CN111725788B - 储能变流器的过电流保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能变流器的过电流保护装置，包括：一级保护电路，包括与储能变流器串联的开关控制电路；开关控制电路用于在储能变流器的电流大于第一电流阈值时断开储能变流器所在回路；二级保护电路，采样电路用于采集储能变流器的电流；阈值比较电路用于比较储能变流器的电流与第二电流阈值的大小，并在储能变流器的电流大于第二电流阈值时输出触发信号；FPGA处理电路用于在接收到触发信号时封锁所述DSP控制器向所述IGBT发出的所述控制脉冲；以及三级保护电路，包括光耦电路；光耦电路用于在储能变流器的电压大于电压阈值时封锁所述DSP控制器向所述IGBT发出的所述控制脉冲。上述过电流保护装置保护更加及时。

Description

储能变流器的过电流保护装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种储能变流器的过电流保护装置。

背景技术

储能变流器作为电网和蓄电池之间的能量转换装置，随着负载端用电负荷的变化，不断地进行着充电和放电。当负荷突然增大或超负荷过载时，过大的电流冲击会对设备器件的寿命产生不良影响。

传统的储能变流器过电流保护方式，先对电流进行采样，然后通过数字信号处理(DSP，Digital Signal Process)控制器计算电流有效值后，软件判断电流是否超过保护阈值，从而确定是否需封锁控制IGBT(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)的导通和关断的控制脉冲以切断回路。这种保护方式对于变化相对平稳的过电流而言较为有效，但是，在电流上升速度快的极特殊情况下，无法快速做出停机保护的响应，存在极大的安全隐患。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种储能变流器的过电流保护装置。

一种储能变流器的过电流保护装置，储能变流器内部设置有控制所述储能变流器进行交流电与直流电之间相互转换的工作的IGBT，且所述储能变流器配置有通过发出控制脉冲以控制所述IGBT的导通与关断的DSP控制器；所述储能变流器的过电流保护装置包括：

一级保护电路，包括与所述储能变流器串联的开关控制电路；所述开关控制电路用于在所述储能变流器的电流大于第一电流阈值时断开所述储能变流器所在回路；

二级保护电路，包括依次连接的采样电路、阈值比较电路以及FPGA处理电路；所述采样电路还与所述储能变流器连接，所述采样电路用于采集所述储能变流器的电流；所述阈值比较电路用于比较所述储能变流器的电流与第二电流阈值的大小，并在所述储能变流器的电流大于所述第二电流阈值时输出触发信号；所述DSP控制器、所述FPGA处理电路以及所述IGBT依次连接，所述FPGA处理电路用于在接收到所述触发信号时封锁所述DSP控制器向所述IGBT发出的所述控制脉冲，以停止所述储能变流器的交流电与直流电之间的转换工作；以及

三级保护电路，包括光耦电路；所述光耦电路连接于所述FPGA处理电路和所述IGBT之间，所述光耦电路用于在所述储能变流器的电压大于电压阈值时封锁所述DSP控制器向所述IGBT发出的所述控制脉冲，以停止所述储能变流器的交流电与直流电之间的转换工作；

其中，所述电压阈值对应为所述储能变流器的第三电流阈值，所述第一电流阈值、所述第二电流阈值以及所述第三电流阈值依次增大。

在其中一个实施例中，所述储能变流器的过电流保护装置还包括与所述储能变流器连接且与所述DSP控制器连接的停机开关；

在所述二级保护电路中，在所述储能变流器的电流大于所述第二电流阈值时，所述FPGA处理电路还将所述触发信号输出给所述DSP控制器，以驱动所述DSP控制器控制所述停机开关断开，以断开所述储能变流器所在回路；

和/或，在所述三级保护电路中，在所述储能变流器的电流大于所述第三电流阈值时，所述光耦电路还用于通过所述FPGA处理电路驱动所述DSP控制器控制所述停机开关断开，以断开所述储能变流器所在回路。

在其中一个实施例中，所述采样电路包括：

电流采样模块，所述电流采样模块至少有三个，三个所述电流采样模块分别与所述储能变流器所在回路的三相线中的一个连接，以分别采集所述储能变流器所在回路的A相电流、B相电流以及C相电流；以及

电流比较模块，所述电流比较模块的数量与所述电流采样模块相同且一一对应，每个所述电流比较模块包括第一电连接端和第二电连接端，每个所述电流比较模块的第一电连接端与所述电流采样模块中的一个连接，各所述电流比较模块的第二电连接端连接在一起并与所述阈值比较电路连接，所述电流比较模块用于比较所述A相电流、所述B相电流以及所述C相电流，并将所述A相电流、所述B相电流以及所述C相电流中最大的一个输出给所述阈值比较电路。

在其中一个实施例中，每个所述电流采样模块包括依次连接的电流霍尔采样单元以及放大单元；

所述电流霍尔采样单元还与所述储能变流器所在回路的三相线中的一相连接，以采集所述储能变流器所在回路的A相电流、B相电流以及C相电流中的一个；

所述放大单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻以及第一运算放大器，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻并联，所述第一电阻的两端与所述电流霍尔采样单元连接，所述第一电阻两端还分别与所述第四电阻和第五电阻连接，所述第四电阻还在与所述第六电阻串联后接入所述第一运算放大器的反向输入端，所述第五电阻还在与所述第七电阻串联后接入所述第一运算放大器的同向输入端；所述第八电阻连接于所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间。

