CN111786355A - 一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置及保护方法 - Google Patents

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寿艳文
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Abstract

本发明公开了一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置及保护方法，包括双向固态断路器，双向固态断路器设于直流母线电容器组的支路中，双向固态断路器与VSC中的电容器组串联，双向固态断路器包括双向开关、限流电阻R和控制器，双向开关由一组正向固态开关和一组反向固态开关串联组成，限流电阻R并联在正向固态开关两侧，一组正向固态开关和一组反向固态开关均由IGBT反并联功率二极管组成。本发明能满足快速切断故障电流需求，降低了主回路的电流应力和设计要求，能够实现无电弧分断，简单可靠，成本低廉，易操作且功能全面。

Description

一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置及保护方法
技术领域
本发明涉及一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置及保护方法，属于电力开关技术、电力系统保护领域。
背景技术
近年来，直流电力系统的应用不断扩大，对现有的交流电力系统是一种有益的补充，可使系统实现更好性能。例如，高压直流输电可以更好地利用其经济灵活的传输和控制特性；中压直流系统将提高系统的效率和电能质量。除此之外，直流微型电网能够更好地将分布式能源整合到智能电网中。在上述直流系统中，装备电压源变流器(VSC)是必不可少的。
目前VSC中含有大量直流母线支撑电容，而这些电容的放电电流在直流短路的初始阶段起着重要的作用，其峰值电流的持续时间和幅度由存储在电容器中的能量、故障路径阻抗和电压电平决定。直流系统中的故障保护仍然是一个挑战，因为直流系统的阻抗较低，直流故障的发展快速。与传统交流系统相比，基于VSC的直流系统的故障发展速度提高了十倍，从而需要更快的响应。目前的解决方案是在VSC的直流输入侧串联二极管，如图8所示，当VSC发生短路时，可通过二极管无缝切换到另一区域VSC中，由于二极管串联在系统中，使得系统发热严重，效率降低。
由于电力电子功率半导体能够快速对电路进行开关，直流断路器引入电力电子功率半导体进行直接或间接分断故障电流。电力电子功率半导体作为电流分断的主开关，即固态开关。
专利CN103578820A“改进的固态开关装置”和Francesco等的论文“1MW Bi-directional DC SSCB based on air Cooled Reverse Blocking-IGCT”(2015-IEEE会议)设计了固态断路器(Solid State Circuit Breaker,SSCB)，其主要优点在于，无电弧断路操作而具有无限电器耐久性；与机电开关的分断时间相比，SSCB分断时间明显更短。但这类设计存在明显缺陷：采用全控型电力电子器件，在正常工作时的损耗较大。将机械式开关的高耐压、低损耗与固态开关的快速性结合，形成所谓的混合开关或混合断路器。
专利US20150002977A1“Mechatronic circuit breaker device and associatedtripping method and use thereof in interrupting a high direct current”和专利US20120299393“Device and method to break the current of a power transmissionor distribution line and current limiting arrangement”设计了用于HVDC领域的混合断路器，系统发生故障时，换流回路检测到故障，关断负载换流开关，将故障电流转移至主回路，超高速隔离开关打开形成隔离，随后主回路中的IGBT开关断开(同时开关两端电压上升至避雷器动作电压)，故障电流全部由避雷器流过并快速减小。这类设计存在明显缺陷：这类开关采用全控型电力电子器件多级串联结构，对串联均压设计、每个半导体一致性要求较高，技术难度大，成本高昂。
此外，目前对于电流检测大都使用了各种类型的电流传感器，如基于霍尔效应的电流传感器或磁传感器，前者容易受到外部磁场影响，需要复杂的屏蔽干扰的措施，成本高且占用空间后者依赖被测电流的磁芯且具有记忆曲线，应用受到很大限制尤其在大电流测量领域。
