基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑及控制方法

1.本发明属于电子电路领域，具体涉及了一种基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑和控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着电力技术的不断发展，将大规模分布式电源接入电网是未来电网发展的一大趋势。直流微电网和直流配电系统由于其供电的灵活性成为目前国内外学者的研究热点，适用于大规模分布式电源并网的场景。在直流系统中，直流断路器由于响应速度快、故障隔离选择性好的特点，在各直流系统工程中得到了广泛的应用。额定电压较低的直流微电网和配电系统对直流断路器的响应速度、智能化、集成化有着更高的需求，故基于现代大功率电力电子器件的直流固态断路器是保护直流微电网和配电系统的最优选择，电力电子器件极短的开断时间和超高的开关频率为直流断路器各类功能的集成创造了条件。
3.目前在直流固态断路器中使用的电力电子器件可分为电流驱动型和电压驱动型两种；电流驱动型器件具有导通损耗小，耐电流冲击的优点，但是这类器件的驱动功率较高，并且需要设计复杂的驱动器；电流驱动型器件主要有晶闸管，igct两种晶闸管无法控制关断的特性导致其需要专门设计关断电路，进一步增加了固态断路器的成本和体积，而igct虽然可以主动关断，但是由于其体积和规格多被用于中高压直流场景。而电压驱动型电力电子器件驱动功率小，关断时仅需控制栅极电压即可，无需设计复杂的驱动电路或专用关断电路，是低压直流固态断路器的主要研究方向。
4.研发一种能够使用较少的电子器件并能够高效利用电力电子器件电压利用率的直流断路器拓扑结构，对于直流微电网和配电系统具有非常重要的意义。近期有一些研究人员已经提出了使用igbt或mosfet通过分段式电子mov形成直流固态断路器；还有一些人员通过旁路支路，将mov从电力线上移除，泄漏电流被完全消除，并且提高故障处理速度，提升全控型器件的电压利用率。但是这些方案需要使用大量的全控型电力电子器件，避雷器等器件，极大的提高了直流固态断路器的成本和体积。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述问题，即在多端口配置时，现有的电压驱动型直流固态断路器拓扑需要使用大量的全控型电力电子器件，避雷器等器件，极大的提高了直流固态断路器的成本和体积，并且电力电子器件电压利用率不高，本发明提供了一种基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑。所述基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑包括：直流系统、辅助开关和共用吸能支路；直流系统的第一端与辅助开关的第二端相连，辅助开关的第一端与共用吸能支路的第二端相连，共用吸能支路的第一端与直流系统的第二端通过节点h相连，节点h接地；所述共用吸能支路包括缓冲电容c1和避雷器mov。
6.在一些优选的实施方式中，所述直流系统包括n个并联的直流子系统，n为大于等
于2的正整数；每个直流子系统的第一端连接直流系统的第一端，每个直流子系统的第二端连接直流系统的第二端；每个直流子系统包括一个主通流支路、一个二极管和一个端口；第i直流子系统的第一端连接第i主通流支路的第一端，第i直流子系统的第二端连接第i二极管的正极，第i主通流支路的第二端通过第i节点gi连接第i二极管的负极，第i节点gi连接至第i端口。i为任意直流子系统的序号，i的取值范围为1至n的任意整数。
7.在一些优选的实施方式中，所述第i主通流支路均由单向全控型电力电子器件构成。
8.在一些优选的实施方式中，所述共用吸能支路由避雷器mov、缓冲电容c1与放电电阻r1并联组成；所述共用吸能支路的第一端连接避雷器mov的第一端、缓冲电容c1的第一端和放电电阻r1的第一端，所述共用吸能支路的第二端连接避雷器mov的第二端、缓冲电容c1的第二端和放电电阻r1的第二端。
9.在一些优选的实施方式中，所述辅助开关由单向半控型电力电子器件或单向全控型电力电子器件构成。
10.本发明还提出了一种基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的控制方法，基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的控制方法基于所述的直流固态断路器电路拓扑工作；当所述的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路正常工作时，辅助开关处于断开状态，缓冲电容c1上的电压为0；当所述的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路发生短路故障时，主通流支路上的检测装置检测到所在主通流支路的电流大于阈值，首先辅助开关导通，在辅助开关导通后内撤掉第j主通流支路上单向全控型电力电子器件的导通信号，电流向缓冲电容c1充电，缓冲电容c1两端的电压到达避雷器mov的钳位电压后，避雷器mov被触发，触发的避雷器mov消耗系统中的电压和电流，使第j端口连接的外部电路的电流始终处于安全阈值下。j表示发生短路故障的外部直流电路对应的直流子系统的序号。
11.本发明的有益效果：（1）本发明通过共用吸能支路，减少了直流固态断路器电路拓扑在多端口配置时全控型电力电子器件的数量，避雷器的数量，降低了多端口直流固态断路器的成本和体积。
12.（2）本发明在所提出的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑关断时，辅助开关将避雷器mov从电力线上断开，提高了主通流支路电力电子器件的电压利用率，彻底消除了避雷器mov上漏电流的影响，因此解决了mov的安全问题。
13.（3）本发明由于共用吸能接地支路的存在，故障端口的主通流支路单向全控型电力电子器件关断后，故障电流被快速转移到共用吸能支路上，极大地减少了直流固态断路器处理短路故障的时间。
附图说明
