一种直流微网的固态电子开关的短路保护电路及保护方法
【专利摘要】本发明公开了一种直流微网的固态电子开关的短路保护电路及保护方法，短路保护电路包括RC缓冲支路和RD续流支路；RC缓冲支路并联在固态电子开关上，RC缓冲支路的缓冲电容Cs的一端和电阻Rs的一端串联连接，缓冲电容Cs的另一端接在V1的集电极上，电阻Rs的另一端接在V1的发射极上；RD续流支路由二极管D1、电阻R1、二极管D2和电阻R2依次串联连接，二极管D1的阴极接在正母线上，电阻R2的另一端接在负母线上，二极管D2的阴极接信号地。本发明能防止固态电子开关开断时两端出现较大的尖峰电压，降低短路电流对固态电子开关的冲击，可有效切除线路上单极对地短路和极间短路故障，保护线路上其他电力电子器件不受损害，提高直流微电网安全性和可靠性。
【专利说明】—种直流微网的固态电子开关的短路保护电路及保护方法
[0001]
【技术领域】
[0002] 本发明属于直流微电网【技术领域】，涉及一种固态电子开关的短路保护电路及保护方法，特别涉及一种直流微网输电线路固态电子开关的短路保护电路及保护方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]固态电子开关是用来快速切断故障的一种新型电力自动化设备，因其具有开断时间短、无弧、无光、无声响、寿命长及工作可靠性高等优点，具有极高的应用前景。
[0005]然而，固态电子开关在直流领域的应用与交流相比较，有其自身的特点和难点:直流电流是恒定的，不像交流系统中存在自然过零点。在高压大电流场合，固态电子开关开通过程中的电流上升率di/dt和关断过程中的断态电压上升率du/dt非常大，可能会对功率器件造成损坏或击穿。因此，直流固态电子开关不论采取何种功率器件作为主开关，面临着di/dt、du/dt过大的问题，这是直流领域所特有的。此外，即使固态电子开关完成关断动作，线路上电感所储存的能量将在器件两端产生过大的电压，若不采取有效措施，则直流固态电子开关动作时将是在大电流、高电压下的硬关断，这将使其遭受巨大冲击甚至损坏。
[0006]目前这个问题都没有得到很好的解决，固态电子开关在直流领域中的应用就受到限制。在直流领域也有研究基于晶闸管的直流固态电子开关，例如中国发明专利(专利号:200910026473.8)提供的一种谐振型直流固态电子开关，其核心是采用谐振软开关的方式，制造直流领域的过零点，实现功率器件的软开通(关断)，避免硬开通(关断)对功率器件造成损坏，但该方案结构复杂，控制系统的设计难度较大，固态电子开关的可靠性较差，且由晶闸管组成的固态电子开关速动性较差，难以满足直流微电网中快速、可靠切除故障的要求，故存在一定的局限性。专利号为201110154838.2的发明专利提供了一种直流固态断路器，包括主开关单元和辅助开关单元，通过这两个单元的配合控制，避免了因器件固有的漏电流而造成的储能脉冲电容电压降低而关断不可靠及故障关断时供电电源有很大的谐振电流流经的问题，但该直流固态断路器是基于晶闸管的固态电子开关，同样速动性较差，且若应用在直流微电网中，不能实现能量的双向流动，因此，不适用于直流微电网。
[0007]
【发明内容】
[0008]针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种直流微网的固态电子开关的短路保护电路及保护方法，以避免开关动作瞬间承受的电压(流)应力过大，实现固态电子开关的软关断，从而保证直流微电网输电线路发生短路时，固态电子开关能快速、可靠切除短路故障部分，提高直流微电网供电安全性和可靠性。
[0009]本发明的保护电路所采用的技术方案是:一种直流微网的固态电子开关的短路保护电路，应用于直流微电网输电线路，所述的固态电子开关为绝缘栅双极晶体管IGBT电力电子器件，由反并联二极管VD1的IGBT单管V1和反并联二极管VD2的IGBT单管V2反串联构成；其特征在于:所述的短路保护电路包括RC缓冲支路和RD续流支路；所述的RC缓冲支路并联在所述的固态电子开关上，RC缓冲支路的缓冲电容Cs的一端和电阻Rs的一端串联连接，缓冲电容Cs的另一端接在V1的集电极上，电阻Rs的另一端接在V1的发射极上；所述的RD续流支路由二极管D1、电阻R1、二极管D2和电阻R2依次串联连接，二极管D1的阴极接在正母线上，电阻R2的另一端接在负母线上，二极管D2的阴极接信号地。
