一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種附加二極管的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；所述功率子模塊的反并聯(lián)電路1和反并聯(lián)電路2串聯(lián)后與并聯(lián)的阻尼電路和避雷器并聯(lián)；所述反并聯(lián)電路1和所述反并聯(lián)電路2包括帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件和與所述帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件反并聯(lián)的附加二極管，所述反并聯(lián)電路1的附加二極管陰極與所述反并聯(lián)電路2的附加二極管陰極連接；這種限流斷路器功率模塊降低了模塊化固態(tài)限流器的正常運(yùn)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】一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電力系統(tǒng)的短路保護(hù)裝置，具體涉及一種附加二極管的模塊化限流斷路器及其功率模塊，屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】:
[0002]隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，負(fù)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(biāo)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(biāo)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(shí)現(xiàn)限流的方式千差萬別，對故障限流技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分類十分困難。
[0005]從實(shí)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(shè)備級措施兩大類。從運(yùn)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(yùn)行與故障狀態(tài)下，均增加系統(tǒng)阻抗，構(gòu)成簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但在正常運(yùn)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(yùn)行，是理想的故障電流限制設(shè)備；從觸發(fā)方式看，主動式短路電流限制措施進(jìn)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(yùn)行和母線分列運(yùn)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(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性，給系統(tǒng)運(yùn)行所帶來的負(fù)面影響往往不可忽視。
[0009]建設(shè)更高一級電壓的國家主干電網(wǎng)是提高電網(wǎng)運(yùn)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(dāng)前多數(shù)電網(wǎng)短路電流水平超標(biāo)問題，且建設(shè)難度大，周期長，需要進(jìn)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(biāo)的問題。從長遠(yuǎn)角度來看，系統(tǒng)級措施仍是解決短路電流水平超標(biāo)問題的根本辦法，但給系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)運(yùn)行等方面的工作增加了越來越大的難度。
[0010]設(shè)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(diǎn)經(jīng)小電抗接地、高阻抗發(fā)電機(jī)、高壓熔斷器、Is-快速限流器、超導(dǎo)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(yīng)用電磁驅(qū)動原理的故障電流限制器及復(fù)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(guān)鍵點(diǎn)的短路電流水平超標(biāo)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(jié)構(gòu)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(yùn)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(dá)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(yīng)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(guān)斷器件；反并聯(lián)二極管與可關(guān)斷器件封裝在一起，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，線路電流流經(jīng)每個功率模塊中的可關(guān)斷器件和反并聯(lián)二極管，這樣一來就導(dǎo)致了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)損耗非常大，穩(wěn)態(tài)損耗大是該故障電流限制器最大的缺陷。
實(shí)用新型內(nèi)容:
[0013]本實(shí)用新型的目的在于提供一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊以克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足。
[0014]本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是:一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊，其改進(jìn)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反并聯(lián)電路1、反并聯(lián)電路2、阻尼電路和避雷器；所述反并聯(lián)電路I和所述反并聯(lián)電路2串聯(lián)后與并聯(lián)的阻尼電路和避雷器并聯(lián)；
[0016]所述反并聯(lián)電路I和所述反并聯(lián)電路2包括帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件和與所述帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件反并聯(lián)的附加二極管，所述反并聯(lián)電路I的附加二極管陰極與所述反并聯(lián)電路2的附加二極管陰極連接。
