CN114498546B - 一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于断路器领域，提供了一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路及其控制方法，所述拓扑结构包括并联的主通流支路、转移支路和限压支路。所述主通流支路包括快速机械开关K，所述转移支路由双重桥式模块和振荡支路构成，多个IGCT和电容C1构成第一重桥式结构，也可称为内桥；外桥由多个固态开关构成，双重桥式模块和振荡支路并联，振荡支路由电容C2和固态开关组K3组成。限压支路由多个限压MOV构成。本发明的混合双重桥式直流断路器拓扑电路具有双向通流能力，对器件自身的关断能力要求低，所需器件数量少，成本低，体积小等优势。

Description

一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路及其控制方法

技术领域

本发明属于断路器领域，特别涉及一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路及其控制方法。

背景技术

机械式直流断路器可以关断非常大的电流，并具有成本低、损耗小等优点，但其开断速度较慢。固态直流断路器开断速度迅速，但其相关损耗较高且价格昂贵。为了克服两者的缺点，通过将机械式直流断路器和固态直流断路器集成在一个装置上，从而形成混合式直流断路器。混合式直流断路器结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能，用快速机械开关来导通正常运行电流，用固态电力电子器件来分断短路电流，具有通态损耗小、开断时间短、无需专用冷却设备等的优点。

为满足使用过程中对混合式直流断路器迅速开断能力的要求，需要对电子器件本身的性能提出更高的要求，从而造成现有混合式直流断路器的器件数量较多、体积大、成本高。

发明内容

针对上述问题，一方面，本发明公开了一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路，所述拓扑电路包括主通流支路、转移支路以及限压支路，所述转移支路和限压支路与主通流支路并联；

所述转移支路包括双重桥式模块和振荡支路；所述双重桥式模块包括内桥、外桥和电容C1，所述电容C1、内桥和外桥依次从内向外层层设置。

进一步地，所述主通流支路包括快速机械开关K。

进一步地，所述内桥包括IGCT1、IGCT2、IGCT3和IGCT4，所述IGCT1和IGCT4同向串联，形成内桥第一支路；所述IGCT2和IGCT3同向串联，形成内桥第二支路；所述内桥第一支路与内桥第二支路同向并联。

进一步地，所述内桥第一支路中的IGCT1的阴极和IGCT4的阳极相连；所述内桥第二支路中的IGCT2的阴极和IGCT3的阳极相连。

进一步地，所述电容C1的一端与IGCT1的阴极以及IGCT4的阳极相连，所述电容C1的另一端与IGCT2的阴极以及IGCT3的阳极相连；所述内桥的内部还设置有限压MOV3，所述限压MOV3与电容C1并联，且限压MOV3两端与电容C1两端相连。

进一步地，所述外桥包括两个固态开关K1和两个固态开关K2，其中一个固态开关K1和其中一个固态开关K2反向串联，形成外桥第一支路；另一个固态开关K1和另一个固态开关K2反向串联，形成外桥第二支路；所述外桥第一支路和外桥第二支路并联。

进一步地，所述外桥第一支路中，固态开关K1的阴极与固态开关K2的阴极相连，所述外桥第二支路中，固态开关K1的阳极与固态开关K2的阳极相连；在所述外桥中，外桥第一支路中的固态开关K1的阳极与外桥第二支路中的固态开关K2的阴极相连，连接点记为外桥第一连接点，所述第一连接点与快速机械开关K的一端、振荡支路的一端以及限压支路的一端相连；外桥第一支路中的固态开关K2的阳极与外桥第二支路中的固态开关K1的阴极相连，连接点记为外桥第二连接点，所述第二连接点与快速机械开关K的另一端、振荡支路的另一端以及限压支路的另一端相连。

