【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種直流固態(tài)斷路器及其電流檢測方法。
技術(shù)介紹
1、隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和清潔能源的廣泛普及，新型電力系統(tǒng)與微電網(wǎng)的發(fā)展正日益成為焦點(diǎn)。面對配電網(wǎng)中沖擊性、非線性負(fù)荷的不斷增加，新型電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)系統(tǒng)。尤其，微電網(wǎng)的融入，特別是在直流系統(tǒng)中，由于電流缺乏自然過零點(diǎn)，在發(fā)生短路故障時，電流會迅速攀升，這就要求保護(hù)設(shè)備必須在極短的時間內(nèi)切除故障電路。這些變化不僅對開關(guān)保護(hù)設(shè)備的開斷能力提出了更高要求，還要求保護(hù)系統(tǒng)具備更高的可靠性、智能化與靈活性。同時，隨著用戶對供電質(zhì)量期望的持續(xù)提升，如何迅速切除短路電流以有效抑制故障期間的電網(wǎng)電壓跌落和中斷，已成為亟待解決的關(guān)鍵問題。在此背景下，直流固態(tài)斷路器(solid?state?circuit?breaker,sscb)作為新一代電力保護(hù)設(shè)備，在直流配電系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色。
2、相較于傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)，直流固態(tài)斷路器采用了功率半導(dǎo)體器件作為保護(hù)設(shè)備的核心組件，其具有顯著的優(yōu)勢。其一，能在微秒級的時間內(nèi)迅速切斷電流，有效抵御過載或短路帶來的潛在威脅。其二，固態(tài)斷路器無機(jī)械運(yùn)動部件，無電弧，降低了故障發(fā)生的概率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其三，固態(tài)斷路器易于與智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更加緊密的集成和協(xié)同，支持電力系統(tǒng)的智能化和高效化運(yùn)行。
3、然而，其核心器件通常采用功率半導(dǎo)體器件，如晶閘管(scr)，絕緣柵雙極晶體管(igbt)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)、集成門極換流晶閘管(igct)等。
4、直流固態(tài)斷路器作為新型電力系統(tǒng)的核心保護(hù)設(shè)備，承擔(dān)著正常電流、過載電流以及短路電流的檢測任務(wù)。在正常及過載狀態(tài)下，電力系統(tǒng)對電流的檢測要求極高，需確保測量的精確性與顯示的清晰度。當(dāng)故障電流突發(fā)時，電流變化率和幅度均顯著增加，此時，對電流檢測的要求是快速響應(yīng)與準(zhǔn)確判斷，但其精度的要求則無需常態(tài)下高精度。目前，針對故障電流檢測方法，現(xiàn)有研究主要集中在基于電流傳感器的檢測方法[1]、小電阻檢測法[6]、基于飽和電壓的檢測方法[2]、基于源極寄生電感的檢測方法[7]和基于功率器件柵極電壓的檢測方法[8]。小電阻檢測法會引起額外的損耗，不太適合用于固態(tài)斷路器的電流檢測。基于源極寄生電感的檢測方法和基于功率器件柵極電壓的檢測方法只能檢測故障電流，且不容易檢測又容易受到干擾，線路電路的電流檢測還需要額外電路，增加了成本。直流電流傳感器法一般采用霍爾傳感器進(jìn)行電流檢測，面對大帶寬和寬量程的需求時，設(shè)計復(fù)雜且成本昂貴，同時測量精度也受到限制。基于飽和電壓的檢測方法，若采用分立元件組成的驅(qū)動和保護(hù)電路，則斷路器斷開時，斷路器兩端高壓，面臨如何啟動的問題，因此通常采用高成本的過飽和保護(hù)的專用控制芯片。基于功率器件柵極電壓的檢測方法，則受固態(tài)斷路器分布參數(shù)及其電壓的影響，機(jī)理較為復(fù)雜。直流固態(tài)斷路器作為新型電力系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備，對正常工作的電流檢測精度要求高，因此要求高精度的電流檢測方法。
