固态断路器及操作其的方法以及固态断路器的控制装置与流程

1.本技术涉及电路控制领域。具体地，本技术涉及固态断路器及操作其的方法以及固态断路器的控制装置。


背景技术：

2.固态断路器被应用在直流电源系统中，具有对电路中的故障快速响应的优势。然而，电路中的故障电流可能具有快速的电流值增长速度，为基于固态断路器的电路保护方案带来挑战。
3.固态断路器具有最大分断电流的阈值，通过固态断路器的电流是受限的。如果故障电流超过了最大分断电流的阈值，会造成固态断路器损坏。例如，在固态断路器的一个信号采样周期内，流过固态断路器的电流超过该阈值，则会损坏固态断路器。此外，如果希望实现电路的选择性保护，需要上游电路的断路器等待一段时间后再断开电路，若在此时间内，故障电流大于电路中的半导体器件能够承受的电流，会造成半导体器件的损坏。
4.此外，在发生故障时，电流可能在短时间内迅速增大到超过固态断路器的最大分断电流的阈值，这段时间甚至短于固态断路器的一个采样周期，固态断路器无法及时断开电路，造成固态断路器损坏。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了固态断路器及操作其的方法以及固态断路器的控制装置，以至少解决现有技术中不能在电路中发生故障时有效保护固态断路器和电路中的元件的问题。
6.根据本技术实施例的一个方面，提供了操作固态断路器的方法，包括：获取关于固态断路器的采样时间段的信息，该固态断路器在一个或多个该采样时间段内检测通过该固态断路器的电流的电流值；获取关于该固态断路器的最大分断电流值的信息；获取在当前采样时间段内检测的当前电流值和在该当前采样时间段前的前一采样时间段内检测的先前电流值；根据该当前电流值、该先前电流值和该采样时间段的时间长度确定在该当前采样时间段后的下一采样时间段内的预测电流值；判断该预测电流值是否大于该固态断路器的该最大分断电流值；如果该预测电流值大于该最大分断电流值，则使该固态断路器断开该固态断路器所在的电路。
7.以这样的方式，能够在超过最大分断电流值的电流到达固态断路器之前进行预测，使固态断路器及时断开电路，从而保护固态断路器不被故障电流损坏。
8.根据本技术的一个实施例，确定在该当前采样时间段后的下一采样时间段内的预测电流值包括：根据该当前电流值、该先前电流值和该采样时间段的时间长度确定电流值在该下一采样时间段内的改变量；根据该当前电流值和该改变量确定该预测电流值。
9.以这样的方式，根据固态断路器对电流的检测预测将到来的电流的预测值。
10.根据本技术的一个实施例，根据该当前电流值的一阶导数和该采样时间段的时间
长度的乘积确定电流值在该下一采样时间段内的改变量。
11.以这样的方式，具体计算将到来的电流的电流值相对于当前的电流的电流值改变的量。
12.根据本技术的一个实施例，通过以下公式确定该下一采样时间段内的预测电流值：i预测＝i(t
n
) i’(t
n
)
×△
t，其中，i预测表示该预测电流值，i(t
n
)表示在该当前采样时间段内检测的当前电流值，i’(t
n
)表示该当前电流值的一阶导数，
△
t表示该采样时间段，i’(t
n
)
×△
t表示电流值在该下一采样时间段内的改变量。
13.以这样的方式，具体计算将到来的电流的电流值的大小，从而确定将通过固态断路器的电流是否超过最大分断电流。
14.根据本技术的一个实施例，通过以下公式确定该当前电流值的一阶导数：i’(t
n
)＝(i(t
n
)
‑
i(t
n
‑1))/
△
t，其中，i(t
n
‑1)表示在该前一采样时间段内检测的先前电流值。
15.以这样的方式，根据固态断路器已经采样得到的电流值预测电流的变化趋势。
16.根据本技术实施例的另一方面，还提供了固态断路器的控制装置，包括：采样时间段接收单元，被配置为获取关于固态断路器的采样时间段的信息，该固态断路器在一个或多个该采样时间段内检测通过该固态断路器的电流的电流值；阈值接收单元，被配置为获取关于该固态断路器的最大分断电流值的信息；电流检测单元，被配置为获取在当前采样时间段内检测的当前电流值和在该当前采样时间段前的前一采样时间段内检测的先前电流值；预测单元，被配置为根据该当前电流值、该先前电流值和该采样时间段的时间长度确定在该当前采样时间段后的下一采样时间段内的预测电流值；判断单元，被配置为判断该预测电流值是否大于该固态断路器的该最大分断电流值；分断单元，被配置为如果该预测电流值大于该最大分断电流值，则使该固态断路器断开该固态断路器所在的电路。
17.以这样的方式，能够在超过最大分断电流值的电流到达固态断路器之前进行预测，使固态断路器及时断开电路，从而保护固态断路器不被故障电流损坏。