[0010]本发明的保护方法所采用的技术方案是:一种直流微网的固态电子开关的短路保护方法，其特征在于:分为两个阶段；第一阶段为固态电子开关关断时，直流微电网输电线路短路电流由固态电子开关同时转移到Re缓冲支路和RD续流支路上，防止固态电子开关关断时出现较大的瞬时过电压；第二阶段为短路电流从RC缓冲支路上全部换流到RD续流支路上，电源端被隔离开，直流微电网输电线路杂散电感L上储存的能量主要通过RD续流支路的电阻和直流微电网输电线路电阻消耗掉。
[0011]直流微电网输电线路上的保护主要是纵联电流差动保护，主要包括直流固态电子开关、Re缓冲支路、RD续流支路、电流霍尔传感器H等。当线路发生单极对地短路故障时，在纵联电流差动保护的作用下，发生短路的那条线路两端的固态电子开关同时接受控制断开，此时线路短路电流由固态电子开关同时转移到RC缓冲支路和RD续流支路上，防止固态电子开关关断时出现较大的瞬时过电压，然后，短路电流从RC缓冲支路上全部换流到RD续流支路上，线路杂散电感L上储存的能量将通过续流支路的电阻、线路电阻和接地电阻Rg消耗掉，因此，固态电子开关得以顺利关断，使该线路脱离微电网，达到切除故障的目的；当线路发生极间短路故障时，两极线路两端的固态电子开关将同时接收控制断开，此时线路短路电流由固态电子开关同时转移到RC缓冲支路和RD续流支路上，防止固态电子开关关断时出现较大的瞬时过电压，然后，短路电流从RC缓冲支路上全部换流到RD续流支路上，电源端被隔离开，线路杂散电感L上储存的能量将通过续流支路的电阻和线路电阻消耗掉，因此，固态电子开关同样得以顺利关断，使该线路脱离微电网，达到切除故障的目的。
[0012]本发明的技术优势如下:
1、短路保护电路包括RC缓冲支路和RD续流支路，基于此电路拓扑结构的保护方法有效防止固态电子开关关断时两端出现较大的尖峰电压，降低短路电流对固态电子开关的冲击，保护线路上其他电力电子器件不受损害；
2、IGBT型固态电子开关不必等到电流自然过零时才能关断，与晶闸管型固态电子开关相比，IGBT型固态电子开关动作控制灵活，速度快，具有在微秒级的时间内实现投切的能力，能满足直流微电网中快速、可靠切除故障的要求。
[0013]
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1:为本发明实施例的直流微电网线路的详细模型图；
图2:为本发明实施例的单极接地短路时固态电子开关关断前短路电流图；
图3:为本发明实施例的单极接地短路时固态电子开关关断后短路电流续流通道图；
图4:为本发明实施例的极间短路时固态电子开关关断前短路电流图；图5:为本发明实施例的极间短路时固态电子开关关断后短路电流续流通道图。
[0015]
【具体实施方式】
[0016]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0017]请见图1，本发明的保护电路所采用的技术方案是:一种直流微网的固态电子开关的短路保护电路，应用于直流微电网输电线路，所述的固态电子开关为绝缘栅双极晶体管IGBT电力电子器件，由反并联二极管VD1的IGBT单管V1和反并联二极管VD2的IGBT单管％反串联构成；其特征在于:所述的短路保护电路包括RC缓冲支路和RD续流支路；所述的RC缓冲支路并联在所述的固态电子开关上，RC缓冲支路的缓冲电容Cs的一端和电阻Rs的一端串联连接，缓冲电容Cs的另一端接在V1的集电极上，电阻Rs的另一端接在V1的发射极上；所述的RD续流支路由二极管Dp电阻R1、二极管D2和电阻R2依次串联连接，二极管D1的阴极接在正母线上，电阻R2的另一端接在负母线上，二极管D2的阴极接信号地。
[0018]本实施例的直流微电网的输电线路为双极性输电线路，线路等效模型采用两个略去电导参数的η型模块串联形式，以分段式集中参数电阻R、电感L、电容C来模拟分布参数。中间增设线路模拟故障点，用来模拟单极对地短路和极间短路两种短路故障类型。
[0019]当微电网正常工作时，直流固态电子开关Vp V2, V3> V4, V5, V6, V7, V8均处于开通状态，能实现能量的双向流动。若能量从母线一流向母线二，实际真正导通的开关管为％、ν3、v5、V7，反并联的二极管vd2、VD4, VD6, VD8正向导通；若能量从母线二流向母线一，则真正导通的开关管为WV6> V8,反并联的二极管VD1、VD3、VD5,VD7正向导通。此时，续流支路的二极管Dp D2、D3、D4反向截止，续流支路没有电流通过。
[0020]下面以能量从母线一流向母线二的情况为实施例，对短路时固态电子开关关断过程以及线路上短路电流的续流通道两个阶段进行详细分析。
[0021]当线路上发生单极对地短路故障时，以正母线发生对地短路为例，在纵联电流差动保护的作用下，直流固态电子开关H v3、V4同时断开。
