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CN111628475B - 一种基于耦合电感的固态直流断路器 - Google Patents

一种基于耦合电感的固态直流断路器 Download PDF

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CN111628475B CN202010482337.6A CN202010482337A CN111628475B CN 111628475 B CN111628475 B CN 111628475B CN 202010482337 A CN202010482337 A CN 202010482337A CN 111628475 B CN111628475 B CN 111628475B
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Abstract

本公开揭示了一种基于耦合电感的固态断路器，包括：N条并联连接的载流支路、缓冲支路和耗能支路，所述N条并联连接的载流支路和缓冲支路及耗能支路依次并联；其中，所述N条并联连接的载流支路中，每条载流支路均包括串联连接的电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈；每条载流支路中的电感线圈和其相邻载流支路中的电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。本公开通过在固态直流断路器中引入耦合电感，能够有效抑制各并联支路中电力电子器件的动静态电流分配不均的问题，避免器件出现过电流损坏的现象，保护及延长电力电子器件的使用寿命，有利于固态直流断路器的可靠关断。

Description

一种基于耦合电感的固态直流断路器
技术领域
本公开涉及一种并联电力电子器件的均流方法，尤其涉及一种基于耦合电感的固态直流断路器。
背景技术
直流电网相较于交流电网具有变换环节少、能量利用率高、潮流控制度好、线路造价小、有功功率高、调节速度快等优点，是未来智能电网发展的重要方向。另外，多端柔性直流输电技术的发展也为风能、太阳能等可再生清洁能源固有的分散性、小型性、远离负荷中心等缺陷提供了有效的解决方法。
但直流系统出现短路故障后电流上升率高，故障传播速度快，不及时切除故障容易造成电网的坍塌，因此要求直流断路器具备分断速度快，分断能力强的特点。传统的机械式直流断路器难以满足对分断速度的要求，随着大功率半导体技术的不断发展，一种主要依赖电力电子器件完成电流分断的固态直流断路器逐渐成为直流开断领域的研究热点。固态直流断路器主要由IGCT、IGBT、IEGT等大功率电力电子器件、缓冲保护支路以及耗能支路构成，由于单只电力电子器件的关断能力有限，需要对器件串并联以满足断路器的开断需求。但由于不同电力电子器件的器件参数的分散性、器件结温不相等、组件结构不对称等因素的影响，不同并联支路的电力电子器件存在电流不均衡问题，包括：导通后的静态电流不均衡以及开关瞬态过程中的动态电流不均衡。不均衡的电流不仅会造成器件容量的浪费，还会使得器件间产生不对等的损耗以及开关速度、电压和电流应力，甚至会由于过冲的电气应力造成器件的损坏，影响固态直流断路器的可靠关断。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于耦合电感的固态直流断路器，通过在固态直流断路器并联电力电子器件的各支路中引入异名端连接的耦合电感，以磁场为媒介，转化能量，转移电流，从而能够解决并联各支路电力电子器件间电流分配不均衡的问题。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种基于耦合电感的固态直流断路器，包括：N条并联连接的载流支路、缓冲支路和耗能支路，所述N条并联连接的载流支路和缓冲支路及耗能支路依次并联；其中，
所述N条并联连接的载流支路中，每条载流支路均包括串联连接的电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈；
当N为奇数时，
第一载流支路中的第一电感线圈和第二载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第一载流支路中的第二电感线圈和第N载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第二载流支路中的第二电感线圈和第三载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第三载流支路中的第一电感线圈和第四载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
依次类推，第N-1载流支路中的第二电感线圈和第N载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。
一种基于耦合电感的固态直流断路器，包括：N条并联连接的载流支路、缓冲支路和耗能支路，所述N条并联连接的载流支路和缓冲支路及耗能支路依次并联；其中，
所述N条并联连接的载流支路中，每条载流支路包括串联连接的电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈；
当N为偶数时，
第一载流支路中的第一电感线圈和第二载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第一载流支路中的第二电感线圈和第N载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第二载流支路中的第二电感线圈和第三载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第三载流支路中的第一电感线圈和第四载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
依次类推，第N-1载流支路中的第一电感线圈和第N载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。
优选的，所述固态直流断路器包括N条载流支路、N条缓冲支路和耗能支路，所述N条载流支路中，每条载流支路包括电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈，每条载流支路中的电力电子器件与一条缓冲支路并联，然后与耗能支路并联。
优选的，所述固态直流断路器包括N条载流支路、N条缓冲支路和N条耗能支路，所述N条载流支路中，每条载流支路包括电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈，每条载流支路中的电力电子器件与一条缓冲支路及一条耗能支路并联。
优选的，当流过所述电力电子器件的电流不均衡时，所述耦合线圈上产生感应电动势，电流大的载流支路感应电动势为负，电流小的载流支路感应电动势为正，磁能电能相互转化，使流过所述并联连接的载流支路的电流均衡。
优选的，各载流支路中的电感线圈的电感值相等。
优选的，所述缓冲支路包括如下任意一种结构：
缓冲电容；
串联连接的缓冲电阻和缓冲电容；
缓冲电阻和二级管并联后与缓冲电容串联。
优选的，所述耗能支路包括避雷器。
优选的，所述避雷器包括如下任一：线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器和可卸式避雷器。
优选的，所述电力电子器件包括如下任一：IGBT、IEGT、GTO、IGCT。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：本公开通过在固态直流断路器中引入耦合电感，能够有效抑制各并联支路中电力电子器件的动静态电流分配不均的问题，避免器件出现过电流损坏的现象，保护及延长电力电子器件的使用寿命，有利于固态直流断路器的可靠关断。
