一种应用于柔性直流输电的直流断路装置 |
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| 申请号 | CN201710665510.4 | 申请日 | 2017-08-07 | 公开(公告)号 | CN107516876A | 公开(公告)日 | 2017-12-26 |
| 申请人 | 上海科梁信息工程股份有限公司; | 发明人 | 吴延俊; 董亮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 涉及电 力 电子 与电力传输技术领域，公开了一种应用于柔性直流输电的直流断路装置。该应用于柔性直流输电的直流断路装置包括：功率 开关 、控制单元以及分断辅助单元；功率开关的第一端用于连接直流配 电网 的 输入侧 ，功率开关的第二端连接分断辅助单元，功率开关的控制端连接控制单元的输出端；分断辅助单元还用于连接直流配电网的输入负端、输出正端以及输出负端，并用于在直流配电网 输出侧 后端 短路 故障时产生 电流 过零点以便控制单元切断功率开关；控制单元用于在检测到直流配电网后端故障时切断功率开关。本发明实施方式可以在直流配电网后端发生故障时主动创造电流过零点，从而可以在检测到故障时直接切断，进而可以提高分断速度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种应用于柔性直流输电的直流断路装置，其特征在于，包括：功率开关、控制单元以及分断辅助单元； |
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| 说明书全文 | 一种应用于柔性直流输电的直流断路装置技术领域背景技术[0002] 近年来，直流输电技术得到了迅猛的发展。特别是基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的直流输电技术，其具有无功功率、有功功率独立可控，无需滤波装置与无功补偿装置，潮流反转时电压极性不改变等优点，得到了广泛的关注与应用。其中，高压直流输电(High-Voltage Direct Current，HVDC)，主要用于大功率、长距离输电；中低压直流输电技术(Middle-Voltage Direct Current，MVDC以及Low-Voltage Direct Current，LVDC)则在直流微电网，船舶配电网等方面得到了关注。 [0004] 现有的直流断路器按类型可以分为以下三种，分别是基于常规开关的“机械式断路器”、基于纯电力电子器件的“固态断路器”和基于二者结合的“混合式断路器”。其中，机械式断路器受到使用寿命、分断速度的限制，性能最低，使用场合最少。固态断路器与混合式断路器的区别在于：固态断路器依靠电力电子器件创造电流过零点，并依靠电力电子开关器件分断电流，缺点是开关器件存在通态损耗，难以用于高压直流输电。而混合式断路器则是依靠电力电子器件创造电流过零点，并配合机械式开关分断电流，或是机械分断电流时先不考虑电流过零，再依靠电力电子器件电路对机械开关进行快速灭弧。 [0005] 上述传统直流断路器的工作流程可以分为两种，其一是：A.检测到故障，B.创造电流过零点，C.分断输电线路。第一种工作流程通常适用于固态式、混合式断路器；其二是：A.检测到故障，B.强行分断输电线路，C.灭弧，第二种工作流程通常适用于机械式、混合式断路器。 [0006] 从分断速度分析，第一种分断方式断路器在分断前需要顺序执行2个步骤(即检测到故障并创造电流过零点)，而第二种分断方式断路器在分断前只需要执行1个步骤(即检测到故障)。不过由于第二类断路器包括机械结构，分断时间可能反而慢于第一种分断方式中的固态式断路器。 [0007] 发明人发现现有技术中至少存在如下问题：其中，现有技术之一公开了一种谐振型的固态直流断路器，主回路用了1个晶闸管开关控制电路的通断，辅助回路则包含了2个电感，1个电容，4个晶闸管和1个二极管。在检测到故障之后，通过对辅助回路中晶闸管的控制，产生LC谐振，制造主回路电流过零点。该种方案的缺点是，通过控制来产生电流过零点速度慢且控制部分等的硬件结构复杂。