基于功率器件的全控混合桥式超导限流器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，包括混合整流桥和控制器，所述混合整流桥由可控功率开关管（K1、K2、K3、K4）和功率二极管（D1、D2、D3、D4）构成，其具有直流侧C端与D端两端，所述C端与D端之间连接有超导线圈，同时具有用于接入电力系统的A端和B端；所述超导线圈置于低温冷却装置中；控制器用于在电力系统无负载短路故障时，控制使K1、K2关断，K3、K4导通，当检测到电力系统发生短路故障且故障短路电流达到预设的阈值后，控制使K1、K2导通，K3、K4关断。本发明的超导限流器快速响应、既能限制暂态故障电流又能限制稳态电流、结构简单、成本低。
【专利说明】基于功率器件的全控混合桥式超导限流器
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率器件领域，特别涉及一种基于功率器件的全控混合桥式超导限流器。
【背景技术】
[0002]目前基于功率器件的桥式超导限流器主要有:1)基本二极管桥路型限流器，其桥路上功率器件为功率二极管，因而该限流器只能限制暂态电流，不能限制稳态电流，须结合断路器断开故障系统；2)基本晶闸管桥路型限流器，其桥路上功率器件为晶闸管，由于晶闸管自身过零关断特性，虽能限制暂态及稳态故障电流，但故障后需最长达1ms的响应时间；3)双线圈互感式或切换式桥路型限流器，其桥路直流侧为两个超导线圈构成的互感绕组，因而该限流器装置体积较大、成本很高。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提出一种快速响应、既能限制暂态故障电流又能限制稳态电流的结构简单、成本较低的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器。
[0004]为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是:一种基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，包括混合整流桥和控制器，所述混合整流桥包括可控功率开关管(K1、K2、K3、K4)和功率二极管(D1、D2、D3、D4)，所述功率二极管Dl的负极与Kl的一端相连于C端，Dl的正极与Kl的另一端相连于A端，D2的负极与K2的一端相连于B端，D2的正极与K2的另一端相连于D端，D3的负极与K3的一端相连，D3的正极与B端相连，K3的另一端与C端相连，D4的负极与K4的一端相连，D4的正极与D端相连，K4的另一端与A端相连，所述C端和D端为限流器的直流侧两端，所述C端与D端之间连接有超导线圈，所述A端和B端为限流器接入电力系统的两端；其中所述超导线圈置于低温冷却装置中；所述控制器用于在电力系统无负载短路故障时，控制使K1、K2关断，K3、K4导通，当检测到电力系统发生短路故障且故障短路电流达到预设的阈值后，控制使K1、K2导通，Κ3、Κ4关断。
[0005]优选的，所述超导线圈由8500)、￥80)或1%82超导导线绕制而成。
[0006]优选的，所述可控功率开关管(1(1、1(2、1(3、1(4)和功率二极管(01、02、03、04)也置于所述低温冷却装置中。
[0007]优选的，所述(K1J1)与(K2、D2)组成所述混合整流桥的两支桥臂，(K3、D3)与(K4、D4)组成另两支桥臂，每个所述桥臂上的可控开关管为m个可控开关管并联结构，功率二极管为η个功率二极管并联结构，m和η均为大于等于I的正整数。
[0008]优选的，所述超导线圈上串联接入一个超导电阻，或在所述混合整流桥的B端串联接入一个超导电阻。
[0009]优选的，所述超导电阻的电阻值被配置为当电力系统短路电流达到预设的阈值时，该电阻值由超导态的零电阻变成一设定值。
[0010]优选的，所述超导电阻与超导线圈一起放置于低温冷却装置中。
[0011]优选的，所述超导电阻由超导导线或超导无感线圈构成。
[0012]进一步的，所述超导导线和超导无感线圈由B1-2223导线、Y-123导线或MgB2导线中的至少之一组成。
[0013]优选的，所述超导线圈上还串联一个可控直流偏置电压源。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果是:电力系统无故障时，即系统正常运行时，只导通可控功率开关管K3、K4，流过超导线圈的直流电流大于线路电流，超导线圈通过DpK4、D4及D2、D3、K3回路充电，四支桥臂全部导通，此时安装在交流电力系统中的限流器两端电阻很小、压降很低，对系统几乎无影响。在系统发生短路故障时，当系统故障短路电流大于设定值后，导通1、K2并关断K3、K4,故障短路电流流过1、K2和超导线圈，此时超导线圈与两个可控功率开关管1、K2串入电力系统限制故障电流，即在故障时，将故障电流限制到一定范围，实现限流功能，其优势在于在保证了极好的限流特点，既能限制暂态故障电流又能限制稳态电流，也能很好地保证限流器的响应速度，且结构简单、成本较低。
[0015]【专利附图】
