一种基于晶闸管的双向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基于晶闸管的可控双向直流固态断路器及其控制方法，该双向直流固态断路器由主支路、换流及电容充电支路、能量吸收支路及控制单元组成，本发明专利技术结合控制单元可实现对换流支路的控制，进而利用耦合电感的感应电流，实现对故障电流的中断和隔离，该双向直流固态断路器在正常工作时主支路电流只通过一个半导体器件，通态损耗低，同时关断可控。本发明专利技术控制算法简单，可靠性高，实用性强，且可在重导通时对短路故障类型进行判断。在重导通时对短路故障类型进行判断。在重导通时对短路故障类型进行判断。

【技术实现步骤摘要】
一种基于晶闸管的双向直流固态断路器及其控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种基于晶闸管的双向直流固态断路器。

技术介绍

[0002]随着光伏发电、风力发电等分布式电源的发展，直流微电网作为其更高效率的接入形式受到了越来越多的关注。相比交流电，直流电具有更好的经济性以及更广阔的发展前景。而且在电力传输方面，直流输电具有高效低损耗的优点。但是由于直流缺乏自然过零点，如何有效实现对直流电网的故障隔离制约着直流电的发展。目前直流断路器是目前解决这一问题的有效方法。但是传统直流断路器存在的关断时间长、电路结构复杂、存在电弧、可靠性以及抗干扰性低等问题，基于固态电力电子器件的固态断路器由于其低损耗、低成本、结构简单等优点受到了越来越多的关注。
[0003]Z源固态断路器及其衍生拓扑结构是目前比较常见的一类固态断路器，电路结构简单，不需要额外的故障检测及控制电路，能够实现对短路故障的中断和隔离，但是Z源固态断路器的性能受负载及线路阻抗等因素影响较大，制约着其在实际中的应用。为了增强断路器的可靠性及减少电路参数对断路器性能的影响，同时为了满足直流微网对双向能量流动及双向故障保护的需求，中国专利(202011145187.6)和中国专利(201911098557.2)提出了两种基于晶闸管的双向直流固态断路器，这两种双向直流固态断路器具有关断可控、可靠性高、响应速度快等优点，但是在电路正常工作时电流需要经过两个半导体器件，通态损耗相对较大。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术的不足之处，本专利技术提出一种用于接触器继电器故障诊断和健康管理技术的验证与试验测试方法。利用本专利技术提出的验证与试验测试方法可以完成针对接触器、继电器等电磁类开关器件的一系列PHM技术验证和试验测试工作。
[0005]针对目前双向直流固态断路器所存在的不足，本专利技术提出了一种基于晶闸管的双向直流固态断路器，能够实现能量的双向流动及故障的双向中断和隔离，该双向断路器具有可控、稳定性高、响应速度快、通态损耗低等特点。
[0006]所述的基于晶闸管的双向直流固态断路器，其拓扑结构由主支路、换流及电容充电支路、能量吸收支路及控制单元组成，如图1所示。所述主支路由第一晶闸管(SCR1)、第二晶闸管(SCR2)及耦合电感初级线圈(L
w1
)组成，所述的换流及电容充电支路由第三晶闸管(SCR3)、第四晶闸管(SCR4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、耦合电感次级线圈(L
w2
)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一电阻(R1)及第二电阻(R2)组成，所述的能量吸收支路由压敏电阻(MOV)组成，所述的控制单元由电流传感器及控制器组成。
[0007]其特征在于：所述的第一晶闸管(SCR1)和第二晶闸管(SCR2)反向并联构成电流的双向流通支路，第一晶闸管(SCR1)阳极和第二晶闸管(SCR2)阴极连接，第一晶闸管(SCR1)阴
极和第二晶闸管阳极(SCR2)连接，第一晶闸管(SCR1)阴极和耦合电感初级线圈(L
w1
)的同名端连接；所述的第一二极管(D1)正极和第一晶闸管(SCR1)阳极连接，第一二极管(D1)负极和第一电容(C1)正极连接，第一电容(C1)负极和第一电阻(R1)一端连接，第一电阻(R1)另一端和电源负极连接，第二二极管(D2)正极和耦合电感初级线圈(L
w1
)异名端连接，第二二极管(D2)负极和第二电容(C2)正极连接，第二电容(C2)负极和耦合电感次级线圈(L
w2
)同名端连接，耦合电感次级线圈(L
w2
)同名端和第三晶闸管(SCR3)阴极连接，耦合电感次级线圈(L
w2
)异名端和第一电容(C1)负极及第四晶闸管(SCR4)阴极连接，第四晶闸管(SCR4)阳极和第二电容(C2)正极连接，第二电阻(R2)一端和第二电容(C2)负极连接，另一端和电源负极连接；所述的压敏电阻(MOV)一端和第一晶闸管(SCR1)阳极及第一二极管(D1)正极连接，压敏电阻(MOV)另一端和耦合电感初级线圈(L
w1
)异名端及第二二极管(D2)正极连接；所述的主回路电流流过电流传感器，电流传感器的输出端和控制器相连接，控制器的输出端和第一(SCR1)、第二(SCR2)、第三(SCR3)、第四晶闸管(SCR4)的门极连接。