在其中一个实施例中，每个所述电流比较模块包括依次连接的取绝对值单元以及三相电流比较单元；

所述取绝对值单元包括第二运算放大器、第三运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一二极管以及第二二极管；所述第九电阻的一端作为所述电流比较模块的所述第一电连接端，所述第九电阻的另一端与所述第二运算放大器的反向输入端连接且与所述第十电阻、第十一电阻以及第十二电阻串联后接入所述第三运算放大器的反向输入端，所述第十三电阻的一端与所述电流比较模块的所述第一电连接端连接，所述第十三电阻的另一端与所述第三运算放大器的反向输入端连接，所述第十四电阻连接于所述第三运算放大器的反向输入端和输出端之间；所述第一二极管的阴极与所述第一运算放大器的反向输入端连接，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极和所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二二极管的阳极连接于所述第十一电阻和所述第十二电阻之间；

所述三相电流比较单元包括第四运算放大器、第十五电阻、第三二极管以及第四二极管；所述第十五电阻连接于所述第三运算放大器的输出端和所述第四运算放大器的同向输入端之间；所述第三二极管和所述第四二极管的阳极均与所述第四运算放大器的输出端连接，所述第三二极管的阴极、所述第四二极管的阴极均与所述第四运算放大器的反向输入端连接；

每个所述三相电流比较单元中的所述第四运算放大器的反向输入端连接在一起，并作为所述电流比较模块的所述第二电连接端。

在其中一个实施例中，所述阈值比较电路包括第五运算放大器、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第五二极管以及第六二极管；所述第十六电阻的一端输入所述第二电流阈值，所述第十六电阻的另一端与所述第五运算放大器的同向输入端连接；所述第五运算放大器的反向输入端与所述采样电路连接以输入所述储能变流器的电流；所述第十七电阻连接于所述第五运算放大器的同向输入端和输出端之间；所述第十八电阻的一端与所述第五运算放大器的输出端连接，所述第十八电阻的另一端与所述第五二极管的阳极和所述第六二极管的阴极连接，且所述第十八电阻的另一端还与所述FPGA处理电路连接；所述第十九电阻的一端连接于所述第五运算放大器的输出端和所述第十八电阻之间，所述第十九电阻的另一端与电源连接；所述第五二极管的阴极与所述电源连接；所述第六二极管的阳极接地。

在其中一个实施例中，所述二级保护电路还包括与所述阈值比较电路连接的第二电流阈值设置电路；

所述第二电流阈值设置电路包括电阻组、电阻开关、第二十电阻以及第六运算放大器；

每个所述电阻组包括至少两个串联的电阻，所述电阻组的数量为多个，每个所述电阻组的一端连接在一起并与电源连接；

所述电阻开关的数量与所述电阻组的数量相同且一一对应，每个所述电阻开关的一端与其中一个电阻组的另一端连接，各所述电阻开关的另一端均连接在一起后与所述第二十电阻的一端连接，所述第二十电阻的另一端接地，各所述电阻开关的另一端还与所述第六运算放大器的同向输入端连接，所述第六运算放大器的反向输入端和输出端连接，所述第六运算放大器的输出端与所述阈值比较电路连接，以向所述阈值比较电路输出所述第二电流阈值。

在其中一个实施例中，所述三级保护电路还包括至少两个电压保护电路，其中一个所述电压保护电路连接于所述储能变流器中的IGBT的上管和所述光耦电路之间，另一个所述电压保护电路连接于所述储能变流器中的IGBT的下管和所述光耦电路之间；所述电压保护电路用于过压保护和浪涌电压保护。

在其中一个实施例中，每个所述电压保护电路包括第一TVS管、第二TVS管、第三TVS管、第七二极管、第八二极管、第二十一电阻以及第二十二电阻；

所述第一TVS管、所述第二TVS管、所述第七二极管以及所述第二十一电阻串联后一端与所述IGBT的上管或下管连接，另一端与所述光耦电路连接，且所述第一TVS管所在的一端为与所述IGBT的上管或下管连接的一端，所述第七二极管的阳极所在的一端为与所述第二十一电阻连接的一端；

所述第三TVS管的一端连接于所述第二TVS管和所述第七二极管之间，所述第三TVS管的另一端与所述第八二极管的阳极连接，所述第八二极管的阴极与所述第二十二电阻一端连接，所述第二十二电阻的另一端接地且连接于所述IGBT的上管和下管之间。