【附图说明】:
图1是本发明的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器电路拓扑结构示意图；
图2是有无本发明的超导限流器时系统故障电流变化情况示意图；
图3是本发明一个实施例中的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器电路拓扑结构示意图；
图4是本发明另一个实施例中的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器电路拓扑结构示意图；
图5是本发明又一个实施例中的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器电路拓扑结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范围。
[0017]本发明提出一种能够快速响应、既能限制暂态故障电流又能限制稳态电流的结构简单、成本较低的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器。
[0018]如图1所示，本发明的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，包括混合整流桥和控制器，所述混合整流桥包括可控功率开关管(KUΚ2、Κ3、Κ4)和功率二极管(Dl、D2、D3、D4)，所述功率二极管Dl的负极与Kl的一端相连于C端，Dl的正极与Kl的另一端相连于A端，D2的负极与K2的一端相连于B端，D2的正极与K2的另一端相连于D端，D3的负极与K3的一端相连，D3的正极与B端相连，K3的另一端与C端相连，D4的负极与K4的一端相连，D4的正极与D端相连，K4的另一端与A端相连，所述C端和D端为限流器的直流侧两端，所述C端与D端之间连接有超导线圈SC，所述A端和B端为限流器接入电力系统的两端；其中所述超导线圈SC置于低温冷却装置(图未示)中，如液氮、液氦等低温冷却装置，以将超导线圈置于低温环境中冷却。该超导限流器通过混合整流桥的A端和B端串联接入电力系统中，A端串联电力系统断路器CB, B端串联线路负载Zline和系统负载Zload。
[0019]所述控制器用于在电力系统无负载短路故障时，控制使K1、K2关断，K3、K4导通，当检测到电力系统发生短路故障且故障短路电流达到预设的阈值后，控制使Kl、K2导通，K3、K4关断。
[0020]具体的，所述超导线圈由BSCCO、YBCO或MgB2超导导线绕制而成。所述可控功率开关管(1(1、1(2、1(3、1(4)和功率二极管(01、02、03、04)也置于所述低温冷却装置中。功率器件在低温下运行，其通态电阻降低，而且其频率可以大大提高，从而大大降低这种限流器的通态损耗和开关损耗。功率开关管和二极管在低温下运行，提高了电流工作区，使暂态和稳态工作电流都大大提高。同时功率开关管和二极管在低温下运行，可以省掉散热片，使装置体积减小。
[0021]所述(1、D1)与(K2、D2)组成所述混合整流桥的两支桥臂，(K3、D3)与(K4、D4)组成另两支桥臂，每个所述桥臂上的可控开关管为m个可控开关管并联结构，功率二极管为η个功率二极管并联结构，m和η均为大于等于I的正整数。本领域技术人员可根据具体情况确定并联数量。本实施例中以m和η均为I的情况来说明。所述四支桥臂分别由可控功率开关管和功率二极管组成，其中一对角桥臂均由功率开关管串联功率二极管构成，另一对桥臂均由功率开关管并联功率二极管构成。KpK2IpK4为置于低温冷却环境中的双向导通的Cool MOSFETs或IGBT等开关管，DpD2、D3、D4为功率二极管。混合整流桥的桥臂直流侧C、D端连接超导线圈SC，超导线圈SC的作用是在电力系统无故障时储能以提高电网质量、减小谐波，在电力系统故障后对系统呈现为较大阻抗特性以限制故障电流。低温冷却装置的作用是为了让超导线圈运行在超导状态以降低限流器的功率损耗和温度。控制器通过采集电力系统的电流和超导线圈两端的电压信号，然后根据采集的信号的不同特征输出不同的控制信号给功率开关管(HH4)的驱动电路(图未示)以调整限流器的工作状态。
[0022]具体的，电力系统无故障时，即系统正常运行时，控制器控制只导通可控功率开关管K3、K4，流过超导线圈SC的直流电流大于线路电流，超导线圈SC通过Dp K4, D4及D2、D3、K3回路充电，四支桥臂全部导通，此时安装在交流电力系统中的限流器两端电阻很小、压降很低，对系统几乎无影响。在系统发生短路故障时，当系统故障短路电流大于设定值后，控制器控制导通Kp K2并关断K3、K4，故障短路电流流过Kp K2和超导线圈SC，此时超导线圈SC与两个可控功率开关管KpK2串入电力系统限制故障电流，即在故障时，将故障电流限制至IJ一定范围，实现限流功能，其优势在于在保证了极好的限流特点，既能限制暂态故障电流又能限制稳态电流，也能很好地保证限流器的响应速度，且结构简单、成本较低。为了实现对系统的实时保护，在控制器输出端和功率开关管(K1、K2、K3、K4)的驱动电路之间加入CPLD逻辑保护单元(图未示)，对系统情况(如系统电流、超导线圈电压)进行逻辑判断保护，保证系统安全运行。需要说明的是，为了绘图方便，图1中未示出所述控制器与功率开关管(K1, K2, K3, K4)的具体电路连接控制关系，但这不影响本领域技术人员对本发明上述方案的理解。
