一种适用于配电网的新型固态交流断路器
阅读说明：本技术 一种适用于配电网的新型固态交流断路器 (Novel solid-state AC circuit breaker suitable for distribution network ) 是由 李振伟 王晶 赵天翊 赵树军 单保涛 陶陈彬 马隽 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于配电网的新型固态交流断路器,包括主电路模块和辅助模块两部分；所述主电路模块包括二极管模块1、二极管模块2、二极管模块3、二极管模块4、IGBT模块和金属氧化物压敏电阻缓冲支路；所述辅助模块包括测量模块以及控制与驱动模块,所述控制与驱动模块电连接电连接IGBT模块,负责控制驱动断路器动作；所述测量模块电连接IGBT模块,负责测量驱动断路器动作产生的电流值和电压值。本发明基于IGBT快速开断的特性设计了一种纯电力电子元件组成的断路器,大大提高了开断电流的速度。该断路器能够在短时间内快速开断电路,而且增加的均压电路和吸收回路能够有效地吸收回路中出现的冲击使断路器稳定运行在安全区域。(The invention discloses a novel solid-state alternating current circuit breaker applicable to a power distribution network, which comprises a main circuit module and an auxiliary module; the main circuit module comprises a diode module 1, a diode module 2, a diode module 3, a diode module 4, an IGBT module and a metal oxide piezoresistor buffer branch circuit; the auxiliary module comprises a measuring module and a control and drive module, the control and drive module is electrically connected with the IGBT module and is responsible for controlling the action of the driving circuit breaker; the measuring module is electrically connected with the IGBT module and is responsible for measuring the current value and the voltage value generated by the action of the driving circuit breaker. The circuit breaker composed of the pure electric electronic elements is designed based on the characteristic that the IGBT is rapidly switched on and off, and the speed of switching on and off current is greatly improved. The circuit breaker can quickly break a circuit in a short time, and the added voltage equalizing circuit and the absorption loop can effectively absorb impact occurring in the loop so that the circuit breaker stably operates in a safe area.)
技术领域
本发明涉及一种适用于配电网的新型固态交流断路器，属于断路器技术领域。
背景技术
随着新能源技术的发展，风电、太阳能分布式电源和大量的电力电子元件接入交流配电网，为了线路发生短路故障后能及时、快速地切除故障线路，保护电网中的电力电子设备，现在亟需研究一种能够快速、灵活和可靠开断的断路器。
近年来功率半导体器件及其控制技术的进步促进了电力电子技术在电力系统中的广泛应用，其中，基于电力电子元件的固态断路器和混合式断路器的研究受到越来越多的重视。
现有文献1提出了一种可以重合闸和重分闸的新型拓扑结构的固态交流断路器，断路器使用半控型器件功率晶闸管(SCR)作为开断元件，所以电流必须过零才能关断，开断速度较慢且不够灵活；现有文献2设计了一种基于两条IGBT电路反串联组成的固态交流断路器，可以无弧、快速地开断交流电路，但是当电流正、反向流通时总有一条支路闲置无电流，导致元件的利用率低；现有文献3设计了一种基于碳化硅型发射极关断晶闸管的固态直流断路器，优点是关断中等电压等级的大电流能力强，不足是驱动电路复杂且驱动功率大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于绝缘栅双极型晶体管的固态断路器，可以无弧、快速地开断交流配电网电路，并且具备一定的故障自检功能和过流保护能力，克服了机械断路器开断速度慢的缺点。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种适用于配电网的新型固态交流断路器，包括主电路模块和辅助模块两部分；