18.根据本技术实施例的另一方面，还提供了固态断路器，该固态断路器包括控制装置，该控制装置包括：采样时间段接收单元，被配置为获取关于固态断路器的采样时间段的信息，该固态断路器在一个或多个该采样时间段内检测通过该固态断路器的电流的电流值；阈值接收单元，被配置为获取关于该固态断路器的最大分断电流值的信息；电流检测单元，被配置为获取在当前采样时间段内检测的当前电流值和在该当前采样时间段前的前一采样时间段内检测的先前电流值；预测单元，被配置为根据该当前电流值、该先前电流值和该采样时间段的时间长度确定在该当前采样时间段后的下一采样时间段内的预测电流值；判断单元，被配置为判断该预测电流值是否大于该固态断路器的该最大分断电流值；分断单元，被配置为如果该预测电流值大于该最大分断电流值，则使该固态断路器断开该固态断路器所在的电路。
19.以这样的方式，能够在超过最大分断电流值的电流到达固态断路器之前进行预测，使固态断路器及时断开电路，从而保护固态断路器不被故障电流损坏。
20.根据本技术的一个实施例，固态断路器还包括：限流元件，被配置为限制通过该固态断路器的电流的电流值的提升速率。
21.以这样的方式，限制电流的变化速率从而避免损坏固态断路器。
22.根据本技术的一个实施例，该限流元件包括：铁芯；以及沿该铁芯的轴线缠绕在该
铁芯上的第一电感和第二电感，其中，该第一电感和第二电感中的电流方向相反。
23.以这样的方式，使限流元件即使在大直流电流的情况下不会磁场饱和，提高限流效果。
24.在本技术实施例中，提供了对通过固态电路器的电流采样并预测即将到达固态断路器的电流的预测电流值是否超过阈值，并在预测电流值超过阈值的情况下断开电路的技术方案，以至少解决如何避免故障电流损坏电路中的器件的技术问题，实现了有效保护电路器件安全的技术效果。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
26.图1是采用固态断路器执行电路保护方案的电路系统的示意图；
27.图2是根据本技术实施例的操作固态断路器的方法的流程图；
28.图3是根据本技术的一个实施例的方法的流程图；
29.图4是采用固态断路器执行电路保护方案的另一个电路系统的示意图；
30.图5是根据本技术实施例的固态断路器的控制装置的示意图；
31.图6是根据本技术实施例的固态断路器的示意图；
32.图7是根据本技术示例性实施例的固态断路器的示意图；
33.图8是根据本技术示例性实施例的限流元件的示意图。
34.附图标号说明：
35.100，交流电源；
36.110、120，交流/直流转换器；
37.130，电池电源；
38.140，光伏电源；
39.150，直流总线；
40.pd
‑
1.1～pd
‑
1.4、pd
‑
2.1～pd
‑
2.7，固态断路器；
41.111、113、121、123、131、133、141，负载；
42.f1～f4，可能发生故障的位置；
43.s201～s211、s301～s303,步骤；
44.5，控制装置；
45.501，采样时间段接收单元；
46.503，阈值接收单元；
47.505，电流检测单元；
48.507，预测单元；
49.509，判断单元；
50.511，分断单元；
51.7，固态断路器；
52.9，限流元件；
53.91，铁芯；
54.l

，第一电感；
55.l
‑
，第二电感。
具体实施方式
56.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
57.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块或单元。
58.图1是采用固态断路器执行电路保护方案的电路系统的示意图。如图1所示，电路10包括交流电源100，交流/直流转换器110和交流/直流转换器120，负载111、负载113和负载121。交流/直流转换器110和交流/直流转换器120与负载111、负载113和负载121通过直流总线150相连。在交流/直流转换器110与直流总线150之间串联有固态断路器pd
‑
1.1，在交流/直流转换器120与直流总线150之间串联有固态断路器pd
‑
1.2，在负载111、负载113和负载121与直流总线150之间分别串联有固态断路器pd
‑
2.1、固态断路器pd
‑
2.2和固态断路器pd
‑
2.3。f1和f2分别表示可能发生故障的位置。
59.在图1所示的电路系统中，如果在f1处发生故障，固态断路器pd
‑
1.1的安全分断电流阈值是4300a，固态断路器pd
