CN203387155U - 基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器。本实用新型包括机械开关、电力电子复合开关、缓冲电路、限流电路以及续流二极管。所述的机械开关主要用于通过直流线路的正常工作电流；电力电子复合开关与机械开关并联，包括IGBT阀组T ₁及晶闸管组T ₂；缓冲电路与电力电子复合开关并联，包括电容C _T 、第一电阻R _T 及第一二极管D _T ，用于限制线路分断时电力电子复合开关两端的电压上升率；限流电路与机械开关串联，包括电感L、第二电阻R _L 及第二二极管D _L ；续流二极管与直流负载反并联，在线路开断后用于线路电感及负载能量的续流。本实用新型采用的故障预处理控制策略，能显著缩短故障发生后线路开断的时间。

Description

基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器

技术领域

本实用新型涉及一种直流断路器，尤其是一种基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器。 

背景技术

面对经济社会的快速发展，用户对电力***提出了更加环境友好、更加安全可靠、更加优质经济并支持用户与电网双向互动等诸多要求。研究资料表明，基于直流的配电网具有比现有交流配电网更好的性能，研究兼具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流配电网具有巨大的市场价值和经济价值，对于提高我国电力***的安全性、经济性、稳定性与灵活性，建立环保、高效的智能电力***有着重要的意义。然而，制约柔性直流配电网研究与应用的技术瓶颈之一，就是缺乏实用的高压直流断路器。因此，研发新型直流断路器，提高直流断路器容量，已经成为当前直流断路器发展的目标，也是目前我国电力***安全稳定运行和电力建设、发展迫切需要解决的实际问题。 

由于直流电流不存在过零点，因而直流电弧的熄灭比交流电弧困难得多。目前，直流断路器的设计方案主要可分为机械断路器与固态断路器两大类。虽然近几年直流断路器技术已经有了长足的进步，但从目前的研究情况来看，大多数科研机构对于直流断路器的研究还基本处于样机试制和验证阶段，容量较小且集中在一些特殊的领域，无法投入工程应用。 

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器，同时提供了其采用的故障预处理控制策略，不仅能在直流***正常工作时控制直流线路的通断，还能在直流电路发生短路故障时开断短路电流，并显著缩短故障发生后线路开断的时间。 

本实用新型所述的基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器，包括直流电源、机械开关、电力电子复合开关、缓冲电路、限流电路、续流二 极管、直流负载。 

机械开关仅包括一个机械开关S，续流二极管仅包括一个续流二极管D。直流电源的正极分别与机械开关S一端、电力电子复合开关的正端、缓冲电路一端相连接，负极分别与续流二极管D阳极以及直流负载一端相连接，机械开关S另一端分别与电力电子复合开关负端、缓冲电路另一端、限流电路一端相连接，限流电路另一端分别与续流二极管D阴极以及直流负载另一端相连接。 

电力电子复合开关包括IGBT阀组T₁（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）和晶闸管组T₂，IGBT阀组T₁的集电极为电力电子复合开关的正端，与机械开关S一端相连接，IGBT阀组T₁的发射极与晶闸管组T₂的阳极串联，晶闸管组T₂的阴极为电力电子复合开关的负端，与机械开关S另一端相连。IGBT阀组T₁是由多个IGBT串联、并联或串并联组合而成；晶闸管组T₂是由多个晶闸管串联、并联或串并联组合而成。 

缓冲电路包括电容C_T、第一电阻R_T和第一二极管D_T，第一电阻R_T一端分别与第一二极管D_T阴极、电容C_T一端相连接，第一电阻R_T另一端分别与第一二极管D_T阳极、电力电子复合开关的正端相连接，电容C_T另一端与电力电子复合开关的负端相连接。 

限流电路包括电感L、第二电阻R_L、第二二极管D_L，第二电阻R_L一端与第二二极管D_L阳极串联，第二二极管D_L阴极分别与电感L一端以及电力电子复合开关的负端相连接，第二电阻R_L另一端分别与电感L另一端以及续流二极管D阴极相连接。 

本实用新型工作过程如下： 

当短路故障发生或线路需要开断时，同时向机械开关与电力电子复合开关发出动作指令，令机械开关分闸、电力电子复合开关闭合，此时限流电路中的电感L阻碍短路电流的上升，由于机械开关的通态电阻远小于电力电子复合开关，电力电子复合开关仍处于关断状态。机械开关开始起弧，当机械开关两端电压达到电力电子复合开关的导通电压时，电力电子复合开关导通，流经机械开关的短路电流逐渐转移至电力电子复合开关部分，机械开关等效电阻逐渐增大，机械开关断开。此时对电力电子复合开关发出关断信号，电力电子复合开关断开，线路上的短路电流迅速下降，限流电路中的电感L感应产生反电势，使第二二极管D_L导通，电感L被旁路，其中的能量经第二二 极管D_L与第二电阻R_L释放，从而避免与缓冲电路电容C_T串联引起的震荡；直流负载中的能量则经续流二极管D续流释放，短路故障被切除。 