附图说明
图1(a)至图1(b)是本公开一个实施例提供的一种基于耦合电感的固态直流断路器的结构示意图；
图2是本公开另一个实施例提供的一种基于耦合电感的固态直流断路器的结构示意图；
图3是本公开另一个实施例提供的一种基于耦合电感的固态直流断路器的结构示意图；
图4是本公开另一个实施例提供的未引入耦合电感的固态直流断路器关断过程中并联电力电子器件电流分配示意图；
图5是本公开另一个实施例提供的引入耦合电感的固态直流断路器关断过程中并联电力电子器件电流分配示意图；
图6(a)至图6(c)是本公开另一个实施例提供的缓冲支路内部电路结构图。
具体实施方式
下面将参照附图1(a)至图6(c)详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，本公开提供一种基于耦合电感的固态直流断路器，包括：N条并联连接的载流支路、缓冲支路和耗能支路，所述N条并联连接的载流支路和缓冲支路及耗能支路依次并联；其中，
所述N条并联连接的载流支路中，每条载流支路均包括串联连接的电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈；
当N为奇数时，
第一载流支路中的第一电感线圈和第二载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第一载流支路中的第二电感线圈和第N载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第二载流支路中的第二电感线圈和第三载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第三载流支路中的第一电感线圈和第四载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
依次类推，第N-1载流支路中的第二电感线圈和第N载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。
本实施例中，如图1(a)所示，当载流支路为奇数时，第一条载流支路中的第一电感线圈L11与第二条载流支路中的第一电感线圈L21异名端连接，构成耦合线圈；第一条载流支路中的第二电感线圈L12与第二条载流支路N中的第一电感线圈LN1异名端连接，构成耦合线圈；第二条载流支路中的第二电感线圈L22与第三条载流支路中的第二电感线圈L32异名端连接，构成耦合线圈；第三条载流支路中的第一电感线圈L31与第四条载流支路中的第一电感线圈L41异名端连接，构成耦合线圈，依此类推，第N-1条载流支路中的第二电感线圈和第N条载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。
图4是未引入耦合电感的固态直流断路器关断过程中并联电力电子器件电流分配示意图，如图4所示，固态直流断路器开断电流时，控制两条并联载流支路中的电力电子器件IGBT1、IGBT2关断，电流向缓冲支路转移。但由于不同电力电子器件的器件参数的分散性、器件结温不相等、组件结构不对称等因素的影响，会导致流经两个电力电子器件IGBT1、IGBT2的电流iG1、iG2电流分配不均。在关断过程中，流经所述电力电子器件IGBT1的电流iG1会在关断过程中先上升一定幅值后再减小，导致器件IGBT1会短时承受过冲的电流应力，可能导致器件的过流损坏，影响固态直流断路器的可靠关断。
图5是引入耦合电感的固态直流断路器关断过程中并联电力电子器件电流分配示意图，如图5所示，通过在固态直流断路器各并联载流支路中引入异名端连接的耦合线圈，当两个电力电子器件IGBT1、IGBT2的电流iG1、iG2电流分配不均时，耦合线圈产生的总磁通量不为零，从而在耦合线圈上产生感应电动势。电力电子器件IGBT1的电流iG1大于电力电子器件IGBT2的电流iG2，从而会在电力电子器件IGBT1所在支路中产生极性为负的感应电动势，在电力电子器件IGBT2所在支路中产生极性为正的感应电动势，从而改善两个电力电子器件的不均流状态。
另一个实施例中，本公开还提供一种基于耦合电感的固态直流断路器，包括：N条并联连接的载流支路、缓冲支路和耗能支路，所述N条并联连接的载流支路和缓冲支路及耗能支路依次并联；其中，
所述N条并联连接的载流支路中，每条载流支路包括串联连接的电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈；
当N为偶数时，
第一条载流支路中的第一电感线圈和第二条载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第一条载流支路中的第二电感线圈和第N条载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第二条载流支路中的第二电感线圈和第三条载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第三条载流支路中的第一电感线圈和第四条载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
依次类推，第N-1条载流支路中的第一电感线圈和第N条载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。
本实施例中，如图1(b)所示，当载流支路为偶数时，第一条载流支路中的第一电感线圈L11与第二条载流支路中的第一电感线圈L21异名端连接，构成耦合线圈；第一条载流支路中的第二电感线圈L12与第二条载流支路N中的第二电感线圈LN1异名端连接，构成耦合线圈；第二条载流支路中的第二电感线圈L22与第三条载流支路中的第二电感线圈L32异名端连接，构成耦合线圈；第三条载流支路中的第一电感线圈L31与第四条载流支路中的第一电感线圈L41异名端连接，构成耦合线圈，依此类推，第N-1条载流支路中的第一电感线圈和第N条载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。
上述2个实施例能够解决并联载流支路中电力电子器件之间电流分配不均衡的问题，从而能够提升电力电子器件的电力利用率，延长电力电子器件的使用寿命，保证固态直流断路器的可靠分断。
另一个实施例中，图1(a)至图1(b)所示固态直流断路器还可以做如下变形，如图2所示，固态直流断路器包括N条载流支路、N条缓冲支路和耗能支路，N条载流支路中，每条载流支路包括电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈，每条载流支路中的电力电子器件与一条缓冲支路并联，然后与耗能支路并联。
本实施例中，如图2所示，电力电子器件采用IGBT，缓冲支路由串联连接的缓冲电阻R和缓冲电容C构成，缓冲电阻R和缓冲电容C串联后与IGBT并联。需要说明的是，图2所示结构中，电力电子器件不局限于IGBT，也可以采用例如IEGT、GTO和IGCT中的任何一种进行替换。缓冲支路也可以采用其他结构，如图6(a)至图6(c)所示，可以仅包括缓冲电容C，也可以由缓冲电阻R和二极管D并联后与缓冲电容C串联组成。
另一个实施例中，图1(a)至图2所述固态断路器还可以做进一步变形，如图3所示，固态直流断路器包括N条载流支路、N条缓冲支路和N条耗能支路，N条载流支路中，每条载流支路包括电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈，每条载流支路中的电力电子器件与一条缓冲支路及一条耗能支路并联。
本实施例中，电力电子器件的选型及缓冲支路的结构变换均与前述实施例相同，此处不再赘述。
另一个实施例中，各载流支路中的电感线圈的电感值相等。
本实施例中，若电感线圈的电感值不相等，当载流支路处于均流状态时，会导致耦合线圈上产生的磁通大小不等，产生的总磁通量不为0，反而会导致电流不均衡的问题。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims (10)

