CN113394742B - 一种双向桥式直流固态断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向桥式直流固态断路器，该断路器拓扑结构包括第一晶闸管、第二晶闸管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容以及第一电感、第二电感,可以应用于直流微电网中，实现***的短路故障保护，该断路器拓扑结构简单，既满足实际应用中的共地要求，又能实现能量的双向流动，可以实现对直流***进行双向保护，同时减少了电力电子器件的使用，降低了通态损耗。

Description

一种双向桥式直流固态断路器

技术领域:

本发明属于直流固态断路器领域，尤其涉及一种新型双向桥式直流固态断路器拓扑结构。

背景技术:

随着直流微电网的不断发展，其应用范围也不断扩大，因此，对直流微电网的稳态运行及其安全保护等方面的内容也提出了更高的要求。断路器是保障电力***稳态运行的一种重要器件，直流断路器同样在直流输电保护中发挥着重要作用，为直流***的可靠运行提供有力保障。

随着电力电子器件尤其是半导体器件突飞猛进的发展，采用电力电子器件作为主开关的全固态直流断路器因其隔离故障迅速、可靠性高等优点受到了广泛关注，出现了各种各样的直流固态断路器结构。如常见的Z源直流固态断路器，拓扑结构简单，使用器件少，可以实现电源与负载的共地，不需要外加检测和控制电路就可以实现故障隔离，但其依旧存在通态损耗较高的缺陷，同时开关速度需要进一步提升等问题，需要不断的优化和提升性能。中国专利(CN201810122692.5)提出的桥式固态直流断路器虽然具有开关过程简单，时间较短的优点，但其需要外加控制电路，增加了电路的复杂性。因此，新型双向桥式直流固态断路器成为了迫切需要。

发明内容

针对目前现有的直流固态断路器所存在的缺陷和不足，本发明提供一种双向桥式直流固态断路器，其既可以满足实际应用中电源与负载共地的需求，又可以实现能量的双向流动，对电路有双向保护的作用，该直流固态断路器拓扑结构简单，且不需要外加检测控制电路，具有隔离故障准确、迅速等特点。

本发明为解决以上技术问题所采取的技术方案是：

双向桥式直流固态断路器，包括：第一晶闸管(1)、第二晶闸管(2)、第一电容(3)、第二电容(4)、第三电容(5)、第四电容(6)以及第一电感(7)和第二电感(8)；所述第一晶闸管(1)的阳极与所述第一电容(3)的正极连接；所述第一晶闸管(1)的阴极与所述第一电感(7)连接于第一连接点(11)；所述第一电容(3)的负极与所述第一电感(7)连接于第一引出端子(9)；所述第二晶闸管(2)的阳极与所述第二电容(4)的正极连接；所述第二晶闸管(2)的阴极与所述第二电感(8)连接于第二连接点(12)；所述第二电容(4)的负极与所述第二电感(8)连接于第二引出端子(17)；所述第三电容(5)的正极与所述第一晶闸管(1)阳极连接；所述第三电容(5)的负极作为第三引出端子(14)；所述第四电容(6)的正极与所述第二晶闸管(2)阳极连接；所述第四电容(6)的负极作为第四引出端子(15)；所述第一引出端子(9)与电源(23)正极连接，所述电源(23)负极与所述第三引出端子(14)，所述第四引出端子(15)连接，所述第四引出端子(15)与短路点(18)连接，从而构成了电流回路。

***还包括：第一能量吸收回路和第二能量吸收回路；所述第一电感(7)与第一能量吸收回路连接、所述第二电感(8)与第二能量吸收回路连接，第一二极管(24)的正极与第一电阻(25)一端连接，所述第一二极管(24)的负极与所述第一电感(7)一端连接，所述电阻(25)的另一端与所述第一电感(7)另一端连接，从而构成所述第一电感(7)的能量吸收回路；第二二极管(27)的正极与第二电阻(26)连接，所述第二二极管(27)负极与所述第二电感(8)一端连接，所述第二电阻(26)的另一端与所述第二电感(8)连接，从而构成所述第二电感(8)的能量吸收回路，在电感放电时起到能量缓冲的作用

