具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器及控制方法与流程

1.本技术涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器及控制方法。


背景技术：

2.国家提出了“碳达峰、碳中和”的战略发展布局，对节能减排提出了更高的要求，在该背景下新能源技术引起了越来越多的关注，其中光伏发电、风电、电动汽车、信息中心、零碳建筑和储能技术得到了大力发展。相比于传统的交流输配电系统，以直流为主的新型电力系统具有易控制、源荷灵活切入以及结构简单的优点，同时越来越多的负荷呈现直流化趋势，典型负荷包含直流冰箱、空调、笔记本电脑等。与交流保护不同，直流系统缺乏自然过零点，导致故障电弧熄灭困难，同时由于系统阻抗较低、多源接入，故障产生阶段电流快速上升，因此对直流开断提出了更加严苛的要求。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述问题，提出一种成本低、结构简单的具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器。
4.第一方面，提供一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器，包括：第一接入端、第二接入端、耗能支路、主通流支路、换流支路；
5.所述耗能支路的第一端与所述第一接入端连接，所述耗能支路的第二端与所述第二接入端连接；所述第一接入端为所述低压直流混合式断路器的进线，所述第二接入端为所述低压直流混合式断路器的出线；
6.所述主通流支路的第一端与所述第一接入端连接，所述主通流支路的第二端与所述第二接入端连接，且所述耗能支路与所述主通流支路并联；
7.所述换流支路的第一端与所述第一接入端连接，所述换流支路的第二端与所述第二接入端连接，且所述换流支路与所述耗能支路和所述主通流支路并联；
8.其中，所述换流支路包括场效应晶体管模组以及至少四个二极管；
9.所述场效应晶体管模组包括m个场效应晶体管，所述场效应晶体管模组的第一端与每个场效应晶体管的漏极连接，所述场效应晶体管模组的第二端与每个场效应晶体管的源极连接，所述场效应晶体管模组的第三端与每个场效应晶体管的栅极连接；
10.所述第一接入端与所述第一二极管的阳极、所述第三二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极与所述场效应晶体管模组的第一端、所述第二二极管的阴极连接；所述第三二极管的阳极与所述场效应晶体管模组的第二端、所述第四二极管的阳极连接；所述第二接入端与所述第二二极管的阳极、所述第四二极管的阴极连接；所述低压直流混合式断路器发生故障时，所述主通流支路断开，所述场效应晶体管模中的n个场效应晶体管导通转移故障电流，所述n个场效应晶体管断开时，所述耗能支路导通清除所述故障电流；其中，n、m均为大于等于1的整数，n≤m。
11.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述场效应晶体管模组中的场效应晶体管为碳化硅场效应硅晶体管。
12.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述主通流支路包括机械断路器，所述机械断路器的第一端与所述第一接入端连接，所述机械断路器的第二端与所述第二接入端连接；所述机械断路器用于在所述低压直流混合式断路器发生故障时断开所述主通流支路。
13.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述耗能支路包括压敏电阻，所述压敏电阻的第一端与所述第一接入端连接，所述压敏电阻的第二端与所述第二接入端连接；所述压敏电阻用于在所述低压直流混合式断路器发生故障时清除所述故障电流。
14.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低压直流混合式断路器还包括驱动模块，所述驱动模块的第一端与所述第一接入端连接，所述驱动模块的第二端与所述第二接入端连接，所述驱动模块的第三端与所述场效应晶体管模组的第三端连接，所述驱动模块用于在所述低压直流混合式断路器发生故障时驱动所述场效应晶体管模组中的场效应晶体管导通；
15.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低压直流混合式断路器还包括检测模块，所述检测模块第一端与所述第一接入端连接，所述检测模块第二端与所述驱动模块连接，所述检测模块用于检测所述故障电流的大小。
16.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低压直流混合式断路器还包括供能模块，所述供能模块第一端与所述驱动模块第二端连接，所述供能模块第二端与所述第二接入端连接，所述供能模块的第三端与所述检测模块的第三端连接，所述供能模块用于为所述驱动模块与所述检测模块供能。
