一种配网联式直流断路器拓扑结构及其设计参数寻优方法与流程

1.本发明属于电气设备故障诊断技术领域，具体涉及一种配网联式直流断路器拓扑结构及其设计参数寻优方法。


背景技术：

2.近年来，为了减少碳排放，以低能耗、低污染为基础的“低碳经济”已成为全球关注的热点,储能装置以及可再生能源发电等各类电力电子换流器发展起来。但电网系统中经常出现断路器接地故障，短路电流过大，对电力电子设备造成大电流冲击，损坏晶闸管、二极管等电子器件，因此如何设计一个直流断路器的拓扑结构成为解决这一难题的关键。
3.直流断路器拓扑结构有纯机械式、固态式和混合式，现有的技术方法有的提出一种采用半控型器件代替全控型器件的固态断路器拓扑结构，减少了投入费用，但是不能实现完全的软关断，关断速度比全控型器件慢。有的提出了一种基于igbt串联技术的固态式方案，能够在10kv条件下关断实验，将直流断路器应用到更高的电压等级场合，但串联均压难度较大。有的提出了晶闸管与桥式igbt单元串联再与串联igbt单元并联的拓扑，通过对时序控制策略分析，验证了该策略能够有效保护各部分器件，确保直流断路器的安全运行。有的提出了一种在转移支路用晶闸管单元串联级联模块的拓扑结构，将级联模块应用到转移支路可以降低损耗，但增加了控制的复杂性。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种配网联式直流断路器拓扑结构及其设计参数寻优方法，本发明的具体技术方案如下：
5.一种配网联式直流断路器拓扑结构，包括主支路、转移支路和能耗支路；所述主支路、转移支路和能耗支路相互并联；所述主支路包括串联的晶闸管单元组以及反串接igbt，用于承载整个回路正常工作状态下的额定电流；所述转移支路包括桥式二极管组和三个级联模块；所述桥式二极管组由四个二极管d1、d2、d3、d4组成，每个级联模块由一个二极管、一个igbt、一个电容和一个电阻组成，所述二极管、一个igbt串联，再分别与一个电容和一个电阻并联；三个级联模块之间相互串联；所述能耗支路包括避雷器。
6.优选地，还包括第一限流电感l1、第二限流电感l2，第一限流电感l1、第二限流电感l2分别串联在主支路的两端，即第一限流电感l1、晶闸管单元组、反串接igbt、第二限流电感l2依次连接；转移支路和能耗支路的左端连接在第一限流电感l1与晶闸管单元组之间；转移支路右端分别连接在第二限流电感l2的两端。
7.优选地，还包括led灯，所述led灯连接在第一限流电感l1与晶闸管单元组之间，转移支路的左端连接在第一限流电感l1与led灯之间。
8.优选地，还包括接地续流二极管，所述接地续流二极管连接在转移支路的左端。
9.一种配网联式直流断路器拓扑结构及其设计参数寻优方法，包括以下步骤：
10.s1：建立所述的拓扑结构；
11.s2：对建立的拓扑结构进行时序控制分析；
12.s3：建立拓扑结构的拓扑参数数学模型；
13.s4：采用遗传算法对拓扑参数数学模型中的参数进行寻优，得到最优的拓扑结构的设计参数。
14.优选地，所述步骤s2中时序控制的过程是：
15.当主回路导通时，led指示灯亮，说明主回路正常导通，当有故障时，转移支路的igbt应全部导通，如果不是全部导通，检查回路直至转移支路igbt全部导通，转移支路的igbt全部导通后会关断主支路中的反串接igbt，这时流过反串接igbt的电流i2应该等于0，如果流过反串接igbt的电流i2不为0则需要检查主回路，流过反串接igbt的电流i2等于0的同时也会关断主支路中的晶闸管组，如果晶闸管组没有关断则需要检查主回路，之后则会关断转移支路的全部igbt，流入晶闸管组得电流i1等于0，如此完成故障切除。
16.优选地，所述步骤s3中的拓扑参数数学模型包括转移支路参数数学模型和能耗支路参数数学模型。
17.优选地，所述转移支路参数数学模型的建立过程如下：
18.首先对转移支路进行等效，忽略等效电阻r
dc
，根据等效电路图可以列出微分方程数学式：
[0019][0020]
其中，c
dc
