本实施例涉及电流限制装置，且更具体来说涉及固态故障电流限制器。
背景技术：
目前，固态故障电流限制器(ssfcl)用于经由通常传输几千安培的电流的传输线来调节电流。固态故障电流限制器系统被设计成防止在故障条件的事件中出现过量电流。在固态故障电流限制器的一个设计中，耦合电抗器被配置成将负载电流分解到控制支路与限制支路中。控制支路可包括电力电子开关且可被设计成在电力电子开关的额定值范围内良好地传输电流，例如几百安培。限制支路可被设计成传输几千安培且可进一步设计有适度的自感以将预期故障电流限制至期望的安全水平。在正常条件下，电流在控制支路及限制支路中流动，其中电抗器在这种情形下被设计成具有低损耗。提供电路或相似的组件来监测控制支路的控制电流并在超过电流阈值(或其他触发机制)时断开电力电子开关，以使得耦合电抗器变得不平衡，且限制支路的自感会接着将在限制支路中流动的电流降低至安全水平。
在固态开关未能将电路短路时会出现与上述设计有关的一个问题。由于这一电路只是在故障状态下断开固态开关，因此固态开关的任何故障在需要故障保护时将是明显的。故障电流限制器可包括熔丝以防止固态开关出现故障或其他组件出现故障。与熔丝设计有关的一个问题是在总电流增大时，用于使控制支路中的熔丝熔断的能量可能不足以保护网络免受破坏性的第一峰值故障(例如，在近似10ms处)的影响。实际上，当耦合电抗器(例如，由于高峰值故障电流降低限制)被设计成使比正常电流小的故障电流经过时，熔丝保护系统将不工作。
有鉴于这些及其他考虑，提供本公开内容。
技术实现要素：
在一个实施例中，一种故障电流限制器包括：电流限制支路，传输第一电流；及控制支路，与所述电流限制支路并联，其中所述控制支路可传输第二电流。所述控制支路可包括：多个电力电子模块，相互电串联地排列；及旁通电力电子模块，与所述多个电力电子模块电并联地排列。所述控制支路可进一步包括：多个电流监测器，与所述多个电力电子模块及所述旁通电力电子模块电串联地排列；以及至少一个触发电路，其中所述多个电流监测器电耦合到所述至少一个触发电路，且其中所述至少一个触发电路耦合到以下中的至少一者：所述多个电力电子模块、及所述旁通电力电子模块。
在另一个实施例中，一种故障电流限制器包括：电流限制支路，传输第一电流；及控制支路，与所述电流限制支路并联，其中所述控制支路可传输第二电流。所述控制支路可包括故障检查系统，所述故障检查系统具有：第一电力电子模块及第二电力电子模块，相互电串联地排列；以及旁通电力电子模块，与所述第一电力电子模块及所述第二电力电子模块电并联。所述故障检查系统可进一步包括：多个电流监测器，与所述多个电力电子模块及所述旁通电力电子模块电串联地排列。所述故障检查系统可进一步包括：第一触发电路、第二触发电路及第三触发电路，所述第一触发电路与所述第一电力电子模块进行通信，所述第二触发电路与所述第二电力电子模块进行通信，所述第三触发电路与所述旁通电力电子模块进行通信。所述故障检查系统可进一步包括测试及监管(t/s)电路，所述测试及监管电路电耦合到所述第一电力电子模块、所述第二电力电子模块、及所述旁通电力电子模块，其中所述测试及监管电路接收来自所述多个电流监测器的输出以对所述第一电力电子模块、所述第二电力电子模块、及所述旁通电力电子模块的操作进行存取。
在再一个实施例中，一种方法包括：提供用于传输第一电流的电流限制支路；以及提供与所述电流限制支路并联的控制支路，所述控制支路传输第二电流，所述控制支路包括故障检查系统。所述故障检查系统可包括：第一电力电子模块及第二电力电子模块，相互电串联地排列；旁通电力电子模块，与所述第一电力电子模块及所述第二电力电子模块电并联；多个电流监测器，与所述多个电力电子模块及所述旁通电力电子模块电串联地排列；第一触发电路，与所述第一电力电子模块进行通信；第二触发电路，与所述第二电力电子模块进行通信；第三触发电路，与所述旁通电力电子模块进行通信。所述方法可进一步包括：监测经过旁通电路的电流，以判断所述旁通电路及所述旁通电力电子模块是否正确发挥功能；以及监测经过所述第一电力电子模块及所述第二电力电子模块中的至少一个的电流，以判断所述第一电力电子模块及所述第二电力电子模块所述至少一个是否正确发挥功能。
附图说明
图1显示根据本公开内容实施例的示例性故障电流限制器；
图2显示根据本公开内容其他实施例的示例性过程流程；
