CN106024497A - 一种高短路关断直流断路器用辅助电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高短路关断直流断路器用辅助电路，直流断路器包括并联的能量吸收单元和串联阀段；辅助电路并联在电力电子器件两端，包括第一电容支路、第二电容支路、控制支路和放电支路；第一电容支路和控制支路组成第一并联单元，第二电容支路和放电支路组成第二并联单元；该第一并联单元和第二并联单元串联。与现有技术相比，本发明提供的本发明提供的一种高短路关断直流断路器用辅助电路及其控制方法，能够有效提高直流断路器的关断电流，并且降低关断过程中每个电力电子器件两端的过电压，同时有效地抑制在电力电子器件短路时急剧提升的电应力对电力电子器件造成的影响，对直流断路器的性能提升起到了关键作用。

Description

一种高短路关断直流断路器用辅助电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种高短路关断直流断路器用辅助电路及其控制方法。

背景技术

直流断路器是直流输、配电网中承载稳态电流、关断故障电流、关断负荷电流的关键设备，能够限制故障范围扩大并有效清除故障。随着多端直流输电技术、智能电网与直流配网技术、分布式电源与直流微网技术的迅速发展，直流断路器对电网的可靠、优质、经济运行具有重要意义。同时，直流电流没有自然过零点、开断过电压和能量吸收等问题也成为直流断路器研究难点。

目前直流断路器研究的技术路线以混合式直流断路器为主，如ABB公司专利WO2011141054A1中采用机械开关和全控器件串联的混合型直流断路器，为实现主关断支路双向通流，需要使元件数量加倍，大大提高设备成本；而国家电网智能电网研究院专利201310364653.3中采用全控型电力电子器件、机械开关直流负荷开关和续流二极管构成的混合型直流断路器，则显著降低了设备成本和控制复杂度。但由于母线与IGBT间，以及串联IGBT间存在着杂散电感，使得串联IGBT在关断过程中将承受巨大的电气应力，同时基于该拓补的直流断路器的关断电流值与ABB公司的方案相比有较大的提升空间，使得该专利在实际应用中面临着巨大的挑战。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种高短路关断直流断路器用辅助电路及其控制方法。

第一方面，本发明中高短路关断直流断路器用辅助电路的技术方案是：

所述直流断路器包括并联的能量吸收单元和串联阀段；所述能量吸收单元由至少两个避雷器并联组成，所述串联阀段由至少两个电力电子器件串联组成；所述辅助电路并联在电力电子器件两端；

所述辅助电路包括第一电容支路、第二电容支路、控制支路和放电支路；

所述第一电容支路和控制支路组成第一并联单元，所述第二电容支路和放电支路组成第二并联单元；该第一并联单元和第二并联单元串联。

优选的，所述第一电容支路的正极与电力电子器件的集电极连接，第二电容支路的负极与电力电子器件的发射极连接。

优选的，所述第一电容支路由第一电容和第一电阻串联组成；

所述第二电容支路包括第二电容，所述第二电容的电容值大于第一电容的电容值。

优选的，所述控制支路包括晶闸管，该晶闸管的导通时间范围为所述电力电子器件在开始导通换流与关断断流之间的时间段。

优选的，所述放电支路包括第二电阻；

所述第二电阻的阻值R的计算公式为：

R＝τ/C

其中，τ为所述第二电容支路的电容放电时间常数，C为所述第二电容支路的容值。第二方面，本发明中高短路关断直流断路器用辅助电路控制方法的技术方案是：

所述方法包括：

步骤1：采集电力电子器件集电极的电流，判断电力电子器件是否导通；

步骤2：在电力电子器件的导通时间内触发控制支路的晶闸管；

步骤3：采集第二电容支路的充电电流，当该充电电流电流由峰值下降为零时，关断所述晶闸管。

优选的，所述导通时间为2ms。

优选的，所述步骤3中当第二电容支路的充电电流由峰值下降为零的过程中，能量吸收单元的避雷器导通，高压短路电流流过所述避雷器进行消耗。

优选的，当所述高压短路电流通过避雷器释放完毕后，第二电容支路通过放电支路进行放电；

当所述第二电容支路放电完毕后，第一电容两端的电压值为电力电子器件两端的电压值，第二电容两端的电压值为零。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种高短路关断直流断路器用辅助电路及其控制方法，能够有效提高直流断路器的关断电流，并且降低关断过程中每个电力电子器件两端的过电压，同时有效地抑制在电力电子器件短路时急剧提升的电应力对电力电子器件造成的影响，对直流断路器的性能提升起到了关键作用；

