一种模块化级联直流断路器的拓扑结构及其控制方法与流程

1.本发明一种模块化级联直流断路器的拓扑结构及其控制方法，属于电力电子技术领域。


背景技术：

2.直流电网相比交流电网具有很多优点。如直流电网更方便分布式可再生能源的大规模接入与应用。实际上，光伏发电是直流发电，风力发电其实也是通过先整流后逆变的形式并入交流电网，各种储能方式也是以直流电的形式对电能进行储存，如果采用直流电网就可以实现分布式新能源的直接接入而省去逆变环节，降低了设备的制造成本，同时也降低了逆变转换时的损耗。此外，直流电网更方便用电端的电能直接使用。目前，用电端的用电设备大多最终需要直流电，例如电动汽车充电，笔记本电脑等，而含交流电动机负载的用电设备中也同时包含了整流器与逆变器，直流配电网可以减少整流器的使用，降低半导体的使用数量，同时也减小了整流过程中的电能损耗。直流电网还有助于提高电网电能质量，提高供电的可靠性，提高供电容量，降低电网建设成本。
3.直流电网中需要的关键保护设备是直流断路器，其在直流电网系统的故障处理和保护系统的安全可靠运行中起到至关重要的作用。在典型辐射状直流配电系统结构示意图中，需要大量的直流断路器以保障系统的安全运行。相比传统的交流断路器，直流断路器的研制面临很大的难点。在交流系统中，断路器可以利用电流周波的自然过零点熄灭电弧，切断故障电流。但在直流系统中，不存在电流的过零点，这就使得直流电流的开断技术的研发面临很大的技术难点。同时，直流系统对断路器的响应速度和分断速度都提出了更高的要求。由于直流系统的阻尼低于交流系统，在故障发生后，故障电流的上升率很大，需要系统在很短的时间内切断故障电流以保护系统安全。此外，直流系统线路中的短路电流限制电感在关断电流的同时会感应出很大的电压，这部分电压与直流母线电压共同作用在断路器上，使得电压激增。同时限流电感上储存的短路能量也需要在分断时间内耗尽。与机械式断路器相比，采用功率半导体器件的固态直流断路器利用功率半导体器件的开关动作分断短路电流，外部避雷器等能量吸收装置吸收短路过程中限流电抗上储存的短路能量，这一优异特性使得直流短路电流得以快速分断，实现直流系统的快速、可靠保护。
4.目前商用的功率半导体器件的电压等级较低，难以满足直流断路器的需求，需要采用器件级联的方式以提高固态直流断路器的耐压等级。现有的固态直流断路器中级联器件驱动控制方案较为复杂，每个功率器件均需要一套驱动控制及供电系统，同时器件物理参数和驱动电路延时的分散性导致级联器件的电压不均衡，需要额外的功率端或驱动端电压均衡电路以保障安全运行。
5.为了解决直流断路器中功率器件级联驱动及均压控制的复杂性，同时提高电压等级变化的配置灵活性，有必要提出一种简单可靠的模块化直流断路器。


技术实现要素：

6.本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种模块化级联直流断路器的拓扑硬件结构的改进。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种模块化级联直流断路器的拓扑结构，包括级联分断子串单元、振荡抑制单元、功率连接单元，所述级联分断子串单元的输出端连接振动抑制单元后接入功率连接单元的正极功率端子；所述级联分断子串单元的输入端连接外部的驱动单元，驱动单元由总控制系统通过控制线束进行供电和控制；所述级联分断子串单元的输入端的负极功率端子连接功率连接单元的负极功率端子。
8.所述级联分断子串单元由n个级联的分断子模块组成，其中与驱动单元直接相连的分断子模块为主动控制模块，其余n
‑
1个分断子模块为从动模块，其中n大于等于2。
9.所述分断子模块均包括四个端子，其中输入端包括一个驱动端子和一个功率端子，输出端包括一个驱动端子和一个功率端子，相邻两个分断子模块的功率端子相连、驱动端子相连；其中，作为主动控制模块的分断子模块的输入端的功率端子和驱动端子分别通过导线与驱动单元相连。
10.所述分断子模块内的负载电流流通和短路电流分断的核心元件为硅基、碳化硅基或氮化镓基全控型功率半导体器件，功率半导体器件与由电阻、电容、二极管、压敏电阻组成的外围电路相连，通过外围电路实现分断子模块的开通关断控制及动态、静态的电压均衡。
11.所述振荡抑制单元由单个或多个二极管级联组成的组串构成；所述振荡抑制单元中的二极管阴极与级联分断子串单元相连，振荡抑制单元中的二极管阳极与功率连接单元的正极功率端子相连。
