[发明专利]基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法

说明书

本发明提供了一种基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法，该固态直流断路器包括主开关晶闸管、限流电抗器及限流电抗器的续流电路、储能关断单元；其中主开关晶闸管的阳极连接直流电源正极，主开关晶闸管的阴极经限流电抗器与一个负载相连，限流电抗器的续流电路并联在限流电抗器两端，储能关断单元接在主开关晶闸管阴极与直流电源负极之间。本发明采用模拟电路实现控制，控制电路简单且响应延迟小。

技术领域

本发明涉及一种固态直流断路器及其控制方法，具体地，涉及一种基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子器件的发展，直流输配电技术的优势日益凸显。在可再生能源中，太阳能光伏与燃料电池本身就是直流电源，风能的利用也主要采用交-直-交变换，因此主流可再生能源均可视为直流电源。而在负载侧，计算机、LED、电动汽车等直流负载发展迅猛且得到了大规模应用，且由于可调速电机负载主要采用交-直-交变换器进行驱动，因此也可视为直流型负载。采用直流电网实现从直流电源到直流负载的供电无疑能显著提高用电效率。

与交流系统一样，直流电网的安全可靠运行同样离不开断路器的保护。由于在直流输配电系统中，直流电流不存在自然过零点，因此直流断路器不能像交流断路器那样利用电流自然过零点分断故障电流，采用传统机械式断路器会不可避免地在分断故障电流过程中产生高压电弧，这会对断路器触头造成损蚀，从而增加维护成本和维护难度，也降低了系统的可靠性。

半导体技术的发展为无弧直流断路器提供了一种解决方案。采用电力电子器件作为断路器开关，通过控制半导体内部结构使其工作在导通或阻断状态，从而实现直流线路的导通与无弧分断，能有效提高系统可靠性，降低维护成本和工作量。由于半导体并非导体，在导通状态下仍存在一定的通态压降，因此会产生导通损耗，使系统效率降低且需要采取散热措施。在所有典型电力电子器件中，晶闸管通态压降最低，例如ABB生产的5STP45Q2800型晶闸管，其阈值电压为0.86V，斜率电阻最大仅为70μΩ(结温125℃)，呈现出媲美机械触点的趋势。另外，晶闸管廉低易得，对冲击电流和冲击电压的耐受能力强，非常适合应用在断路器中。但由于晶闸管属于半控型器件，不具备关断能力，从而限制了其在断路器中的应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于电容储能的固态直流断路器及其控制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于电容储能的固态直流断路器，其特征在于，包括主开关晶闸管、限流电抗器及限流电抗器的续流电路、储能关断单元；其中主开关晶闸管的阳极连接直流电源正极，主开关晶闸管的阴极经限流电抗器与一个负载相连，限流电抗器的续流电路并联在限流电抗器两端，储能关断单元接在主开关晶闸管阴极与直流电源负极之间。

优选地，所述限流电抗器用于限制故障电流的上升速度，使得储能关断单元的放电电流大于故障电流，从而使主开关晶闸管电流过零，实现电路的分断。

优选地，所述电抗器的续流电路包括第一电阻和第一二极管；第一电阻用于在主开关晶闸管进入阻断状态后将存储在电抗器中的能量快速消耗掉，以减小电抗器的电流应力和热应力，若所用电抗器绝缘强度较高，第一电阻可省去；第一二极管用于限制续流方向，其阴极与主开关晶闸管阴极相连，在非故障状态下其处于阻断状态，在故障状态下，当电抗器承受反向电压时其进入导通状态，为电抗器提供续流支路，用于减小主开关晶闸管的电压应力。

优选地，所述储能关断单元由两组反向并联的阻容充电支路及在两组阻容之间跨接的限流放电开关构成，其中限流放电开关由限流电阻与晶闸管或逆阻型全控半导体器件串联构成；非故障状态下限流放电开关处于阻断状态，当负载需要通电时，主开关晶闸管被触发导通，两组反向并联的阻容单元分别独立充电，储能结束时，两组电容的电压均与直流电源电压持平；发生故障时限流放电开关被触发导通，两组电容经限流电阻串联后接在主开关晶闸管阴极与直流系统负极之间，使得主开关晶闸管承受反向电压，足够大的电容放电电流使主开关晶闸管电流过零并关断。