本发明专利技术公开了一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置及保护方法，包括双向固态断路器，双向固态断路器设于直流母线电容器组的支路中，双向固态断路器与VSC中的电容器组串联，双向固态断路器包括双向开关、限流电阻R和控制器，双向开关由一组正向固态开关和一组反向固态开关串联组成，限流电阻R并联在正向固态开关两侧，一组正向固态开关和一组反向固态开关均由IGBT反并联功率二极管组成。本发明专利技术能满足快速切断故障电流需求，降低了主回路的电流应力和设计要求，能够实现无电弧分断，简单可靠，成本低廉，易操作且功能全面。
【技术实现步骤摘要】
一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置及保护方法
本专利技术涉及一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置及保护方法，属于电力开关技术、电力系统保护领域。
技术介绍
近年来，直流电力系统的应用不断扩大，对现有的交流电力系统是一种有益的补充，可使系统实现更好性能。例如，高压直流输电可以更好地利用其经济灵活的传输和控制特性；中压直流系统将提高系统的效率和电能质量。除此之外，直流微型电网能够更好地将分布式能源整合到智能电网中。在上述直流系统中，装备电压源变流器(VSC)是必不可少的。目前VSC中含有大量直流母线支撑电容，而这些电容的放电电流在直流短路的初始阶段起着重要的作用，其峰值电流的持续时间和幅度由存储在电容器中的能量、故障路径阻抗和电压电平决定。直流系统中的故障保护仍然是一个挑战，因为直流系统的阻抗较低，直流故障的发展快速。与传统交流系统相比，基于VSC的直流系统的故障发展速度提高了十倍，从而需要更快的响应。目前的解决方案是在VSC的直流输入侧串联二极管，如图8所示，当VSC发生短路时，可通过二极管无缝切换到另一区域VSC中，由于二极管串联在系统中，使得系统发热严重，效率降低。由于电力电子功率半导体能够快速对电路进行开关，直流断路器引入电力电子功率半导体进行直接或间接分断故障电流。电力电子功率半导体作为电流分断的主开关，即固态开关。专利CN103578820A“改进的固态开关装置”和Francesco等的论文“1MWBi-directionalDCSSCBbasedonairCooledReverseBlocking-IGCT”(2015-IEEE会议)设计了固态断路器(SolidStateCircuitBreaker,SSCB)，其主要优点在于，无电弧断路操作而具有无限电器耐久性；与机电开关的分断时间相比，SSCB分断时间明显更短。但这类设计存在明显缺陷：采用全控型电力电子器件，在正常工作时的损耗较大。将机械式开关的高耐压、低损耗与固态开关的快速性结合，形成所谓的混合开关或混合断路器。专利US20150002977A1“Mechatroniccircuitbreakerdeviceandassociatedtrippingmethodandusethereofininterruptingahighdirectcurrent”和专利US20120299393“Deviceandmethodtobreakthecurrentofapowertransmissionordistributionlineandcurrentlimitingarrangement”设计了用于HVDC领域的混合断路器，系统发生故障时，换流回路检测到故障，关断负载换流开关，将故障电流转移至主回路，超高速隔离开关打开形成隔离，随后主回路中的IGBT开关断开(同时开关两端电压上升至避雷器动作电压)，故障电流全部由避雷器流过并快速减小。这类设计存在明显缺陷：这类开关采用全控型电力电子器件多级串联结构，对串联均压设计、每个半导体一致性要求较高，技术难度大，成本高昂。此外，目前对于电流检测大都使用了各种类型的电流传感器，如基于霍尔效应的电流传感器或磁传感器，前者容易受到外部磁场影响，需要复杂的屏蔽干扰的措施，成本高且占用空间后者依赖被测电流的磁芯且具有记忆曲线，应用受到很大限制尤其在大电流测量领域。上述技术均在故障时，将断路器放置在主电路一侧，由于电容能量将快速向短路点放电，给断路器带来了很大的应力，使得断路器的设计容量加大，造成体积重量偏大和不必要的浪费，并进一步使得技术难度加大、成本高昂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：目前的断路器由于电容能量的快速放电产生很大的应力，断路器的设计容量大，体积重量偏大，成本高昂的问题。为了解决上述问题，本专利技术的技术方案是提供了一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：包括与VSC中的直流母线电容器组的支路串联的双向固态断路器，所述双向固态断路器包括双向开关、限流电阻R和控制器，所述双向开关包括串联的正向固态开关和反向固态开关，所述正向固态开关包括反并联的IGBTG1和功率二极管D1，所述反向固态开关包括反并联的IGBTG2和反并联功率二极管D2，限流电阻R与正向固态开关并联，所述控制器包括MCU、用于采集支路电流的电流采样单元、隔离单元、电流信号处理单元，所述电流采样单元的输入端与双向固态断路器的输出端连接，电流采样单元的输出端通过隔离单元和电流信号处理单元与MCU连接，电流信号处理单元将电流采样单元获得的电流模拟量转换成数字量并将数字量信号与控制器设定阈值进行比较，MCU与正向固态开关和反向固态开关连接用于向IGBTG1和IGBTG2发出闭合或断开的控制指令。