一種模塊化限流斷路器功率模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種模塊化限流斷路器功率模塊，所述功率模塊包括與電抗器或功率電阻并聯(lián)的功率子模塊；所述功率子模塊包括并聯(lián)的功率子模塊1、功率子模塊2和避雷器；所述功率子模塊1和所述功率子模塊2包括并聯(lián)電路以及與所述并聯(lián)電路串聯(lián)的串聯(lián)二極管；所述并聯(lián)電路包括可關斷器件、與所述可關斷器件反并聯(lián)的反并聯(lián)二極管以及與所述反并聯(lián)二極管并聯(lián)的阻尼電路；這種限流斷路器功率模塊降低了模塊化固態(tài)限流器正常運行時的有功功率損耗，減輕了模塊化固態(tài)限流器的重量，縮小了體積，降低了成本。
【專利說明】一種模塊化限流斷路器功率模塊

【技術領域】：
[0001] 本實用新型涉及一種電力系統(tǒng)的短路保護裝置，具體涉及一種模塊化限流斷路器 及其功率模塊，屬于電力系統(tǒng)領域。

【背景技術】：
[0002] 隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，負荷中心大電源的相繼投入，以及大區(qū)域電網(wǎng)之間的互聯(lián)， 短路電流超標逐漸成為突出的問題之一。
[0003] 短路電流限制器（Short Circuit Current Limiter, SCCL)或故障電流限制器 (Fault Current limiter, FCL)為解決短路電流超標問題提供了一種新思路、新方法。
[0004] 短路電流限制器（SCCL)或故障電流限制器（FCL)實現(xiàn)限流的方式千差萬別，對故 障限流技術進行準確的分類十分困難。
[0005] 從實施的層次看，短路電流限制措施可以分為系統(tǒng)級措施和設備級措施兩大類。 從運行方式看，短路電流限流措施分為被動式和主動式兩大類。
[0006] 被動式短路電流限制措施在正常運行與故障狀態(tài)下，均增加系統(tǒng)阻抗，構成簡單， 易于實現(xiàn)，但在正常運行狀態(tài)下會產(chǎn)生電壓降，增加系統(tǒng)損耗。
[0007] 主動式短路電流限制措施只是在故障狀態(tài)下快速增加系統(tǒng)阻抗，既限制了故障電 流，又不影響系統(tǒng)的正常運行，是理想的故障電流限制設備；從觸發(fā)方式看，主動式短路電 流限制措施進一步分為自觸發(fā)式和外觸發(fā)式，電力電子型故障電流限制器屬于外觸發(fā)式。
[0008] 系統(tǒng)級措施中，電網(wǎng)解裂運行和母線分列運行是我國電網(wǎng)中經(jīng)常采用的兩種降低 系統(tǒng)短路電流水平的措施，且限制短路電流的可靠性很高，但這兩個措施都屬于被動方式， 降低了電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性，給系統(tǒng)運行所帶來的負面影響往往不可 忽視。
[0009] 建設更高一級電壓的國家主干電網(wǎng)是提高電網(wǎng)運行可靠性和穩(wěn)定性的最為有效 的手段之一，但并不能解決當前多數(shù)電網(wǎng)短路電流水平超標問題，且建設難度大，周期長， 需要進行更為廣泛深入的研究，短期難以解決我國電網(wǎng)短路電流水平普遍超標的問題。從 長遠角度來看，系統(tǒng)級措施仍是解決短路電流水平超標問題的根本辦法，但給系統(tǒng)規(guī)劃、系 統(tǒng)運行等方面的工作增加了越來越大的難度。
[0010] 設備級措施中主要包括：高阻抗變壓器、串聯(lián)電抗器、變壓器中性點經(jīng)小電抗接 地、高阻抗發(fā)電機、高壓熔斷器、Is-快速限流器、超導限流器、熱敏（PTC)電阻、液態(tài)金屬限 流器、基于電力電子的固態(tài)限流器（Solid State Current Limiter，SSCL)、應用電磁驅動 原理的故障電流限制器及復合式故障電流限制器等。
[0011] 故障電流限制器是解決系統(tǒng)關鍵點的短路電流水平超標問題的重要途徑之一。從 近幾十年的發(fā)展歷程來看，限流器雖原理不同，結構形式不同，且種類繁多，但其最基本的 工作特性類似，都是在電網(wǎng)正常運行時表現(xiàn)為零阻抗或微小阻抗，功耗接近于零；在電網(wǎng)發(fā) 生短路故障時，迅速呈現(xiàn)高阻抗以達到抑制短路電流等目的。