14.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑结构的简单结构框图；图2是本发明实施例中基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的一种具体结构；图3是本发明实施例中基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的3端口实施例的一种结构；图4是本发明中基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑所连接的外部直流电路发生故障时的原理图；图5是共用吸能支路接入系统后，基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑工作的原理图；图6是故障处理过程中共用吸能支路工作的原理图；图7是为本发明提出的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的又一种具体结构。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
16.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
17.为了更清晰地对本发明基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑进行说明，下面结合图1对本发明第一实施例中基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑各个结构展开详述。
18.一种基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑，包括：直流系统、辅助开关和共用吸能支路；所述共用吸能支路包括缓冲电容c1和避雷器mov。
19.具体的，直流系统的第一端与辅助开关的第一端相连，辅助开关的第二端与共用吸能支路的第一端相连，共用吸能支路的第二端与直流系统的第二端相连。
20.上述实施方式中由于共用吸能接地支路的存在，故障端口的主通流支路单向全控型电力电子器件关断后，故障电流被快速转移到共用吸能支路上，极大地减少了直流固态断路器处理短路故障的时间。
21.直流系统的第一端与辅助开关的第二端相连，辅助开关的第一端与共用吸能支路的第二端相连，共用吸能支路的第一端与直流系统的第二端通过节点h相连，节点h接地。
22.结合图2，对基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑具体说明，如图所示，直流系统包括n个并联的直流子系统，n为大于等于2的正整数；也就是说，基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的直流系统至少有两条直流子系统。
23.每个直流子系统的第一端连接直流系统的第一端，每个直流子系统的第二端连接直流系统的第二端；每个直流子系统包括一个主通流支路、一个二极管和一个端口；第i直流子系统的第一端连接第i主通流支路的第一端，第i直流子系统的第二端连接第i二极管的正极，第i主通流支路的第二端通过第i节点gi连接第i二极管的负极，第i节点gi连接至第i端口，i为任意直流子系统的序号，i的取值范围为1至n的任意整数。
24.每个直流子系统上的主通流支路均由单向全控型电力电子器件构成，每个主通流支路上均连接一个系统检测装置。直流系统的各个主通流支路上的检测装置用于检测所在主通流支路的电流并反馈给控制系统。
25.具体的，共用吸能支路由避雷器mov、缓冲电容c1与放电电阻r1并联组成。共用吸能支路的第一端连接避雷器mov的第一端、缓冲电容c1的第一端和放电电阻r1的第一端，所述共用吸能支路的第二端连接避雷器mov的第二端、缓冲电容c1的第二端和放电电阻r1的第二端。
26.本发明通过共用吸能支路，减少了直流固态断路器电路拓扑在多端口配置时全控型电力电子器件的数量，避雷器的数量，降低了多端口直流固态断路器的成本和体积。
27.基于上述的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑，本发明的第二实施例还提出了一种基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的控制方法，具体为：当所述的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路正常工作时，辅助开关处于断开状态，缓冲电容c1上的电压为0；当所述的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路发生短路故障时，主通流支路上的检测装置检测到所在主通流支路的电流大于阈值，首先辅助开关导通，在辅助开关导通后撤掉第j主通流支路上单向全控型电力电子器件的导通信号，电流向缓冲电容c1充电，缓冲电容c1两端的电压到最好达避雷器mov的钳位电压后，避雷器mov被触发，触发的避雷器mov消耗系统中的电压和电流，使第j端口连接的外部电路的电流始终处于安全阈值下。其中，阈值是人为根据实际情况设定的，此处的阈值可以设定为明显大于主通流支路上正常电流的一个数值。优选的，这里为导通后数十秒内撤掉主通流支路3上单向全控型电力电子器件的导通信号。j表示发生短路故障的外部直流电路对应的直流子系统的序号。
28.图3是本发明实施例中基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的3端口实施例的一种结构，结合图3对本发明中的全控型器件的直流固态断路器拓扑正常工作状态进行说明，端口1、端口2和端口3外接直流电路，第1通流支路、第2主通流支路和第3主通流支路在直流系统正常时流过负载电流，辅助开关保持关断，并耐受直流母线电压，缓冲电容c1上的电压为0。
29.结合图4-6，对本发明中的全控型器件的直流固态断路器拓扑外接的直流电路发生故障时的状态进一步说明。如图4，当端口3所接的直流电路发生故障时，其他端口的电流会汇集流入故障端口，故障电流会快速上升。每个主通流支路上都连接一个检测装置，用于检测装置中的电流，当第3主通流支路上的检测装置检测到第3主通流支路发生直流短路故障时，反馈给控制系统，用于给予辅助开关导通信号。由于电压稳定，此时端口1和端口2外接的直流电路正常工作。
30.如图5所示，当辅助开关导通后，共用吸能支路接入系统，控制系统关闭主通流支路3单向全控型电力电子器件的导通信号,随后故障电流被强制换流到共用吸能支路上，故障电流为缓冲电容c1充电直至到达避雷器mov的钳位电压后，避雷器mov被触发消耗系统中的电压和电流；如图6，在故障处理过程中，缓冲电容c1在故障处理阶段所充电荷此时通过放电电阻r1放电，直到缓冲电容c1电压降到0v，短路电流处理完毕后，断开辅助开关。具体的，辅助开关可由单向半控型电力电子器件或单向全控型电力电子器件构成。如果辅助开关是单向
全控型电力电子器件，则辅助开关还连接系统检测装置。
