一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路，直流斷路器包括并聯(lián)的能量吸收單元和串聯(lián)閥段；輔助電路并聯(lián)在電力電子器件兩端，包括第一電容支路、第二電容支路、控制支路和放電支路；第一電容支路和控制支路組成第一并聯(lián)單元，第二電容支路和放電支路組成第二并聯(lián)單元；該第一并聯(lián)單元和第二并聯(lián)單元串聯(lián)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的本發(fā)明提供的一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路及其控制方法，能夠有效提高直流斷路器的關(guān)斷電流，并且降低關(guān)斷過程中每個電力電子器件兩端的過電壓，同時有效地抑制在電力電子器件短路時急劇提升的電應(yīng)力對電力電子器件造成的影響，對直流斷路器的性能提升起到了關(guān)鍵作用。
【專利說明】
一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路 及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流斷路器是直流輸、配電網(wǎng)中承載穩(wěn)態(tài)電流、關(guān)斷故障電流、關(guān)斷負(fù)荷電流的關(guān) 鍵設(shè)備，能夠限制故障范圍擴大并有效清除故障。隨著多端直流輸電技術(shù)、智能電網(wǎng)與直流 配網(wǎng)技術(shù)、分布式電源與直流微網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，直流斷路器對電網(wǎng)的可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì) 運行具有重要意義。同時，直流電流沒有自然過零點、開斷過電壓和能量吸收等問題也成為 直流斷路器研究難點。
[0003] 目前直流斷路器研究的技術(shù)路線以混合式直流斷路器為主，如ABB公司專利 W02011141054A1中采用機械開關(guān)和全控器件串聯(lián)的混合型直流斷路器，為實現(xiàn)主關(guān)斷支路 雙向通流，需要使元件數(shù)量加倍，大大提高設(shè)備成本；而國家電網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院專利 201310364653.3中采用全控型電力電子器件、機械開關(guān)直流負(fù)荷開關(guān)和續(xù)流二極管構(gòu)成的 混合型直流斷路器，則顯著降低了設(shè)備成本和控制復(fù)雜度。但由于母線與IGBT間，以及串聯(lián) IGBT間存在著雜散電感，使得串聯(lián)IGBT在關(guān)斷過程中將承受巨大的電氣應(yīng)力，同時基于該 拓補的直流斷路器的關(guān)斷電流值與ABB公司的方案相比有較大的提升空間，使得該專利在 實際應(yīng)用中面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為了滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提供了一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路 及其控制方法。
[0005] 第一方面，本發(fā)明中高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路的技術(shù)方案是：
[0006] 所述直流斷路器包括并聯(lián)的能量吸收單元和串聯(lián)閥段;所述能量吸收單元由至少 兩個避雷器并聯(lián)組成，所述串聯(lián)閥段由至少兩個電力電子器件串聯(lián)組成;所述輔助電路并 聯(lián)在電力電子器件兩端；
[0007] 所述輔助電路包括第一電容支路、第二電容支路、控制支路和放電支路；
[0008] 所述第一電容支路和控制支路組成第一并聯(lián)單元，所述第二電容支路和放電支路 組成第二并聯(lián)單元;該第一并聯(lián)單元和第二并聯(lián)單元串聯(lián)。
[0009] 優(yōu)選的，所述第一電容支路的正極與電力電子器件的集電極連接，第二電容支路 的負(fù)極與電力電子器件的發(fā)射極連接。
[0010] 優(yōu)選的，所述第一電容支路由第一電容和第一電阻串聯(lián)組成；
[0011]所述第二電容支路包括第二電容，所述第二電容的電容值大于第一電容的電容 值。
[0012]優(yōu)選的，所述控制支路包括晶閘管，該晶閘管的導(dǎo)通時間范圍為所述電力電子器 件在開始導(dǎo)通換流與關(guān)斷斷流之間的時間段。
[0013] 優(yōu)選的，所述放電支路包括第二電阻；