17.第二方面，提供一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法，应用于第一方面任意一项所述的低压直流混合式断路器，所述方法包括：
18.当所述低压直流混合式断路器发生故障时，获取所述故障电流的大小；
19.根据所述故障电流的大小确定所述场效应晶体管模组中场效应晶体管的导通数量，并控制导通所述场效应晶体管模组中对应数量的场效应晶体管。
20.第三方面，提供一种计算机设备，包括存储器以及一个或多个处理器，所述一个或多个处理器用于执行存储在所述存储器中的一个或多个计算机程序，所述一个或多个处理器在执行所述一个或多个计算机程序时，使得所述计算机设备执行上述第二方面的具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法。
21.第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行上述第二方面的具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法。
22.本技术可以实现如下有益效果：本技术通过设置包括m个场效应晶体管的场效应晶体管模组，能够根据不同幅值的故障电流，导通不同数量的场效应晶体管进行分流，从而适应不同电流范围，具有较强的自适应能力；并且通过导通不同数量的场效应晶体管可以将较大电流进行分流，从而降低了单个器件所承受的故障电流数值，使得采用多个低额定电流场效应晶体管便能开断更大的故障电流，进而降低器件成本。另外，本技术通过设置至少四个两两反串联的二极管，可以在发生故障时实现双向电流保护，降低了场效应晶体管
的使用数量，不仅能简化电路结构，还能进一步降低器件成本。
附图说明
23.图1为本技术实施例提供的一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的结构示意图；
24.图2为本技术实施例提供的一种检测模块的结构示意图；
25.图3为本技术实施例提供的一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的开断电流波形分段示意图；
26.图4为本技术实施例提供的一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图；
27.图5为本技术实施例提供的一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图；
28.图6为本技术实施例提供的一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图；
29.图7为本技术实施例提供的一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图；
30.图8为本技术实施例提供的一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法的流程图；
31.图9为本技术实施例提供的一种计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
32.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描述。
33.本技术提出的技术方案可适用以直流为主的新型用电系统中，具体的用于在直流场景发生故障时，对直流进行开断，以清除系统中的故障电流，对用电系统进行保护。
34.在一个实施例中，本技术提出一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器。如图1所示，图1为一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的结构示意图。包括：第一接入端10、第二接入端20、耗能支路30、主通流支路40、换流支路50；耗能支路30的第一端与第一接入端10连接，耗能支路 30的第二端与第二接入端20连接；第一接入端10为所述低压直流混合式断路器的进线，第二接入端20为所述低压直流混合式断路器的出线；主通流支路40 的第一端与第一接入端10连接，主通流支路40的第二端与第二接入端20连接，且耗能支路30与主通流支路40并联；换流支路50的第一端与第一接入端10 连接，换流支路50的第二端与第二接入端20连接，且换流支路50与耗能支路 30和主通流支路40并联。
35.其中，在正常工况下，主通流支路40导通，电流从第一接入端10流经主通流支路40至第二接入端20，耗能支路30与换流支路50不导通。
36.其中，换流支路50包括场效应晶体管模组501以及至少四个二极管。
