CN116865738B - 基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑及控制方法 - Google Patents

基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子电路领域，具体涉及了一种基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑及控制方法，旨在解决基于晶闸管的直流固态断路器在实现双向关断及多端口时成本体积比较高的问题。本发明包括：直流***的第一端、避雷器的第二端、第一辅助开关的第二端和第二辅助开关的第二端连接至第一节点G1；第二辅助开关的第一端、避雷器的第一端和电容C1的第二端连接至第二节点G2；电容C1的第一端、第一辅助开关的第一端和辅助支路的第二端连接至第三节点G3；辅助支路的第一端通过第四节点G4接地；本发明解决了基于晶闸管的直流固态断路器在实现双向关断及多端口应用问题，降低了成本体积，实现了软重合闸的功能。

Description

基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑及控制方法
技术领域
本发明属于电子电路领域，具体涉及了一种基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑及控制方法。
背景技术
近年来，随着电力技术的不断发展，将大规模分布式电源接入电网是未来电网发展的一大趋势。直流微电网和直流配电***由于其供电的灵活性成为目前国内外学者的研究热点，适用于大规模分布式电源并网的场景。在直流***中，直流断路器由于响应速度快、故障隔离选择性好的特点，在各直流***工程中得到了广泛的应用。额定电压较低的直流微电网和配电***对直流断路器的响应速度、智能化、集成化有着更高的需求，故基于现代大功率电力电子器件的直流固态断路器是保护直流微电网和配电***的最优选择，电力电子器件极短的开断时间和超高的开关频率为直流断路器各类功能的集成创造了条件。
目前在直流固态断路器中所使用的电力电子器件可分为全控型和半控型两种，全控型器件关断速度快，但是价格昂贵，导通损耗较大，故使用半控型电力电子器件实现直流固态断路器是目前的一个研究热点，晶闸管是典型的半控型电力电子器件，使用晶闸管的半控型电力电子器件实现直流固态断路器可以控制导通，但是无法控制关断；
研发一种半控型电力电子器件实现直流固态断路器对于直流微电网和配电***具有非常重要的意义，近期有一些研究人员已经提出了使用晶闸管的直流固态断路器方案，但是这些方案在外接电路发生故障时，难以实现关断，快速性和可靠性不高，并且在实现双向关断及多端口时成本体积比较高的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即基于晶闸管的直流固态断路器在实现双向关断及多端口时成本体积比较高的问题，本发明提供了一种基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑，基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑包括：直流***、第一辅助开关、第二辅助开关、避雷器MOV、电容C1和辅助支路；
直流***的第一端、避雷器的第二端、第一辅助开关的第二端和第二辅助开关的第二端连接至第一节点G1；第二辅助开关的第一端、避雷器的第一端和电容器C1的第二端连接至第二节点G2；电容C1的第一端、第一辅助开关的第一端和辅助支路的第二端连接至第三节点G3；辅助支路的第一端通过第四节点G4接地；
直流***包括n个选择开关和n个主通流支路；
辅助支路包括：第一电阻R1、第二电阻R2和二极管D1；
辅助支路的第二端、二极管D1和第一电阻R1通过第三节点G3相连；二极管D1和第二电阻R2串联，靠近第二电阻R2的一端是二极管的正极；辅助支路的第一端、第一电阻R1和第二电阻R2通过第四节点G4相连。
在一种优选的实施方式中，上述的直流固态断路器拓扑中的直流***包括n个并联的直流子***，n为正整数；
每个直流子***的第一端连接直流***的第一端，每个直流子***的第二端连接直流***的第二端；每个直流子***包括一个主通流支路、一个选择开关和一个端口；
第i直流子***的第一端连接第i主通流支路的第一端，第i直流子***的第二端连接第i选择开关的第二端，第i主通流支路的第二端连接至第i端口，i为任意直流子***对应的序号，i为1至n的任意整数。
在一种优选的实施方式中，第一辅助开关由单向半控型电力电子器件或单向全控型电力电子器件构成，第二辅助开关由单向半控型电力电子器件构成。
在一种优选的实施方式中，所有选择开关均由单向半控型电力电子器件构成；所有主通流支路均由均由低损耗半控型电力电子器件反并联组成。
本发明的另一方面，提出了一种基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑的控制方法，基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑工作；
当基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路正常工作时，选择开关1至n处于断开状态，第一辅助开关处于断开状态，第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压，当电容C1的电压充至直流***电压后，断开第二辅助开关；