另外，本实用新型采用一种故障预处理控制策略，即“预关断—关断（或恢复）”策略。当线路电流变化率超出设定值，直流***电流瞬时值尚未超出阈值时，判定为故障即将发生，开始进行“预关断”过程，即立即开始将线路电流换流至电力电子复合开关回路，并开始计时。继续检测线路电流瞬时值，若在设定时间内电流值超出阈值，则判定为故障发生，直接向电力电子复合开关发出关断信号，继续完成断路器关断流程；若在设定时间内电流值始终未超出阈值，则重新将线路电流换流至机械开关回路，直流断路器恢复正常运行。 

本实用新型的有益效果在于： 

本实用新型其负载侧具有续流二极管D，在直流线路分断后为直流线路及负载中储存的能量提供释放回路，操作安全；其电力电子复合开关由IGBT及晶闸管串（并）联构成，有效降低开关管串（并）联个数及技术难度；将限流电路、机械开关、电力电子复合开关结合，限流电路与开关部分串联，结构简单，分段速度快，达到限制直流线路短路电流上升率、避免线路电压电流震荡、有效开断直流线路短路电流的目的；采用一种故障预处理控制策略，显著缩短故障发生后线路开断的时间。本实用新型为解决直流线路短路电流开断问题提供了一套安全、高效、方便的方法。 

附图说明

图1是本实用新型的原理结构示意图； 

图2是本实用新型中开断过程波形图； 

图3是本实用新型中能量释放过程等效电路图； 

图4是本实用新型中各无源元件及复合开关的能量释放过程波形示意图； 

图5是本实用新型中IGBT阀组与晶闸管阀组分压关系调整方法示意图； 

图6是本实用新型中故障预处理控制策略示意图； 

图7是本实用新型中仿真电路图； 

图8是本实用新型中开断过程仿真波形图； 

机械开关S、IGBT阀组T₁、晶闸管组T₂、电容C_T、第一电阻R_T、第二电阻R_L、线路电阻R_s、负载电阻R、第一二极管D_T、第二二极管D_L、续流二极管D、电感L、线路电感L_s、机械开关（电力电子复合开关）两端电压V_S、IGBT阀组电压V_T1、晶闸管组电压V_T2、机械开关电流i_S、电力电子复合开关电流i_T、缓冲电路电容电流i_C、限流电路电感电流i_L、限流电路二极管电流i_DL、续流二极管电流i_D、直流线路短路电流i、直流电源电压V_dc、线路正常工作电流i_w、t₁时刻至t₇时刻所经过的时间t₁₇、阶段1所经历的时间t_sec1、限流电感的能量释放时间t_sec2iL、短路电流的能量释放时间t_sec2i、晶闸管阀组T₂恢复正向阻断特性的时间t_SCRoff、t_SCRoff时刻电力电子复合开关两端的电压值V_s(t_SCRoff)、限流电感电流最大值i_Lmax、电力电子复合开关两端电压最大值V_smax、电力电子复合开关两端电压达到最大值所需的时间t_Vmax、IGBT阀组等效漏电阻R₁、晶闸管阀组等效漏电阻R₂、IGBT单管漏电阻R_IGBT、晶闸管单管漏电阻R_SCR、IGBT单管两端并联电阻R’_IGBT、晶闸管单管两端的并联电阻R’_SCR。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。 

如图1所示，基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器，包括直流电源1、机械开关2、电力电子复合开关3、缓冲电路4、限流电路5、续流二极管6、直流负载7。 

机械开关2仅包括一个机械开关S，续流二极管6仅包括一个续流二极管D。直流电源1的正极分别与机械开关S一端、电力电子复合开关3的正端、缓冲电路4一端相连接，负极分别与续流二极管D阳极以及直流负载一端相连接，机械开关S另一端分别与电力电子复合开关负端、缓冲电路另一端、限流电路一端相连接，限流电路另一端分别与续流二极管D阴极以及直流负载另一端相连接。 

电力电子复合开关3包括IGBT阀组T₁（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）和晶闸管组T₂，IGBT阀组T₁的集电极为电力电子复合开关的正端，与机械开关S一端相连接，IGBT阀组T₁的发射极与晶闸管组T₂的阳极串联，晶闸管组T₂的阴极为电力电子复合开关的负端，与机械开关S另一端相连。IGBT阀组T₁是由多个IGBT串联、并联或串并联组合而成；晶闸管组T₂是由多个晶闸管串联、并联或串并联组合而成。 

缓冲电路包括电容C_T、第一电阻R_T和第一二极管D_T，第一电阻R_T一端分别与第一二极管D_T阴极、电容C_T一端相连接，第一电阻R_T另一端分别与第一二极管D_T阳极、电力电子复合开关的正端相连接，电容C_T另一端与电力电子复合开关的负端相连接。 