[0017]優(yōu)選的，所述可關(guān)斷器件為從集成門極換流晶閘管IGCT、門極可關(guān)斷晶閘管GT0、超級門極可關(guān)斷晶閘管SGT0、注入增強(qiáng)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(guān)斷器件。
[0018]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。
[0019]優(yōu)選的，所述反并聯(lián)電路I包括一個或一個以上帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件并聯(lián)后與一個或一個以上附加二極管并聯(lián)。
[0020]優(yōu)選的，所述反并聯(lián)電路2包括一個或一個以上帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件并聯(lián)后與一個或一個以上附加二極管并聯(lián)。
[0021]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)形成。
[0022]優(yōu)選的，兩個或兩個以上所述功率模塊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。
[0023]進(jìn)一步，兩個或兩個以上所述功率模塊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。
[0024]進(jìn)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。
[0025]與最接近的技術(shù)方案相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0026]1、本功率模塊實(shí)現(xiàn)了整個限流斷路器的標(biāo)準(zhǔn)化和冗余設(shè)計(jì)，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；
[0027]2、本功率模塊的穩(wěn)態(tài)損耗少，降低了故障電流限制器或固態(tài)斷路器的運(yùn)行成本，提聞了可罪性；
[0028]3、功率模塊的穩(wěn)態(tài)損耗減少，降低了冷卻系統(tǒng)的散熱量要求，從而使冷卻系統(tǒng)的重量下降、成本減少和體積縮小，使模塊化固態(tài)限流器的重量下降、成本減少和體積縮小，
更具競爭力。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0029]圖1為功率子模塊原理圖；
[0030]圖2為RCD的阻尼電路原理圖；
[0031 ]圖3為LRCD的阻尼電路原理圖；
[0032]圖4為兩個附加二極管與兩個帶反并聯(lián)二極管的IGCT并聯(lián)的功率子模塊原理圖；
[0033]圖5為兩個帶反并聯(lián)二極管的IGCT與一個附加二極管并聯(lián)的功率子模塊原理圖；
[0034]圖6為并聯(lián)功率電阻的功率模塊；
[0035]圖7為并聯(lián)電抗器的功率模塊；
[0036]圖8為兩個功率子模塊串聯(lián)后與電抗器并聯(lián)的功率模塊原理圖；
[0037]圖9為功率模塊的級聯(lián)原理圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0038]為了更好地理解本實(shí)用新型，下面結(jié)合說明書附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型的內(nèi)容做進(jìn)一步的描述:
[0039]模塊化限流斷路器功率模塊的功率子模塊原理圖如圖1所示:
[0040]圖1中采用的附加二極管Dl和D2可以是標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)二極管(Standard RecoveryD1des, SRD)，也可以是碳化硅二極管等性能較好，且通態(tài)壓降比較低的二極管；
[0041]圖1中采用的可關(guān)斷器件為IGCT，但可以用超級門極可關(guān)斷晶閘管SGT0，絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT),集成門極換流晶閘管(Intergrated Gate Commutated Thyristors, IGCT),門極可關(guān)斷晶閘管(Gate Turn-OffThyristor, GTO)或注入增強(qiáng)柵晶體管(Inject1n Enhanced Gate Transistor, IEGT)。
[0042]避雷器，又稱過電壓保護(hù)器、浪涌保護(hù)器、電涌保護(hù)器、防雷器、限壓器等，圖1中的避雷器僅用于限制因系統(tǒng)操作產(chǎn)生的過電壓，為金屬氧化物避雷器、金屬氧化物限壓器、碳化硅避雷器、管式避雷器中的任意一種。
[0043]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或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。圖1中采用的阻尼電路為簡潔的RC阻尼電路；
[0044]圖1中的阻尼電路也可采用圖2中的RCD的阻尼電路，圖3中的LRCD阻尼電路，或者其他阻尼電路方案，例如LC阻尼電路和各種有源阻尼電路等。
[0045]通常，SGTO、IGBT、IGCT等器件集成的反并聯(lián)二極管都屬于快速恢復(fù)二極管(FastRecovery D1de, FRD)。FRD是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短等特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，但相應(yīng)的通態(tài)壓降要高些。附加二極管SRD是一種具有大電流處理能力、通態(tài)壓降低等特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，但SRD是為工頻工作條件進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)的，不適用高頻或者需要快速恢復(fù)的工況。[0046]正常運(yùn)行時，如圖1中所示的功率子模塊流經(jīng)線路電流或負(fù)載電流，由于附加二極管SRD的通態(tài)壓降比FRD的通態(tài)壓降低，因此線路電流或負(fù)載電流流經(jīng)附加的二極管，即SRD,再經(jīng)過IGCTl或IGCT2后流出本功率子模塊。由于附加二極管SRD的通態(tài)壓降比FRD的通態(tài)壓降低，因此，功率子模塊的穩(wěn)態(tài)損耗將有顯著減少。
[0047]系統(tǒng)故障時，控制保護(hù)系統(tǒng)快速識別出故障信號，命令I(lǐng)GCTl和IGCT2關(guān)斷。如圖1所示:關(guān)斷過程中，由IGCTl或IGCT2承受整個功率子模塊兩端的電壓UM，二極管(包括反并聯(lián)二極管和附加的二極管)不需要承受電壓降；由于IGCTl或IGCT2承擔(dān)斷開線路電流或負(fù)載電流的責(zé)任，即使二極管不具有快速恢復(fù)能力，也不影響整個功率子模塊去開斷線路電流或負(fù)載電流。
[0048]因此，附加標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)二極管可以降低功率模塊的穩(wěn)態(tài)損耗，同時不影響功率模塊正常時的通流和故障時的快速關(guān)斷。