通过方向相反并联的所述第一晶闸管(1)、所述第二晶闸管(2)实现能量的双向流动；在负载发生短路故障时，通过所述第一电容(3)、所述第二电容(4)、所述第三电容(5)、所述第四电容(6)放电以关断晶闸管，完成隔离故障作用。

本发明的有益效果如下：

从电路结构来说，该断路器拓扑结构简单，使用少量的元件就实现电源与负载的共地需求，同时不需要外加检测控制电路，能量需求小，可靠性高，成本低；

从通态损耗方面来说，该直流固态断路器采用电容代替了二极管的反向阻断作用，减少了半导体器件的使用，降低了***的通态损耗。

从短路故障保护作用来说，反向并联的第一晶闸管、第二晶闸管构成双向桥式电路，可以实现能量的双向流动，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容暂态时放电，电流反向通过晶闸管，关断晶闸管，实现对电路的双向保护作用。

上述说明，仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述说明和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，特举较佳实施例，详细说明如下。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的电路拓扑结构图

图2为仿真模拟负载短路故障时，第一电容和第三电容正极放电电压波形图

图3为仿真模拟负载短路故障时，第二晶闸管电流、电压波形图

图4为仿真模拟负载短路故障时，负载电流、电压波形图

图1中，1-第一晶闸管、2-第二晶闸管、3-第一电容、4-第二电容、5-第三电容、6-第四电容、7-第一电感、8-第二电感、23-电源、24-第一二极管、27-第二二极管、25-第一电阻、26第二电阻、9-第一引出端子、17-第二引出端子、14-第三引出端子、15-第四引出端子，11-第一连接点，12-第二连接点

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种双向桥式直流固态断路器，包括光伏模块3，第一晶闸管1的阳极与第一电容3的正极和第三电容5的正极连接，其阴极与第一电感7连接；第一电容3的负极与第一电感7连接，其连接点作为第一引出端子9；第二晶闸管2的阳极与第二电容4的正极和第四电容6的正极连接，其阴极与第二电感8连接；第二电容4的负极与第二电感8连接，其连接点作为第二引出端子17；第三电容5的负极作为第三引出端子14；第四电容6的负极作为第四引出端子15；第一引出端子与电源23正极连接，电源23负极与第三引出端子，第四引出端子连接，第四引出端子与短路点连接，从而构成了电流回路。二极管24的正极与电阻25连接，再并联于第一电感7两端，构成了第一电感的能量吸收回路；二极管27的正极与电阻26连接，再并联于第二电感8两端，构成了第二电感8的能量吸收回路。

本发明所提出的双向桥式直流固态断路器主要通过反并联的第一晶闸管1，第二晶闸管2来实现能量的双向流动。前向能量流通路径为:能量流过第一电感7，经过第二晶闸管2，再流经第二电感8传递到电路的另一端口。后向能量流通路径为:能量流过第二电感8，经过第一晶闸管1，再流经第一电感7传递到电路的另一端。

以下介绍本发明所提出的双向桥式直流固态断路器的具体工作流程：

当能量前向流动，电路处于正常工作状态时，第一电容3，第二电容4，第三电容5，第四电容6相当于开路；第一电感1，第二电感8相当于短路。电流流经第一电感1，第二晶闸管2，第二电感8传递到负载。当负载突然发生短路故障时，在该暂态时刻，电感电流不能突变，其电流方向与稳态时相同，第一电容3，第三电容5的放电电流反向流经第二晶闸管2，当流经第二晶闸管2的反向电流大于正向电流时，该晶闸管阳极电压将低于阴极电压，从而关断，完成隔离故障的作用。

当能量后向流动，电路处于正常工作状态时，第一电容3，第二电容4，第三电容5，第四电容6相当于开路；第一电感8，第二电感1相当于短路。电流流经第二电感8，第一晶闸管1，第一电感7传递到负载；当负载突然发生短路故障时，在该暂态时刻，电感的电流不能突变，其电流方向与稳态时相同，第二电容4，第四电容6的放电电流反向流经第一晶闸管1，当流经第一晶闸管1的反向电流大于正向电流时，该晶闸管阳极电压将低于阴极电压，从而关断，完成隔离故障的作用。