[0014] 所述第二電阻的阻值R的計算公式為：
[0015] R = t/C
[0016] 其中，τ為所述第二電容支路的電容放電時間常數(shù)，C為所述第二電容支路的容值。 第二方面，本發(fā)明中高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路控制方法的技術(shù)方案是：
[0017] 所述方法包括：
[0018]步驟1:采集電力電子器件集電極的電流，判斷電力電子器件是否導(dǎo)通；
[0019] 步驟2:在電力電子器件的導(dǎo)通時間內(nèi)觸發(fā)控制支路的晶閘管；
[0020] 步驟3:采集第二電容支路的充電電流，當(dāng)該充電電流電流由峰值下降為零時，關(guān) 斷所述晶閘管。
[0021 ] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)通時間為2ms。
[0022] 優(yōu)選的，所述步驟3中當(dāng)?shù)诙娙葜返某潆婋娏饔煞逯迪陆禐榱愕倪^程中，能量 吸收單元的避雷器導(dǎo)通，高壓短路電流流過所述避雷器進(jìn)行消耗。
[0023] 優(yōu)選的，當(dāng)所述高壓短路電流通過避雷器釋放完畢后，第二電容支路通過放電支 路進(jìn)行放電；
[0024] 當(dāng)所述第二電容支路放電完畢后，第一電容兩端的電壓值為電力電子器件兩端的 電壓值，第二電容兩端的電壓值為零。
[0025] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0026] 1、本發(fā)明提供的一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路及其控制方法，能夠有效 提高直流斷路器的關(guān)斷電流，并且降低關(guān)斷過程中每個電力電子器件兩端的過電壓，同時 有效地抑制在電力電子器件短路時急劇提升的電應(yīng)力對電力電子器件造成的影響，對直流 斷路器的性能提升起到了關(guān)鍵作用；
[0027] 2、本發(fā)明提供的一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路及其控制方法，當(dāng)電力電 子器件進(jìn)入短路狀態(tài)，工作在有源區(qū)而使電力電子器件的導(dǎo)通電壓Vce快速上升時，能夠有 效限制導(dǎo)通電壓Vce的上升，為驅(qū)動保護(hù)啟動爭取了時間。
【附圖說明】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0029] 圖1:本發(fā)明實施例中一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路示意圖；
[0030] 圖2:本發(fā)明實施例中一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路原理圖；
[0031] 圖3:本發(fā)明實施例中直流斷路器中斷流單元示意圖；
[0032] 圖4:本發(fā)明實施例中直流斷路器中斷流單元電路圖；
[0033]圖5:本發(fā)明實施例中T型直流斷路器拓?fù)湓韴D；
[0034] 其中，1:隔離開關(guān);2:限流電感;3:IGBT;4:快速機械開關(guān);5:IGBT;6:避雷器;7:串 聯(lián)閥段。
【具體實施方式】
[0035]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0036] 本發(fā)明提供的一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路的實施例如圖3和4所示，其 并聯(lián)在直流斷路器的串聯(lián)閥段和能量吸收單元的兩端，其中，
[0037] 本實施例中能量吸收單元和串聯(lián)閥段并聯(lián)連接，能量吸收單元由至少兩個避雷器 并聯(lián)組成，串聯(lián)閥段由至少兩個電力電子器件串聯(lián)組成。該輔助電路并聯(lián)在電力電子器件 兩端。
[0038] 如圖1所示，輔助電路包括第一電容支路、第二電容支路、控制支路和放電支路。其 中，
[0039] 第一電容支路和控制支路組成第一并聯(lián)單元，第二電容支路和放電支路組成第二 并聯(lián)單元;該第一并聯(lián)單元和第二并聯(lián)單元串聯(lián)。
[0040] 第一電容支路的正極與電力電子器件的集電極連接，第二電容支路的負(fù)極與電力 電子器件的發(fā)射極連接。
[0041 ] 1、第一電容支路
[0042] 如圖2所示，第一電容支路由第一電容C1和第一電阻R1串聯(lián)組成。
[0043]本實施例中第一電容的電容值取值較小，使得線路能夠正常工作，在電力電子器 件未開通的時候第一電容能夠承擔(dān)母線電壓。同時，第一電容支路也起到對控制電路的緩 沖作用，能夠有效減小控制支路中晶閘管關(guān)斷過程出線的電壓過沖與反向恢復(fù)電流。
