CN111130068A - 一种直流母线短路故障保护电路、方法及直流母线系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流母线短路故障保护电路、方法及直流母线系统，所述直流母线短路故障保护电路包括多个保护电路，每个保护电路包括电子开关和控制电路，电子开关的控制端连接控制电路的一端，电子开关的输入端分别连接交流供电端、能源供电端和母线正极DC+，电子开关的输出端分别连接整流桥的输入端、母线负极DC‑和母线电容正极，每个电子开关的输出端还连接对应的控制电路的另一端。本发明通过采用高速电子开关器件，保护速度与高速控制电路匹配，实现及时有效保护；同时可以实现前端、后端、局部、整体的全方位保护；且电子开关器件可重复使用，不需人为更换，对各能量源针对性选用，器件数量少，使用及维护成本低。

Description

一种直流母线短路故障保护电路、方法及直流母线系统

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种直流母线短路故障保护电路、方法及直流母线系统。

背景技术

在普通空调产品、家用电器产品、逆变器产品、发用电一体化系统、能源管理系统等诸多产品或系统中，都存在直流母线系统。直流母线是联系交流、直流与负载的关键环节，直流母线的直流电可以通过整流桥由交流电转换而来，也可以通过DC/DC装置由光伏等可再生能源或者储能转换而来；随着微电网系统的发展与能源互联网概念的逐渐深入，各种类型的直流电器设备取得了巨大发展，以“直流母线开放技术”、“共直流母线技术”为代表的包含直流母线的系统也得到了越来越广泛的应用，这些应用可以极大的提升电能利用效率、简化系统配置成本、提高系统的兼容性，会成为主流发展方向。

但是越来越多的系统和设备共用直流母线时，部分设备或系统的直流母线短路故障会直接造成整个系统的直流母线短接，出现起火、爆炸等安全事故，甚至造成整个系统的瘫痪，因此，研究直流母线短路故障保护电路及保护方法就非常重要。

如附图2 所示，常规保护方法多采用交流继电器、直流接触器、熔断器等器件进行搭配使用，起到过流熔断或者软件控制切断的效果。采用这种类似的保护电路及方法主要存在以下几个问题：

1.保护时间不匹配。因现代电力电子电路都是高速、高频开关电路，电路运行速度非常快，半导体开关管的导通、击穿、短路等损坏基本上都是微秒（us）级，而熔断器的熔断时间基本上都是毫秒（ms）级，而机械式继电器执行时间会达到几十毫秒甚至几百毫秒级，因此采用这种保护电路及保护方式很难起到真正的保护效果。

2.普遍缺乏针对所有能量源的隔断控制，只能起到前端控制的效果，对局部短路故障的保护基本失效。短路故障发生时，真正造成严重损害效果的根源在于有源源不断的能量流经短路线路或者已击穿的器件，如图2所示，在整流桥的开关管被击穿短路时，即便交流侧的交流继电器及熔断器进行了有效切断，但是直流母线上的大电容中的储存能量仍然会源源不断的流经被击穿的开关管，产生更加严重的故障现象；或者在直流母线电容后端发生的短路故障很难通过前端的保护电路实现保护，因此，只有将对应的能量源有效切断隔离才能真正起到保护效果。

3.保护器件数量较多，使用成本较高。交流继电器、直流接触器与熔断器都属于成本较高的电子器件，尤其熔断器还需经常更换，使用及维护成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种直流母线短路故障保护电路、方法及直流母线系统，在电路出现短路故障时，保护速度快、保护范围全面，易于实现，保护可靠。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种直流母线短路故障保护电路，包括整流桥、母线电容、能源供电端和多个保护电路，所述整流桥的输入端连接交流供电端，所述整流桥的输出端连接所述母线电容且公共端连接所述能源供电端，每个所述保护电路包括电子开关和控制电路，所述电子开关的控制端连接所述控制电路的一端，所述电子开关的输入端分别连接所述交流供电端、所述能源供电端和母线正极DC+，所述电子开关的输出端分别连接所述整流桥的输入端、母线负极DC-和所述母线电容正极，每个所述电子开关的输出端还连接对应的所述控制电路的另一端。

进一步地，所述电子开关为三极管、MOS管或IGBT。

进一步地，所述控制电路为控制芯片、控制系统或比较器电路，通过所述控制芯片或比较器电路获取采集对应连接的电路的电流，并控制所述电子开关导通或截止。

进一步地，所述能源供电端通过光伏或地热或风能或潮汐能供电。

进一步地，所述交流供电端提供三相交流电或市电，当所述交流供电端提供三相交流电时，所述三相交流电的每一相都设有所述保护电路；当所述交流供电端提供市电时，所述市电的火线L设有所述保护电路。