限流电路包括电感L、第二电阻R_L、第二二极管D_L，第二电阻R_L一端与第二二极管D_L阳极串联，第二二极管D_L阴极分别与电感L一端以及电力电子复合开关的负端相连接，第二电阻R_L另一端分别与电感L另一端以及续流二极管D阴极相连接。 

如图2所示，对基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器的原理与工作过程进行说明。 

0～t₁（区间Ⅰ）：直流线路正常供电，电力电子复合开关处于关断状态，机械开关（电力电子复合开关）两端电压V_S为零，机械开关电流i_S为线路正常供电电流。 

t₁～t₂（区间Ⅱ）：t₁时刻发生故障，限流电路电感L开始抑制短路电流i的上升。t₂时刻，断路器同时发出机械开关分闸信号及电力电子复合开关导通信号。 

t₂～t₃（区间Ⅲ）：为机械开关S动作延时时间。由于机械开关（电力电子复合开关）两端电压V_S小于电力电子复合开关导通电压，电力电子复合开关仍处于关断状态，短路电流i继续上升。 

t₃～t₄（区间Ⅳ）：t₃时刻，机械开关S开始断开，其两端电压上升。 

t₄～t₅（区间Ⅴ）：t₄时刻，机械开关（电力电子复合开关）两端电压V_S达到电力电子复合开关导通电压，电力电子复合开关开始导通，由于IGBT阀组T₁导通时间远小于晶闸管阀组T₂，在T₁导通的过程中，T₂尚未导通，复合开关电流i_T为零。t₅时刻，IGBT阀组T₁导通完成。 

t₅～t₆（区间Ⅵ）：晶闸管阀组T₂开始导通，电力电子复合开关电流i_T上升，机械开关电流i_S下降，短路电流逐渐由机械开关回路转移至电力电子复合开关回路。t₅时刻，机械开关电流i_S下降为零，晶闸管阀组T₂导通完成。 

t₆～t₇（区间Ⅶ）：机械开关S进入零电流分闸过程，短路电流完全由电力电子复合开关回路承担，电力电子复合开关电流i_T继续上升。t₇时刻，机械开关S完成分闸，此时向IGBT阀组发出关断信号。 

t₇～t₈（区间Ⅷ）：在IGBT阀组T₁的关断过程中（区间Ⅶ），电力电子复 合开关仍有电流流过，晶闸管阀组T₂无法恢复正向阻断特性，仍处于导通状态，其两端电压仍为其导通电压，IGBT阀组电压V_T1上升，电力电子复合开关电流i_T下降，机械开关（电力电子复合开关）两端电压V_S上升。 

t₈～t₉（区间Ⅸ）：t₈时刻，IGBT阀组T₁完全关断，晶闸管阀组T₂开始恢复其正向阻断能力，其两端电压上升，IGBT阀组电压V_T1下降后亦继续上升。t₉时刻，晶闸管阀组T₂恢复正向阻断能力，电力电子复合开关完全关断。 

t₉时刻后（区间Ⅹ）：由于缓冲电路中电容的存在，虽然电力电子复合开关完全关断，但限流电路电感电流i_L及短路电流i仍会有短暂上升。而后电流开始下降，限流电路电感L感应产生的反电势使二极管D_L导通，直流线路电感产生的反电势使续流二极管D导通，线路及限流电路电感L中的能量开始释放。某一时刻，限流电路电感电流i_L下降率达到最大值，机械开关（电力电子复合开关）两端电压V_S上升至最大值（即电源电压与电感L产生的反电势之和），限流电路二极管电流i_DL及续流二极管电流i_D亦上升至最大值。 

如图2～4所示，对基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器的限流过程、能量释放过程及参数设计原则进行推导与说明。 

器件承受的过电压与过电流通常出现在直流断路器开断短路电流的过程中，假设接地故障电阻为0，且故障点位于断路器出口处，即忽略线路阻抗。 

从故障发生时刻（t₁）到发出电力电子复合开关关断信号时刻（t₇），电源电压V_dc与限流电路电感两端电压相等，如图2所示。该过程中，限流电路电感电流上升率可表示为 

$L\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{dc}}---\left(1\right)$

式中L为限流电路电感，i_L为限流电路电感电流，V_dc为直流电源电压。t₇时刻i_L上升至 

$i_{\mathrm{Lt}7}=i_w+\frac{1}{L}{V}_{\mathrm{dc}}{t}_{17}---\left(2\right)$

式中i_Lt7为t₇时刻的限流电路电感电流，i_w为线路正常工作电流，t₁₇为t₁时刻至t₇时刻所经过的时间。 

t₇～t₈时刻，IGBT阀组T₁断开，但晶闸管阀组T₂仍处于导通状态，此时缓冲电路开始发挥作用，在晶闸管阀组T₂恢复正向阻断能力前，限制IGBT阀组断开过程中的电压上升率，避免电源电压直接加于IGBT阀组，从而损 坏器件。忽略T₁的断开时间，即T₁于t₇时刻瞬间断开，则直流断路器的等效电路如图3所示。t₇时刻，线路电流（即限流电路电感电流）由电力电子复合开关突然换流至缓冲电路，电容电流i_C由0瞬变至限流电路电感电流i_L，缓冲电路电容开始充电。该过程中，限流电路电感电流i_L继续上升，限流电路晶闸管不导通，令该阶段为阶段1；限流电路电感电流i_L上升至最大值时，di_L/dt=0，该时刻后，i_L开始下降，令其为阶段2。 