图3至图4显示根据本公开内容其他实施例的示例性过程流程。
所述附图未必按比例绘制。所述附图仅为示意图，并非旨在描绘本公开内容的具体参数。所述附图旨在示出本公开内容的示例性实施例，且因此不应被视为对范围进行限制。在所述附图中，相同的编号表示相同的元件。
具体实施方式
在下文中，现将参照附图来更充分地阐述本公开内容实施例，所述附图示出某些实施例。本公开内容的主题可实施为许多不同的形式且不应被视为仅限于本文所述实施例。提供这些实施例是为了使本公开内容将透彻及完整，并将向所属领域中的技术人员充分传达所述主题的范围。在所述附图中，相同的编号自始至终指代相同的元件。
除非另外指明，否则本文所用的以单数形式进行描述且前面带有词″一″或″一个″的元件或操作被理解为也可能包括多个元件或多个操作。另外，提及本公开内容的″一个实施例″或″某些实施例″可被解释为包括也含有所述特征的其他实施例的存在。
本实施例涉及用于改善故障电流保护的设备、系统及方法。各种实施例通过以下方式来解决与在需要故障保护时出现故障有关的问题：提供电路系统架构及技术以便于对包括检测电路及电力电子元件在内的故障电流限制器的组件进行检查。各种实施例提供故障电流限制器的控制支路，所述控制支路包括相互电串联地排列的多个电力电子模块、以及与所述多个电子模块电并联地排列的旁通电力电子模块。在各种实施例中，提供控制支路的新颖配置来控制及测试所述多个电力电子模块及旁通电力电子模块。
在某些实施例中，如以下在本文中所详述，可将多个触发电路耦合到所述多个电力电子模块。在某些实施例中，所给出的触发电路可设置在专用触发电路板上。触发电路可配置有多个输入端以及比较器电路，所述多个输入端从所述多个电流监测器接收电流信号，所述比较器电路用于对从所述多个电流监测器接收的电流信号进行比较。触发电路可进一步包括用于进行如以下所详述的测试的电流源以及允许执行测试的开关。此外，触发电路可包括确保测试是在正确情形下执行的控制逻辑。另外，触发电路可包括用于运行自我测试的输入端以及用于发出完成自我测试的信号的输出端。在具有多个触发电路的各种实施例中，触发电路可进一步包括来自其他板的触发器输入以及向其他板发出的触发器输出。
在各种实施例中，在故障电流限制器的控制支路中设置有新颖的测试及监管电路(在下文中称为″t/s电路″)，其中t/s电路可被配置用于在自我测试期间从固态开关进行反馈。举例来说，t/s电路可包括多个检测器，所述多个检测器光学耦合到所述多个电子模块。t/s电路可进一步包括多个电流输入端及多个比较器信号输入端，所述多个比较器信号输入端耦合到位于多个控制板上的比较器。t/s电路可进一步包括可编程测试计时器，所述可编程测试计时器控制自我测试的时序。另外，t/s电路可包括手动″执行测试″输入端以及运行自我测试输出端。此外，t/s电路可包括向故障电流限制器的总体控制系统输出测试状态的输出端。在某些实施例中，用于执行触发、测试及监测功能的组件可被实体地集成至单个板。
图1说明根据本公开内容各种实施例的故障电流限制器(fcl)100。故障电流限制器100可用于对沿传输线或其他电流载送路径的电流进行限制。故障电流限制器100可包括用于传输第一电流的电流限制支路102以及用于传输第二电流的控制支路104，其中第二电流可比第一电流低得多。举例来说，在正常操作中，通过电流限制支路102的第一电流可处于两千安培、三千安培或更大的范围。控制支路104可被配置成使例如200a、300a或类似值的电流流过。各实施例并非仅限于此上下文。
故障电流限制器100可被配置成固态故障电流限制器，所述固态故障电流限制器在控制支路104中包括相互电串联地排列的一个或多个故障检查系统110。在某些实施例中，故障检查系统110可包括一个或多个绝缘栅极双极晶体管(igbt)。各实施例并非仅限于此上下文。此外，为解释起见，在沿控制支路104的单个故障检查电路110的上下文中阐述本公开内容的实施例。应理解，在替代实施例中，多个故障检查系统110可沿控制支路104耦合在一起。
