一種直流微網的固態電子開關的短路保護電路及保護方法
2023-05-01 23:41:51 1
一種直流微網的固態電子開關的短路保護電路及保護方法
【專利摘要】本發明公開了一種直流微網的固態電子開關的短路保護電路及保護方法，短路保護電路包括RC緩衝支路和RD續流支路；RC緩衝支路並聯在固態電子開關上，RC緩衝支路的緩衝電容Cs的一端和電阻Rs的一端串聯連接，緩衝電容Cs的另一端接在V1的集電極上，電阻Rs的另一端接在V1的發射極上；RD續流支路由二極體D1、電阻R1、二極體D2和電阻R2依次串聯連接，二極體D1的陰極接在正母線上，電阻R2的另一端接在負母線上，二極體D2的陰極接信號地。本發明能防止固態電子開關開斷時兩端出現較大的尖峰電壓，降低短路電流對固態電子開關的衝擊，可有效切除線路上單極對地短路和極間短路故障，保護線路上其他電力電子器件不受損害，提高直流微電網安全性和可靠性。
【專利說明】—種直流微網的固態電子開關的短路保護電路及保護方法
[0001]
【技術領域】
[0002] 本發明屬於直流微電網【技術領域】，涉及一種固態電子開關的短路保護電路及保護方法，特別涉及一種直流微網輸電線路固態電子開關的短路保護電路及保護方法。
[0003]
【背景技術】
[0004]固態電子開關是用來快速切斷故障的一種新型電力自動化設備，因其具有開斷時間短、無弧、無光、無聲響、壽命長及工作可靠性高等優點，具有極高的應用前景。
[0005]然而，固態電子開關在直流領域的應用與交流相比較，有其自身的特點和難點:直流電流是恆定的，不像交流系統中存在自然過零點。在高壓大電流場合，固態電子開關開通過程中的電流上升率di/dt和關斷過程中的斷態電壓上升率du/dt非常大，可能會對功率器件造成損壞或擊穿。因此，直流固態電子開關不論採取何種功率器件作為主開關，面臨著di/dt、du/dt過大的問題，這是直流領域所特有的。此外，即使固態電子開關完成關斷動作，線路上電感所儲存的能量將在器件兩端產生過大的電壓，若不採取有效措施，則直流固態電子開關動作時將是在大電流、高電壓下的硬關斷，這將使其遭受巨大衝擊甚至損壞。
[0006]目前這個問題都沒有得到很好的解決，固態電子開關在直流領域中的應用就受到限制。在直流領域也有研究基於晶閘管的直流固態電子開關，例如中國發明專利(專利號:200910026473.8)提供的一種諧振型直流固態電子開關，其核心是採用諧振軟開關的方式，製造直流領域的過零點，實現功率器件的軟開通(關斷)，避免硬開通(關斷)對功率器件造成損壞，但該方案結構複雜，控制系統的設計難度較大，固態電子開關的可靠性較差，且由晶閘管組成的固態電子開關速動性較差，難以滿足直流微電網中快速、可靠切除故障的要求，故存在一定的局限性。專利號為201110154838.2的發明專利提供了一種直流固態斷路器，包括主開關單元和輔助開關單元，通過這兩個單元的配合控制，避免了因器件固有的漏電流而造成的儲能脈衝電容電壓降低而關斷不可靠及故障關斷時供電電源有很大的諧振電流流經的問題，但該直流固態斷路器是基於晶閘管的固態電子開關，同樣速動性較差，且若應用在直流微電網中，不能實現能量的雙向流動，因此，不適用於直流微電網。
[0007]
【發明內容】
[0008]針對上述現有技術存在的不足，本發明的目的是提供一種直流微網的固態電子開關的短路保護電路及保護方法，以避免開關動作瞬間承受的電壓(流)應力過大，實現固態電子開關的軟關斷，從而保證直流微電網輸電線路發生短路時，固態電子開關能快速、可靠切除短路故障部分，提高直流微電網供電安全性和可靠性。
[0009]本發明的保護電路所採用的技術方案是:一種直流微網的固態電子開關的短路保護電路，應用於直流微電網輸電線路，所述的固態電子開關為絕緣柵雙極電晶體IGBT電力電子器件，由反並聯二極體VD1的IGBT單管V1和反並聯二極體VD2的IGBT單管V2反串聯構成；其特徵在於:所述的短路保護電路包括RC緩衝支路和RD續流支路；所述的RC緩衝支路並聯在所述的固態電子開關上，RC緩衝支路的緩衝電容Cs的一端和電阻Rs的一端串聯連接，緩衝電容Cs的另一端接在V1的集電極上，電阻Rs的另一端接在V1的發射極上；所述的RD續流支路由二極體D1、電阻R1、二極體D2和電阻R2依次串聯連接，二極體D1的陰極接在正母線上，電阻R2的另一端接在負母線上，二極體D2的陰極接信號地。
[0010]本發明的保護方法所採用的技術方案是:一種直流微網的固態電子開關的短路保護方法，其特徵在於:分為兩個階段；第一階段為固態電子開關關斷時，直流微電網輸電線路短路電流由固態電子開關同時轉移到Re緩衝支路和RD續流支路上，防止固態電子開關關斷時出現較大的瞬時過電壓；第二階段為短路電流從RC緩衝支路上全部換流到RD續流支路上，電源端被隔離開，直流微電網輸電線路雜散電感L上儲存的能量主要通過RD續流支路的電阻和直流微電網輸電線路電阻消耗掉。