‑
1.1的采样周期为10μs，实际故障电流为5255a。在这种情况下，实际故障电流大于固态断路器pd
‑
1.1的安全分断电流阈值，固态断路器pd
‑
1.1会损坏。若没有固态断路器pd
‑
1.1的分断，故障电流的峰值可能高达16ka。
60.在图1所示的电路系统中，如果在f2处发生故障，在没有固态断路器的分断的情况下，故障电流峰值会达到10ka。固态断路器pd
‑
2.1的正常工作电流为98a，造成其损坏的阈值电流为490a。在发生故障后，在固态断路器pd
‑
2.1的一个采样周期10μs内，电流值上升到3686a，超过了损坏固态断路器pd
‑
2.1的阈值，这意味着即使固态断路器pd
‑
2.1检测到了故障并马上分断电路，存在固态断路器pd
‑
2.1本身损坏的高风险。
61.为了保护固态断路器不被故障电流损坏，可以通过设置电流提升速率的阈值，如果电流提升的速率超过了电流提升速率的阈值则操作固态断路器执行分断。然而，电流的实际提升速率取决于系统电路中的参数，使得对于复杂系统来说难以确定合适的电流提升速率的阈值。除此之外，可以基于超快速模拟电路或者设计高速采样处理方案，然而，这会增加系统的复杂度并且驱动电路和信号处理电路的成本显著提升。
62.根据本技术实施例，提供了操作固态断路器的方法。图2是根据本技术实施例的操作固态断路器的方法的流程图。如图2所示，操作固态断路器的方法包括：s201,获取关于固
态断路器的采样时间段的信息，该固态断路器在一个或多个该采样时间段内检测通过该固态断路器的电流的电流值。例如，固态断路器具有采样周期10μs，固态断路器每10μs针对通过其的电流获取采样电流的电流值，10μs作为固态断路器的采样时间段的信息。s203,获取关于该固态断路器的最大分断电流值的信息。固态断路器的最大分断电流值表示如果通过其的电流达到该值，则固态断路器会执行分断电路的操作，使电路断开，避免故障电流流向元器件。如果故障电流超过该值并流过元器件，则会造成元器件损坏。s205，获取在当前采样时间段内检测的当前电流值和在该当前采样时间段前的前一采样时间段内检测的先前电流值。固态断路器在各个采样周期检测到电流值，在每个当前采样周期，为了对下一采样周期的电流进行预测，获取当前采样周期与前一采样周期检测的电流值。s207，根据该当前电流值、该先前电流值和该采样时间段的时间长度确定在该当前采样时间段后的下一采样时间段内的预测电流值。预测电流值能够基于当前采样周期与前一采样周期检测的电流值与采样周期的时间长度来计算，然后，在s209，判断该预测电流值是否大于该固态断路器的该最大分断电流值。在s211，如果该预测电流值大于该最大分断电流值，则使该固态断路器断开该固态断路器所在的电路。应理解，获取关于固态断路器的采样时间段的信息与获取关于该固态断路器的最大分断电流值的信息的步骤不必按照先后顺序执行，只要为了预测下一采样周期的预测电流值能够确定固态断路器的采样时间段与该固态断路器的最大分断电流值即可。以这样的方式，能够在超过最大分断电流值的电流到达固态断路器之前进行预测，使固态断路器及时断开电路，从而保护固态断路器不被故障电流损坏。
63.图3是根据本技术的一个实施例的方法的流程图。如图3所示，确定在该当前采样时间段后的下一采样时间段内的预测电流值包括：s301，根据该当前电流值、该先前电流值和该采样时间段的时间长度确定电流值在该下一采样时间段内的改变量。s303,根据该当前电流值和该改变量确定该预测电流值。已知当前电流值和下一采样时间段内的改变量，能够将两者结合以预测下一采样时间段将到来的电流的电流值。以这样的方式，根据固态断路器对电流的检测能够预测将到来的电流的预测值，使固态断路器能够提前进行断开电路的操作，避免过大的电流流过元器件。
64.根据本技术的另一个实施例，基于电路中的系统参数预测下一采样时间段将到达的电流。例如，基于能够经由采样电流值和/或电压信息得到的系统电感、系统阻抗等估计下一采样时间段将到达的电流的峰值。如果基于电路中的系统参数预测的下一采样时间段将到达的电流超过最大分断电流值，则使固态断路器执行分断电路的操作。
65.根据本技术的一个实施例，根据该当前电流值的一阶导数和该采样时间段的时间长度的乘积确定电流值在该下一采样时间段内的改变量。电流值的一阶导数可以表示电流的变化趋势，结合采样时间段的时间长度能够估计电流值将在下一采样时间段变化的改变量。确定了该变量后，结合当前电流值能够确定下一采样时间段的预测电流值。
66.根据本技术的一个实施例，通过以下公式确定该下一采样时间段内的预测电流值：i预测＝i(t
n
