチング期間のオン間隔中にエネルギーを蓄積するためのインダクタンスを提供する任意のシステム、構成要素、又は装置を含む。センサ１１６は、保護装置１００における電流及び／又は電圧を測定する。センサ１１６は、図１では入力端子１１８と出力端子１２０とに結合されるが、センサ１１６は、追加として又はその代わりに、他の実施形態では、保護装置１００における異なる感知点に結合され得る。この点に関して、センサ１１６は、ＤＣソース１０４とＤＣ負荷１０２との間で保護装置１００を通り抜ける電流、入力端子１１８及び／又は入力端子１１９における電圧、出力端子１２０及び／又は出力端子１２１における電圧、入力端子１１８、１１９及び／又は出力端子１２０、１２１において測定される高調波ノイズ等のような、故障を示す又は故障を表す情報を測定する任意のシステム、構成要素、又は装置を含む。

[0035]固体遮断器１２２が機械式の主スイッチ１０８と組み合わせて使用される実施形態では、固体遮断器１２２は、入力端子１１８と出力端子１２０との間の回路経路を選択的に開くように動作する任意のシステム、構成要素、又は装置を含む。固体遮断器１２２は、主スイッチ１０８及び補助スイッチ１１０について前述された任意のタイプの固体装置を含み得る。

[0036]上述されたように、保護装置１００は、いくつかの実施形態では、保護装置１００をガルバニック絶縁するための機械式切断部１２４を含む。この点に関して、機械式切断部１２４は、保護装置１００にガルバニック絶縁を選択的に提供する任意のシステム、構成要素、又は装置を含む。機械式切断部１２４は、いくつかの実施形態では、メンテナンス中にサービス技術者によって手動で操作され得るか、又は他の実施形態では、制御装置１０６によって制御され得る。

[0037]図２は、別の例となる実施形態における別のハイブリッド回路保護装置２００を図示する。この実施形態では、保護装置２００は、１つ以上の負荷２０２をソース２０４に結合する。この実施形態では、ソース２０４は、ＤＣソース又はＡＣソースであり得、負荷２０２は、ＤＣ負荷又はＡＣ負荷であり得る。この実施形態では、ダイオード１１２（図１を参照）が補助スイッチ２０６に置き換えられており、これは、前述された任意のタイプの固体スイッチを含む。補助スイッチ１１０、２０６及びインダクタ１１４は、保護装置２００のためのスイッチングネットワーク２０８を集合的に形成する。

[0038]制御装置１０６は、この実施形態におけるスイッチングネットワーク２０８を動作させて、双方向の制限された故障電流をソース２０４又は負荷２０２のいずれかに提供する。例えば、負荷２０２における故障中、主スイッチ１０８は開かれ、制御装置１０６は、図１の保護装置１００について前述された機能と同様に、負荷２０２に供給される故障電流を電流制限するように補助スイッチ１１０、２０６を動作させる。ソース２０４における故障中、主スイッチ１０８は開かれ、制御装置１０６は、ソース２０４に供給される故障電流を電流制限するように補助スイッチ１１０、２０６を動作させる。例えば、負荷２０２が高い入力キャパシタンスを有するＡＣ／ＤＣコンバータを含み、ソース２０４（この例では、ＡＣソース）において故障が発生した場合には、保護装置２００は、ソース２０４の元へＡＣ／ＤＣコンバータの入力キャパシタンスによって供給されるＡＣ故障電流を電流制限するように動作する。別の例では、負荷２０２が高い入力キャパシタンスを有するＤＣ／ＡＣコンバータを含み、ソース２０４（この例では、ＤＣソース）において故障が発生した場合には、保護装置２００は、ソース２０４の元へＡＣ／ＤＣコンバータの入力キャパシタンスによって供給されるＤＣ故障電流を電流制限するように動作する。

[0039]いずれの場合も、負荷２０２又はソース２０４に供給される制限された故障電流は、ＤＣ電流及びＡＣ電流を含む。ハイブリッド配電システムにおいて双方向の電流制限された故障電流を提供することは、有利には、保護装置２００が、ＡＣ及びＤＣ保護の両方のために使用されることを可能にし、ハイブリッド配電システムにおける異なるタイプの保護装置の数を低減させる。