当基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路发生短路故障时，检测装置检测到故障直流电路的第j端口的电流异常上升，给与第j选择开关和第一辅助开关导通信号，故障电流给电容C1反向充电直至到达避雷器MOV的钳位电压，避雷器被触发，触发的避雷器MOV消耗***中的电压和电流，使第j端口连接的外部电路的电流始终处于安全阈值下；，j为发生短路故障的外部直流电路所对应的直流子***的序号。
故障处理完毕后，断开第一辅助开关，第j选择开关流过的电流小于其维持电流后自然断开，闭合第二辅助开关，使第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压，当电容C1的电压充至直流母线电压后，断开第二辅助开关，然后给与第i选择开关导通信号，电容C1向检测到故障直流电路的第j端口放电，判断端口i的电流峰值和电压峰值是否达到阈值，若电流峰值达到第一阈值，电压峰值达到第二阈值，则说明故障端口恢复正常。
本发明的有益效果：
（1）本发明解决了基于晶闸管的直流固态断路器实现双向关断或者多端口的成本和体积过高的问题。
（2）本发明减少了直流固态断路器电路拓扑在多端口配置时半控型电力电子器件的数量，避雷器的数量，降低了多端口直流固态断路器的成本和体积。
（3）本发明多端口直流固态断路器拓扑断开时，彻底消除了避雷器上漏电流的影响，因此解决了避雷器的安全问题。
（4）本发明解决了现有针对半控型电力电子器件主动反压关断式拓扑结构重合闸不可靠的问题，可以在故障端口主通流支路未导通时即对电容进行充电，并且具有软重合闸的功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑的一种具体结构；
图2是本发明实施例中基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑连接的外部电路正常工作时的原理图；
图3是本发明中基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑连接的外部电路发生故障时的原理图；
图4是本发明中基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑处理故障时的原理图；
图5是本发明中基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑软重合闸原理的原理图；
图6是为本发明提出的基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑的又一种具体结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了更清晰地对本发明基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑进行说明，下面第一实施例结合图1对本发明实施例中各个结构展开详述。
如图1，本发明提出了一种基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑，直流固态断路器拓扑包括：直流***、第一辅助开关、第二辅助开关、避雷器MOV、电容C1和辅助支路；
具体的，直流***的第一端、避雷器的第二端、第一辅助开关的第二端和第二辅助开关的第二端连接至第一节点G1；第二辅助开关的第一端、避雷器的第一端和电容器C1的第二端连接至第二节点G2；电容C1的第一端、第一辅助开关的第一端和辅助支路的第二端连接至第三节点G3；辅助支路的第一端通过第四节点G4接地；
具体的，辅助支路包括：第一电阻R1、第二电阻R2和二极管D1；其中，辅助支路的第二端、二极管D1和第一电阻R1通过第三节点G3相连；二极管D1和第二电阻R2串联，靠近第二电阻R2的一端是二极管的正极；辅助支路的第一端、第一电阻R1和第二电阻R2通过第四节点G4相连。
具体的，直流***包括n个并联的直流子***，n为正整数；
每个直流子***的第一端连接直流***的第一端，每个直流子***的第二端连接直流***的第二端；每个直流子***包括一个主通流支路、一个选择开关和一个端口；
第i直流子***的第一端连接第i主通流支路的第一端，第i直流子***的第二端连接第i选择开关的第二端，第i主通流支路的第二端连接至第i端口，i为任意直流子***对应的序号，i为1至n的任意整数。
具体的，所有选择开关均由单向半控型电力电子器件构成；所有主通流支路均由均由低损耗半控型电力电子器件反并联组成。第一辅助开关由单向半控型电力电子器件或单向全控型电力电子器件构成，第二辅助开关由单向半控型电力电子器件构成。
当直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路正常工作时，选择开关1至n处于断开状态，第一辅助开关处于断开状态，第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压。
本发明解决了基于晶闸管的直流固态断路器实现双向关断或者多端口的成本和体积过高的问题。本发明减少了直流固态断路器电路拓扑在多端口配置时半控型电力电子器件的数量，避雷器的数量，降低了多端口直流固态断路器的成本和体积。
本发明的第二实施例提出了一种基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑的控制方法，基于直流固态断路器电路拓扑工作；
当直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路正常工作时，选择开关1至n处于断开状态，第一辅助开关处于断开状态，第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压，当电容C1的电压充至直流***电压后，断开第二辅助开关；