37.场效应晶体管模组501包括m个场效应晶体管，场效应晶体管模组501的第一端与每个场效应晶体管的漏极连接，场效应晶体管模组501的第二端与每个场效应晶体管的源极连接，场效应晶体管模组501的第三端与每个场效应晶体管的栅极连接；第一接入端10与第一二极管d1的阳极、第三二极管d3的阴极连接，第一二极管d1的阴极与场效应晶体管模组
501的第一端、第二二极管d2的阴极连接；第三二极管d3的阳极与场效应晶体管模组501的第二端、第四二极管d4的阳极连接；第二接入端20与第二二极管d2的阳极、第四二极管d4的阴极连接；所述低压直流混合式断路器发生故障时，主通流支路40断开，场效应晶体管模中的n个场效应晶体管导通转移故障电流，所述n个场效应晶体管断开时，耗能支路30导通清除所述故障电流；其中，n、m均为大于等于1的整数， n≤m。
38.在一个实施例中，场效应晶体管模组501中的场效应晶体管为碳化硅场效应硅晶体管。通过使用碳化硅场效应硅晶体管，使得所述低压直流混合式断路器使用寿命大幅提高，可达上百万次，同时也使得断路器开断更加快速、准确。
39.在一个实施例中，主通流支路40包括机械断路器，所述机械断路器的第一端与第一接入端10连接，所述机械断路器的第二端与第二接入端20连接；所述机械断路器用于在所述低压直流混合式断路器发生故障时断开主通流支路40。
40.具体的，所述机械断路器为塑壳断路器。在实际应用中，主通流支路40中的断路器还可以是液体断口、气体断口或液体断口与气体断口的串并联组合。其中，液体断口的液体可以是蒸馏水、变压器油、植物油、液态c5f10o、矿物油或硅油等任一种能够实现断路、绝缘的液体。通过使用液体断口，使得断路器具有更好的开断能力和更强的断口绝缘强度。
41.在一个实施例中，耗能支路30包括压敏电阻，所述压敏电阻的第一端与第一接入端10连接，所述压敏电阻的第二端与第二接入端20连接；所述压敏电阻用于在所述低压直流混合式断路器发生故障时清除所述故障电流。
42.具体的，所述压敏电阻为金属氧化物压敏电阻。由于金属氧化物压敏电阻的阻值随着电压增大而减小，因此较大的电压过冲使耗能支路30导通，故障电流流过该支路，电压保持在安全范围，将故障电流清除。
43.在一个实施例中，所述低压直流混合式断路器还包括驱动模块60，驱动模块60的第一端与第一接入端10连接，驱动模块60的第二端与第二接入端20 连接，驱动模块60的第三端与场效应晶体管模组501的第三端连接，驱动模块 60用于在所述低压直流混合式断路器发生故障时驱动所述场效应晶体管模组 501中的场效应晶体管导通。
44.在一个实施例中，低压直流混合式断路器还包括检测模块70，检测模块70 第一端与第一接入端10连接，检测模块70第二端与驱动模块60连接，检测模块70用于检测所述故障电流的大小。
45.其中，检测模块70中设置有用于检测电流大小的传感器，具体的，用于检测电流上升率与电流峰值。其中，电流上升速率与线路时间常数有关，电流峰值与线路电阻有关。
46.在一个实施例中，如图2所示，图2为检测模块70的结构示意图。所述检测模块70包括传感器、滤波器、ad转换器、cpu、驱动mosfet单元、人机交互单元以及通信单元。所述传感器、所述滤波器、所述ad转换器以及所述 cpu依次连接，所述驱动mosfet单元、所述人机交互单元以及所述通信单元与所述cpu连接。所述传感器用于检测所述故障电流的电流上升率与电流峰值，并生成对应的电流信号；所述滤波单元用于对所述电流信号进行滤波，降低电流信号中的噪声；所述ad转换器用于将所述电流信号转换成所述cpu能够识别的转换后信号；所述cpu用于根据所述转换后信号控制所述驱动mosfet 单元生成相应的驱动信好，还用于控制所述通信单元将所述转换后信号发送到用户终端；所述cpu还用于通过所述人机交互单元与用户进行人机交互，接收用户输入的设备参数等信息。
47.在一个实施例中，所述低压直流混合式断路器还包括供能模块80，供能模块80第一端与驱动模块60第二端连接，供能模块80第二端与第二接入端20 连接，供能模块80的第三端与检测模块70的第三端连接，供能模块80用于为所述驱动模块60与所述检测模块70供能。
48.具体的，正常工况下电流通过第一接入端10流经主通流支路40至第二接入端20，当第二接入端20发生故障时，主通流支路40中电流迅速增大，塑壳断路器在热磁作用下触头打开。此时，塑壳断路器的触头间产生电弧，电压逐渐上升，电流在电压作用下上升变缓。供能电路则通过第二接入端20从母线侧取能，并稳定输出 30v、 5v电压分别给驱动模块60、检测模块70进行供电。检测模块70则通过传感器实时检测主通流支路40的故障电流，并与碳化硅场效应晶体管额定电流进行对比，当故障电流小于n(n≤m)个碳化硅场效应晶体管额定电流之和且大于n-1个碳化硅场效应晶体管额定电流之和时，检测模块 70将驱动信号传递至驱动模块60；当驱动模块60接收到检测模块70传递的驱动信号时，驱动模块60产生 30v的驱动电压，同时给n个碳化硅场效应晶体管栅极施加电压，从而控制n个碳化硅场效应晶体管导通。故障电流在电弧电压作用下，换向至n个碳化硅场效应晶体管并联组成的换流支路50中，电流依次通过第一二极管d1、第一碳化硅场效应晶体管t1…