如图中所示，故障电流限制器100包括相对于彼此电串联地排列的第一电力电子模块(pem)112与第二电力电子模块114、以及与第一电力电子模块112及第二电力电子模块114并联地排列的旁通电力电子模块120。继电器或断路器124与旁通电力电子模块120串联地定位，且t/s电路126电耦合到第一电力电子模块112、第二电力电子模块114以及旁通电力电子模块120以监测并检查故障检查系统110的组件的性能，如以下将更详细地阐述。本文中所使用的用语″电力电子模块″可指固态开关模块以及相关联的电路系统，所述固态开关模块包括例如绝缘栅极双极晶体管等固态开关，相关联的电路系统包括例如信号接收器等接口、发光二极管(led)及其他电路系统。在某些实施例中，每一个电力电子模块包括两个(2)绝缘栅极双极晶体管及激发卡(firingcard)。
在所述实例中示出总共存在三(3)个电力电子模块，而在其他实施例中，可采用更大或更小数目的电力电子模块。所使用的电力电子模块的数目可基于在控制支路104两端维持的电压及给定电力电子模块的电压额定值。在出现数千伏的电压变化的情形中，串联地使用若干个电力电子模块可为合适的，因为给定电力电子模块可能够例如以绝缘栅极双极晶体管两端的最大电压运行，所述最大电压具有比总电压变化量小的量值。
如图中进一步所示，第一电源121被配置成向第一电力电子模块112及第一触发电路142提供电流，第二电源123被配置成向第二电力电子模块113及第二触发电路144提供电流，且旁通电源130被配置成向旁通电力电子模块120及第三触发电路134提供电流。
t/s电路126是故障检查系统110的监测电路128的一部分。如图中所示，t/s电路126电耦合到旁通电源130及旁通控制板132，旁通控制板132包括旁通电力电子模块120的触发电路134。t/s电路126控制断路器124的操作以断开或闭合旁通电路138。
举例来说，故障电流限制器100也可包括排列在控制支路104中的多个电流监测器140a-b，如图所示。作为另外一种选择，一个或多个电流监测器可位于电流限制支路102中。如图1中进一步示出，故障电流限制器100也可包括多个触发电路134、142及144，其中所述多个电流监测器140a-b耦合到触发电路134、142及144，且其中触发电路134、142及144分别耦合到旁通电力电子模块120、第一电力电子模块112、及第二电力电子模块114。
更具体来说，如图1所示，电流监测器140a监测旁通电路138，且电流监测器140b监测第一电力电子模块112及第二电力电子模块114的电流。应理解，使用两个或更多个电流监测器可对沿控制支路104的电流检测提供冗余。此外，为旁通电力电子模块120的触发电路134提供伴随着喷射设备145的第一电流互感器143。如图中所示，第一电流互感器143与喷射设备145电耦合在t/s电路126与旁通电路138之间。触发电路142的第二电流互感器148联接到用于第一电力电子模块112的喷射设备150，且触发电路144的第三互感器154联接到用于第二电力电子模块114的喷射设备156。
在某些实施例中，触发电路134、142、及144中的一个或多个可包括电耦合到电流监测器140a-b的第一电流监测器输出端的阈值检测器。阈值检测器可被配置成使用从电流监测器140a-b接收的电流信号来判断沿控制支路104传输的电流何时超过阈值。在一个实施例中，触发电路134可位于控制板132上，其中控制板132相对于地而设置成相对低的电压，而控制支路104的其他元件(例如，旁通电力电子模块120)处于相对较高的电压(例如，几千伏)。因此，触发电路134可光学耦合到旁通电力电子模块120，且可具体来说配置有发光二极管(图中未示出)以将信号传送到旁通电力电子模块120。相似地，触发电路142可位于控制板160上，且触发电路144可位于控制板162上。在操作中，当电流监测器140a-b确定已超过电流阈值时，阈值监测器可发送控制信号来关断旁通电力电子模块120、第一电力电子模块112、和/或第二电力电子模块114。
尽管在上述实施例中，控制板132、160和/或162中的一个或多个可从控制支路104的电流监测器140a-b接收所监测的电流，然而，在其他实施例中，可提供电阻器作为电流监测器的一部分。在这些实施例中，控制支路104的所监测电流经由电阻器被转变成电压且被作为电压发送至相应的控制板。在此种实施例中，控制板的电流源可被电压源取代，其中阈值检测器检测何时超过阈值电压而非检测电流。在这些实施例中，可从控制板省略短路开关。另外，控制板可包括整流器，以用于对从电流监测器接收到的输入交流(ac)电压进行整流。因此，在正常操作中，在超过阈值电压时，控制板可发送信号来断开控制支路的固态开关。此外，在这些不包括电流监测器短路开关的实施例中，自我测试程序可因此省略对电流监测器短路开关进行的闭合及断开。
