基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器的製造方法
2023-05-07 03:05:26 1
基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器。本實用新型包括機械開關、電力電子複合開關、緩衝電路、限流電路以及續流二極體。所述的機械開關主要用於通過直流線路的正常工作電流；電力電子複合開關與機械開關並聯，包括IGBT閥組T1及晶閘管組T2；緩衝電路與電力電子複合開關並聯，包括電容CT、第一電阻RT及第一二極體DT，用於限制線路分斷時電力電子複合開關兩端的電壓上升率；限流電路與機械開關串聯，包括電感L、第二電阻RL及第二二極體DL；續流二極體與直流負載反並聯，在線路開斷後用於線路電感及負載能量的續流。本實用新型採用的故障預處理控制策略，能顯著縮短故障發生後線路開斷的時間。
【專利說明】基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種直流斷路器，尤其是一種基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器。
【背景技術】
[0002]面對經濟社會的快速發展，用戶對電力系統提出了更加環境友好、更加安全可靠、更加優質經濟並支持用戶與電網雙向互動等諸多要求。研究資料表明，基於直流的配電網具有比現有交流配電網更好的性能，研究兼具可靠性、安全性、穩定性、經濟性的直流配電網具有巨大的市場價值和經濟價值，對於提高我國電力系統的安全性、經濟性、穩定性與靈活性，建立環保、高效的智能電力系統有著重要的意義。然而，制約柔性直流配電網研究與應用的技術瓶頸之一，就是缺乏實用的高壓直流斷路器。因此，研發新型直流斷路器，提高直流斷路器容量，已經成為當前直流斷路器發展的目標，也是目前我國電力系統安全穩定運行和電力建設、發展迫切需要解決的實際問題。
[0003]由於直流電流不存在過零點，因而直流電弧的熄滅比交流電弧困難得多。目前，直流斷路器的設計方案主要可分為機械斷路器與固態斷路器兩大類。雖然近幾年直流斷路器技術已經有了長足的進步，但從目前的研究情況來看，大多數科研機構對於直流斷路器的研究還基本處於樣機試製和驗證階段，容量較小且集中在一些特殊的領域，無法投入工程應用。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提供一種基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器，同時提供了其採用的故障預處理控制策略，不僅能在直流系統正常工作時控制直流線路的通斷，還能在直流電路發生短路故障時開斷短路電流，並顯著縮短故障發生後線路開斷的時間。
[0005]本實用新型所述的基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器，包括直流電源、機械開關、電力電子複合開關、緩衝電路、限流電路、續流二極體、直流負載。
[0006]機械開關僅包括一個機械開關S，續流二極體僅包括一個續流二極體D。直流電源的正極分別與機械開關S —端、電力電子複合開關的正端、緩衝電路一端相連接，負極分別與續流二極體D陽極以及直流負載一端相連接，機械開關S另一端分別與電力電子複合開關負端、緩衝電路另一端、限流電路一端相連接，限流電路另一端分別與續流二極體D陰極以及直流負載另一端相連接。
[0007]電力電子複合開關包括IGBT 閥組 T1 (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)和晶閘管組T2，IGBT閥組T1的集電極為電力電子複合開關的正端，與機械開關S —端相連接，IGBT閥組T1的發射極與晶閘管組T2的陽極串聯，晶閘管組T2的陰極為電力電子複合開關的負端，與機械開關S另一端相連。IGBT閥組T1是由多個IGBT串聯、並聯或串並聯組合而成；晶閘管組T2是由多個晶閘管串聯、並聯或串並聯組合而成。[0008]緩衝電路包括電容Ct、第一電阻Rt和第一二極體Dt,第一電阻Rt —端分別與第一二極體Dt陰極、電容Ct 一端相連接,第一電阻Rt另一端分別與第一二極體Dt陽極、電力電子複合開關的正端相連接，電容Ct另一端與電力電子複合開關的負端相連接。
