CN114424446A - 故障保护装置及光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种故障保护装置及光伏发电系统。光伏发电系统包括：电容桥臂，所述电容桥臂包括正极输出端口、负极输出端口和在所述正极输出端口和所述负极输出端口之间的参考输出端口；逆变桥臂，所述逆变桥臂包括正极输入端口、负极输入端口和在所述正极输入端口和所述负极输入端口之间的参考输入端口，所述正极输入端口与所述正极输出端口连接，所述负极输入端口与所述负极输出端口连接；以及故障保护装置，其中，所述参考输入端口通过所述故障保护装置与所述参考输出端口连接，所述故障保护装置根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况或电流的大小或变化情况而关断。

Description

故障保护装置及光伏发电系统

技术领域

本申请涉及电力电子领域，具体涉及一种故障保护装置及光伏发电系统。

背景技术

太阳能发电、风力发电、变频器、不间断供电电源(Uninterruptible PowerSystem，UPS)、电动机驱动器以及新能源汽车等领域都需要用于实现直流电到交流电转换的电能变换器，也叫逆变器。其中，能输出三种及以上电压电平的多电平电路得到了广泛应用和关注。与两电平电路相比，能输出三种及以上的电压电平的多电平电路具有输出电平多、电压应力小、纹波电流小、谐波特性好等优势，有利于实现输出的电压脉冲接近工频交流电压从而减小滤波器的体积和重量。多电平电路通常利用半导体开关器件来实现直流电到交流电的转换。以典型的三相桥式逆变电路为例，每个桥臂的半导体开关管在一个正弦周期中开通半个周期，三相各自的桥臂交替导通且有120度的导电角度差，如此得到的输出电压波形近似为正弦波。

现有技术中，包括两个直流电压源的三电平电路有广泛应用。但是，应用这种三电平电路的两个直流电压源的中间节点与半导体开关器件的中间节点是直接电气连接，因此当半导体开关器件的逆变桥臂发生故障时，容易对半母线电容造成过压损坏，还可能进一步扩散进而损坏电路以及设备，极大的降低电路的可靠性。

为此，需要针对多电平电路提供一种技术方案从而在逆变桥臂出现短路故障时对电容桥臂进行保护，从而避免电路失效损坏。

发明内容

本申请的目的在于提供一种故障保护装置及光伏发电系统，从而实现了在逆变桥臂出现短路故障时对电容桥臂进行保护，从而避免电路失效损坏。

第一方面，本申请实施例提供了一种光伏发电系统。所述光伏发电系统包括：电容桥臂，其中，所述电容桥臂包括正极输出端口、负极输出端口和在所述正极输出端口和所述负极输出端口之间的参考输出端口；逆变桥臂，其中，所述逆变桥臂包括正极输入端口、负极输入端口和在所述正极输入端口和所述负极输入端口之间的参考输入端口，所述正极输入端口与所述正极输出端口连接，所述负极输入端口与所述负极输出端口连接；以及故障保护装置，其中，所述参考输入端口通过所述故障保护装置与所述参考输出端口连接，所述故障保护装置根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况或电流的大小或变化情况而关断。

第一方面所描述的技术方案，通过故障保护装置的闭合和断开可以调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，从而实现了避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述故障保护装置根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况而关断，包括：当所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压低于第一阈值时，所述故障保护装置断开；或当所述正极输入端口和所述参考输入端口之间的电压低于第二阈值时，所述故障保护装置断开；或当所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压下降速率高于第三阈值时，所述故障保护装置断开；或当所述正极输入端口和所述参考输入端口之间的电压下降速率高于第四阈值时，所述故障保护装置断开。

如此，通过监控电压变化情况而控制故障保护装置断开从而调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述故障保护装置还根据流经所述故障保护装置的电流而关断。

如此，通过监控流经所述故障保护装置的电流而控制故障保护装置断开从而调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述逆变桥臂还包括连接在所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的至少一个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述至少一个半导体开关器件的电流或者施加在所述至少一个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

如此，通过监控半导体开关器件的电压电流情况而控制故障保护装置断开从而调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述故障保护装置包括主断路器，其中，所述主断路器包括第一开关晶体管和第二开关晶体管，所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管按照对项串联的方式连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，所述故障保护装置通过控制所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管的导通和关断来闭合和断开。

