CN102195286A - 并联解耦电路实现并联直流网络管理 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是利用快速耦合和解耦并联电力电子装置来管理多个并联直流网络，并允许在直流上游或者下游电路直流短路或接地故障之后的保护和故障安全隔离工作模式。本发明提供一种通过并联耦合以及解耦电路管理n个并联直流网络的系统，包括：第一至第n并联直流网络，每个直流网络具有正极和负极，其中n为大于等于2的自然数；并联连接到n个并联直流网络的第一直流总线管理装置，用于当n个并联直流网络之一中出现短路故障时解耦，以将故障直流网络与其他网络相隔离。

Description

并联解耦电路实现并联直流网络管理

技术领域

本发明涉及一种并联直流(DC)网络管理系统，更具体地说，涉及一种利用快速耦合和解耦并联电力电子装置来管理多个并联直流网络的系统。

背景技术

并联直流网络的更普遍的应用是用于如下的情况：上游直流网络向两个或多个下游网络提供电能。

图1示出了通用并联直流网络的电路示意图。如图1所示，包括上游电源网络以及下游并联直流网络。为了简洁，图1中仅示出了两个并联的直流网络，即直流网络1和直流网络2。

如图1所示，通常，熔丝(或直流断路器)放置在每个下游直流网络，断开以避免下游直流网络上出现的短路故障的传播。然而，基于如下几个原因，这种方案并不是很理想：

-熔丝的选择性不容易达成。当在直流网络1上出现故障时，不能确定直流网络的哪个熔丝首先断开。

-与电力电子装置相比，熔丝和直流断路器的反应时间慢。直流网络和/或下游直流网络最初利用静态电源开关断开。熔丝和直流断路器用于停止短路来限制损害但不能提供对电力电子装置的保护。在这种情况下，存在将初期故障扩展到其他电力电子装置的重大危险。

-熔丝和直流断路器的成本是昂贵的。

图2示出了当两个或多个独立直流网络互联时现有并联直流网络的电路示意图。图2所示电路与图1类似。同样，熔丝(或直流断路器)放置在上游主干网(main network)和下游直流网络，断开以避免上游主干网或下游直流网络上出现的短路故障的传播。同样，图2的示例中也存在着参考图1所述的上述问题。

图3和图4示出了当采用静态开关来代替熔丝或断路器的现有并联直流网络的电路示意图，其中图3示出了具有短路和接地故障保护；而图4示出了仅仅具有短路保护。

当上游或下游的某一处发生故障时，静态开关T1-T4能够切断发生故障侧的输出。从而采用电力电子保护来代替熔丝或断路器的方案能够改善保护的选择性，并且反应时间与熔丝或断路器相比更快。在静态开关保护的操作之后，切断系统能够串联地加入，用于隔离下游直流网络。然而，基于如下几点原因，这种方案也不太理想：

-跟随操作模式，当两个直流网络与不同的直流总线电压电平相连接时，直流扼流线圈L1-L4(或者具有电阻器、继电器以及类似装置的限流装置)对于限制两个直流网络之间的电流是必须的；

-事实上，当切断短路电流时，产生通过直流扼流线圈或直流线路的强电流间断，这导致强过压。因此，如果直流扼流线圈L1-L4被使用，或者如果在功率静态开关T1-T4和互联的点之间是长距离的，需要加入并联的过压保护装置DZ1-DZ2来保护功率静态开关T1-T4；

-下游网络的所有直流电流通过功率静态开关T1-T4。静态开关T1-T4的传导能量损失可能是重要的。

图5示出了上游出现短路故障时，图4的并联直流网络的电路状态图。图6示出了下游出现短路故障时，图4的并联直流网络的电路状态图。

如图5所示，当上游出现短路故障期间，电路中的电流回路如图中的状态图A所示，故障之后，断路器K1和K2被断开以停止所有下游网络，如图5状态图B所示。然而，图5中的电路并未能停止上游中的短路故障。同样，当短路故障发生在下游期间，电路中的电流回路示于图6的状态图A中。故障之后，如图6状态图B所示，断路器K1和K2被断开以停止所有下游网络。显然，图6中的电路也未能停止直流网络1中的故障。

参考图5和图6，利用现有技术的方法，当短路故障发生时，存在如下问题：

-存在(利用熔丝或断路器保护)断开整个直流下游网络的危险；

-网络中出现的短路故障将继续，并未能被停止；

-对于上游和下游中放置的电力电子系统存在强故障危险；

-保护切断直流网络。

图7示出了下游出现接地故障时，图3的并联直流网络的电路状态图。

如图7所示，当下游出现接地故障期间，电路中的电流回路如图中的状态图A所示，故障之后，断路器K1-K4被断开以停止所有下游网络，如图状态图B所示。然而，下游中的接地故障并未被停止。同样，图7中的电路也存在上述图5-6中相同的问题。