[0012] 現(xiàn)有的故障電流限制器中有大規(guī)模市場應用推廣前景的是采用多個相同的功率 模塊級聯(lián)，每個功率模塊采用的功率器件為帶反并聯(lián)二極管的可關斷器件；反并聯(lián)二極管 與可關斷器件封裝在一起，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，線路電流流經(jīng)每個功率模塊中的可關斷器件 和反并聯(lián)二極管，這樣一來就導致了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)損耗非常大，如何在降低穩(wěn)態(tài)損耗的基礎 上，同時確?？申P斷電力電子器件能夠承受反向壓降是亟需解決的技術問題。 實用新型內(nèi)容：
[0013] 本實用新型的目的在于提供一種模塊化限流斷路器功率模塊以克服現(xiàn)有技術中 所存在的上述不足。
[0014] 本實用新型提供的技術方案是：一種模塊化限流斷路器功率模塊，其改進之處在 于：
[0015] 所述功率模塊包括功率模塊I ;所述功率模塊I包括與電抗器或功率電阻并聯(lián)的 功率子模塊；所述功率子模塊包括并聯(lián)的功率子模塊1、功率子模塊2和避雷器；
[0016] 所述功率子模塊1和所述功率子模塊2包括并聯(lián)電路以及與所述并聯(lián)電路串聯(lián)的 串聯(lián)二極管；
[0017] 所述并聯(lián)電路包括可關斷器件、與所述可關斷器件反并聯(lián)的反并聯(lián)二極管以及與 所述反并聯(lián)二極管并聯(lián)的阻尼電路。
[0018] 優(yōu)選的，所述功率子模塊1的并聯(lián)電路包括一個或一個以上可關斷器件并聯(lián)后與 所述反并聯(lián)二極管反并聯(lián)，再與所述阻尼電路并聯(lián)。
[0019] 優(yōu)選的，所述功率子模塊2的并聯(lián)電路包括一個或一個以上可關斷器件并聯(lián)后， 與所述反并聯(lián)二極管反并聯(lián)，再與所述阻尼電路并聯(lián)。
[0020] 優(yōu)選的，所述功率子模塊2的串聯(lián)二極管陰極與所述功率子模塊2的反并聯(lián)二極 管陰極連接。
[0021] 優(yōu)選的，所述功率子模塊1包括所述功率子模塊1的串聯(lián)二極管陽極與所述功率 子模塊2的反并聯(lián)二極管陽極連接；所述功率子模塊1的串聯(lián)二極管陰極與所述功率子模 塊1的反并聯(lián)二極管陰極連接；所述功率子模塊1的反并聯(lián)二極管陽極與所述功率子模塊 2的串聯(lián)二極管陽極連接。
[0022] 優(yōu)選的，所述功率子模塊1還包括所述功率子模塊1的串聯(lián)二極管陰極與所述功 率子模塊2的串聯(lián)二極管陽極連接；所述功率子模塊1的串聯(lián)二極管陽極所述功率子模塊 1的反并聯(lián)二極管陽極連接；所述功率子模塊1的反并聯(lián)二極管陰極與所述功率子模塊2 的反并聯(lián)二極管陽極連接。
[0023] 優(yōu)選的，所述功率模塊還包括功率模塊II，所述功率模塊II由兩個或兩個以上功 率子模塊串聯(lián)后與電抗器或功率電阻并聯(lián)組成。
[0024] 優(yōu)選的，所述可關斷器件為從集成門極換流晶閘管IGCT、門極可關斷晶閘管GT0、 超級門極可關斷晶閘管SGT0、注入增強柵晶體管IEGT或絕緣柵雙極型晶體管IGBT中選出 的任意一種可關斷器件。
[0025] 優(yōu)選的，所述阻尼電路為從RC阻尼電路、RCD阻尼電路、LRCD阻尼電路或有源阻尼 電路中選出的任意一種阻尼電路。
[0026] 優(yōu)選的，兩個或兩個以上功率模塊I依次級聯(lián)形成限流斷路器、固態(tài)斷路器或故 障電流限制器。
[0027] 進一步，兩個或兩個以上功率模塊II依次級聯(lián)形成限流斷路器、固態(tài)斷路器或故 障電流限制器。
[0028] 進一步，一個或一個以上功率模塊I和一個或一個以上功率模塊II任意組合依次 級聯(lián)形成限流斷路器、固態(tài)斷路器或故障電流限制器。
[0029] 本實用新型具有如下有益效果：
[0030] 1、本功率模塊可實現(xiàn)整個限流斷路器的標準化和冗余，有利于整個限流斷路器的 可靠性和互換性，從而提高整個限流斷路器的可用率；
[0031] 2、本功率模塊的穩(wěn)態(tài)損耗相對較少，降低故障電流限制器或固態(tài)斷路器的運行成 本，提1?可罪性；
[0032] 3、功率模塊的穩(wěn)態(tài)損耗減少對冷卻系統(tǒng)的散熱量要求下降，降低了冷卻系統(tǒng)的重 量、減少了冷卻系統(tǒng)的成本，縮小了體積；使模塊化固態(tài)限流器的重量下降、成本減少和體 積縮小，從而更加具有競爭力。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0033] 圖1為現(xiàn)有的故障電流限制器的功率模塊原理圖；