如此，通过控制第一开关晶体管和第二开关晶体管的导通和关断实现了控制断路开关的闭合和断开。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管是MOSFET、IGBT、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

如此，实现了利用各种类型的开关晶体管。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述故障保护装置还包括：高阻抗器件，其中，所述高阻抗器件和所述主断路器并联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间。

如此，通过高阻抗器件实现了减慢电容桥臂的充放电速度，有利于其它保护机制做出反应并提高系统的稳定性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述高阻抗器件是热敏电阻。

如此，通过热敏电阻实现了减慢电容桥臂的充放电速度，有利于其它保护机制做出反应并提高系统的稳定性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述故障保护装置还包括：压敏电阻，其中，所述压敏电阻和所述主断路器并联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间。

如此，通过压敏电阻吸收故障保护装置在断路过程中残留的能量，有利于防止过压损坏和提高电路的可靠性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述故障保护装置还包括：高速机械开关，其中，所述高速机械开关、所述压敏电阻和所述主断路器一起并联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，所述高速机械开关在所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管导通之后闭合，所述高速机械开关在所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管关断之前断开。

如此，通过在主断路器的开关晶体管导通之后通过闭合的高速机械开关对主断路器做旁路化处理，从而可以通过闭合的高速机械开关来降低损耗。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述故障保护装置还包括：高速机械开关，和辅助断路器，其中，所述辅助断路器包括第三开关晶体管和第四开关晶体管，所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管按照对项串联的方式连接之后与所述高速机械开关串联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，所述高速机械开关和所述辅助断路器串联连接之后与所述压敏电阻和所述主断路器一起并联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，所述辅助断路器的所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管以及所述高速机械开关在所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管导通之后闭合，所述高速机械开关在所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管关断之前断开，所述辅助断路器的所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管在所述高速机械开关断开之前关断。

如此，通过在主断路器的开关晶体管导通之后通过闭合高速机械开关和辅助断路器从而组成旁路支路对主断路器做旁路化处理，从而可以降低断路开关SP的损耗。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管是MOSFET、IGBT、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

如此，实现了利用各种类型的开关晶体管。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述逆变桥臂包括ANPC三电平桥臂，所述ANPC三电平桥臂包括串联连接在所述正极输入端口和所述参考输入端口之间以及串联连接在所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的多个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述多个半导体开关器件的电流或者施加在所述多个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

如此，通过监测多个半导体开关器件的电压电流情况可以判断ANPC三电平桥臂是否出现了短路故障，并及时通过控制故障保护装置断开从而调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述逆变桥臂包括NPC三电平桥臂，所述NPC三电平桥臂包括串联连接在所述正极输入端口和所述参考输入端口之间以及串联连接在所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的多个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述多个半导体开关器件的电流或者施加在所述多个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

如此，通过监测多个半导体开关器件的电压电流情况可以判断NPC三电平桥臂是否出现了短路故障，并及时通过控制故障保护装置断开从而调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述逆变桥臂包括T型三电平桥臂，所述T型三电平桥臂包括串联连接在所述正极输入端口和所述负极输入端口之间的多个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述多个半导体开关器件的电流或者施加在所述多个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

如此，通过监测多个半导体开关器件的电压电流情况可以判断T型三电平桥臂是否出现了短路故障，并及时通过控制故障保护装置断开从而调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述逆变桥臂包括五电平桥臂，所述五电平桥臂包括串联连接在所述正极输入端口和所述参考输入端口之间以及串联连接在所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的多个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述多个半导体开关器件的电流或者施加在所述多个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

如此，通过监测多个半导体开关器件的电压电流情况可以判断五电平桥臂是否出现了短路故障，并及时通过控制故障保护装置断开从而调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

第二方面，本申请实施例提供了一种故障保护装置的控制方法，应用于光伏发电系统。所述光伏发电系统包括电容桥臂、逆变桥臂和所述故障保护装置，其中，所述电容桥臂包括正极输出端口、负极输出端口和在所述正极输出端口和所述负极输出端口之间的参考输出端口，所述逆变桥臂包括正极输入端口、负极输入端口和在所述正极输入端口和所述负极输入端口之间的参考输入端口，所述正极输入端口与所述正极输出端口连接，所述负极输入端口与所述负极输出端口连接，所述参考输入端口通过所述故障保护装置与所述参考输出端口连接，所述方法包括：根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况或电流的大小或变化情况而控制所述故障保护装置关断。

