一种Ю源直流固态断路器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种Ю源直流固态断路器，包括直流电源，直流电源的正极与开关晶闸管的阳极相连，直流电源的负极与线路电感任一端口相连，开关晶闸管的阴极分别连接变压器原边电感的耦合端和变压器副边电感的耦合端，变压器原边电感的非耦合端与后级负载相连，变压器副边电感非耦合端通过H桥电路连接电容，线路电感的另一端口和后级负载的另一端口相连，线路电感的另一端口还相连H桥电路。本发明专利技术还公开了一种Ю源直流固态断路器的控制方法，解决了现有技术中存在的多次关断永久性故障难以保证安全重启的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种Ю源直流固态断路器及其控制方法
本专利技术属于电力电子
，涉及一种Ю源直流固态断路器，还涉及上述一种Ю源直流固态断路器的控制方法。
技术介绍
随着世界范围内环境问题日益突出，新能源得到大规模应用，诸如船舶、航空、数据中心、储能装置等直流负荷日益增加，直流微电网得到了很大的研究与推广应用。但是，直流系统中集成了大量敏感负载和变流器且直流系统电流没有自然过零点，发生故障时系统电流上升率很高，严重影响敏感负载供电连续性和可靠性，因此短路保护非常具有挑战性，其仍是直流电源系统主要技术障碍之一。所存在的解决方案中，把DC/DC电路拓展应用于断路器中的半固态Z源类断路器以快速响应、自然换向、无需检测控制系统、成本较低等优点受到了广泛关注。但是，Z源类断路器存在两大缺陷，一方面，Z源类断路器的关断范围受到电感、电容、变压器等无源器件参数的影响，参数的取值不同，关断范围不同，同时参数的设置计算过程较为复杂，使得Z源类断路器的通用性降低。另一方面，Z源类断路器不能在断路器重合闸前对C充电以提供中断能力，当断路器重新闭合时，若故障存在，电容两端无法建立电压，无法实现再次故障隔离，使得电源与故障点直通，产生极大的短路电流，无法保证微电网安全重启。针对断路器对参数依赖的问题，学者李长乐将耦合电感引入断路器提出了T源断路器，可适当通过变压器变比来调节短路关断区域，但关断区域仍有一定局限性；李伟林教授等人提出了引入两个参数的断路器拓扑-Y源断路器，但仍没有从根本上解决问题；陈婉君教授等人提出了一种新型隔离断路器来解决参数影响问题，但其电路结构相对复杂。针对Z源类断路器对于永久性故障关断以保证系统安全重启问题，为了实现电容短路关断后电压为正，SwatiGSavaliya等人提出了充电电路将电流能量反向充电给电容实现电容正压来实现重合闸功能，该方法引入额外的充电电路，增加了成本和电路控制的复杂性；B.G.Fernandes等人将双向准Z源拓扑进行相位移动实现给电容充电储能，但并没有考虑启动抑制电路影响；AnindyaRay等人利用H桥来构建路径实现混合式断路器电容正压，所提出的控制方法相对复杂，且只应用于混合式断路器中。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是提供一种Ю源直流固态断路器，解决了现有技术中存在的多次关断永久性故障难以保证安全重启的问题。本专利技术的第二目的是提供一种Ю源直流固态断路器的控制方法。本专利技术所采用的技术方案是，一种Ю源直流固态断路器，包括直流电源，直流电源的正极与开关晶闸管的阳极相连，直流电源的负极与线路电感任一端口相连，开关晶闸管的阴极分别连接变压器原边电感的耦合端和变压器副边电感的耦合端，变压器原边电感的非耦合端与后级负载相连，变压器副边电感非耦合端通过H桥电路连接电容，线路电感的另一端口和后级负载的另一端口相连，线路电感的另一端口还相连H桥电路。本专利技术的特点还在于：H桥电路包括开关Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ和开关Ⅳ，变压器副边电感非耦合端分别连接开关Ⅰ的发射极和二极管Ⅱ的阴极，开关Ⅰ上设置有S1-反并联二极管，开关Ⅰ的集电极分别连接二极管Ⅲ的阴极和电容的正极，二极管Ⅱ的阳极分别连接开关Ⅳ的发射极和电容的负极，开关Ⅳ的集电极和二极管Ⅲ的阳极相连，开关Ⅳ上设置有S4-反并联二极管。线路电感的另一端口连接在开关Ⅳ和二极管Ⅲ之间的连接线路上。开关Ⅳ的集电极和二极管Ⅲ的阳极与直流系统的公共地端相连。一种Ю源直流固态断路器的控制方法，具体按照以下实施：正常供电时，开关晶闸管、变压器副边电感、S1-反并联二极管、电容和S4-反并联二极管形成回路，电容充电储能；发生短路时，检测变压器原边电感电流is，与给定阈值电流ith进行比较，当检测电流is大于给定电流ith时，H桥电路的开关Ⅰ和开关Ⅳ的栅极信号触发，电容经开关Ⅰ、变压器副边电感、变压器原边电感、故障点、开关Ⅳ形成放电短路回路，开关晶闸管反向耦合关断；当开关晶闸管关断后，检测电流is小于给定电流ith，开关Ⅰ和开关Ⅳ的栅极信号关闭，短路电流经二极管Ⅲ、电容正极、电容负极、二极管Ⅱ、接变压器原边电感、变压器副边电感形成短路续流回路，为电容正向充电。本专利技术的有益效果是：本专利技术一种Ю源直流固态断路器，解决了现有技术中存在的多次关断永久性故障以保证安全重启的问题。在短路关断后通过H桥电路和变压器原、副边电感的配合，实现电容C电压为正，保证断路器重合闸前对电容充电以获得可可靠再关断能力，能够中断故障而不会对电源和负载造成故障电流冲击，实现对永久性故障多次安全分断，确保了断路器安全重启。本专利技术一种Ю源直流固态断路器的控制方法，通过软件控制设置阈值参数值来自由控制短路关断区域和短路电流大小，解决了原Z源类断路器关断范围对断路器参数的依赖问题；同时，所提出的拓扑短路电流大小可控，且不受短路电流上升速度的影响，解决了Z源类断路器无法关断缓慢故障的问题。附图说明图1是本专利技术一种Ю源直流固态断路器的电路图；图2是本专利技术一种Ю源直流固态断路器电路的控制框图；图3是本专利技术一种Ю源直流固态断路器的控制方法中电路正常供电时电容充电等效电路图；图4是本专利技术一种Ю源直流固态断路器的控制方法中电路短路时电容放电等效电路图；图5是本专利技术一种Ю源直流固态断路器的控制方法中电路短路时电容反向充电等效电路图。图6是本专利技术新型一种Ю源直流固态断路器的参数控制框图(T0<TSCR)；图7是本专利技术一种Ю源直流固态断路器的控制仿真波形；图8是本专利技术一种Ю源直流固态断路器在瞬时性和永久性故障两种情况下的仿真波形；1.直流电源，2.开关晶闸管，3.变压器原边电感，4.变压器副边电感，5.开关Ⅰ，6.S1-反并联二极管，7.二极管Ⅱ，8.二极管Ⅲ，9.开关Ⅳ，10.S4-反并联二极管，11.C-电容，12.后级负载，13.Ls-线路电感。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种Ю源直流固态断路器，如图1和图2所示，包括直流电源1，直流电源1的正极与开关晶闸管2的阳极相连，直流电源1的负极与线路电感13任一端口相连，开关晶闸管2的阴极分别连接变压器原边电感3的耦合端和变压器副边电感4的耦合端，变压器原边电感3的非耦合端与后级负载12相连，变压器副边电感4非耦合端通过H桥电路连接电容11，线路电感13的另一端口和后级负载12的另一端口相连，线路电感13的另一端口还相连H桥电路。H桥电路包括开关Ⅰ5、二极管Ⅱ7、二极管Ⅲ8和开关Ⅳ9，变压器副边电感4非耦合端分别连接开关Ⅰ5的发射极和二极管Ⅱ7的阴极，开关Ⅰ5上设置有S1-反并联二极管6，开关Ⅰ5的集电极分别连接二极管Ⅲ8的阴极和电容11的正极，二极管Ⅱ7的阳极分别连接开关Ⅳ9的发射极和电容11的负极，开关Ⅳ9的集电极和二极管Ⅲ8的阳极相连，开关Ⅳ9上设置有S4-反并联二极管10。线路电感13的另一端口连接在开关Ⅳ9和二极管Ⅲ8之间的连接线路上。开关Ⅳ9的集电极和二极管Ⅲ8的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ю源直流固态断路器，其特征在于，包括直流电源(1)，所述直流电源(1)的正极与开关晶闸管(2)的阳极相连，所述直流电源(1)的负极与线路电感(13)任一端口相连，所述开关晶闸管(2)的阴极分别连接变压器原边电感(3)的耦合端和变压器副边电感(4)的耦合端，所述变压器原边电感(3)的非耦合端与后级负载(12)相连，所述变压器副边电感(4)非耦合端通过H桥电路连接电容(11)，所述线路电感(13)的另一端口和后级负载(12)的另一端口相连，所述线路电感(13)的另一端口还相连H桥电路。/n

