[發明專利]一種模塊化級聯直流斷路器的拓撲結構及其控制方法

在審

• 申請號: 202111138170.2
• 申請日: 2021-09-27
• 公開（公告）號: CN113889967A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 任宇
• 申請（專利權）人: 任宇
• 主分類號: H02H3/087
• 分類號: H02H3/087;H02H3/05
• 代理公司: 太原高欣科創專利代理事務所(普通合伙) 14109
• 代理人: 冷錦超;崔浩

本發明一種模塊化級聯直流斷路器拓撲結構及其控制方法，屬于電力電子技術領域；所要解決的技術問題為：提供一種模塊化級聯直流斷路器拓撲硬件結構的改進；解決上述技術問題采用的技術方案為：由多個模塊化分斷子模塊級聯作為短路電流的主分斷元件對短路電流進行分斷操作；分斷子模塊由功率器件及若干電阻、電容無源元件，二極管元件構成的輔助電路組成；分斷子模塊級聯方式簡單，控制端子及功率端子與相鄰分斷子模塊的對應控制端子及功率端子直接相連；多個級聯的分斷子模塊構成級聯分斷子串單元，該子串單元的分斷動作由外部驅動單元直接控制，子模塊的控制信號自主耦合，動靜態電壓自主均衡，控制方式簡單可靠；本發明應用于直流斷路器。

技術領域

本發明一種模塊化級聯直流斷路器的拓撲結構及其控制方法，屬于電力電子技術領域。

背景技術

直流電網相比交流電網具有很多優點。如直流電網更方便分布式可再生能源的大規模接入與應用。實際上，光伏發電是直流發電，風力發電其實也是通過先整流后逆變的形式并入交流電網，各種儲能方式也是以直流電的形式對電能進行儲存，如果采用直流電網就可以實現分布式新能源的直接接入而省去逆變環節，降低了設備的制造成本，同時也降低了逆變轉換時的損耗。此外，直流電網更方便用電端的電能直接使用。目前，用電端的用電設備大多最終需要直流電，例如電動汽車充電，筆記本電腦等，而含交流電動機負載的用電設備中也同時包含了整流器與逆變器，直流配電網可以減少整流器的使用，降低半導體的使用數量，同時也減小了整流過程中的電能損耗。直流電網還有助于提高電網電能質量，提高供電的可靠性，提高供電容量，降低電網建設成本。

直流電網中需要的關鍵保護設備是直流斷路器，其在直流電網系統的故障處理和保護系統的安全可靠運行中起到至關重要的作用。在典型輻射狀直流配電系統結構示意圖中，需要大量的直流斷路器以保障系統的安全運行。相比傳統的交流斷路器，直流斷路器的研制面臨很大的難點。在交流系統中，斷路器可以利用電流周波的自然過零點熄滅電弧，切斷故障電流。但在直流系統中，不存在電流的過零點，這就使得直流電流的開斷技術的研發面臨很大的技術難點。同時，直流系統對斷路器的響應速度和分斷速度都提出了更高的要求。由于直流系統的阻尼低于交流系統，在故障發生后，故障電流的上升率很大，需要系統在很短的時間內切斷故障電流以保護系統安全。此外，直流系統線路中的短路電流限制電感在關斷電流的同時會感應出很大的電壓，這部分電壓與直流母線電壓共同作用在斷路器上，使得電壓激增。同時限流電感上儲存的短路能量也需要在分斷時間內耗盡。與機械式斷路器相比，采用功率半導體器件的固態直流斷路器利用功率半導體器件的開關動作分斷短路電流，外部避雷器等能量吸收裝置吸收短路過程中限流電抗上儲存的短路能量，這一優異特性使得直流短路電流得以快速分斷，實現直流系統的快速、可靠保護。

目前商用的功率半導體器件的電壓等級較低，難以滿足直流斷路器的需求，需要采用器件級聯的方式以提高固態直流斷路器的耐壓等級。現有的固態直流斷路器中級聯器件驅動控制方案較為復雜，每個功率器件均需要一套驅動控制及供電系統，同時器件物理參數和驅動電路延時的分散性導致級聯器件的電壓不均衡，需要額外的功率端或驅動端電壓均衡電路以保障安全運行。

為了解決直流斷路器中功率器件級聯驅動及均壓控制的復雜性，同時提高電壓等級變化的配置靈活性，有必要提出一種簡單可靠的模塊化直流斷路器。

發明內容

本發明為了克服現有技術中存在的不足，所要解決的技術問題為：提供一種模塊化級聯直流斷路器的拓撲硬件結構的改進。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種模塊化級聯直流斷路器的拓撲結構，包括級聯分斷子串單元、振蕩抑制單元、功率連接單元，所述級聯分斷子串單元的輸出端連接振動抑制單元后接入功率連接單元的正極功率端子；

所述級聯分斷子串單元的輸入端連接外部的驅動單元，驅動單元由總控制系統通過控制線束進行供電和控制；

所述級聯分斷子串單元的輸入端的負極功率端子連接功率連接單元的負極功率端子。