在其中一个实施例中，所述光耦电路包括光耦芯片，所述光耦芯片的型号为ACPL-332J。

上述过电流保护装置包括对储能变流器的过电流进行保护的一级保护电路、二级保护电路以及三级保护电路，在这三个保护电路中均通过硬件实现对储能变流器的过电流保护，相对于传统的软件保护方式，能够对急剧增加的大电流进行保护，保护更加及时；在储能变流器的电流大于第一电流阈值时，一级保护电路可以直接断开储能变流器所在回路，在储能变流器的电流大于第二电流阈值时，二级保护电路可以封锁DSP控制器输出给IGBT的控制脉冲，使得储能变流器停止交流电与直流电之间的转换工作，在储能变流器的电流大于第三电流阈值时，三级保护电路可以封锁DSP控制器输出给IGBT的控制脉冲，使得储能变流器停止交流电与直流电之间的转换工作，即一级保护电路、二级保护电路以及三级保护电路都可以不依赖于控制储能变流器的DSP控制器，从而即使DSP控制器出现异常，对储能变流器的过电流保护也不会受影响；对于一级保护电路、二级保护电路以及三级保护电路中的电流阈值，第一电流阈值、第二电流阈值以及第三电流阈值依次增大，并且保护的动作时间依次减小，使得过电流保护装置能够适应实际应用中分级保护的需求；并且，传统的软件保护方式为可恢复保护，而上述过电流保护装置为不可恢复保护，使得操作人员可以查看储能变流器的情况并确认故障是否消除，在故障消除后再恢复储能变流器的运行，如此更加安全。

附图说明

图1为一实施例中的过电流保护装置的结构框图。

图2为一实施例中的电流采样模块的电路图。

图3为一实施例中的电流比较模块的电路图。

图4为一实施例中的阈值比较电路的电路图。

图5为一实施例中的第二电流阈值设置电路的电路图。

图6为一实施例中的IGBT内部结构示意图。

图7为一实施例中的电压保护电路的电路图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

储能变流器一般设置于电网与蓄电池之间，用于完成电网的交流电与蓄电池的直流电之间的相互转换，并且配置有DSP控制器，储能变流器内部设置有控制储能变流器进行交流电与直流电之间相互转换的工作的IGBT。其中，DSP控制器通过向IGBT发出控制脉冲(例如，PWM脉冲)以控制IGBT的导通与关断。

传统的储能变流器过电流保护方式中，先对储能变流器的电流进行采样，然后通过DSP控制器计算电流有效值后，利用软件程序判断该电流有效值是否超过保护阈值，从而确定是否需封锁IGBT的PWM脉冲以切断回路。这种保护方式对于变化相对平稳的过电流而言较为有效，但是，在电流上升速度快的极特殊情况下，无法快速做出停机保护的响应，存在极大的安全隐患。

鉴于此，本申请提供了一种能够通过硬件快速判断储能变流器的电流是否超过阈值，并在储能变流器的电流超过阈值时快速响应的储能变流器的过电流保护装置(以下简称过电流保护装置)。

图1为一实施例中的过电流保护装置的结构框图。在如图1所示，过电流保护装置包括一级保护电路110、二级保护电路120以及三级保护电路130。

一级保护电路110包括与储能变流器(图未示出)串联的开关控制电路111，开关控制电路111用于在储能变流器的电流大于第一电流阈值时断开储能变流器所在的回路。例如，开关控制电路111可以包括与储能变流器串联的并网接触器，并网接触器能够快速测量储能变流器所在回路的电流，并且该并网接触器内可以存储有第一电流阈值，在并网接触器检测到储能变流器的电流大于第一电流阈值时立即断开储能变流器所在的回路，停止储能变流器对直流电和交流电之间的转换工作，从而避免由于过电流引起损坏电路中的元器件。其中，第一电流阈值的大小可以根据对储能变流器过电流保护的需求进行设置。

二级保护电路120包括依次连接的采样电路121、阈值比较电路122以及FPGA处理电路123。采样电路121还与储能变流器连接，用于采集储能变流器的电流。阈值比较电路122用于比较储能变流器的电流与第二电流阈值的大小，并在储能变流器的电流大于第二电流阈值时输出触发信号给FPGA处理电路123。

本实施例中，储能变流器内部设置有控制储能变流器进行交流电与直流电之间相互转换的工作的IGBT，且储能变流器配置有通过发出控制脉冲以控制IGBT的导通与关断的DSP控制器。DSP控制器、FPGA处理电路以及储能变流器内部的IGBT依次连接。FPGA处理电路123用于在接收到触发信号时封锁DSP控制器向IGBT发出的控制脉冲，以停止所述储能变流器的交流电与直流电之间的转换工作，避免由于过电流引起损坏电路中的元器件。其中，第二电流阈值的大小可以根据对储能变流器过电流保护的需求进行设置，只需要保证第二电流阈值大于第一电流保护阈值。

对于二级保护电路120，由于对储能变流器的电流与第二电流阈值大小的判断以及封锁DSP控制器向IGBT发出的控制脉冲都是在硬件基础上实现的，使得减少了芯片处理时间；并且相对于一级保护电路110，通过封锁DSP控制器向IGBT发出的控制脉冲来停止储能变流器的交流电与直流电之间的转换工作，使得节省了接触器的机械保护动作时间，过电流保护更加及时。二级保护电路120对储能变流器的过流保护的第二电流阈值大于一级保护电路110的第一电流阈值，且二级保护电路120在储能变流器出现过流时进行保护的动作时间小于一级保护电路110。