故障电流限制器100的t/s电路126可耦合到触发电路134、142、及144。在各种实施例中，监测电路128可包括耦合到所述多个电流监测器140a-b的多个输入端。监测电路128也可包括可编程测试计时器(图中未示出)以及用于接收比较器信号的至少一个比较器输入端。比较器输入端(图中未示出)可耦合到触发电路134、142、及144中的每一个中的比较器，其中比较器进一步耦合到所述多个电流监测器140a-b。
为便于检查故障电流限制器100的电力电子元件或检测电路系统中的问题或故障，故障检查系统110可提供不同组件的自我测试，而不会对故障电流限制器100的操作造成过于沉重的负担。在各种实施例中，可使用用户接口(例如，按钮、控制室信号或其他机制)来手动地启动自我测试。在其他实施例中，计时器(例如可编程测试计时器)可产生自我测试信号，其中自我测试是周期性地(例如，以规则的间隔)产生。一旦自我测试信号被启动，指令便可被发送至给定的电路，其中所述电路可位于控制板中。用于接收自我测试信号的控制板可接着启动自我测试。
在某些实施例中，自我测试可包括如下测试顺序：所述测试顺序首先执行检测控制支路104中的即时电流过零点的操作，其中电流过零是根据通过故障电流限制器100的交流电流的频率间隔地出现。在接下来的操作中，检测到下一电流过零点或接下来的电流过零点。这可使得电路(例如其中一个触发电路)中的逻辑能够预测发生接下来的电流过零点的间隔。
在某些实施例中，可使用以下测试顺序来判断旁通电力电子模块120是否良好。第一次系统测试包括开始位置，所述开始位置包括正常地位于闭合位置的第一电力电子模块112、第二电力电子模块114以使负载电流流过。旁通电力电子模块120及断路器124在旁通电路138中断开。接下来，断路器124闭合，且t/s电路126检查电流监测器140-a来观察电流是否流经旁通电路138中的旁通电力电子模块120。如果电流监测器140-a检测到电流，则旁通电力电子模块120被确定为不正确地发挥功能。然后，可产生错误指示/消息，且可重复进行系统检查。
在第二次系统测试中，旁通电力电子模块120被闭合。在这种情况下，电流监测器140-a可能检测到有一定的电流现正在旁通电路138中流动。如果未检测到电流，则如断开的电路所指示，旁通电力电子模块120已出现故障。然后，可产生错误指示/消息，且可重复进行系统检查。
在第三次系统测试中，首先经由旁通电路138供应电流。如果操作正确，则电流监测器140-a及t/s电路126将检测到电流且接着关断旁通电力电子模块120。如果旁通电力电子模块120未关断，或者未检测到电流，则可接着产生错误指示/消息，且可重复进行系统检查。如果满足第一次系统测试、第二次系统测试及第三次系统测试，则旁通电力电子模块120可被确定为良好的且操作正确。
接下来，可使用以下测试顺序来判断第一电力电子模块112、第二电力电子模块114是否良好。一个系统测试包括：首先使电流流过旁通电路138；以及接着将电流注入到第一电力电子模块112中。如果操作正确，则电流监测器140-b及t/s电路126将检测到电流且接着关断第一电力电子模块112。如果第一电力电子模块112没有关断，或者未检测到电流，则可接着产生错误指示/消息，且可重复进行系统检查。
相似地，可通过首先使电流流过旁通电路138、以及接着将电流注入到第二电力电子模块114中来测试第二电力电子模块114。如果操作正确，则电流监测器140-b及t/s电路126将检测到电流且接着关断第二电力电子模块114。如果第二电力电子模块114没有关断，或者未检测到电流，则可接着产生错误指示/消息，且可重复进行系统检查。如果满足这些系统测试，则第一电力电子模块112及第二电力电子模块114可被确定为良好的且操作正确。
图2显示根据本公开内容实施例的示例性过程流程200。如图中所示，过程流程200可包括提供用于传输第一电流的电流限制支路，如方块201所示。过程流程200可包括提供与所述电流限制支路并联的控制支路，所述控制支路传输第二电流，且所述控制支路包括故障检查系统，如方块203所示。过程流程200可进一步包括监测经过旁通电路的电流，以判断所述旁通电路及所述旁通电力电子模块是否正确发挥功能，如方块205所示。过程流程200可进一步包括监测经过第一电力电子模块及第二电力电子模块中的至少一个的电流，以判断第一电力电子模块和/或第二电力电子模块是否正确发挥功能，如方块207所示。