在现有技术方案中采用的熔丝或断路器K1、K2、K3、K4保护是将熔丝或断路器串联在直流网络中。通常具有如下缺点：

-直流断路器

·昂贵

·太慢而不能保护连接到直流网络的电力电子元件

-熔丝

·太慢而不能保护连接到直流网络的电力电子元件

·非可控装置。不能控制保护选择性。这意味着不能知道哪个熔丝将首先烧断。

-这些保护允许避免所有爆炸(explosion)，但是不能保护跟随着短路源的上游或下游中的电力电子元件。

-为了保护上游或下游中的电力电子元件，必须采用一些具有高反应时间的电力电子装置。

图8示出了在并联变速驱动器应用中采用串联熔丝来保护网络中出现的短路故障的方案。如图8所示，变速驱动器8包括：二极管整流器81、直流网络82、逆变器83、电机84以及AC保护装置85。变速驱动器8将电力从AC馈电网(图中未示出)向电机84提供。电机84可由发电机代替。作为示例，图8中示出了3个并联的、由直流网络82、逆变器83、以及电机84构成的下游网络。逆变器的输入端具有并联电容器C1、C2和C3，用于当电机制动时存储制动能量(将来自电机的能量存储到直流总线)。在直流网络82的正极中串联了熔丝F1-F3，用于在逆变器发生短路故障时切断短路电路。AC保护装置85包括保险装置K以及断路器B，保险装置K的第一端连接到二极管整流器81，第二端通过断路器B连接到AC馈电网。该保险装置K用于隔离处于故障的电路；而断路器B用于切断AC馈电网。AC保护装置85能够停止故障电路，从而提供对故障电路的保护。

由于图8也采用了现有技术的熔丝，因此图8的电路中也存在现有技术中的如下问题：

-熔丝的反应时间不足以确保二极管整流器保护；

-不能知道哪个熔丝F将首先烧断。

图9示出了在变速驱动器应用中采用串联熔丝来保护网络中出现的短路故障的另一方案。其中采用两个小二极管整流器来代替图8中的一个大二极管整流器。与图8类似，变速驱动器9包括：二极管整流器91a和91b、直流网络92、逆变器93、电机94以及AC保护装置95。与图8不同之处在于，图9中采用两个小二极管整流器91a和91b并联构成整流器，并将其与直流网络92、逆变器93和电机95串联。从而，能够降低产品成本。

图10示出了在并联变速驱动器应用中采用串联双向功率开关来保护网络中出现的短路故障的方案。如图10所示，变速驱动器10包括：二极管整流器101、直流网络102a-c、逆变器103a-c、电机104a-c以及AC保护装置105。与图8所示电路中不同之处在于：在直流网络中，采用双向功率开关T1-T3代替熔丝F1-F3。二极管整流器101、逆变器103、电机104以及AC保护装置105与图8中的相应部件结构以及功能都相同，因此，在此将不再赘述。

直流网络102a、b和c结构相同，因此仅以直流网络102a为例进行说明。直流网络102a包含：电力隔离开关K1、扼流线圈L1、双向功率静态开关T1以及过压保护装置E1。断路器K1、扼流线圈L1和双向功率静态开关T1串联在直流网络的正极中，过压保护装置E1的第一端连接到扼流线圈L1和双向功率静态开关T1的交点，过压保护装置E1的第二端连接到直流网络的负极。

双向功率静态开关T1允许切断故障电流。当连接具有不同直流电压值的两个C时，扼流线圈L1允许降低电流。当截止T1时，E1用于切断由于L1造成的过压。所有L1能量必须被耗散在E1中。图10中所示双向功率开关T1采用两个(绝缘栅双极型晶体管)IGBT(即，第一IGBT和第二IGBT)并联，用于双向电力流，即正和负直流电流。第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极相连形成T1与扼流线圈L1连接的第一端；第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连形成T1与逆变器103a连接的第二端。

这个方案与图8相比反应速度更快。同样，与现有技术相比，图10的方案也允许停止短路故障并隔离故障元件。但由于采用双向功率开关T1，这个方案也存在着如下缺点：

·在常规运行模式中，存在着串联直流保护装置中的能量耗散；

·电路被以最大电流载荷进行设计；

·需要设计过压保护以耗散最大直流扼流线圈能量。

显然，图10所示方案并非最优方案。因此，提出了一种通过并联解耦电路来进行并联直流网络管理的新的方案。

发明内容

本发明通过采用并联功率静态开关装置允许快速耦合和解耦具有如下不同的操作模式的上游与下游直流网络：

-标准应用：能够确定连接两个网络以从一个直流网络向另一个直流网络传送能量。这意味着当不必要时，直流网络不被耦合并且没有功率损耗耗散。

-安全应用：当出现故障时，能够快速将其他网络与故障网络隔离。不存在选择性的问题。

-故障安全操作模式：因为采用至少两个上游直流网络，在短路之后，故障安全操作模式是可能的。本发明隔离故障但不停止该故障。为了断开故障，采用AC网络的保护。它是本发明的第二原理。

本发明的目的是通过并联功率静态开关装置而连接和断开连接两个或多个并联直流网络。当存在如下故障时快速切换以隔离直流网络：1)上游直接短路；2)下游直接短路；3)接地故障。本发明利用由相同AC上游网络供电的两个或多个直流下游网络以及具有如下特性的两个或多个直流下游网络：如果连接到负载则它们是独立的或者连接到AC电源网络则它们是从属的。

