CN115102135A - 一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器及其控制方法 - Google Patents

一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器及其控制方法 Download PDF

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CN115102135A CN202210473067.1A CN202210473067A CN115102135A CN 115102135 A CN115102135 A CN 115102135A CN 202210473067 A CN202210473067 A CN 202210473067A CN 115102135 A CN115102135 A CN 115102135A
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周中正
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Abstract

本发明公开了一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器及其控制方法，该双向直流固态断路器由主支路、换流及电容充电支路、能量吸收支路及控制单元组成，本发明结合控制单元可实现对换流支路的控制，进而利用耦合电感的感应电流，实现对故障电流的中断和隔离。该双向直流固态断路器在正常工作时主支路电流只通过一个半导体器件，通态损耗低，同时关断可控，可靠性高。本发明控制算法简单，可有效实现对电流的监测及对短路故障类型进行判断。

Description

一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断 路器。
背景技术
随着光伏发电、风力发电等分布式电源的发展，直流微电网作为其更高效率的接入 形式受到了越来越多的关注。相比交流电，直流电具有更好的经济性以及更广阔的发展前景。而且在电力传输方面，直流输电具有高效低损耗的优点。但是由于直流缺乏自然 过零点，如何有效实现对直流电网的故障隔离制约着直流电的发展。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的关断时间长、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。
Z源固态断路器及其衍生拓扑结构是目前比较常见的一类固态断路器，电路结构简 单，不需要额外的故障检测及控制电路，能够实现对短路故障的中断和隔离，但是Z源固态断路器的性能受负载及线路阻抗等因素影响较大，制约着其在实际中的应用。为了 增强断路器的可靠性及减少电路参数对断路器性能的影响，同时为了满足直流微网对双 向能量流动及双向故障保护的需求，中国专利(202011145187.6)和中国专利(201911098557.2)提出了两种基于晶闸管的双向直流固态断路器，这两种双向直流固态断路器具有关断可控、可靠性高、响应速度快等优点，但是在电路正常工作时电流需要 经过两个半导体器件，通态损耗相对较大。Y.Yang和C.Huang在文献"A Low-Loss Z-SourceCircuit Breaker for LVDC Systems,in IEEE Journal of Emerging and SelectedTopics in Power Electronics,vol.9,no.3,pp.2518-2528,June 2021"提出了一种低损耗的双 向直流固态断路器，但是该断路器仍是基于Z源结构，稳定性较低且误触发可能性高。
发明内容
针对目前双向直流固态断路器所存在的不足，本发明提出了一种基于晶闸管的低损 耗双向直流固态断路器，能够实现能量的双向流动及故障的双向中断和隔离，该双向断路器具有可控、稳定性高、响应速度快、通态损耗低等特点。
本发明为解决以上技术问题所采取的技术方案是：