在其他实施例中，过电流保护装置还包括与储能变流器连接且与DSP控制器连接的停机开关。在储能变流器的电流大于第二电流阈值时，FPGA处理电路123还将触发信号输出给DSP控制器，使得驱动该DSP控制器控制停机开关断开，以断开储能变流器所在回路，例如，停机开关可以为接触器、继电器等。即，在储能变流器的电流大于第二电流阈值时，二级保护电路120不仅封锁发出给IGBT的控制脉冲同时还驱动DSP控制器控制储能变流器所在回路断开，使得储能变流器停机，从而对储能变流器的过电流保护更加完善。

三级保护电路130包括光耦电路131，光耦电路连接于FPGA处理电路123和IGBT之间。光耦电路131中可以存储有对应为储能变流器的第三电流阈值的电压阈值，光耦电路用于在储能变流器的电压大于电压阈值时封锁DSP控制器向IGBT发出的控制脉冲，以停止储能变流器的交流电与直流电之间的转换工作，避免由于过电流引起损坏电路中的元器件。其中，电压阈值的大小可以根据对储能变流器过电流保护的需求进行设置，但需要保证电压阈值所对应的储能变流器的第三电流阈值大于第二电流阈值。

对于三级保护电路130，光耦电路131可以进一步的与储能变流器中的IGBT连接，由于IGBT的电压会随着电流的增大而增大，因此，可以通过判断IGBT的电压是否大于电压阈值从而判断IGBT的电流即储能变流器的电流是否大于第三电流阈值。在三级保护电路130中，利用光耦电路131直接判断IGBT的电流即储能变流器的电流是否大于第三电流阈值时，并在储能变流器的电流大于第三电流阈值时直接利用光耦电路131对DSP向IGBT发出的控制脉冲进行封锁，因此三级保护电路130相对于二级保护电路120减少了电流采样时间，从而能够更加快速的对急剧增大的大电流进行有效保护。三级保护电路130对储能变流器的过流保护的第三电流阈值大于二级保护电路120的第二电流阈值，且三级保护电路130在储能变流器出现过流时进行保护的动作时间小于二级保护电路120。

在其他实施例中，在储能变流器的电流大于第三电流阈值时，光耦电路131还用于通过FPGA处理电路123驱动DSP控制器控制停机开关断开，以断开储能变流器所在回路。即，在储能变流器的电流大于第三电流阈值时，三级保护电路130不仅封锁DSP控制器发出给IGBT的控制脉冲，同时还驱动DSP控制器控制储能变流器所在回路断开，使得储能变流器停机，从而对储能变流器的过电流保护更加完善。

上述过电流保护装置包括对储能变流器的过电流进行保护的一级保护电路110、二级保护电路120以及三级保护电路130，在这三个保护电路中均通过硬件实现对储能变流器的过电流保护，相对于传统的软件保护方式，能够对急剧增加的大电流进行保护，保护更加及时；在储能变流器的电流大于第一电流阈值时，一级保护电路110可以直接断开储能变流器所在回路，在储能变流器的电流大于第二电流阈值时，二级保护电路120可以封锁DSP控制器输出给IGBT的控制脉冲，使得储能变流器停止交流电与直流电之间的转换工作，在储能变流器的电流大于第三电流阈值时，三级保护电路130可以封锁DSP控制器输出给IGBT的控制脉冲，使得储能变流器停止交流电与直流电之间的转换工作，即一级保护电路110、二级保护电路120以及三级保护电路130都可以不依赖于控制储能变流器的DSP控制器，从而即使DSP控制器出现异常，对储能变流器的过电流保护也不会受影响；对于一级保护电路110、二级保护电路120以及三级保护电路130中的电流阈值，第一电流阈值、第二电流阈值以及第三电流阈值依次增大，并且保护的动作时间依次减小，使得过电流保护装置能够适应实际应用中分级保护的需求；并且，传统的软件保护方式为可恢复保护，而上述过电流保护装置为不可恢复保护，使得操作人员可以查看储能变流器的情况并确认故障是否消除，在故障消除后再恢复储能变流器的运行，如此更加安全。

在一实施例中，在二级保护电路120中，采样电路121包括多个电流采样模块以及与电流采样模块连接的电流比较模块。图2为一实施例中的电流采样模块的电路图，图3为一实施例中的电流比较模块的电路图。如图2和图3所示，电流采样模块的数量至少有三个，三个电流采样模块分别与储能变流器所在回路的三相线中的一个连接，以分别采集储能变流器所在回路的A相电流、B相电流以及C相电流。其中，图3中只展示出了采集A相电流的电流采样模块，B相电流的电流采样模块和C相电流的电流采样模块内部结构与A相电流的电流采样模块相同。电流比较模块的数量与电流采样模块数量相同且一一对应，每个电流比较模块包括第一电连接端和第二电连接端，每个电流比较模块的第一电连接端与电流采样模块中的一个连接，各电流比较模块的第二电连接端连接在一起且与阈值比较电路连接，电流比较模块用于比较A相电流、B相电流以及C相电流，并将A相电流、B相电流以及C相电流中最大的一个输出给阈值比较电路。

示例性的，参见图2，电流采样模块包括依次连接的电流霍尔采样单元(图未示出)以及放大单元。电流霍尔采样单元还与所述储能变流器所在回路的三相线中的一相连接，以采集储能变流器所在回路的A相电流、B相电流以及C相电流中的一个。以采集A相电流为例，电流霍尔采样单元向放大单元输出A相电流IOUT_A+和IOUT_A-。