12.一种模块化级联直流断路器的控制方法，所述功率连接单元作为对外接口，串行连接入直流系统中，所述直流断路器的控制步骤如下；当直流系统处于正常工作状态时，直流系统的控制单元发出高电平控制级联分断子串单元中的功率半导体器件保持导通，负载电流通过功率连接单元中的正极流入固态直流断路器，进而流过级联分断子串单元中功率器件沟道内；当直流系统检测到短路故障发生后，总控制系统向驱动单元发出关断信号，驱动单元的输出控制端子两端的驱动电平由高变低，进而控制级联分断子串单元执行短路电流分断操作；当短路能量完全被吸收后，级联分断子串单元中的功率半导体器件处于关断状态，直流断路器处于断开状态；当短路故障解除后，总控制系统控制驱动单元的的输出控制端子两端的驱动电平由低变高，控制级联分断子串单元总的功率器件开通，负载电流流过振荡抑制单元中的二极管及级联分断子串单元中的功率半导体器件导通沟道，直流断路器处于导通状态。
13.一种模块化级联直流断路器的控制方法，所述直流断路器与机械开关和第一功率半导体开关、第二功率半导体开关组成的辅助支路并联构成混合式直流断路器，其中混合
式直流断路器的结构为：直流断路器的负极功率端子串联第二功率半导体开关作为主路，机械开关串联第一功率半导体开关作为导通支路，主路与导通支路并联后的两端连接直接输配电系统，所述混合式直流断路器的控制步骤如下；当直流系统处于正常工作状态时，负载电流流过机械开关与第一功率半导体开关组成的导通支路，此时，直流断路器拓扑中的级联分断子模块处于断开状态，第二功率半导体开关处于断开状态；当直流系统发生短路故障，总控制系统控制直流断路器拓扑中的级联分断子模块开通，同时第二功率半导体开关也受控开通，在直流断路器拓扑和第二功率半导体开关完全开通后，第一功率半导体开关受控关断，将短路电流转移至直流断路器拓扑，待电流转移完毕后，关断机械开关，开通第一功率半导体开关，混合式直流断路器准备分断短路电流；总控制系统向驱动单元发出短路电流分断指令，直流断路器拓扑中的级联分断子串单元执行短路电流分断操作。
14.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的模块化级联直流断路器的驱动控制及电压均衡均可通过子模块内部的电路自主实现。级联的模块只需由外部单个驱动电路实现驱动控制，子模块的数量可根据所选功率器件的耐压等级和直流系统电压等级确定。本发明提供的断路器拓扑结构简单，成本低，应用灵活，集成度高，只需对少量无源元件及功率器件组成的分断子模块组成的简单级联即可实现直流电压等级的灵活调控，控制难度大大降低，同时子模块之间的动静态电压可在关断稳态，开通瞬态，导通稳态和关断瞬态实现自动电压均衡，保障了功率器件这一短路电流分断核心元件的安全运行，为直流系统保护提供了简单可靠且低成本的解决方案。
附图说明
15.下面结合附图对本发明做进一步说明：图1为本发明的直流断路器的拓扑结构示意图；图2为本发明的分断子模块的电路结构示意图；图3为基于本发明直流断路器拓扑的混合式直流断路器的拓扑结构示意图；图中：p 、n
‑
为直流断路器功率连接单元中的功率连接端子，其中p 为正极功率端子，n
‑
为负极功率单子；df是振荡抑制单元中的二极管；级联分断子串单元中包含n个级联的分断子模块，每个分断子模块中包含四个端子，g1(n)和g2(n)为第n个分断子模块的第一驱动端子、第二驱动端子，p (n)和n(n)为第n个分断子模块的正极功率端子、负极功率端子，g为驱动单元的门极控制端子，s为驱动单元门极控制端子的参考地；g1、g2分别为主控制模块的分断子模块的第一驱动端子、第二驱动端子，p、n分别为主控制模块的分断子模块的正极功率端子、负极功率端子；m为功率器件，其门极端子、漏极端子、源极端子分别为g、d、s；rs为功率半导体器件的阻尼电阻，cs为功率半导体器件的阻尼电容；rg1、rg2分别为功率半导体器件的门极驱动电阻；dr为门极驱动电阻rg1的旁路二极管，dd为驱动二极管，rstatic为静态均压电阻，
cc为驱动耦合电容，var为压敏电阻，zd为门极稳压二极管； 为混合式直流断路器拓扑的正极功率端子，
‑
为混合式直流断路器的负极功率端子。
具体实施方式
