本公開涉及電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種直流固態(tài)斷路器以及及包括該直流固態(tài)斷路器的配電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)今社會對電力系統(tǒng)及輸電技術(shù)提出了更高的要求,如何進一步提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、向用戶提供高質(zhì)量電能成為電力行業(yè)的發(fā)展方向。斷路器作為輸電線路中一個重要的環(huán)節(jié)，它的性能直接影響著電網(wǎng)的正常運行。例如，直流固態(tài)斷路器是一種基于半導(dǎo)體開關(guān)，用于將故障從直流輸電、配電系統(tǒng)或直流供電裝置中快速切除的電力自動化設(shè)備。其具有靈活控制、快速動作、無電弧、壽命長和可靠性高等優(yōu)點。

目前應(yīng)用在直流固態(tài)斷路器的半導(dǎo)體開關(guān)主要是晶閘管。例如，在公開號為CN102222874A的中國發(fā)明專利申請中，提供了一種如圖1所示的直流固態(tài)斷路器。該直流固態(tài)斷路器正常斷開的關(guān)鍵主要是利用第一儲能電容C1和第一儲能電容C2與第一諧振電感Lr1發(fā)生諧振且諧振電流大于負載電流。該直流固態(tài)斷路器故障斷開的關(guān)鍵主要是利用第一儲能電容C1和第一儲能電容C2與第二諧振電感Lr2發(fā)生諧振且諧振電流大于故障電流。

然而，在發(fā)生短路故障的情況下，故障電流通常會很大而且難以估計，這樣就使得需要很大電容值的第一儲能電容C1和第一儲能電容C2來提供足夠多的能量才能切除短路故障。這不僅增加了直流固態(tài)斷路器的體積和成本，同時也對直流固態(tài)斷路器的可靠性帶來了風(fēng)險。此外，該直流固態(tài)斷路器并沒有零電流啟動的功能，而且類似的情況在現(xiàn)有其他的直流固態(tài)斷路器中也很常見。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開的目的在于提供一種更加可靠的直流固態(tài)斷路器以及一種包 括該直流固態(tài)斷路器的配電系統(tǒng)，從而至少在一定程度上克服由于相關(guān)技術(shù)的限制和缺陷而導(dǎo)致的一個或多個問題。

本公開的其他特性和優(yōu)點將通過下面的詳細描述變得顯然，或部分地通過本公開的實踐而習(xí)得。

根據(jù)本公開的第一方面，提供一種直流固態(tài)斷路器，包括：

一短路保護單元，包括：

一第一儲能電容；

一第一限流電感，其第一端與所述第一儲能電容第一端耦接，其第二端與一負載第一端耦接；

一第一功率二極管，其陰極與所述第一限流電感第二端耦接；

一第二儲能電容，其第一端與所述第一功率二極管陽極連接；

一第二限流電感，其第一端與所述第二儲能電容第二端耦接，其第二端與所述負載第二端耦接；以及

一第二功率二極管，其陽極與所述第二限流電感第二端耦接，其陰極與所述第一儲能電容第二端耦接；

一充電開關(guān)單元，包括：

一第一充電支路，其兩端分別與所述第一功率二極管兩極耦接；

一第二充電支路，其兩端分別與所述第二功率二極管兩極耦接；

一主開關(guān)單元，包括：

至少一主開關(guān)晶閘管，所述主開關(guān)晶閘管第一極與一直流電源耦接；在所述負載側(cè)發(fā)生第一故障時，所述第一儲能電容及第二儲能電容向所述主開關(guān)晶閘管第二極施加一反向電壓迫使其關(guān)斷。

在本公開的一種示例性實施例中，還包括：

一輔助開關(guān)單元，與所述主開關(guān)晶閘管并聯(lián)，用于在所述負載側(cè)發(fā)生第二故障或有正常斷開請求時，為所述主開關(guān)晶閘管提供電流自然過零點。