进一步地，所述内桥第一支路中IGCT1的阳极与内桥第二支路中IGCT2的阳极相连，连接点记为内桥第一连接点；所述内桥第一支路中IGCT4的阴极与内桥第二支路中IGCT3的阴极相连，连接点记为内桥第二连接点；所述内桥第一连接点与外桥第一支路中的固态开关K1阴极以及固态开关K2阴极相连；所述内桥第二连接点与外桥第二支路中的固态开关K1阳极以及固态开关K2阳极相连。

进一步地，所述振荡支路包括串联的电容C2和固态开关组K3，所述电容C2的一端与固态开关组K3一端相连，另一端与外桥第一连接点相连，所述固态开关组K3的另一端与外桥第二连接点相连。

进一步地，所述固态开关组K3包括两个反向并联的固态开关。

进一步地，所述限压支路包括串联的限压MOV1和限压MOV2，所述限压MOV1的一端与限压MOV2的一端相连，限压MOV1的另一端与外桥第一连接点相连，所述限压MOV2的另一端与外桥第二连接点相连。

进一步地，所述限压MOV1的一端与限压MOV2的一端相连处记为振荡支路连接点，所述电容C2的一端与固态开关组K3一端相连处记为限压支路连接点，所述振荡支路连接点与限压支路连接点相连。

进一步地，每个所述固态开关K1、每个所述固态开关K2以及所述固态开关组K3均需配置与其并联的相应电压等级的限压MOV。

进一步地，所述固态开关K2包括所有全控电力电子器件和半控电力电子器件；所述固态开关K1包括所有全控电力电子器件；所述的固态开关组K3包括所有全控电力电子器件和半控电力电子器件。

另一方面，本发明还公开了一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路的控制方法，所述控制方法包括：

发生短路故障后，系统给快速机械开关下发分闸指令，快速机械开关K开始动作；

当快速机械开关K的触头分开指定间隙后，导通外桥臂上的固态开关K1和内桥中的IGCT1以及IGCT3；

电容C1预充电压，将电流从主通流支路换流到转移支路；

随着故障电流的冲击，电容C1上的电压很快下降到0并反向充电；

当电容C1上的电压达到规定幅值后，导通内桥中的IGCT2；

利用电容C1的电压将电流从IGCT1换流到IGCT2中，此时，电容C1的电压达到规定幅值，故障电流完全通过内桥同一侧桥臂通流，即IGCT2以及IGCT3；

换流完成后，关断IGCT1；

当快速机械开关K的间距达到耐受过电压的间距时，导通IGCT4；

利用电容C1上的电压使内桥下管中的电流进行换流，电流从IGCT3换流到IGCT4；

关断IGCT3，同时故障电流给电容C1充电，使电容C1电压的极性发生改变；

当电容C1上的电压达到规定幅值后，导通固态开关K3；

利用电容C1上的电压将电流换流到振荡支路；

当转移支路的电流下降到0后，关断固态开关K1和IGCT2以及IGCT4；

当电容C2上的电压达到限压MOV1的动作，MOV1将系统中的能量吸收，同时转移支路的电流降为0，固态开关K1和固态开关K2均处于开断状态，完成开断。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路，所述拓扑结构包括并联的主通流支路、转移支路和限压支路。所述主通流支路包括快速机械开关K，所述转移支路由双重桥式模块和振荡支路构成，多个IGCT和电容C1构成第一重桥式结构，也可称为内桥；外桥由多个固态开关构成，双重桥式模块和振荡支路并联，振荡支路由电容C2和固态开关组K3组成。限压支路由多个限压MOV构成。本发明的混合双重桥式直流断路器拓扑电路具有双向通流能力，对器件自身的关断能力要求低，所需器件数量少，成本低，体积小等优势。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一种实施例中，如图1示出了本发明实施例的一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路，所述拓扑电路包括主通流支路、转移支路以及限压支路，所述转移支路和限压支路与主通流支路并联；所述转移支路包括双重桥式模块和振荡支路；所述双重桥式模块包括内桥、外桥和电容C1，所述电容C1、内桥和外桥依次从内向外层层设置。所述主通流支路包括快速机械开关K。