忽略线路阻抗与故障电阻，阶段1能用以下微分方程组表示 

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}+V_s=V_{\mathrm{dc}}\\ i_L=C_T\frac{{\mathrm{dV}}_s}{\mathrm{dt}}\\ V_s\left(0\right)=0,i_L\left(0\right)=i_{\mathrm{Lt}7}\end{array}\right.---\left(3\right)$

解之可得 

$\left\{\begin{array}{c}{i}_L=\sqrt{\frac{C_T}{L}}{V}_{\mathrm{dc}}\sin \frac{1}{\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}}t+i_{\mathrm{Lt}7}\cos \frac{1}{\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}}t\\ V_s=V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{dc}}\cos \frac{1}{\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}}t+\sqrt{\frac{L}{C_T}}{i}_{\mathrm{Lt}7}\sin \frac{1}{\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}}t\end{array}\right.---\left(4\right)$

由式（4）可见，若限流电路中没有由二极管D_L与电阻R_L组成的能量释放回路，电感中的能量将与缓冲电路电容发生振荡。而实际上，当限流电路电感电流i_L达到最大值后开始下降时，二极管D_L导通，阶段1结束。此时，di_L/dt=0，即限流电路电感两端电压为零，V_s=V_dc，阶段1经历的时间 

$t_{\sec 1}=\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}t{g}^{-1}\frac{\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}{V}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Lt}7}}---\left(5\right)$

式中t_sec1为阶段1所经历的时间，且 

$\left\{\begin{array}{c}{i}_L\left(t_{\sec 1}\right)=i_{L\max }=\sqrt{\frac{1}{L}{C}_T{V_{\mathrm{dc}}}^2+{i_{\mathrm{Lt}7}}^2}\\ V_s\left(t_{\sec 1}\right)=V_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中i_Lmax为限流电感电流最大值。由式（5）可知，t_sec1为缓冲电路电容C_T的增函数，即C_T的取值越大，阶段1所经历的时间越长。 

由式（4）可知，阶段1结束后，i_L开始下降，限流电路二极管D_L导通，阶段2开始。阶段2可用以下微分方程组表示 

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}=-i_{\mathrm{DL}}{R}_L\\ i_L=i_{\mathrm{DL}}+C_T\frac{{\mathrm{dV}}_s}{\mathrm{dt}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}+V_s=V_{\mathrm{dc}}\\ V_s\left(0\right)=V_{\mathrm{dc}},i_L\left(0\right)=i_{L\max }\end{array}\right.---\left(7\right)$

为了达到限流的目的，令 

$\left\{\begin{array}{c}{4C}_T{R}_L^2<L\\ \mathrm{\&alpha;}=\sqrt{1-{4C}_T{R}_L^2/L}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中α为设定的临时变量。解式（7）可得 

$\left\{\begin{array}{c}{i}_L=\frac{1}{2}(1+\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}})i_{L\max }{e}^{\frac{\mathrm{\&alpha;}-1}{{2C}_T{R}_L}}+\frac{1}{2}(1-\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}})i_{L\max }{e}^{\frac{-1-\mathrm{\&alpha;}}{{2C}_T{R}_L}}\\ V_s=V_{\mathrm{dc}}+\frac{R_L}{\mathrm{\&alpha;}}{i}_{L\max }(e^{\frac{\mathrm{\&alpha;}-1}{{2C}_T{R}_L}}-e^{\frac{-1-\mathrm{\&alpha;}}{{2C}_T{R}_L}})\end{array}\right.---\left(9\right)$

由式（9）可得，当 

$t_{V\max }=\frac{C_T{R}_L}{\mathrm{\&alpha;}}\ln \frac{1+\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}---\left(10\right)$

时，电力电子复合开关两端电压V_s达到最大值 

$V_{s\max }=V_{\mathrm{dc}}+\frac{R_L}{\mathrm{\&alpha;}}{i}_{L\max }[{\left(\frac{1+\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{\frac{\mathrm{\&alpha;}-1}{2\mathrm{\&alpha;}}}-{\left(\frac{1+\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{\frac{-\mathrm{\&alpha;}-1}{2\mathrm{\&alpha;}}}]---\left(11\right)$

式中t_Vmax为电力电子复合开关两端电压达到最大值所需的时间，V_smax为电力电子复合开关两端电压的最大值。定义t_sec2iL为限流电感的能量释放时间，即其电流i_L由最大值降至线路正常工作电流i_w的时间，该时间值可由式（9）令i_L=i_w解得。 