当存在短路故障(或接地故障)时，很容易快速将其他网络从故障直流网络断开连接，同时不存在可能会损坏连接到这些网络的电力电子系统的危险。

耦合以及解耦系统不切断短路故障而是隔离它。利用上游中使用的AC保护装置来切断短路故障。

本发明提供一种通过并联耦合以及解耦电路管理n个并联直流网络的系统，包括：第一至第n并联直流网络，每个直流网络具有正极和负极，其中n为大于等于2的自然数；并联连接到n个并联直流网络的第一直流总线管理装置，用于当n个并联直流网络之一中出现短路故障时解耦，以将故障直流网络与其他网络相隔离。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

-安全：它的反应时间快。它将其他直流网络与故障直流网络相隔离，而没有损坏它们的电力电子系统的危险。

-给予好的效率：直流网络的连接仅仅当要求该功能时被使用。

-在短路(或接地故障)故障之后允许故障安全工作：直流上游网络的冗余以及快速直流网络解耦允许利用简单控制的故障安全工作。

-创新：不切断直流短路电流但它切断AC短路电流。

本发明的另外方面和优点部分将在后面的描述中阐述，还有部分可从描述中明显地看出，或者可以在本发明的实践中得到。

附图说明

通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚，其中相同的标号指定相同结构的单元，并且在其中：

图1示出了通用并联直流网络的电路示意图；

图2示出了当两个或多个独立直流网络互联时现有并联直流网络的电路示意图；

图3和图4示出了当采用静态开关来代替熔丝或断路器的现有并联直流网络的电路示意图，其中图3示出了具有短路和接地故障保护；而图4示出了仅仅具有短路保护；

图5示出了上游出现短路故障时，图4的并联直流网络的电路状态图；

图6示出了下游出现短路故障时，图4的并联直流网络的电路状态图；

图7示出了下游出现接地故障时，图3的并联直流网络的电路状态图；

图8示出了在并联变速驱动器应用中采用串联熔丝来保护网络中出现的短路故障的方案；

图9示出了在变速驱动器应用中采用串联熔丝来保护网络中出现的短路故障的另一方案；

图10示出了在并联变速驱动器应用中采用串联双向功率开关来保护网络中出现的短路故障的方案；

图11示出了根据本发明实施例的通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的原理图；

图12示出了在图11的原理图中，当上游出现短路故障时，通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的电路状态图；

图13示出了在图11的原理图中，当下游出现短路故障时，通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的电路状态图；

图14示出了在图11的原理图中，当出现接地故障时，通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的电路状态图；

图15示出了根据本发明实施例的通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的第一实施电路图；

图16示出了在图15的电路图中，上游出现短路故障期间，并联直流网络的电路状态图；

图17示出了在图15的电路图中，在上游出现短路故障之后，并联直流网络的电路状态图；

图18示出了在图15的电路图中，下游出现短路故障期间，并联直流网络的电路状态图；

图19示出了在图15的电路图中，在下游出现短路故障之后，并联直流网络的电路状态图；

图20示出了根据本发明实施例的通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的第二实施电路图；

图21示出了根据本发明图15的第一电路图在变速驱动器中的应用方案；

图22示出了当具有不同直流电压值的两个直流网络连接和断开连接时的充电的状况；以及

图23示出了将根据本发明图15的第一电路图应用于不同于图21所示领域的第二方案。

具体实施方式

下面将参照示出本发明实施例的附图对本发明进行说明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

为了简洁，本发明的附图中仅以两个或三个并联直流网络为例进行说明。但本领域技术人员应当理解，本发明不限于所公开的实施例，可以具有多个并联直流网络。

图11示出了根据本发明实施例的通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的原理图。为了简洁，图11示出了两个并联直流网络。但本领域技术人员应当理解，本发明不限于所公开的实施例，可以具有三个或更多个并联直流网络。

直流总线管理装置111并联连接在直流网络1和直流网络2的正极，以断开并联直流网络中的短路故障；以及直流总线管理装置112并联连接在直流网络1和直流网络2的负极，以断开并联直流网络中的接地故障。直流总线管理装置111用于短路故障保护，而直流总线管理装置112用于接地故障保护。根据设计需要，当没有接地故障保护时，直流总线管理装置112不是必须的。直流总线管理装置111包括具有第一端和第二端的耦合和解耦装置K1，其第一端连接到直流网络1的正极，其第二端连接到直流网络2的正极。直流总线管理装置112包括具有第一端和第二端的耦合和解耦装置K2，其第一端连接到直流网络1的负极，其第二端连接到直流网络2的负极。

与之前方案以及现有技术所不同的是，图11所示方案通过并联直流总线管理装置来实现并联直流网络的故障保护。在故障出现之后，图11方案中的直流总线管理装置能够保护未出现故障的网络的运行，但它不能停止具有故障的网络的故障。具有故障的网络将由下文中给出的改进方案中的AC保护装置来进行保护。

图12示出了在图11的原理图中，当上游出现短路故障时，通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的电路状态图。图13示出了在图11的原理图中，当下游出现短路故障时，通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的电路状态图。图14示出了在图11的原理图中，当出现接地故障时，通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的电路状态图。