5、目前，基于電流傳感器的線路電流檢測方法對電流傳感器的帶寬要求較高，成本較高。檢測導(dǎo)通壓降廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體器件中，專利cn202311128333.8利用檢測導(dǎo)通壓降可以實(shí)時監(jiān)測開關(guān)器件的運(yùn)行狀態(tài)，然而，檢測范圍和精度的要求必然帶來成本的上升，不利于固態(tài)斷路器的產(chǎn)品化。專利cn202110030399.8利用驅(qū)動芯片的過飽和保護(hù)功能進(jìn)行開關(guān)器件的故障電流保護(hù)，驅(qū)動芯片集成的過飽和保護(hù)功能可以在驅(qū)動開關(guān)器件的同時實(shí)現(xiàn)過飽和保護(hù)。然而這樣不僅不能達(dá)到檢測線路電流的目的，同時由于驅(qū)動芯片的保護(hù)電壓閾值固定，在應(yīng)用時若想靈活準(zhǔn)確調(diào)整保護(hù)閾值較為不方便。也有相關(guān)技術(shù)方案利用開關(guān)器件在通斷狀態(tài)時驅(qū)動電壓不同的特點(diǎn)，優(yōu)化了在開關(guān)器件關(guān)斷時，壓降過大的問題，然而，該方法需要加入高壓二極管，使在開關(guān)器件關(guān)斷時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)以保護(hù)檢測電路，并需要串聯(lián)多個二極管以減小寄生電容對導(dǎo)通壓降檢測的影響。在開關(guān)器件開通時，二極管的壓降與流過二極管的電流相關(guān)，這將對開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降計算的準(zhǔn)確性帶來影響，從而影響線路電流檢測的準(zhǔn)確性，并對固態(tài)斷路器的故障保護(hù)帶來影響。常見的電流測量方法還有電阻檢測法，這樣的測量方法需要在線路中串聯(lián)測量電阻，帶來了額外的導(dǎo)通損耗，在后續(xù)電路中還需加入復(fù)雜的補(bǔ)償電路以調(diào)整補(bǔ)償增益。而基于源極寄生電感的檢測方法和基于功率器件柵極電壓的檢測方法只能檢測故障電流，在實(shí)際應(yīng)用中寄生電感值難以控制，柵極電壓變化小不容易檢測又容易受到干擾，且線路電路的電流檢測還需要額外電路，增加了成本。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種直流固態(tài)斷路器及其電流檢測方法。
2、本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：
3、一種直流固態(tài)斷路器，其包括固態(tài)斷路器核心組件功率半導(dǎo)體器件、導(dǎo)通壓降檢測電路、短路保護(hù)電路、控制器以及與控制器連接的驅(qū)動電路、電流調(diào)理電路、功率半導(dǎo)體器件表面溫度采樣與調(diào)理電路和直流電壓采樣及調(diào)理電路；
4、導(dǎo)通壓降檢測電路包括差分電路、電阻r1和小功率半導(dǎo)體器件；電阻r1的阻值遠(yuǎn)大于功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻，小功率半導(dǎo)體器件的控制信號與固態(tài)斷路器核心組件功率半導(dǎo)體器件控制信號相同；小功率半導(dǎo)體器件的一端與功率半導(dǎo)體器件的一端連接，小功率半導(dǎo)體器件的一端串接電阻r1后與功率半導(dǎo)體器件的另一端連接；差分電路的兩個輸入端分別對應(yīng)連接至電阻r1的兩端，差分電路的輸出端的電壓差一路通過電流調(diào)理電路連接至控制器，電流調(diào)理電路將采集到的電壓差調(diào)理到控制器能匹配的信號；差分電路的輸出端一路通過短路電流保護(hù)電路連接至驅(qū)動電路；
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種直流固態(tài)斷路器及其電流檢測方法，其特征在于：其包括固態(tài)斷路器核心組件功率半導(dǎo)體器件、導(dǎo)通壓降檢測電路、短路保護(hù)電路、控制器以及與控制器連接的驅(qū)動電路、電流調(diào)理電路、功率半導(dǎo)體器件表面溫度采樣與調(diào)理電路和直流電壓采樣及調(diào)理電路；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：控制器的驅(qū)動信號輸出端和短路電流保護(hù)電路的輸出端分別連接一與門的兩個輸入端，與門輸出端連接驅(qū)動電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：控制器還連接有LED顯示電路和通信電路；LED顯示電路用于顯示固態(tài)斷路器的狀態(tài)和電參數(shù)；通訊通信電路用于實(shí)現(xiàn)直流固態(tài)斷路器的通訊功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：固態(tài)斷路器核心組件功率半導(dǎo)體器件采用晶閘管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、集成門極換流晶閘管器件或結(jié)型場效應(yīng)晶體管；控制器采用單片機(jī)、DSP或ARM。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：短路電流保護(hù)電路包括比較電路和RS鎖存電路，比較電路的負(fù)輸入端連接差分電路的輸