上述技术均在故障时，将断路器放置在主电路一侧，由于电容能量将快速向短路点放电，给断路器带来了很大的应力，使得断路器的设计容量加大，造成体积重量偏大和不必要的浪费，并进一步使得技术难度加大、成本高昂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前的断路器由于电容能量的快速放电产生很大的应力，断路器的设计容量大，体积重量偏大，成本高昂的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：包括与VSC中的直流母线电容器组的支路串联的双向固态断路器，所述双向固态断路器包括双向开关、限流电阻R和控制器，所述双向开关包括串联的正向固态开关和反向固态开关，所述正向固态开关包括反并联的IGBT G1和功率二极管D1，所述反向固态开关包括反并联的IGBT G2和反并联功率二极管D2，限流电阻R与正向固态开关并联，所述控制器包括MCU、用于采集支路电流的电流采样单元、隔离单元、电流信号处理单元，所述电流采样单元的输入端与双向固态断路器的输出端连接，电流采样单元的输出端通过隔离单元和电流信号处理单元与MCU连接，电流信号处理单元将电流采样单元获得的电流模拟量转换成数字量并将数字量信号与控制器设定阈值进行比较，MCU与正向固态开关和反向固态开关连接用于向IGBT G1和IGBT G2发出闭合或断开的控制指令。
优选地，所述隔离单元包括隔离芯片，所述隔离芯片的输入VDD1脚连接+5V电源，Vin+脚分别连接电容C25的一端、电阻R7的一端、电阻R8的一端，电阻R7的另一端连接电阻R24的一端，电阻R8的另一端连接双向二极管D21的一端，隔离芯片的Vin-脚分别连接电容C25的另一端、电容R24的另一端和双向二极管D21的另一端，双向二极管D21与电流采样单元的输出端连接；隔离芯片的GND1脚和Vin-脚接地，隔离芯片的输出VDD2脚通过电容C50连接GND2脚，VDD2脚接+5V电源，GND2脚接地，Vout+脚和Vout-脚与电流信号处理单元的输入端连接。
优选地，所述电流信号处理单元包括运算放大器U1A和运算放大器U1B，所述运算放大器U1A的同相输入端分别连接电容C7的一端、电容C3的一端、电阻R6的一端和电阻R4的一端，电容C7的另一端和电阻R6的另一端接地，电容C3的另一端分别连接电阻R3的一端和运算放大器U1A的反相输入端，电阻R3的另一端通过电容C4连接电阻R4的另一端；运算放大器U1A的输出端分别连接电容C1的一端、电阻R1的一端、电感L1的一端和电阻R5的一端，电阻R1的另一端分别连接电容C1的另一端和连接运算放大器U1A的反相输入端，电感L1的另一端分别连接为输出端Vout1和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；电阻R5的另一端分别连接电容C5的一端和运算放大器U1B的反相输入端，电容C5的另一端分别连接参考地和运算放大器U1B的同相输入端，运算放大器U1B的输出端分别连接电阻R2的一端和电感L2的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1B的反向输入端，电感L2的另一端分别连接输出端Vout2和电容C6的一端，电容C6的另一端接地。
优选地，所述电流采样单元为含有合金化学元素的铜导体，并将其串联接入IGBTG1和IGBT G2的两侧。
优选地，所述限流电阻R采用功率耗能电阻。
本发明的另一个技术方案是提供了一种抑制直流母线支撑电容短路保护方法，其特征在于，应用上述一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，包括如下步骤：
步骤一：在初始状态时，正向固态开关上的IGBT G1和反向固态开关的IGBT G2断开；充电发生时，控制器检测充电结束后，闭合正向固态开关上的IGBT G1；
步骤二：判断是否是故障关断，如果不是，进入步骤三，如果是故障，则进入步骤四；
步骤三：控制器接收命令触发正向固态开关上的IGBT G1和反向固态开关上的IGBT G2断开。
步骤四：控制器通过检测单元反馈实际电流，按控制器预设的上升率或阈值，当达到预设整定值时，进入步骤三，故障关断操作完毕。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过使用电力电子开关作为与直流电容器串联的双向固态断路器，限制初始故障电流的快速上升。当检测到电流幅值和上升率达到故障状态时，直流母线电容器将通过双向固态断路器从直流母线断开，由于双向固态断路器的快速性，可以极大地降低电容向短路点的放电电流，且由于双向固态断路器不安装在主传输路径中，只有少部分纹波电流流过，因此导通损耗非常小，可忽略不计。用于保护直流电力系统短路故障，可以抑制或避免系统中直流支撑电容对短路点快速放电而使短路电流急剧上升。
两个IGBT模块可用作此断路器配置中的单元，一个作为充电电流保护，另一个作为故障放电电流保护。
控制逻辑简单，可以在本地自动实现保护功能，无需外部跳闸信号的通信，保证了快速的保护动作。
尽可能快地关闭电容放电电流，大大减轻VSC支路续流二极管的电流应力。
将断路器与直流母线电容器(而不是主直流母线)串联放置，可以减少正常工作时的导通损耗。
电压等级可通过IGBT串联级联进行扩展或组合，也可采用新型的SiC等高耐压的功率器件，适应各类电压等级的系统，通用性强。
能满足快速切断故障电流需求，降低了主回路的电流应力和设计要求，能够实现无电弧分断，简单可靠，成本低廉，易操作且功能全面。
能防止电容器的快速充、放电产生过大的电流，可以应用在具有直流母线电容器的各种基于VSC的变流器，例如电机驱动器，UPS等。
附图说明