[0034] 圖2為本實用新型采用的模塊化限流斷路器功率模塊的功率子模塊；
[0035] 圖3為本實用新型采用的模塊化限流斷路器功率模塊的另一種功率子模塊；
[0036] 圖4為故障限流時刻，圖2中的通流舉例；
[0037] 圖5為RCD阻尼電路原理圖；
[0038] 圖6為LRCD阻尼電路原理圖；
[0039] 圖7為兩個可關斷器件并聯(lián)共用一個反并聯(lián)二極管的功率子模塊原理圖；
[0040] 圖8為采用功率電阻的功率模塊；
[0041] 圖9為采用電抗器的功率模塊；
[0042] 圖10為兩個功率子模塊串聯(lián)共用一個電抗器的功率模塊；
[0043] 圖11為功率模塊級聯(lián)原理圖。

【具體實施方式】：
[0044] 為了更好地理解本實用新型，下面結合說明書附圖及實施例對本實用新型的內(nèi)容 做進一步的描述：
[0045] 現(xiàn)有的模塊化固態(tài)限流器的單個功率模塊原理圖如附圖1所示，固態(tài)限流器的單 個功率模塊主要由限流電抗器、超級門極可關斷晶閘管SGT0及其反并聯(lián)二極管、避雷器和 阻尼電路組成。
[0046] 本申請的模塊化限流斷路器功率模塊的功率子模塊的原理圖如附圖2中所示，也 可將IGCT2的位置和二極管D2的位置交換，如附圖3中所示，以便在結構設計優(yōu)化中有更 多的選擇。
[0047] 盡管附圖2和附圖3中采用的可關斷器件為集成門極換流晶閘管（Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)，但也可以用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，門極可關斷晶閘管（Gate Turn-Off Thyristor，GT0)，超級門 極可關斷晶閘管SGTO、注入增強柵晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT) 等可關斷電力電子器件。
[0048] 附圖2和附圖3中的二極管D3和D4,可以是IGCT1和IGCT2等可關斷電力電子器 件本身所帶的反并聯(lián)快速恢復二級管，也可以是在不對稱的可關斷電力電子器件（也就是 沒有反并聯(lián)快速恢復二極管的可關斷電力電子器件）基礎上另外再反并聯(lián)的快速恢復二 極管。由于快速恢復二極管只用于保護不對稱的可關斷電力電子器件，以便讓串聯(lián)的二極 管D1或D2去承受相應的電壓降，因此，反并聯(lián)的快速二極管通態(tài)電流要求非常小，相應價 格應該較低，從而可降低整個功率模塊的成本。
[0049] 穩(wěn)態(tài)運行時，串聯(lián)二極管D1和D2輪流導通。如附圖4中所示，故障限流時刻，線 路電流或負載電流流經(jīng)二極管D1和IGCT1，關斷過程中IGCT1承受相應的電壓，而二極管 D1不用承受相應的電壓。二極管D2在承受相應反向電壓前沒有流過相應的電流，因此，D2 可不用快速恢復二極管也能快速承受相應的反向電壓，由此可知，串聯(lián)二極管D1和D2都可 不采用快速恢復二極管。從而，附圖2和附圖3中的串聯(lián)二極管D1和D2可以是標準恢復 二極管（Standard Recovery Diodes, SRD)，也可以是碳化娃二極管等性能較好，且通態(tài)壓 降比較低的二極管。
[0050] 阻尼電路（Snubber Circuit)、又稱緩沖電路或吸收電路。其作用是抑制電力電子 器件的內(nèi)因過電壓du/dt或者過電流di/dt，減小器件的開關損耗。附圖2和附圖3中所 用的阻尼電路僅作示意用的較為簡潔的RC阻尼電路，但阻尼電路不限于RC阻尼電路。附 圖5給出了采用RCD阻尼電路的示意，附圖6給出了采用LRCD阻尼電路的示意，當然還有 其它的阻尼電路方案，如LC阻尼電路和各種有源阻尼電路等。
[0051] 避雷器，又稱過電壓保護器、浪涌保護器、電涌保護器、防雷器、限壓器等，附圖2 和附圖3中的避雷器僅用于限制因系統(tǒng)操作產(chǎn)生的過電壓，可包括金屬氧化物避雷器、金 屬氧化物限壓器、碳化硅避雷器、管式避雷器等。
[0052] 穩(wěn)態(tài)運行時，線路電流或負載電流流經(jīng)如附圖2和附圖3中所示的IGCT1/IGCT2 和串聯(lián)二極管D1/D2后，流出本功率子模塊。而在附圖1中，線路電路或負載電流需要先流 過反并聯(lián)快速恢復二極管，再流經(jīng)IGCT1或IGCT2后，才流出本功率子模塊。由于附圖2和 附圖3中的標準恢復二極管的通態(tài)壓降要比相應的快速恢復二極管通態(tài)壓降要低，從而降 低了二極管所帶來的功率損耗。因此，整個功率子模塊的穩(wěn)態(tài)損耗將有明顯減少。