) i’(t
n
)
×△
t，其中，i预测表示该预测电流值，i(t
n
)表示在该当前采样时间段内检测的当前电流值，i’(t
n
)表示该当前电流值的一阶导数，
△
t表示该采样时间段，i’(t
n
)
×△
t表示电流值在该下一采样时间段内的改变量。以这样的方式，具体计算将到来的电流的电流值的大小，从而确定将通过固态断路器的电流是否超过最大分断电流。
67.根据本技术的一个实施例，通过以下公式确定该当前电流值的一阶导数：i’(t
n
)
＝(i(t
n
)
‑
i(t
n
‑1))/
△
t，其中，i(t
n
‑1)表示在该前一采样时间段内检测的先前电流值。以这样的方式，具体计算将到来的电流的电流值相对于当前的电流的电流值改变的量。以这样的方式，根据固态断路器已经采样得到的电流值预测电流的变化趋势。
68.例如，参见图1，采用如上所述的控制固态断路器的方法，固态断路器pd
‑
1.1的安全分断电流阈值(最大分断电流值)是4300a，固态断路器pd
‑
1.1的采样周期(采样时间段)为10μs。获取固态断路器pd
‑
1.1的如上信息，并且固态断路器pd
‑
1.1在每个采样周期获取电流值。如果在f1处发生故障，则根据(当前采样周期与前一采样周期的电流值的差)/(采样周期的时间长度10μs)确定电流值的变化趋势(即，当前电流值的一阶导数)，确定变化趋势后，对于下一采样周期，根据(当前电流值 变化趋势
×
下一采样周期的时间长度)确定下一采样周期的预测电流值。对于每个当前采样周期，如果确定下一采样周期的预测电流值超过4300a，则控制固态断路器pd
‑
1.1执行分断电路的操作。例如，在该实施例中，预测到下一采样周期的预测电流值超过4300a，控制固态断路器pd
‑
1.1执行分断电路的操作，执行分断时电流为3917a，避免了损坏固态断路器pd
‑
1.1的风险。
69.例如，参见图1，采用如上所述的控制固态断路器的方法，固态断路器pd
‑
2.1的安全分断电流阈值(最大分断电流值)是490a，固态断路器pd
‑
2.1的采样周期(采样时间段)为10μs。获取固态断路器pd
‑
2.1的如上信息，并且固态断路器pd
‑
2.1在每个采样周期获取电流值。如果在f2处发生故障，则根据(当前采样周期与前一采样周期的电流值的差)/(采样周期的时间长度10μs)确定电流值的变化趋势(即，当前电流值的一阶导数)，确定变化趋势后，对于下一采样周期，根据(当前电流值 变化趋势
×
下一采样周期的时间长度)确定下一采样周期的预测电流值。对于每个当前采样周期，如果确定下一采样周期的预测电流值超过490a，则控制固态断路器pd
‑
2.1执行分断电路的操作。例如，在该实施例中，预测到下一采样周期的预测电流值超过490a，控制固态断路器pd
‑
2.1执行分断电路的操作，执行分断时电流为485a，避免了损坏固态断路器pd
‑
2.1的风险。
70.图4是采用固态断路器执行电路保护方案的另一个电路系统的示意图。如图4所示，采用固态断路器执行电路保护方案的另一个电路系统相对于图1所示的采用固态断路器执行电路保护方案的电路系统额外具有电池电源130、光伏电源140、负载123、负载131、负载133、负载141、固态断路器pd
‑
1.3、固态断路器pd
‑
1.4、固态断路器pd
‑
2.4、固态断路器pd
‑
2.5、固态断路器pd
‑
2.6和固态断路器pd
‑
2.7，附图中的其他元素与图1相同。f3和f4表示电路中可能发生故障的位置。若在f3处发生故障，则控制固态断路器的方法参见在图1中f2处发生故障时控制固态断路器pd
‑
2.1的方法。若在f4处发生故障，则控制固态断路器的方法参见在图1中f1处发生故障时控制固态断路器pd
‑
1.1的方法。控制固态断路器的方法与如上的技术方案相同，在此不再赘述。
71.采用如上控制固态断路器的方法，避免了在故障电流显著增大并超过固态断路器的最大分断电流或者安全工作电流阈值时损坏固态断路器。
72.根据本技术实施例，还提供了固态断路器的控制装置。图5是根据本技术实施例的固态断路器的控制装置的示意图。如图5所示，固态断路器的控制装置5包括：采样时间段接收单元501，被配置为获取关于固态断路器的采样时间段的信息，该固态断路器在一个或多个该采样时间段内检测通过该固态断路器的电流的电流值；阈值接收单元503，被配置为获取关于该固态断路器的最大分断电流值的信息；电流检测单元505，被配置为获取在当前采