2、本发明提供的一种高短路关断直流断路器用辅助电路及其控制方法，当电力电子器件进入短路状态，工作在有源区而使电力电子器件的导通电压Vce快速上升时，能够有效限制导通电压Vce的上升，为驱动保护启动争取了时间。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种高短路关断直流断路器用辅助电路示意图；

图2：本发明实施例中一种高短路关断直流断路器用辅助电路原理图；

图3：本发明实施例中直流断路器中断流单元示意图；

图4：本发明实施例中直流断路器中断流单元电路图；

图5：本发明实施例中T型直流断路器拓扑原理图；

其中，1：隔离开关；2：限流电感；3：IGBT；4：快速机械开关；5：IGBT；6：避雷器；7：串联阀段。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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。

本发明提供的一种高短路关断直流断路器用辅助电路的实施例如图3和4所示，其并联在直流断路器的串联阀段和能量吸收单元的两端，其中，

本实施例中能量吸收单元和串联阀段并联连接，能量吸收单元由至少两个避雷器并联组成，串联阀段由至少两个电力电子器件串联组成。该辅助电路并联在电力电子器件两端。

如图1所示，辅助电路包括第一电容支路、第二电容支路、控制支路和放电支路。其中，

第一电容支路和控制支路组成第一并联单元，第二电容支路和放电支路组成第二并联单元；该第一并联单元和第二并联单元串联。

第一电容支路的正极与电力电子器件的集电极连接，第二电容支路的负极与电力电子器件的发射极连接。

1、第一电容支路

如图2所示，第一电容支路由第一电容C1和第一电阻R1串联组成。

本实施例中第一电容的电容值取值较小，使得线路能够正常工作，在电力电子器件未开通的时候第一电容能够承担母线电压。同时，第一电容支路也起到对控制电路的缓冲作用，能够有效减小控制支路中晶闸管关断过程出线的电压过冲与反向恢复电流。

2、第二电容支路

如图2所示，第二电容支路包括第二电容C2。

本实施例中由于第一电容C1对母线电压起到隔离作用，使得电压不会加到第二电容C1上。第一电容C应小于5Uf，因此第二电容C2的电容值大于第一电容C1的电容值。第二电容的电容值取值较大，从而能够保证第二电容在线路正常运行时不会有充电电流，在线路故障时通过导通晶闸管被故障电流充电，一方面能够吸收故障电路，另一方面能够为电力电子器件提供关断电压应力与短路电压应力的缓冲。

3、控制支路

如图2所示，控制支路包括晶闸管D1。

本实施例中该晶闸管D1的导通时间范围为电力电子器件在开始导通换流与关断断流之间的时间段，即晶闸管D1在电力电子器件导通换流之后，电力电子器件关断断流之前导通即可。在晶闸管导通之后，电力电子器件关断之前，由于第二电容C2两端承受的是电力电子器件的导通电压Vce，所以第二电容并未充电；当电力电气器件关断之后，电力电子器件两端电压由于线路电感和杂散电感产生的感应电压迅速上升，使得第二电容进行充电。

4、放电支路

如图2所示，放电支路包括第二电阻R2。

本实施例中第二电阻R2的阻值依据第二电容的放电时间确定。放电时间和静态均压的要求使得第二电阻的取值不应太大，而静态均压的功耗要求使得第二电阻的取值不应太小。第二电阻R2的阻值R的计算公式为：

R＝τ/C (1)

其中，τ为所述第二电容支路中第二电容C2的电容放电时间常数，C为所述第二电容C2的容值，本实施例中C＝50uF。

本发明提供的高短路关断直流断路器用辅助电路的控制方法为：

1、采集电力电子器件集电极的电流，判断电力电子器件是否导通。

本实施例中导通时间为2ms。

2、在电力电子器件的导通时间内触发控制支路的晶闸管。

3、采集第二电容支路的充电电流，当该充电电流电流由峰值下降为零时，关断晶闸管。

本实施例中当第二电容支路的充电电流由峰值下降为零的过程中，能量吸收单元的避雷器导通，高压短路电流流过所述避雷器进行消耗。其中，

若高压短路电流通过避雷器释放完毕后，第二电容支路通过放电支路进行放电。并且当在第二电容支路放电完毕后，第一电容两端的电压值为电力电子器件两端的电压值，第二电容两端的电压值为零。

本发明以图5所示T型直流断路器为例对高短路关断直流断路器用辅助电路进行说明，本实施例中假定电流由隔离开关1流向快速机械开关8，该直流断路器的工作过程为：

1、正常工作

当线路正常工作时，IGBT3和IGBT5导通，电流依次从隔离开关1、限流电感2、IGBT3、快速机械开关4和IGBT5流过。

2、换流工作

当线路末端发生故障，故障电流不断升高，此时开始换流过程，先导通IGBT7，然后关断IGBT5，则电流依次从隔离开关1、限流电感2、IGBT3和IGBT7流过，2ms后当快速机械开关4断开，换流工作完成，开始断流工作。