[0040]図３は、例となる実施形態におけるハイブリッド配電システム３００を図示し、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、故障中の配電システム３００におけるシミュレートされた電流波形及び電圧波形を図示する。この実施形態では、配電システム３００は、ＡＣソース３０２を含み、これは、ＡＣ／ＤＣコンバータ３０４に電力を供給する。ＡＣ／ＤＣコンバータ３０４は、保護装置１００、２００を介してＤＣバス３０６に結合される。第１の負荷３０８は、第１のヒューズ３１０を介してＤＣバス３０６に結合され、第２の負荷３１２は、第２のヒューズ３１４を介してＤＣバス３０６に結合される。第１の負荷３０８において故障３１６が存在する場合、主スイッチ１０８を通る故障電流４０２（図４Ａを参照）は、最初に、高電流レベル（例えば、このシミュレーションでは５００Ａ、図４Ａを参照）まで上昇する。最初に、ＤＣバス３０６上の電圧４０６は、故障電流４０２の高い初期値により一時的に降下し（図４Ｂを参照）、ＡＣ／ＤＣコンバータ３０４におけるダイオード電流４０８、４１０、４１２は、高レベルまで上昇する（図４Ｃを参照）。保護装置１００、２００は、主スイッチ１０８を開き、電流制限された故障電流４０４（図４Ａを参照）をＤＣバス３０６に供給するように動作し、これは、ＤＣバス３０６上の電圧４０６を安定させ、ＡＣ／ＤＣコンバータ３０４におけるダイオード電流４０８、４１０、４１２を低減させる。シミュレーションにおけるＤＣバス３０６上の電圧４０６は、その初期値である４０，０００ボルトより小さいが、それは、この例では、故障３１６中に第２の負荷３１２の低減された定格動作を保証するのに十分である。この例では、主スイッチ１０８は、故障３１６を解消しようと試みるための再投入動作を行わない機械式装置である。

[0041]図５は、例となる実施形態における別のハイブリッド配電システム５００を図示し、図６Ａ及び図６Ｂは、故障中の配電システム５００におけるシミュレートされた電流波形を図示する。この実施形態では、配電システム５００は、ＤＣソース５０２を含み、これは、保護装置１００、２００を介してＤＣバス５０４に結合される。第１の負荷５０６は、第１のヒューズ５０８を介してＤＣバス５０４に結合され、第２の負荷５１０は、第２のヒューズ５１２を介してＤＣバス５０４に結合される。第１の負荷５０６において故障５１４が存在する場合、主スイッチ１０８を通る電流６０２は、最初に、高レベル（例えば、このシミュレーションでは１５０Ａ、図６Ａを参照）まで上昇する。このシミュレーションでは、主スイッチ１０８は固体装置であり、主スイッチ１０８は、故障５１４を解消しようと試みるために、（例えば、制御装置１０６の指示の下で、又は主スイッチ１０８自体によって自動的に）繰り返し開閉される。図６Ｂは、故障５１４中の第１の負荷５０６における第１の電流６０４と、第２の負荷５１０における第２の電流６０６とを図示する（図６Ｂを参照）。主スイッチ１０８が２回再投入された後、保護装置１００、２００は、主スイッチ１０８を開き、（例えば、１キロヘルツのスイッチング周波数において、図６Ａを参照）電流制限された故障電流６０８をＤＣバス５０４に供給するように動作する。

[0042]図７は、例となる実施形態における別のハイブリッド配電システム７００を図示し、図８は、故障中の配電システム７００におけるシミュレートされた電圧波形を図示する。この実施形態では、配電システム７００は、ＤＣソース７０２を含み、これは、保護装置１００、２００を介してＤＣバス７０４に結合される。第１の負荷７０６は、第１のヒューズ７０８を介してＤＣバス７０４に結合され、第２の負荷７１０は、第２のヒューズ７１２を介してＤＣバス７０４に結合される。ＤＣ／ＤＣコンバータ７１４は、ＤＣバス７０４に結合され、第３の負荷７１６に供給する。第１の負荷７０６において故障７１８が存在する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ７１４の出力電圧８０２は、主スイッチ１０８が開かれたときに、最初にＴ_０において一時的に降下し、保護装置１００、２００は、制限された故障電流をＤＣバス７０４に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ７１４の出力電圧８０２は回復し、故障７１８中に第３の負荷７１６に電力を供給し続ける。