在本实施例的一种情况中，所述内桥包括IGCT1(集成门极换流晶闸管)、IGCT2、IGCT3和IGCT4，所述IGCT1和IGCT4同向串联，形成内桥第一支路；所述IGCT2和IGCT3同向串联，形成内桥第二支路；所述内桥第一支路与内桥第二支路同向并联。所述内桥第一支路中的IGCT1的阴极和IGCT4的阳极相连；所述内桥第二支路中的IGCT2的阴极和IGCT3的阳极相连。

在本实施例的一种情况中，所述电容C1的一端与IGCT1的阴极以及IGCT4的阳极相连，所述电容C1的另一端与IGCT2的阴极以及IGCT3的阳极相连；所述内桥的内部还设置有限压MOV3(Meta lOxide Varistors，压敏电阻)，所述限压MOV3与电容C1并联，且限压MOV3两端与电容C1两端相连。

在本实施例的一种情况中，所述外桥包括两个固态开关K1和两个固态开关K2，其中一个固态开关K1和其中一个固态开关K2反向串联，形成外桥第一支路；另一个固态开关K1和另一个固态开关K2反向串联，形成外桥第二支路；所述外桥第一支路和外桥第二支路并联。所述外桥第一支路中，固态开关K1的阴极与固态开关K2的阴极相连，所述外桥第二支路中，固态开关K1的阳极与固态开关K2的阳极相连；在所述外桥中，外桥第一支路中的固态开关K1的阳极与外桥第二支路中的固态开关K2的阴极相连，连接点记为外桥第一连接点，所述第一连接点与快速机械开关K的一端、振荡支路的一端以及限压支路的一端相连；外桥第一支路中的固态开关K2的阳极与外桥第二支路中的固态开关K1的阴极相连，连接点记为外桥第二连接点，所述第二连接点与快速机械开关K的另一端、振荡支路的另一端以及限压支路的另一端相连。

在本实施例的一种情况中，所述内桥第一支路中IGCT1的阳极与内桥第二支路中IGCT2的阳极相连，连接点记为内桥第一连接点；所述内桥第一支路中IGCT4的阴极与内桥第二支路中IGCT3的阴极相连，连接点记为内桥第二连接点；所述内桥第一连接点与外桥第一支路中的固态开关K1阴极以及固态开关K2阴极相连；所述内桥第二连接点与外桥第二支路中的固态开关K1阳极以及固态开关K2阳极相连。

在本发明的一种实施例中，所述振荡支路包括串联的电容C2和固态开关组K3，所述电容C2的一端与固态开关组K3一端相连，另一端与外桥第一连接点相连，所述固态开关组K3的另一端与外桥第二连接点相连。

在本实施例的一种情况中，所述固态开关组K3包括两个反向并联的固态开关。

在本实施例的一种情况中，所述固态开关K2包括所有全控电力电子器件和半控电力电子器件；所述固态开关K1包括所有全控电力电子器件；所述的固态开关组K3包括所有全控电力电子器件和半控电力电子器件

在本发明的一种实施例中，所述限压支路包括串联的限压MOV1和限压MOV2，所述限压MOV1的一端与限压MOV2的一端相连，限压MOV1的另一端与外桥第一连接点相连，所述限压MOV2的另一端与外桥第二连接点相连。

本发明提供了一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路及其控制方法，所述拓扑结构包括并联的主通流支路、转移支路和限压支路。所述主通流支路包括快速机械开关K，所述转移支路由双重桥式模块和振荡支路构成，多个IGCT和电容C1构成第一重桥式结构，也可称为内桥；外桥由多个固态开关构成，双重桥式模块和振荡支路并联，振荡支路由电容C2和固态开关组K3组成。限压支路由多个限压MOV构成，并且每个所述固态开关K1、每个所述固态开关K2以及所述固态开关组K3均需配置与其并联的相应电压等级的限压MOV，保证固态开关的组成器件不会过压击穿。本发明的混合双重桥式直流断路器拓扑电路具有双向通流能力，对器件自身的关断能力要求低，所需器件数量少，成本低，体积小等优势。