6.一種直流固態(tài)斷路器的電流檢測方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：電流檢測方法為：通過采集導(dǎo)通壓降檢測電路中電阻R1兩端電壓和功率半導(dǎo)體器件表面溫度，得到流經(jīng)線路的電流模型，電流模型的計算公式如下：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種直流固態(tài)斷路器的電流檢測方法，其特征在于：直流固態(tài)斷路器電流模型通過以下步驟得到：
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種直流固態(tài)斷路器的電流檢測方法，其特征在于：根據(jù)電流模型得到的電流用于線路電流的精確計算與短路故障的保護(hù)；即其一，通過差分電路和調(diào)理電路送入控制器，根據(jù)電阻R1兩端電壓和功率半導(dǎo)體器件表面溫度與流經(jīng)斷路器的電流之間的函數(shù)關(guān)系，得到流經(jīng)斷路器的電流，以實(shí)時顯示線路的電流，以及當(dāng)線路發(fā)生過負(fù)荷時的狀態(tài)顯示、報警或延時斷開；其二，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，根據(jù)電阻R1兩端電壓信號與線路電流的正相關(guān)性，通過差分電路和短路電流保護(hù)電路迅速斷開功率半導(dǎo)體器件，以保護(hù)線路的安全。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種直流固態(tài)斷路器的電流檢測方法，其特征在于：電流檢測方法適合的直流固態(tài)斷路器包括單向和雙向直流固態(tài)斷路器，或者單極、雙極和多極固態(tài)斷路器。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種直流固態(tài)斷路器及其電流檢測方法，其特征在于：其包括固態(tài)斷路器核心組件功率半導(dǎo)體器件、導(dǎo)通壓降檢測電路、短路保護(hù)電路、控制器以及與控制器連接的驅(qū)動電路、電流調(diào)理電路、功率半導(dǎo)體器件表面溫度采樣與調(diào)理電路和直流電壓采樣及調(diào)理電路；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：控制器的驅(qū)動信號輸出端和短路電流保護(hù)電路的輸出端分別連接一與門的兩個輸入端，與門輸出端連接驅(qū)動電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：控制器還連接有l(wèi)ed顯示電路和通信電路；led顯示電路用于顯示固態(tài)斷路器的狀態(tài)和電參數(shù)；通訊通信電路用于實(shí)現(xiàn)直流固態(tài)斷路器的通訊功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：固態(tài)斷路器核心組件功率半導(dǎo)體器件采用晶閘管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、集成門極換流晶閘管器件或結(jié)型場效應(yīng)晶體管；控制器采用單片機(jī)、dsp或arm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固態(tài)斷路器，其特征在于：短路電流保護(hù)電路包括比較電路和rs鎖存電路，比較電路的負(fù)輸入端連接差分電路的輸出端，比較電路的正輸入端通過一基準(zhǔn)電壓源接地；比較電路的輸出端連接rs鎖存電路的s輸入端；rs鎖存電路的q輸出端連接一非門的輸入端，非門的輸出端...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：葉建盈，李洲辰，劉昭啟，林波，劉磊，黃光華，袁國發(fā)，陳穎婷，
申請(專利權(quán))人：福建理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。