[发明专利]直流变压器固态开关电路、风冷固态开关模块及故障保护系统和方法

说明书

本发明公开一种适用于直流变压器的固态开关电路、风冷固态开关模块及故障保护系统，固态开关电路包括串联在直流正极母线上的IGBT开关单元，并联在直流正极母线与直流负极母线之间的第一续流二极管、放电电阻和直流电容，以及控制器；控制器根据接收到的外部指令信号或线路运行状态信号控制IGBT开关单元的通断状态，能够在固态开关所在线路发生故障时控制IGBT开关单元断开线路。在固态开关停运后，续流二极管可对短路电流进行续流，放电电阻对直流电容进行放电，直流电容可提供直流电压支撑。固态开关具有稳态运行和故障限流运行时工作稳定的特点。风冷固态开关模块可便于应用时的扩展，保障直流变压器低压侧短路时用户的供电可靠性。

技术领域

本发明涉及配电设备技术领域，特别是一种基于IGBT并联拓扑的直流变压器风冷固态开关电路、模块及故障保护系统和方法。

背景技术

目前，直流变压器低压限流柜中的固态开关按冷却方式可分为风冷和水冷两种。虽然水冷固态开关具有散热能力强、通流能力强和噪音低等特点，但是水冷固态开关只适合直流变压器在功率模块为水冷方式时，共用水机进行散热的场景。在直流变压器容量教小即2M以下时，考虑风机比水机成本低和维修方便等优点，国内直流变压器厂家功率模块多数设计为风冷方式。现今，模块化结构设计是目前电力电子产品的普遍采用的型式，同时电力电子产品要求具有功率密度高、占地面积小和维修方便等特点，因此如何设计体积小、维护方便和模块化的风冷固态开关是目前需要攻克的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于直流变压器的固态开关电路、风冷固态开关模块及故障保护系统和方法，其中固态开关电路具有稳态运行和故障限流运行时工作稳定的特点，风冷固态开关模块的模块化设计便于应用于直流变压器故障保护时的扩展。本发明采用的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种适用于直流变压器的固态开关电路，包括控制器、直流正极母线、直流负极母线、IGBT开关单元、第一续流二极管、放电电阻和直流电容；直流正极母线包括阀侧正极母线和低压线路侧正极母线；IGBT开关单元串联在阀侧正极母线与低压线路侧正极母线之间，放电电阻和直流电容并联在阀侧正极母线与直流负极母线之间，第一续流二极管并联在低压线路侧正极母线与直流负极母线之间；

所述控制器用于接收控制参考信号，根据接收到的控制参考信号控制IGBT开关单元的通断状态，其中所述控制参考信号包括外部指令信号和/或线路运行状态信号。

由于IGBT开关单元串联于直流母线上，因此其通断决定了直流母线的线路通断状态，即，上述固态开关电路能够实现直流变压器中直流母线的通断控制。

上述控制器的外部通信端接受的线路运行状态信号可以是，开关所在线路的电流等线路参数信号。控制器可根据接收到的外部指令信号直接控制固态开关的通断状态，或者根据线路参数信号判断是否需要控制固态开关的停运。如，在应用时，固态开关所在线路发生故障如直流变压器低压侧母线短路，控制器可通过外部通信端接收该短路电流信号，并根据该信号控制IGBT开关单元断开线路。

在固态开关停运后，第一续流二极管可对短路电流进行续流，放电电阻对直流电容进行放电，直流电容则用于提供固态开关的直流电压支撑。

可选的，直流变压器固态开关电路还包括：并联在直流正极母线与直流负极母线之间的取能电源，取能电源的电源输出端连接控制器的电源输入端，和/或，串接于低压线路侧正极母线上的电抗器。由于取能电源与直流电容同样并联于直流正负极母线之间，因此，取能电源可通过直流电容的正负极进行取能，进而为控制器工作供电电源。电抗器与续流二极管相配合，能够在IGBT开断时提供反向压降，降低短路电流。

可选的，所述控制器接收外部指令信号和线路运行状态信号，所述线路运行状态信号包括母线电流信号；

固态开关电路还包括用于采集所述母线电流信号的母线电流传感器，所述母线电流传感器的输出端连接控制器。