图12中的状态图A示出了故障发生期间，K1和K2断开之前，直流网络中形成的电流回路。如图所示，并联直流网络中存在3条回路。根据图12中状态图A的电流回路可知，上游中的短路故障将影响直流网络1和直流网络2。在图12的状态图B中，示出了故障之后断开K1和K2，直流网络1被隔离。因此，如果在短路故障期间直流网络2未被损坏，则直流网络2此时能够正常运行，不受到直流网络1上游中出现的短路故障的干扰。

正如参考图11进行描述的一样，此时直流网络1虽被隔离，但上游故障并未被停止，因此直流网络1没有得到保护。

图13中的状态图A示出了故障发生期间，K1和K2断开之前，并联直流网络中形成的电流回路。如图所示，直流网络中存在3条回路。根据图13中状态图A的电流回路，显然，下游中的短路故障将影响直流网络1和直流网络2。在图13的状态图B中，示出了故障之后断开K1和K2，直流网络1被隔离。因此，如果在短路故障期间直流网络2未被损坏，则直流网络2此时能够正常运行，不受到直流网络1下游中出现的短路故障的干扰。

此时直流网络1虽被隔离，但下游故障并未被停止，因此直流网络1没有得到保护。

图14中的状态图A示出了故障发生期间，K1和K2断开之前，并联直流网络中形成的电流通路。如图所示，直流网络中存在2条通路。根据图14中状态图A的电流通路可知，直流网络1中出现的接地故障将影响直流网络1和直流网络2。在图14的状态图B中，示出了故障之后断开K2并通过控制断开K1，此时直流网络1被隔离。因此，如果在接地故障期间直流网络2未被损坏，则直流网络2此时能够正常运行，不受到直流网络1中出现的接地故障的干扰。

此时直流网络1虽被隔离，但接地故障并未被停止，因此直流网络1没有得到保护。

图15示出了根据本发明实施例的通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的第一实施电路图。其中仅具有短路故障检测，而没有接地故障检测。为了简洁，图15示出了两个并联直流网络。但本领域技术人员应当理解，本发明不限于所公开的实施例，可以具有三个或更多个并联直流网络。

在图15中，直流总线管理装置15包括耦合和解耦装置151以及负极连接装置152。直流总线管理装置151用于耦合和解耦并联直流网络。耦合和解耦装置151并联连接在两个直流网络的正极以断开并联直流网络中的短路故障；负极连接装置152连接两个网络的负极。

耦合和解耦装置151包括：扼流线圈L1和L2，L1和L2串联连接在第一直流网络的正极中；具有第一端和第二端的电力隔离开关K1，电力隔离开关K1的第一端与扼流线圈L1和L2之间的交点连接；以及具有第一端和第二端的双向功率开关T1，T1的第一端与K1的第二端相连，T1的第二端连接到第二直流网络的正极。双向功率开关T1采用两个IGBT(即，第一IGBT和第二IGBT)并联，用于双向电力流，即正和负直流电流。第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极相连形成T1的第一端；第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连形成T1的第二端。T1的栅极由控制信号控制以导通或截止双向功率开关T1。但本发明并不限于上述示例，能够实现上述功能的其他静态功率开关也可用于本发明。

负极连接装置152包括连接到两个直流网络负极的电力隔离开关K2，用于电力地隔离两个直流网络。

如图15所示，当短路故障发生时，短路电流由电流传感器检测，以控制双向功率开关T1断开以将其他直流网络与故障直流网络之间进行解耦。

当将两个直流网络与不同的直流电压连接时，扼流线圈L1和L2用于降低电流。扼流线圈L1和L2与直流网络串联连接并且不具有解耦静态开关装置。通过这种方式，不必增加过压保护(如现有技术图3中的过压保护装置DZ)，因为扼流线圈L1和L2中的电流没有被静态开关装置停止。

在图15中提供的电力隔离开关K1和K2用于(电力地)隔离两个直流网络，然而，本方案中的K1和K2是可选的。且L1是可选的。

图16示出了在图15的电路图中，上游出现短路故障期间，并联直流网络的电路状态图；图17示出了在图15的电路图中，在上游出现短路故障之后，并联直流网络的电路状态图。图18示出了在图15的电路图中，下游出现短路故障期间，并联直流网络的电路状态图；图19示出了在图15的电路图中，在下游出现短路故障之后，并联直流网络的电路状态图。

图16示出了故障发生期间，双向功率开关T1接通时直流网络中形成的电流回路。如图所示，由于上游中的短路故障，直流网络中存在3条回路。如由虚线以及点划线所指示的回路所示，上游中的短路故障将影响未出现故障的直流网络。图17示出了故障之后，双向功率开关T1截止，从而出现故障的直流网络被隔离。因此，如果在短路故障期间未出现故障直流网络未被损坏，则该直流网络此时能够正常运行，不受到故障直流网络上游中出现的短路故障的干扰。