16.如图1至图3所示，本发明直流断路器利用功率半导体及少量的二极管、无源元件组成的分断子模块作为核心单元，根据直流系统的电压等级选取合适数量的子模块进行级联组成级联分断子串单元作为执行机构对短路电流进行分断操作。同时其与功率半导体及机械开关配合构成混合式直流断路器拓扑。本发明直流断路器由总控制系统、驱动单元、级联分断子串单元、震荡抑制单元、功率连接单元组成。其中执行短路电流分断的核心单元为级联分断子串单元，总控制系统通过控制线束对驱动单元进行供电和控制，驱动单元通过两根控制线对级联分断子串单元进行驱动控制，进行直流短路电流的分断操作，级联分断子串单元内部分断子模块的驱动控制及动态和静态过程中的电压均衡均由内部二极管及无源元件组成的辅助电路完成。功率连接单元作为对外接口，串行连接入直流输配电系统中。在直流断路器运行过程中，级联分断子串单元中的功率半导体器件电压均衡，直流电流其能够快速可靠地对短路电流进行分断惭怍，保障了直流系统的安全可靠运行。
17.所述级联分断子串单元中，包含n个级联的分断子模块，n由分断子模块中功率半导体器件的电压等级和直流系统电压等级共同决定。其中与驱动单元直接相连的分断子模块（1）为主动控制模块，其余分断子模块（n）为从动模块（n
‑
1），其中n大于等于2。分断子模块之间通过一根控制线和一根功率线两两连接。所述直流断路器的级联分断子串单元由多个模块化分断子模块组成。所述分断子模块的输入输出端子有四个，其中两个为驱动端子，另外两个为功率端子。相邻两个分断子模块的功率端子相连，驱动端子相连。
18.所述分断子模块内的负载电流流通和短路电流分断的核心元件为硅基，碳化硅基或氮化镓基全控型功率半导体器件（如mosfet、igbt、hemt），功率器件与由电阻，电容，二极管，压敏电阻等组成的外围电路相连。通过外围电路实现子模块的开通关断控制及动态、静态的电压均衡。为了提高电流等级，所述分断子模块中的功率器件可由多个电流等级较小的功率器件并联组成。
19.所述振荡抑制单元连接于级联分断子串单元与功率连接单元之间，在短路电流分断后对级联分断子单元两端的电压振荡进行抑制，防止该电压振荡耦合至分断子模块两端，进而防止子模块内部的功率器件误动作。所述振荡抑制单元由单个或多个二极管级联组成的组串构成。级联二极管的数量由直流系统电压等级及所选二极管耐压等级共同决定。振荡抑制单元中的二极管阴极与级联分断子串单元相连，振荡抑制单元中的二极管阳极与功率连接单元的正极功率端子相连。
20.所述功率端振荡抑制电路单元与主分断单元内的驱动端振荡抑制电路共同作用，在直流断路器吸收完短路能量后抑制端电压与从动器件驱动上的电压的振荡，保证从动器件有稳定的负压，防止从动器件误导通。
21.所述直流断路器拓扑与机械开关和功率开关配合可构成混合式直流断路器，避免在高压输电应用中分断子模块功率器件上较高的导通损耗。
22.该断路器作为固态式直流断路器的控制方法为：其控制方法简单，当线路或设备
处于正常工作状态时，控制单元发出高电平控制级联分断子串单元中的功率半导体器件保持导通，负载电流通过功率连接单元中的正极流入固态直流断路器，进而流过级联分断子串单元中功率器件沟道内。当系统检测到短路故障发生后，总控制系统向驱动单元发出关断信号，驱动单元的输出控制端子两端的驱动电平由高变低，进而控制级联分断子串单元执行短路电流分断操作。当短路能量完全被吸收后，级联分断子串单元中的功率半导体器件处于关断状态，直流断路器处于断开状态。当短路故障解除后，总控制系统控制驱动单元的的输出控制端子两端的驱动电平由低变高，控制级联分断子串单元总的功率器件开通，负载电流流过振荡抑制单元中的二极管及级联分断子串单元中的功率半导体器件导通沟道，直流断路器处于导通状态。
23.所述直流断路器可以与机械开关和功率半导体开关组成的辅助支路并联构成混合式直流断路器。其控制方式为：当直流系统处于正常工作状态时，负载电流流过机械开关与第一功率半导体开关组成的导通支路。此时，直流断路器拓扑中的级联分断子模块处于断开状态，第二功率半导体开关处于断开状态。当直流系统发生短路故障，总控制系统控制直流断路器拓扑中的级联分断子模块开通，同时第二功率半导体开关也受控开通。在直流断路器拓扑和第二功率半导体开关完全开通后，功率半导体1受控关断，将短路电流转移至直流断路器拓扑，待电流转移完毕后，关断机械开关，开通第一功率半导体开关，混合式直流断路器准备分断短路电流。总控制系统向驱动单元发出短路电流分断指令，直流断路器拓扑中的级联分断子串单元执行短路电流分断操作。