优选地，所述隔离单元包括隔离芯片，所述隔离芯片的输入VDD1脚连接+5V电源，Vin+脚分别连接电容C25的一端、电阻R7的一端、电阻R8的一端，电阻R7的另一端连接电阻R24的一端，电阻R8的另一端连接双向二极管D21的一端，隔离芯片的Vin-脚分别连接电容C25的另一端、电容R24的另一端和双向二极管D21的另一端，双向二极管D21与电流采样单元的输出端连接；隔离芯片的GND1脚和Vin-脚接地，隔离芯片的输出VDD2脚通过电容C50连接GND2脚，VDD2脚接+5V电源，GND2脚接地，Vout+脚和Vout-脚与电流信号处理单元的输入端连接。优选地，所述电流信号处理单元包括运算放大器U1A和运算放大器U1B，所述运算放大器U1A的同相输入端分别连接电容C7的一端、电容C3的一端、电阻R6的一端和电阻R4的一端，电容C7的另一端和电阻R6的另一端接地，电容C3的另一端分别连接电阻R3的一端和运算放大器U1A的反相输入端，电阻R3的另一端通过电容C4连接电阻R4的另一端；运算放大器U1A的输出端分别连接电容C1的一端、电阻R1的一端、电感L1的一端和电阻R5的一端，电阻R1的另一端分别连接电容C1的另一端和连接运算放大器U1A的反相输入端，电感L1的另一端分别连接为输出端Vout1和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；电阻R5的另一端分别连接电容C5的一端和运算放大器U1B的反相输入端，电容C5的另一端分别连接参考地和运算放大器U1B的同相输入端，运算放大器U1B的输出端分别连接电阻R2的一端和电感L2的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1B的反向输入端，电感L2的另一端分别连接输出端Vout2和电容C6的一端，电容C6的另一端接地。优选地，所述电流采样单元为含有合金化学元素的铜导体，并将其串联接入IGBTG1和IGBTG2的两侧。优选地，所述限流电阻R采用功率耗能电阻。本专利技术的另一个技术方案是提供了一种抑制直流母线支撑电容短路保护方法，其特征在于，应用上述一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，包括如下步骤：步骤一：在初始状态时，正向固态开关上的IGBTG1和反向固态开关的IGBTG2断开；充电发生时，控制器检测充电结束后，闭合正向固态开关上的IGBTG1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：包括与VSC中的直流母线电容器组的支路串联的双向固态断路器，所述双向固态断路器包括双向开关、限流电阻R和控制器，所述双向开关包括串联的正向固态开关和反向固态开关，所述正向固态开关包括反并联的IGBT G1和功率二极管D1，所述反向固态开关包括反并联的IGBT G2和反并联功率二极管D2，限流电阻R与正向固态开关并联，所述控制器包括MCU、用于采集支路电流的电流采样单元、隔离单元、电流信号处理单元，所述电流采样单元的输入端与双向固态断路器的输出端连接，电流采样单元的输出端通过隔离单元和电流信号处理单元与MCU连接，电流信号处理单元将电流采样单元获得的电流模拟量转换成数字量并将数字量信号与控制器设定阈值进行比较，MCU与正向固态开关和反向固态开关连接用于向IGBT G1和IGBT G2发出闭合或断开的控制指令。/n
【技术特征摘要】
1.一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：包括与VSC中的直流母线电容器组的支路串联的双向固态断路器，所述双向固态断路器包括双向开关、限流电阻R和控制器，所述双向开关包括串联的正向固态开关和反向固态开关，所述正向固态开关包括反并联的IGBTG1和功率二极管D1，所述反向固态开关包括反并联的IGBTG2和反并联功率二极管D2，限流电阻R与正向固态开关并联，所述控制器包括MCU、用于采集支路电流的电流采样单元、隔离单元、电流信号处理单元，所述电流采样单元的输入端与双向固态断路器的输出端连接，电流采样单元的输出端通过隔离单元和电流信号处理单元与MCU连接，电流信号处理单元将电流采样单元获得的电流模拟量转换成数字量并将数字量信号与控制器设定阈值进行比较，MCU与正向固态开关和反向固态开关连接用于向IGBTG1和IGBTG2发出闭合或断开的控制指令。
2.如权利要求1所述的一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：所述隔离单元包括隔离芯片，所述隔离芯片的输入VDD1脚连接+5V电源，Vin+脚分别连接电容C25的一端、电阻R7的一端、电阻R8的一端，电阻R7的另一端连接电阻R24的一端，电阻R8的另一端连接双向二极管D21的一端，隔离芯片的Vin-脚分别连接电容C25的另一端、电容R24的另一端和双向二极管D21的另一端，双向二极管D21与电流采样单元的输出端连接；隔离芯片的GND1脚和Vin-脚接地，隔离芯片的输出VDD2脚通过电容C50连接GND2脚，VDD2脚接+5V电源，GND2脚接地，Vout+脚和Vout-脚与电流信号处理单元的输入端连接。
3.如权利要求1所述的一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：所述电流信号处理单元包括运算放大器U1A和运算放大器U1B，所述运算放大器U1A的同相输入端分别连接电容C7的一端、电容C3的一端、电阻R6的一端和电阻R4的一端，电容C7的另一端和...
【专利技术属性】
技术研发人员：李长乐，林雨晴，寿艳文，施惠冬，刘中，
申请(专利权)人：上海电器科学研究所集团有限公司，上海均海专用机电设备技术开发有限公司，上海电器科学研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31
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