基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器。本實用新型包括機械開關(guān)、電力電子復(fù)合開關(guān)、緩沖電路、限流電路以及續(xù)流二極管。所述的機械開關(guān)主要用于通過直流線路的正常工作電流；電力電子復(fù)合開關(guān)與機械開關(guān)并聯(lián)，包括IGBT閥組T1及晶閘管組T2；緩沖電路與電力電子復(fù)合開關(guān)并聯(lián)，包括電容CT、第一電阻RT及第一二極管DT，用于限制線路分斷時電力電子復(fù)合開關(guān)兩端的電壓上升率；限流電路與機械開關(guān)串聯(lián)，包括電感L、第二電阻RL及第二二極管DL；續(xù)流二極管與直流負載反并聯(lián)，在線路開斷后用于線路電感及負載能量的續(xù)流。本實用新型采用的故障預(yù)處理控制策略，能顯著縮短故障發(fā)生后線路開斷的時間。
【專利說明】基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種直流斷路器，尤其是一種基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器。
【背景技術(shù)】
[0002]面對經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，用戶對電力系統(tǒng)提出了更加環(huán)境友好、更加安全可靠、更加優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟并支持用戶與電網(wǎng)雙向互動等諸多要求。研究資料表明，基于直流的配電網(wǎng)具有比現(xiàn)有交流配電網(wǎng)更好的性能，研究兼具可靠性、安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性的直流配電網(wǎng)具有巨大的市場價值和經(jīng)濟價值，對于提高我國電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性與靈活性，建立環(huán)保、高效的智能電力系統(tǒng)有著重要的意義。然而，制約柔性直流配電網(wǎng)研究與應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一，就是缺乏實用的高壓直流斷路器。因此，研發(fā)新型直流斷路器，提高直流斷路器容量，已經(jīng)成為當前直流斷路器發(fā)展的目標，也是目前我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和電力建設(shè)、發(fā)展迫切需要解決的實際問題。
[0003]由于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(shè)計方案主要可分為機械斷路器與固態(tài)斷路器兩大類。雖然近幾年直流斷路器技術(shù)已經(jīng)有了長足的進步，但從目前的研究情況來看，大多數(shù)科研機構(gòu)對于直流斷路器的研究還基本處于樣機試制和驗證階段，容量較小且集中在一些特殊的領(lǐng)域，無法投入工程應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器，同時提供了其采用的故障預(yù)處理控制策略，不僅能在直流系統(tǒng)正常工作時控制直流線路的通斷，還能在直流電路發(fā)生短路故障時開斷短路電流，并顯著縮短故障發(fā)生后線路開斷的時間。
[0005]本實用新型所述的基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器，包括直流電源、機械開關(guān)、電力電子復(fù)合開關(guān)、緩沖電路、限流電路、續(xù)流二極管、直流負載。
[0006]機械開關(guān)僅包括一個機械開關(guān)S，續(xù)流二極管僅包括一個續(xù)流二極管D。直流電源的正極分別與機械開關(guān)S —端、電力電子復(fù)合開關(guān)的正端、緩沖電路一端相連接，負極分別與續(xù)流二極管D陽極以及直流負載一端相連接，機械開關(guān)S另一端分別與電力電子復(fù)合開關(guān)負端、緩沖電路另一端、限流電路一端相連接，限流電路另一端分別與續(xù)流二極管D陰極以及直流負載另一端相連接。
[0007]電力電子復(fù)合開關(guān)包括IGBT 閥組 T1 (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)和晶閘管組T2，IGBT閥組T1的集電極為電力電子復(fù)合開關(guān)的正端，與機械開關(guān)S —端相連接，IGBT閥組T1的發(fā)射極與晶閘管組T2的陽極串聯(lián)，晶閘管組T2的陰極為電力電子復(fù)合開關(guān)的負端，與機械開關(guān)S另一端相連。IGBT閥組T1是由多個IGBT串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合而成；晶閘管組T2是由多個晶閘管串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合而成。[0008]緩沖電路包括電容Ct、第一電阻Rt和第一二極管Dt,第一電阻Rt —端分別與第一二極管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管Dt陽極、電力電子復(fù)合開關(guān)的正端相連接，電容Ct另一端與電力電子復(fù)合開關(guān)的負端相連接。