[0044] 2、第二電容支路
[0045] 如圖2所示，第二電容支路包括第二電容C2。
[0046] 本實施例中由于第一電容C1對母線電壓起到隔離作用，使得電壓不會加到第二電 容C1上。第一電容C應(yīng)小于5Uf，因此第二電容C2的電容值大于第一電容C1的電容值。第二電 容的電容值取值較大，從而能夠保證第二電容在線路正常運行時不會有充電電流，在線路 故障時通過導(dǎo)通晶閘管被故障電流充電，一方面能夠吸收故障電路，另一方面能夠為電力 電子器件提供關(guān)斷電壓應(yīng)力與短路電壓應(yīng)力的緩沖。
[0047] 3、控制支路
[0048] 如圖2所示，控制支路包括晶閘管D1。
[0049] 本實施例中該晶閘管D1的導(dǎo)通時間范圍為電力電子器件在開始導(dǎo)通換流與關(guān)斷 斷流之間的時間段，即晶閘管D1在電力電子器件導(dǎo)通換流之后，電力電子器件關(guān)斷斷流之 前導(dǎo)通即可。在晶閘管導(dǎo)通之后，電力電子器件關(guān)斷之前，由于第二電容C2兩端承受的是電 力電子器件的導(dǎo)通電壓Vce，所以第二電容并未充電；當(dāng)電力電氣器件關(guān)斷之后，電力電子 器件兩端電壓由于線路電感和雜散電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓迅速上升，使得第二電容進(jìn)行充 電。
[0050] 4、放電支路
[00511 如圖2所示，放電支路包括第二電阻R2。
[0052 ]本實施例中第二電阻R2的阻值依據(jù)第二電容的放電時間確定。放電時間和靜態(tài)均 壓的要求使得第二電阻的取值不應(yīng)太大，而靜態(tài)均壓的功耗要求使得第二電阻的取值不應(yīng) 太小。第二電阻R2的阻值R的計算公式為：
[0053] R = t/C (1)
[0054] 其中，τ為所述第二電容支路中第二電容C2的電容放電時間常數(shù)，C為所述第二電 容C2的容值，本實施例中C = 50uF。
[0055]本發(fā)明提供的高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路的控制方法為：
[0056] 1、采集電力電子器件集電極的電流，判斷電力電子器件是否導(dǎo)通。
[0057] 本實施例中導(dǎo)通時間為2ms。
[0058] 2、在電力電子器件的導(dǎo)通時間內(nèi)觸發(fā)控制支路的晶閘管。
[0059] 3、采集第二電容支路的充電電流，當(dāng)該充電電流電流由峰值下降為零時，關(guān)斷晶 閘管。
[0060] 本實施例中當(dāng)?shù)诙娙葜返某潆婋娏饔煞逯迪陆禐榱愕倪^程中，能量吸收單元 的避雷器導(dǎo)通，高壓短路電流流過所述避雷器進(jìn)行消耗。其中，
[0061] 若高壓短路電流通過避雷器釋放完畢后，第二電容支路通過放電支路進(jìn)行放電。 并且當(dāng)在第二電容支路放電完畢后，第一電容兩端的電壓值為電力電子器件兩端的電壓 值，第二電容兩端的電壓值為零。
[0062] 本發(fā)明以圖5所示T型直流斷路器為例對高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路進(jìn)行 說明，本實施例中假定電流由隔離開關(guān)1流向快速機械開關(guān)8,該直流斷路器的工作過程為： [0063] 1、正常工作
[0064] 當(dāng)線路正常工作時，IGBT3和IGBT5導(dǎo)通，電流依次從隔離開關(guān)1、限流電感2、 IGBT3、快速機械開關(guān)4和IGBT5流過。
[0065] 2、換流工作
[0066]當(dāng)線路末端發(fā)生故障，故障電流不斷升高，此時開始換流過程，先導(dǎo)通IGBT7,然后 關(guān)斷IGBT5,則電流依次從隔離開關(guān)1、限流電感2、IGBT3和IGBT7流過，2ms后當(dāng)快速機械開 關(guān)4斷開，換流工作完成，開始斷流工作。
[0067] 3、斷流工作
[0068] 斷流開始后，關(guān)斷IGBT7,此時故障電流從避雷器6中流過，短路能量在避雷器中消 耗完畢。最后隔離開關(guān)1斷開，直流斷路器切斷線路。
[0069]在上述直流斷路器的工作過程中輔助電路的工作原理為：
[0070] 1、正常工作
[0071]當(dāng)線路正常工作時，第一電容支路中第一電容C1承受IGBT兩端的電壓，第二電容 支路中第二電容沒有承受的電壓。
[0072] 2、換流工作
[0073] 當(dāng)換流過程開始后，導(dǎo)通控制支路的晶閘管D1，此時第一電容支路被短路，但是由 于第二電容C2兩端的電壓為IGBT的導(dǎo)通電壓Vce，因此第二電容C2仍然沒有電流流過。
[0074] 3、斷流工作
[0075] 當(dāng)斷流過程開始后，關(guān)斷IGBT7,此時IGBT兩端的電壓急劇升高，該電壓通過控制 支路向第二電容C2進(jìn)行充電。此時，故障電流依次從隔離開關(guān)1、限流電感2、晶閘管D1和第 二電容C2流過，根據(jù)電路原理可以得到，當(dāng)支路上電阻