上述混合双重桥式直流断路器拓扑电路的工作控制方法步骤为：发生短路故障后，系统给快速机械开关K下发分闸指令，快速机械开关K开始动作。当快速机械开关K的触头分开一定间隙后，导通外桥臂上的固态开关K1和内桥中的IGCT1以及IGCT3，利用电容C1中的预充电压，将电流从主通流支路换流到转移支路。随着故障电流的冲击，电容C1上的电压很快下降到0并反向充电。当电容C1上的电压达到一定幅值后，导通内桥臂的IGCT2，利用电容C1的电压将电流从IGCT1换流到IGCT2中。此时，电容C1中有一定的电压，故障电流完全通过内桥同一侧桥臂通流，即IGCT2以及IGCT3。换流完成后，关断IGCT1。当快速机械开关K的间距足够耐受过电压，导通IGCT4，利用电容C1上的电压使下管电流进行换流，电流从IGCT3换流到IGCT4，关断IGCT3，同时故障电流给电容C1充电，使电容C1电压的极性发生改变。当电容C1上的电压达到一定幅值后，导通固态开关K3，利用电容C1上的电压将电流换流到振荡支路，当转移支路的电流下降到0后，关断固态开关K1和IGCT2以及IGCT4。当电容C2上的电压达到限压MOV1的动作，限压MOV1将系统中的能量吸收，同时转移支路的电流降为0，固态开关K1和固态开关K2均处于开断状态。完成开断。需要说明的是，固态开关K1和固态开关K2是为了实现双向开断的作用而设置，上述工作过程中涉及到固态开关K1的步骤，也可以替换成控制固态开关K2进行相应的操作，以此达到相同的换流目的。双重桥式模块可以自然满足双向通流的要求，在不改变电容C1预充电性的情况下实现双向通流。

尽管参照前述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精神和范围。

Claims (12)

1.一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路，所述拓扑电路包括主通流支路，其特征在于，所述拓扑电路还包括转移支路以及限压支路，所述转移支路和限压支路与主通流支路并联；

所述转移支路包括双重桥式模块和振荡支路；所述双重桥式模块包括内桥、外桥和电容C1，所述电容C1、内桥和外桥依次从内向外层层设置；

所述内桥包括IGCT1、IGCT2、IGCT3和IGCT4，所述IGCT1和IGCT4同向串联，形成内桥第一支路；所述IGCT2和IGCT3同向串联，形成内桥第二支路；所述内桥第一支路与内桥第二支路同向并联；

所述外桥包括两个固态开关K1和两个固态开关K2，其中一个固态开关K1和其中一个固态开关K2反向串联，形成外桥第一支路；另一个固态开关K1和另一个固态开关K2反向串联，形成外桥第二支路；所述外桥第一支路和外桥第二支路并联；