图18示出了故障发生期间，双向功率开关T1接通时直流网络中形成的电流回路。如图所示，由于下游中的短路故障，直流网络中存在3条回路。如由虚线以及点划线所指示的回路所示，下游中的短路故障将影响未出现故障的直流网络。图19示出了故障之后，双向功率开关T1截止，从而出现故障的直流网络被隔离。因此，如果在短路故障期间未出现故障直流网络未被损坏，则该直流网络此时能够正常运行，不受到故障直流网络上游中出现的短路故障的干扰。

图20示出了根据本发明实施例的通过并联解耦电路进行并联直流网络管理的第二实施电路图。其具有短路故障检测以及接地故障检测。为了简洁，图20仅示出了两个并联直流网络。但本领域技术人员应当理解，本发明不限于所公开的实施例，可以具有三个或更多个并联直流网络。

与图15的不同之处在于，图20不仅具有直流总线管理装置201用于短路故障检测，而且具有直流总线管理装置202用于接地故障检测。直流总线管理装置并联连接在两个直流网络的负极以断开并联直流网络中的接地故障。直流总线管理装置202包括：扼流线圈L3和L4，L3和L4串联连接在第二直流网络的负极中；具有第一端和第二端的电力隔离开关K2，电力隔离开关K2的第一端与扼流线圈L3和L4之间的交点连接；以及具有第一端和第二端的双向功率开关T2，T2的第一端与K2的第二端相连，T2的第二端连接到第一直流网络的负极。双向功率开关T2采用两个IGBT(即，第三IGBT和第四IGBT)并联，用于双向电力流，即正和负直流电流。第三IGBT的发射极和第四IGBT的集电极相连形成T2的第一端；第三IGBT的集电极和第四IGBT的发射极相连形成T2的第二端。T2的栅极由控制信号控制以导通或截止双向功率开关T2。但本发明并不限于上述示例，能够实现上述功能的其他静态功率开关也可用于本发明。

如图20所示，当短路故障发生时，短路电流由电流传感器检测，以控制双向功率开关T1断开以将其他直流网络与故障直流网络之间进行解耦。当将两个直流网络与不同的直流电压连接时，扼流线圈L1和L2用于降低电流。扼流线圈L1和L2与直流网络串联连接并且不具有解耦静态开关装置。通过这种方式，不必增加过压保护，因为扼流线圈L1和L2中的电流没有被静态开关装置停止。

当接地故障发生时，接地故障电流由电流传感器检测，以控制双向功率开关T2断开以将其他直流网络与故障直流网络之间进行解耦。当将两个直流网络与不同的直流电压连接时，扼流线圈L3和L4用于降低电流。扼流线圈L3和L4与直流网络串联连接并且不具有解耦静态开关装置。通过这种方式，不必增加过压保护，因为扼流线圈L3和L4中的电流没有被静态开关装置停止。

与图15类似，在图20中提供了K1和K2，用于(电力地)隔离两个直流网络，然而，本方案中的K1和K2是可选的。且扼流线圈L1和L3是可选的。

根据上述分析可知，图20中并联的直流总线管理装置201、202具有如下优点：

-允许完全双向电流通过；

-能够保护以免于：

上游直接短路；

下游直接短路；和

在使用一种方案之后的接地故障。

图21示出了根据本发明图15的第一电路图在变速驱动器中的应用方案。在图21的附图中，示出了三个并联变速驱动器网络。但本领域技术人员应当理解，本发明不限于所公开的实施例，可以具有两个或更多个并联变速驱动器网络。

如图21所示，第一、第二或第三变速驱动器网络包括：二极管整流器211、直流网络212、逆变器213、电机214、AC保护装置215以及直流总线管理装置216。变速驱动器将电力从AC馈电网(图中未示出)向电机214提供。电机214可由发电机代替。

在逆变器213的输入端具有并联的电容器C1、C2或C3，用于当电机制动时存储制动能量(将来自电机的能量存储到直流总线)。直流总线管理装置216包括：并联连接在直流网络212的正极上的耦合和解耦装置217，用于在逆变器短路故障时检测短路故障并切断短路电路；以及连接三个直流网络的负极的负极连接装置218。

耦合和解耦装置217包括：扼流线圈L1a和L1b、L2a和L2b以及L3a和L3b；分别具有第一端和第二端的电力隔离开关K1和电力隔离开关K2，电力隔离开关K1的第一端与扼流线圈L1a和L1b之间的交点连接，以及电力隔离开关K2的第一端与扼流线圈L2a和L2b之间的交点连接；以及分别具有第一端和第二端的双向功率开关T1和T2，T1的第一端与K1的第二端相连，T2的第一端与K2的第二端相连，T1和T2的第二端与扼流线圈L3a和L3b之间的交点连接。L1a和L1b串联连接在第一变速驱动器的直流网络的正极中；L2a和L2b串联连接在第二变速驱动器的直流网络的正极中；并且L3a和L3b串联连接在第三变速驱动器的直流网络的正极中。双向功率开关T1和T2均采用两个IGBT(即，第一IGBT和第二IGBT)并联形成，用于双向电力流，即正和负直流电流。第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极相连形成T1和T2的第一端；第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连形成T1和T2的第二端。T1和T2的栅极由控制信号控制以导通或截止双向功率开关T1和T2。但本发明并不限于上述示例，能够实现上述功能的其他静态功率开关也可用于本发明。在图21中，扼流线圈L1b、L2b以及L3a和L3b以虚线示出，其表明这4个扼流线圈在本方案中不是必须的，它们的加入是为了实现其他的有益效果，这将在后面的电路描述中详细给出。