，電路上的電流將會發(fā)生 振蕩。振蕩使得電流幅值不斷升高，表現(xiàn)為第二電容的充電電流不斷說升高，最終達(dá)到峰值 后下降為零。之后由于晶閘管D1無法通過復(fù)制電流，所以改之路的地阿牛為零，此時可以關(guān) 斷晶閘管D1。
[0076] 當(dāng)?shù)诙娙莸某潆婋娏鲝姆逯迪陆禐榱愕倪^程中，第二電容兩端的電壓也不斷升 高，最終導(dǎo)通避雷器，使得短路電流通過避雷器進(jìn)行消耗，最終短路能量被消耗完畢。
[0077] 當(dāng)避雷器消耗完短路能量后，第二電容通過放電支路的第二電阻進(jìn)行放電。此時， 第一電容和第二電容兩端的電壓進(jìn)行重新分配，最終的分配結(jié)果為:第一電容C1兩端的電 壓從晶閘管D1的導(dǎo)通電壓0.7V上升到IGBT兩端的電壓，第二電容C2兩端的電壓不斷下降至 零，此時電容電壓重新分配完畢你。輔助電路進(jìn)入預(yù)導(dǎo)通狀態(tài)，為下一次的關(guān)斷緩沖準(zhǔn)備。
[0078] 最后應(yīng)當(dāng)說明的是:所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實 施例?；诒旧暾堉械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得 的所有其他實施例，都屬于本申請保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路，所述直流斷路器包括并聯(lián)的能量吸收單元 和串聯(lián)閥段;所述能量吸收單元由至少兩個避雷器并聯(lián)組成，所述串聯(lián)閥段由至少兩個電 力電子器件串聯(lián)組成;其特征在于，所述輔助電路并聯(lián)在電力電子器件兩端； 所述輔助電路包括第一電容支路、第二電容支路、控制支路和放電支路； 所述第一電容支路和控制支路組成第一并聯(lián)單元，所述第二電容支路和放電支路組成 第二并聯(lián)單元;該第一并聯(lián)單元和第二并聯(lián)單元串聯(lián)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路，其特征在于，所述第一 電容支路的正極與電力電子器件的集電極連接，第二電容支路的負(fù)極與電力電子器件的發(fā) 射極連接。3. 如權(quán)利要求1所述的一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路，其特征在于， 所述第一電容支路由第一電容和第一電阻串聯(lián)組成； 所述第二電容支路包括第二電容，所述第二電容的電容值大于第一電容的電容值。4. 如權(quán)利要求1所述的一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路，其特征在于， 所述控制支路包括晶閘管，該晶閘管的導(dǎo)通時間范圍為所述電力電子器件在開始導(dǎo)通 換流與關(guān)斷斷流之間的時間段。5. 如權(quán)利要求1所述的一種高短路關(guān)斷直流斷路器用輔助電路，其特征在于， 所述放電支路包括第二電阻； 所述第二電阻的阻值R的計算公式為： R=t/C 其中，τ為所述第二電容支路的電容放電時間常數(shù)，C為所述第二電容支路的容值。6. -種基于如權(quán)利要求1-5所述輔助電路的控制方法，其特征在于，所述方法包括： 步驟1:采集電力電子器件集電極的電流，判斷電力電子器件是否導(dǎo)通； 步驟2:在電力電子器件的導(dǎo)通時間內(nèi)觸發(fā)控制支路的晶閘管； 步驟3:采集第二電容支路的充電電流，當(dāng)該充電電流電流由峰值下降為零時，關(guān)斷所 述晶閘管。7. 如權(quán)利要求6所述輔助電路的控制方法，其特征在于，所述導(dǎo)通時間為2ms。8. 如權(quán)利要求6所述輔助電路的控制方法，其特征在于，所述步驟3中當(dāng)?shù)诙娙葜?的充電電流由峰值下降為零的過程中，能量吸收單元的避雷器導(dǎo)通，高壓短路電流流過所 述避雷器進(jìn)行消耗。9. 如權(quán)利要求8所述輔助電路的控制方法，其特征在于， 當(dāng)所述高壓短路電流通過避雷器釋放完畢后，第二電容支路通過放電支路進(jìn)行放電； 當(dāng)所述第二電容支路放電完畢后，第一電容兩端的電壓值為電力電子器件兩端的電壓 值，第二電容兩端的電壓值為零。
【文檔編號】H02H9/02GK106024497SQ201610371352
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】溫家良, 張駿, 李金元, 陳中圓, 李堯圣
【申請人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國家電網(wǎng)公司