是3个级联模块的等效电容值，l
dc
是拓扑结构中的等效电感，u是等效电路电源，u
dc
是等效电路中的等效电容电压。
[0021]
假设故障电流开始流过级联模块的时间为t1,流过级联模块的某一时间为t，故障电流为i4，流过单个级联模块电容的电流为i4，换流时间
△
t＝t-t1,则方程式(10)解如式(2)、(3)、(4)所示：
[0022][0023][0024][0025]
优选地，所述能耗支路参数数学模型如下：
[0026][0027]
其中，i5为流过避雷器的电流，q为能耗支路中的避雷器吸收的能量，l1为第一限流电感的电感值，l2为第二限流电感的电感值。
[0028]
优选地，所述步骤s4中包括以下步骤：
[0029]
s41：建立遗传算法的目标函数，目标函数为：
[0030][0031]
s42：设计约束条件，包括以下：
[0032]
级联模块的电阻
[0033][0034]
δt≤3r
dccdc
；
[0035]
s43：采用遗传算法进行寻优，得到最优的设计参数c
dc
、l
dc
、r，根据这样的优化设计参数可以得出拓扑结构中级联模块的等效电容值、电阻和等效电感，从而设计拓扑结构。
[0036]
本发明的有益效果为：在本发明中，设计的直流断路器拓扑结构采用igbt复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点，实现完全的软关断。采用桥式二极管组和续流二极管组d5，当短路故障发生在断路器右端时，转移支路电流流过二极管组d1、d3和级联模块结构，当短路故障发生在断路器左端时，转移支路电流流过二极管组d2、d4和级联模块结构，因此具有双向导通、阻断电流和双向切除故障的能力，实现短路故障时切除故障的时序控制功能，控制方法简单，同时将限流电感均匀分配在断路器两侧，防止电路中电压电流突变，吸收电感中过多的能量，减轻避雷器的压力，减小串联均压难度，减少避雷器通流容量和切除故障的整体时间。为了设计出这样的直流断路器拓扑结构，本发明方法使用遗传算法寻优，遗传算法的特性使得求解区域为全局，从全局区域进行搜索，求出的解在区域范围内为最优解，确保了直流断路器拓扑设计参数的最优。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0038]
图1为本发明的拓扑结构示意图；
[0039]
图2为本发明的设计方法流程图；
[0040]
图3为本发明实施例中时序控制的流程图；
[0041]
图4为转移支路的等效电路图；
[0042]
图5为本发明的实施例中的遗传算法的流程图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整
体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0045]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0046]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0047]
如图1所示，一种配网联式直流断路器拓扑结构，包括主支路、转移支路和能耗支路；所述主支路、转移支路和能耗支路相互并联；所述主支路包括串联的晶闸管单元组以及反串接igbt，用于承载整个回路正常工作状态下的额定电流；所述转移支路包括桥式二极管组和三个级联模块；所述桥式二极管组由四个二极管d1、d2、d3、d4组成，每个级联模块由一个二极管、一个igbt、一个电容和一个电阻组成，所述二极管、一个igbt串联，再分别与一个电容和一个电阻并联；三个级联模块之间相互串联，采用桥式二极管组和续流二极管组d5。
[0048]
当短路故障发生在断路器右端时，转移支路电流流过二极管组d1、d3和级联模块结构，当短路故障发生在断路器左端时，转移支路电流流过二极管组d2、d4和级联模块结构，因此具有双向导通、阻断电流和双向切除故障的能力；所述能耗支路包括避雷器。转移支路的主要作用在于解决多个igbt串联造成的动态均压问题。能耗支路保护系统中电气设备避免瞬间高过电压的危害，限制续流时间以及幅值，吸收回路中限流电感的储能。
