直流开关及其直流供能装置的制作方法

本实用新型属于直流输电技术领域，具体涉及直流开关及其直流供能装置。

背景技术：

在直流配网系统中，直流开关的供能系统主要采用传统的交流工频ct供能方案，例如公告为cn206117315u的中国实用新型专利，该专利提出了一种用于直流断路器功率模块的供电电路，通过若干个工频隔离变压器的方式实现高低压侧绝缘及系统绝缘的处理，适用于交流站用电的直流配网系统。然而，在直流配电网中，尤其是在不提供交流站用电的直流配网系统中，现有的供能方式已经无法满足直流开关的供电需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种直流开关及其直流供能装置，用于解决现有技术的供能方式无法满足不提供交流站用电时直流开关的供电需求问题。

基于上述目的，一种直流开关的直流供能装置的技术方案如下：

包括dc/dc电源，该dc/dc电源包括逆变电路、谐振电路、隔离变压器和整流电路，所述逆变电路、谐振电路、隔离变压器和整流电路依次串联连接，所述逆变电路的输入端用于连接直流储能设备或直流供电电源；

交流电流源，所述交流电流源的输入端连接所述整流电路，用于将所述整流电路输出的直流源转换成交流源，所述交流电流源的输出端连接有穿心电缆；

若干个ac/dc电源模块和取能磁环，每个ac/dc电源模块的输入端连接一个取能磁环的副边绕组，各取能磁环穿设在所述穿心电缆上，所述穿心电缆用作各取能磁环的原边绕组；每个ac/dc电源模块的输出端用于为所述直流开关中的一个功率模块供电。

上述技术方案的有益效果是：

本实用新型的直流供能装置适用于不提供交流站用电的直流配网系统，该直流供能装置首先通过dc/dc电源将直流储能设备或直流供电电源的直流电依次经过逆变、谐振、隔离变压和整流，实现原副边电气隔离，输出合适电压等级的直流信号，同时满足高、低压侧绝缘隔离要求；然后利用交流电流源，对接收的直流信号进行处理，为后级的ac/dc电源模块提供高频电流源信号，最后ac/dc电源模块利用取能磁环从交流电流源处取能，用于为直流开关中的功率模块供电。本实用新型的直流供能装置能够满足高电位取能的绝缘设计要求，且供能系统配置灵活，扩展能力强，即：1)可根据系统功率模块数量多少实现ac/dc驱动电源模块的不同配置；2)根据系统电压等级，选择不同耐压规格的穿心电缆即可满足一次回路与ac/dc电源模块的隔离；3)根据系统电压等级，配置耐压等级相当的直流隔离变压器，实现一次回路与二次供电回路的绝缘要求。本实用新型的直流供能装置，可广泛应用于10kv-35kv的直流配电网中的直流开关或断路器产品中。

为了减小隔离变压器的变比，同时又能满足直流开关的电压需求，进一步，所述dc/dc电源还包括：

升压电路，升压电路的输入端用于连接所述直流储能设备或直流供电电源，升压电路的输出端与所述逆变电路的输入端连接。

本实用新型的直流供能装置通过升压电路和隔离变压器共同作用实现电压升压作用，先通过升压电路进行第一次升压，再通过隔离变压器进行第二次升压，相对于使用隔离变压器进行单独升压的方式，通过升压电路和隔离变压器结合升压，一方面能够减小隔离变压器的变比，更容易绕制，初次级间耦合好、漏感小；另一方面原、副边实现电压范围输入、输出，适应范围更加广范。

进一步，所述直流供能装置还包括：

滤波电路，该滤波电路包括滤波电感和滤波电容，滤波电感和滤波电容串联连接，且滤波电感和滤波电容的串联端用于连接所述直流储能设备或直流供电电源，所述滤波电容的两端与所述升压电路的输入端连接。

通过上面的滤波电路，使直流储能设备或直流供电电源输出的电压纹波系数降低，减小输出波形中较大的脉动成分(即纹波)，最终使输出波形变得平滑，以获得波形较好的直流电压。

进一步，所述整流电路的输出端并联有第二电容，第二电容两端并联有阻性负载。

由于经过隔离变压器输出的电压为高电压，需要通过第二电容起到支撑电压作用，同时，设置阻性负载，用于在关闭直流供能装置时，通过阻性负载为高电压的第二电容放电。

基于上述目的，一种直流开关的技术方案如下：

该直流开关包括主支路、转移支路和耗能支路，所述转移支路上串设有若干个功率模块，还包括直流供能装置，所述直流供能装置包括：

dc/dc电源，该dc/dc电源包括逆变电路、谐振电路、隔离变压器和整流电路，所述逆变电路、谐振电路、隔离变压器和整流电路依次串联连接，所述逆变电路的输入端用于连接直流储能设备或直流供电电源；