针对实例在Saber软件中进行仿真实验，验证本发明所提出的双向桥式直流固态断路器，这里介绍能量前向流动的仿真实验及结果。设置电源电压U_s＝1000V,第一电容3，第二电容4，第三电容5，第四电容6均为47uF，第一电感7，第二电感8均为1.3mH，负载电阻设置为20Ω，短路故障电阻为0.1Ω。实验波形如图2-4所示。

本次仿真试验中，模拟负载短路故障在t＝0.3s时发生。

由图2可以看出，在负载发生短路故障时，第一电容3，第三电容5同时放电，其正极电压下降。由图3可以看出，稳态时正常导通的第二晶闸管2在该时刻两端电压下降为负，并维持一段时间，晶闸管关断。

由图4可以看出，负载电压在大约在0.1ms内由正常工作时的1000V下降为0V，负载电流由正常工作时的50A下降为0A。仿真验证了故障状态下，晶闸管能够及时关断，断路器可以迅速的隔离短路故障，维护电路的安全工作。

本发明的优点在于：断路器拓扑结构简单，使用元件少，实现电源与负载的共地需求，不需要外加检测控制电路，可靠性高，成本低；直流固态断路器采用电容代替了二极管的反向阻断作用，减少了半导体器件的使用，降低了***的通态损耗。反并联的第一晶闸管、第二晶闸管构成双向桥式电路，可以实现能量的双向流动，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容暂态时放电，电流反向通过晶闸管，关断晶闸管，实现对电路的双向保护作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种双向桥式直流固态断路器，其特征在于包括：第一晶闸管(1)、第二晶闸管(2)、第一电容(3)、第二电容(4)、第三电容(5)、第四电容(6)以及第一电感(7)和第二电感(8)；所述第一晶闸管(1)的阳极与所述第一电容(3)的正极连接；所述第一晶闸管(1)的阴极与所述第一电感(7)连接于第一连接点(11)；所述第一电容(3)的负极与所述第一电感(7)连接于第一引出端子(9)；所述第二晶闸管(2)的阳极与所述第二电容(4)的正极连接；所述第二晶闸管(2)的阴极与所述第二电感(8)连接于第二连接点(12)；所述第二电容(4)的负极与所述第二电感(8)连接于第二引出端子(17)；所述第三电容(5)的正极与所述第一晶闸管(1)阳极连接；所述第三电容(5)的负极作为第三引出端子(14)；所述第四电容(6)的正极与所述第二晶闸管(2)阳极连接；所述第四电容(6)的负极作为第四引出端子(15)；所述第一引出端子(9)与电源(23)正极连接，所述电源(23)负极分别与所述第三引出端子(14)，所述第四引出端子(15)连接，所述第四引出端子(15)与短路点(18)连接，构成了电流回路。

2.根据权利要求1所述的一种双向桥式直流固态断路器，其特征还在于：通过方向相反并联的所述第一晶闸管(1)、所述第二晶闸管(2)实现能量的双向流动；在负载发生短路故障时，通过所述第一电容(3)、所述第二电容(4)、所述第三电容(5)、所述第四电容(6)放电以关断第一晶闸管或第二晶闸管，完成隔离短路故障作用；所述第一电感(7)与第一能量吸收回路连接、所述第二电感(8)与第二能量吸收回路连接，第一二极管(24)的正极与第一电阻(25)一端连接，所述第一二极管(24)的负极与所述第一电感(7)一端连接，所述电阻(25)的另一端与所述第一电感(7)另一端连接，从而构成所述第一电感(7)的第一能量吸收回路；第二二极管(27)的正极与第二电阻(26)的一端连接，所述第二二极管(27)负极与所述第二电感(8)一端连接，所述第二电阻(26)的另一端与所述第二电感(8)的另一端连接，从而构成所述第二电感(8)的第二能量吸收回路，在电感放电时起到能量缓冲的作用。

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