所述的基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器，其拓扑结构由主支路、换流及电 容充电支路、能量吸收支路及控制单元组成，如图1所示。所述主支路由第一晶闸管(SCR1)、第二晶闸管(SCR2)及耦合电感初级线圈(Lw1)组成，换流及电容充电支路由 第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三晶闸管(SCR3)、第四晶闸管(SCR4)、第五晶 闸管(SCR5)、第六晶闸管(SCR6)、电容(C)、耦合电感次级线圈(Lw2)、电阻(R)组成， 能量吸收支路由压敏电阻(MOV)组成，控制单元由电流传感器及控制器组成。
其特征在于：所述的第一晶闸管(SCR1)和第二晶闸管(SCR2)反向并联构成电流的双向流通支路，第一晶闸管(SCR1)阳极和第二晶闸管(SCR2)阴极连接，第一晶闸管(SCR1)阴极和第二晶闸管阳极(SCR2)连接，第一晶闸管(SCR1)阴极和耦合电感初级线圈(Lw1) 的同名端连接；所述的第一二极管(D1)正极和第一晶闸管(SCR1)阳极连接，第一二极 管(D1)负极和第二二极管(D2)负极连接，第二二极管(D2)正极和耦合电感次级线圈 (Lw2)异名端连接，第三晶闸管(SCR3)阳极和第五晶闸管(SCR5)阳极连接，第三晶闸 管(SCR3)阴极和第四晶闸管(SCR4)阳极连接，第四晶闸管(SCR4)阴极和第六晶闸管 (SCR6)阴极连接，第六晶闸管(SCR6)阳极和第五晶闸管(SCR5)阴极连接，耦合电感 次级线圈(Lw2)同名端和第五晶闸管(SCR5)阴极及第六晶闸管(SCR6)阳极连接，耦合 电感次级线圈(Lw2)异名端和第三晶闸管(SCR3)阴极及第四晶闸管(SCR4)阳极连接， 电容(C)正极和第五晶闸管(SCR5)阳极连接，电容(C)负极和第六晶闸管(SCR6)阴 极连接，电阻(R)一端和电容(C)负极连接，另一端和电源负极连接；所述的压敏电 阻(MOV)一端和第一晶闸管(SCR1)阳极及第一二极管(D1)正极连接，压敏电阻(MOV) 另一端和耦合电感初级线圈(Lw1)异名端及第二二极管(D2)正极连接；所述的主回路电 流流过电流传感器，电流传感器的输出端和控制器相连接，控制器的输出端和第一(SCR1)、 第二(SCR2)、第三(SCR3)、第四(SCR4)、第五(SCR5)、第六晶闸管(SCR6)的门极连接。
所述的基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器可以实现能量的双向流动和短路故 障的双向中断和隔离。第一晶闸管(SCR1)、耦合电感初级线圈(Lw1)构成所述双向断路器能量的前向流动通道主支路，第一二极管(D1)、第五晶闸管(SCR5)、耦合电感次级线 圈(Lw2)、第四晶闸管(SCR4)、电容(C)及电阻(R)构成所述双向断路器能量前向流动 时的换流及电容充电支路；第二晶闸管(SCR2)、耦合电感初级线圈(Lw1)构成所述断路 器能量后向流通主支路，第二二极管(D2)、第三晶闸管(SCR3)、耦合电感次级线圈(Lw2)、 第六晶闸管(SCR6)、电容(C)、电阻(R)构成所述双向断路器能量后向流动时的换流及 电容充电支路；压敏电阻(MOV)为所述双向断路器能量前向流动和后向流动时的能量吸 收回路；电流传感器及控制器为所述双向断路器能量前向流动和后向流动时的控制单元。
所述的一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器的控制方法，其特征在于：包 括如下步骤：
输出电流为IO，设置参考电流值为Iref1、Iref2，Iref1<Iref2，输出电流和参考电流Iref1之差为：
ΔI＝IO-Iref1 (1)
故障发生时：
步骤一：当△I>0时开始持续监测输出电流IO的大小，
步骤二：当输出电流IO的值大于Iref2且持续时间t(s)大于Tdelay，即，IO-Iref2>0持续时间t(s)>Tdelay时，则控制器给晶闸管SCR4和SCR5(反向工作时：SCR3和SCR6) 门极发送触发信号使其导通，从而使得电容C、SCR5、耦合电感次级线圈Lw2和SCR4(反 向工作时：电容C、SCR3耦合电感次级线圈Lw2和SCR6)构成换流回路，进而实现对短 路故障的隔离。
断路器重导通时：设定从断路器关断到断路器重导通之间的最小时间间隔为T0，电 容充电所需时间为T1,则断路器从关断到断路器重导通之间的时间间隔应大于电容C的充 电时间，即T0>T1。
反向工作时，当输出电流IO的值大于Iref2且持续时间t(s)大于Tdelay，即，IO-Iref2>0持续时间t(s)>Tdelay时，则控制器给晶闸管SCR3和SCR6门极发送触发信号使其导通， 从而使得电容C、SCR5、耦合电感次级线圈Lw2和SCR6构成换流回路，进而实现对短路 故障的隔离。