负极连接装置218包括电力隔离开关K3和K4。K3和K4的第一端分别连接到第一和第二直流总线的负极，它们的第二端共同连接到第三直流总线的负极。

图21中的AC保护装置215包括第一至第三保险装置Kn1-Kn3以及断路器B，第一至第三保险装置Kn1-Kn3分别串联连接到第一至第三变速驱动器的二极管整流器211，另一端共同通过断路器B连接到AC馈电网。第一至第三保险装置Kn1-Kn3用于隔离处于故障的电路，切断短路电流；而断路器B用于切断AC馈电网。AC保护装置215能够停止故障电路，从而提供对故障电路的保护。

当经由T1连接两个直流网络时，L1a允许降低电流。L1b是可选的。当整流器上出现故障时，L1b能够降低短路电流。T1允许连接两个直流网络或断开两个直流网络连接。

K1、K2、K3和K4是可选的。当一直流网络处于故障时，它们允许电力地隔离两个直流网络。B是该安装的AC断路器。当直流网络中存在短路时，B能够防止短路电流流入到AC网络。

当直流短路故障发生时，操作模式如下：

-第一步：直流网络的耦合和解耦装置217隔离故障直流网络。

-第二步：智能AC保护装置215通过B断开短路电流并将故障直流网络通过保险装置Kn与其他网络相隔离。

-第三步：AC保护装置接通B以便为安全的直流网络供电。

以下，将详细描述图21所示方案的操作模式。在图21的方案中，如下两种操作模式是可能的：

第一：常规模式中，T1&T2接通，直流网络并联。

当Ac电机制动时，它对所有直流电容器组(C1、C2和C3)充电。通过这种方式，直流总线电压保持在极限之下以确保驱动器的安全并不必耗散直流电阻器中的制动能量(因为二极管整流器不是可逆的，不能将能量再次注入到馈电网)。

当存在短路时，首先截止T1或T2以隔离处于故障的直流网络。通过这种方式，确保所有驱动器的安全且没有故障。处于故障的驱动器没有通过直流总线管理装置216保护而被保护。短路电流流入到AC馈电网。接着通过断路器B切断AC馈电网。之后通过控制，切断保险装置Kn1、Kn2或Kn3以隔离处于故障的驱动器。当保险装置被切断时，控制接通断路器B。通过这种方式，从而将能量提供到其他驱动器，以确保无故障电路的正常操作并且保护了故障电路。本系统能够操作在故障-安全操作模式。

第二：在常规模式中，T1&T2截止，直流网络没有并联。

仅仅当3个电机中的一个是发电机时(来自处于制动模式的电机的能量功率变为直流总线电压)，将直流网络连接。

当AC电机制动时，接通T1和T2。

参考图22，示出了当具有不同直流电压值的两个直流电容器(两个直流网络)连接在一起时的充电的状况。

处于制动模式的电机对所有直流电容器组(C1、C2和C3)充电。通过这种方式，直流总线电压保持在极限之下以确保驱动器的安全并且不必将制动能量消耗在直流电阻器中。

当存在短路时，截止T1或T2以隔离处于故障的直流网络。通过这种方式，能够确保所有无故障的驱动器的安全。处于故障的驱动器没有通过直流保护而被保护。短路电流流入到AC馈电网。断路器B切断AC馈电网。通过控制，断开保险装置(cutoff system)Kn1、Kn2或Kn3以隔离处于故障的驱动器。当保险装置被断开时，控制接通断路器B。通过这种方式，能够向其他驱动器提供能量，以确保无故障电路的正常操作并且保护了故障电路。本系统能够操作在故障-安全操作模式。

图22示出了当具有不同直流电压值的两个直流网络连接和断开连接时的充电的状况。L1和L2用于限制电流。其中实线代表Vc1；而虚线代表Vc2。纵轴代表IL×SQRT((C1+C2)/(L1+L2))的值(其中SQRT为平方根运算)；而横轴代表Vc1和Vc2的值。Vc1和Vc2之间的差值越小，L1和L2也将会越小。

图23示出了将根据本发明图15的第一电路图应用于不同于图21所示领域的第二方案。在图23的附图中，示出了两个并联直流网络。但本领域技术人员应当理解，本发明不限于所公开的实施例，可以具有三个或更多个直流网络。

如图23所示，第一或第二直流网络包括：AC保护装置234和233；分别与AC保护装置234和233连接的逆变器230和232、两端分别连接到逆变器230和232的中间电路231、以及直流总线管理装置235。

直流总线管理装置235包括耦合和解耦装置236以及负极连接装置237。其中除了图23中仅示出了两个并联直流网络之外，图23中的耦合和解耦装置236与图21中的耦合和解耦装置217结构和原理相同，而图23中的负极连接装置237与图21中的218结构和原理相同。