[0009]限流電路包括電感L、第二電阻&、第二二極管隊，第二電阻& 一端與第二二極管Dl陽極串聯(lián)，第二二極管^陰極分別與電感L 一端以及電力電子復(fù)合開關(guān)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(xù)流二極管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(fā)生或線路需要開斷時，同時向機械開關(guān)與電力電子復(fù)合開關(guān)發(fā)出動作指令，令機械開關(guān)分閘、電力電子復(fù)合開關(guān)閉合，此時限流電路中的電感L阻礙短路電流的上升，由于機械開關(guān)的通態(tài)電阻遠小于電力電子復(fù)合開關(guān)，電力電子復(fù)合開關(guān)仍處于關(guān)斷狀態(tài)。機械開關(guān)開始起弧，當機械開關(guān)兩端電壓達到電力電子復(fù)合開關(guān)的導(dǎo)通電壓時，電力電子復(fù)合開關(guān)導(dǎo)通，流經(jīng)機械開關(guān)的短路電流逐漸轉(zhuǎn)移至電力電子復(fù)合開關(guān)部分，機械開關(guān)等效電阻逐漸增大，機械開關(guān)斷開。此時對電力電子復(fù)合開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號，電力電子復(fù)合開關(guān)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(yīng)產(chǎn)生反電勢，使第二二極管^導(dǎo)通，電感L被旁路，其中的能量經(jīng)第二二極管^與第二電阻&釋放，從而避免與緩沖電路電容Ct串聯(lián)引起的震蕩；直流負載中的能量則經(jīng)續(xù)流二極管D續(xù)流釋放，短路故障被切除。
[0012]另外，本實用新型采用一種故障預(yù)處理控制策略，即“預(yù)關(guān)斷一關(guān)斷(或恢復(fù))”策略。當線路電流變化率超出設(shè)定值，直流系統(tǒng)電流瞬時值尚未超出閾值時，判定為故障即將發(fā)生，開始進行“預(yù)關(guān)斷”過程，即立即開始將線路電流換流至電力電子復(fù)合開關(guān)回路，并開始計時。繼續(xù)檢測線路電流瞬時值，若在設(shè)定時間內(nèi)電流值超出閾值，則判定為故障發(fā)生，直接向電力電子復(fù)合開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號，繼續(xù)完成斷路器關(guān)斷流程；若在設(shè)定時間內(nèi)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(guān)回路，直流斷路器恢復(fù)正常運行。
[0013]本實用新型的有益效果在于:
[0014]本實用新型其負載側(cè)具有續(xù)流二極管D，在直流線路分斷后為直流線路及負載中儲存的能量提供釋放回路，操作安全；其電力電子復(fù)合開關(guān)由IGBT及晶閘管串(并)聯(lián)構(gòu)成，有效降低開關(guān)管串(并)聯(lián)個數(shù)及技術(shù)難度；將限流電路、機械開關(guān)、電力電子復(fù)合開關(guān)結(jié)合，限流電路與開關(guān)部分串聯(lián)，結(jié)構(gòu)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；采用一種故障預(yù)處理控制策略，顯著縮短故障發(fā)生后線路開斷的時間。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(jié)構(gòu)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復(fù)合開關(guān)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(guān)系調(diào)整方法示意圖；
[0020]圖6是本實用新型中故障預(yù)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(guān)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、第一二極管Dt、第二二極管^、續(xù)流二極管D、電感L、線路電感Ls、機械開關(guān)(電力電子復(fù)合開關(guān))兩端電壓VS、IGBT閥組電壓Vn、晶閘管組電壓Vt2、機械開關(guān)電流is、電力電子復(fù)合開關(guān)電流iT、緩沖電路電容電流ic、限流電路電感電流1、限流電路二極管電流im、續(xù)流二極管電流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(jīng)過的時間t17、階段I所經(jīng)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(fù)正向阻斷特性的時間tsatoff、tSCEoff時刻電力電子復(fù)合開關(guān)兩端的電壓值Vs(tSQtoff)、限流電感電流最大值itaax、電力電子復(fù)合開關(guān)兩端電壓最大值Vsmax、電力電子復(fù)合開關(guān)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單管兩端并聯(lián)電阻R’ KBT、晶閘管單管兩端的并聯(lián)電阻R’ sai。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0025]如圖1所示，基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器，包括直流電源1、機械開關(guān)2、電力電子復(fù)合開關(guān)3、緩沖電路4、限流電路5、續(xù)流二極管6、直流負載7。