由阶段2开始，短路电流i亦进入能量释放阶段。阶段2的短路电流i表示为 

$i=C_T\frac{{\mathrm{dV}}_s}{\mathrm{dt}}=i_{L\max }(\frac{\mathrm{\&alpha;}-1}{2\mathrm{\&alpha;}}{e}^{\frac{\mathrm{\&alpha;}-1}{2C_T{R}_L}t}+\frac{1+\mathrm{\&alpha;}}{2\mathrm{\&alpha;}}{e}^{\frac{-1-\mathrm{\&alpha;}}{{2C}_T{R}_L}})---\left(12\right)$

当i=i_w时，短路电流能量释放阶段结束，而当电力电子复合开关两端电压V_s达到最大值时，短路电流下降为零。定义t_sec2i为短路电流的能量释放时间，该时间值可由式（12）令i=i_w解得。从IGBT阀组断开到能量释放过程结束，直流断路器各无源元件及复合开关的工作波形如图4所示。由图4可知，直 流断路器的短路电流切除时间t_i如式（13）所示 

t_i=t₁₇+t_sec1+t_sec2i  （13） 

●缓冲电容C_T的选择：在晶闸管阀组T₂尚未恢复其正向阻断能力时，IGBT阀组T₁承受的电压由缓冲电容C_T决定，缓冲电容C_T取值越大，IGBT阀组T₁承受的电压越小。另外，所述阶段1经历的时间t_sec1主要由C_T决定，如式（5）所示，因此缓冲电容C_T的取值亦不宜过大，以免大幅增加直流断路器的短路电流切除时间。 

●缓冲电路电阻R_T的选择：缓冲电路电阻R_T用于限制直流断路器合闸时，缓冲电容C_T的放电电流。直流断路器合闸时，由于机械开关的导通时间远大于电力电子复合开关导通时间，因此电力电子复合开关首先导通，缓冲电容C_T经缓冲电路电阻R_T放电。由于限流电路电感较大，在C_T放电的过程中，可认为i_L=0。该过程描述为 

$\left\{\begin{array}{c}{C}_T\frac{{\mathrm{dV}}_s}{\mathrm{dt}}+\frac{V_s}{R_T}=0\\ V_s\left(0\right)=V_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(14\right)$

解得 

$V_s=V_{\mathrm{dc}}{e}^{-\frac{1}{C_T{R}_T}t}---\left(15\right)$

因此电力电子复合开关电流i_T最大值 

$i_T\left(0\right)=\frac{V_s\left(0\right)}{R_T}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{R_T}<i_{\mathrm{Lt}7}---\left(16\right)$

根据式（16）选择R_T，应使电力电子复合开关电流i_T不超过允许值。 

●限流电路电感L的选择：由式（6）可知，限流电路电感L的取值越大，限流电感电流最大值i_Lmax越小，而i_Lmax亦等于短路电流i的最大值。但限流电路电感L的取值越大，其能量释放过程的电流下降率越小，即其能量释放时间越长，且可能对直流***的控制速度造成一定的影响。因此在根据短路电流i的允许值选择限流电路电感L后，还必须对其能量释放时间t_sec2iL进行校验。 

●限流电路电阻R_L的选择：限流电路电阻R_L的取值越大，限流电路电感L能量释放过程的电流下降率越大，即其能量释放速度越快。然而，限流电路电阻R_L的取值还可能影响电力电子复合开关两端电压V_s的最大值V_smax。 因此在根据限流电路电感L的能量释放速度及其能量释放时间选择限流电路电感L与限流电路电阻R_L后，还必须对电力电子复合开关两端电压的最大值V_smax进行校验。 

下面结合图5对基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器电力电子复合开关的配置原则进行推导与说明。 

IGBT阀组断开前，电力电子复合开关两端电压V_s近似为零，其电流i_T最大值为 

i_Tmax=i_Lt7  （17） 

式中i_Tmax为i_T的最大值。IGBT阀组断开后，i_T降为0，V_s以式（4）及式（9）所示规律变化，即 

$V_s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{dc}}\cos \frac{1}{\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}}t+(\sqrt{\frac{1}{C_T}}{i}_w+\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}}{V}_{\mathrm{dc}}{t}_{\mathrm{Lr}})\sin \frac{1}{\sqrt{{\mathrm{LC}}_T}}t,0<t\&le;t_{\sec 1}\\ V_{\mathrm{dc}}+\frac{R_L}{\mathrm{\&alpha;}}{i}_{L\max }[e^{\frac{\mathrm{\&alpha;}-1}{2C_T{R}_L}(t-t_{\sec 1})}-e^{\frac{-1-\mathrm{\&alpha;}}{2C_L{R}_L}(t-t_{\sec 1})}],t>t_{\sec 1}\end{array}\right.---\left(18\right)$