放大单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8以及第一运算放大器U1，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3并联，第一电阻R1的两端与电流霍尔采样单元连接使得输入A相电流正极IOUT_A+和A相电流负极IOUT_A-。第一电阻R1两端还分别与第四电阻R4和第五电阻R5连接，第四电阻R4还在与第六电阻R6串联后接入第一运算放大器U1的反向输入端，第五电阻R5还在与第七电阻R7串联后接入第一运算放大器U1的同向输入端。第八电阻R8连接于第一运算放大器U1的反向输入端和输出端之间。

在放大单元中，通过调节第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及第七电阻R7的电阻值大小，可以调节放大单元的传递系数。放大单元根据传递系数的大小对电流霍尔采样单元采集的到的电流进行放大，从而增强二级保护电路120对储能变流器的过电流的敏感度。

示例性的，参见图3，每个电流比较模块包括依次连接的取绝对值单元以及三相电流比较单元。

取绝对值单元包括第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第一二极管D1以及第二二极管D2。第九电阻R9的一端作为电流比较模块的第一电连接端，第九电阻R9的另一端与第二运算放大器U2的反向输入端连接且与第十电阻R10、第十一电阻R11以及第十二电阻R12串联后接入第三运算放大器U3的反向输入端。第十三电阻R13的一端与电流比较模块的第一电连接端连接，第十三电阻R13的另一端与第三运算放大器U3的反向输入端连接。第十四电阻R14连接于第三运算放大器U3的反向输入端和输出端之间。第一二极管D1的阴极与第二运算放大器U2的反向输入端连接，第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阴极连接和所述第二运算放大器U2的输出端连接，第二二极管D2的阳极连接于第十一电阻R11和第十二电阻R12之间。

三相电流比较单元包括第四运算放大器U4、第十五电阻R15、第三二极管D3以及第四二极管D4。第十五电阻R15连接于第三运算放大器U3的输出端和第四运算放大器U4的同向输入端之间。第三二极管D3和第四二极管D4的阳极均与第四运算放大器U4的输出端连接，第三二极管D3的阴极和第四二极管D4的阴极均与第四运算放大器U4的反向输入端连接。

每个三相电流比较单元中的第四运算放大器U4的反向输入端连接在一起，并作为电流比较模块的第二电连接端，以最终输出A相电流、B相电流以及C相电流中的最大电流Imax。

仍然以A相电流为例进行说明，A相电流IOUT_A_N对应的A相电压为Ui，在A相电流IOUT_A_N对应的A相电压Ui为正电压时，第二二极管D2导通且第一二极管D1关断，第二运算放大器U2的输出端电压Uo1为：

其中，R9为第九电阻R9的电阻值，R10为第十电阻R10的电阻值，R11为第十一电阻R11的电阻值。

第三运算放大器U3的输出端电压Uo2为：

其中，R12为第十二电阻R12的电阻值，R13为第十三电阻R13的电阻值，R14为第十四电阻R14的电阻值。将第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14的电阻值设置为相同，则可以得到第三运算放大器U3的输出端电压Uo2等于A相电流IOUT_A_N对应的A相电压Ui。

在A相电流IOUT_A_N对应的A相电压Ui为负电压时，第一二极管D1导通且第二二极管D2关断，第三运算放大器U3的输出端电压Uo2为：

由于第十三电阻R13和第十四电阻R14的电阻值相同，因此可以得到第三运算放大器U3的输出端电压Uo2等于A相电流IOUT_A_N对应的A相电压Ui的负数。即第三运算放大器U3的输出端电压Uo2总是等于A相电流IOUT_A_N对应的A相电压Ui的绝对值。

由于第四运算放大器U4的反向输入端与输出端连接，若第四运算放大器U4的同向输入端电压大于其输出端电压则第三二极管D3和第四二极管D4导通，即最终电流比较模块输出电压为第三运算放大器U3的输出端电压Uo2，也即A相电压，对应的电流为A相电流。

对于电流比较模块，B相电流与C相电流的处理过程与A相电流类似，此处不再赘述。

由于每个三相电流比较单元中的第四运算放大器的反向输入端连接在一起，并作为电流比较模块的第二电连接端，因此，最终输出的电压为A相电压、B相电压以及C相电压中最大的一个电压的绝对值，对应的输出的电流Imax为A相电流、B相电流以及C相电流中最大的一个。

图4为一实施例中的阈值比较电路的电路图。如图4所示，阈值比较电路包括第五运算放大器U5、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第五二极管D5以及第六二极管D6。第十六电阻R16的一端输入第二电流阈值IOUT_OCP_LIMIT，第十六电阻R16的另一端与第五运算放大器U5的同向输入端连接。第五运算放大器U5的反向输入端与采样电路121连接以输入储能变流器的电流，可以是与三相电流比较单元连接以输入A相电流、B相电流以及C相电流中的最大电流Imax。第十七电阻R17连接于第五运算放大器的同向输入端和输出端之间。第十八电阻R18的一端与第五运算放大器U5的输出端连接，第十八电阻R18的另一端与第五二极管D5的阳极和第六二极管D6的阴极连接，且第十八电阻R18的另一端还与FPGA处理电路123连接。第十九电阻R19的一端连接于第五运算放大器U5的输出端和第十八电阻R18之间，第十九电阻R19的另一端与电源连接。第五二极管D5的阴极与电源连接。第六二极管D6的阳极接地。