在本公開的一種示例性實施例中，所述第一故障為短路故障；所述第二故障為過流、過壓、欠壓或漏電故障。

在本公開的一種示例性實施例中，所述主開關(guān)單元包括：

一第一主開關(guān)晶閘管，其陽極與所述直流電源正極耦接，其陰極與 所述第一儲能電容第一端耦接。

在本公開的一種示例性實施例中，所述輔助開關(guān)單元包括：

所述第一儲能電容；

一第一輔助開關(guān)晶閘管，其陽極與所述直流電源正極耦接；以及

一第一諧振電感，其第一端與所述第一輔助開關(guān)晶閘管陰極連接，其第二端與所述第一儲能電容第二端耦接。

在本公開的一種示例性實施例中，所述主開關(guān)單元包括：

一第二主開關(guān)晶閘管，其陰極與所述直流電源負極耦接，其陽極與所述第二儲能電容第二端耦接。

在本公開的一種示例性實施例中，所述輔助開關(guān)單元包括：

所述第二儲能電容；

一第二輔助開關(guān)晶閘管，其陰極與所述直流電源負極耦接；以及

一第二諧振電感，其第一端與所述第二輔助開關(guān)晶閘管陽極連接，其第二端與所述第二儲能電容第一端耦接。

在本公開的一種示例性實施例中，所述第一充電支路及第二充電支路包括開關(guān)器件和/或功率電阻。

在本公開的一種示例性實施例中，所述晶閘管均為單向晶閘管。

根據(jù)本公開的第二方面，提供一種配電系統(tǒng)，包括上述任意一種直流固態(tài)斷路器。

本公開示例性實施例中所提供的直流固態(tài)斷路器中所用到的儲能電容和諧振參數(shù)只需要參考過流保護要求來設(shè)計，因此，不但可以大大降低直流固態(tài)斷路器的體積和成本，也提高了直流固態(tài)斷路器的可靠性。

附圖說明

通過參照附圖詳細描述其示例性實施例，本公開的上述和其它特征及優(yōu)點將變得更加明顯。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種直流固態(tài)斷路器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本公開示例性實施例中一種直流固態(tài)斷路器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3A是本公開示例性實施例中又一種直流固態(tài)斷路器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3B是本公開示例性實施例中再一種直流固態(tài)斷路器的結(jié)構(gòu)示意 圖。

圖4是圖2中直流固態(tài)斷路器的一種信號波形示意圖。

圖5A是圖2中直流固態(tài)斷路器在t₀-t₁時刻之間的等效電路圖。

圖5B是圖2中直流固態(tài)斷路器在t₁-t₂時刻之間的等效電路圖。

圖6是圖2中直流固態(tài)斷路器在t₂-t₃時刻之間的等效電路圖。

圖7是圖2中直流固態(tài)斷路器的又一種信號波形示意圖。

圖8A是圖2中直流固態(tài)斷路器在t′₂-t′₃時刻之間的等效電路圖。

圖8B是圖2中直流固態(tài)斷路器在t′₃-t′₄時刻之間的等效電路圖。

圖8C是圖2中直流固態(tài)斷路器在t′₅時刻之后的等效電路圖。

附圖標(biāo)記說明：

A 主開關(guān)單元

B 輔助開關(guān)單元

C 短路保護單元

D 充電開關(guān)單元

C1 第一儲能電容

C2 第二儲能電容

D1 第一功率二極管

D2 第二功率二極管

DC 直流電源

L1 第一限流電感

L2 第二限流電感

Lr1 第一諧振電感

Lr2 第二諧振電感

RL 負載

S1 第一充電支路

S2 第二充電支路

T1 第一主開關(guān)晶閘管

T2 第一輔助開關(guān)晶閘管

T3 第二主開關(guān)晶閘管

T4 第二輔助開關(guān)晶閘管

具體實施方式

現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例性實施例。然而，示例性實施例能夠以多種形式實施，且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本公開將全面和完整，并將示例性實施例的構(gòu)思全面地傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。在圖中，為了清晰，可能會夸大部分元件的尺寸或加以變形。在圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的結(jié)構(gòu)，因而將省略它們的詳細描述。