[0009]限流電路包括電感L、第二電阻&、第二二極體隊，第二電阻& 一端與第二二極體Dl陽極串聯，第二二極體^陰極分別與電感L 一端以及電力電子複合開關的負端相連接，第二電阻&另一端分別與電感L另一端以及續流二極體D陰極相連接。
[0010]本實用新型工作過程如下:
[0011]當短路故障發生或線路需要開斷時，同時向機械開關與電力電子複合開關發出動作指令，令機械開關分閘、電力電子複合開關閉合，此時限流電路中的電感L阻礙短路電流的上升，由於機械開關的通態電阻遠小於電力電子複合開關，電力電子複合開關仍處於關斷狀態。機械開關開始起弧，當機械開關兩端電壓達到電力電子複合開關的導通電壓時，電力電子複合開關導通，流經機械開關的短路電流逐漸轉移至電力電子複合開關部分，機械開關等效電阻逐漸增大，機械開關斷開。此時對電力電子複合開關發出關斷信號，電力電子複合開關斷開，線路上的短路電流迅速下降，限流電路中的電感L感應產生反電勢，使第二二極體^導通，電感L被旁路，其中的能量經第二二極體^與第二電阻&釋放，從而避免與緩衝電路電容Ct串聯引起的震蕩；直流負載中的能量則經續流二極體D續流釋放，短路故障被切除。
[0012]另外，本實用新型採用一種故障預處理控制策略，即「預關斷一關斷(或恢復)」策略。當線路電流變化率超出設定值，直流系統電流瞬時值尚未超出閾值時，判定為故障即將發生，開始進行「預關斷」過程，即立即開始將線路電流換流至電力電子複合開關迴路，並開始計時。繼續檢測線路電流瞬時值，若在設定時間內電流值超出閾值，則判定為故障發生，直接向電力電子複合開關發出關斷信號，繼續完成斷路器關斷流程；若在設定時間內電流值始終未超出閾值，則重新將線路電流換流至機械開關迴路，直流斷路器恢復正常運行。
[0013]本實用新型的有益效果在於:
[0014]本實用新型其負載側具有續流二極體D，在直流線路分斷後為直流線路及負載中儲存的能量提供釋放迴路，操作安全；其電力電子複合開關由IGBT及晶閘管串(並)聯構成，有效降低開關管串(並)聯個數及技術難度；將限流電路、機械開關、電力電子複合開關結合，限流電路與開關部分串聯，結構簡單，分段速度快，達到限制直流線路短路電流上升率、避免線路電壓電流震蕩、有效開斷直流線路短路電流的目的；採用一種故障預處理控制策略，顯著縮短故障發生後線路開斷的時間。本實用新型為解決直流線路短路電流開斷問題提供了一套安全、高效、方便的方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的原理結構示意圖；
[0016]圖2是本實用新型中開斷過程波形圖；
[0017]圖3是本實用新型中能量釋放過程等效電路圖；
[0018]圖4是本實用新型中各無源元件及複合開關的能量釋放過程波形示意圖；
[0019]圖5是本實用新型中IGBT閥組與晶閘管閥組分壓關係調整方法示意圖；
[0020]圖6是本實用新型中故障預處理控制策略示意圖；[0021]圖7是本實用新型中仿真電路圖；
[0022]圖8是本實用新型中開斷過程仿真波形圖；
[0023]機械開關S、IGBT閥組T1、晶閘管組T2、電容Ct、第一電阻Rt、第二電阻&、線路電阻Rs、負載電阻R、第一二極體Dt、第二二極體^、續流二極體D、電感L、線路電感Ls、機械開關(電力電子複合開關)兩端電壓VS、IGBT閥組電壓Vn、晶閘管組電壓Vt2、機械開關電流is、電力電子複合開關電流iT、緩衝電路電容電流ic、限流電路電感電流1、限流電路二極體電流im、續流二極體電流iD、直流線路短路電流1、直流電源電壓Vd。、線路正常工作電流iw、ti時刻至t7時刻所經過的時間t17、階段I所經歷的時間tsec;1、限流電感的能量釋放時間tsec;2a、短路電流的能量釋放時間tsec;21、晶閘管閥組T2恢復正向阻斷特性的時間tsatoff、tSCEoff時刻電力電子複合開關兩端的電壓值Vs(tSQtoff)、限流電感電流最大值itaax、電力電子複合開關兩端電壓最大值Vsmax、電力電子複合開關兩端電壓達到最大值所需的時間tVmax、IGBT閥組等效漏電阻R1、晶閘管閥組等效漏電阻R2、IGBT單管漏電阻Rkbt、晶閘管單管漏電阻RSCK、IGBT單管兩端並聯電阻R』 KBT、晶閘管單管兩端的並聯電阻R』 sai。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0025]如圖1所示，基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器，包括直流電源1、機械開關2、電力電子複合開關3、緩衝電路4、限流電路5、續流二極體6、直流負載7。