[0022]请见图2，为本发明实施例的单极接地短路时固态电子开关关断前短路电流图，短路电流分别从母线侧涌向短路故障点，分别流经固态电子开关VVDdPV4、VD3。阶段一:在固态电子开关关断时，线路短路电流由固态电子开关同时转移到RC缓冲支路和RD续流支路上，线路短路电流通过电阻Rs向缓冲电容Cs分流，减轻了固态电子开关'、V4的负担，抑制了 du/dt和过电压，而固态电子开关V2本来就没有真正导通，故不存在关断时的缓冲问题，固态电子开关％在短路时由额定电流换流到反并联的二极管VD3I，没有短路电流的冲击，故也不存在关断时的缓冲问题，与此同时，续流支路中的二极管DpD3E向偏置，为短路电流提供续流通道；阶段二:短路电流从RC缓冲支路上迅速全部换流到RD续流支路上，电源侧被隔离，线路杂散电感L上储存的能量通过续流支路的电阻、线路电阻和接地电阻Rg消耗掉。
[0023]请见图3，为本发明实施例的单极接地短路时固态电子开关关断后短路电流续流通道图，短路电流从信号地处分成两条支路，支路一流经电源，通过缓冲支路Cs和Rs、反并联的二极管VD2流向故障点，支路二从信号地流向续流支路的电阻R1和二极管D1,经线路电阻R、电感L形成续流通道，泄放能量，另一侧对称。
[0024]当线路上发生极间短路故障时，在纵联电流差动保护的作用下，固态电子开关Vpv2、v3、v4、v5、v6、v7、v8同时接受控制断开。
[0025]请见图4，为本发明实施例的极间短路时固态电子开关关断前短路电流图，正母线短路电流分别从母线侧涌向短路故障点，负母线短路电流分别从故障点流向母线两侧。阶段一:在固态电子开关关断时，线路短路电流由固态电子开关同时转移到RC缓冲支路和RD续流支路上，线路短路电流通过电阻Rs向缓冲电容Cs分流，分别由Vp V4, \、V7换流到各自的缓冲支路上，减轻了固态电子开关^4、￥6、￥7的负担，抑制了 du/dt和过电压，而固态电子开关V2和V8本来就没有真正导通，故不存在关断时的缓冲问题，固态电子开关V3和V5在短路时由额定电流换流到各自反并联的二极管VD3和VD5上，没有短路电流的冲击，故也不存在关断时的缓冲问题，与此同时，续流支路中的二极管D1、D2、D3、D4E向偏置，为短路电流提供续流通道；阶段二:短路电流从RC缓冲支路上迅速全部换流到RD续流支路上，电源侧被隔离，线路杂散电感L上储存的能量通过续流支路的电阻和线路电阻消耗掉。
[0026]请见图5，为本发明实施例的极间短路时固态电子开关关断后短路电流续流通道图，短路电流从线路分成两条支路，支路一通过V7的缓冲支路Cs和Rs、反并联的二极管VD8,电源、V1的缓冲支路Cs和Rs、反并联的二极管VD2经线路电阻R、电感L流向故障点，支路二通过续流支路的电阻R2、二极管D2、电阻R1、二极管D1、线路电阻R、电感L回到故障点，形成续流通道，泄放能量，另一侧对称。
[0027]应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的 限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种直流微网的固态电子开关的短路保护电路，应用于直流微电网输电线路，所述的固态电子开关为绝缘栅双极晶体管IGBT电力电子器件，由反并联二极管VD1的IGBT单管V1和反并联二极管VD2的IGBT单管V2反串联构成；其特征在于:所述的短路保护电路包括RC缓冲支路和RD续流支路； 所述的RC缓冲支路并联在所述的固态电子开关上，RC缓冲支路的缓冲电容Cs的一端和电阻Rs的一端串联连接，缓冲电容Cs的另一端接在V1的集电极上，电阻Rs的另一端接在V1的发射极上； 所述的RD续流支路由二极管D1、电阻R1、二极管D2和电阻R2依次串联连接，二极管D1的阴极接在正母线上，电阻R2的另一端接在负母线上，二极管D2的阴极接信号地。
2.一种直流微网的固态电子开关的短路保护方法，其特征在于:分为两个阶段； 第一阶段为固态电子开关关断时，直流微电网输电线路短路电流由固态电子开关同时转移到RC缓冲支路和RD续流支路上，防止固态电子开关关断时出现较大的瞬时过电压；第二阶段为短路电流从RC缓冲支路上全部换流到RD续流支路上，电源端被隔离开，直流微电网输电线路杂散电感L上储存的能量主要通过RD续流支路的电阻和直流微电网输电线路电阻消耗掉。
【文档编号】H02H7/28GK103928912SQ201410191972
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】刘飞, 赖晓理, 邓凯, 姚俊涛, 孙建军, 李玉梅 申请人:武汉大学