[0011]直流微電網輸電線路上的保護主要是縱聯電流差動保護，主要包括直流固態電子開關、Re緩衝支路、RD續流支路、電流霍爾傳感器H等。當線路發生單極對地短路故障時，在縱聯電流差動保護的作用下，發生短路的那條線路兩端的固態電子開關同時接受控制斷開，此時線路短路電流由固態電子開關同時轉移到RC緩衝支路和RD續流支路上，防止固態電子開關關斷時出現較大的瞬時過電壓，然後，短路電流從RC緩衝支路上全部換流到RD續流支路上，線路雜散電感L上儲存的能量將通過續流支路的電阻、線路電阻和接地電阻Rg消耗掉，因此，固態電子開關得以順利關斷，使該線路脫離微電網，達到切除故障的目的；當線路發生極間短路故障時，兩極線路兩端的固態電子開關將同時接收控制斷開，此時線路短路電流由固態電子開關同時轉移到RC緩衝支路和RD續流支路上，防止固態電子開關關斷時出現較大的瞬時過電壓，然後，短路電流從RC緩衝支路上全部換流到RD續流支路上，電源端被隔離開，線路雜散電感L上儲存的能量將通過續流支路的電阻和線路電阻消耗掉，因此，固態電子開關同樣得以順利關斷，使該線路脫離微電網，達到切除故障的目的。
[0012]本發明的技術優勢如下:
1、短路保護電路包括RC緩衝支路和RD續流支路，基於此電路拓撲結構的保護方法有效防止固態電子開關關斷時兩端出現較大的尖峰電壓，降低短路電流對固態電子開關的衝擊，保護線路上其他電力電子器件不受損害；
2、IGBT型固態電子開關不必等到電流自然過零時才能關斷，與晶閘管型固態電子開關相比，IGBT型固態電子開關動作控制靈活，速度快，具有在微秒級的時間內實現投切的能力，能滿足直流微電網中快速、可靠切除故障的要求。
[0013]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1:為本發明實施例的直流微電網線路的詳細模型圖；
圖2:為本發明實施例的單極接地短路時固態電子開關關斷前短路電流圖；
圖3:為本發明實施例的單極接地短路時固態電子開關關斷後短路電流續流通道圖；
圖4:為本發明實施例的極間短路時固態電子開關關斷前短路電流圖；圖5:為本發明實施例的極間短路時固態電子開關關斷後短路電流續流通道圖。
[0015]
【具體實施方式】
[0016]為了便於本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0017]請見圖1，本發明的保護電路所採用的技術方案是:一種直流微網的固態電子開關的短路保護電路，應用於直流微電網輸電線路，所述的固態電子開關為絕緣柵雙極電晶體IGBT電力電子器件，由反並聯二極體VD1的IGBT單管V1和反並聯二極體VD2的IGBT單管％反串聯構成；其特徵在於:所述的短路保護電路包括RC緩衝支路和RD續流支路；所述的RC緩衝支路並聯在所述的固態電子開關上，RC緩衝支路的緩衝電容Cs的一端和電阻Rs的一端串聯連接，緩衝電容Cs的另一端接在V1的集電極上，電阻Rs的另一端接在V1的發射極上；所述的RD續流支路由二極體Dp電阻R1、二極體D2和電阻R2依次串聯連接，二極體D1的陰極接在正母線上，電阻R2的另一端接在負母線上，二極體D2的陰極接信號地。
[0018]本實施例的直流微電網的輸電線路為雙極性輸電線路，線路等效模型採用兩個略去電導參數的η型模塊串聯形式，以分段式集中參數電阻R、電感L、電容C來模擬分布參數。中間增設線路模擬故障點，用來模擬單極對地短路和極間短路兩種短路故障類型。
[0019]當微電網正常工作時，直流固態電子開關Vp V2, V3> V4, V5, V6, V7, V8均處於開通狀態，能實現能量的雙向流動。若能量從母線一流向母線二，實際真正導通的開關管為％、ν3、v5、V7，反並聯的二極體vd2、VD4, VD6, VD8正嚮導通；若能量從母線二流向母線一，則真正導通的開關管為WV6> V8,反並聯的二極體VD1、VD3、VD5,VD7正嚮導通。此時，續流支路的二極體Dp D2、D3、D4反向截止，續流支路沒有電流通過。
[0020]下面以能量從母線一流向母線二的情況為實施例，對短路時固態電子開關關斷過程以及線路上短路電流的續流通道兩個階段進行詳細分析。
[0021]當線路上發生單極對地短路故障時，以正母線發生對地短路為例，在縱聯電流差動保護的作用下，直流固態電子開關H v3、V4同時斷開。