所述主电路模块包括二极管模块1、二极管模块2、二极管模块3、二极管模块4、IGBT模块和金属氧化物压敏电阻缓冲支路；所述二极管模块1、二极管模块2、二极管模块3和二极管模块4串联；所述IGBT模块一端连接在二极管模块1和二极管模块2之间的电路上，其另一端连接在二极管模块3和二极管模块4之间的电路上；所述金属氧化物压敏电阻缓冲支路并联在所述IGBT模块上；
所述辅助模块包括测量模块以及控制与驱动模块，所述控制与驱动模块电连接电连接IGBT模块，负责控制驱动断路器动作；所述测量模块电连接IGBT模块，负责测量驱动断路器动作产生的电流值和电压值。
作为本发明的进一步改进，所述主电路模块内设置有串联多个IGBT模块的均压电路。作为本发明的进一步改进，所述均压电路采用改进型RCD均压电路；
所述改进型RCD均压电路包括与IGBT模块数量相等的均压支路；每个均压支路包括由缓冲电容C和二极管D串联而成的C-D电路，由电阻R1和电阻R2串联而成的静态均压电阻Rt，以及一端电连接缓冲电容C和二极管D之间另一端电连接电阻R1和电阻R2之间的晶闸管Q；
所述C-D电路并联在IGBT模块两端，所述静态均压电阻Rt并联在IGBT模块两端；多个晶闸管Q依次串联相通。
作为本发明的进一步改进，所述控制与驱动模块的输出端与IGBT模块的栅极相连接，发送统一的驱动信号控制多个IGBT模块同时通断。
作为本发明的进一步改进，所述测量模块包含电流互感器和测量仪器，实时监测每条IGBT支路的电流，发现过流则向控制与驱动模块发送警告信号并采取过流保护措施。
作为本发明的进一步改进，所述辅助模块还包括固定安装在主电路模块外侧部的冷却装置，所述冷却装置采用水冷散热交换器。
作为本发明的进一步改进，所述改进型RCD均压电路根据功能划分为动态和静态均压电路两部分；
所述RCD电路中动态均压电路部分，由二极管、电容、晶闸管和电阻组成，关断时刻由C-D电路对电容充电，起关断缓冲作用；IGBT模块导通完毕后，晶闸管Q导通一段时间，形成C-Q-R环形通路对电容放电，为下一次关断缓冲做准备。
作为本发明的进一步改进，所述静态均压电阻选取过程：为了实现均压平衡，在漏电阻两端并联一个静态均压电阻Rt，使每个漏电阻与Rt并联后的等效电阻基本相等，后者是前者的等效电路；
增加Rt后均压不平衡率在5％以内可保证各元件均压平衡，求出Rt的取值范围；定义均压不平衡率为串联IGBT中承受最高电压与最低电压之差和最高电压的比值
式中，γ是均压不平衡率；Vmax、Vmin分别是串联IGBT中两端电压最大、最小值；假设n个串联IGBT中，IGBT1承受的电压最大，IGBT2承受的电压最小，则并联静态均压电阻后均压不平率为：
根据γ≤5％可得静态均压电阻取值范围：
式中，Rt是静态均压电阻；Roff1是IGBT1的等效漏电阻；Roff2是IGBT2的等效漏电阻；
通过产品参数可求出漏电阻：
式中，Vces是集电极-发射极阻断电压；Ices是集电极-发射极漏电流。
作为本发明的进一步改进，所述金属氧化物压敏电阻缓冲支路的压敏电压UNMOV与IGBT最大承受电压相等
UNMOV＝VCE (17)
式中，UNMOV金属氧化物压敏电阻缓冲支路的压敏电压，VCE为IGBT最大承受电压。
作为本发明的进一步改进，为了验证固态交流断路器的开断能力和速度，依照断路器的元件选取和参数设计，用Pspice软件搭建固态断路器模型，并对短路电流的交流配电网进行分、合闸进行仿真试验。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明选用IGBT元件作为开断元件使断路器具有开断速度快、无弧和驱动结构简单等优势。这种拓扑结构对元件的利用率很高，可比基于两条IGBT电路反串联组成的固态交流断路器中的拓扑结构节省一半的IGBT元件，大大降低了成本。为了有效地消除断路器开断过程中造成的IGBT尖峰电压和串联均压不平衡问题，设计了改进型RCD均压电路。利用Pspice平台搭建了16.3kV/347MVA固态交流断路器模型并在配电网环境中进行开断仿真试验，试验结果证明了断路器开断速度快，并且过电压较小，开断效果良好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是断路器结构模块示意图；
图2是串联IGBT的均压电路原理图；
图3是改进型RCD电路工作原理示意图；
图4是断路器分闸电压、电流波形图；
图5是断路器合闸电压、电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
如图1所示，一种适用于配电网的新型固态交流断路器，包括主电路模块和辅助模块两部分；
所述主电路模块包括二极管模块1、二极管模块2、二极管模块3、二极管模块4、IGBT模块和金属氧化物压敏电阻缓冲支路；所述二极管模块1、二极管模块2、二极管模块3和二极管模块4串联；所述IGBT模块一端连接在二极管模块1和二极管模块2之间的电路上，其另一端连接在二极管模块3和二极管模块4之间的电路上；所述金属氧化物压敏电阻缓冲支路并联在所述IGBT模块上；
