一种模块化限流断路器功率模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种模块化限流断路器功率模块，所述功率模块包括与电抗器或功率电阻并联的功率子模块；所述功率子模块包括并联的功率子模块1、功率子模块2和避雷器；所述功率子模块1和所述功率子模块2包括并联电路以及与所述并联电路串联的串联二极管；所述并联电路包括可关断器件、与所述可关断器件反并联的反并联二极管以及与所述反并联二极管并联的阻尼电路；所述串联二极管为从标准恢复二极管或碳化硅二极管中选出的任意一种串联二极管；这种限流断路器功率模块降低了模块化固态限流器正常运行时的有功功率损耗，减轻了模块化固态限流器的重量，缩小了体积，降低了成本。
【专利说明】一种模块化限流断路器功率模块
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种电力系统的短路保护装置，具体涉及一种模块化限流断路器及其功率模块，属于电力系统领域。
【背景技术】:
[0002]随着电网的迅速发展，负荷中心大电源的相继投入，以及大区域电网之间的互联，短路电流超标逐渐成为突出的问题之一。
[0003]短路电流限制器(Short Circuit Current Limiter, SCCL)或故障电流限制器(Fault Current limiter, FCL)为解决短路电流超标问题提供了一种新思路、新方法。
[0004]短路电流限制器(SCCL)或故障电流限制器(FCL)实现限流的方式千差万别，对故障限流技术进行准确的分类十分困难。
[0005]从实施的层次看，短路电流限制措施可以分为系统级措施和设备级措施两大类。从运行方式看，短路电流限流措施分为被动式和主动式两大类。
[0006]被动式短路电流限制措施在正常运行与故障状态下，均增加系统阻抗，构成简单，易于实现，但在正常运行状态下会产生电压降，增加系统损耗。
[0007]主动式短路电流限制措施只是在故障状态下快速增加系统阻抗，既限制了故障电流，又不影响系统的正常运行，是理想的故障电流限制设备；从触发方式看，主动式短路电流限制措施进一步分为自触发式和外触发式，电力电子型故障电流限制器属于外触发式。
[0008]系统级措施中，电网解裂运行和母线分列运行是我国电网中经常采用的两种降低系统短路电流水平的措施，且限制短路电流的可靠性很高，但这两个措施都属于被动方式，降低了电力系统运行的稳定性、可靠性和灵活性，给系统运行所带来的负面影响往往不可忽视。
[0009]建设更高一级电压的国家主干电网是提高电网运行可靠性和稳定性的最为有效的手段之一，但并不能解决当前多数电网短路电流水平超标问题，且建设难度大，周期长，需要进行更为广泛深入的研究，短期难以解决我国电网短路电流水平普遍超标的问题。从长远角度来看，系统级措施仍是解决短路电流水平超标问题的根本办法，但给系统规划、系统运行等方面的工作增加了越来越大的难度。
[0010]设备级措施中主要包括:高阻抗变压器、串联电抗器、变压器中性点经小电抗接地、高阻抗发电机、高压熔断器、Is-快速限流器、超导限流器、热敏(PTC)电阻、液态金属限流器、基于电力电子的固态限流器(Solid State Current Limiter, SSCL)、应用电磁驱动原理的故障电流限制器及复合式故障电流限制器等。
[0011]故障电流限制器是解决系统关键点的短路电流水平超标问题的重要途径之一。从近几十年的发展历程来看，限流器虽原理不同，结构形式不同，且种类繁多，但其最基本的工作特性类似，都是在电网正常运行时表现为零阻抗或微小阻抗，功耗接近于零；在电网发生短路故障时，迅速呈现高阻抗以达到抑制短路电流等目的。
[0012]现有的故障电流限制器中有大规模市场应用推广前景的是采用多个相同的功率模块级联，每个功率模块采用的功率器件为带反并联二极管的可关断器件；反并联二极管与可关断器件封装在一起，系统稳态运行时，线路电流流经每个功率模块中的可关断器件和反并联二极管，这样一来就导致了系统的稳态损耗非常大，如何在降低稳态损耗的基础上，同时确保可关断电力电子器件能够承受反向压降是亟需解决的技术问题。
【发明内容】
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[0013]本发明的目的在于提供一种模块化限流断路器功率模块以克服现有技术中所存在的上述不足。
[0014]本发明提供的技术方案是:一种模块化限流断路器功率模块，其改进之处在于:
[0015]所述功率模块包括功率模块I ;所述功率模块I包括与电抗器或功率电阻并联的功率子模块；所述功率子模块包括并联的功率子模块1、功率子模块2和避雷器；
[0016]所述功率子模块I和所述功率子模块2包括并联电路以及与所述并联电路串联的
串联二极管；
[0017]所述并联电路包括可关断器件、与所述可关断器件反并联的反并联二极管以及与所述反并联二极管并联的阻尼电路；
[0018]所述串联二极管为从标准恢复二极管或碳化硅二极管中选出的任意一种串联二极管。
[0019]优选的，所述功率子模块I的并联电路包括一个或一个以上可关断器件并联后与所述反并联二极管反并联，再与所述阻尼电路并联。