耦合和解耦装置236包括：扼流线圈L1a和L1b以及L2a和L2b；具有第一端和第二端的电力隔离开关K1，电力隔离开关K1的第一端与扼流线圈L1a和L1b之间的交点连接；以及具有第一端和第二端的双向功率开关T1，T1的第一端与K1的第二端相连，T1的第二端与扼流线圈L2a和L2b之间的交点连接。L1a和L1b串联连接在第一直流网络231的正极中；L2a和L2b串联连接在第二直流网络231的正极中。双向功率开关T1采用两个IGBT(即，第一IGBT和第二IGBT)并联形成，用于双向电力流，即正和负直流电流。第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极相连形成T1的第一端；第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连形成T1的第二端。T1的栅极由控制信号控制以导通或截止双向功率开关T1。但本发明并不限于上述示例，能够实现上述功能的其他静态功率开关也可用于本发明。与图21类似，扼流线圈L1b、L2a和L2b在本方案中不是必须的。

负极连接装置237包括电力隔离开关K2，K2的第一端连接到第一直流网络的负极，K2的第二端连接到第二直流网络的负极。

当经由T1连接两个直流网络时，L1a允许降低电流。L1b是可选的。当整流器上出现故障时，L1b能够降低短路电流。T1允许连接两个直流网络或断开两个直流网络连接。

K1和K2是可选的。当一直流网络处于故障时，它们允许电力地隔离两个直流网络。

图23包括两个AC保护装置，即第一AC保护装置234和第二AC保护装置233，第一和第二AC保护装置结构相同，都包括第一至第二保险装置Kn1-Kn2/Km1-Km2以及断路器B1/B2。第一至第二保险装置Kn1-Kn2分别串联连接到第一至第二直流网络的逆变器230，另一端共同通过断路器B1连接到AC馈电网。第一至第二保险装置Km1-Km2分别串联连接到第一至第二直流网络的逆变器232，另一端共同通过断路器B2连接到AC馈电网。第一至第二保险装置Kn1-Kn2/Km1-Km2用于隔离处于故障的逆变器电路；而断路器B1和B2分别用于将切断AC馈电网。AC保护装置234和233能够停止故障电路，从而提供对故障电路的保护。

直流总线管理装置235用于隔离故障直流网络；而AC保护装置234和233切断AC短路，但不切断直流短路。

根据图21和23的两种应用可知，对于本发明的方案：

-可针对每个AC电源网络使用1个AC保护装置；并且

-根据并联直流网络的数量x，直流网络使用x-1个双向功率开关。

根据需要，本发明所提及的电机可以采用发电机来代替。

虽然在上述说明中，给出了两个或三个并联直流网络，但根据需要，本领域技术人员可以将本发明的原理应用到多个并联直流网络，以实现相同的技术效果。

综上可知，本发明的第一原理在于：快速耦合和解耦并联直流网络与并联电力电子装置。

本发明的第二原理在于：快速耦合和解耦并联直流网络与快速耦合和解耦AC网络一起被使用，以确保直流故障的隔离。直流短路电流不使用直流保护。

本发明能够应用于需要高可靠性和故障安全工作的所有直流系统。

本发明可以应用于，例如，1)变速驱动器，利用多个直流电容器组来存储制动能量；2)直流管理：冗余系统以改善系统可靠性。但，显然，本发明并不限于上述应用。

尽管本发明是参照其特定的优选实施例来描述的，但本领域技术人员应当理解本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖所附权利要求的精神和范畴之内包括的各种各样的修改和等价结构。

Claims (21)

1.一种通过并联耦合以及解耦电路管理n个并联直流网络的系统，包括：

第一至第n并联直流网络，每个直流网络具有正极和负极，其中n为大于等于2的自然数；和

并联连接到n个并联直流网络的第一直流总线管理装置，用于当n个并联直流网络之一中出现短路故障时解耦，以将故障直流网络与其他网络相隔离。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一直流总线管理装置包括第一耦合和解耦装置以及负极连接装置，第一耦合和解耦装置连接n个直流网络的正极，负极连接装置连接n个直流网络的负极。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述第一耦合和解耦装置包括：

n-1个第一扼流线圈，分别串联连接在n-1个直流网络的正极中，每个具有与直流网络上游连接的第一端和与直流网络下游连接的第二端，当经由第一直流总线管理装置连接n个直流网络时，降低直流网络中的电流；和

n-1个双向功率开关，每个具有连接到n-1个第一扼流线圈的第一端之一的第一端以及连接到第n个直流网络的正极的第二端，其栅极由控制信号控制，以便当检测到短路时，截止以将其他直流网络与故障直流网络解耦。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述第一耦合和解耦装置还包括：n-1个第一电力隔离开关，分别连接在n-1个第一扼流线圈的第一端之一和n-1个双向功率开关的第一端之一之间，用于当存在短路故障时电力地隔离多个并联直流网络；