交流电流源，所述交流电流源的输入端连接所述整流电路，用于将所述整流电路输出的直流源转换成交流源，所述交流电流源的输出端连接有穿心电缆；

若干个ac/dc电源模块和取能磁环，每个ac/dc电源模块的输入端连接一个取能磁环的副边绕组，各取能磁环穿设在所述穿心电缆上，所述穿心电缆用作各取能磁环的原边绕组；每个ac/dc电源模块的输出端用于为所述直流开关中的一个功率模块供电。

上述技术方案的有益效果是：

本实用新型的直流开关，利用直流供能装置为直流开关中的功率模块进行供电，且直流供能装置适用于不提供交流站用电的直流配网系统，该直流供能装置首先通过dc/dc电源将直流储能设备的直流电依次经过逆变、谐振、隔离变压和整流，实现原副边电气隔离，输出合适电压等级的直流信号，同时满足高、低压侧绝缘隔离要求；然后利用交流电流源，对接收的直流信号进行处理，为后级的ac/dc电源模块提供高频电流源信号，最后ac/dc电源模块利用取能磁环从交流电流源处取能，用于为直流开关中的功率模块供电。本实用新型的直流开关可广泛应用于10kv-35kv的直流配电网中。

进一步，所述转移支路上还串设有震荡电容和震荡电感，所述震荡电容的两端与所述整流电路的输出端连接。通过dc/dc电源，达到为转移支路上的震荡电容进行充电的目的。

进一步，所述整流电路的输出端并联有第二电容，第二电容两端并联有阻性负载。

由于经过隔离变压器输出的电压为高电压，需要通过第二电容起到支撑电压作用，同时，设置阻性负载，用于在关闭直流供能装置或直流供电电源时，通过阻性负载为高电压的第二电容放电。

进一步，所述dc/dc电源还包括：

升压电路，升压电路的输入端用于连接所述直流储能设备或直流供电电源，升压电路的输出端与所述逆变电路的输入端连接。

通过升压电路和隔离变压器共同作用实现电压升压作用，先通过升压电路进行第一次升压，再通过隔离变压器进行第二次升压，相对于使用隔离变压器进行单独升压的方式，通过升压电路和隔离变压器结合升压，能够减小隔离变压器的变比，更容易绕制，初次级间耦合好、漏感小。

进一步，所述直流供能装置还包括：

滤波电路，该滤波电路包括滤波电感和滤波电容，滤波电感和滤波电容串联连接，且滤波电感和滤波电容的串联端用于连接所述直流储能设备或直流供电电源，所述滤波电容的两端与所述升压电路的输入端连接。

通过上面的滤波电路，使直流储能设备输出的电压纹波系数降低，减小输出波形中较大的脉动成分(即纹波)，最终使输出波形变得平滑，以获得波形较好的直流电压。

附图说明

图1是本实用新型供能装置实施例的一种直流开关的直流供能装置示意图；

图2-1是本实用新型供能装置实施例的dc/dc电源的拓扑结构图；

图2-2是本实用新型供能装置实施例的另一种dc/dc电源的拓扑结构图；

图3是本实用新型直流开关实施例的直流开关示意图；

图4是本实用新型直流开关实施例的一种直流开关的直流供能装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

供能装置实施例：

本实用新型的提出一种直流开关的直流供能装置，如图1所示，包括dc/dc电源，高频取能电流源dy(即交流电流源)，以及若干个ac/dc电源模块dy1、dy2、…、dyn和取能磁环。

其中，dc/dc电源用于进行直流变换，其输入端连接直流配网系统中的直流储能设备或直流供电电源，输出端连接高频取能电流源，高频取能电流源用于将dc/dc电源输出的直流源转换成交流源，高频取能电流源的输出端x1、x2连接有穿心电缆(为高压电缆)，各取能磁环穿设在穿心电缆上，且穿心电缆作为各取能磁环的原边绕组，各取能磁环的副边绕组对应连接一个ac/dc电源模块的输入端，ac/dc电源模块包括整流电路和稳压电路，用于对获取的交流电进行整流、稳压，每个ac/dc电源模块的输出端用于为直流开关中的一个功率模块供电。