[0020]优选的，所述功率子模块2的并联电路包括一个或一个以上可关断器件并联后与所述反并联二极管反并联，再与所述阻尼电路并联。
[0021]进一步，所述功率子模块2的串联二极管阴极与所述功率子模块2的反并联二极管阴极连接。
[0022]进一步，所述功率子模块I包括所述功率子模块I的串联二极管阳极与所述功率子模块2的反并联二极管阳极连接；所述功率子模块I的串联二极管阴极与所述功率子模块I的反并联二极管阴极连接；所述功率子模块I的反并联二极管阳极与所述功率子模块2的串联二极管阳极连接。
[0023]进一步，所述功率子模块I还包括所述功率子模块I的串联二极管阴极与所述功率子模块2的串联二极管阳极连接；所述功率子模块I的串联二极管阳极所述功率子模块I的反并联二极管阳极连接；所述功率子模块I的反并联二极管阴极与所述功率子模块2的反并联二极管阳极连接。
[0024]进一步，所述功率模块还包括功率模块II，所述功率模块II由两个或两个以上功率子模块串联后与电抗器或功率电阻并联组成。
[0025]优选的，所述可关断器件为从集成门极换流晶闸管IGCT、门极可关断晶闸管GT0、超级门极可关断晶闸管SGT0、注入增强栅晶体管IEGT或绝缘栅双极型晶体管IGBT中选出的任意一种可关断器件。
[0026]优选的，所述避雷器为从金属氧化物避雷器、金属氧化物限压器、碳化硅避雷器或管式避雷器中选出的任意一种避雷器。
[0027]优选的，所述阻尼电路为从RC阻尼电路、RCD阻尼电路、LRCD阻尼电路或有源阻尼电路中选出的任意一种阻尼电路。
[0028]优选的，两个或两个以上功率模块I依次级联形成限流断路器、固态断路器或故障电流限制器。
[0029]进一步，两个或两个以上功率模块II依次级联形成限流断路器、固态断路器或故障电流限制器。
[0030]进一步，一个或一个以上功率模块I和一个或一个以上功率模块II任意组合依次级联形成限流断路器、固态断路器或故障电流限制器。
[0031]本发明具有如下有益效果:
[0032]1、本功率模块可实现整个限流断路器的标准化和冗余，有利于整个限流断路器的可靠性和互换性，从而提高整个限流断路器的可用率；
[0033]2、本功率模块的稳态损耗相对较少，降低故障电流限制器或固态断路器的运行成本，提闻可罪性；
[0034]3、功率模块的稳态损耗减少对冷却系统的散热量要求下降，降低了冷却系统的重量、减少了冷却系统的成本，缩小了体积；使模块化固态限流器的重量下降、成本减少和体积缩小，从而更加具有竞争力。
【专利附图】
【附图说明】:
[0035]图1为现有的故障电流限制器的功率模块原理图；
[0036]图2为本发明采用的模块化限流断路器功率模块的功率子模块；
[0037]图3为本发明采用的模块化限流断路器功率模块的另一种功率子模块；
[0038]图4为故障限流时刻，图2中的通流举例；
[0039]图5为RCD阻尼电路原理图；
[0040]图6为LRCD阻尼电路原理图；
[0041]图7为两个可关断器件并联共用一个反并联二极管的功率子模块原理图；
[0042]图8为采用功率电阻的功率模块；
[0043]图9为采用电抗器的功率模块；
[0044]图10为两个功率子模块串联共用一个电抗器的功率模块；
[0045]图11为功率模块级联原理图。
【具体实施方式】:
[0046]为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图及实施例对本发明的内容做进一步的描述:
[0047]现有的模块化固态限流器的单个功率模块原理图如附图1所示，固态限流器的单个功率模块主要由限流电抗器、超级门极可关断晶闸管SGTO及其反并联二极管、避雷器和阻尼电路组成。
[0048]本申请的模块化限流断路器功率模块的功率子模块的原理图如附图2中所示，也可将IGCT2的位置和二极管D2的位置交换，如附图3中所示，以便在结构设计优化中有更多的选择。
[0049]尽管附图2和附图3中采用的可关断器件为集成门极换流晶闸管(IntergratedGate Commutated Thyristors, IGCT),但也可以用绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor, IGBT),门极可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor,GTO),超级门极可关断晶闸管SGTO、注入增强栅晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT)等可关断电力电子器件。
[0050]附图2和附图3中的二极管D3和D4，可以是IGCTl和IGCT2等可关断电力电子器件本身所带的反并联快速恢复二级管，也可以是在不对称的可关断电力电子器件(也就是没有反并联快速恢复二极管的可关断电力电子器件)基础上另外再反并联的快速恢复二极管。由于快速恢复二极管只用于保护不对称的可关断电力电子器件，以便让串联的二极管Dl或D2去承受相应的电压降，因此，反并联的快速二极管通态电流要求非常小，相应价格应该较低，从而可降低整个功率模块的成本。