【技术特征摘要】
1.一种Ю源直流固态断路器，其特征在于，包括直流电源(1)，所述直流电源(1)的正极与开关晶闸管(2)的阳极相连，所述直流电源(1)的负极与线路电感(13)任一端口相连，所述开关晶闸管(2)的阴极分别连接变压器原边电感(3)的耦合端和变压器副边电感(4)的耦合端，所述变压器原边电感(3)的非耦合端与后级负载(12)相连，所述变压器副边电感(4)非耦合端通过H桥电路连接电容(11)，所述线路电感(13)的另一端口和后级负载(12)的另一端口相连，所述线路电感(13)的另一端口还相连H桥电路。


2.如权利要求1所述的一种Ю源直流固态断路器，其特征在于，所述H桥电路包括开关Ⅰ(5)、二极管Ⅱ(7)、二极管Ⅲ(8)和开关Ⅳ(9)，所述变压器副边电感(4)非耦合端分别连接开关Ⅰ(5)的发射极和二极管Ⅱ(7)的阴极，所述开关Ⅰ(5)上设置有S1-反并联二极管(6)，所述开关Ⅰ(5)的集电极分别连接二极管Ⅲ(8)的阴极和电容(11)的正极，所述二极管Ⅱ(7)的阳极分别连接开关Ⅳ(9)的发射极和电容(11)的负极，所述开关Ⅳ(9)的集电极和二极管Ⅲ(8)的阳极相连，所述开关Ⅳ(9)上设置有S4-反并联二极管(10)。


3.如权利要求2所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋卫章，安宁，韩镇鸿，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61