本实施例中，dc/dc电源的拓扑结构如图2-1所示，该dc/dc电源包括依次串联连接的滤波电路、升压电路、逆变电路、谐振电路、隔离变压器和整流电路，具体的，滤波电路包括滤波电感l2和滤波电容c3，滤波电感l2和滤波电容c3串联连接，且滤波电感l2和滤波电容c3的串联端作为dc/dc电源的输入端，用于连接直流储能设备或直流供电电源。该滤波电路能够使输出的电压纹波系数降低，减小输出波形中较大的脉动成分(即纹波)，最终使输出波形变得平滑，以获得波形较好的直流电压。

本实施例中，升压电路(buck-boost电路)的拓扑结构如图2-1所示，包括第一电感l、可控开关s3、s4和第一电容c1，其中，第一电感l1的一端连接滤波电容c3和滤波电感l2的串联端，第一电感l1的另一端连接至可控开关s3、s3的串联端，可控开关s3、s3串联连接，形成开关串联支路，该开关串联支路与第一电容c1并联。该升压电路用于进行第一次升压，并与后级的隔离变压器配合，共同实现直流供能装置的电压升压作用。

本实施例中，逆变电路的拓扑结构如图2-1所示，包括两个可控开关，分别为可控开关s1和可控开关s2，通过轮流控制可控开关s1、s2的通断，实现直流逆变。

本实施例中，谐振电路和隔离变压器的拓扑结构如图2-1所示，谐振电路包括谐振电感lr、谐振电容cr和励磁电感lm，通过调整电容和电感的参数，输出高频交流信号。隔离变压器用于进行高、低压隔离，满足高、低压侧系统绝缘要求，且按照变比1：n进行升压。由于本实施例中通过升压电路和隔离变压器共同作用实现电压升压作用，先通过升压电路进行第一次升压，再通过隔离变压器进行第二次升压，相对于使用隔离变压器进行单独升压的方式，通过升压电路和隔离变压器结合升压，能够减小隔离变压器的变比，更容易绕制，初次级间耦合好、漏感小。

本实施例中，整流电路的拓扑结构如图2-1所示，包括二极管d1、d2、d3、d4，四个二极管构成h桥整流电路，实现交流信号的整流。并且，整流电路的输出端并联有第二电容c2，第二电容c2两端并联有电阻r1。由于经过隔离变压器输出的电压为高电压，需要通过第二电容c2起到支撑电压作用，同时，设置阻性负载(即电阻r1)，用于在关闭直流供能装置时，通过电阻r1为第二电容c2放电。

基于上述直流供能装置，具体实现的工作原理如下：

当系统上电时，dc/dc电源首先启动，经过滤波电路滤波，将直流dc110/220v电压通过buck-boost电路、谐振电路和隔离变压器，将后级电压升至500～700v左右(具体电压值可根据系统进行确认)，此时，高频取能电流源得电工作，高频取能电流源通过逆变电路将直流电压转换成交流电流源信号(即高频电流源信号)，再通过穿心电缆，各取能磁环将原边绕组的高频电流源信号感应到副边绕组，给ac/dc电源模块进行供电，由ac/dc电源模块为相应的功率模块供电。

本实施例中，高频取能电流源通过高频逆变回路实现，满足宽范围输入要求，电压输入范围为200～1500vdc，输出为高频电流源信号，具有过流、短路保护供能。

综上所述，本实用新型的直流供能装置解决了直流配网系统中无交流站用电供能设计的难点，通过高频送能方式实现对地绝缘、系统绝缘的要求，装置结构简单、抗干扰性能强、成本低、可靠性高、配置灵活，可广泛应用于10kv及以上的中压直流配电网系统中。本实用新型的直流供能装置既能满足直流供能的需求，又能够实现对地绝缘、系统绝缘的要求，特别适合在具有功率模块的快速直流开关或断路器的供能系统中使用，但不限于直流开关应用场合，也可以应用至柔性直流输电系统中。

本实施例中的升压电路是采用buck-boost电路来实现的，作为其他实施方式，还可以采用boost电路来实现，如图2-2所示，该boost电路包括电感l1、可控开关s5和二极管d5。另外，本实施例中的逆变电路还可以采用h桥逆变电路来实现，如图2-2所示，该h桥逆变电路包括由可控开关s1、s2构成的第一桥臂，以及可控开关s3、s4构成的第二桥臂。

图2-1所示的dc/dc电源中，采用滤波电路去除电压纹波，若输出波形中的脉动成分不大，也可以不采用滤波电路，直接采用升压电路的输入端连接直流储能设备或直流供电电源，如图2-2所示。

