[发明专利]混合式直流断路器SiC器件自取能装置、方法及应用

说明书

混合式直流断路器SiC器件自取能装置、方法及应用，包括SiC功率器件模块、SiC功率器件散热器、热电偶及其散热器、升压稳压电路模块、驱动模块、电池供能模块；利用电池供能模块为SiC功率器件模块、驱动模块、升压稳压电路供能；SiC功率器件模块与SiC功率器件散热器通过散热胶紧密贴合，热电偶一端设置在SiC功率器件散热器上，另一端与散热器紧贴；所述热电偶的电压输出端与升压稳压电路模块连接，所述升压稳压电路将热电偶发出电量提升为驱动系统供能，当实现自供能后切除电池供能模块。本发明结构简单，成本低，可靠性高，解决了现有直流断路器二次侧取能的不足。

技术领域

本发明属于柔性直流输电领域，具体涉及一种混合式直流断路器SiC器件自取能装置、方法及应用。

背景技术

以新能源为主体的新型电力系统对电网的安全性、可靠性、可控性和灵活性提出了更高要求，未来电网中柔性直流输电装备的应用将日益广泛。直流断路器是输电线路中承载、开断直流运行回路正常电流以及各种故障电流的重要开关设备。直流断路器采用电力电子器件作为主开关元件，具有动作速度快、可靠性高、可控性强、无声响、无开断电弧等优点，能显著提高直流电力系统的可靠性，在清洁能源发电、海上供电的直流系统等方面有广阔的应用前景。混合式断路器结合了快速机械开关与电力电子器件，有更高的开端速度及更低的通态损耗，为近年直流断路器研究的主要方向。

混合直流断路器由主支路、辅助支路和能量吸收支路三部分组成。主支路一般由机械开关和电力电力半导体器件组成，辅助支路也叫电流转移支路，一般由电力电子半导体器件组成，能量吸收支路一般由MOA组成。其工作原理如下：在通态情况下，电流从主支路流过，由于主支路是机械开关和少量电力电子器件，通态损耗较小，当发生故障时，辅助支路的电力电子器件导通，故障电流从主支路转移至辅助支路，主支路的机械开关断开，接着辅助支路的电力电子器件断开，电流从辅助支路转移至能量吸收支路，由MOA吸收直流系统的剩余能量，完成对故障电流的切除。

在混合式直流断路器中，无论是大量串联的电力电子开关还是机械开关，均需要供能系统为其处于高电位的驱动单元提供稳定可靠的电能。现有研究表明断路器工况下其内部电容器长时间没有电荷，受限于该特殊工况使现有直流断路器中的电力电子开关无法直接从断路器内部高电位取能。目前的直流断路器供能系统只能通过隔离变压器从地面供能，这种供能方式结构复杂且成本较高。目前暂未有从断路器内部直接取能的方法提出。此外，位于主支路的辅助换流模块中的电力电子器件在断路器工作时长期通流还会存在发直流热问题，而当前柔性直流装备所采用的器件主要为硅基器件，工作温度控制严格，限制了混合断路器发展。与Si相比，SiC具有高能带、高导热性、高开关速度和低导通电阻等显著优势，高温耐受能力更强，采用SiC基功率器件作为直流断路器的电力电子开关器件可以承受更高的结温。

SiC功率器件的高温耐受能力，使其能承受断路器主支路电力电子器件长期通流产生的较高温度，这些热量主要由散热器散出，能量没有得到利用。热电偶可将热能直接转换为电能，热电偶的工作原理是在其两端形成温差，从而产生直流电压输出电能。这是一种直接将热能转换成电能的全固态能量转换方式，具有体积小、重量轻、无振动、无噪音、寿命长等优点，在工业余热或废热利用方面具有广阔的应用前景。因此，可利用温差发电的方法将断路器主支路SiC基电力电子器件产生的热量转换成电能，从而为器件驱动电路提供能量，可以作为常规供能方式的备用从而提高装置整体可靠性。

在混合式直流断路器中，无论是大量串联的电力电子开关还是机械开关，均需要供能系统为其处于高电位的电力电子器件驱动单元提供稳定可靠的电能。现有研究表明断路器工况下其内部电容器长时间没有电荷，受限于该特殊工况使现有直流断路器中的电力电子开关无法直接从断路器内部高电位取能。目前的直流断路器供能系统只能通过隔离变压器从地面供能，这种供能方式结构复杂且成本较高。若直流断路器主支路中使用可以耐受200℃以上高温的碳化硅器件，就可以利用器件与环境之间的高温差对高电位驱动板卡进行发电自取能，这种取能方式可以直接从断路器内部取能，解决现有供能方式的不足，从而极大的降低设备制造及运维成本，同时大幅提高断路器的运行可靠性。