[0049]附加標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)二極管的功率子模塊再并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮杌螂娍?如圖6或圖7所示)形成功率模塊，功率模塊再通過級聯(lián)以后(如圖9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。
[0050]圖1中，以ABB的相關(guān)電力電子器件產(chǎn)品試舉一例。可關(guān)斷器件采用ABB反向?qū)ǖ?IGCT5SHZ19L6020。IGCT 中的門極換流晶閘管 GCT (Gate Commutated Thyristors)的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓Vdkm(Repetitive peak off-state voltage)為5500V,最大通態(tài)平均電流It(av)m (Max.average on-state current)為 840A。IGCT 中的二極管的最大通態(tài)平均電流 IF(AV)M(Max.average on-state current)為 340A,門濫電壓 V_ (Threshold voltage)為 2.7V，通態(tài)斜率電阻 rF(Slope resistance)為 2.23mΩ。
[0051]附加的二極管采用ABB整流二極管5SDD33L5500，最大非重復(fù)性反向峰值電壓Vesm(Max non-repetitive peak reverse voltage)為 5500V,通態(tài)平均電流 IF(AV)M(Averageon-state current)為 3480A,門濫電壓 Vfq (Threshold voltage)為 0.94V,通態(tài)斜率電阻rF(Slope resistance)為 0.147mΩ 0
[0052]顯然，整流二極管的門檻電壓Vfq和通態(tài)斜率電阻1>都要比IGCT的快速恢復(fù)反并聯(lián)二極管的門檻電壓Vfci和通態(tài)斜率電阻rF小許多，因此，二極管的穩(wěn)態(tài)損耗至少要小50%以上。
[0053]圖4中給出了另一種功率子模塊，該功率子模塊中包括兩個帶反并聯(lián)二極管的IGCT和兩個附加二極管并聯(lián)；當(dāng)然，也可以采用三個或三個以上帶反并聯(lián)二極管的IGCT與三個或三個以上附加二極管并聯(lián)，以適應(yīng)線路電流或負(fù)載電流比較大的工況。
[0054]圖5中給出了兩個反并聯(lián)二極管的IGCT并聯(lián)后再與一個附加二極管并聯(lián)的情況，當(dāng)然，也可以為三個或三個以上帶反并聯(lián)二極管的IGCT并聯(lián)后再并聯(lián)一個或一個以上附加二極管的相應(yīng)組合。
[0055]圖6中給出了并聯(lián)功率電阻的功率模塊。
[0056]圖7中給出了并聯(lián)電抗器的功率模塊。
[0057]圖8中給出了將兩個功率子模塊串聯(lián)后再并聯(lián)一個電抗器的功率模塊，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)和工程的實(shí)際情況采用三個或三個以上功率子模塊串聯(lián)再并聯(lián)一個電抗器的方案。當(dāng)然，也可以采用兩個或兩個以上功率子模塊串聯(lián)后再并聯(lián)一個功率電阻的方案。
[0058]圖8中串聯(lián)的功率子模塊可以是圖1中的功率子模塊；也可以是圖4或圖5中的功率子模塊。
[0059]圖9中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圖4、圖5、圖6、圖7或圖8中的任意一種功率模塊，也可以是上述幾種功率模塊的任意組合級聯(lián)。
[0060]以上僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在申請待批的本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種附加二極管的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反并聯(lián)電路1、反并聯(lián)電路2、阻尼電路和避雷器；所述反并聯(lián)電路I和所述反并聯(lián)電路2串聯(lián)后與并聯(lián)的阻尼電路和避雷器并聯(lián)； 所述反并聯(lián)電路I和所述反并聯(lián)電路2包括帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件和與所述帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件反并聯(lián)的附加二極管，所述反并聯(lián)電路I的附加二極管陰極與所述反并聯(lián)電路2的附加二極管陰極連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于: 所述可關(guān)斷器件為從集成門極換流晶閘管IGCT、門極可關(guān)斷晶閘管GTO、超級門極可關(guān)斷晶閘管SGTO、注入增強(qiáng)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(guān)斷器件。
3.如權(quán)利要求1所述的一種附加二極管的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。
4.如權(quán)利要求1所述的一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于: 所述反并聯(lián)電路I包括一個或一個以上帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件并聯(lián)后與一個或一個以上附加二極管并聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于: 所述反并聯(lián)電路2包括一個或一個以上帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件并聯(lián)后與一個或一個以上附加二極管并聯(lián)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種附加二極管的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)形成。
7.如權(quán)利要求1所述的一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于: 兩個或兩個以上所述功率模塊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。
8.如權(quán)利要求6所述的一種附加二極管的模塊化限流斷路器功率模塊，其特征在于: 兩個或兩個以上所述功率模塊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。
9.如權(quán)利要求6所述的一種附加二極管的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。
【文檔編號】H02H7/10GK203826930SQ201420243870
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)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