当直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路发生短路故障时，检测装置检测到故障直流电路的第j端口的电流异常上升，给与第j选择开关和第一辅助开关导通信号，故障电流给电容C1反向充电直至到达避雷器MOV的钳位电压，避雷器被触发，触发的避雷器MOV消耗***中的电压和电流，使第j端口连接的外部电路的电流始终处于安全阈值下；，j为发生短路故障的外部直流电路所对应的直流子***的序号。
故障处理完毕后，断开第一辅助开关，第j选择开关流过的电流小于其维持电流后自然断开，闭合第二辅助开关，使第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压，当电容C1的电压充至直流母线电压后，断开第二辅助开关，然后给与第i选择开关导通信号，电容C1向检测到故障直流电路的第j端口放电，判断端口i的电流峰值和电压峰值是否达到阈值，若电流峰值达到第一阈值，电压峰值达到第二阈值，则说明故障端口恢复正常。
本发明基于半控型的直流固态断路器电路拓扑的控制方法解决了基于晶闸管的直流固态断路器实现双向关断或者多端口的成本和体积过高的问题，减少了直流固态断路器电路拓扑在多端口配置时半控型电力电子器件的数量，避雷器的数量，降低了多端口直流固态断路器的成本和体积。基于半控型的直流固态断路器电路拓扑断开时，彻底消除了避雷器上漏电流的影响，因此解决了避雷器的安全问题。
结合图2对本发明基于半控型的直流固态断路器电路拓扑的工作状态进行具体说明。具体的，第1主通流支路-第3主通流支路在直流***正常工作时流过负载电流，主通流支路是由半控型电力电子器件反并联构成的，半控型电力电子器件反并联配置可以确保负载电流随时转供。外接的直流电路正常工作时，给第二辅助开关连续导通信号，使其工作状态近似于一个二极管，其中导通信号的持续时间取决于电容C1和限流第一电阻R1的大小，当电容C1电压充至直流***电压后断开第二辅助开关的导通信号，随后第二辅助开关断开。
当直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路发生短路故障时，检测装置检测到故障直流电路的第j端口的电流异常上升，给与第j选择开关和第一辅助开关导通信号，故障电流给电容C1反向充电直至到达避雷器MOV的钳位电压，避雷器被触发，触发的避雷器MOV消耗***中的电压和电流，使第j端口连接的外部电路的电流始终处于安全阈值下。
j为发生短路故障的外部直流电路所对应的端口和选择开关的序号
此处的异常上升可以理解为故障直流电路的第j端口的电流大于一个阈值视为异常，阈值可以人为设定；
故障处理完毕后，断开第一辅助开关，第j选择开关流过的电流小于其维持电流后自然断开，闭合第二辅助开关，使第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压，当电容C1的电压充至直流母线电压后，断开第二辅助开关，然后给与第j选择开关导通信号，电容C1向检测到故障直流电路的第j端口放电，判断第j端口的电流峰值和电压峰值是否达到阈值，若电流峰值达到第一阈值，电压峰值达到第二阈值，则说明故障端口恢复正常。
下面结合图3具体说明外部直流电路发生故障时，直流固态断路器电路拓扑的工作状态。当外接的直流微电网和配电***发生故障后，例如第3端口所在的支路发生短路故障，其他端口的电流会汇集流入故障端口，故障电流会快速上升。当***的检测装置检测到第3端口的直流短路故障时，第一辅助开关与第3选择开关同时给予导通信号，电容C1上正下负的电压会加在第3主通流支路的半控型电力电子器件上。
如图4，当第3主通流支路的半控型电力电子器件承受反向电压的时间大于固有的关断时间，第3主通流支路断开，故障电流继续给电容C1反向充电直至到达避雷器MOV的钳位电压，随后避雷器MOV接入***消耗***中的电压电流，避雷器MOV消耗完***中的电压电流，断开第一辅助开关，同时，第3选择开关的电流小于维持电流时自然断开。具体的，若第一辅助开关若是全控型电力电子器件，检测装置检测到电流降低到阈值后，人为断开第一辅助开关；若第一辅助开关若是半控型电力电子器件，通过的电流小于维持其闭合的电流后，第一辅助开关自动断开。
故障处理完毕后，断开第一辅助开关，第j选择开关流过的电流小于其维持电流后自然断开，闭合第二辅助开关，使第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压，当电容C1的电压充至直流母线电压后，断开第二辅助开关，然后给与第j选择开关导通信号，电容C1向检测到故障直流电路的第j端口放电，判断第j端口的电流峰值和电压峰值是否达到阈值，若达到阈值，故障端口是否恢复正常；若未达到阈值，故障端口未恢复正常。阈值可以人为设定，不同的电路情况具有不同的阈值。
如图5所示，故障处理完毕后，端口1与端口2可恢复正常供电，给第二辅助开关门极连续导通信号,给电容C1充电，将电容C1电压充至直流***电压后撤去第二辅助开关的导通信号，随后给第3选择开关导通，电容C1向故障第3端口放电，判断第3端口的电流峰值和电压峰值是否达到阈值，若达到阈值，故障端口是否恢复正常；若未达到阈值，故障端口未恢复正常。阈值可以人为设定，不同的电路情况具有不同的阈值。
忽略R1上的放电电流路径是因为R2远小于R1。其中，与永久性故障相比，在暂时性故障的情况下负载电流的峰值较低，而负载电压的峰值较高。
本发明多端口直流固态断路器拓扑断开时，彻底消除了避雷器MOV上漏电流的影响，因此解决了MOV的安全问题。本发明解决了现有针对半控型电力电子器件主动反压关断式拓扑结构重合闸不可靠的问题，可以在故障端口主通流支路未导通时即对电容C1进行充电，并且具有软重合闸的功能。