[0026]機械開關2僅包括一個機械開關S，續流二極體6僅包括一個續流二極體D。直流電源I的正極分別與機械開關S—端、電力電子複合開關3的正端、緩衝電路4一端相連接，負極分別與續流二極體D陽極以及直流負載一端相連接，機械開關S另一端分別與電力電子複合開關負端、緩衝電路另一端、限流電路一端相連接，限流電路另一端分別與續流二極體D陰極以及直流負載另一端相連接。
[0027]電力電子複合開關 3 包括 IGBT 閥組 T1 (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)和晶閘管組T2，IGBT閥組T1的集電極為電力電子複合開關的正端，與機械開關S—端相連接，IGBT閥組T1的發射極與晶閘管組T2的陽極串聯，晶閘管組T2的陰極為電力電子複合開關的負端，與機械開關S另一端相連。IGBT閥組T1是由多個IGBT串聯、並聯或串並聯組合而成；晶閘管組T2是由多個晶閘管串聯、並聯或串並聯組合而成。
[0028]緩衝電路包括電容Ct、第一電阻Rt和第一二極體DT，第一電阻Rt —端分別與第一二極體Dt陰極、電容Ct 一端相連接,第一電阻Rt另一端分別與第一二極體Dt陽極、電力電子複合開關的正端相連接，電容Ct另一端與電力電子複合開關的負端相連接。
[0029]限流電路包括電感L、第二電阻&、第二二極體隊，第二電阻& 一端與第二二極體Dl陽極串聯，第二二極體^陰極分別與電感L 一端以及電力電子複合開關的負端相連接，第二電阻&另一端分別與電感L另一端以及續流二極體D陰極相連接。
[0030]如圖2所示，對基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器的原理與工作過程進行說明。
[0031]O~h (區間I ):直流線路正常供電，電力電子複合開關處於關斷狀態，機械開關(電力電子複合開關)兩端電壓Vs為零，機械開關電流is為線路正常供電電流。
[0032]&~t2 (區間IIht1時刻發生故障，限流電路電感L開始抑制短路電流i的上升。t2時刻，斷路器同時發出機械開關分閘信號及電力電子複合開關導通信號。
[0033]t2~t3 (區間III):為機械開關S動作延時時間。由於機械開關(電力電子複合開關)兩端電壓Vs小於電力電子複合開關導通電壓，電力電子複合開關仍處於關斷狀態，短路電流i繼續上升。
[0034]t3~t4 (區間IV):t3時刻，機械開關S開始斷開，其兩端電壓上升。
[0035]t4~t5 (區間V ): t4時刻，機械開關(電力電子複合開關)兩端電壓Vs達到電力電子複合開關導通電壓，電力電子複合開關開始導通，由於IGBT閥組T1導通時間遠小於晶閘管閥組T2，在T1導通的過程中，T2尚未導通，複合開關電流iT為零。t5時刻，IGBT閥組T1導通完成。
[0036]t5~t6 (區間VI):晶閘管閥組T2開始導通，電力電子複合開關電流iT上升，機械開關電流is下降，短路電流逐漸由機械開關迴路轉移至電力電子複合開關迴路。t5時刻，機械開關電流is下降為零，晶閘管閥組T2導通完成。
[0037]t6~t7 (區間VD:機械開關S進入零電流分閘過程，短路電流完全由電力電子複合開關迴路承擔，電力電子複合開關電流iT繼續上升。t7時刻，機械開關S完成分閘，此時向IGBT閥組發出關斷信號。
[0038]t7~t8 (區間珊):在IGBT閥組T1的關斷過程中(區間VD，電力電子複合開關仍有電流流過，晶閘管閥組T2無法恢復正向阻斷特性，仍處於導通狀態，其兩端電壓仍為其導通電壓，IGBT閥組電壓Vn上升，電力電子複合開關電流iT下降，機械開關(電力電子複合開關)兩端電壓Vs上升。
[0039]t8~t9 (區間IX):t8時刻，IGBT閥組T1完全關斷，晶閘管閥組T2開始恢復其正向阻斷能力，其兩端電壓上升`，IGBT閥組電壓Vn下降後亦繼續上升。t9時刻，晶閘管閥組T2恢復正向阻斷能力，電力電子複合開關完全關斷。
[0040]t9時刻後(區間X ):由於緩衝電路中電容的存在，雖然電力電子複合開關完全關斷，但限流電路電感電流k及短路電流i仍會有短暫上升。而後電流開始下降，限流電路電感L感應產生的反電勢使二極體^導通，直流線路電感產生的反電勢使續流二極體D導通，線路及限流電路電感L中的能量開始釋放。某一時刻，限流電路電感電流k下降率達到最大值，機械開關(電力電子複合開關)兩端電壓\上升至最大值(即電源電壓與電感L產生的反電勢之和)，限流電路二極體電流^及續流二極體電流iD亦上升至最大值。
