基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器的制造方法
【专利摘要】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T1及晶闸管组T2；缓冲电路与电力电子复合开关并联，包括电容CT、第一电阻RT及第一二极管DT，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RL及第二二极管DL；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。
【专利说明】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】
[0001]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】
[0002]面对经济社会的快速发展，用户对电力系统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，对于提高我国电力系统的安全性、经济性、稳定性与灵活性，建立环保、高效的智能电力系统有着重要的意义。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，也是目前我国电力系统安全稳定运行和电力建设、发展迫切需要解决的实际问题。
[0003]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】
[0004]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，不仅能在直流系统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。
[0005]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。
[0006]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 —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。
[0007]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 —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。[0008]缓冲电路包括电容Ct、第一电阻Rt和第一二极管Dt,第一电阻Rt —端分别与第一二极管Dt阴极、电容Ct 一端相连接,第一电阻Rt另一端分别与第一二极管Dt阳极、电力电子复合开关的正端相连接，电容Ct另一端与电力电子复合开关的负端相连接。
[0009]限流电路包括电感L、第二电阻&、第二二极管队，第二电阻& 一端与第二二极管Dl阳极串联，第二二极管^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&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。
[0010]本实用新型工作过程如下:
[0011]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^导通，电感L被旁路，其中的能量经第二二极管^与第二电阻&释放，从而避免与缓冲电路电容Ct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。
[0012]另外，本实用新型采用一种故障预处理控制策略，即“预关断一关断(或恢复)”策略。当线路电流变化率超出设定值，直流系统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。
[0013]本实用新型的有益效果在于:
[0014]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型的原理结构示意图；
[0016]图2是本实用新型中开断过程波形图；
[0017]图3是本实用新型中能量释放过程等效电路图；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]图6是本实用新型中故障预处理控制策略示意图；[0021]图7是本实用新型中仿真电路图；
[0022]图8是本实用新型中开断过程仿真波形图；
[0023]机械开关S、IGBT阀组T1、晶闸管组T2、电容Ct、第一电阻Rt、第二电阻&、线路电阻Rs、负载电阻R、第一二极管Dt、第二二极管^、续流二极管D、电感L、线路电感Ls、机械开关(电力电子复合开关)两端电压VS、IGBT阀组电压Vn、晶闸管组电压Vt2、机械开关电流is、电力电子复合开关电流iT、缓冲电路电容电流ic、限流电路电感电流1、限流电路二极管电流im、续流二极管电流iD、直流线路短路电流1、直流电源电压Vd。、线路正常工作电流iw、ti时刻至t7时刻所经过的时间t17、阶段I所经历的时间tsec;1、限流电感的能量释放时间tsec;2a、短路电流的能量释放时间tsec;21、晶闸管阀组T2恢复正向阻断特性的时间tsatoff、tSCEoff时刻电力电子复合开关两端的电压值Vs(tSQtoff)、限流电感电流最大值itaax、电力电子复合开关两端电压最大值Vsmax、电力电子复合开关两端电压达到最大值所需的时间tVmax、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Rkbt、晶闸管单管漏电阻RSCK、IGBT单管两端并联电阻R’ KBT、晶闸管单管两端的并联电阻R’ sai。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0025]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。
[0026]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I的正极分别与机械开关S—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。
[0027]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—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。
[0028]缓冲电路包括电容Ct、第一电阻Rt和第一二极管DT，第一电阻Rt —端分别与第一二极管Dt阴极、电容Ct 一端相连接,第一电阻Rt另一端分别与第一二极管Dt阳极、电力电子复合开关的正端相连接，电容Ct另一端与电力电子复合开关的负端相连接。
[0029]限流电路包括电感L、第二电阻&、第二二极管队，第二电阻& 一端与第二二极管Dl阳极串联，第二二极管^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&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。
[0030]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。
[0031]O~h (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Vs为零，机械开关电流is为线路正常供电电流。
[0032]&~t2 (区间IIht1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。
[0033]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Vs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。
[0034]t3~t4 (区间IV):t3时刻，机械开关S开始断开，其两端电压上升。
[0035]t4~t5 (区间V ): t4时刻，机械开关(电力电子复合开关)两端电压Vs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iT为零。t5时刻，IGBT阀组T1导通完成。
[0036]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iT上升，机械开关电流is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is下降为零，晶闸管阀组T2导通完成。
[0037]t6~t7 (区间VD: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iT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。
[0038]t7~t8 (区间珊):在IGBT阀组T1的关断过程中(区间VD，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Vn上升，电力电子复合开关电流iT下降，机械开关(电力电子复合开关)两端电压Vs上升。
[0039]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Vn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。
[0040]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k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^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k下降率达到最大值，机械开关(电力电子复合开关)两端电压\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^及续流二极管电流iD亦上升至最大值。
[0041]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。
[0042]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。
[0043]从故障发生时刻U1)到发出电力电子复合开关关断信号时刻(t7)，电源电压Vd。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
?//
[0044]=v^⑴
[0045]式中L为限流电路电感，iL为限流电路电感电流，Vdc为直流电源电压。t7时刻k上升至[0046]lUi=K+J^dJn(2)
[0047]式中iU7为t7时刻的限流电路电感电流，Iw为线路正常工作电流，t17为h时刻至t7时刻所经过的时间。
[0048]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1\于&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，电容电流由O瞬变至限流电路电感电流iL,缓冲电路电容开始充电。该过程中，限流电路电感电流k继续上升，限流电路晶闸管不导通，令该阶段为阶段I ;限流电路电感电流k上升至最大值时，diydt=o，该时刻后，k开始下降，令其为阶段2。
[0049]忽略线路阻抗与故障电阻，阶段I能用以下微分方程组表示
【权利要求】
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(I)、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(I)的正极分别与机械开关S—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)—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)—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—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Ct、第一电阻Rt及第一二极管Dt,第一电阻Rt —端分别与第一二极管Dt阴极以及电容Ct 一端相连接，第一电阻Rt另一端分别与第一二极管Dt阳极以及电力电子复合开关(3)的正端相连接，电容Ct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&及第二二极管队，第二电阻& 一端与第二二极管^阳极串联，第二二极管阴极分别与电感L 一端以及电力电子复合开关(3)的负端相连接，第二电阻&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。
【文档编号】H02J1/00GK203387155SQ201320377055
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】江道灼, 郑欢, 吴兆麟, 张弛 申请人:浙江大学