第二方面所描述的技术方案，通过故障保护装置的闭合和断开可以调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，从而实现了避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

附图说明

为了说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

图1示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的多电平电路的原理框图。

图2示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第一种实施方式的结构框图。

图3示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第二种实施方式的结构框图。

图4示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第三种实施方式的结构框图。

图5示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第四种实施方式的结构框图。

图6示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第五种实施方式的结构框图。

图7示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的ANPC三电平电路的原理框图。

图8示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的NPC三电平电路的原理框图。

图9示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的T型三电平电路的原理框图。

图10示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的五电平电路的原理框图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种光伏发电系统。所述光伏发电系统包括：电容桥臂，其中，所述电容桥臂包括正极输出端口、负极输出端口和在所述正极输出端口和所述负极输出端口之间的参考输出端口；逆变桥臂，其中，所述逆变桥臂包括正极输入端口、负极输入端口和在所述正极输入端口和所述负极输入端口之间的参考输入端口，所述正极输入端口与所述正极输出端口连接，所述负极输入端口与所述负极输出端口连接；以及故障保护装置，其中，所述参考输入端口通过所述故障保护装置与所述参考输出端口连接，所述故障保护装置根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况或电流的大小或变化情况而关断。如此，通过故障保护装置的闭合和断开可以调整参考输出端口与参考输入端口之间的连接关系，从而实现了避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。

本申请实施例可用于以下应用场景：太阳能发电、风力发电、变频器、UPS、电动机驱动器、新能源汽车或者其它需要多电平逆变电路的应用场景。

本申请实施例可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请的实施例进行描述。

请参阅图1，图1示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的多电平电路的原理框图。如图1所示，多电平电路100包括故障保护装置110、电容桥臂120和逆变多电平桥臂130。电容桥臂120有三个输出端口，分别是正极输出端口P、负极输出端口N和参考输出端口M。相对的，逆变多电平桥臂130有三个输入端口，分别是正极输入端口P’、负极输入端口N’和参考输入端口M’。其中，正极输出端口P与正极输入端口P’连接，负极输出端口N与负极输入端口N’连接，故障保护装置110的一端与参考输出端口M连接，另一端与参考输入端口M’连接。如此，电容桥臂120的各个输出端口和逆变多电平桥臂130的各个输入端口之间存在一一对应的连接关系，并且参考输出端口M通过故障保护装置110而间接地连接参考输入端口M’。应当理解的是，本申请实施例中提到的正极和负极只是相对的概念，是为了便于描述而指定一个端口为正极另一个端口为负极，不应理解成限制性。

请继续参阅图1，故障保护装置110包括断路开关SP和控制器111。断路开关SP的一端与参考输出端口M连接，另一端与参考输入端口M’连接。控制器111与断路开关SP通信地连接并配置成用于控制断路开关SP的闭合和断开。当控制器111控制断路开关SP闭合时，参考输出端口M通过断路开关SP与参考输入端口M’连接；当控制器111控制断路开关SP断开时，参考输出端口M被断路开关SP阻碍而无法与参考输入端口M’连接。如此，通过控制器111来控制断路开关SP的闭合和断开可以调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系。所述故障保护装置110有下面多种实现结构，但是可以理解本申请并不仅仅限于下面的这些具体断路结构的实现方式。本申请的关键在于在电容桥臂参考端以及逆变桥臂的参考端之间连接断路开关SP保护装置，而保护装置的具体结构并不是关键，可以参照市面常用的各种断路保护实现方式和结构，在此不一一赘述。