如图6所示，给出了一种基于半控型的直流固态断路器电路拓扑的具体结构，其中，第1主通流支路至第n主通流支路均由晶闸管反并联构成，第1选择开关至第n选择开关由单向晶闸管构成，第一辅助开关与第二辅助开关也使用晶闸管。其中，所有选择开关均由单向半控型电力电子器件构成；所有主通流支路均由均由低损耗半控型电力电子器件反并联组成。第一辅助开关由单向半控型电力电子器件或单向全控型电力电子器件构成，第二辅助开关由单向半控型电力电子器件构成。
本发明多端口直流固态断路器拓扑断开时，彻底消除了避雷器上漏电流的影响，因此解决了避雷器的安全问题。本发明解决了现有针对半控型电力电子器件主动反压关断式拓扑结构重合闸不可靠的问题，可以在故障端口主通流支路未导通时即对电容C1进行充电，并且具有软重合闸的功能。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，上述实施例提供的基于半控型的直流固态断路器电路拓扑，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被处理器执行的指令，指令用于被处理器执行以实现上述的基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于被计算机执行以实现上述的基于半控型的直流固态断路器电路拓扑。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑，直流固态断路器拓扑包括：直流***、第一辅助开关、第二辅助开关、避雷器MOV、电容C1和辅助支路；
直流***的第一端、避雷器的第二端、第一辅助开关的第二端和第二辅助开关的第二端连接至第一节点G1；第二辅助开关的第一端、避雷器的第一端和电容C1的第二端连接至第二节点G2；电容C1的第一端、第一辅助开关的第一端和辅助支路的第二端连接至第三节点G3；辅助支路的第一端通过第四节点G4接地；
直流***包括n个选择开关、n个主通流支路和n个端口；
辅助支路包括：第一电阻R1、第二电阻R2和二极管D1；
辅助支路的第二端、二极管D1和第一电阻R1连接至第三节点G3，二极管D1靠近第三节点G3的一端是二极管D1的负极；二极管D1和第二电阻R2串联，二极管D1靠近第二电阻R2的一端是二极管的正极；辅助支路的第一端、第一电阻R1和第二电阻R2连接至第四节点G4；
直流***包括n个并联的直流子***，n为正整数；
每个直流子***的第一端连接直流***的第一端，每个直流子***的第二端连接直流***的第二端；每个直流子***包括一个主通流支路、一个选择开关和一个端口；
第i直流子***的第一端连接第i主通流支路的第一端，第i直流子***的第二端连接第i选择开关的第二端，第i主通流支路的第二端连接至第i端口，i为任意直流子***对应的序号，i的取值范围为1至n的任意整数；
第一辅助开关由单向半控型电力电子器件或单向全控型电力电子器件构成，第二辅助开关由单向半控型电力电子器件构成；
所有选择开关均由单向半控型电力电子器件构成；所有主通流支路均由低损耗半控型电力电子器件反并联组成；
当直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路正常工作时，选择开关1至n处于断开状态，第一辅助开关处于断开状态，第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压。
2.一种基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑的控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑工作；
当基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路正常工作时，选择开关1至n处于断开状态，第一辅助开关处于断开状态，第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压，当电容C1的电压充至直流***电压后，断开第二辅助开关；
当基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路发生短路故障时，检测装置检测到故障直流电路的第j端口的电流异常上升，给与第j选择开关和第一辅助开关导通信号，故障电流给电容C1反向充电直至到达避雷器MOV的钳位电压，避雷器被触发，触发的避雷器MOV消耗***中的电压和电流，使第j端口连接的外部电路的电流始终处于安全阈值下，j为发生短路故障的外部直流电路所对应的直流子***的序号。
3.根据权利要求2所述的基于半控型器件的直流固态断路器电路拓扑的控制方法，其特征在于，控制方法还包括：
故障处理完毕后，断开第一辅助开关，第j选择开关流过的电流小于其维持电流后自然断开，闭合第二辅助开关，使第二辅助开关连续导通，电容C1被充至直流母线电压，当电容C1的电压充至直流母线电压后，断开第二辅助开关，然后给与第j选择开关导通信号，电容C1向检测到故障直流电路的第j端口放电，判断第j端口的电流峰值和电压峰值是否达到阈值，若电流峰值达到第一阈值，电压峰值达到第二阈值，则说明故障。
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封磊 ; 苟锐锋 ; 杨晓平 ; 王江涛 ; 李超 ; 卓放 ; .基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器.高电压技术.2018,(第02期),全文. *

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