[0053] 系統(tǒng)故障時，控制保護系統(tǒng)快速識別出故障信號，命令IGCT1和IGCT2關斷。如附 圖2和附圖3中所示，關斷過程中，由IGCT1和D2,或者由IGCT2和D1各自承受整個功率子 模塊兩端的電壓，這樣一來，線路電流或負載電流被換流到避雷器及與之并聯(lián)的功率電阻 或電抗器。
[0054] 綜上所述，本申請的功率子模塊可以降低整個限流斷路器的穩(wěn)態(tài)損耗，同時不影 響功率子模塊正常時的通流和故障時的快速關斷。
[0055] 本申請的功率子模塊再加上適當?shù)牟⒙?lián)電阻或電抗（如附圖8和附圖9中所示） 形成功率模塊，功率模塊再通過級聯(lián)以后（如附圖11中所示）可以作為故障電流限制器 用，也可以作為固態(tài)斷路器用，更可以作為限流斷路器用。
[0056] 參照附圖7,以ABB的相關電力電子器件產(chǎn)品試舉一例，如采用不對稱的集成門極 換向晶閘管 5SHY50L5500,斷態(tài)重復峰值電壓 VDEM(Repetitive peak off-state voltage) 為5500V，反向電壓（Reverse voltage) VKEM最大值僅為17V。最大通態(tài)平均電流IT(AV)M(Max. average on-state current)為 1290A，最大通態(tài)電流有效值 IT(EMS) (Max. RMS on-state current)為 2030A，門濫電壓 V(TQ) (Threshold voltage)為 1. 66V，通態(tài)斜率電阻1>(31〇卩6 resistance)為 0· 620mΩ。
[0057] 串聯(lián)二極管采用ABB整流二極管5SDD33L5500,最大非重復性反向峰值電壓 V RSM(Max non-repetitive peak reverse voltage)為 55〇OV，通態(tài)平均電流 IF(AV)M(Average on-state current)為 3480A，門榲電壓 VF。(Threshold voltage)為 0.94V，通態(tài)斜率電阻 rF(Slope resistance)為 0· 147ηιΩ 0
[0058] 由于串聯(lián)二極管5SDD33L5500的通態(tài)平均電流IF(AV)M比集成門極換向晶閘管 5SHY50L5500的最大通態(tài)平均電流I T(AV)M的2倍還多不少，因此，可以采用附圖7中的方案， 即兩個IGCT并聯(lián)后共用一個串聯(lián)二極管。需要注意的是集成門極換向晶閘管5SHY50L5500 的反向電壓V KEM最大值僅為17V，因此需要反并聯(lián)一個小電流的快速恢復二極管來保護 IGCT。
[0059] 附圖7給出了功率子模塊中的可關斷電力電子功率器件并聯(lián)方案，快速恢復二極 管D3/D4可以給并聯(lián)的可關斷電力電子功率器件共用，相應的阻尼電路則需要根據(jù)相應的 工程實際來決定是否可以共用，并聯(lián)和共用這兩種措施可以充分利用器件的各自電流承載 能力，從而提高整個功率子模塊的經(jīng)濟性。需要指出的是，附圖7只是示意，也包括三個或 三個以上IGCT并聯(lián)后共用一個反并聯(lián)二極管的組合。
[0060] 附圖10給出了兩個功率子模塊串聯(lián)后共用同一個電抗器，當然也可以根據(jù)設計 和工程的實際情況采用三個或三個以上功率子模塊串聯(lián)后共用同一個電抗器。同樣，盡管 沒有給出相應的圖，也可以采用兩個功率子模塊串聯(lián)共用同一個功率電阻，當然也可以根 據(jù)設計和工程的實際情況采用三個或三個以上功率子模塊串聯(lián)共用同一個功率電阻。
[0061] 附圖11給出了功率模塊的級聯(lián)示意，串聯(lián)的功率模塊可以全是附圖9中的功率模 塊，或全是附圖8中的功率模塊，或全是附圖10中的功率模塊，也可以是上述幾種功率模塊 任意組合后級聯(lián)。