[0008]所述的基于晶闸管的双向直流固态断路器可以实现能量的双向流动和短路故障的双向中断和隔离。第一晶闸管(SCR1)、耦合电感初级线圈(L
w1
)、电流传感器构成所述断路器能量的前向流动通道主支路，第一二极管(D1)、第三晶闸管(SCR3)、第一电容(C1)、第一电阻(R1)及耦合电感次级线圈(L
w2
)构成所述断路器能量前向流动时的换流及电容充电支路；第二晶闸管(SCR2)、耦合电感初级线圈(L
w1
)构成所述断路器能量后向流通主支路，第二二极管(D2)、第四晶闸管(SCR4)、第二电容(C2)、第二电阻(R2)及耦合电感次级线圈(L
w2
)构成所述断路器能量后向流动时的换流及电容充电支路；压敏电阻(MOV)为所述断路器能量前向流动和后向流动时的能量吸收回路；电流传感器及控制器为所述断路器能量前向流动和后向流动时的控制单元。
[0009]所述的一种基于晶闸管的可控双向直流固态断路器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0010]输出电流为I
O
，设置参考电流值为I
ref1
、I
ref2
，I
ref1
<I
ref2
，输出电流和参考电流I
ref1
之差为：
[0011]ΔI＝I
O
‑
I
ref1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]故障发生时：
[0013]步骤一：当
△
I>0时开始记录采样电流数据i
k
(k＝1,2,3
……
N)，采样数为N，采样频率为f，之后对所采集记录的N个数据点进行计算，可得到平均采样电流I
aver
，
[0014][0015]步骤二：若I
aver
>I
ref2
，则控制器给晶闸管SCR3门极发送触发信号使其导通，从而使得电容C1、SCR3、耦合电感次级线圈L
w2
构成换流回路，进而实现对短路故障的隔离。
[0016]断路器重导通时：
[0017]设定从断路器关断到断路器重导通之间的最小时间间隔为T0，电容充电所需时间为T1,则断路器从关断到断路器重导通之间的时间间隔应大于电容C1的充电时间，即T0>T1。
[0018]反向工作时，若I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于晶闸管的可控双向直流固态断路器，其特征在于：由主支路、换流及电容充电支路、能量吸收支路及控制单元组成；所述主支路由第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2及耦合电感初级线圈L
w1
组成；所述的换流及电容充电支路由第三晶闸管SCR3、第四晶闸管SCR4、第一电容C1、第二电容C2、耦合电感次级线圈L
w2
、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1及第二电阻R2组成；所述的能量吸收支路由压敏电阻MOV组成；所述的控制单元由电流传感器及控制器组成。2.如权利要求1所述的一种基于晶闸管的可控双向直流固态断路器，其特征在于：所述的第一晶闸管SCR1和第二晶闸管SCR2反向并联构成电流的双向流通支路，第一晶闸管SCR1阳极和第二晶闸管SCR2阴极连接，第一晶闸管SCR1阴极和第二晶闸管阳极SCR2连接，第一晶闸管SCR1阴极和耦合电感初级线圈L
w1
的同名端连接；所述的第一二极管D1正极和第一晶闸管SCR1阳极连接，第一二极管D1负极和第一电容C1正极连接，第一电容C1负极和第一电阻R1一端连接，第一电阻R1另一端和电源负极连接，第二二极管D2正极和耦合电感初级线圈L
w1
异名端连接，第二二极管D2负极和第二电容C2正极连接，第二电容C2负极和耦合电感次级线圈L
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同名端连接，耦合电感次级线圈L
w2
同名端和第三晶闸管SCR3阴极连接，耦合电感次级线圈L
w2
异名端和第一电容C1负极及第四晶闸管SCR4阴极连接，第四晶闸管SCR4阳极和第二电容C2正极连接；第二电阻R2一端和第二电容C2负极连接，另一端和电源负极连接；所述的压敏电阻MOV一端和第一晶闸管SCR1阳极及第一二极管D1正极连接，压敏电阻MOV另一端和耦合电感初级线圈L
w1
异名端及第二二极管D2正极连接；所述的主回路电流流过电流传感器，电流传感器的输出端和控制器相连接，控制器的输出端和第一SCR1、第二SCR2、第三SCR3、第四晶闸管SCR4的门极连接。3.如权利要求1所述的一种基于晶闸管的可控双向直流固态断路器，其特征在于：第一晶闸管SCR1、耦合电感初级线圈L
w1
、电流传感器构成所述断路器能量的前向流动通道主支路，第一二极管D1、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟林，王雨峰，周中正，
申请(专利权)人：西北工业大学太仓长三角研究院，
类型：发明
国别省市：