进一步地，每个所述电子开关中设有两个三极管或两个MOS管或两个IGBT，两个三极管或两个MOS管或两个IGBT采用反并联形式连接。

进一步地，所述比较器电路包括比较器和参考电压产生电路，所述比较器的同相输入端连接参考电压产生电路，所述比较器的反相输入端连接所述电子开关的输出端。

第二方面，本发明还提供一种直流母线短路故障保护方法，所述直流母线短路故障保护方法应用于第一方面所述的直流母线短路故障保护电路。

进一步地，所述直流母线短路故障保护方法包括：

通过所述控制电路采集交流输入端的电流、能源输入端的电流和母线电容的电流；

当交流输入端的电流或能源输入端的电流或母线电容的电流任意一个出现短路故障时，通过所述控制电路断开对应的电子开关。

第三方面，本发明还提供一种直流母线系统，所述直流母线系统包括第一方面所述的直流母线短路故障保护电路。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种直流母线短路故障保护电路、方法及直流母线系统，通过采用高速电子开关器件，保护速度与高速控制电路匹配，实现及时有效保护；同时选用高速的电子开关对各能量源进行切入/切出控制，可以实现前端、后端、局部、整体的全方位保护，无论哪部分电路出现短路故障，在没有大量能量瞬间汇入的情况下，都不会出现严重的故障现象及后果；且电子开关器件可重复使用，不需人为更换，对各能量源针对性选用，器件数量少，使用及维护成本低。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的一个实施例的直流母线短路故障保护电路的电路结构拓扑图。

图2是现有的直流母线短路故障保护电路的电路结构拓扑图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1，一种直流母线短路故障保护电路。

如图2中的传统过流保护电路，当直流母线发生短路故障时，瞬间会出现巨大的交流电能依次流经交流继电器、熔断器1、整流桥向直流母线汇聚，当熔断器达到熔断条件后进行熔断保护，同时，系统的检测单元会检测到交流侧过流，经过计算、处理，输出控制信号控制交流继电器断开进行保护；光伏输入侧的工作过程与交流侧类似，通过熔断器2的过热熔断与直流接触器触点断开进行过流保护。该保护方法存在以下明显弊端，第一，机械式的继电器（接触器）断开速度较慢，熔断器通过过热熔断的保护速度更慢，均不适合高速的电力电子控制电路，在保护器件有效动作前，高速电力电子电路很有可能已经损坏，不能起到可靠保护作用；第二，当直流母线发生短路故障时，即便熔断器及继电器进行了及时、有效保护，但是直流母线间的巨大容量的支撑电容仍会源源不断的向短路点汇流，造成严重的短路安全事故。

为此，本实施例提供了一种直流母线短路故障保护电路，如附图1所示，包括整流桥、母线电容、能源供电端和多个保护电路，整流桥的输入端连接交流供电端，整流桥的输出端连接母线电容且公共端连接能源供电端，每个保护电路包括电子开关和控制电路，电子开关的控制端连接控制电路的一端，电子开关的输入端分别连接交流供电端、能源供电端和母线正极DC+，电子开关的输出端分别连接整流桥的输入端、母线负极DC-和母线电容正极，每个电子开关的输出端还连接对应的控制电路的另一端。

其中，交流供电端提供三相交流电或市电，当交流供电端提供三相交流电时，三相交流电的每一相都设有保护开关；当交流供电端提供市电时，市电的火线L设有保护电路，在本实施例中，交流供电端提供市电，市电的火线L连接第一电子开关的输入端，第一电子开关的输出端连接整流桥的第一输入端且公共端连接控制电路1的另一端，第一电子开关的控制端连接控制电路1的一端，市电的零线N连接接整流桥的第二输入端，控制电路1可以获取市电电流并控制市电接入或断开电路。

每个所述电子开关中设有两个三极管或两个MOS管或两个IGBT，本实施例以两个IGBT为例进行说明，本实施例的两个IGBT采用反并联形式连接，具体的，IGBT1的发射极连接IGBT2的集电极，IGBT2的发射极连接IGBT1的集电极，从而使电子开关构成双向电子开关器件，在断开时既可以防止供电端继续供电，又可以防止电路中的母线电容电压对供电端形成冲击。

其中，能源供电端通过光伏或地热或风能或潮汐能供电，本实施例中的能源供电端以光伏为例进行说明，光伏供电端PV+连接有保护电路，具体地，光伏供电端PV+连接IGBT3的集电极且公共端连接IGBT4的发射极，IGBT3的门极和IGBT4的门极连接控制电路2的一端，IGBT3的发射极连接IGBT4的集电极且公共端连接控制电路2的另一端和母线负极DC-，控制电路2可以获取光伏供电端的电流，并通过IGBT3和IGBT4控制光伏供电端PV+接入或断开电路。