[0023]另外，本发明利用了低温环境下功率开关管的损耗小，电流工作区大的优良特性，省去了散热片的结构设计，使功率器件与超导线圈SC集成在一个低温环境下，减小体积，降低损耗，提高效率。基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，在系统正常工作时只导通开关管K3、K4，流过超导线圈SC的直流电流k大于线路电流Iune,限流器对系统无影响；在故障时，当系统故障短路电流大于设定值后，导通开关管Kp K2并关断K3、K4,故障短路电流流过开关管KpK2和超导线圈SC，此时超导线圈SC与开关管KpK2串入系统限制故障电流。能够可靠的限制故障电流的暂态值和稳态值，既大大减轻了故障电流对系统的冲击，又使得现有断路器CB可安全的切断故障电流；同时也保证了快速的响应速度，大约在数百微秒级别。图2给出了电力系统发生负载短路故障时，在系统中无限流器和安装了本发明限流器两种情况下的系统故障电流变化情况。从图2可以看出，限流器将暂态故障电流从48kA降低到5kA，将稳态故障电流从30kA降低到2kA，显示出该限流器良好的限流特点，限流器良好的暂态故障电流限制能力也间接体现了限流器的响应迅速的特点。本发明解决了传统二极管桥路型限流器只能限制暂态故障电流，基本晶闸管桥路型限流器需长达近1ms左右的响应时间和双线圈桥路型限流器装置大、成本闻的关键技术问题。
[0024]本发明用于供配电电网尤其是低压超导供电系统，不仅解决了系统故障电流过大的问题，而且还大大降低了系统中各元器件耐流量的要求，降低了电力系统的成本和设计要求。
[0025]图3所示为本发明又一实施例中的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其在图1所示超导限流器的基础上，在超导线圈SC上串联接入一个超导电阻Rhts，所述超导电阻Rhts由超导导线或超导无感线圈构成。所述超导导线和超导无感线圈由B1-2223导线、Y-123导线或MgB2导线中的至少之一组成。即所述超导导线和超导无感线圈由B1-2223导线、Y-123导线或MgB2导线之一或其中不同导线复合使用。
[0026]所述超导电阻Rhts的作用是利用超导失超形成的电阻，对短路电流进行附加限制，进而对电路形成附加保护。
[0027]为了更好的限制短路电流，所述超导电阻的电阻值被配置为当电力系统短路电流达到预设的阈值时，该电阻值由超导态的零电阻变成一设定值(本领域技术人员可根据具体情况设定)。具体可通过控制器检测电力系统故障短路电流，当短路电流达到预设的阈值时，控制器控制使超导电阻的电阻值由超导态的零电阻变成一设定值，本领域技术人员可根据具体情况设定。这样可使电路电阻增加，达到更好的限流和保护效果。
[0028]优选的，所述超导电阻Rhts与超导线圈SC—起放置于低温冷却装置中，利于系统集成高效，由于超导电阻Rhts与超导线圈SC相邻，在系统出现短路电流时，超导线圈SC的高磁场利于超导导线或超导无感线圈失超易于获得超导电阻Rhts。与图1所示基于功率器件的全控混合桥式超导限流器相同部分请参考前述实施例相关描述，此处不再详述。
[0029]图4所示为本发明又一实施例中的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其在图1所示超导限流器的基础上在所述混合整流桥的B端串联接入一个超导电阻Rhts，所述超导电阻Rhts由超导导线或超导无感线圈构成。所述超导导线和超导无感线圈由B1-2223导线、Y-123导线或MgB2导线中的至少之一组成。即所述超导导线和超导无感线圈由B1-2223导线、Y-123导线或MgB2导线之一或其中不同导线复合使用。
[0030]所述超导电阻Rhts的作用是利用超导失超形成的电阻，对短路电流进行附加限制，进而对电路形成附加保护。
[0031]为了更好的限制短路电流，所述超导电阻的电阻值被配置为当电力系统短路电流达到预设的阈值时，该电阻值由超导态的零电阻变成一设定值(本领域技术人员可根据具体情况设定)，具体可通过控制器检测电力系统故障短路电流，当短路电流达到预设的阈值时，控制器控制使超导电阻的电阻值由超导态的零电阻变成一设定值，本领域技术人员可根据具体情况设定。这样使电路电阻增加，达到更好的限流和保护效果。
[0032]优选的，所述超导电阻Rhts与超导线圈SC—起放置于低温冷却装置中，利于系统集成高效，由于超导电阻Rhts与超导线圈SC相邻，在系统出现短路电流时，超导线圈SC的高磁场利于超导导线或超导无感线圈失超易于获得超导电阻Rhts。与图1所示基于功率器件的全控混合桥式超导限流器相同部分请参考前述实施例相关描述，此处不再详述。