现有技术之二公开了一种混合型直流断路器结构。主回路采用机械开关控制电路通断，辅助灭弧回路则包含了2路吸收电容串联开关器件，利用电容吸收浪涌电流达到灭弧的目的。该种方案的缺点是分断时电流不为零，机械开关处产生电弧，易老化，维护成本高，而且对于高速机械开关有很高的要求。现有技术之三公开了一种直流配电网全固态直流断路器，其为全固态式断路器，没有机械器件，缺点是断路器正常工作时工作电流需要通过4个电力电子开关器件，通态压降大，对于散热有一定的要求。现有技术之四公开了一种基于SiC MOSFET的固态直流断路器及其控制方法，其利用了第三代半导体材料碳化硅场效应管，并且利用了电容耦合方式驱动MOS管，使MOS管不再需要传统RCD缓冲电路便可实现均压。该种方案的缺点同样是，元器件过多，导致可靠性下降。 发明内容[0008] 本发明实施方式的目的在于提供一种应用于柔性直流输电的直流断路装置，其可以在直流配电网输出侧后端发生故障时主动创造电流过零点，从而可以在检测到故障时直接切断，进而可以提高分断速度。 [0009] 为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种应用于柔性直流输电的直流断路装置，包括：功率开关、控制单元以及分断辅助单元；所述功率开关的第一端用于连接所述直流配电网的输入侧，所述功率开关的第二端连接所述分断辅助单元，所述功率开关的控制端连接所述控制单元的输出端；所述分断辅助单元还用于连接所述直流配电网的输入负端、输出正端以及输出负端，并用于在所述直流配电网输出侧后端短路时产生电流过零点以便所述控制单元切断所述功率开关；所述控制单元用于在检测到所述直流配电网输出侧后端短路故障时切断所述功率开关。 [0010] 本发明实施方式相对于现有技术而言，将功率开关的第一端接在直流配电网的输入侧，将分断辅助单元连接于功率开关的第二端以及直流配电网的输入负端、输出正端以及输出负端，并利用分断辅助单元在直流配电网后端故障时产生电流过零点，从而使得控制单元在检测到直流配电网后端故障时直接切断功率开关。因此，本实施方式通过在直流配电网后端故障时主动创造电流过零点从而实现快速分断，从而可以提高分断速度，进一步提高直流配电网的安全性。 [0011] 另外，所述分断辅助单元包括：Z源网络以及Z源网络的变形拓扑结构。 [0012] 另外，所述分断辅助单元包括：第一电容、第二电容、第一电感以及第二电感；所述功率开关的第二端分别连接所述第一电感以及所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端用于连接所述直流配电网的输出负端，所述第一电感的第二端用于连接所述直流配电网的输出正端，所述第一电容的第一端还连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端还连接所述第二电容的第一端；所述第二电容的第一端还用于连接所述直流配电网的输出正端，所述第二电感的第一端用于连接所述直流配电网的输出负端，所述第二电感的第一端连接所述第一电容的第二端；所述第二电容的第二端用于连接所述直流配电网的输入负端，所述第二电容的第二端连接所述第二电感的第二端，所述第二电感的第二端还用于连接所述直流配电网的输入负端。从而使得整个直流断路装置可以利用数目很少的电子器件实现更快的分断速度，并且可以提高直流断路装置的可靠性。 [0013] 另外，所述Z源网络的变形结构包括：嵌入式Z源网络、并联Z源网络以及T源网络。 [0014] 另外，所述Z源网络还包括：第一能量吸收支路以及第二能量吸收支路；所述第一能量吸收支路并联于所述第一电感；所述第二能量吸收支路并联于所述第二电感。通过能量吸收支路可以吸收直流配电网后端故障后直流断路装置中储存的能量，便于直流断路器快速恢复使用。 [0015] 另外，所述第一能量吸收支路包括：第一电阻以及第一二极管；所述第一电阻的第一端连接所述第一电感的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第一二极管的第一端，所述第一二极管的第二端连接所述第一电感的第二端。从而可以通过简单的电路结构实现能量的吸收。 [0016] 另外，所述第二能量吸收支路包括：第二电阻以及第二二极管；所述第二电阻的第一一端连接所述第二电感的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述第二二极管的第一端，所述第二二极管的第二端连接所述第二电感的第二端。 [0017] 另外，所述第一电容与所述第二电容相同；所述第一电感与所述第二电感相同。从而可降低分断辅助单元设计难度。 [0018] 另外，所述功率开关包括全控型功率开关、半控型功率开关。 [0020] 一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。 [0021] 图1是根据本发明第一实施方式直流断路装置的结构框图； [0022] 图2是根据本发明第一实施方式直流断路装置的结构示意图； [0023] 图3a是根据本发明第一实施方式直流配电网正常工作时直流断路装置的工作状态示意图； [0024] 图3b是根据本发明第一实施方式直流配电网短路故障瞬间直流断路装置的工作状态示意图； [0025] 图3c是根据本发明第一实施方式检测到直流配电网输出侧后端故障时直流断路装置的工作状态示意图； [0026] 图3d是根据本发明第一实施方式分断后直流电路装置的工作状态示意图。 具体实施方式[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。 [0028] 本发明的第一实施方式涉及一种应用于柔性直流输电的直流断路装置，其还可应用于其他类型的直流配电网，本实施方式对于直流断路装置所应用的直流配电网的类型不作具体限制。本实施方式的应用于柔性直流输电的直流断路装置可以安装在直流配电网的各种电力输入端口位置。例如，一个办公室，一个商场的电力输入端口等，如果办公室内部发生短路，则直流断路装置便可自动切断整个办公室的供电。本实施方式对于应用于柔性直流输电的直流断路装置的安装位置不作具体限制。 [0029] 如图1所示，本实施方式的应用于柔性直流输电的直流断路装置包括：功率开关1、控制单元2以及分断辅助单元3。功率开关1的第一端用于连接直流配电网的输入侧(例如直流配电网的输入正端或者输入负端)，功率开关1的第二端连接分断辅助单元3，功率开关1的控制端连接控制单元2的输出端。分断辅助单元3还用于连接直流配电网的输入负端、输出正端以及输出负端，并用于在直流配电网输出侧后端短路时产生电流过零点以便控制单元切断功率开关，控制单元2用于在检测到直流配电网输出侧后端短路故障时切断功率开关1。本实施方式，将功率开关的第一端接在直流配电网的输入侧，将分断辅助单元连接于功率开关的第二端以及直流配电网的输入负端、输出正端以及输出负端，并利用分断辅助单元在直流配电网输出侧后端故障时产生电流过零点，从而使得控制单元在检测到直流配电网输出侧后端故障时直接切断功率开关。因此，本实施方式通过在直流配电网输出侧后端故障时主动创造电流过零点从而实现快速分断，从而可以提高分断速度，进一步提高直流配电网的安全性。下面对本实施方式的应用于柔性直流输电的直流断路装置的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。 [0030] 如图2所示，为本实施方式应用于柔性直流输电的直流断路装置的一种拓扑结构示意图。本实施方式的应用于柔性直流输电的直流断路装置包括：功率开关1、控制单元2以及分断辅助单元3。其中，分断辅助单元3为Z源网络结构。Z源网络包括：第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2、第一能量吸收支路以及第二能量吸收支路。功率开关1的第一端用于连接直流配电网的输入侧(即直流配电网的输入正端或者输入负端)。本实施方式中，功率开关1的第一端以连接直流配电网的输入正端为例进行说明。