图3至4显示用于判断故障检查系统(例如，图1所示故障检查系统110)是否正确地发挥功能的示例性过程流程300。如图中所示，过程流程300包括提供处于闭合位置的第一电力电子模块及第二电力电子模块，并提供处于断开位置的旁通电力电子模块及旁通电路的断路器，如方块301所示。过程流程300进一步包括提供经过第一电力电子模块及第二电力电子模块的电流，如方块303所示。过程流程300进一步包括将旁通电路的断路器闭合，如方块305所示，以及在将断路器闭合之后检测是否有电流流经所述旁通电路，如方块307所示。如果是，则过程流程300继续前进至方块309。如果否，则过程流程300会在方块308处产生指示旁通电力电子模块未能使电路短路的错误消息，且过程流程300结束。
过程流程300可进一步包括将旁通电力电子模块从断开位置切换到闭合位置，如方块309所示。过程流程300进一步包括在将断路器闭合之后，判断是否有电流流经旁通电路，如方块311所示。如果是，则过程流程300继续前进至方块313。如果否，则所述过程会如方块312所示产生指示旁通电力电子模块未能断开电路的错误消息，且过程流程300接着结束。
接下来，过程流程300可包括引入经过旁通电路监测系统的电流，如方块313所示，以及判断第一电流监测器是否检测到经由所述旁通电路供应的电流并断开旁通电力电子模块，以使电流停止流动，如方块315所示。如果否，则没有电流在旁通电路中流动，且过程流程300继续前进至方块317。如果是，则有电流在旁通电路中流动，所述过程会在方块316处产生指示旁通触发器电路出现故障的错误消息，且过程流程300接着结束。
接下来，过程流程300通过以下方式判断第一电力电子模块是否正确发挥功能：将第一电力电子模块从闭合位置切换到断开位置以为经过旁通电路的电流提供路线，如方块317所示；以及向第一电力电子模块电路监测系统引入电流，如方块319所示。过程流程300接着判断第一电流监测器是否检测到经由主电路供应的电流并断开第一电力电子模块，如方块321所示，以停止电流流动。如果否，则没有电流在主电路(例如，包括第一电力电子模块及第二电力电子模块、但不包括旁通电路的连接)中流动，且过程流程300继续前进至方块323。如果是，则有电流在主电路中流动，过程流程300会在方块320处产生指示第一电力电子模块模块或其触发器电路已出现故障的错误消息，且过程流程300结束。
接下来，过程流程300通过以下方式判断第二电力电子模块是否正确发挥功能：将第一电力电子模块复位至闭合位置，如方块323所示；以及向第二电力电子模块电路监测系统引入电流，如方块325所示。过程流程300接着判断第一电流监测器是否检测到经由主电路供应的电流并断开第二电力电子模块，以停止电流流动，如方块327所示。如果否，则没有电流在主电路中流动，且过程流程300继续前进至方块329。如果是，则有电流在主电路中流动，所述过程会在方块326处产生指示第二电力电子模块或其触发器电路已出现故障的错误消息。
最终，过程流程300将第二电力电子模块复位回其闭合位置，如方块329所示，并断开旁通电力电子模块及断路器，如方块331所示。向测试系统报告例如″故障电流系统操作正确″等消息，如方块333所示，从而结束测试过程。
综上所述，包括用于电流互感器的冗余电路及来自控制板的交叉触发的各种实施例提供两个优点：第一个优点包括提供稳健的系统以确保网络始终得到保护，第二个优点是提供便于监测故障电流限制器内的电力电子模块(包括旁通电路的旁通电力电子模块)的状态且对故障电流限制器的操作影响最小的手段。
本公开内容的范围不受本文所述具体实施例限制。实际上，通过阅读以上说明及附图，对所属领域中的普通技术人员来说，除本文所述实施例及润饰以外的本公开内容其他各种实施例及对本公开内容的各种润饰也将显而易见。因此，这些其他实施例及润饰都旨在落于本公开内容的范围内。此外，本文中已在用于具体目的的具体环境中的具体实作方式的上下文中阐述了本公开内容。所属领域中的普通技术人员将认识到，其适用性并不仅限于此且本公开内容可出于任意数目的目的而有益地实作于任意数目的环境中。因此，以上提出的权利要求应根据本文所述本公开内容的全部广度及精神来加以解释。