[0051]稳态运行时，串联二极管Dl和D2轮流导通。如附图4中所示，故障限流时刻，线路电流或负载电流流经二极管Dl和IGCT1，关断过程中IGCTl承受相应的电压，而二极管Dl不用承受相应的电压。二极管D2在承受相应反向电压前没有流过相应的电流，因此，D2可不用快速恢复二极管也能快速承受相应的反向电压，由此可知，串联二极管Dl和D2都可不采用快速恢复二极管。从而，附图2和附图3中的串联二极管Dl和D2可以是标准恢复二极管(Standard Recovery Diodes, SRD),也可以是碳化娃二极管等性能较好,且通态压降比较低的二极管。
[0052]阻尼电路(Snubber Circuit)、又称缓冲电路或吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt，减小器件的开关损耗。附图2和附图3中所用的阻尼电路仅作示意用的较为简洁的RC阻尼电路，但阻尼电路不限于RC阻尼电路。附图5给出了采用RCD阻尼电路的示意，附图6给出了采用LRCD阻尼电路的示意，当然还有其它的阻尼电路方案，如LC阻尼电路和各种有源阻尼电路等。
[0053]避雷器，又称过电压保护器、浪涌保护器、电涌保护器、防雷器、限压器等，附图2和附图3中的避雷器仅用于限制因系统操作产生的过电压，可包括金属氧化物避雷器、金属氧化物限压器、碳化硅避雷器、管式避雷器等。
[0054]稳态运行时，线路电流或负载电流流经如附图2和附图3中所示的IGCT1/IGCT2和串联二极管D1/D2后，流出本功率子模块。而在附图1中，线路电路或负载电流需要先流过反并联快速恢复二极管，再流经IGCTl或IGCT2后，才流出本功率子模块。由于附图2和附图3中的标准恢复二极管的通态压降要比相应的快速恢复二极管通态压降要低，从而降低了二极管所带来的功率损耗。因此，整个功率子模块的稳态损耗将有明显减少。
[0055]系统故障时，控制保护系统快速识别出故障信号，命令IGCTl和IGCT2关断。如附图2和附图3中所示，关断过程中，由IGCTl和D2，或者由IGCT2和Dl各自承受整个功率子模块两端的电压，这样一来，线路电流或负载电流被换流到避雷器及与之并联的功率电阻或电抗器。
[0056]综上所述，本申请的功率子模块可以降低整个限流断路器的稳态损耗，同时不影响功率子模块正常时的通流和故障时的快速关断。
[0057]本申请的功率子模块再加上适当的并联电阻或电抗(如附图8和附图9中所示)形成功率模块，功率模块再通过级联以后(如附图11中所示)可以作为故障电流限制器用，也可以作为固态断路器用，更可以作为限流断路器用。[0058]参照附图7，以ABB的相关电力电子器件产品试举一例，如采用不对称的集成门极换向晶闸管 5SHY50L5500,断态重复峰值电压 VDEM(Repetitive peak off-state voltage)为5500V,反向电压(Reverse voltage) Vkem最大值仅为17V。最大通态平均电流IT(AV)M(Max.average on-state current)为 1290A,最大通态电流有效值 IT(EMS) (Max.RMS on-statecurrent)为 2030A,门滥电压 V(TQ) (Threshold voltage)为 1.66V,通态斜率电阻 rF(Sloperesistance)为 0.620mΩ。
[0059]串联二极管采用ABB整流二极管5SDD33L5500，最大非重复性反向峰值电压Vesm(Max non-repetitive peak reverse voltage)为 55OOV,通态平均电流 IF(AV)M(Averageon-state current)为 3480A,门滥电压 Vfq (Threshold voltage)为 0.94V,通态斜率电阻rF(Slope resistance)为 0.147mΩ0
[0060]由于串联二极管5SDD33L5500的通态平均电流IF(AV)M比集成门极换向晶闸管5SHY50L5500的最大通态平均电流IT(AV)M的2倍还多不少，因此，可以采用附图7中的方案，即两个IGCT并联后共用一个串联二极管。需要注意的是集成门极换向晶闸管5SHY50L5500的反向电压Vkem最大值仅为17V，因此需要反并联一个小电流的快速恢复二极管来保护IGCT。
[0061]附图7给出了功率子模块中的可关断电力电子功率器件并联方案，快速恢复二极管D3/D4可以给并联的可关断电力电子功率器件共用，相应的阻尼电路则需要根据相应的工程实际来决定是否可以共用，并联和共用这两种措施可以充分利用器件的各自电流承载能力，从而提高整个功率子模块的经济性。需要指出的是，附图7只是示意，也包括三个或三个以上IGCT并联后共用一个反并联二极管的组合。
[0062]附图10给出了两个功率子模块串联后共用同一个电抗器，当然也可以根据设计和工程的实际情况采用三个或三个以上功率子模块串联后共用同一个电抗器。同样，尽管没有给出相应的图，也可以采用两个功率子模块串联共用同一个功率电阻，当然也可以根据设计和工程的实际情况采用三个或三个以上功率子模块串联共用同一个功率电阻。