[0043]図９は、例となる実施形態における別のハイブリッド配電システム９００を図示する。この実施形態では、ＡＣソース９０２は、保護装置２００を介してＡＣバス９０４に電気的に結合され、ＡＣ負荷９０６は、ヒューズ９０８を介してＡＣバス９０４に電気的に結合され、ＡＣ／ＤＣコンバータ９１０は、ＡＣバス９０４に結合された入力を有する。ＡＣ／ＤＣコンバータ９１０は、保護装置１００、２００を介してＤＣバス９１２に電気的に結合される。ＤＣソース９１４もまた、保護装置１００、２００を介してＤＣバス９１２に結合される。ＤＣ負荷９１６は、ヒューズ９０８を介してＤＣバス９１２に電気的に結合される。配電システム９００において、保護装置１００、２００は、ソース９０２、９１４からの故障電流の寄与を制限するために、給電線及びソース９０２、９１４において配置されている。故障電流制限動作中、下流の健全な負荷は、改善された電圧入力で（with）、全定格動作又は低減された定格動作を維持し得る。配電システム９００における任意の故障において、保護装置１００、２００は、故障に反応し、故障電流を電流制限し始める。故障中に故障電流を変調又は制限することによって、高い故障電流は、上流及び下流の故障経路を通って流れず、したがって、機器及び装置への損傷を防止する。同時に、低減された定格動作又は全定格動作さえもが、配電システム９００における残りの健全な負荷のために維持され得る。

[0044]図１０は、例となる実施形態における、ソースと負荷との間の故障電流を電流制限するための方法１０００の流れ図である。方法１０００は、保護装置１００、２００に関して説明されるが、方法１０００は、図示されていない他の装置によって行われ得る。方法１０００のステップは、包括的ではなく、方法１０００は、図示されていない他のステップを含み得る。更に、方法１０００のステップは、異なる順序で行われ得る。

[0045]図１及び図２を参照すると、保護装置１００、２００の通常動作中、主スイッチ１０８は閉じられ、スイッチングネットワーク１３２、２０８は、非アクティブ化される。故障が発生した場合には、故障電流の初期値は、閾値又はトリップ電流値より高い高レベルまで上昇し（ステップ１００２を参照）、その後、主スイッチ１０８が開く（ステップ１００４を参照）。制御装置１０６は、故障電流をその初期値より小さいように電流制限するために、スイッチングネットワーク１３２、２０８を動作させる（ステップ１００６を参照）。例えば、故障電流は、約１１００アンペアまで上昇し、これは、主スイッチ１０８についてのトリップ値である２５０アンペアより高く、主スイッチ１０８を開かせる。制御装置１０６は、初期の１１００アンペアの故障電流を１１００アンペアより小さい値に電流制限するために、スイッチングネットワーク１３２、２０８を動作させる。例えば、制御装置１０６は、故障電流を５５０アンペアに電流制限するために、（例えば、補助スイッチ１１０（図１を参照）及び／又は補助スイッチ２０６のデューティサイクルを修正することによって）スイッチングネットワーク１３２、２０８を動作させる。

[0046]（例えば、故障を分離することによって）故障が解消された場合（ステップ１００８を参照）、主スイッチ１０８は閉じられ（ステップ１０１０を参照）、制御装置１０６は、スイッチングネットワーク１３２、２０８を非アクティブ化する（ステップ１０１２を参照）。保護装置１００、２００は、主スイッチ１０８を通じて、ソースと負荷との間に低損失電流経路を提供することによって、通常動作に戻る。

[0047]本明細書で説明された装置及び方法の例となる技術的効果は、次のうちの１つ以上を含む：（ａ）通常動作中に機械式遮断器又は低損失固体スイッチを使用して改善された性能、（ｂ）故障中に故障電流を電流制限すること、及び（ｃ）故障中に下流の負荷への途絶を最小限に抑えるために、故障中に下流の負荷に供給し続けること。

[0048]本開示の様々な実施形態の特定の特徴がいくつかの図面に示され、他の図面には示されていない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。本開示の原理によれば、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照され得及び／又は請求項に記載され得る。