请参阅图2，图2示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第一种实施方式的结构框图。如图2所示，断路开关SP包括主断路器212。主断路器212包括两个半导体开关器件，以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)为例，分别是Q1和Q2。Q1和Q2采用对项串联的方式连接在参考输出端口M与参考输入端口M’之间。也就是说，Q1的发射极和Q2的发射极互相连接，Q1的集电极连接参考输入端口M’，Q2的集电极连接参考输出端口M。在另一种实施方式中，Q1的集电极和Q2的集电极互相连接，Q1的发射极连接参考输入端口M’，Q2的发射极连接参考输出端口M。在这两种实施方式中，Q1和Q2的位置也可以互换。主断路器212还包括两个二极管T1和T2，T1和T2分别与Q1和Q2成反并联关系。具体地，二极管T1对应Q1，T1的阳极连接Q1的发射极，T1的阴极连接Q1的集电极；二极管T2对应Q2，T2的阳极连接Q2的发射极，T2的阴极连接Q2的集电极。如此，通过对项串联方式连接的两个绝缘栅双极型晶体管Q1和Q2，以及按照反并联关系连接的一对二极管T1和T2，实现了断路开关SP的控制机制。具体地，当断路开关SP接收到指示闭合的控制信号，可以控制断路开关SP中的IGBT的栅极电压从而让IGBT导通，实现参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接；当断路开关SP接收到指示断开的控制信号，可以控制断路开关SP中的IGBT的栅极电压从而让IGBT关断，从而阻断参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接；利用IGBT的控制机制，还可以通过停止向断路开关SP发送闭合的控制信号，从而使得断路开关SP在未接收到闭合的控制信号后，可以驱动IGBT关断。另外，通过与IGBT按照反并联关系连接的二极管可以抑制反向电流电压，避免过大的反向电流电压引起损坏。

请继续参阅图2，应当理解的是，图2所示的IGBT仅为示例性。在一些示例性实施例中，主断路器212所包括的两个半导体开关器件分别是第一开关晶体管和第二开关晶体管。所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管按照对项串联的方式连接在所述电容桥臂的参考输出端口和所述逆变多电平桥臂的参考输入端口之间。所述控制器通过控制所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管的导通和关断来控制所述断路开关的闭合和断开。在一些示例性实施例中，主断路器212所包括的两个半导体开关器件可以采用其它具有类似功能的半导体器件来实现，例如金属氧化物半导体场效应管((Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、电力晶体管(Giant Transistor，GTR)、可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，GTO)或者其它合适的器件，并且相应地配置成对的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体器件还可以采用高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)，也称作调制掺杂场效应晶体管(Modulation-Doped FET，MODFET)，或者二维电子气场效应晶体管(Two DimensionalElectron Gas Field Effect Transistor，2-DEGFET)，或者选择掺杂异质结晶体管(Selectively-Doped Heterojunction Transistor，SDHT)。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。换句话说，所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管是MOSFET、IGBT、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

请参阅图3，图3示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第二种实施方式的结构框图。如图3所示，断路开关SP包括主断路器312和压敏电阻313。其中，主断路器312的构造和功能与图2所示的主断路器212相似，在此不再赘述。压敏电阻313可以基于金属氧化物材料，压敏电阻313和主断路器312并联连接于参考输出端口M与参考输入端口M’之间。压敏电阻313具有非线性伏安特性，用于吸收断路开关SP在断路过程中残留的能量，有利于防止主断路器312过压损坏和提高电路的可靠性。

请参阅图4，图4示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第三种实施方式的结构框图。如图4所示，断路开关SP包括主断路器412、压敏电阻413和高速机械开关414。主断路器412、压敏电阻413和高速机械开关414均并联连接于参考输出端口M与参考输入端口M’之间。其中，主断路器412的构造和功能与图2所示的主断路器212相似，在此不再赘述。压敏电阻413的构造和功能与图3所示的压敏电阻313相似，在此不再赘述。高速机械开关414在主断路器412的IGBT导通之后才闭合，也就是在主断路器412的IGBT导通之后通过闭合的高速机械开关414对主断路器412做旁路化处理，从而可以通过闭合的高速机械开关414来降低断路开关SP的损耗。高速机械开关414在主断路器412的IGBT关断之前就断开，从而确保由主断路器412的IGBT来承担电流断路的影响，并避免由高速机械开关414来承担电流断路的影响。