其中所述负极连接装置还包括：n-1个第二电力隔离开关，每个具有连接在第一至第n-1直流网络的负极之一的第一端以及连接在第n直流网络的负极的第二端，用于当存在短路故障时电力地隔离多个并联直流网络。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一耦合和解耦装置还包括：n-1个第二扼流线圈，分别串联连接在n-1个直流网络的正极中，每个具有与直流网络上游连接的第一端和与n-1个第一扼流线圈的第一端之一连接的第二端，当上游直流网络出现短路故障时，降低直流网络中的电流。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述第一耦合和解耦装置还包括：第三和第四扼流线圈，分别串联连接在第n直流网络的正极，以降低直流网络中的电流，其中n-1个双向功率开关的第二端共同连接到第三和第四扼流线圈之间的交点。

7.如权利要求6所述的系统，其中n-1个双向功率开关的每个由两个IGBT并联构成，其中第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极相连形成双向功率开关的第一端；第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连形成双向功率开关的第二端。

8.如权利要求2-7的任何一个权利要求所述的系统，还包括并联连接到n个并联直流网络的负极的第二直流总线管理装置，用于当n个并联直流网络之一中出现接地故障时解耦，以将故障直流网络与其他网络相隔离。

9.如权利要求8所述的系统，其中第二直流总线管理装置包括第二耦合和解耦装置，第二耦合和解耦装置包括：

n-1个第一扼流线圈，分别串联连接在n-1个直流网络的负极中，每个具有与直流网络上游连接的第一端和与直流网络下游连接的第二端，当经由第一直流总线管理装置连接n个直流网络时，降低直流网络中的电流；和

n-1个双向功率开关，每个具有连接到n-1个第一扼流线圈的第一端之一的第一端以及连接到第一直流网络的负极的第二端，其栅极由控制信号控制，以便当检测到短路时，截止以将其他直流网络与故障直流网络解耦。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述第二耦合和解耦装置还包括：n-1个电力隔离开关，分别连接在n-1个第一扼流线圈的第一端之一和n-1个双向功率开关的第一端之一之间，用于当存在接地故障时电力地隔离多个并联直流网络。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述第二耦合和解耦装置还包括：n-1个第二扼流线圈，分别串联连接在n-1个直流网络的负极中，每个具有与直流网络上游连接的第一端和与n-1个第二扼流线圈的第一端之一连接的第二端，当上游直流网络出现短路故障时，降低直流网络中的电流。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述第二耦合和解耦装置还包括：第三和第四扼流线圈，分别串联连接在第一直流网络的正极，以降低直流网络中的电流，其中n-1个双向功率开关的第二端共同连接到第三和第四扼流线圈之间的交点。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述n-1个双向功率开关每个由两个IGBT并联构成，其中第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极相连形成双向功率开关的第一端；第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连形成双向功率开关的第二端。

14.如权利要求1-13所述的系统，其中第一至第n并联直流网络的每个包括：

二极管整流器；

逆变器，具有与二极管整流器第二端连接的第一端，在逆变器的第一端具有并联的电容器，用于当电机制动时，存储来自电机的制动能量；

电机，与逆变器的第二端连接；

其中，第一和第二直流总线管理装置并联连接在二极管整流器第二端和逆变器的第一端之间的直流网络中。

15.如权利要求14所述的系统，还包括AC保护装置，连接在第一至第n并联直流网络中的二极管整流器的第一端与AC馈电网之间，用于停止故障网络。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述AC保护装置包括：连接到AC馈电网的断路器，用于切断AC馈电网；以及第一至第n保险装置，分别连接在第一至第n并联直流网络中的二极管整流器的第一端以及断路器之间，用于隔离故障网络。

17.如权利要求16所述的系统，其中当系统中存在故障时，截止第一或第二耦合和解耦装置中的n个双向功率开关之一，接着断开断路器以切断AC馈电网，之后通过控制，切断与故障网络连接的第一至第n保险装置之一，以隔离处于故障的网络，当第一至第n保险装置之一被切断时，控制接通断路器。

18.如权利要求1-13所述的系统，其中第一至第n并联直流网络的每个包括：

第一逆变器，具有连接到直流网络的上游的第一端；

第二逆变器，具有与第一逆变器第二端连接到第一端以及与直流网络的下游连接的第二端。

19.如权利要求18所述的系统，还包括：第一AC保护装置，连接在第一逆变器的第一端与AC馈电网之间，用于停止故障网络；以及

第二AC保护装置，连接在第二逆变器的第二端与AC馈电网之间，用于停止故障网络。

20.如权利要求19所述的系统，其中第一AC保护装置包括：连接到AC馈电网的第一断路器，用于切断AC馈电网；以及第一至第n第一保险装置，分别连接在第一至第n并联直流网络中的第一逆变器的第一端以及第一断路器之间，用于隔离故障网络，

其中第二AC保护装置包括：连接到AC馈电网的第二断路器，用于切断AC馈电网；以及第一至第n第二保险装置，分别连接在第一至第n并联直流网络中的第二逆变器的第二端以及第二断路器之间，用于隔离故障网络。

21.如权利要求20所述的系统，其中当系统中存在故障时，截止第一或第二耦合和解耦装置中的n-1个双向功率开关之一，接着断开第一和第二断路器以切断AC馈电网，之后通过控制，切断与故障电路连接的第一至第n第一保险装置之一和第一至第n第二保险装置之一，以隔离处于故障的网络，当保险装置之一被切断时，控制接通第一和第二断路器。

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