[0026]機械開關(guān)2僅包括一個機械開關(guān)S，續(xù)流二極管6僅包括一個續(xù)流二極管D。直流電源I的正極分別與機械開關(guān)S—端、電力電子復(fù)合開關(guān)3的正端、緩沖電路4一端相連接，負極分別與續(xù)流二極管D陽極以及直流負載一端相連接，機械開關(guān)S另一端分別與電力電子復(fù)合開關(guān)負端、緩沖電路另一端、限流電路一端相連接，限流電路另一端分別與續(xù)流二極管D陰極以及直流負載另一端相連接。
[0027]電力電子復(fù)合開關(guān) 3 包括 IGBT 閥組 T1 (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)和晶閘管組T2，IGBT閥組T1的集電極為電力電子復(fù)合開關(guān)的正端，與機械開關(guān)S—端相連接，IGBT閥組T1的發(fā)射極與晶閘管組T2的陽極串聯(lián)，晶閘管組T2的陰極為電力電子復(fù)合開關(guān)的負端，與機械開關(guān)S另一端相連。IGBT閥組T1是由多個IGBT串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合而成；晶閘管組T2是由多個晶閘管串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合而成。
[0028]緩沖電路包括電容Ct、第一電阻Rt和第一二極管DT，第一電阻Rt —端分別與第一二極管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管Dt陽極、電力電子復(fù)合開關(guān)的正端相連接，電容Ct另一端與電力電子復(fù)合開關(guān)的負端相連接。
[0029]限流電路包括電感L、第二電阻&、第二二極管隊，第二電阻& 一端與第二二極管Dl陽極串聯(lián)，第二二極管^陰極分別與電感L 一端以及電力電子復(fù)合開關(guān)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(xù)流二極管D陰極相連接。
[0030]如圖2所示，對基于電力電子復(fù)合開關(guān)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(qū)間I ):直流線路正常供電，電力電子復(fù)合開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，機械開關(guān)(電力電子復(fù)合開關(guān))兩端電壓Vs為零，機械開關(guān)電流is為線路正常供電電流。
[0032]&~t2 (區(qū)間IIht1時刻發(fā)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(fā)出機械開關(guān)分閘信號及電力電子復(fù)合開關(guān)導(dǎo)通信號。
[0033]t2~t3 (區(qū)間III):為機械開關(guān)S動作延時時間。由于機械開關(guān)(電力電子復(fù)合開關(guān))兩端電壓Vs小于電力電子復(fù)合開關(guān)導(dǎo)通電壓，電力電子復(fù)合開關(guān)仍處于關(guān)斷狀態(tài)，短路電流i繼續(xù)上升。
[0034]t3~t4 (區(qū)間IV):t3時刻，機械開關(guān)S開始斷開，其兩端電壓上升。
[0035]t4~t5 (區(qū)間V ): t4時刻，機械開關(guān)(電力電子復(fù)合開關(guān))兩端電壓Vs達到電力電子復(fù)合開關(guān)導(dǎo)通電壓，電力電子復(fù)合開關(guān)開始導(dǎo)通，由于IGBT閥組T1導(dǎo)通時間遠小于晶閘管閥組T2，在T1導(dǎo)通的過程中，T2尚未導(dǎo)通，復(fù)合開關(guān)電流iT為零。t5時刻，IGBT閥組T1導(dǎo)通完成。
[0036]t5~t6 (區(qū)間VI):晶閘管閥組T2開始導(dǎo)通，電力電子復(fù)合開關(guān)電流iT上升，機械開關(guān)電流is下降，短路電流逐漸由機械開關(guān)回路轉(zhuǎn)移至電力電子復(fù)合開關(guān)回路。t5時刻，機械開關(guān)電流is下降為零，晶閘管閥組T2導(dǎo)通完成。
[0037]t6~t7 (區(qū)間VD:機械開關(guān)S進入零電流分閘過程，短路電流完全由電力電子復(fù)合開關(guān)回路承擔，電力電子復(fù)合開關(guān)電流iT繼續(xù)上升。t7時刻，機械開關(guān)S完成分閘，此時向IGBT閥組發(fā)出關(guān)斷信號。
[0038]t7~t8 (區(qū)間珊):在IGBT閥組T1的關(guān)斷過程中(區(qū)間VD，電力電子復(fù)合開關(guān)仍有電流流過，晶閘管閥組T2無法恢復(fù)正向阻斷特性，仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，其兩端電壓仍為其導(dǎo)通電壓，IGBT閥組電壓Vn上升，電力電子復(fù)合開關(guān)電流iT下降，機械開關(guān)(電力電子復(fù)合開關(guān))兩端電壓Vs上升。