由于电力电子复合开关由IGBT与晶闸管构成，则由图3可知，IGBT阀组需承受的电压 

$V_{\mathrm{IGBTn}}=\max \{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right),\frac{R_1}{R_1+R_2}{V}_{s\max }\}---\left(19\right)$

式中V_IGBTn为IGBT阀组承受的电压，R₁为IGBT阀组等效漏电阻，R₂为晶闸管阀组等效漏电阻。由于晶闸管的耐压值、耐流值及单管漏电阻均明显高于IGBT，因此IGBT的并联数一般大于晶闸管。然而在实际应用中，由于每个电力电子器件的单管漏电阻均不同且难以测量，需在每个器件两端并联大电阻，以达到均压的目的，如图5所示。在本实用新型设计的电力电子复合开关中，为各器件并联电阻，不仅能够达到均压的目的，更重要的是能够通过适当选择并联电阻的阻值，尽量减少IGBT阀组两端的电压，增大晶闸管阀组承受的电压，从而达到减少器件的串并联数量，降低串并联技术难度的目的。在对各阻值进行选择时，应满足以下关系： 

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}<<R_{\mathrm{IGBT}}\\ R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}<<R_{\mathrm{SCR}}\\ R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}<<R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}\end{array}\right.---\left(20\right)$

则有 

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{IGBTc}}/n_{\mathrm{IGBTb}}\\ R_2=R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{SCRc}}/n_{\mathrm{SCRb}}\end{array}\right.---\left(21\right)$

式中，n_IGBTc为IGBT串联数，n_IGBTb为IGBT并联数，n_SCRc为晶闸管串联数，n_SCRb为晶闸管并联数，其中 

$\left\{\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{IGBTb}}=\mathrm{ceil}\left(\frac{i_{T\max }}{i_{\mathrm{IGBT}}}\right)\\ n_{\mathrm{SCRb}}=\mathrm{ceil}\left(\frac{i_{T\max }}{i_{\mathrm{SCR}}}\right)\end{array}\right.---\left(22\right)$

且n_IGBTb≥n_SCRb，式中ceil()为向上取整函数，i_IGBT为IGBT的额定电流，i_SCR为晶闸管的额定电流。 

另外，在直流断路器各无源元件取值确定的情况下，根据式（18），V_s(t_SCRoff)为定值，而根据式（19），当减少IGBT数量时，IGBT阀组需承受的电压V_IGBTn最小值为V_s(t_SCRoff)，因此设 

V_IGBTn=V_s(t_SCRoff)  （23）则 

$n_{\mathrm{SCRc}}=\mathrm{ceil}\left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\frac{V_{s\max }}{V_{\mathrm{SCR}}}\right)\&ap;\frac{R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}\frac{n_{\mathrm{SCRc}}}{n_{\mathrm{SCRb}}}}{V_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{V_{\mathrm{IGBT}}{n}_{\mathrm{IGBTb}}}+R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}\frac{n_{\mathrm{SCRc}}}{n_{\mathrm{SCRb}}}}\frac{V_{s\max }}{V_{\mathrm{SCR}}}---\left(24\right)$

式中n_SCRc为晶闸管串联数，V_IGBT为IGBT的额定电压，V_SCR为晶闸管的额定电压。解式（24）得 

$n_{\mathrm{SCRc}}=\mathrm{ceil}(\frac{V_{s\max }}{V_{\mathrm{SCR}}}-\frac{R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{SCRb}}}{R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{IGBTb}}}\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{V_{\mathrm{IGBT}}})---\left(25\right)$

$n=\mathrm{ceil}\left(\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{V_{\mathrm{IGBT}}}\right)\&CenterDot;n_{\mathrm{IGBTb}}+\mathrm{ceil}(\frac{V_{s\max }}{V_{\mathrm{SCR}}}-\frac{R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{SCRb}}}{R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{IGBTb}}}\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{V_{\mathrm{IGBT}}})\&CenterDot;n_{\mathrm{SCRb}}\&ap;\frac{V_{s\max }}{V_{\mathrm{SCR}}}{n}_{\mathrm{SCRb}}+(n_{\mathrm{IGBTb}}-\frac{R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{SCRb}}^2}{R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{IGBTb}}})\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{B_{\mathrm{IGBT}}}---\left(26\right)$

式中n为电力电子复合开关所需的总器件数量。由n_IGBTb≥n_SCRb，R’_SCR>R’_IGBT，可得n是V_s(t_SCRoff)的增函数，即V_s(t_SCRoff)越大，电力电子复合开关所需串并联的器件数越多。另外，由式（26）可得 

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{V_{\mathrm{IGBT}}{n}_{\mathrm{IGBTb}}}\\ R_2=R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}\frac{V_{s\max }}{V_{\mathrm{SCR}}{n}_{\mathrm{SCRb}}}-R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{V_{\mathrm{IGBT}}{n}_{\mathrm{IGBTb}}}\end{array}\right.---\left(27\right)$