[0049]この明細書では、最良の形態を含む実施形態を開示し、また、いかなる当業者であっても、任意の装置又はシステムを作製及び使用すること、並びに任意の組み込まれた方法を行うことを含む、実施形態を実施することを可能にするために、例を使用した。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が考え付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文字通りの文言と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。

Claims

故障中にソースと負荷との間の故障電流を電流制限するためのハイブリッド回路保護装置であって、前記ハイブリッド回路保護装置は、
前記ソースに結合するように構成された入力と、
前記負荷に結合するように構成された出力と、
前記ソースを前記負荷に結合するように構成された帰線と、
前記入力を前記出力に選択的に結合するように構成された主スイッチと、
前記主スイッチと並列に結合されたスイッチングネットワークと、
制御装置であって、
前記故障電流に応答して、前記主スイッチが開いたと決定することと、ここで、前記故障電流は、初期値を有し、
故障中に前記故障電流を前記初期値より小さいように電流制限するために、前記スイッチングネットワークをアクティブ化することと、
を行うように構成された制御装置と、
を備える、ハイブリッド回路保護装置。
前記スイッチングネットワークは、
前記入力に結合された第１の端子と、第２の端子と、を有する補助スイッチと、
前記帰線に結合されたアノードと、前記補助スイッチの前記第２の端子に結合されたカソードと、を有するダイオードと、
前記ダイオードの前記カソードに結合された第３の端子と、前記出力に結合された第４の端子と、を有するインダクタと、
を備え、
前記制御装置は、前記故障中に前記故障電流を前記初期値より小さいように電流制限するために、前記補助スイッチのデューティサイクルを修正するように更に構成されている、
請求項１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記ハイブリッド回路保護装置のためにガルバニック絶縁を提供する少なくとも１つの機械式切断部を更に備える、請求項２に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記主スイッチは、機械式遮断器を備え、
前記ハイブリッド回路保護装置は、前記入力と前記出力との間に、前記機械式遮断器に直列の固体遮断器を更に備え、
前記制御装置は、前記故障電流に応答して、前記固体遮断器を開くように更に構成されている、
請求項１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記制御装置は、
前記主スイッチが閉じたと決定することと、
前記入力と前記出力との間の前記スイッチングネットワークを通る電流経路を無効にするために、前記スイッチングネットワークを非アクティブ化することと、
を行うように更に構成されている、
請求項１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記入力と前記出力との間の前記故障電流を感知するように構成された電流センサを更に備え、
前記制御装置は、
前記電流センサを使用して、前記故障電流を測定することと、
前記故障電流の前記初期値が閾値より大きいかどうかを決定することと、
前記初期値が前記閾値より大きいと決定することに応答して、前記主スイッチを開くことと、
を行うように更に構成されている、
請求項１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記スイッチングネットワークは、
前記入力に結合された第１の端子と、第２の端子と、を有する第１の補助スイッチと、
前記帰線に結合された第３の端子と、前記第１の補助スイッチの前記第２の端子に結合された第４の端子と、を有する第２の補助スイッチと、
前記第１の補助スイッチの前記第２の端子と、前記第２の補助スイッチの前記第４の端子とに結合された第５の端子を有するインダクタと、ここで、前記インダクタは、前記出力に結合された第６の端子を有し、
を備え、
前記制御装置は、故障中に前記故障電流を電流制限するために、前記第１の補助スイッチ及び前記第２の補助スイッチのデューティサイクルを修正するように更に構成されている、
請求項１に記載のハイブリッド回路保護装置。
故障中に、ハイブリッド回路保護装置の入力に結合されたソースと、前記ハイブリッド回路保護装置の出力に結合された負荷との間の故障電流を電流制限するための、前記ハイブリッド回路保護装置によって動作可能な方法であって、前記方法は、
主スイッチを通る前記故障電流の初期値が閾値より大きいかどうかを決定することと、ここで、前記主スイッチは、前記入力を前記出力と選択的に結合し、
前記故障電流の前記初期値が前記閾値より大きいと決定することに応答して、
前記主スイッチを開くことと、
故障中に前記故障電流を前記初期値より小さいように電流制限するために、前記主スイッチと並列に結合されたスイッチングネットワークをアクティブ化することと、
を備える、方法。
故障が解消されたかどうかを決定することと、
故障が解消されたと決定することに応答して、
前記主スイッチを閉じることと、