阈值比较电路的具体工作原理为：

设第二电流阈值IOUT_OCP_LIMIT所对应的电压值为Uset，A相电流、B相电流以及C相电流中的最大电流Imax所对应的电压值为Umax，第五运算放大器U5的输出端电压为Uo3，则第二电流阈值IOUT_OCP_LIMIT所对应的电压值Uset和A相电流、B相电流以及C相电流中的最大电流Imax所对应的电压值Umax以及第五运算放大器的输出端电压Uo3之间满足：

即，

其中，R16为第十六电阻R16的电阻值，R17为第十七电阻R17的电阻值，R16远小于R17。当Umax大于Uset时，第五运算放大器U5的输出端电压Uo3为负值，第六二极管D6导通，使得阈值比较电路输出的IOU_OCP为低电平；当Umax小于Uset时，第五运算放大器U5的输出端电压Uo3为正值，并且，在第五运算放大器U5的输出端电压Uo3大于第五二极管D5所连接的电源的电压(本实施例为3.3V)时，第五二极管D5导通，使得阈值比较电路输出的IOU_OCP为高电平。即，第五二极管D5和第六二极管D6所在电路起到钳位作用，使得保证输出给FPGA处理电路123的IOUT_OCP信号在0～3.3V之间，低电平信号0V为触发信号。第十八电阻R18为缓冲电阻。第十九电阻R19为上拉电阻，避免阈值比较电路的输出端悬空。阈值比较电路输出的低电平作为触发信号，FPGA处理电路123在接收到低电平信号时，封锁DSP发出给IGBT的控制脉冲。

在一实施例中，二级保护电路120还包括与阈值比较电路连接的第二电流阈值设置电路。图5为一实施例中的第二电流阈值设置电路的电路图。如图5所示，第二电流阈值设置电路包括电阻组、电阻开关、第二十电阻R20以及第六运算放大器U6。其中，电阻组包括至少两个串联的电阻，电阻组的数量为多个，每个电阻组的一端连接在一起并与电源连接。电阻开关的数量与电阻组的数量相同且一一对应，每个电阻开关的一端与其中一个电阻组的另一端连接，各电阻开关的另一端均连接在一起后与第二十电阻R20的一端连接，第二十电阻R20的另一端接地，各电阻开关的另一端还与第六运算放大器U6的同向输入端连接，第六运算放大器U6的反向输入端和输出端连接，第六运算放大器U6的输出端与阈值比较电路连接，以向阈值比较电路输出第二电流阈值IOUT_OCP_LIMIT。

例如，在电阻组的数量为三个时，三个电阻组分别包括电阻R51和电阻R52、电阻R53和电阻R54、电阻R55和电阻R56。电阻R51和电阻R52串联后的一端与电源连接，另一端通过电阻开关J1与第六运算放大器U6的同向输入端连接。电阻R53和电阻R54串联后一端与电源连接，另一端通过电阻开关J2与第六运算放大器U6的同向输入端连接。电阻R55和电阻R56串联后的一端与电源相连，另一端通过电阻开关J3与第六运算放大器U6的同向输入端连接。通过选择电阻开关J1、电阻开关J2以及电阻开关J3中的一个闭合，从而可以选择这三个电阻组中的一个连接到第六运算放大器U6的同向输入端，再通过被选中的电阻组与第二十电阻R20的分压，从而得到第六运算放大器U6的同向输入端的电压大小，由于第六运算放大器U6的反向输入端与输出端连接在一起形成跟随器，因此，第六运算放大器U6输出端的电压也等于同向输入端的电压，由此可以调节输出端输出的第二电流阈值IOUT_OCP_LIMIT大小。例如，电阻开关可以是两个管脚的PIN针，通过跳线帽将PIN针的两个管脚短路从而可以闭合该电阻开关。在其他实施例中，也可以根据需求增减电阻组和电阻开关的数量。

在一实施例中，三级保护电路130还包括至少两个电压保护电路。其中一个电压保护电路连接于储能变流器中的IGBT的上管和光耦电路131之间，另一个电压保护电路连接于储能变流器中的IGBT的下管和光耦电路131之间。电压保护电路用于过压保护和浪涌电压保护。需要说明的是，本实施例中，储能变流器中的IGBT数量可以为多个，每个IGBT的上管和下管均配置有一个电压保护电路。

图6为一实施例中的IGBT的内部结构示意图，图7为一实施例中的电压保护电路的电路图。结合图6和图7，电压保护电路包括第一TVS管D71、第二TVS管D72、第三TVS管D73、第七二极管D7、第八二极管D8、第二十一电阻R21以及第二十二电阻R22。

第一TVS管D71、第二TVS管D72、第七二极管D7以及第二十一电阻R21串联后一端与IGBT的上管或下管连接(以上管为例，可以与上管的引脚4连接)，另一端与光耦电路131连接，且第一TVS管D71所在的一端TOP_C为与IGBT的上管或下管连接的一端，第七二极管D7的阳极所在的一端为与第二十一电阻R21连接的一端。