将式（27）代入式（23），可得式（23）成立的条件是 

R′_IGBTV_SCRn_SCRb<R′_SCRVIGBTn_IGBTb  （28） 

即当式（28）成立时，才可以使用式（26）对电力电子复合开关进行设计。当式（28）不成立，仍然令 

$n_{\mathrm{IGBTc}}=\mathrm{ceil}\left(\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{V_{\mathrm{IGBT}}}\right)---\left(29\right)$

$\frac{R_1}{R_1+R_2}{V}_{s\max }<V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)<V_{s\max }---\left(30\right)$

则将式（21）代入式（30），并解之得 

$n_{\mathrm{SCRc}}=\mathrm{ceil}\left[\frac{R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{IGBTc}}{n}_{\mathrm{SCRb}}}{R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{IGBTb}}}\left(\frac{V_{s\max }}{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}\right)\right]---\left(31\right)$

$n=\mathrm{ceil}\left(\frac{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}{V_{\mathrm{IGBT}}}\right)\&CenterDot;n_{\mathrm{IGBTb}}+\mathrm{ceil}\left[\frac{R_{\mathrm{IGBT}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{IGBT}}{n}_{\mathrm{SCRb}}}{R_{\mathrm{SCR}}^{\&prime;}{n}_{\mathrm{IGBTb}}}(\frac{V_{s\max }}{V_s\left(t_{\mathrm{SCRoff}}\right)}-1)\right]\&CenterDot;n_{\mathrm{SCRb}}---\left(32\right)$

式（26）与式（32）表示了在不同情况下电力电子复合开关最少串并联数量的计算方法，但要求器件的串并联数量留有一定裕度。 

下面结合图6对基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器故障预处理控制策略示意图进行说明。 

（1）当直流***电流瞬时值不超出阈值，且线路电流变化率不超出设定值时，判定为故障未发生，因此直流断路器不预先进行换流过程。若此时上层控制***发出关断信号，则直流断路器在收到信号后开始关断流程。 

（2）当直流***电流瞬时值超出阈值，但线路电流变化率始终未超出设定值时，判定为故障发生。在此情况下，直流断路器无法预先进行换流过程，只能在判定电流越限后开始关断流程。 

（3）当线路电流变化率超出设定值，直流***电流瞬时值尚未超出阈值时，判定为故障即将发生，开始进行“预关断”过程，即发出机械开关关断信号与电力电子复合开关导通信号，将线路电流换流至电力电子复合开关回路，并开始计时。继续检测线路电流瞬时值，若在设定时间内电流值超出阈值，或接收到上层控制***的关断信号，则判定为故障发生，直接向电力电子复合开关发出关断信号，继续完成断路器关断流程；若在设定时间内电流值始终未超出阈值，或未接收到上层控制***的关断信号，则发出机械开关导通信号，在机械开关闭合后断开电力电子复合开关回路，重新将线路电流 换流至机械开关回路，直流断路器恢复正常运行。 

本实用新型提出的故障预处理控制策略能够在故障发生时提前进行换流，从而缩短故障发生后线路开断的时间。若提前换流后故障没有发生，则在设定时间内，直流断路器的损耗将由机械开关的导通损耗增大至电力电子复合开关的导通损耗，虽然直流断路器的损耗有所增大，但这一提前换流的措施不会对线路的正常运行产生影响。 

然而，当情况（2）发生时，直流断路器无法预先进行换流过程。这种情况能通过减小线路电流变化率的设定值来避免。假设直流线路的额定直流电压为V_dc，当直流线路的等效负载电阻R突然减小时，该过程可用以下微分方程表示 

$L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{iR}=V_{\mathrm{dc}}---\left(33\right)$

式中i为直流电流瞬时值。解之得 

$\left\{\begin{array}{c}i=(I-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{R})e^{-\frac{R}{L}t}+\frac{V_{\mathrm{dc}}}{R}\\ \frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=(\frac{V_{\mathrm{dc}}}{L}-\frac{\mathrm{RI}}{L})e^{-\frac{R}{L}t}\end{array}\right.---\left(34\right)$

式中I为直流电流额定值。由式（34）可知，当R突然减小时，直流电流由I上升至V_dc/R。在该过程中，直流电流变化率不断减小至零。直流电流变化率最大值出现在R突然增大的时刻，其值为 

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}\left(0\right)=(\frac{V_{\mathrm{dc}}}{L}-\frac{\mathrm{RI}}{L})---\left(35\right)$

由式（34）～（35）可知，在L确定的情况下，R越小，直流电流的变化率及其终值越大。设直流电流允许阈值为1.25I，则R的允许值为0.8V_dc/I。将其代入式（35）得 

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\frac{0.2V_{\mathrm{dc}}}{L}---\left(36\right)$