前記入力と前記出力との間の前記スイッチングネットワークを通る電流経路を無効にするために、前記スイッチングネットワークを非アクティブ化することと、
を更に備える、請求項８に記載の方法。
故障中に前記故障電流を前記初期値より小さいように電流制限するために、前記スイッチングネットワークの少なくとも１つのスイッチのデューティサイクルを修正することを更に備える、請求項８に記載の方法。
故障中にソースと負荷との間の故障電流を電流制限するためのハイブリッド回路保護装置であって、前記ハイブリッド回路保護装置は、
前記ソースに結合するように構成された、第１の入力端子及び第２の入力端子と、
前記負荷に結合するように構成された、第１の出力端子及び第２の出力端子と、
前記第１の入力端子を前記第１の出力端子と選択的に結合するように構成された主スイッチと、
スイッチングネットワークであって、
インダクタと直列の固体スイッチと、前記インダクタと直列の前記固体スイッチは、前記第１の入力端子を前記第１の出力端子と結合しており、
前記固体スイッチと前記インダクタとの間の接合点から、前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子までの選択的伝導経路を形成する装置と、
を備えるスイッチングネットワークと、
制御装置であって、
前記故障電流に応答して、前記主スイッチが開いたと決定することと、ここで、前記故障電流は、初期値を有し、
故障中に前記故障電流を前記初期値より小さいように電流制限するために、前記固体スイッチのデューティサイクルを修正することと、
を行うように構成された制御装置と、
を備える、ハイブリッド回路保護装置。
前記ハイブリッド回路保護装置は、前記第２の入力端子と前記第２の出力端子とに結合されたアノードと、前記固体スイッチと前記インダクタとの間の前記接合点に結合されたカソードと、を有するダイオードを備える、請求項１１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記固体スイッチは、第１の固体スイッチを備え、
前記ハイブリッド回路保護装置は、第２の固体スイッチを備え、
前記制御装置は、故障中に前記故障電流を前記初期値より小さいように電流制限するために、前記第２の固体スイッチの前記デューティサイクルを修正するように更に構成されている、
請求項１１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記ハイブリッド回路保護装置のためにガルバニック絶縁を提供する少なくとも１つの機械式切断部を更に備える、請求項１１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記主スイッチは、機械式遮断器を備え、
前記ハイブリッド回路保護装置は、前記第１の入力端子と前記第１の出力端子との間に、前記機械式遮断器に直列の固体遮断器を更に備え、
前記制御装置は、前記故障電流に応答して、前記固体遮断器を開くように更に構成されている、
請求項１１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記制御装置は、
前記主スイッチが閉じたと決定することと、
前記第１の入力端子と前記第１の出力端子との間の前記スイッチングネットワークを通じて電流経路を無効にするために、前記固体スイッチの前記デューティサイクルを修正することと、
を行うように更に構成されている、
請求項１１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記第１の入力端子と前記第１の出力端子との間の前記故障電流を感知するように構成された電流センサを更に備え、
前記制御装置は、
前記電流センサを使用して、前記故障電流を測定することと、
前記故障電流の前記初期値が閾値より大きいかどうかを決定することと、
前記初期値が前記閾値より大きいと決定することに応答して、前記主スイッチを開くことと、
を行うように更に構成されている、
請求項１１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記制御装置は、
故障を解消しようと試みるための一連の再投入動作を行うように、前記主スイッチを動作させることと、
前記主スイッチが前記一連の再投入動作の最後の再投入動作を行った、及び前記主スイッチが開いたままであると決定することに応答して、前記故障電流を電流制限するために、前記固体スイッチの前記デューティサイクルを修正することと、
を行うように更に構成されている、
請求項１７に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記主スイッチは、故障を解消しようと試みるための一連の再投入動作を行うように構成されており、
前記制御装置は、前記主スイッチが前記一連の再投入動作の最後の再投入動作を行ったこと、及び前記主スイッチが開いたままであると決定することに応答して、前記故障電流を電流制限するために、前記固体スイッチの前記デューティサイクルを修正するように構成されている、
請求項１１に記載のハイブリッド回路保護装置。
前記主スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、逆阻止集積ゲート整流サイリスタ、炭化ケイ素金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、及び窒化ガリウム電界効果トランジスタの１つ以上を備える、請求項１１に記載のハイブリッド回路保護装置。