图1为双向固态开关拓扑结构图；
图2为双向固态开关的一种应用实例图；
图3为一种抑制直流母线支撑电容短路保护方法的操作流程图；
图4为控制器结构示意图；
图5为隔离单元电路图；
图6为电流信号处理单元电路图；
图7为本发明一种抑制直流母线支撑电容短路保护方法程序主循环流程图；
图8为现有直流母线支撑电容短路保护装置示意图；
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1和图4所示，本发明的技术方案是提供了一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，包括与VSC中的直流母线电容器组的支路串联的双向固态断路器，双向固态断路器包括双向开关、限流电阻R和控制器，双向开关包括串联的正向固态开关和反向固态开关，正向固态开关包括反并联的IGBT G1和功率二极管D1，反向固态开关包括反并联的IGBT G2和反并联功率二极管D2，限流电阻R与正向固态开关并联，控制器包括MCU、电流采样单元、隔离单元、电流信号处理单元，比较单元和判断单元，电流采样单元的输入端与双向固态断路器的输出端连接，电流采样单元的输出端通过隔离单元和电流信号处理单元与MCU连接，MCU与正向固态开关和反向固态开关连接用于向IGBT G1和IGBT G2发出闭合或断开的控制指令。
图2为双向固态开关的一种应用实例图，双向固态开关与直流母线电容器组串联，通过双向固态开关来切断故障电流，使得系统不需要增加其它设备来进行保护，提高了系统电能利用效率；该固态开关的故障判定是通过。
电流采样单元为含有合金化学元素的铜导体，并将其串联接入IGBT G1和IGBT G2的两侧。
如图5所示，隔离单元包括隔离芯片，隔离芯片的输入VDD1脚连接+5V电源，Vin+脚分别连接电容C25的一端、电阻R7的一端、电阻R8的一端，电阻R7的另一端连接电阻R24的一端，电阻R8的另一端连接双向二极管D21的一端，隔离芯片的Vin-脚分别连接电容C25的另一端、电容R24的另一端和双向二极管D21的另一端，双向二极管D21与电流采样单元的输出端连接；隔离芯片的GND1脚和Vin-脚接地，隔离芯片的输出VDD2脚通过电容C50连接GND2脚，VDD2脚接+5V电源，GND2脚接地，Vout+脚和Vout-脚与电流信号处理单元的输入端连接。
如图6所示，电流信号处理单元包括运算放大器U1A和运算放大器U1B，运算放大器U1A的同相输入端分别连接电容C7的一端、电容C3的一端、电阻R6的一端和电阻R4的一端，电容C7的另一端和电阻R6的另一端接地，电容C3的另一端分别连接电阻R3的一端和运算放大器U1A的反相输入端，电阻R3的另一端通过电容C4连接电阻R4的另一端；运算放大器U1A的输出端分别连接电容C1的一端、电阻R1的一端、电感L1的一端和电阻R5的一端，电阻R1的另一端分别连接电容C1的另一端和连接运算放大器U1A的反相输入端，电感L1的另一端分别连接为输出端Vout1和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；电阻R5的另一端分别连接电容C5的一端和运算放大器U1B的反相输入端，电容C5的另一端分别连接参考地和运算放大器U1B的同相输入端，运算放大器U1B的输出端分别连接电阻R2的一端和电感L2的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1B的反向输入端，电感L2的另一端分别连接输出端Vout2和电容C6的一端，电容C6的另一端接地。
如图3所示，本发明一种抑制直流母线支撑电容短路保护方法，按功能和组合可分为：(1)正常开通；(2)正常关断；(3)故障关断。如图2所示，本发明各功能的操作流程如下：
步骤一：在初始状态时，正向固态开关上的IGBT G1和反向固态开关的IGBT G2断开；充电发生时，由于限流电阻R的作用，使得直流母线对电容充电电流降低，控制器通过电流采样单元，采样电流模拟量，通过电流信号处理电路在控制器中把电流模拟量转换成数字量，将数字量与控制器设定阈值进行比较，如果低于阈值，则认为充电结束，闭合正向固态开关上的IGBT G1，将限流电阻R旁路，即充电电流从电源正极经电容器组C经过限流电阻R和反向固态开关的功率二极管D2，再回到电源负极。系统开通完毕，操作(1)正常开通结束。
正常工作时，正向固态开关和反向固态开关可以使得直流母线电容器组的充放电的纹波电流双向流动；正常工作放电发生时，控制器检测放电结束后，闭合反向固态开关上的IGBT G2，即放电电流从电容器组C的正极经过负载、反向固态开关的IGBT G2和正向固态开关的功率二极管D1，再回到电容器组C的负极；正常工作充电的路径与初始充电路径一致。
步骤二：控制器通过电流采样单元，采样支路电流模拟量，通过电流信号处理电路在控制器中把电流模拟量转换成数字量，将数字量与控制器设定上升率阈值和幅值阈值进行比较，通过电流上升率和电流幅值是否超过阈值来判断是否是故障关断，如果不是，进入步骤三，如果是故障，则进入步骤四；
步骤三：控制器接收命令触发正向固态开关上的IGBT G1和反向固态开关上的IGBT G2断开。操作(2)正常关断结束。