所述辅助模块包括测量模块以及控制与驱动模块，所述控制与驱动模块电连接电连接IGBT模块，负责控制驱动断路器动作；所述测量模块电连接IGBT模块，负责测量驱动断路器动作产生的电流值和电压值。
本实施例进一步的，所述主电路模块内设置有串联多个IGBT模块的均压电路。
本实施例进一步的，所述均压电路采用改进型RCD均压电路；既能发挥传统RCD电路动态均压作用，也能实现静态均压效果，示意图如图2所示。
所述改进型RCD均压电路包括与IGBT模块数量相等的均压支路；每个均压支路包括由缓冲电容C和二极管D串联而成的C-D电路，由电阻R1和电阻R2串联而成的静态均压电阻Rt，以及一端电连接缓冲电容C和二极管D之间另一端电连接电阻R1和电阻R2之间的晶闸管Q；
所述C-D电路并联在IGBT模块两端，所述静态均压电阻Rt并联在IGBT模块两端；多个晶闸管Q依次串联相通。
本实施例进一步的，所述控制与驱动模块的输出端与IGBT模块的栅极相连接，发送统一的驱动信号控制多个IGBT模块同时通断。
本实施例进一步的，所述测量模块包含电流互感器和测量仪器，实时监测每条IGBT支路的电流，发现过流则向控制与驱动模块发送警告信号并采取过流保护措施。
本实施例进一步的，所述辅助模块还包括固定安装在主电路模块外侧部的冷却装置，所述冷却装置采用水冷散热交换器。
本实施例进一步的，改进型RCD电路工作原理如图3所示，所述改进型RCD均压电路根据功能划分为动态和静态均压电路两部分；
所述RCD电路中动态均压电路部分，由二极管、电容、晶闸管和电阻组成，关断时刻由C-D电路对电容充电，起关断缓冲作用；IGBT模块导通完毕后，晶闸管Q导通一段时间，形成C-Q-R环形通路对电容放电，为下一次关断缓冲做准备。
本实施例进一步的，所述静态均压电阻选取过程：为了实现均压平衡，在漏电阻两端并联一个静态均压电阻Rt，使每个漏电阻与Rt并联后的等效电阻基本相等，后者是前者的等效电路；
增加Rt后均压不平衡率在5％以内可保证各元件均压平衡，求出Rt的取值范围；定义均压不平衡率为串联IGBT中承受最高电压与最低电压之差和最高电压的比值
式中，γ是均压不平衡率；Vmax、Vmin分别是串联IGBT中两端电压最大、最小值；假设n个串联IGBT中，IGBT1承受的电压最大，IGBT2承受的电压最小，则并联静态均压电阻后均压不平率为：
根据γ≤5％可得静态均压电阻取值范围：
式中，Rt是静态均压电阻；Roff1是IGBT1的等效漏电阻；Roff2是IGBT2的等效漏电阻；
通过产品参数可求出漏电阻：
式中，Vces是集电极-发射极阻断电压；Ices是集电极-发射极漏电流。
本实施例进一步的，所述金属氧化物压敏电阻缓冲支路的压敏电压UNMOV与IGBT最大承受电压相等
UNMOV＝VCE (17)
式中，UNMOV金属氧化物压敏电阻缓冲支路的压敏电压，VCE为IGBT最大承受电压。
本实施例进一步的，为了验证固态交流断路器的开断能力和速度，依照断路器的元件选取和参数设计，用Pspice软件搭建固态断路器模型，并对短路电流的交流配电网进行分、合闸进行仿真试验。
具体的，本实施例用Pspice软件搭建了一个16.3kV/347MVA的固态断路器模型，并对短路电流为20kA的10kV交流配电网进行分、合闸。断路器两端电压和流经断路器电流的仿真波形如图4和图5所示。
图4是断路器分闸过程两端电压和流经断路器的电流，从图中可知，配电网在3.3ms时发生短路，随后短路电流激增至20kA。断路器在5ms时刻发出分闸指令，经过0.3ms延时开始动作，电流开始下降，6.4ms时刻电流降为0，此时断路器完全断开，分闸过程历经1.4ms，断路器两端电压在分闸前有121V的导通电压损耗，分闸过程产生了一个16kV的尖峰电压，最后趋于稳定。
图5是断路器合闸过程的电压、电流波形，从图易知，断路器在5ms时刻发出合闸指令，5.3ms时断路器开始动作，5.4ms时电压降为118V(断路器通态压降)，在5.8ms时刻电流恢复到19kA，断路器完成合闸，共耗时0.8ms。
综上所述，断路器的分闸时间1.4ms，合闸时间0.8ms，分闸过程中冲击电压控制在16kV以内，由于固态断路器内部的电力电子元件工作时存在饱和电压，导致断路器有一定的电压损耗，试验中断路器的通态电压损耗为120V左右，电压损耗率为1.5％，仍在可接受范围内。以ZW32-12F型机械断路器为例，分、合闸时间一般为20～55ms和25～60ms，导通时的电压损耗在2V以内，所以与机械断路器相比，固态断路器的电压损耗较高，但是开断速度大大提升且有效抑制过电压，分、合闸效果更好。
本实施例基于IGBT快速开断的特性设计了一种纯电力电子元件组成的断路器，大大提高了开断电流的速度。但是由于电力电子元件的脆弱性，对它的保护直接关系到断路器能否可靠持久地工作，所以安装了均压电路和吸收电路防止IGBT遭受过压损坏。在Pspice平台搭建了16.3kV/347MVA固态断路器模型，并且在10kV等级的交流配电网电路中进行了仿真试验。试验结果表明该断路器能够在短时间内快速开断电路，而且增加的均压电路和吸收回路能够有效地吸收回路中出现的冲击使断路器稳定运行在安全区域。