请参阅图5，图5示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第四种实施方式的结构框图。如图5所示，断路开关SP包括主断路器512、压敏电阻513和高速机械开关514以及辅助断路器515。其中，高速机械开关514和辅助断路器515串联连接之后再跟主断路器512和压敏电阻513一起并联连接于参考输出端口M与参考输入端口M’之间。其中，主断路器512的构造和功能与图2所示的主断路器212相似，在此不再赘述。压敏电阻513的构造和功能与图3所示的压敏电阻313相似，在此不再赘述。高速机械开关514的结构和功能与图4所示的高速机械开关414相似，在此不再赘述。其中，辅助断路器515包括两个半导体开关器件，以IGBT为例，分别是Q3和Q4。Q3和Q4采用对项串联的方式连接在参考输入端口M’和高速机械开关514之间。也就是说，Q3的发射极和Q4的发射极互相连接，Q3的集电极连接参考输入端口M’，Q4的集电极连接参考高速机械开关514。在另一种实施方式中，Q3的集电极和Q4的集电极互相连接，Q3的发射极连接参考输入端口M’，Q4的发射极连接高速机械开关514。在这两种实施方式中，Q3和Q4的位置也可以互换。并且，高速机械开关514和辅助断路器515的位置也可以互换。辅助断路器515还包括两个二极管T3和T4，T3和T4分别与Q3和Q4成反并联关系。具体地，二极管T3对应Q3，T3的阳极连接Q3的发射极，T3的阴极连接Q3的集电极；二极管T4对应Q4，T4的阳极连接Q4的发射极，T4的阴极连接Q4的集电极。辅助断路器515和高速机械开关514在主断路器512的IGBT导通之后才闭合，也就是在主断路器512的IGBT导通之后通过闭合高速机械开关514和辅助断路器515从而组成旁路支路对主断路器512做旁路化处理，从而可以降低断路开关SP的损耗。高速机械开关514在主断路器512的IGBT关断之前就断开，而辅助断路器515在高速机械开关514断开之前就断开，从而通过辅助断路器515的断开操作来使得包括高速机械开关514和辅助断路器515的旁路支路在主断路器512的IGBT关断之前就断路，进而避免由高速机械开关514来承担电流断路的影响并且确保由主断路器512的IGBT来承担电流断路的影响。

请继续参阅图5，应当理解的是，图5所示的IGBT仅为示例性。在一些示例性实施例中，辅助断路器515所包括的两个半导体开关器件分别是第三开关晶体管和第四开关晶体管。所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管是MOSFET、IGBT、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

请参阅图6，图6示出了本申请实施例提供的图1所示的故障保护装置的断路开关SP的第五种实施方式的结构框图。如图3所示，断路开关SP包括主断路器612和热敏电阻615。热敏电阻615也可以是其它类型的高阻抗器件。其中，主断路器612的构造和功能与图2所示的主断路器212相似，在此不再赘述。热敏电阻615和主断路器612并联连接于参考输出端口M与参考输入端口M’之间。热敏电阻615在主断路器612断开后承受短路电流并对与断路开关SP连接的电容桥臂进行充放电。因为热敏电阻615的阻值较大且在高温时该阻值进一步增大，从而减慢了电容桥臂的充放电速度，有利于其它保护机制做出反应并提高系统的稳定性。该热敏电阻615同理可以与断路开关SP的第二种、第三种、第四种实施方式并联使用，这里不再赘述。

请参阅图7，图7示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的ANPC三电平电路的原理框图。如图7所示，有源中点嵌位(Active Neutral Point Clamped，ANPC)三电平电路700包括故障保护装置710、电容桥臂720和ANPC三电平桥臂730。其中，故障保护装置710包括断路开关SP，图7所示的断路开关SP可以对应图2至图5中任一实施例所示的断路开关SP或者这些实施例的任意可能组合或者变体。电容桥臂720有三个输出端口，分别是正极输出端口P、负极输出端口N和参考输出端口M。相对的，ANPC三电平桥臂730有三个输入端口，分别是正极输入端口P’、负极输入端口N’和参考输入端口M’。其中，ANPC三电平桥臂730还有对外输出端口O，用于向下一级负载或者外网提供输出的电平电压。其中，正极输出端口P与正极输入端口P’连接，负极输出端口N与负极输入端口N’连接，故障保护装置710的一端与参考输出端口M连接，另一端与参考输入端口M’连接。如此，电容桥臂720的各个输出端口和ANPC三电平桥臂730的各个输入端口之间存在一一对应的连接关系，并且参考输出端口M通过故障保护装置710而间接地连接参考输入端口M’。应当理解的是，本申请实施例中提到的正极和负极只是相对的概念，是为了便于描述而指定一个端口为正极另一个端口为负极，不应理解成限制性。