24.如图1所示，在本发明直流断路器中，直流断路器功率连接单元中的功率端子p 与振荡抑制单元中二极管df的阳极端子相连，振荡抑制单元中二极管df的阴极端子与级联分断子串单元中顶端分断子模块（n）的正极功率端子p（n）和第二驱动端子g2（n）相连。功率连接单元中的负极功率端子n
‑
与级联分断子串单元中分断子模块（1）的负极功率端子n（1）相连。
25.在级联分断子串单元中，分断子模块（n）的负极功率端子n（n）与分断子模块（n
‑
1）的正极功率端子p（n
‑
1）相连，其中n大于等于2。分断子模块（n）的第一驱动端子g1（n）与分断子模块（n
‑
1）的第二驱动端子g2（n
‑
1）相连，其中n大于等于2。分断子模块（n）的第二驱动端子g2（n）与分断子模块（n 1）的第一驱动端子g1（n 1）相连，其中n大于等于1。分端子模块（n）的正极功率端子p（n）与分断子模块（n 1）的负极功率端子n（n 1）相连，其中n大于等于1。最顶部的分断子模块（n），其中n为级联分断子串单元中级联子模块的数量，其第二驱动端子g2（n）与正极功率端子p（n）相连。
26.级联分断子串单元中，分断子模块（1）的第一驱动端子g1（1）与驱动单元的门极控制端子g相连，分断子模块（1）的负极功率端子n（1）与驱动单元中的门极控制端子参考地s相连。
27.直流断路器拓扑中，总控制系统通过控制线束对驱动单元进行控制，控制线束中包含电源线、信号线。
28.如图2所示，在分断子模块中，rs与cs串联作为缓冲电路，之后与功率半导体器件m并联。也即，rs的上端与器件m的d相连，cs的下端与器件m的s相连，rs的下端端与cs的上端相连。
29.在分断子模块中，rg2的右端与器件m的门极g相连。rg2的左端与rg1的右端相连。
rg1的左端与二极管dd的阳极相连。二极管dd的阴极与电容cc的上端相连。电容cc的下端与器件m的源极s相连。稳压二极管zd的阴极与电阻rg2的左端相连，稳压二极管的阳极与功率器件m的源极s相连。二极管dr并联在电阻rg1的两端，也即dr的阳极与rg1的右端相连，dr的阴极与rg1的左端相连。压敏电阻var并联在cc两端，也即var的上端与cc的上端相连，var的下端与cc的下端相连。静态电阻rstatic与var并联，也即rstatic的上端与var的上端相连，rstatic的下端与var的下端相连。
30.如图3所示，在混合式直流断路器拓扑中，机械开关与第一功率半导体开关串联组成导通支路。机械开关的左端与混合式直流断路器的正极功率端子 相连，机械开关的右端与功率半导体开关的左端相连，功率半导体开关的右端与混合式直流断路器的负极功率端子相连。直流断路器拓扑的正极端子p 与机械开关的左端相连，直流断路器拓扑的负极功率端子n
‑
与第二功率半导体开关的左端相连，功率半导体开关的右端与混合式直流断路器拓扑的负极功率端子
‑
相连。
31.本发明提供一种模块化级联直流断路器拓扑结构及其控制方法。本发明直流断路器由多个模块化分断子模块级联作为短路电流的主分断元件对短路电流进行分断操作。分断子模块由功率器件及若干电阻、电容无源元件，二极管元件构成的辅助电路组成。分断子模块由两个功率端子和两个控制端子组成。子模块级联方式简单，控制端子及功率端子与相邻分断子模块的对应控制端子及功率端子直接相连。多个级联的分断子模块构成级联分断子串单元，该子串单元的分断动作由外部驱动单元直接控制，子模块的控制信号自主耦合，动静态电压自主均衡，控制方式简单可靠。实际工程应用中可根据所选功率器件的电压等级及直流系统电压等级灵活选取级联子模块数量。本发明提供的直流断路器拓扑结构中，分断子模块中的功率器件由硅基、碳化硅基或氮化镓基的全控器件组成（如mosfet、igbt、hemt）。本发明提供的直流断路器可以与机械开关和功率半导体开关配合构成混合式直流断路器拓扑以避免级联功率半导体器件上的导通损耗。综上，本发明提供的断路器拓扑结构简单，成本低，应用灵活，集成度高，只需对少量无源元件及功率器件组成的分断子模块组成的简单级联即可实现直流电压等级的灵活调控，控制难度大大降低，同时子模块之间的动静态电压可在关断稳态，开通瞬态，导通稳态和关断瞬态实现自动电压均衡，保障了功率器件这一短路电流分断核心元件的安全运行，为直流系统保护提供了简单可靠且低成本的解决方案。
32.关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
33.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。