[0033]图5所示为本发明又一实施例中的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器的混合整流桥示意图，其在图3所示超导限流器的基础上，在混合整流的直流侧C端与D端之间，所述超导线圈SC上还串联一个可控直流偏置电压源DC，可控直流偏置电压源DC的正极与功率二极管D2、D4的正极分别相连，可控直流偏置电压源DC的负极与超导线圈SC的一端相连。采用该可控直流偏置电压源DC可减小系统正常运行时限流器对系统的谐波影响，提高电网质量，其它相同之处不在重复叙述。与图3所示基于功率器件的全控混合桥式超导限流器相同部分请参考前述实施例相关描述，此处不再详述。需要说明的是，也可在图4所示超导限流器的基础上，在桥路直流侧C端与D端之间超导线圈SC上串联一个可控直流偏置电压源DC。
[0034]采用本发明方案，电力系统无故障时，即系统正常运行时，只导通可控功率开关管K3> K4，流过超导线圈的直流电流大于线路电流，超导线圈通过Dp K4, D4及D2、D3> K3回路充电，四支桥臂全部导通，此时安装在交流电力系统中的限流器两端电阻很小、压降很低，对系统几乎无影响。在系统发生短路故障时，当系统故障短路电流大于设定值后，导通1、K2并关断K3、K4,故障短路电流流过1、K2和超导线圈，此时超导线圈与两个可控功率开关管K1, K2串入电力系统限制故障电流，即在故障时，将故障电流限制到一定范围，实现限流功能，其优势在于在保证了极好的限流特点，既能限制暂态故障电流又能限制稳态电流，也能很好地保证限流器的响应速度，且结构简单、成本较低。
[0035]上面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以做出各种修改或改型。
【权利要求】
1.一种基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，包括混合整流桥和控制器，所述混合整流桥包括可控功率开关管(1(112,1(314)和功率二极管(0112,0314),所述功率二极管01的负极与1(1的一端相连于端，01的正极与1(1的另一端相连于八端，02的负极与1(2的一端相连于8端，02的正极与1(2的另一端相连于0端，03的负极与1(3的一端相连，03的正极与8端相连，1(3的另一端与端相连，04的负极与1(4的一端相连，04的正极与0端相连，1(4的另一端与八端相连，所述端和0端为限流器的直流侧两端，所述端与0端之间连接有超导线圈，所述八端和8端为限流器接入电力系统的两端；其中所述超导线圈置于低温冷却装置中； 所述控制器用于在电力系统无负载短路故障时，控制使X1、1(2关断，0,1(4导通，当检测到电力系统发生短路故障且故障短路电流达到预设的阈值后，控制使1(112导通，1(314关断。
2.根据权利要求1所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于:所述超导线圈由1800或1曲2超导导线绕制而成。
3.根据权利要求1所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，所述可控功率开关管81、1(2、1(3、1(4)和功率二极管(0102.03、04)也置于所述低温冷却装置中。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，所述〔1、1^)与〔1、02?组成所述混合整流桥的两支桥臂，83、00与〔1、04?组成另两支桥臂，每个所述桥臂上的可控开关管为砠个可控开关管并联结构，功率二极管为II个功率二极管并联结构，III和II均为大于等于1的正整数。
5.根据权利要求4所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，所述超导线圈上串联接入一个超导电阻，或在所述混合整流桥的8端串联接入一个超导电阻。
6.根据权利要求5所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，所述超导电阻的电阻值被配置为当电力系统短路电流达到预设的阈值时，该电阻值由超导态的零电阻变成一设定值。
7.根据权利要求5所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，所述超导电阻与超导线圈一起放置于低温冷却装置中。
8.根据权利要求7所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，所述超导电阻由超导导线或超导无感线圈构成。
9.根据权利要求8所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，所述超导导线和超导无感线圈由81-2223导线、1-123导线或1曲2导线中的至少之一组成。
10.根据权利要求5-9任一项所述的基于功率器件的全控混合桥式超导限流器，其特征在于，所述超导线圈上还串联一个可控直流偏置电压源。
【文档编号】H02H9/02GK104393584SQ201410707908
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】金建勋 申请人:电子科技大学