将式（36）作为线路电流变化率的设定值，则当检测到电流变化率大于该值时，线路电流终值将大于1.25I，因此需进行“预关断”过程；当电流变化率小于该值时，线路电流终值将不超过1.25I，因此不进行故障的预处理。 

根据以上分析，故障预处理控制策略可缩短的线路开断时间为直流电流 开始上升至超出电流阈值所经历的时间。当直流***发生严重接地故障，且接地故障电阻为0时，根据式（2），可算得 

$\mathrm{\&Delta;t}=\frac{0.25\mathrm{IL}}{V_{\mathrm{dc}}}---\left(37\right)$

式中Δt为故障预处理控制策略可缩短的线路开断时间。当接地故障电阻不为0时，根据式（34），可算得 

$\mathrm{\&Delta;t}=-\frac{L}{R}\ln \frac{1.25\mathrm{IR}-V_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{IR}-V_{\mathrm{dc}}}---\left(38\right)$

下面结合图7～8对基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器进行开断过程的仿真。 

仿真电路图如图7所示，其仿真参数如下：直流电源幅值110kV；机械开关S的电弧模型采用Cassie模型；缓冲电路电容C_T取值100uF、第一电阻R_T取值50Ω；限流电路电感L取值100mH、第二电阻R_L取值2Ω；晶闸管组T₂导通时间10us，反向电压下正向阻断能力恢复时间50us，零电流下正向阻断能力恢复时间400us；线路电阻R_s取值0.5Ω，线路电感L_s取值5mH，负载电阻R取55Ω。 

基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器开断过程仿真波形图如图8所示。0.5s时线路负载发生接地短路故障，由于采用故障预处理控制策略，故障判断时间几乎可以忽略，因此假设0.5s时即发出机械开关分闸信号及电力电子复合开关导通信号。根据Cassie模型，机械开关S起弧时间为0.3ms，则电力电子复合开关于0.5003s导通。0.503s，机械开关S完成零电压下的分闸过程，此时向电力电子复合开关发出关断信号。IGBT阀组迅速断开，约400us后晶闸管组T₂亦恢复正向阻断能力，电力电子复合开关完全关断，短路故障被切除，断路器进入能量释放阶段。如图8所示，按照所给参数设置的断路器切除短路故障约需5ms（其中故障判断耗时可以忽略不计），即0.505s时短路电流i低于正常工作电流。由于限流电路电感L取值较大，当第二电阻R_L取值2Ω时，0.8s时电感L所储存的能量方能完全释放完毕，但0.56s时其电流即下降至线路正常工作电流以下。 

仿真结果表明，基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器不仅可以在限制直流线路短路电流的同时避免线路电压电流震荡，有效开断直流线路短路电流，还可以在直流线路分断后为直流线路及负载中储存的能量提供 释放回路，并降低电力电子复合开关串（并）联个数及技术难度。另外，本实用新型采用的故障预处理控制策略可以显著缩短故障发生后线路开断的时间。本实用新型为解决直流线路短路电流开断问题提供了一套安全、高效、方便的方法。 

Claims (4)

1.基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器，其特征是包括直流电源（1）、机械开关（2）、电力电子复合开关（3）、缓冲电路（4）、限流电路（5）、续流二极管（6）和直流负载（7）；机械开关（2）包括一个机械开关S，续流二极管（6）包括一个续流二极管D，直流电源（1）的正极分别与机械开关S一端、电力电子复合开关（3）的正端以及缓冲电路（4）一端相连接，负极分别与续流二极管D阳极以及直流负载（7）一端相连接，机械开关S另一端分别与电力电子复合开关（3）负端、缓冲电路（4）另一端以及限流电路（5）一端相连接，限流电路（5）另一端分别与续流二极管D阴极以及直流负载（7）另一端相连接。 

2.如权利要求1所述的基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器，其特征是电力电子复合开关（3）包括IGBT阀组T₁及晶闸管组T₂，IGBT阀组T₁的集电极为电力电子复合开关（3）的正端，与机械开关S一端相连接，IGBT阀组T₁的发射极与晶闸管组T₂的阳极串联，晶闸管组T₂的阴极为电力电子复合开关（3）的负端，与机械开关S另一端相连接。 

3.如权利要求1所述的基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器，其特征是缓冲电路（4）包括电容C_T、第一电阻R_T及第一二极管D_T，第一电阻R_T一端分别与第一二极管D_T阴极以及电容C_T一端相连接，第一电阻R_T另一端分别与第一二极管D_T阳极以及电力电子复合开关（3）的正端相连接，电容C_T另一端与电力电子复合开关（3）的负端相连接。 

4.如权利要求1所述的基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器，其特征是限流电路（5）包括电感L、第二电阻R_L及第二二极管D_L，第二电阻R_L一端与第二二极管D_L阳极串联，第二二极管D_L阴极分别与电感L一端以及电力电子复合开关（3）的负端相连接，第二电阻R_L另一端分别与电感L另一端以及续流二极管D阴极相连接。 

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