此外，所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的方式結(jié)合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節(jié)從而給出對本公開的實施例的充分理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可以實踐本公開的技術(shù)方案而沒有所述特定細節(jié)中的一個或更多，或者可以采用其它的方法、元件等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結(jié)構(gòu)、方法或者操作以避免模糊本公開的各方面。

本示例性實施例中首先提供了一種直流固態(tài)斷路器。該直流固態(tài)斷路器主要包括一主開關(guān)單元、一短路保護單元以及一充電開關(guān)單元；在本公開的其他示例性實施例中，還可以包括一輔助開關(guān)單元。其中主開關(guān)單元主要用于在電路正常運行時為負載電流提供通道；短路保護單元主要用于在發(fā)生第一故障，例如短路故障時為主開關(guān)單元提供反向電壓迫使其立即自然關(guān)斷；充電開關(guān)單元主要用于在電路正常運行時為短路保護單元中的儲能電容提供充電回路；輔助開關(guān)單元主要用于在發(fā)生第二故障，例如過流、過壓、欠壓或漏電等可測量故障時為切斷主開關(guān)單元提供足夠的能量。

如圖2中所示，為上述直流固態(tài)斷路器的一種示例性實施方式。其主開關(guān)單元A主要包括一第一主開關(guān)晶閘管T1。其輔助開關(guān)單元B主要包括所述第一儲能電容C1、一第一輔助開關(guān)晶閘管T2以及一第一諧振電感Lr1。其短路保護單元C主要包括一第一儲能電容C1、一第一限流電感L1、一第一功率二極管D1、一第二儲能電容C2、一第二限流電感L2以及一第二功率二極管D2。其充電開關(guān)單元D主要包括一第一充電支路S1以及一第二充電支路S2。

第一限流電感L1的第一端與所述第一儲能電容C1第一端耦接，第 一限流電感L1的第二端與一負載RL第一端耦接。第一功率二極管D1的陰極與所述第一限流電感L1第二端耦接。第二儲能電容C2的第一端與所述第一功率二極管D1陽極連接。第二限流電感L2的第一端與所述第二儲能電容C2第二端耦接，第二限流電感L2的第二端與所述負載RL第二端耦接。第二功率二極管D2的陽極與所述第二限流電感L2第二端耦接，第二功率二極管D2的陰極與所述第一儲能電容C1第二端耦接。第一功率二極管D1以及第二功率二極管D2主要用于在發(fā)生短路故障時為第一儲能電容C1及第二儲能電容C2提供放電通道。所述第一充電支路S1的兩端分別與所述第一功率二極管D1兩極耦接。所述第二充電支路S2的兩端分別與所述第二功率二極管D2兩極耦接。第一主開關(guān)晶閘管T1的陽極與所述直流電源DC正極耦接，第一主開關(guān)晶閘管T1的陰極與所述第一儲能電容C1第一端耦接。所述第一輔助開關(guān)晶閘管T2的陽極與所述直流電源DC正極耦接。第一諧振電感Lr1的第一端與所述第一輔助開關(guān)晶閘管T2陰極連接，第一諧振電感Lr1的第二端與所述第一儲能電容C1第二端耦接。

如圖3A中所示，在本公開的其他示例性實施例中，所述主開關(guān)單元A也可以包括一第二主開關(guān)晶閘管T3。第二主開關(guān)晶閘管T3的陰極所述直流電源DC負極耦接，第二主開關(guān)晶閘管T3的陽極與所述第二儲能電容C2第二端耦接；或者，如圖3B中所示，所述主開關(guān)單元A也可以同時包括上述第一主開關(guān)晶閘管T1和第二主開關(guān)晶閘管T3。所述輔助開關(guān)單元B也可以包括所述第二儲能電容C2、一第二輔助開關(guān)晶閘管T4以及一第二諧振電感Lr2。第二輔助開關(guān)晶閘管T4的陰極與所述直流電源DC負極耦接。第二諧振電感Lr2的第一端與所述第二輔助開關(guān)晶閘管T4陽極連接，第二諧振電感Lr2的第二端與所述第二儲能電容C2第一端耦接；或者，如圖3中所示，所述輔助開關(guān)單元B也可以同時包括上述第一儲能電容C1、第一輔助開關(guān)晶閘管T2、第一諧振電感Lr1、第二儲能電容C2、第二輔助開關(guān)晶閘管T4以及第二諧振電感Lr2。