tn、第二二极管d2传至第二接入端20。当一定延时间后，驱动信号施加-15v关断电压，n个碳化硅场效应晶体管在驱动信号作用下关断，由于线路电感的存在，在换流支路50两侧产生较大电压降，使得金属氧化物压敏电阻导通，故障电流换向至耗能支路30，耗能支路30将电压稳定在某个较为稳定的数值，电流逐渐将为零，耗能支路30 关断，至此，故障电流清除。
49.下面通过图3所示的具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的开断电流波形分段示意图对本技术的方案进行解释。其中，图3所示u为所述低压直流混合式断路器两端的电压、i
mov
为压敏电阻的电流、i
mosfet
为碳化硅场效应晶体管额定电流、i
arc
为故障电流。
50.其中，在t1时刻之前，如图4所示，图4为具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图，图4中深色部分为正在工作的电路部分。正常工况的电流i1通过第一接入端10流经主通流支路40至第二接入端20，系统无故障产生。
51.其中，在t
1-t2时段，如图5所示，图5为具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图，图5中深色部分为正在工作的电路部分。t1时刻主通流支路40中的塑壳断路器s在电流热磁作用下，金属触头打开，触头间产生故障电弧(故障电流)i2，由于电流i1流通路径不变，因此i1数值与故障电流i2相同；随着触头间电弧电压逐渐升高，故障电流i2在电弧电压限制下，增长速率有所减缓。同时供能模块80通过母线取电为检测模块70进行供能，检测模块70实时检测主通流支路40中故障电流i2的电流幅值i和电流变化率，并通过变化率判断故障电流i2上升或下降；还通过计算故障电流i2的电流幅值i与碳化硅场效应晶体管额定电流的比值，来确定所要导通的碳化硅场效应晶体管数量。
52.其中，在t2时刻，如图6所示，图6为具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图，图6中深色部分为正在工作的电路部分。驱动电路根据检测模块70所发送的驱动信号，导通n(n≤m)个碳化硅场效应晶体管，由于碳化硅场效应晶体管的导通压降较小，并且多个器件并联并不增加导通压降，因此多个器件并联进一步降低了所述低压直流混合式断路器的导通电阻，更有利于故障电流i2换向，故障电流i2在电弧电压的作用下自然换向至换流支路 50，n个碳化硅场效应晶体管共同承担换流时刻电流幅值i，每个器件分
担的电流为i/n，小于每个碳化硅场效应晶体管规定的额定电流。
53.其中，t
2-t3时段，如图6所示，图6为具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图，图6中深色部分为正在工作的电路部分。换流支路50导通，电流流通多个碳化硅场效应晶体管，同时触头间开距依然在增大，直到触头间距达到最大值，供能电路依然通过母线进行取电，并同时为驱动模块60、检测模块70进行供电，保障系统整体的可靠运行。
54.其中，t3时刻，如图7所示，图7为具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的工作电路示意图，图7中深色部分为正在工作的电路部分。一定时间延时后，检测模块70在t3时刻，给驱动电路施加信号，从而控制驱动电路输出电压降为幅值，来驱动碳化硅场效应晶体管稳定关断，由于碳化硅场效应晶体管的关断速度过快，在线路杂散电感的作用下，感应出较大的过电压并加在金属氧化物压敏电阻两端，该电压大于金属氧化物压敏电阻的钳位电压，使得耗能支路30导通，故障电流i2换向至该支路。
55.其中，t
3-t4时刻，线路电感所存储能量通过金属氧化物压敏电阻进行耗散，同时金属氧化物压敏电阻将电压钳位在稳定的电压数值，该数值约为系统电压的1.5～1.8倍，同时不超过电子器件的额定电压。
56.其中，在t4时刻，故障电流完全清除，金属氧化物压敏电阻两端电压降为电源电压并保持。
57.本技术通过设置包括m个场效应晶体管的场效应晶体管模组501，能够根据不同幅值的故障电流，导通不同数量的场效应晶体管进行分流，从而适应不同电流范围，具有较强的自适应能力；并且通过导通不同数量的场效应晶体管可以将较大电流进行分流，从而降低了单个器件所承受的故障电流数值，使得采用多个低额定电流场效应晶体管便能开断更大的故障电流，进而降低器件成本。另外，本技术通过设置至少四个两两反串联的二极管，可以在发生故障时实现双向电流保护，降低了场效应晶体管的使用数量，不仅能简化电路结构，还能进一步降低器件成本。