1.一种基于耦合电感的固态直流断路器，包括：N条并联连接的载流支路、缓冲支路和耗能支路，所述N条并联连接的载流支路和缓冲支路及耗能支路依次并联；其中，
所述N条并联连接的载流支路中，每条载流支路包括串联连接的电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈；
当N为奇数时，
第一载流支路中的第一电感线圈和第二载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第一载流支路中的第二电感线圈和第N载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第二载流支路中的第二电感线圈和第三载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第三载流支路中的第一电感线圈和第四载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
依次类推，第N-1载流支路中的第二电感线圈和第N载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。
2.一种基于耦合电感的固态直流断路器，包括：N条并联连接的载流支路、缓冲支路和耗能支路，所述N条并联连接的载流支路和缓冲支路及耗能支路依次并联；其中，
所述N条并联连接的载流支路中，每条载流支路包括串联连接的电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈；
当N为偶数时，
第一载流支路中的第一电感线圈和第二载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第一载流支路中的第二电感线圈和第N载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第二载流支路中的第二电感线圈和第三载流支路中的第二电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
第三载流支路中的第一电感线圈和第四载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈；
依次类推，第N-1载流支路中的第一电感线圈和第N载流支路中的第一电感线圈异名端连接，构成耦合线圈。
3.根据权利要求1或2所述的固态直流断路器，其中，所述固态直流断路器包括N条并联连接的载流支路、N条缓冲支路和耗能支路，所述N条并联连接的载流支路与耗能支路并联，且每条载流支路中的电力电子器件还并联有一条缓冲支路。
4.根据权利要求1或2所述的固态直流断路器，其中，所述固态直流断路器包括N条载流支路、N条缓冲支路和N条耗能支路，所述N条载流支路中，每条载流支路包括电力电子器件、第一电感线圈和第二电感线圈，每条载流支路中的电力电子器件与一条缓冲支路及一条耗能支路并联。
5.根据权利要求1或2所述的固态直流断路器，其中，当流过所述电力电子器件的电流不均衡时，所述耦合线圈上产生感应电动势，电流大的载流支路感应电动势为负，电流小的载流支路感应电动势为正，磁能电能相互转化，使流过所述并联连接的载流支路的电流均衡。
6.根据权利要求1或2所述的固态直流断路器，其中，各载流支路中的电感线圈的电感值相等。
7.根据权利要求1或2所述的固态直流断路器，其中，所述缓冲支路包括如下任意一种结构：
缓冲电容；
串联连接的缓冲电阻和缓冲电容；
缓冲电阻和二级管并联后与缓冲电容串联。
8.根据权利要求1或2所述的固态直流断路器，其中，所述耗能支路包括避雷器。
9.根据权利要求8所述的固态直流断路器，其中，所述避雷器包括如下任一：线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器和可卸式避雷器。
10.根据权利要求1或2所述的固态直流断路器，其中，所述电力电子器件包括如下任一：IGBT、IEGT、GTO、IGCT。
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