可以看到，在本示例性實施例中，第一儲能電容C1是同時包含在輔助開關(guān)單元B和短路保護單元C中。第二儲能電容C2也是同時包含在輔助開關(guān)單元B和短路保護單元C中。第一充電支路S1和第二充電支 路S2可以具有完全相同的結(jié)構(gòu)，都可以由機械或半導(dǎo)體開關(guān)等開關(guān)器件單獨構(gòu)成，也可以由功率電阻單獨構(gòu)成，或者，也可以由機械或半導(dǎo)體開關(guān)等開關(guān)器件和功率電阻串聯(lián)組合構(gòu)成。在圖3中所示的直流固態(tài)斷路器中，第一主開關(guān)晶閘管T1和第二主開關(guān)晶閘管T3將以同樣的方式運行，即同時導(dǎo)通和同時關(guān)斷，第一輔助開關(guān)晶閘管T2和第二輔助開關(guān)晶閘管T4也將以同樣的方式運行，即同時導(dǎo)通和同時關(guān)斷。此外，在本示例性實施例中所述第一主開關(guān)晶閘管T1、第一輔助開關(guān)晶閘管T2、第二主開關(guān)晶閘管T3以及第二輔助開關(guān)晶閘管T4均優(yōu)選為單向晶閘管。

在上述直流固態(tài)斷路器中，當(dāng)所述負載RL側(cè)發(fā)生第一故障，例如短路故障時，所述短路保護單元C中的第一儲能電容C1及第二儲能電容C2會向所述主開關(guān)晶閘管與短路保護單元C連接的耦接的一極施加一反向電壓迫使其自然關(guān)斷。在所述負載RL側(cè)發(fā)生第二故障，例如過流、過壓、欠壓或漏電等可測量故障，或者有正常斷開請求時，輔助開關(guān)單元B為所述主開關(guān)晶閘管提供電流自然過零點，使其自然關(guān)斷。

本示例性實施例中的直流固態(tài)斷路器的短路故障功能主要是利用儲能電容向主開關(guān)晶閘管施加反向電壓迫而使其自然關(guān)斷來實現(xiàn)的，所以理論上與儲能電容的大小關(guān)系不大。而其它故障的切除和正常斷開是利用儲能電容與諧振電感構(gòu)成與主開關(guān)晶閘管并聯(lián)的LC諧振電路為主開關(guān)晶閘管提供一個電流自然過零點迫使其自然關(guān)斷來實現(xiàn)的，所以理論上與儲能電容的大小和諧振參數(shù)相關(guān)。對于現(xiàn)有技術(shù)中的直流固態(tài)斷路器而言，其短路故障的切除也是利用上述LC輔助諧振電路提供電流自然過零點來實現(xiàn)的，也就是說諧振參數(shù)和儲能電容的大小必須要滿足短路故障切除的要求。然而，短路電流通常比額定電流甚至比過流電流大得多，所以在現(xiàn)有技術(shù)的直流固態(tài)斷路器中，需要用很大的儲能電容才可以提供足夠多的能量來切除短路故障。而本公開中所用到的儲能電容和諧振參數(shù)只需要參考過流保護要求來設(shè)計，這不但大大降低了直流固態(tài)斷路器的體積和成本，也提高了直流固態(tài)斷路器的可靠性。