步骤四：控制器通过电流互感器和信号隔离与放大检测单元反馈实际电流，按控制器软件或硬件中预设的上升率或幅值阈值，当达到预设整定值时，控制器软件或硬件进入步骤三中的操作(2)正常关断，触发正向固态开关上的IGBT G1和反向固态开关上的IGBTG2断开。故障关断操作完毕，操作(3)故障关断结束。
其中，故障放电的路径与正常放电的路径一致。
图7为本发明一种抑制直流母线支撑电容短路保护方法程序主循环流程图；首先初始化软件程序，然后检测保护阈值等设定参数是否有变更，如有变更则刷新变更后的设定值；判定电流是否超过阈值，如超过则刷新显示程序，显示故障；最终判定故障是否结束，如果结束，则刷新显示程序，显示故障状态。
显然，以上所述仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以根据具体实施方式做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：包括与VSC中的直流母线电容器组的支路串联的双向固态断路器，所述双向固态断路器包括双向开关、限流电阻R和控制器，所述双向开关包括串联的正向固态开关和反向固态开关，所述正向固态开关包括反并联的IGBT G1和功率二极管D1，所述反向固态开关包括反并联的IGBT G2和反并联功率二极管D2，限流电阻R与正向固态开关并联，所述控制器包括MCU、用于采集支路电流的电流采样单元、隔离单元、电流信号处理单元，所述电流采样单元的输入端与双向固态断路器的输出端连接，电流采样单元的输出端通过隔离单元和电流信号处理单元与MCU连接，电流信号处理单元将电流采样单元获得的电流模拟量转换成数字量并将数字量信号与控制器设定阈值进行比较，MCU与正向固态开关和反向固态开关连接用于向IGBT G1和IGBT G2发出闭合或断开的控制指令。
2.如权利要求1所述的一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：所述隔离单元包括隔离芯片，所述隔离芯片的输入VDD1脚连接+5V电源，Vin+脚分别连接电容C25的一端、电阻R7的一端、电阻R8的一端，电阻R7的另一端连接电阻R24的一端，电阻R8的另一端连接双向二极管D21的一端，隔离芯片的Vin-脚分别连接电容C25的另一端、电容R24的另一端和双向二极管D21的另一端，双向二极管D21与电流采样单元的输出端连接；隔离芯片的GND1脚和Vin-脚接地，隔离芯片的输出VDD2脚通过电容C50连接GND2脚，VDD2脚接+5V电源，GND2脚接地，Vout+脚和Vout-脚与电流信号处理单元的输入端连接。
3.如权利要求1所述的一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于：所述电流信号处理单元包括运算放大器U1A和运算放大器U1B，所述运算放大器U1A的同相输入端分别连接电容C7的一端、电容C3的一端、电阻R6的一端和电阻R4的一端，电容C7的另一端和电阻R6的另一端接地，电容C3的另一端分别连接电阻R3的一端和运算放大器U1A的反相输入端，电阻R3的另一端通过电容C4连接电阻R4的另一端；运算放大器U1A的输出端分别连接电容C1的一端、电阻R1的一端、电感L1的一端和电阻R5的一端，电阻R1的另一端分别连接电容C1的另一端和连接运算放大器U1A的反相输入端，电感L1的另一端分别连接为输出端Vout1和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；电阻R5的另一端分别连接电容C5的一端和运算放大器U1B的反相输入端，电容C5的另一端分别连接参考地和运算放大器U1B的同相输入端，运算放大器U1B的输出端分别连接电阻R2的一端和电感L2的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1B的反向输入端，电感L2的另一端分别连接输出端Vout2和电容C6的一端，电容C6的另一端接地。
4.如权利要求1所述的一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于:所述电流采样单元为含有合金化学元素的铜导体，并将其串联接入IGBT G1和IGBT G2的两侧。
5.如权利要求1所述的一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，其特征在于:所述限流电阻R采用功率耗能电阻。
6.一种抑制直流母线支撑电容短路保护方法，其特征在于，应用如权利要求1至5任一项所述的一种抑制直流母线支撑电容短路保护装置，包括如下步骤：
步骤一：在初始状态时，正向固态开关上的IGBT G1和反向固态开关的IGBT G2断开；充电发生时，控制器检测充电结束后，闭合正向固态开关上的IGBT G1；
步骤二：判断是否是故障关断，如果不是，进入步骤三，如果是故障，则进入步骤四；
步骤三：控制器的MCU接收命令触发正向固态开关上的IGBT G1和反向固态开关上的IGBT G2断开。
步骤四：控制器的MCU通过检测单元反馈实际电流，按控制器预设的上升率或阈值，当达到预设整定值时，进入步骤三，故障关断操作完毕。
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