[0039]t8~t9 (區(qū)間IX):t8時刻，IGBT閥組T1完全關(guān)斷，晶閘管閥組T2開始恢復(fù)其正向阻斷能力，其兩端電壓上升`，IGBT閥組電壓Vn下降后亦繼續(xù)上升。t9時刻，晶閘管閥組T2恢復(fù)正向阻斷能力，電力電子復(fù)合開關(guān)完全關(guān)斷。
[0040]t9時刻后(區(qū)間X ):由于緩沖電路中電容的存在，雖然電力電子復(fù)合開關(guān)完全關(guān)斷，但限流電路電感電流k及短路電流i仍會有短暫上升。而后電流開始下降，限流電路電感L感應(yīng)產(chǎn)生的反電勢使二極管^導(dǎo)通，直流線路電感產(chǎn)生的反電勢使續(xù)流二極管D導(dǎo)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(guān)(電力電子復(fù)合開關(guān))兩端電壓\上升至最大值(即電源電壓與電感L產(chǎn)生的反電勢之和)，限流電路二極管電流^及續(xù)流二極管電流iD亦上升至最大值。
[0041]如圖2~4所示，對基于電力電子復(fù)合開關(guān)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(shù)設(shè)計原則進行推導(dǎo)與說明。
[0042]器件承受的過電壓與過電流通常出現(xiàn)在直流斷路器開斷短路電流的過程中，假設(shè)接地故障電阻為0，且故障點位于斷路器出口處，即忽略線路阻抗。
[0043]從故障發(fā)生時刻U1)到發(fā)出電力電子復(fù)合開關(guān)關(guān)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(jīng)過的時間。
[0048]t7~t8時刻，IGBT閥組T1斷開，但晶閘管閥組T2仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時緩沖電路開始發(fā)揮作用，在晶閘管閥組T2恢復(fù)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于IGBT閥組，從而損壞器件。忽略T1的斷開時間，即1\于&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)由電力電子復(fù)合開關(guān)突然換流至緩沖電路，電容電流由O瞬變至限流電路電感電流iL,緩沖電路電容開始充電。該過程中，限流電路電感電流k繼續(xù)上升，限流電路晶閘管不導(dǎo)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，該時刻后，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(quán)利要求】
1.基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器，其特征是包括直流電源(I)、機械開關(guān)(2)、電力電子復(fù)合開關(guān)(3)、緩沖電路(4)、限流電路(5)、續(xù)流二極管(6)和直流負載(7);機械開關(guān)(2)包括一個機械開關(guān)S，續(xù)流二極管(6)包括一個續(xù)流二極管D，直流電源(I)的正極分別與機械開關(guān)S—端、電力電子復(fù)合開關(guān)(3)的正端以及緩沖電路(4) 一端相連接，負極分別與續(xù)流二極管D陽極以及直流負載(7)—端相連接，機械開關(guān)S另一端分別與電力電子復(fù)合開關(guān)(3)負端、緩沖電路(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(xù)流二極管D陰極以及直流負載(7)另一端相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器，其特征是電力電子復(fù)合開關(guān)(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復(fù)合開關(guān)(3)的正端，與機械開關(guān)S—端相連接，IGBT閥組T1的發(fā)射極與晶閘管組T2的陽極串聯(lián)，晶閘管組T2的陰極為電力電子復(fù)合開關(guān)(3)的負端，與機械開關(guān)S另一端相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器，其特征是緩沖電路(4)包括電容Ct、第一電阻Rt及第一二極管Dt,第一電阻Rt —端分別與第一二極管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管Dt陽極以及電力電子復(fù)合開關(guān)(3)的正端相連接，電容Ct另一端與電力電子復(fù)合開關(guān)(3)的負端相連接。
4.如權(quán)利要求1所述的基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器，其特征是限流電路(5)包括電感L、第二電阻&及第二二極管隊，第二電阻& 一端與第二二極管^陽極串聯(lián)，第二二極管陰極分別與電感L 一端以及電力電子復(fù)合開關(guān)(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(xù)流二極管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(yōu)先權(quán)日:2013年6月27日
【發(fā)明者】江道灼, 鄭歡, 吳兆麟, 張弛 申請人:浙江大學