進一步的，本示例性實施例中還提供了一種配電系統(tǒng)，該配電系統(tǒng)包括上述任意一種直流固態(tài)斷路器。在配電系統(tǒng)中，直流固態(tài)斷路器雖小，卻是很重要的部件。通過本示例性實施例中的直流固態(tài)斷路器，可 以在很大程度上增加配電系統(tǒng)的可靠性。

以下，將以圖2中的直流固態(tài)斷路器為例，對本示例性實施例中的直流固態(tài)斷路器的工作原理進行更進一步的說明。

參考圖4中的信號波形圖，t₀時刻到t₁時刻為直流固態(tài)斷路器的啟動過程。在直流固態(tài)斷路器啟動時，即t₀時刻，第一主開關(guān)晶閘管T1、第一充電支路S1以及第二充電支路S2同時被觸發(fā)導(dǎo)通。由于第一限流電感L1和第二限流電感L2串聯(lián)在主回路中，輸入電流I_DC和負載電流I_Load從零開始逐漸升高。第一儲能電容C1通過第二充電支路S2和第二限流電感L2被直流電源DC充電，第二儲能電容C2通過第一充電支路S1和第一限流電感L1被直流電源DC充電，因此它們的電壓逐漸升高。這一過程的等效電路如圖5A中所示。由此可知，本示例性實施例中的直流固態(tài)斷路器具有零電流啟動功能，其主要是利用串聯(lián)在主回路中的第一主開關(guān)晶閘管T1和第一限流電感L1以及第二限流電感L2實現(xiàn)，不受其他輔助電路(包括第一輔助開關(guān)晶閘管T2、第一諧振電感Lr1、第一儲能電容C1、第二儲能電容C2、第一功率二極管D1、第二功率二極管D2、第一充電支路S1以及第二充電支路S2)的影響。

當(dāng)?shù)谝粌δ茈娙軨1電壓V_C1和第二儲能電容C2電壓V_C2增加到與直流電源DC電壓V_DC相同時充電過程結(jié)束。負載電壓V_RL也增加到直流電源DC電壓V_DC使得電路進入穩(wěn)定狀態(tài)，此后，即t₁時刻之后，直流電源DC通過第一主開關(guān)晶閘管T1、第一限流電感L1以及第二限流電感L2為負載RL提供電流，如圖5B中所示。由此可知，正常運行時負載電流I_Load只流過第一主開關(guān)晶閘管T1和第一限流電感L1以及第二限流電感L2，而其他輔助電路(包括第一輔助開關(guān)晶閘管T2、第一諧振電感Lr1、第一儲能電容C1、第二儲能電容C2、第一功率二極管D1、第二功率二極管D2、第一充電支路S1以及第二充電支路S2)處于不工作狀態(tài)。

在圖4中的t₂時刻，負載RL側(cè)發(fā)生了第一故障F1，例如短路故障，即負載RL阻抗瞬間突變?yōu)榱?。負載RL電壓也因此突變?yōu)榱悖谝还β识O管D1和第二功率二極管D2因正向偏置而導(dǎo)通。第一儲能電容C1和第二儲能電容C2通過第一功率二極管D1和第二功率二極管D2直接 串聯(lián)，施加一反向電壓給第一主開關(guān)晶閘管T1，使得第一主開關(guān)晶閘管T1由于承受反向電壓而自然關(guān)斷。

此后，等效電路如圖6所示，第一儲能電容C1與第一限流電感L1經(jīng)過第一功率二極管D1組成一個LC回路，第二儲能電容C2與第二限流電感L2經(jīng)過第二功率二極管D2組成另一個相同的LC回路。第一儲能電容C1對第一限流電感L1放電以及第二儲能電容C2對第二限流電感L2放電使得短路電流I_F1逐漸升高。

到t₃時刻時，第一儲能電容C1以及第二儲能電容C2的電壓放至零而短路電流I_F1達到最大值，此后第一限流電感L1對第一儲能電容C1反向充電以及第二限流電感L2對第二儲能電容C2反向充電使得第一儲能電容C1以及第二儲能電容C2的電壓為負值并逐漸升高，而與此同時，短路電流I_F1逐漸減小。

