基于三繞組耦合電感的固態直流斷路器及其控制方法與流程

本發明涉及斷路器，尤其涉及一種基于三繞組耦合電感的固態直流斷路器及其控制方法。

背景技術：

1、在直流電力系統中，系統保護是保障其安全性與可靠性的核心環節。尤其是在儲能設備、光伏發電、風力發電以及電動汽車充電站等現代化應用場景下，直流系統保護顯得尤為重要。

2、與傳統的交流系統相比，直流系統中短路故障的動態特性具有顯著差異，具體表現為短路電流的上升速度更快且幅值更大。這種特性不僅對直流系統本身構成嚴峻威脅，還可能損害系統內的關鍵設備，從而導致整體系統失穩。因此，快速、有效的直流保護機制成為直流電力系統設計中的重要技術難題。

3、直流斷路器作為直流系統保護的核心設備，能夠在故障發生時迅速、準確地檢測并開斷故障電流，阻止故障的進一步擴展。這一功能不僅可以有效避免設備的過流損壞，還能增強系統的穩定性和可靠性，從而提升電力系統的整體運行效率。因此，直流斷路器成為近年來電力工程領域研究的熱點之一，并受到廣泛關注和深入探索。

4、其中，固態直流斷路器因其基于固態開關器件的設計而備受矚目。相較于傳統的機械式斷路器方案，固態直流斷路器在開斷速度和操作精度方面具有顯著優勢，尤其適用于直流系統中對快速保護的高需求。進一步分析表明，與全控型開關器件相比，半控型器件如晶閘管在固態直流斷路器中的應用呈現出多方面的優越性，包括低導通電阻、成熟的制造工藝、較低的采購成本以及卓越的浪涌電流承受能力。這些優勢使基于晶閘管的直流斷路器拓撲近年來得到了顯著發展，并在學術界和工業界引起了廣泛關注。

5、盡管如此，現有基于晶閘管的固態直流斷路器設計仍然存在以下局限性和挑戰：

6、1）控制性不足：被動式晶閘管型固態直流斷路器只能在故障發生后被動動作，無法在系統正常運行時主動開斷電流，從而限制了其在精確控制方面的應用潛力。

7、2）誤觸發風險：由于負載變化可能導致線路電流出現波動，這些波動特性在某些情況下與故障特性相似，從而可能觸發被動式方案的誤動作，導致系統誤關斷，影響供電可靠性。

8、3）電流應力增大：在故障電流開斷過程中，外部線路電流仍會持續上升，導致直流系統中其他電力電子器件面臨更高的電流應力，可能縮短設備壽命。

9、4）效率偏低：運行電流通常需要經過通流支路中的多個電力電子器件，這些器件的導通電阻較大，從而導致能量損耗較高，影響系統效率。

10、5）重合閘功能缺失：在故障首次開斷后，通常需要進行重合閘操作以判斷故障是否仍然存在。然而，部分現有設計缺乏可靠的重合閘保護功能，從而限制了其實際應用場景。

11、6）關斷過程可靠性不足：晶閘管的關斷電路通常依賴于外部電路參數，這種依賴性可能導致電流開斷過程中的可靠性下降，尤其是在參數偏差或環境條件變化的情況下。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明為了解決了上述技術問題，提供了一種基于三繞組耦合電感的固態直流斷路器及其控制方法。

2、本發明第一方面提供了一種基于三繞組耦合電感的固態直流斷路器，包括：能耗支路10、通流支路20、左側充電支路31、右側充電支路32、電容支路40、電容充電電阻支路50、第一耦合電感支路60和第二耦合電感支路70；

3、所述能耗支路10與所述通流支路20并聯連接；

4、所述通流支路20的兩端分別與所述左側充電支路31和所述右側充電支路32電連接；

5、所述左側充電支路31遠離所述通流支路20的一端和所述右側充電支路32遠離所述通流支路20的一端分別與所述第一耦合電感支路60和所述第二耦合電感支路70連接；

6、所述第一耦合電感支路60、所述第二耦合電感支路70和所述電容支路40并聯連接；

7、所述電容充電電阻支路50的第一端分別與所述第一耦合電感支路60、所述第二耦合電感支路70和所述電容支路40電連接，所述電容充電電阻支路50的第二端接地。

8、優選地，所述能耗支路10包含避雷器mm。

9、優選地，所述通流支路20包括晶閘管t1、晶閘管t2和三次側繞組n3；

10、所述晶閘管t1和所述晶閘管t2反向并聯；

11、所述晶閘管t1與所述三次側繞組n3連接。

12、優選地，所述左側充電支路31包括二極管dl，所述二極管dl的陽極與所述通流支路20電連接，所述二極管dl的陰極與所述第一耦合電感支路60電連接。

13、優選地，所述右側充電支路32包括二極管dr，所述二極管dr的陽極與所述通流支路20電連接，所述二極管dr的陰極分別與所述二極管dl的陰極和所述第二耦合電感支路70電連接。