第三TVS管D73的一端连接于第二TVS管D72和第七二极管D7之间，第三TVS管D73的另一端与第八二极管D8的阳极连接，第八二极管D8的阴极与第二十二电阻R22间，即与引脚10/11连接。

光耦电路131可以包括光耦芯片，例如光耦芯片型号为ACPL-332J。电压保护电路中的第二十一电阻R21的一端DESATT与光耦芯片中的14引脚连接，电压保护电路中的第二十二电阻R22的一端PWMT与光耦芯片中的11引脚连接。

多个IGBT中的上管与下关交替导通，从而形成交流电流。例如，在图6中IGBT的上管导通时，IGBT的引脚4与引脚10/11之间的电压随着上管电流的增大而增大。同时，图7中的第二十一电阻R21的DESATT连接端输出电压也增大，则光耦芯片中的14引脚的电压也增大。光耦芯片中存储有电压阈值，当IGBT的引脚4与引脚10/11之间的电压达到电压阈值时，光耦芯片通过引脚11(Vout)封锁DSP发出给IGBT的控制脉冲，并且，还可以同时通过光耦芯片引脚3(FAULT)输出逻辑低电平给FPGA处理电路123，以通过FPGA处理电路123驱动DSP控制器控制停机开关断开，以断开储能变流器所在回路。其中，可以通过改变第二十一电阻R21的电阻值，以改变第二十一电阻R21的分压值，可以得到不同的电压阈值，从而调整IGBT的第三电流阈值。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种储能变流器的过电流保护装置，储能变流器内部设置有控制所述储能变流器进行交流电与直流电之间相互转换的工作的IGBT，且所述储能变流器配置有通过发出控制脉冲以控制所述IGBT的导通与关断的DSP控制器；其特征在于，所述储能变流器的过电流保护装置包括：

一级保护电路，包括与所述储能变流器串联的开关控制电路；所述开关控制电路用于在所述储能变流器的电流大于第一电流阈值时断开所述储能变流器所在回路；

二级保护电路，包括依次连接的采样电路、阈值比较电路以及FPGA处理电路；所述采样电路还与所述储能变流器连接，所述采样电路用于采集所述储能变流器的电流；所述阈值比较电路用于比较所述储能变流器的电流与第二电流阈值的大小，并在所述储能变流器的电流大于所述第二电流阈值时输出触发信号；所述DSP控制器、所述FPGA处理电路以及所述IGBT依次连接，所述FPGA处理电路用于在接收到所述触发信号时封锁所述DSP控制器向所述IGBT发出的所述控制脉冲，以停止所述储能变流器的交流电与直流电之间的转换工作；以及

三级保护电路，包括光耦电路；所述光耦电路连接于所述FPGA处理电路和所述IGBT之间，所述光耦电路用于在所述储能变流器的电压大于电压阈值时封锁所述DSP控制器向所述IGBT发出的所述控制脉冲，以停止所述储能变流器的交流电与直流电之间的转换工作；

所述三级保护电路还包括至少两个电压保护电路，其中一个所述电压保护电路连接于所述储能变流器中的IGBT的上管和所述光耦电路之间，另一个所述电压保护电路连接于所述储能变流器中的IGBT的下管和所述光耦电路之间；所述电压保护电路用于过压保护和浪涌电压保护；

其中，所述电压阈值对应为所述储能变流器的第三电流阈值，所述第一电流阈值、所述第二电流阈值以及所述第三电流阈值依次增大。

2.根据权利要求1所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，所述储能变流器的过电流保护装置还包括与所述储能变流器连接且与所述DSP控制器连接的停机开关；在所述二级保护电路中，在所述储能变流器的电流大于所述第二电流阈值时，所述FPGA处理电路还将所述触发信号输出给所述DSP控制器，以驱动所述DSP控制器控制所述停机开关断开，以断开所述储能变流器所在回路；

和/或，在所述三级保护电路中，在所述储能变流器的电流大于所述第三电流阈值时，所述光耦电路还用于通过所述FPGA处理电路驱动所述DSP控制器控制所述停机开关断开，以断开所述储能变流器所在回路。

3.根据权利要求1所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，所述采样电路包括：

电流采样模块，所述电流采样模块至少有三个，三个所述电流采样模块分别与所述储能变流器所在回路的三相线中的一个连接，以分别采集所述储能变流器所在回路的A相电流、B相电流以及C相电流；以及

电流比较模块，所述电流比较模块的数量与所述电流采样模块相同且一一对应，每个所述电流比较模块包括第一电连接端和第二电连接端，每个所述电流比较模块的第一电连接端与所述电流采样模块中的一个连接，各所述电流比较模块的第二电连接端连接在一起并与所述阈值比较电路连接，所述电流比较模块用于比较所述A相电流、所述B相电流以及所述C相电流，并将所述A相电流、所述B相电流以及所述C相电流中最大的一个输出给所述阈值比较电路。

4.根据权利要求3所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，每个所述电流采样模块包括依次连接的电流霍尔采样单元以及放大单元；