断路器重导通时：设定从断路器关断到断路器重导通之间的最小时间间隔为T0，电 容充电所需时间为T1,则断路器从关断到断路器重导通之间的时间间隔应大于电容C的充 电时间，即T0>T1。
步骤三：当短路故障发生导致断路器被关断T0时间之后，控制器给晶闸管SCR1(反向工作时：SCR2)门极发送触发信号使断路器导通，并重复步骤一和步骤二，若断路器 再次被关断，则判断为永久性故障，不再重新导通断路器直至故障被彻底清除，否则判 断为瞬时性故障。
反向工作时，当短路故障发生导致断路器被关断T0时间之后，控制器给晶闸管SCR2门极发送触发信号使断路器导通，并重复步骤一和步骤二，若断路器再次被关断，则判 断为永久性故障，不再重新导通断路器直至故障被彻底清除，否则判断为瞬时性故障。
本发明能够实现如下有益效果：
1)所述双向断路器在电路正常工作时，电流只流经一个晶闸管，极大的降低了*** 的通态损耗；
2)该双向断路器采用控制器对电流进行检测，增强了断路器的可控性，提高了断路 器的可靠性，降低了断路器误触发的可能性；
3)该双向断路器可以实现换流支路电容的预充电，在电路通电时实现对电路的保护；
4)该双向断路器增加了电流检测及控制器，可以实现开关功能；
5)在切断故障电流时，不会给电源端反馈大电流；
6)可以利用重导通断路器实现对故障类型的判断。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并 不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：
图1为本发明的电路拓扑结构图；
图2为本发明在负载短路故障发生时的工作时序图；
图3为进行故障隔离时的控制方法流程图；
图4为重导通时进行故障类型判断的控制方法流程图；
图5为本发明作为开关使用时的工作时序图；
图6为仿真模拟负载短路故障时输出电流、电容电压及电容电流波形图；
图7为仿真模拟进行开关功能对负载断电时负载电压和负载电流波形图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并 不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性 劳动的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。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的 普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复 杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本 申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手 段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人 员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实 施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域 内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包 含”、“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 或模块(单元)的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是 可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固 有的其它步骤或单元。
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开的基于晶闸管的双向直流固态断路器如图1所示，其拓扑结构由主支路、 换流及电容充电支路、能量吸收支路及控制单元组成。所述主支路由第一晶闸管(SCR1)、 第二晶闸管(SCR2)及耦合电感初级线圈(Lw1)组成，换流及电容充电支路由第一二极管 (D1)、第二二极管(D2)、第三晶闸管(SCR3)、第四晶闸管(SCR4)、第五晶闸管(SCR5)、 第六晶闸管(SCR6)、电容(C)、耦合电感次级线圈(Lw2)、电阻(R)组成，能量吸收支 路由压敏电阻(MOV)组成，控制单元由电流传感器及控制器组成。