14、優選地，所述電容支路40包括電容c、二極管dc和避雷器mc；

15、所述電容c的第一端連接于所述左側充電支路31和所述右側充電支路32的連接點上，所述電容c的第二端連接于所述電容充電電阻支路50的第一端；

16、所述二極管dc的陽極與所述避雷器mc的第一端電連接，所述二極管dc的陰極連接于所述左側充電支路31和所述右側充電支路32的連接點上；

17、所述避雷器mc的第二端連接于所述電容c和所述電容充電電阻支路50的連接點上。

18、優選地，所述電容充電電阻支路50包括電阻rc；所述電阻rc的第一端分別與所述第一耦合電感支路60、所述第二耦合電感支路70和所述電容支路40電連接，所述電阻rc的第二端接地。

19、優選地，所述第一耦合電感支路60包括一次側繞組n1和晶閘管tn1；

20、所述一次側繞組n1的第一端與所述左側充電支路31電連接，所述一次側繞組n1的第二端與所述晶閘管tn1的陽極連接；

21、所述晶閘管tn1的陰極連接于所述電容支路40和所述電容充電電阻支路50的連接點上。

22、優選地，所述第二耦合電感支路70包括二次側繞組n2和晶閘管tn2；

23、所述二次側繞組n2的第一端與所述右側充電支路32電連接，所述二次側繞組n2的第二端與所述晶閘管tn2的陽極連接；

24、所述晶閘管tn2的陰極連接于所述電容支路40和所述電容充電電阻支路50的連接點上。

25、第二方面，本發明還提供了一種如第一方面所述的基于三繞組耦合電感的固態直流斷路器的控制方法，包括以下步驟：

26、當待充電支路經左側充電支路或右側充電支路充滿電后，判斷直流系統是否開始啟動；

27、當判斷所述直流系統開始啟動時，則生成導通信號發送至通流支路，并判斷所述通流支路在正常運行時的電流是否過零；

28、當判斷所述通流支路在正常運行時的電流未過零時，則判斷所述通流支路是否收到直流系統的電流開斷信號；當判斷所述通流支路在正常運行時的電流過零時，則轉至生成導通信號發送至通流支路，并判斷通流支路在正常運行時的電流是否過零的步驟；

29、當判斷所述通流支路未收到所述直流系統的所述電流開斷信號時，則轉至判斷所述通流支路在正常運行時的電流是否過零的步驟；

30、當判斷所述通流支路收到所述直流系統的所述電流開斷信號時，則判斷所述通流支路的電流流向是否由左側充電支路方向流至右側充電支路方向；

31、當判斷通流支路的電流流向是由左側充電支路方向流至右側充電支路方向，則導通第一耦合電感支路；

32、當判斷通流支路的電流流向不是由左側充電支路方向流至右側充電支路方向，則導通第二耦合電感支路；

33、判斷所述直流系統是否需要重合閘；

34、當判斷所述直流系統需要重合閘，則轉至當待充電支路經左側充電支路或右側充電支路充滿電后，判斷直流系統是否開始啟動的步驟；

35、當判斷所述直流系統不需要重合閘，則結束流程。

36、從以上技術方案可以看出，本技術實施例通過能耗支路、通流支路、左側充電支路、右側充電支路、電容支路、電容充電電阻支路、第一耦合電感支路和第二耦合電感支路的連接關系，通過充電支路和電容充電電阻支路直接從系統線路取電，無需配置額外的充電電源，不僅降低了系統的硬件成本，還簡化了安裝和調試過程，從而降低了操作難度和維護成本。通過電路的合理設計可以有效避免因故障距離和參數未知導致的開斷不可靠問題，顯著提升了故障電流開斷的可靠性，并減少通流支路中的導通阻抗路徑，降低了運行能耗，提高了系統的效率，還可以在電流開斷結束后，電容的充電回路均不受影響，能夠迅速恢復至初始狀態，增強了系統在復雜工況下的適應性與運行安全性。