[0022]請見圖2，為本發明實施例的單極接地短路時固態電子開關關斷前短路電流圖，短路電流分別從母線側湧向短路故障點，分別流經固態電子開關VVDdPV4、VD3。階段一:在固態電子開關關斷時，線路短路電流由固態電子開關同時轉移到RC緩衝支路和RD續流支路上，線路短路電流通過電阻Rs向緩衝電容Cs分流，減輕了固態電子開關'、V4的負擔，抑制了 du/dt和過電壓，而固態電子開關V2本來就沒有真正導通，故不存在關斷時的緩衝問題，固態電子開關％在短路時由額定電流換流到反並聯的二極體VD3I，沒有短路電流的衝擊，故也不存在關斷時的緩衝問題，與此同時，續流支路中的二極體DpD3E向偏置，為短路電流提供續流通道；階段二:短路電流從RC緩衝支路上迅速全部換流到RD續流支路上，電源側被隔離，線路雜散電感L上儲存的能量通過續流支路的電阻、線路電阻和接地電阻Rg消耗掉。
[0023]請見圖3，為本發明實施例的單極接地短路時固態電子開關關斷後短路電流續流通道圖，短路電流從信號地處分成兩條支路，支路一流經電源，通過緩衝支路Cs和Rs、反並聯的二極體VD2流向故障點，支路二從信號地流向續流支路的電阻R1和二極體D1,經線路電阻R、電感L形成續流通道，洩放能量，另一側對稱。
[0024]當線路上發生極間短路故障時，在縱聯電流差動保護的作用下，固態電子開關Vpv2、v3、v4、v5、v6、v7、v8同時接受控制斷開。
[0025]請見圖4，為本發明實施例的極間短路時固態電子開關關斷前短路電流圖，正母線短路電流分別從母線側湧向短路故障點，負母線短路電流分別從故障點流向母線兩側。階段一:在固態電子開關關斷時，線路短路電流由固態電子開關同時轉移到RC緩衝支路和RD續流支路上，線路短路電流通過電阻Rs向緩衝電容Cs分流，分別由Vp V4, \、V7換流到各自的緩衝支路上，減輕了固態電子開關^4、￥6、￥7的負擔，抑制了 du/dt和過電壓，而固態電子開關V2和V8本來就沒有真正導通，故不存在關斷時的緩衝問題，固態電子開關V3和V5在短路時由額定電流換流到各自反並聯的二極體VD3和VD5上，沒有短路電流的衝擊，故也不存在關斷時的緩衝問題，與此同時，續流支路中的二極體D1、D2、D3、D4E向偏置，為短路電流提供續流通道；階段二:短路電流從RC緩衝支路上迅速全部換流到RD續流支路上，電源側被隔離，線路雜散電感L上儲存的能量通過續流支路的電阻和線路電阻消耗掉。
[0026]請見圖5，為本發明實施例的極間短路時固態電子開關關斷後短路電流續流通道圖，短路電流從線路分成兩條支路，支路一通過V7的緩衝支路Cs和Rs、反並聯的二極體VD8,電源、V1的緩衝支路Cs和Rs、反並聯的二極體VD2經線路電阻R、電感L流向故障點，支路二通過續流支路的電阻R2、二極體D2、電阻R1、二極體D1、線路電阻R、電感L回到故障點，形成續流通道，洩放能量，另一側對稱。
[0027]應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，並不能因此而認為是對本發明專利保護範圍的 限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護範圍之內，本發明的請求保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種直流微網的固態電子開關的短路保護電路，應用於直流微電網輸電線路，所述的固態電子開關為絕緣柵雙極電晶體IGBT電力電子器件，由反並聯二極體VD1的IGBT單管V1和反並聯二極體VD2的IGBT單管V2反串聯構成；其特徵在於:所述的短路保護電路包括RC緩衝支路和RD續流支路； 所述的RC緩衝支路並聯在所述的固態電子開關上，RC緩衝支路的緩衝電容Cs的一端和電阻Rs的一端串聯連接，緩衝電容Cs的另一端接在V1的集電極上，電阻Rs的另一端接在V1的發射極上； 所述的RD續流支路由二極體D1、電阻R1、二極體D2和電阻R2依次串聯連接，二極體D1的陰極接在正母線上，電阻R2的另一端接在負母線上，二極體D2的陰極接信號地。
2.一種直流微網的固態電子開關的短路保護方法，其特徵在於:分為兩個階段； 第一階段為固態電子開關關斷時，直流微電網輸電線路短路電流由固態電子開關同時轉移到RC緩衝支路和RD續流支路上，防止固態電子開關關斷時出現較大的瞬時過電壓；第二階段為短路電流從RC緩衝支路上全部換流到RD續流支路上，電源端被隔離開，直流微電網輸電線路雜散電感L上儲存的能量主要通過RD續流支路的電阻和直流微電網輸電線路電阻消耗掉。
【文檔編號】H02H7/28GK103928912SQ201410191972
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月8日 優先權日:2014年5月8日
【發明者】劉飛, 賴曉理, 鄧凱, 姚俊濤, 孫建軍, 李玉梅 申請人:武漢大學