直流开关实施例：

本实施例提出一种直流开关，包括主支路、转移支路、耗能支路和直流供能装置，其中，主支路、转移支路和能量吸收支路如图3所示，主支路上设置有机械开关cb，主支路与转移支路并联，转移支路上设置有谐振电子开关、震荡电容c、承压电子开关单元、震荡电感l，谐振电子开关包括两个反向串联的igbt(t21、t22)，且每个igbt反向并联有二极管，谐振电子开关和震荡电容c的两端并联有限压避雷器f1，用于限制谐振电子开关和震荡电容c的端电压，以保护谐振电子开关。

承压电子开关单元包括7个具有双向导通功能的电子开关(1t1、1t2、…、1t7)，电子开关的结构与谐振电子开关的结构相同，每个电子开关并联有相应的限压避雷器(1f1、1f2、…、1f7)，用于限制电子开关的端电压，以保护电子开关。并且，承压电子开关单元的两端并联有能量吸收支路，能量吸收支路上设置耗能避雷器f2，用于在承压电子开关单元的端电压达到耗能避雷器的触发电压值时吸收转移支路上的电流。

直流供能装置的结构如图4所示，包括dc/dc电源，高频取能电流源dy(即交流电流源)，以及7个ac/dc电源模块dy1、dy2、…、dy7和7个取能磁环。dc/dc电源的输入端用于连接直流储能设备或直流供电电源，dc/dc电源的输出端一方面连接高频取能电流源(交流电流源)的输入端，为高频取能电流源提供直流源；另一方面，dc/dc电源的输出端还连接至转移支路上的震荡电容c，进行震荡电容的预充电，为谐振回路提供谐振电压。

高频取能电流源用于将直流源转换成交流源，高频取能电流源的输出端连接穿心电缆x1、x2，由7个取能磁环穿过穿心电缆x1、x2，实现取能并感应至副边绕组，各取能磁环的副边绕组连接每个ac/dc电源模块的输入端，每个ac/dc电源模块的输出端用于为图3所示的电子开关中的一个或两个igbt驱动器供电。并且，各ac/dc电源模块可以不等电位。

本实施例中的直流供能装置实现了两类供能，其中一类供能是通过dc/dc电源输出直流源，再依次经过高频取能电流源、取能磁环和ac/dc电源模块为各电子开关的工作供能；另一类供能是通过dc/dc电源输出直流源，为转移支路上的震荡电容c进行预充电，为转移支路上形成的谐振回路提供谐振电压。下面结合直流开关的工作原理来说明：

首先由直流供能装置为震荡电容c进行预充电，当需要分断系统电流时，先分断机械开关cb，机械开关cb由于没有分断直流电流的能力而拉弧，当检测到机械开关cb分到承压开距时，通过控制谐振电子开关中的igbt均导通，电子开关(1t1、1t2、…、1t7)中的igbt均导通；震荡电容c的电压经由谐振电子开关(t21、t22)-机械开关cb-震荡电感l-电子开关(1t1、1t2、…、1t7)中的igbt形成谐振回路，当谐振电流与流过机械开关cb的系统电流二者叠加形成叠加电流，当叠加电流产生电流过零点时，机械开关cb息弧阻断，谐振电子开关及电子开关中的igbt全部关断，大部分系统电流转移至能量吸收支路上的耗能避雷器f2中，小部分的系统电流由限压避雷器(f1、1f1、1f2、…、1f7)吸收。分断完毕后，由直流供能装置为震荡电容c进行预充电，进行下一次分断准备。

本实用新型的直流开关，利用直流供能装置为直流开关中的功率模块进行供电，且直流供能装置适用于不提供交流站用电的直流配网系统，该直流供能装置首先通过dc/dc电源将直流储能设备或直流供电电源的直流电依次经过逆变、谐振、隔离变压和整流，实现原副边电气隔离，输出合适电压等级的直流信号，同时满足高、低压侧绝缘隔离要求；然后利用交流电流源，对接收的直流信号进行处理，为后级的ac/dc电源模块提供高频电流源信号，最后ac/dc电源模块利用取能磁环从交流电流源处取能，用于为直流开关中的功率模块供电。本实用新型的直流开关可广泛应用于10kv-35kv的直流配电网中。

本实施例中dc/dc电源的具体实现过程参见上述供能装置实施例，已经在该实施例中进行了清楚、完整的介绍，本实施例不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。