3、断流工作

断流开始后，关断IGBT7，此时故障电流从避雷器6中流过，短路能量在避雷器中消耗完毕。最后隔离开关1断开，直流断路器切断线路。

在上述直流断路器的工作过程中辅助电路的工作原理为：

1、正常工作

当线路正常工作时，第一电容支路中第一电容C1承受IGBT两端的电压，第二电容支路中第二电容没有承受的电压。

2、换流工作

当换流过程开始后，导通控制支路的晶闸管D1，此时第一电容支路被短路，但是由于第二电容C2两端的电压为IGBT的导通电压Vce，因此第二电容C2仍然没有电流流过。

3、断流工作

当断流过程开始后，关断IGBT7，此时IGBT两端的电压急剧升高，该电压通过控制支路向第二电容C2进行充电。此时，故障电流依次从隔离开关1、限流电感2、晶闸管D1和第二电容C2流过，根据电路原理可以得到，当支路上电阻时，电路上的电流将会发生振荡。振荡使得电流幅值不断升高，表现为第二电容的充电电流不断说升高，最终达到峰值后下降为零。之后由于晶闸管D1无法通过复制电流，所以改之路的地阿牛为零，此时可以关断晶闸管D1。

当第二电容的充电电流从峰值下降为零的过程中，第二电容两端的电压也不断升高，最终导通避雷器，使得短路电流通过避雷器进行消耗，最终短路能量被消耗完毕。

当避雷器消耗完短路能量后，第二电容通过放电支路的第二电阻进行放电。此时，第一电容和第二电容两端的电压进行重新分配，最终的分配结果为：第一电容C1两端的电压从晶闸管D1的导通电压0.7V上升到IGBT两端的电压，第二电容C2两端的电压不断下降至零，此时电容电压重新分配完毕你。辅助电路进入预导通状态，为下一次的关断缓冲准备。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.一种高短路关断直流断路器用辅助电路，所述直流断路器包括并联的能量吸收单元和串联阀段；所述能量吸收单元由至少两个避雷器并联组成，所述串联阀段由至少两个电力电子器件串联组成；其特征在于，所述辅助电路并联在电力电子器件两端；

所述辅助电路包括第一电容支路、第二电容支路、控制支路和放电支路；

所述第一电容支路和控制支路组成第一并联单元，所述第二电容支路和放电支路组成第二并联单元；该第一并联单元和第二并联单元串联。

2.如权利要求1所述的一种高短路关断直流断路器用辅助电路，其特征在于，所述第一电容支路的正极与电力电子器件的集电极连接，第二电容支路的负极与电力电子器件的发射极连接。

3.如权利要求1所述的一种高短路关断直流断路器用辅助电路，其特征在于，

所述第一电容支路由第一电容和第一电阻串联组成；

所述第二电容支路包括第二电容，所述第二电容的电容值大于第一电容的电容值。

4.如权利要求1所述的一种高短路关断直流断路器用辅助电路，其特征在于，

所述控制支路包括晶闸管，该晶闸管的导通时间范围为所述电力电子器件在开始导通换流与关断断流之间的时间段。

5.如权利要求1所述的一种高短路关断直流断路器用辅助电路，其特征在于，

所述放电支路包括第二电阻；

所述第二电阻的阻值R的计算公式为：

R＝τ/C

其中，τ为所述第二电容支路的电容放电时间常数，C为所述第二电容支路的容值。

6.一种基于如权利要求1-5所述辅助电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：采集电力电子器件集电极的电流，判断电力电子器件是否导通；

步骤2：在电力电子器件的导通时间内触发控制支路的晶闸管；

步骤3：采集第二电容支路的充电电流，当该充电电流电流由峰值下降为零时，关断所述晶闸管。

7.如权利要求6所述辅助电路的控制方法，其特征在于，所述导通时间为2ms。

8.如权利要求6所述辅助电路的控制方法，其特征在于，所述步骤3中当第二电容支路的充电电流由峰值下降为零的过程中，能量吸收单元的避雷器导通，高压短路电流流过所述避雷器进行消耗。

9.如权利要求8所述辅助电路的控制方法，其特征在于，

当所述高压短路电流通过避雷器释放完毕后，第二电容支路通过放电支路进行放电；

当所述第二电容支路放电完毕后，第一电容两端的电压值为电力电子器件两端的电压值，第二电容两端的电压值为零。