在本实施例中，设有两个母线电容C1和C2，母线电容C1的负极连接母线电容C2的负极且公共端连接母线负极DC-，母线电容C1的正极连接母线电容C2的正极且公共端连接IGBT5的发射极、IGBT6的集电极和控制电路3的另一端，控制电路3的一端连接IGBT5的门极且公共端连接IGBT6的门极，IGBT5的集电极连接IGBT6的发射极且公共端连接母线正极DC+。

所述控制电路为控制芯片、控制系统或比较器电路，本实施例以纯硬件的比较器电路为例进行说明，所述比较器电路包括比较器和参考电压产生电路，所述比较器的同相输入端连接参考电压产生电路，所述比较器的反相输入端连接所述电子开关的输出端，比较器的反相输入端获取市电火线L的电流、光伏供电端PV+的电流和母线电容的电流，以市电火线L的电流为例进行说明，当市电火线L的电流大于参考电压时，比较器输出低电平使IGBT1和IGBT2断开，市电断开和电路的连接。

本实施例的实施过程：当电路中的市电、光伏供电端、和母线电容任意一个出现短路故障时，其对应的控制电路就会及时控制对应的IGBT断开，将短路的部分电路隔离到主回路之外，短路电流得到有效切断与抑制，短路部分电路没有电能供应，短路时就不会出现因大量能量的瞬间汇聚引发的严重短路故障。

本实施例采用针对性能量源隔断保护思路，选用高速的电子开关对各能量源进行切入/切出控制，在任何一个地方发生短路故障时，通过检测各能量源的输出电流，对电子开关进行通断控制，实现能量源的针对性隔断，防止引发更严重的短路故障，本实施例控制快速、精确、方便、廉价。

实施例2，一种直流母线短路故障保护方法。

本实施例提供了一种直流母线短路故障保护方法，所述直流母线短路故障保护方法应用于实施例1所述的直流母线短路故障保护电路，包括：

通过所述控制电路采集交流输入端的电流、能源输入端的电流和母线电容的电流；

当交流输入端的电流或能源输入端的电流或母线电容的电流任意一个出现短路故障时，通过所述控制电路断开对应的电子开关。

实施例3，一种直流母线系统。

本实施例提供了一种直流母线系统，用于空调产品、家用电器产品、逆变器产品、发用电一体化系统、能源管理系统等诸多具有直流母线的产品或系统中，所述直流母线系统包括实施例1所述的直流母线短路故障保护电路。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种直流母线短路故障保护电路，包括整流桥、母线电容和能源供电端，所述整流桥的输入端连接交流供电端，所述整流桥的输出端连接所述母线电容且公共端连接所述能源供电端，其特征在于，还包括多个保护电路，每个所述保护电路包括电子开关和控制电路，所述电子开关的控制端连接所述控制电路的一端，所述电子开关的输入端分别连接所述交流供电端、所述能源供电端和母线正极DC+，所述电子开关的输出端分别连接所述整流桥的输入端、母线负极DC-和所述母线电容正极，每个所述电子开关的输出端还连接对应的所述控制电路的另一端。

2.如权利要求1所述的一种直流母线短路故障保护电路，其特征在于，所述电子开关为三极管、MOS管或IGBT。

3.如权利要求1所述的一种直流母线短路故障保护电路，其特征在于，所述控制电路为控制芯片、控制系统或比较器电路，通过所述控制芯片或比较器电路获取采集对应连接的电路的电流，并控制所述电子开关导通或截止。

4.如权利要求1所述的一种直流母线短路故障保护电路，其特征在于，所述能源供电端通过光伏或地热或风能或潮汐能供电。

5.如权利要求1所述的一种直流母线短路故障保护电路，其特征在于，所述交流供电端提供三相交流电或市电，当所述交流供电端提供三相交流电时，所述三相交流电的每一相都设有所述保护电路；当所述交流供电端提供市电时，所述市电的火线L设有所述保护电路。

6.如权利要求2所述的一种直流母线短路故障保护电路，其特征在于，每个所述电子开关中设有两个三极管或两个MOS管或两个IGBT，两个三极管或两个MOS管或两个IGBT采用反并联形式连接。

7.如权利要求3所述的一种直流母线短路故障保护电路，其特征在于，所述比较器电路包括比较器和参考电压产生电路，所述比较器的同相输入端连接参考电压产生电路，所述比较器的反相输入端连接所述电子开关的输出端。

8.一种直流母线短路故障保护方法，其特征在于，所述直流母线短路故障保护方法应用于权利要求1至7任意一项所述的直流母线短路故障保护电路。

9.如权利要求8所述的一种直流母线短路故障保护方法，其特征在于，包括：

通过所述控制电路采集交流输入端的电流、能源输入端的电流和母线电容的电流；

当交流输入端的电流或能源输入端的电流或母线电容的电流任意一个出现短路故障时，通过所述控制电路断开对应的电子开关。

10.一种直流母线系统，其特征在于，所述直流母线系统包括权利要求1至7任意一项所述的直流母线短路故障保护电路。

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