所述电流霍尔采样单元还与所述储能变流器所在回路的三相线中的一相连接，以采集所述储能变流器所在回路的A相电流、B相电流以及C相电流中的一个；

所述放大单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻以及第一运算放大器，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻并联，所述第一电阻的两端与所述电流霍尔采样单元连接，所述第一电阻两端还分别与所述第四电阻和第五电阻连接，所述第四电阻还在与所述第六电阻串联后接入所述第一运算放大器的反向输入端，所述第五电阻还在与所述第七电阻串联后接入所述第一运算放大器的同向输入端；所述第八电阻连接于所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间。

5.根据权利要求4所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，每个所述电流比较模块包括依次连接的取绝对值单元以及三相电流比较单元；

所述取绝对值单元包括第二运算放大器、第三运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一二极管以及第二二极管；所述第九电阻的一端作为所述电流比较模块的所述第一电连接端，所述第九电阻的另一端与所述第二运算放大器的反向输入端连接且与所述第十电阻、第十一电阻以及第十二电阻串联后接入所述第三运算放大器的反向输入端，所述第十三电阻的一端与所述电流比较模块的所述第一电连接端连接，所述第十三电阻的另一端与所述第三运算放大器的反向输入端连接，所述第十四电阻连接于所述第三运算放大器的反向输入端和输出端之间；所述第一二极管的阴极与所述第一运算放大器的反向输入端连接，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极和所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二二极管的阳极连接于所述第十一电阻和所述第十二电阻之间；

所述三相电流比较单元包括第四运算放大器、第十五电阻、第三二极管以及第四二极管；所述第十五电阻连接于所述第三运算放大器的输出端和所述第四运算放大器的同向输入端之间；所述第三二极管和所述第四二极管的阳极均与所述第四运算放大器的输出端连接，所述第三二极管的阴极、所述第四二极管的阴极均与所述第四运算放大器的反向输入端连接；

每个所述三相电流比较单元中的所述第四运算放大器的反向输入端连接在一起，并作为所述电流比较模块的所述第二电连接端。

6.根据权利要求1所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，所述阈值比较电路包括第五运算放大器、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第五二极管以及第六二极管；所述第十六电阻的一端输入所述第二电流阈值，所述第十六电阻的另一端与所述第五运算放大器的同向输入端连接；所述第五运算放大器的反向输入端与所述采样电路连接以输入所述储能变流器的电流；所述第十七电阻连接于所述第五运算放大器的同向输入端和输出端之间；所述第十八电阻的一端与所述第五运算放大器的输出端连接，所述第十八电阻的另一端与所述第五二极管的阳极和所述第六二极管的阴极连接，且所述第十八电阻的另一端还与所述FPGA处理电路连接；所述第十九电阻的一端连接于所述第五运算放大器的输出端和所述第十八电阻之间，所述第十九电阻的另一端与电源连接；所述第五二极管的阴极与所述电源连接；所述第六二极管的阳极接地。

7.根据权利要求1所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，所述二级保护电路还包括与所述阈值比较电路连接的第二电流阈值设置电路；

所述第二电流阈值设置电路包括电阻组、电阻开关、第二十电阻以及第六运算放大器；

每个所述电阻组包括至少两个串联的电阻，所述电阻组的数量为多个，每个所述电阻组的一端连接在一起并与电源连接；

所述电阻开关的数量与所述电阻组的数量相同且一一对应，每个所述电阻开关的一端与其中一个电阻组的另一端连接，各所述电阻开关的另一端均连接在一起后与所述第二十电阻的一端连接，所述第二十电阻的另一端接地，各所述电阻开关的另一端还与所述第六运算放大器的同向输入端连接，所述第六运算放大器的反向输入端和输出端连接，所述第六运算放大器的输出端与所述阈值比较电路连接，以向所述阈值比较电路输出所述第二电流阈值。

8.根据权利要求1所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，所述开关控制电路包括与所述储能变流器串联的并网接触器，所述并网接触器能够快速测量所述储能变流器所在回路的电流，并且所述并网接触器内存储有所述第一电流阈值，在所述并网接触器检测到所述储能变流器的电流大于所述第一电流阈值时立即断开所述储能变流器所在的回路，停止所述储能变流器对直流电和交流电之间的转换工作。

9.根据权利要求8所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，每个所述电压保护电路包括第一TVS管、第二TVS管、第三TVS管、第七二极管、第八二极管、第二十一电阻以及第二十二电阻；

所述第一TVS管、所述第二TVS管、所述第七二极管以及所述第二十一电阻串联后一端与所述IGBT的上管或下管连接，另一端与所述光耦电路连接，且所述第一TVS管所在的阴极端为与所述IGBT的上管或下管连接的一端，所述第七二极管的阳极所在的一端为与所述第二十一电阻连接的一端；

所述第三TVS管的一端连接于所述第二TVS管和所述第七二极管之间，所述第三TVS管的另一端与所述第八二极管的阳极连接，所述第八二极管的阴极与所述第二十二电阻一端连接，所述第二十二电阻的另一端接地且连接于所述IGBT的上管和下管之间。

10.根据权利要求1所述的储能变流器的过电流保护装置，其特征在于，所述光耦电路包括光耦芯片，所述光耦芯片的型号为ACPL-332J。

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