[0049]
拓扑结构还包括第一限流电感l1、第二限流电感l2，用来抑制短路故障电流幅值；第一限流电感l1、第二限流电感l2分别串联在主支路的两端，即第一限流电感l1、晶闸管单元组、反串接igbt、第二限流电感l2依次连接；转移支路和能耗支路的左端连接在第一限流电感l1与晶闸管单元组之间；转移支路右端分别连接在第二限流电感l2的两端。
[0050]
拓扑结构还包括led灯，用来判断线路的导通状态，所述led灯连接在第一限流电感l1与晶闸管单元组之间，转移支路的左端连接在第一限流电感l1与led灯之间。
[0051]
具体地，主支路中，反串接igbt包括第一igbt和第二igbt，第一限流电感l1、led灯、晶闸管单元组依次串联，晶闸管单元组与第一igbt的集电极连接，第一igbt的发射极与第二igbt的发射极连接，第二igbt的集电极与第二限流电感l2连接。
[0052]
转移支路与主支路并联，级联模块中的igbt的集电极与二极管的阳极连接，电容和电阻的两端分别并联接至二极管的阴极、igbt的发射极。
[0053]
转移支路的一端连接在第一限流电感l1、led灯之间，第一限流电感l1的右端分别与led灯的左端、二极管d1的阳极，二极管d1的阴极分别与二极管d2的阴极、第一个级联模块中的igbt的集电极、第一个级联模块中的二极管的阳极连接。二极管d2的阳极连接至主支路中反串接igbt的第二igbt的集电极与第二限流电感l2之间。
[0054]
第一个级联模块的发射极连接至第二个级联模块的igbt的集电极和二极管的阳极之间，第二个级联模块的发射极连接至第三个级联模块的igbt的集电极和二极管的阳极之间。
[0055]
二极管d4的阴极连接至第一限流电感l1、led灯之间，二极管d4的阳极与二极管d3的阳极连接，二极管d3的阴极连接至第二限流电感l2的右端。接地续流二极管d5的一端连接至二极管d4的阳极与二极管d3的阳极之间，另一端接地。
[0056]
避雷器的一端连接至二极管d1的阴极，另一端分别连接至二极管d3的阳极、第三个级联模块的igbt的发射极。
[0057]
拓扑结构中的接地续流二极管d5用于防止电路中电压电流突变，吸收电感中过多的能量，减轻避雷器的压力，所述接地续流二极管d5连接在转移支路的左端。本发明提出的拓扑结构具有双向导通、阻断电流和双向切除故障的能力。当直流断路器右侧出现故障问题时，在转移支路中流过二极管d1、d3，当直流断路器左侧出现故障问题时，在转移支路中流过二极管d2、d4，与接地续流二极管d5配合，实现短路故障时切除故障的时序控制功能，将限流电感均匀分配在断路器两侧，减少避雷器通流容量和切除故障的整体时间。
[0058]
如图2所示，一种配网联式直流断路器拓扑结构及其设计参数寻优方法，包括以下步骤：s1：建立所述的拓扑结构；
[0059]
s2：对建立的拓扑结构进行时序控制分析；当直流断路器右侧出现故障问题时，在转移支路中流过二极管d1、d3，当直流断路器左侧出现故障问题时，在转移支路中流过二极管d2、d4，与接地续流二极管d5配合，实现短路故障时切除故障的时序控制功能，时序控制切除故障图具体见图3，时序控制的过程是：
[0060]
当主回路导通时，led指示灯亮，说明主回路正常导通，当有故障时，转移支路的igbt应全部导通，如果不是全部导通，检查回路直至转移支路igbt全部导通，转移支路的igbt全部导通后会关断主支路中的反串接igbt，这时流过反串接igbt的电流i2应该等于0，如果流过反串接igbt的电流i2不为0则需要检查主回路，流过反串接igbt的电流i2等于0的同时也会关断主支路中的晶闸管组，如果晶闸管组没有关断则需要检查主回路，之后则会关断转移支路的全部igbt，流入晶闸管组得电流i1等于0，如此完成故障切除。故障切除后将限流电感均匀分配在断路器两侧，减少避雷器通流容量和切除故障的整体时间。
