一种附加二极管的模块化限流断路器功率模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种附加二极管的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；所述功率子模块的反并联电路1和反并联电路2串联后与并联的阻尼电路和避雷器并联；所述反并联电路1和所述反并联电路2包括带反并联二极管的可关断器件和与所述带反并联二极管的可关断器件反并联的附加二极管，所述反并联电路1的附加二极管阴极与所述反并联电路2的附加二极管阴极连接；所述附加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附加二极管；这种限流断路器功率模块降低了模块化固态限流器的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】一种附加二极管的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，具体涉及一种附加二极管的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，稳态损耗大是该故障电流限制器最大的缺陷。
【发明内容】
:
[0013]本发明的目的在于提供一种附加二极管的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:一种附加二极管的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反并联电路1、反并联电路2、阻尼电路和避雷器；所述反并联电路I和所述反并联电路2串联后与并联的阻尼电路和避雷器并联；
[0016]所述反并联电路I和所述反并联电路2包括带反并联二极管的可关断器件和与所述带反并联二极管的可关断器件反并联的附加二极管，所述反并联电路I的附加二极管阴极与所述反并联电路2的附加二极管阴极连接；
[0017]所述附加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附加二极管。
[0018]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。
[0019]进一步，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。
[0020]进一步，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。
[0021]优选的，所述反并联电路I包括一个或一个以上带反并联二极管的可关断器件并联后与一个或一个以上附加二极管并联。
[0022]进一步，反并联电路2包括一个或一个以上带反并联二极管的可关断器件并联后与一个或一个以上附加二极管并联。
[0023]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形成。
[0024]优选的，两个或两个以上所述功率模块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。
[0025]进一步，两个或两个以上所述功率模块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。
[0026]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。
[0027]与最接近的技术方案相比，本发明具有如下有益效果:
[0028]1、本功率模块实现了整个限流断路器的标准化和冗余设计，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；
[0029]2、本功率模块的稳态损耗少，降低了故障电流限制器或固态断路器的运行成本，提闻了可罪性；
[0030]3、功率模块的稳态损耗减少，降低了冷却系统的散热量要求，从而使冷却系统的重量下降、成本减少和体积缩小，使模块化固态限流器的重量下降、成本减少和体积缩小，
更具竞争力。
【专利附图】
【附图说明】:
[0031]图1为功率子模块原理图；
[0032]图2为RCD的阻尼电路原理图；
[0033]图3为LRCD的阻尼电路原理图；
[0034]图4为两个附加二极管与两个带反并联二极管的IGCT并联的功率子模块原理图；
[0035]图5为两个带反并联二极管的IGCT与一个附加二极管并联的功率子模块原理图；
[0036]图6为并联功率电阻的功率模块；
[0037]图7为并联电抗器的功率模块；
[0038]图8为两个功率子模块串联后与电抗器并联的功率模块原理图；
[0039]图9为功率模块的级联原理图。
【具体实施方式】:
[0040]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:
[0041]模块化限流断路器功率模块的功率子模块原理图如图1所示:
[0042]图1中采用的附加二极管Dl和D2可以是标准恢复二极管(Standard RecoveryDiodes, SRD)，也可以是碳化硅二极管等性能较好，且通态压降比较低的二极管；
[0043]图1中采用的可关断器件为IGCT，但可以用超级门极可关断晶闸管SGT0，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT),集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors, IGCT),门极可关断晶闸管(Gate Turn-OffThyristor, GTO)或注入增强栅晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT)。
[0044]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，图1中的避雷器仅用于限制因系统操作产生的过电压，为金属氧化物避雷器、金属氧化物限压器、碳化硅避雷器、管式避雷器中的任意一种。
[0045]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或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。图1中采用的阻尼电路为简洁的RC阻尼电路；
[0046]图1中的阻尼电路也可采用图2中的RCD的阻尼电路，图3中的LRCD阻尼电路，或者其他阻尼电路方案，例如LC阻尼电路和各种有源阻尼电路等。
[0047]通常，SGTO、IGBT、IGCT等器件集成的反并联二极管都属于快速恢复二极管(FastRecovery Diode,FRD)。FRD是一种具有开关特性好、反向恢复时间短等特点的半导体二极管，但相应的通态压降要高些。附加二极管SRD是一种具有大电流处理能力、通态压降低等特点的半导体二极管，但SRD是为工频工作条件进行优化和设计的，不适用高频或者需要快速恢复的工况。