功率开关1的第二端分别连接第一电感L1以及第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端用于连接直流配电网的输出负端，第一电感L1的第二端用于连接直流配电网的输出正端，第一电容C1的第一端还连接第一电感L1的第一端，第一电感L1的第二端还连接第二电容C2的第一端，第二电容C2的第一端还用于连接直流配电网的输出正端，第二电感L2的第一端用于连接直流配电网的输出负端，第二电感L2的第一端还连接第一电容C1的第二端，第二电容C2的第二端用于连接直流配电网的输入负端，第二电容C2的第二端还连接第二电感L2的第二端，第二电感L2的第二端还用于连接直流配电网的输入负端。 [0031] 其中，第一能量吸收支路并联于第一电感L1，第二能量吸收支路并联于第二电感L2。具体地，第一能量吸收支路包括：第一电阻R1以及第一二极管D1。第一电阻R1的第一端连接第一电感L1的第一端，第一电阻R1的第二端连接第一二极管D1的第一端(本实施方式中为第一二极管的负极)，第一二极管D1的第二端(本实施方式中为第一二极管的正极)连接第一电感L1的第二端。第二能量吸收支路包括：第二电阻R2以及第二二极管D2。第二电阻R2的第一一端连接第二电感L2的第一端，第二电阻R2的第二端连接第二二极管D2的第一端(本实施方式中为第二二极管的负极)，第二二极管D2的第二端(本实施方式中为第二二极管的正极)连接第二电感L2的第二端。本实施方式的直流断路装置在功率开关关断后，通过电阻串联反向二极管的方式消耗电路中的剩余能量。 [0032] 在一些例子中，功率开关的第一端还可以连接直流配电网的的输入负端。其中，当控制单元检测到直流配电网输入侧后端出现短路故障时，会直接切断功率开关以断开直流配电网，因此，功率开关连接直流配电网的输入正端或者输入负端，可以起到相同作用。本领域技术人员可以根据功率开关的特性确定其与分断辅助单元的连接方式，此处不再详述。 [0033] 需要说明的是，本实施方式中，第一电容与第二电容相同，第一电感与第二电感相同，第一电阻与第二电阻相同，第一二极管与第二二极管相同，从而使得直流断路装置的结构更为简单，降低设计难度。本实施方式对于前述电容、电阻、电感以及二极管是否相同不做具体限制。 [0034] 值得一提的是，本实施方式中，功率开关可以采用全控型功率开关或者半控型功率开关。其中，全控型功率开关以及半控型功率开关可以包括：可控硅(Silicon Controlled Rectifier，SCR)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)、门控晶闸管(GateTurn-OffThyristor，GTO)中的一者。本实施方式对于功率开关不作具体限制。 [0035] 下面对本实施方式的直流断路装置的工作过程说明如下： [0036] 首先将本实施方式的直流断路装置接入柔性直流输电网(或者其他类型的直流配电网)。其中，直流断路装置与直流配电网的连接结构如图2所示。将功率开关流过的电流记作输入电流Iin，输入端电压记作Vin，输出端电压记作Vout。 [0037] 如图3a所示，当直流配电网正常工作时，功率开关1为导通状态，此时电流从直流源正端(即直流配电网输入正端+)开始，经功率开关1，经第一电感L1，经输电线路与负载，经第二电感L2，回到直流源负端(即直流配电网输入负端-)。其中，第一电感L1和第二电感L2上的压降为零，第一电容C1与第二电容C2的端电压等同于直流源电压，通过第一电容C1与第二电容C2的电流为零，通过第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1以及第二二极管D2的电流亦为零。不难发现，在直流配电网正常工作时，本实施方式的直流断路装置的功率部分(功率部分包括：功率开关1、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1以及第二二极管D2)中，仅一个功率开关1存在通态功耗，因此，本实施方式的直流断路装置的通态功耗极低。 [0038] 如图3b所示，当直流配电网输出侧后端短路故障瞬间，功率开关1第二端的电压为第一电容C1与第二电容C2电压之和，等于2倍的Vin，高于功率开关1第一端电压。由于功率开关1无法反向导通，所以此时Iin为零。在直流配电网输出侧后端短路故障后的一段时间内，第一电容C1与第二电容C2放电，第一电感L1与第二电感L2充电。