所述混合双重桥式直流断路器拓扑电路的控制方法包括：

发生短路故障后，系统给快速机械开关下发分闸指令，快速机械开关K开始动作；

当快速机械开关K的触头分开指定间隙后，导通外桥臂上的固态开关K1和内桥中的IGCT1以及IGCT3；

电容C1预充电压，将电流从主通流支路换流到转移支路；

随着故障电流的冲击，电容C1上的电压很快下降到0并反向充电；

当电容C1上的电压达到规定幅值后，导通内桥中的IGCT2；

利用电容C1的电压将电流从IGCT1换流到IGCT2中，此时，电容C1的电压达到规定幅值，故障电流完全通过内桥同一侧桥臂通流，即IGCT2以及IGCT3；

换流完成后，关断IGCT1；

当快速机械开关K的间距达到耐受过电压的间距时，导通IGCT4；

利用电容C1上的电压使内桥下管中的电流进行换流，电流从IGCT3换流到IGCT4；

关断IGCT3，同时故障电流给电容C1充电，使电容C1电压的极性发生改变；

当电容C1上的电压达到规定幅值后，导通固态开关K3；

利用电容C1上的电压将电流换流到振荡支路；

当转移支路的电流下降到0后，关断固态开关K1和IGCT2以及IGCT4；

当电容C2上的电压达到限压MOV1的动作，MOV1将系统中的能量吸收，同时转移支路的电流降为0，固态开关K1和固态开关K2均处于开断状态，完成开断。

2.根据权利要求1所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述主通流支路包括快速机械开关K。

3.根据权利要求1所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述内桥第一支路中的IGCT1的阴极和IGCT4的阳极相连；所述内桥第二支路中的IGCT2的阴极和IGCT3的阳极相连。

4.根据权利要求1所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述电容C1的一端与IGCT1的阴极以及IGCT4的阳极相连，所述电容C1的另一端与IGCT2的阴极以及IGCT3的阳极相连；所述内桥的内部还设置有限压MOV3，所述限压MOV3与电容C1并联，且限压MOV3两端与电容C1两端相连。

5.根据权利要求1所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述外桥第一支路中，固态开关K1的阴极与固态开关K2的阴极相连，所述外桥第二支路中，固态开关K1的阳极与固态开关K2的阳极相连；在所述外桥中，外桥第一支路中的固态开关K1的阳极与外桥第二支路中的固态开关K2的阴极相连，连接点记为外桥第一连接点，所述第一连接点与快速机械开关K的一端、振荡支路的一端以及限压支路的一端相连；外桥第一支路中的固态开关K2的阳极与外桥第二支路中的固态开关K1的阴极相连，连接点记为外桥第二连接点，所述第二连接点与快速机械开关K的另一端、振荡支路的另一端以及限压支路的另一端相连。

6.根据权利要求1所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述内桥第一支路中IGCT1的阳极与内桥第二支路中IGCT2的阳极相连，连接点记为内桥第一连接点；所述内桥第一支路中IGCT4的阴极与内桥第二支路中IGCT3的阴极相连，连接点记为内桥第二连接点；所述内桥第一连接点与外桥第一支路中的固态开关K1阴极以及固态开关K2阴极相连；所述内桥第二连接点与外桥第二支路中的固态开关K1阳极以及固态开关K2阳极相连。

7.根据权利要求5所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述振荡支路包括串联的电容C2和固态开关组K3，所述电容C2的一端与固态开关组K3一端相连，另一端与外桥第一连接点相连，所述固态开关组K3的另一端与外桥第二连接点相连。

8.根据权利要求7所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述固态开关组K3包括两个反向并联的固态开关。

9.根据权利要求7所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述限压支路包括串联的限压MOV1和限压MOV2，所述限压MOV1的一端与限压MOV2的一端相连，限压MOV1的另一端与外桥第一连接点相连，所述限压MOV2的另一端与外桥第二连接点相连。

10.根据权利要求9所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述限压MOV1的一端与限压MOV2的一端相连处记为振荡支路连接点，所述电容C2的一端与固态开关组K3一端相连处记为限压支路连接点，所述振荡支路连接点与限压支路连接点相连。

11.根据权利要求7所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，每个所述固态开关K1、每个所述固态开关K2以及所述固态开关组K3均需配置与其并联的相应电压等级的限压MOV。

12.根据权利要求7所述的混合双重桥式直流断路器拓扑电路，其特征在于，所述固态开关K2包括所有全控电力电子器件和半控电力电子器件；所述固态开关K1包括所有全控电力电子器件；所述的固态开关组K3包括所有全控电力电子器件和半控电力电子器件。

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