31.如果辅助开关是半控型电力电子器件，当避雷器mov被触发并消耗系统中的电压和电流后，当辅助开关的电流小于维持电流时，辅助开关由于是半控型电力电子器件，所以自然断开；如果辅助开关是全控型电力电子器件，当避雷器mov被触发并消耗系统中的电压和电流后，当多端口直流固态断路器电路中的电流小于辅助开关的维持电流时，系统检测装置检测到电流信息并将电流信息反馈给控制系统，控制系统断开辅助开关。
32.在一种可选的实施方式中，如图7，为本发明提出的直流固态断路器电路拓扑的又一种具体结构，其中，主通流支路采用mosfet管，辅助开关使用晶闸管，此种结构只是作为优选的实施方式，并不只限制于此种结构。
33.本发明在所提出的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑关断时，辅助开关将避雷器mov从电力线上断开，提高了主通流支路电力电子器件的电压利用率，彻底消除了避雷器mov上漏电流的影响，因此解决了mov的安全问题。
34.上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
35.需要说明的是，上述实施例提供的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
36.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
37.本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（ram）、内存、只读存储器（rom）、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子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及步骤。这些功能究竟以电子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。本领域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。
38.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
39.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
40.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑，所述直流固态断路器拓扑包括：直流系统、辅助开关和共用吸能支路；直流系统的第一端与辅助开关的第二端相连，辅助开关的第一端与共用吸能支路的第二端相连，共用吸能支路的第一端与直流系统的第二端通过节点h相连，节点h接地；所述共用吸能支路包括缓冲电容c1和避雷器mov。2.根据权利要求1所述的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑，其特征在于，所述直流系统包括n个并联的直流子系统，n为大于等于2的正整数；每个直流子系统的第一端连接直流系统的第一端，每个直流子系统的第二端连接直流系统的第二端；每个直流子系统包括一个主通流支路、一个二极管和一个端口；第i直流子系统的第一端连接第i主通流支路的第一端，第i直流子系统的第二端连接第i二极管的正极，第i主通流支路的第二端通过第i节点gi连接第i二极管的负极，第i节点gi连接至第i端口，i为任意直流子系统的序号，i的取值范围为1至n的任意整数。3.根据权利要求2所述的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑，其特征在于，所述第i主通流支路均由单向全控型电力电子器件构成。4.根据权利要求1所述的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑，其特征在于，所述共用吸能支路由避雷器mov、缓冲电容c1与放电电阻r1并联组成；所述共用吸能支路的第一端连接避雷器mov的第一端、缓冲电容c1的第一端和放电电阻r1的第一端，所述共用吸能支路的第二端连接避雷器mov的第二端、缓冲电容c1的第二端和放电电阻r1的第二端。5.根据权利要求1所述的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑，其特征在于，所述辅助开关由单向半控型电力电子器件或单向全控型电力电子器件构成。6.一种基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑的控制方法，其特征在于，基于权利要求1至5任一项所述的基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑；当所述的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路正常工作时，辅助开关处于断开状态，缓冲电容c1上的电压为0；当所述的直流固态断路器电路拓扑连接的外部直流电路发生短路故障时，主通流支路上的检测装置检测到所在第j主通流支路的电流大于阈值，首先辅助开关导通，在辅助开关导通后撤掉第j主通流支路上单向全控型电力电子器件的导通信号，电流向缓冲电容c1充电，缓冲电容c1两端的电压到达避雷器mov的钳位电压后，避雷器mov被触发，触发的避雷器mov消耗系统中的电压和电流，使第j端口连接的外部电路的电流始终处于安全阈值下，j表示发生短路故障的外部直流电路对应的直流子系统的序号。

技术总结
本发明属于电子电路领域，具体涉及了一种基于全控型器件的直流固态断路器电路拓扑及控制方法，旨在解决现有的电压驱动型直流固态断路器在多端口配置时拓扑成本和体积过高，电压利用率不高的问题。本发明包括：直流系统、辅助开关、共用吸能支路；直流系统的第一端与辅助开关的第二端相连，辅助开关的第一端与共用吸能支路的第二端相连，共用吸能支路的第一端与直流系统的第二端通过节点H相连，节点H接地。直流系统包括i个并联的直流子系统；每个直流子系统包括一个主通流支路、一个二极管和一个端口；本发明减少了直流固态断路器电路拓扑在多端口配置时电力电子器件的数量，避雷器的数量，降低了成本和体积。降低了成本和体积。降低了成本和体积。


技术研发人员：朱晋 贺嵩铭 曾庆鹏 吴理心 张桐硕 韦统振
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2023.09.04
技术公布日：2023/10/11