[0063]附图11给出了功率模块的级联示意，串联的功率模块可以全是附图9中的功率模块，或全是附图8中的功率模块，或全是附图10中的功率模块，也可以是上述几种功率模块任意组合后级联。
[0064]以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
【权利要求】
1.一种模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述功率模块包括功率模块I;所述功率模块I包括与电抗器或功率电阻并联的功率子模块；所述功率子模块包括并联的功率子模块1、功率子模块2和避雷器； 所述功率子模块I和所述功率子模块2包括并联电路以及与所述并联电路串联的串联二极管； 所述并联电路包括可关断器件、与所述可关断器件反并联的反并联二极管以及与所述反并联二极管并联的阻尼电路； 所述串联二极管为从标准恢复二极管或碳化硅二极管中选出的任意一种串联二极管。
2.如权利要求1所述的一种模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述功率子模块I的并联电路包括一个或一个以上可关断器件并联后与所述反并联二极管反并联，再与所述阻尼电路并联。
3.如权利要求1所述的一种模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述功率子模块2的并联电路包括一个或一个以上可关断器件并联后与所述反并联二极管反并联，再与所述阻尼电路并联。
4.如权利要求3所述的一种模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述功率子模块2的串联 二极管阴极与所述功率子模块2的反并联二极管阴极连接。
5.如权利要求2所述的一种模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述功率子模块I包括所述功率子模块I的串联二极管阳极与所述功率子模块2的反并联二极管阳极连接；所述功率子模块I的串联二极管阴极与所述功率子模块I的反并联二极管阴极连接；所述功率子模块I的反并联二极管阳极与所述功率子模块2的串联二极管阳极连接。
6.如权利要求2所述的一种模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述功率子模块I还包括所述功率子模块I的串联二极管阴极与所述功率子模块2的串联二极管阳极连接；所述功率子模块I的串联二极管阳极所述功率子模块I的反并联二极管阳极连接；所述功率子模块I的反并联二极管阴极与所述功率子模块2的反并联二极管阳极连接。
7.如权利要求5或6所述的一种模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述功率模块还包括功率模块II，所述功率模块II由两个或两个以上功率子模块串联后与电抗器或功率电阻并联组成。
8.如权利要求1所述的一种附加二极管的模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述可关断器件为从集成门极换流晶闸管IGCT、门极可关断晶闸管GTO、超级门极可关断晶闸管SGTO、注入增强栅晶体管IEGT或绝缘栅双极型晶体管IGBT中选出的任意一种可关断器件。
9.如权利要求1所述的一种附加二极管的模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述避雷器为从金属氧化物避雷器、金属氧化物限压器、碳化硅避雷器或管式避雷器中选出的任意一种避雷器。
10.如权利要求1所述的一种附加二极管的模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 所述阻尼电路为从RC阻尼电路、RCD阻尼电路、LRCD阻尼电路或有源阻尼电路中选出的任意一种阻尼电路。
11.如权利要求1所述的一种模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 两个或两个以上功率模块I依次级联形成限流断路器、固态断路器或故障电流限制器。
12.如权利要求7所述的一种附加二极管的模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 两个或两个以上功率模块II依次级联形成限流断路器、固态断路器或故障电流限制器。
13.如权利要求7所述的一种附加二极管的模块化限流断路器功率模块，其特征在于: 一个或一个以上功率模块I和一个或一个以上功率模块II任意组合依次级联形成限流断路器、固态断路器或故障电流限制器。
【文档编号】H02H9/04GK103986138SQ201410201445
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】戴朝波 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院