以下以正向工作为例介绍本发明所提出的基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器 及其控制方法的具体工作原理：
当断路器能量前向流动时，第一晶闸管(SCR1)、耦合电感初级线圈(Lw1)构成所述双向断路器能量的前向流动通道主支路；第一二极管(D1)、第五晶闸管(SCR5)、耦合电 感次级线圈(Lw2)、第四晶闸管(SCR4)、电容(C)及电阻(R)构成所述双向断路器能量 前向流动时的换流及电容充电支路；压敏电阻(MOV)为能量吸收支路；电流传感器及控 制器为控制单元。此时，第一晶闸管(SCR1)为导通状态，第二(SCR2)、第三(SCR3)、 第四(SCR4)、第五(SCR5)、第六晶闸管(SCR6)为关断状态，电源通过第一二极管(D1) 给电容(C)充电，使其电压等于电源电压。
如图2和图3所示，该断路器对短路故障进行隔离。当负载处在t0时刻发生短路故障时，输出电流IO呈上升趋势，当输出电流IO和参考电流Iref1之差ΔI大于0时，开始 持续监测输出电流IO的大小，当输出电流IO的值大于Iref2且持续时间t(s)大于Tdelay，即， IO-Iref2>0持续时间大于Tdelay时，控制器给第五晶闸管(SCR5)门极和第四晶闸管(SCR4) 门极发送触发信号并使其导通，此时电容(C)、第五晶闸管(SCR5)、耦合电感次级线圈 (Lw2)及第四晶闸管(SCR4)形成通路，电容(C)放电，瞬时大电流通过第五晶闸管(SCR5) 及第四晶闸管(SCR4)并流经耦合电感次级线圈(Lw2)，此时在耦合电感初级线圈(Lw1) 处会产生反向的感应电流，在t3使流经第一晶闸管(SCR1)的电流减低为0，此时第一晶 闸管(SCR1)关断，故障切除。之后压敏电阻(MOV)对耦合电感中储存的能量进行吸收， 电源再次通过第一二极管(D1)给电容充电(C)，使其电压等于电源电压，为下一次关断 做准备。
如图4所示，当短路故障发生导致断路器被关断T0时间之后，控制器给晶闸管SCR1门极发送触发信号使断路器导通，并再次进行图2和图3中所示的故障检测和隔离步骤， 若断路器再次被关断，则判断为永久性故障，不再重新导通断路器直至故障被彻底清除， 否则判断为瞬时故障。
如图5所示，该断路器作为开关使用，对负载进行断电。在t0时刻之前，电路正常运行，在t0时刻，控制器给第五晶闸管(SCR5)门极和第四晶闸管(SCR4)门极发送触发 信号并使其导通，同样的，此时电容(C)、第五晶闸管(SCR5)、耦合电感次级线圈(Lw2) 及第四晶闸管(SCR4)形成通路，电容(C)放电，瞬时大电流通过第五晶闸管(SCR5) 及第四晶闸管(SCR4)并流经耦合电感次级线圈(Lw2)，此时在耦合电感初级线圈(Lw1) 处会产生反向的感应电流，从而使得第一晶闸管(SCR1)关断，负载电压和负载电流减低 为0。
针对实例在PLECS仿真软件中进行仿真实验，验证本发明所提出的基于晶闸管的可控 双向直流固态断路器。这里以断路器能量前向流动为例进行说明。仿真电源电压为200V， 负载为10Ω，电容为100uF，电阻为40Ω，耦合电感初级线圈和次级线圈的电感值分别 为900uH和100uH。
实例一：仿真模拟负载短路故障
仿真波形如图6所示，设置在t＝10s时发生短路故障，此时***输出电流及流经第一 晶闸管(SCR1)的电流上升，当电流传感器识别到输出电流满足故障保护条件时，控制器输出控制信号导通第五晶闸管(SCR5)和第四晶闸管(SCR4)，此时电容放电(C)，电容 电压降低，释放瞬时大电流并流经耦合电感次级线圈(Lw2)，在耦合电感初级线圈(Lw1) 处感应出反向大电流使第一晶闸管(SCR1)关断，最终实现短路故障隔离。在短路故障切 除后，电源给电容(C)充电。
实例二：仿真模拟断开负载
仿真波形图如图7所示，设置在t＝10s时由控制器输出控制信号给第五晶闸管(SCR5) 门极和第四晶闸管(SCR4)门极使其导通，此时电容(C)放电，释放瞬时大电流并流经耦合电感次级线圈(Lw2)，在耦合电感初级线圈(Lw1)处感应出反向大电流使第一晶闸管(SCR1)关断，最终实现负载断电。
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 (4)

1.一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器，其特征在于：由主支路、换流及电容充电支路、能量吸收支路及控制单元组成，