第一电容C1与第二电容C2的放电速度与第一电容C1、第二电容C2的电容取值以及第一电感L1、第二电感L2的电感取值有关。假设第一电容C1与第二电容C2的电容值相同，由于第一电容C1与第二电容C2的电压相同，当第一电容C1、第二电容C2的电压放电至二分之一的Vin时，功率开关1又将正向导通。将第一电容C1、第二电容C2的电压的放电时间记作T(其中，T为第一电容C1、第二电容C2从放电开始到放电结束的时间，第一电容C1、第二电容C2放电开始时的电压等于Vin，放电结束时的电压等于二分之一Vin)。因此，可以通过计算得到第一电容、第二电容的电容值以及第一电感和第二电感的电感值，从而使得放电时间T满足：控制单元可以在T时间内完成直流配电网的故障检测，并在Iin等于零时关断功率开关。不难发现，本实施方式通过分断辅助单元在直流配电网输出侧后端出现短路故障时，能够主动、快速地为功率开关创造电流过零点(即使得功率开关内的电流基本为零)，从而为关断功率开关提供条件。 [0039] 本实施方式中，可以采用本领域技术人员熟知的检测方式对直流配电网输出侧后端的故障进行检测，此处不再赘述，本实施方式对此不作具体限制。 [0040] 如图3c，当控制单元2检测到直流配电网输出侧后端出现故障时，对功率开关1发出控制信号(关断信号)。由于本实施方式的直流断路装置可以在直流配电网输出侧后端短路时，实现输入侧电流快速降低至零，因此就可为控制单元关断功率开关创造前提条件，因此，控制单元在检测到直流配电网输出侧后端短路时，即可快速检测到直流断路装置输入侧电流(即Iin)降为零，并且控制单元在检测到直流配电网输出侧后端短路时以及输入侧电流为零时即可立即关断功率开关。 [0041] 如图3d所示，功率开关1关断后，第一电容C1与第一电感L1，第二电容C2与第二电感L2通过故障发生回路发生LC串联震荡，最终第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1与第二电容C2中储存的能量通过第一电阻R1与第二电阻R2全部消耗掉。从而使得直流断路装置可以再次恢复工作。图3a至3d中，黑色实线表示有电流，虚线表示没有电流。 [0042] 本实施方式与现有技术相比，针对传统固态式断路器先检测故障后创造电流过零点再分断模式所存在的分断时间长的缺点，通过将直流断路装置的功率开关接在直流配电网的输入侧，并利用分断辅助单元在直流配电网输出侧后端发生故障时主动创造电流过零点，从而使得控制单元在检测到直流断路器故障时直接进行分断。因此，本实施方式在检测到故障时便可立刻进行分断，省去了电流过零点的创造过程，从而大大加快了断路器的分断速度，有利于进一步提高直流配电网的安全性。本实施方式所提出的新结构的固态断路器，相对于机械式断路器与混合式断路器，由于没有机械结构，所以关断时电流为零，不会产生电弧，因此无需灭弧、不易老化、使用寿命更长且避免了维护，同时成本更低。此外，由于本实施方式的器件数目很少，所以还可以提高安全可靠性。并且，本实施方式在故障发生时，直流源相当于断开状态，故障电流完全由分断辅助单元中的电容和电感提供，既扼制了故障电流的大小，又对直流电源起到了保护作用。 [0043] 本发明的第二实施方式涉及一种直流断路装置。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本发明第二实施方式中，限定了分断辅助单元的其他实现方案，丰富了本发明实施方式。 [0044] 具体地说，本实施方式的直流断路装置的分断辅助单元采用Z源网络的变形拓扑结构。举例而言，本领域技术人员可以在前述实施方式的基础上，设计出例如嵌入式Z源网络、并联Z源网络以及T源网络等的Z源网络的变形拓扑结构，本实施方式对于Z源网络的变形拓扑结构不再赘述。 [0045] 值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。 [0046] 本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。 |
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