[0048] 正常运行时，如图1中所示的功率子模块流经线路电流或负载电流，由于附加二极管SRD的通态压降比FRD的通态压降低，因此线路电流或负载电流流经附加的二极管，即SRD,再经过IGCTl或IGCT2后流出本功率子模块。由于附加二极管SRD的通态压降比FRD的通态压降低，因此，功率子模块的稳态损耗将有显著减少。
[0049]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。如图1所示:关断过程中，由IGCTl或IGCT2承受整个功率子模块两端的电压UM，二极管(包括反并联二极管和附加的二极管)不需要承受电压降；由于IGCTl或IGCT2承担断开线路电流或负载电流的责任，即使二极管不具有快速恢复能力，也不影响整个功率子模块去开断线路电流或负载电流。
[0050]因此，附加标准恢复二极管可以降低功率模块的稳态损耗，同时不影响功率模块正常时的通流和故障时的快速关断。
[0051]附加标准恢复二极管的功率子模块再并联适当的电阻或电抗(如图6或图7所示)形成功率模块，功率模块再通过级联以后(如图9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。
[0052]图1中，以ABB的相关电力电子器件产品试举一例。可关断器件采用ABB反向导通的 IGCT5SHZ19L6020。IGCT 中的门极换流晶闸管 GCT (Gate Commutated Thyristors)的断态重复峰值电压Vdkm(Repetitive peak off-state voltage)为5500V,最大通态平均电流 Ιτ(Αν)Μ(Max.average on-state current)为 840A。IGCT 中的二极管的最大通态平均电流 If(Av)m(Max.average on-state current)为 340A,门滥电压 V(FQ) (Threshold voltage)为2.7V,通态斜率电阻 rF(Slope resistance) % 2.23mΩ ?
[0053]附加的二极管采用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 5500V,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
[0054]显然，整流二极管的门槛电压Vfq和通态斜率电阻1>都要比IGCT的快速恢复反并联二极管的门槛电压Vfci和通态斜率电阻rF小许多，因此，二极管的稳态损耗至少要小50%以上。
[0055]图4中给出了另一种功率子模块，该功率子模块中包括两个带反并联二极管的IGCT和两个附加二极管并联；当然，也可以采用三个或三个以上带反并联二极管的IGCT与三个或三个以上附加二极管并联，以适应线路电流或负载电路比较大的工况。
[0056]图5中给出了两个反并联二极管的IGCT并联后再与一个附加二极管并联的情况，当然，也可以为三个或三个以上带反并联二极管的IGCT并联后再并联一个或一个以上附加二极管的相应组合。
[0057]图6中给出了并联功率电阻的功率模块。
[0058]图7中给出了并联电抗器的功率模块。[0059]图8中给出了将两个功率子模块串联后再并联一个电抗器的功率模块，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再并联一个电抗器的方案。当然，也可以采用两个或两个以上功率子模块串联后再并联一个功率电阻的方案。
[0060]图8中串联的功率子模块可以是图1中的功率子模块；也可以是图4或图5中的功率子模块。
[0061]图9中给出了功率模块的级联示意，串联的功率模块可以全是图4、图5、图6、图7或图8中的任意一种功率模块，也可以是上述几种功率模块的任意组合级联。
[0062]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反并联电路1、反并联电路2、阻尼电路和避雷器；所述反并联电路I和所述反并联电路2串联后与并联的阻尼电路和避雷器并联； 所述反并联电路I和所述反并联电路2包括带反并联二极管的可关断器件和与所述带反并联二极管的可关断器件反并联的附加二极管，所述反并联电路I的附加二极管阴极与所述反并联电路2的附加二极管阴极连接； 所述附加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附加二极管。
2.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。
3.如权利要求2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: 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。
4.如权利要求3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: 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。
5.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: 所述反并联电路I包括一个或一个以上带反并联二极管的可关断器件并联后与一个或一个以上附加二极管并联。
6.如权利要求5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: 反并联电路2包括一个或一个以上带反并联二极管的可关断器件并联后与一个或一个以上附加二极管并联。
7.如权利要求1或5或6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形成。
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: 两个或两个以上所述功率模块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。
9.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: 两个或两个以上所述功率模块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。
10.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】H02H7/10GK103986122SQ201410201467
【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