所述主支路由第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2及耦合电感初级线圈Lw1组成；
所述的换流及电容充电支路由第一二极管D1、第二二极管D2、第三晶闸管SCR3、第四晶闸管SCR4、第五晶闸管SCR5、第六晶闸管SCR6、电容C、耦合电感次级线圈Lw2、电阻R组成；
能量吸收支路由压敏电阻MOV组成；
控制单元由电流传感器及控制器组成。
2.如权利要求1所述的一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器，其特征在于：所述的第一晶闸管SCR1和第二晶闸管SCR2反向并联构成电流的双向流通支路，第一晶闸管SCR1阳极和第二晶闸管SCR2阴极连接，第一晶闸管SCR1阴极和第二晶闸管阳极SCR2连接，第一晶闸管SCR1阴极和耦合电感初级线圈Lw1的同名端连接；所述的第一二极管D1正极和第一晶闸管SCR1阳极连接，第一二极管D1负极和第二二极管D2负极连接，第二二极管D2正极和耦合电感次级线圈Lw2异名端连接，第三晶闸管SCR3阳极和第五晶闸管SCR5阳极连接，第三晶闸管SCR3阴极和第四晶闸管SCR4阳极连接，第四晶闸管SCR4阴极和第六晶闸管SCR6阴极连接，第六晶闸管SCR6阳极和第五晶闸管SCR5阴极连接，耦合电感次级线圈Lw2同名端和第五晶闸管SCR5阴极及第六晶闸管SCR6阳极连接，耦合电感次级线圈Lw2异名端和第三晶闸管SCR3阴极及第四晶闸管SCR4阳极连接，电容C正极和第五晶闸管SCR5阳极连接，电容C负极和第六晶闸管SCR6阴极连接，电阻R一端和电容C负极连接，另一端和电源负极连接；所述的压敏电阻MOV一端和第一晶闸管SCR1阳极及第一二极管D1正极连接，压敏电阻MOV另一端和耦合电感初级线圈Lw1异名端及第二二极管D2正极连接；所述的主回路电流流过电流传感器，电流传感器的输出端和控制器相连接，控制器的输出端和第一SCR1、第二SCR2、第三SCR3、第四SCR4、第五SCR5、第六晶闸管SCR6的门极连接。
3.如权利要求1所述的一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器，其特征在于：第一晶闸管SCR1、耦合电感初级线圈Lw1构成所述双向断路器能量的前向流动通道主支路，第一二极管D1、第五晶闸管SCR5、耦合电感次级线圈Lw2、第四晶闸管SCR4、电容C及电阻R构成所述双向断路器能量前向流动时的换流及电容充电支路；第二晶闸管SCR2、耦合电感初级线圈Lw1构成所述断路器能量后向流通主支路，第二二极管D2、第三晶闸管SCR3、耦合电感次级线圈Lw2、第六晶闸管SCR6、电容C、电阻R构成所述双向断路器能量后向流动时的换流及电容充电支路；压敏电阻MOV为所述双向断路器能量前向流动和后向流动时的能量吸收回路；电流传感器及控制器为所述双向断路器能量前向流动和后向流动时的控制单元。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种基于晶闸管的低损耗双向直流固态断路器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
输出电流为IO，设置参考电流值为Iref1、Iref2，Iref1<Iref2，输出电流和参考电流Iref1之差为：
ΔI＝IO-Iref1
故障发生时：
步骤一：当△I>0时开始持续监测输出电流IO的大小，
步骤二：当输出电流IO的值大于Iref2且持续时间t(s)大于Tdelay时，即，IO-Iref2>0持续时间t(s)>Tdelay时，则控制器给晶闸管SCR4和SCR5门极发送触发信号使其导通，从而使得电容C、SCR5、耦合电感次级线圈Lw2和SCR4构成换流回路，进而实现对短路故障的隔离。
断路器重导通时：
设定从断路器关断到断路器重导通之间的最小时间间隔为T0，电容充电所需时间为T1,则断路器从关断到断路器重导通之间的时间间隔应大于电容C1的充电时间，即T0>T1。
步骤三：当短路故障发生导致断路器被关断T0时间之后，控制器给晶闸管SCR1门极发送触发信号使断路器导通，并重复步骤一和步骤二，若断路器再次被关断，则判断为永久性故障，不再重新导通断路器直至故障被彻底清除，否则判断为瞬时性故障。
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