样时间段内检测的当前电流值和在该当前采样时间段前的前一采样时间段内检测的先前电流值；预测单元507，被配置为根据该当前电流值、该先前电流值和该采样时间段的时间长度确定在该当前采样时间段后的下一采样时间段内的预测电流值；判断单元509，被配置为判断该预测电流值是否大于该固态断路器的该最大分断电流值；分断单元511，被配置为如果该预测电流值大于该最大分断电流值，则使该固态断路器断开该固态断路器所在的电路。以这样的方式，能够在超过最大分断电流值的电流到达固态断路器之前进行预测，使固态断路器及时断开电路，从而保护固态断路器和元器件不被故障电流损坏。根据本技术实施例的固态断路器的控制装置的控制方法与上文相同，在此不再赘述。
73.根据本技术实施例，还提供了固态断路器。图6是根据本技术实施例的固态断路器的示意图。如图6所示，该固态断路器7包括控制装置5，该控制装置包括：采样时间段接收单元501，被配置为获取关于固态断路器的采样时间段的信息，该固态断路器在一个或多个该采样时间段内检测通过该固态断路器的电流的电流值；阈值接收单元503，被配置为获取关于该固态断路器的最大分断电流值的信息；电流检测单元505，被配置为获取在当前采样时间段内检测的当前电流值和在该当前采样时间段前的前一采样时间段内检测的先前电流值；预测单元507，被配置为根据该当前电流值、该先前电流值和该采样时间段的时间长度确定在该当前采样时间段后的下一采样时间段内的预测电流值；判断单元509，被配置为判断该预测电流值是否大于该固态断路器的该最大分断电流值；分断单元511，被配置为如果该预测电流值大于该最大分断电流值，则使该固态断路器断开该固态断路器所在的电路。以这样的方式，能够在超过最大分断电流值的电流到达固态断路器之前进行预测，使固态断路器及时断开电路，从而保护固态断路器和元器件不被故障电流损坏。根据本技术实施例的固态断路器的控制装置的控制方法与上文相同，在此不再赘述。
74.图7是根据本技术示例性实施例的固态断路器的示意图。根据本技术示例性实施例，固态断路器7还包括：限流元件9，被配置为限制通过该固态断路器的电流的电流值的提升速率。以这样的方式，限制电流的变化速率从而避免损坏固态断路器。
75.图8是根据本技术示例性实施例的限流元件的示意图。根据本技术示例性实施例，该限流元件包括：铁芯91；以及沿该铁芯91的轴线缠绕在该铁芯91上的第一电感l

和第二电感l
‑
，其中，该第一电感l

和第二电感l
‑
的电流方向相反。根据本技术示例性实施例，铁芯的尺寸较小，并且减少了线圈缠绕圈数，电感值基于铁芯91的高透磁率。限流元件即使在大直流电流的情况下不会磁场饱和，提高限流效果。
76.在本技术的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
77.本技术实现了在无需复杂电路控制的情况下操作固态断路器安全分断电路的技术效果，分断电路的控制基于预测电流值，并且故障电流值的提升速率通过限流元件限制，有效保护了固态断路器。
78.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元或模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或单元的间接
耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
79.所述作为分离部件说明的单元或模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元或模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元或模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元或模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元或模块来实现本实施例方案的目的。
80.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元或模块可以集成在一个处理单元或模块中，也可以是各个单元或模块单独物理存在，也可以两个或两个以上单元或模块集成在一个单元或模块中。上述集成的单元或模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元或模块的形式实现。
81.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
82.以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。