[0061]
s3：建立拓扑结构的拓扑参数数学模型；拓扑参数数学模型包括转移支路参数数学模型和能耗支路参数数学模型。
[0062]
转移支路参数数学模型的建立过程如下：
[0063]
首先对转移支路进行等效，等效电路图具体见图4，由等效电阻、等效电容和二极管等元器件组成。等效电阻r
dc
较小，可忽略，根据等效电路图可以列出微分方程数学式：
[0064][0065]
其中，c
dc
是3个级联模块的等效电容值，l
dc
是拓扑结构中的等效电感，u是等效电路电源，u
dc
是等效电路中的等效电容电压。
[0066]
假设故障电流开始流过级联模块的时间为t1,流过级联模块的某一时间为t，故障电流为i4，流过单个级联模块电容的电流为i4，换流时间
△
t＝t-t1,则方程式(10)解如式(2)、(3)、(4)所示：
[0067][0068]
[0069][0070]
能耗支路参数数学模型如下：
[0071][0072]
其中，i5为流过避雷器的电流，q为能耗支路中的避雷器吸收的能量，l1为第一限流电感的电感值，l2为第二限流电感的电感值。
[0073]
s4：采用遗传算法对拓扑参数数学模型中的参数进行寻优，得到最优的拓扑结构的设计参数。在遗传算法优化过程中，把个体当做是染色体的组合。染色体决定了个体，染色体上基因的操作(选择、交叉、变异)直接作用于个体的形态。遗传算法根据所设的约束条件和目标函数，可以进行多次迭代优化计算，直至求出解，遗传算法的特性使得求解区域为全局，从全局区域进行搜索，所以求出的解在区域范围内为最优解，具体流程见图5，根据目标函数、约束条件和设计参数等创建初始群体，计算群体中每个个体的适应值，进行选择、交叉和变异等过程，直至在全局范围内找出最优解。包括以下步骤：
[0074]
s41：建立遗传算法的目标函数，目标函数为：
[0075][0076]
s42：设计约束条件，包括以下：
[0077]
因需要在避雷器吸收能量的时间完成电容放电，工程上认为3rc可完成放电，级联模块的电阻
[0078]
为了保证故障清除成功，要保证
[0079]
换流时间
△
t应尽量缩短，从而缩短切断故障的时间，要保证δt≤3r
dccdc
；
[0080]
s43：采用遗传算法进行寻优，得到最优的设计参数c
dc
、l
dc
、r，根据这样的优化设计参数可以得出拓扑结构中级联模块的等效电容值、电阻和等效电感，从而设计拓扑结构。
[0081]
遗传算法主要是借鉴自然界生物优胜劣汰的自然选择的方法。在自然界中，群体的遗传基因会通过选择、交叉和变异等来筛选出优质的基因，提高个体适应周围环境的能力。在遗传算法中，首先生成一个随机群体集合，随后将集合内数据用选择算子进行选择，提高群体的平均适应值，选择算子的操作是不会产生新的个体数据的，之后将集合数据通过交叉算子进行操作，交叉算子会使个体数据随机配对产生新的个体数据，这个决定了遗传算法在全局空间的搜索范围，而变异算子会使极少部分个体数据按照某种特定的方式发生变化，这种方法的运行模式可以设定目标函数，在给定取值范围内寻找符合条件的结果，也可以解决多目标函数的问题。与其他的优化算法作对比，遗传算法主要突出优势有三点：1)群体不唯一，从多个搜索方向同时全面展开，搜索范围广，全局性大；2)在求解最优值过程中，目标函数清晰，求解方法比较简单，不涉及复杂计算量大的方程式，可由智能优化搜索出最优解；3)存在多个搜索点，搜索方向不唯一，不容易陷入搜索死区。
[0082]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可
互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0083]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0084]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。