58.在一个实施例中，本技术提出一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法，如图8所示，图8为具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法的流程图，所述方法包括：
59.步骤801，当所述低压直流混合式断路器发生故障时，获取所述故障电流的大小。
60.其中，当所述低压直流混合式断路器发生故障时，供能模块80通过母线取电为检测模块70进行供能，检测模块70实时检测主通流支路40中故障电流i2的电流幅值i和电流变化率，并通过变化率判断故障电流i2上升或下降；还通过计算故障电流i2的电流幅值i与碳化硅场效应晶体管额定电流的比值，来确定所要导通的碳化硅场效应晶体管数量。
61.步骤802，根据所述故障电流的大小确定所述场效应晶体管模组501中场效应晶体管的导通数量，并控制导通所述场效应晶体管模组501中对应数量的场效应晶体管。
62.其中，检测模块70则通过传感器实时检测主通流支路40的故障电流的电流幅值i后，并与碳化硅场效应晶体管额定电流进行对比，当故障电流的电流幅值i小于n(≤m)个碳化硅场效应晶体管额定电流之和且大于n-1个碳化硅场效应晶体管额定电流之和时，检测模块70将驱动信号传递至驱动模块60；n个碳化硅场效应晶体管共同承担换流时刻电流幅值i，每个器件分担的电流为i/n，小于每个碳化硅场效应晶体管规定的额定电流。
63.本技术能够根据不同幅值的故障电流，导通不同数量的场效应晶体管进行分流，从而适应不同电流范围，具有较强的自适应能力；并且通过导通不同数量的场效应晶体管可以将较大电流进行分流，从而降低了单个器件所承受的故障电流数值，使得采用多个低额定电流场效应晶体管便能开断更大的故障电流，进而降低器件成本。
64.如图9所示，图9为在一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备可以是一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器、或与一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器连接的终端或服务器。如图9所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、和网络接口。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法。网络接口用于与外接进行通信。本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
65.在一个实施例中，本技术提供的一种具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器控制方法可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图9 所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该具有自适应调节功能的低压直流混合式断路器的各个程序模板。
66.一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该计算机程序被该处理器执行时，使得该处理器执行如下步骤：当所述低压直流混合式断路器发生故障时，获取所述故障电流的大小；根据所述故障电流的大小确定所述场效应晶体管模组501中场效应晶体管的导通数量，并控制导通所述场效应晶体管模组501中对应数量的场效应晶体管。
67.一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该计算机程序被该处理器执行时，使得该处理器执行如下步骤：当所述低压直流混合式断路器发生故障时，获取所述故障电流的大小；根据所述故障电流的大小确定所述场效应晶体管模组501中场效应晶体管的导通数量，并控制导通所述场效应晶体管模组501中对应数量的场效应晶体管。
68.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器 (ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率 sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink) dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
69.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
70.以上该实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。