[0041]如圖2~4所示，對基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器的限流過程、能量釋放過程及參數設計原則進行推導與說明。
[0042]器件承受的過電壓與過電流通常出現在直流斷路器開斷短路電流的過程中，假設接地故障電阻為0，且故障點位於斷路器出口處，即忽略線路阻抗。
[0043]從故障發生時刻U1)到發出電力電子複合開關關斷信號時刻(t7)，電源電壓Vd。與限流電路電感兩端電壓相等，如圖2所示。該過程中，限流電路電感電流上升率可表示為
?//
[0044]=v^⑴
[0045]式中L為限流電路電感，iL為限流電路電感電流，Vdc為直流電源電壓。t7時刻k上升至[0046]lUi=K+J^dJn(2)
[0047]式中iU7為t7時刻的限流電路電感電流，Iw為線路正常工作電流，t17為h時刻至t7時刻所經過的時間。
[0048]t7~t8時刻，IGBT閥組T1斷開，但晶閘管閥組T2仍處於導通狀態，此時緩衝電路開始發揮作用，在晶閘管閥組T2恢復正向阻斷能力前，限制IGBT閥組斷開過程中的電壓上升率，避免電源電壓直接加於IGBT閥組，從而損壞器件。忽略T1的斷開時間，即1\於&時刻瞬間斷開，則直流斷路器的等效電路如圖3所示。t7時刻，線路電流(即限流電路電感電流)由電力電子複合開關突然換流至緩衝電路，電容電流由O瞬變至限流電路電感電流iL,緩衝電路電容開始充電。該過程中，限流電路電感電流k繼續上升，限流電路晶閘管不導通，令該階段為階段I ;限流電路電感電流k上升至最大值時，diydt=o，該時刻後，k開始下降，令其為階段2。
[0049]忽略線路阻抗與故障電阻，階段I能用以下微分方程組表示
【權利要求】
1.基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器，其特徵是包括直流電源(I)、機械開關(2)、電力電子複合開關(3)、緩衝電路(4)、限流電路(5)、續流二極體(6)和直流負載(7);機械開關(2)包括一個機械開關S，續流二極體(6)包括一個續流二極體D，直流電源(I)的正極分別與機械開關S—端、電力電子複合開關(3)的正端以及緩衝電路(4) 一端相連接，負極分別與續流二極體D陽極以及直流負載(7)—端相連接，機械開關S另一端分別與電力電子複合開關(3)負端、緩衝電路(4)另一端以及限流電路(5)—端相連接，限流電路(5)另一端分別與續流二極體D陰極以及直流負載(7)另一端相連接。
2.如權利要求1所述的基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器，其特徵是電力電子複合開關(3)包括IGBT閥組T1及晶閘管組T2，IGBT閥組T1的集電極為電力電子複合開關(3)的正端，與機械開關S—端相連接，IGBT閥組T1的發射極與晶閘管組T2的陽極串聯，晶閘管組T2的陰極為電力電子複合開關(3)的負端，與機械開關S另一端相連接。
3.如權利要求1所述的基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器，其特徵是緩衝電路(4)包括電容Ct、第一電阻Rt及第一二極體Dt,第一電阻Rt —端分別與第一二極體Dt陰極以及電容Ct 一端相連接，第一電阻Rt另一端分別與第一二極體Dt陽極以及電力電子複合開關(3)的正端相連接，電容Ct另一端與電力電子複合開關(3)的負端相連接。
4.如權利要求1所述的基於電力電子複合開關的限流式混合直流斷路器，其特徵是限流電路(5)包括電感L、第二電阻&及第二二極體隊，第二電阻& 一端與第二二極體^陽極串聯，第二二極體陰極分別與電感L 一端以及電力電子複合開關(3)的負端相連接，第二電阻&另一端分別與電感L另一`端以及續流二極體D陰極相連接。
【文檔編號】H02J1/00GK203387155SQ201320377055
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年6月27日 優先權日:2013年6月27日
【發明者】江道灼, 鄭歡, 吳兆麟, 張弛 申請人:浙江大學