到t₄時刻時，短路電流I_F1減小至零且所有能量都儲存在到第一儲能電容C1和第二儲能電容C2中，電路停止工作。

參考圖5中的信號波形圖，t₀時刻到t₁時刻為直流固態(tài)斷路器的啟動過程，該過程與圖4中類似，因此此處不再詳述。在t′₂時刻，負載RL側(cè)發(fā)生第二故障F2，例如過流、過壓、欠壓或漏電等可測量故障，或者，有正常斷開請求時，第一輔助開關(guān)晶閘管T2被觸發(fā)立即導(dǎo)通。第一儲能電容C1與第一諧振電感Lr1經(jīng)過第一主開關(guān)晶閘管T1和第二主開關(guān)晶閘管T2發(fā)生LC諧振。此時的等效電路如圖8A所示，隨著諧振電流I_T2的增大，流過第一主開關(guān)晶閘管T1的電流I_T1逐漸減小。

在t′₃時刻諧振電流I_T2增加到與故障電流I_F2相同，第一主開關(guān)晶閘管T1因電流減小到零而自然關(guān)斷。此后第一諧振電感Lr1和第一儲能電容C1完全串聯(lián)在主電路中，等效電路如圖8B所示。由于第一儲能電容C1的電壓在t′₃時刻還未完全降到零，回路電流將會逐漸增大。

到達t′₄時刻，第一儲能電容C1的電壓降到零，而回路電流增大到最大值。此后第一儲能電容C1被反向充電而回路電流隨著電容電壓的升高而逐漸減小。最后在t′₅時刻因回路電流減小到零，使得第一輔助開關(guān)晶閘管T2自然關(guān)斷。整個故障端F2因第一主開關(guān)晶閘管T1和第一輔助開關(guān)晶閘管T2都關(guān)斷而與直流電源DC側(cè)完全斷開，此時等效電路如圖8C 所示。

由此可知，本示例性實施例中的直流固態(tài)斷路器還具有零電流關(guān)斷功能，其主要是利用與第一主開關(guān)晶閘管T1并聯(lián)的諧振支路(由第一輔助開關(guān)晶閘管T2、第一諧振電感Lr1和第一儲能電電容串聯(lián)構(gòu)成)為主開關(guān)晶閘管提供電流自然過零點來實現(xiàn)。而且，該直流固態(tài)斷路器具有將第二故障，例如過流、過壓、欠壓以及漏電等可測量故障快速切除的功能，其同樣主要是利用與第一主開關(guān)晶閘管T1并聯(lián)的諧振支路(由第一輔助開關(guān)晶閘管T2、第一諧振電感Lr1和第一儲能電電容串聯(lián)構(gòu)成)為第一主開關(guān)晶閘管T1提供電流自然過零點來實現(xiàn)。

綜上所述，本示例性實施例中所提供的直流固態(tài)斷路器可有效解決在第一故障，例如短路故障發(fā)生的情況下因儲能電容提供能量不足而導(dǎo)致主開關(guān)單元無法有效關(guān)斷的問題。其可以將第一故障，例如短路故障立即從直流輸電、配電系統(tǒng)或直流電源DC側(cè)切除，也可以將第二故障，例如過流、過壓、欠壓以及漏電等可測量故障快速切除，還可以實現(xiàn)直流固態(tài)斷路器的正常關(guān)斷以及零電流啟動功能。而且，本公開中所用到的儲能電容和諧振參數(shù)只需要參考過流保護要求來設(shè)計，不但大大降低了直流固態(tài)斷路器的體積和成本，也提高了直流固態(tài)斷路器的可靠性。

本公開已由上述相關(guān)實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本公開的范例。必需指出的是，已揭露的實施例并未限制本公開的范圍。相反，在不脫離本公開的精神和范圍內(nèi)所作的變動與潤飾，均屬本公開的專利保護范圍。