[〇〇62] 以上僅為本實用新型的實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型 的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在申請待批的本實用新 型的權利要求范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1. 一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述功率模塊包括功率模塊I;所述功率模塊I包括與電抗器或功率電阻并聯(lián)的功率 子模塊；所述功率子模塊包括并聯(lián)的功率子模塊1、功率子模塊2和避雷器； 所述功率子模塊1和所述功率子模塊2包括并聯(lián)電路以及與所述并聯(lián)電路串聯(lián)的串聯(lián) 二極管； 所述并聯(lián)電路包括可關斷器件、與所述可關斷器件反并聯(lián)的反并聯(lián)二極管以及與所述 反并聯(lián)二極管并聯(lián)的阻尼電路。
2. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述功率子模塊1的并聯(lián)電路包括一個或一個以上可關斷器件并聯(lián)后與所述反并聯(lián) 二極管反并聯(lián)，再與所述阻尼電路并聯(lián)。
3. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述功率子模塊2的并聯(lián)電路包括一個或一個以上可關斷器件并聯(lián)后與所述反并聯(lián) 二極管反并聯(lián)，再與所述阻尼電路并聯(lián)。
4. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述功率子模塊2的串聯(lián)二極管陰極與所述功率子模塊2的反并聯(lián)二極管陰極連接。
5. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述功率子模塊1包括所述功率子模塊1的串聯(lián)二極管陽極與所述功率子模塊2的反 并聯(lián)二極管陽極連接；所述功率子模塊1的串聯(lián)二極管陰極與所述功率子模塊1的反并聯(lián) 二極管陰極連接；所述功率子模塊1的反并聯(lián)二極管陽極與所述功率子模塊2的串聯(lián)二極 管陽極連接。
6. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述功率子模塊1還包括所述功率子模塊1的串聯(lián)二極管陰極與所述功率子模塊2的 串聯(lián)二極管陽極連接；所述功率子模塊1的串聯(lián)二極管陽極所述功率子模塊1的反并聯(lián)二 極管陽極連接；所述功率子模塊1的反并聯(lián)二極管陰極與所述功率子模塊2的反并聯(lián)二極 管陽極連接。
7. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述功率模塊還包括功率模塊II，所述功率模塊II由兩個或兩個以上功率子模塊串 聯(lián)后與電抗器或功率電阻并聯(lián)組成。
8. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述可關斷器件為從集成門極換流晶閘管IGCT、門極可關斷晶閘管GTO、超級門極可 關斷晶閘管SGTO、注入增強柵晶體管IEGT或絕緣柵雙極型晶體管IGBT中選出的任意一種 可關斷器件。
9. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 所述阻尼電路為從RC阻尼電路、RCD阻尼電路、LRCD阻尼電路或有源阻尼電路中選出 的任意一種阻尼電路。
10. 如權利要求1所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 兩個或兩個以上功率模塊I依次級聯(lián)形成限流斷路器、固態(tài)斷路器或故障電流限制 器。
11. 如權利要求7所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 兩個或兩個以上功率模塊II依次級聯(lián)形成限流斷路器、固態(tài)斷路器或故障電流限制 器。
12.如權利要求7所述的一種模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于： 一個或一個以上功率模塊I和一個或一個以上功率模塊Π任意組合依次級聯(lián)形成限 流斷路器、固態(tài)斷路器或故障電流限制器。
【文檔編號】H02H9/02GK203871852SQ201420243869
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權日:2014年5月14日
【發(fā)明者】戴朝波 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院