请继续参阅图7，电容桥臂720包括两个电容C1和C2。电容C1和C2串联连接在正极输出端口P和负极输出端口N之间，电容C1和C2之间的中间节点连接参考输出端口M。ANPC三电平桥臂730包括共计六个半导体开关器件，分别标记为S1、S2、S3、S4、S5和S6。应当理解的是，ANPC三电平桥臂730所包括的半导体开关器件S1、S2、S3、S4、S5和S6中的每一个半导体开关器件是成对的IGBT和与该IGBT成反并联关系连接的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体开关器件也可以采用其它具有类似功能的半导体器件来实现，例如金属氧化物半导体场效应管MOSFET、电力晶体管GTR、可关断晶闸管GTO或者其它合适的器件，并且相应地配置成对的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体器件还可以采用高电子迁移率晶体管HEMT，也称作调制掺杂场效应晶体管MODFET，或者二维电子气场效应晶体管2-DEGFET，或者选择掺杂异质结晶体管SDHT。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

请继续参阅图7，半导体开关器件S1和S2串联连接在正极输入端口P’和参考输入端口M’之间，半导体开关器件S3和S4串联连接在参考输入端口M’和负极输入端口N’之间。半导体开关器件S2和S3连接，并且半导体开关器件S2和S3之间的中间节点连接参考输入端口M’。半导体开关器件S5和S6串联连接之后分别连接半导体开关器件S1和S2之间的中间节点以及半导体开关器件S3和S4之间的中间节点。半导体开关器件S5和S6之间的中间节点连接ANPC三电平桥臂730的对外输出端口O。当半导体开关器件S1和S5导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S1和S5组成的支路连接正极输入端口P’，而正极输出端口P与正极输入端口P’连接，因此对外输出端口O输出的电压是施加在正极输出端口P的第一电压。当半导体开关器件S4和S6导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S4和S6组成的支路连接负极输入端口N’，而负极输出端口N与负极输入端口N’连接，因此对外输出端口O输出的电压是施加在负极输出端口N的第二电压。当半导体开关器件S2和S5导通时或者当半导体开关器件S3和S6导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S2和S5组成的支路或者由半导体开关器件S3和S6组成的支路而连接参考输入端口M’，并且参考输出端口M通过故障保护装置710而间接地连接参考输入端口M’，因此对外输出端口O输出的电压是施加在参考输出端口M的第三电压。如此，通过控制ANPC三电平桥臂730所包括的各个半导体开关器件的导通和关断，可以使得对外输出端口O输出的电压在施加在正极输出端口P的第一电压、施加在负极输出端口N的第二电压和施加在参考输出端口M的第三电压之间切换，实现三电平输出。

请继续参阅图7，当半导体开关器件S3和S4同时出现短路故障时，负极输入端口N’和参考输入端口M’之间相当于短路连接，而如果参考输出端口M与参考输入端口M’保持连接关系，则会导致电容C2被旁路化，这样正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C1上。当电容桥臂720采用对称性设计时，电容C1和C2分别承受的是正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压的一半，所以当正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C1时，可能导致电容C1承受正常设计的两倍电压，从而引起过压损坏，甚至扩散进而损坏电路以及设备，极大的降低电路的可靠性。类似地，当半导体开关器件S1和S2同时出现短路故障时，正极输入端口P’和参考输入端口M’之间相当于短路连接，而如果参考输出端口M与参考输入端口M’保持连接关系，则会导致电容C1被旁路化，这样正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C2上，从而引起过压损坏。为此，需要通过控制断路开关SP的闭合和断开从而调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系。具体地，可以通过监测以下情况之一从而判断是否出现半导体开关器件的短路故障：监测负极输入端口N’和参考输入端口M’之间的电压，当该电压低于一定阈值时判断半导体开关器件S3和S4同时出现短路故障；监测正极输入端口P’和参考输入端口M’之间的电压，当该电压低于一定阈值时判断半导体开关器件S1和S2同时出现短路故障；监测负极输入端口N’和参考输入端口M’之间的电压下降速率，当该电压下降速率高于一定阈值时判断半导体开关器件S3和S4同时出现短路故障；监测正极输入端口P’和参考输入端口M’之间的电压下降速率，当该电压下降速率高于一定阈值时判断半导体开关器件S1和S2同时出现短路故障；监测从正极输入端口P’流向负极输入端口N’并且经过半导体开关器件S1、S2、S3或者S4的电流，当该电流高于一定阈值时判断对应的半导体开关器件S1、S2、S3或者S4出现短路故障；监测当半导体开关器件S1、S2、S3或者S4闭合时各自的集电极和发射极之间的电压，当该电压高于一定阈值时判断对应的半导体开关器件S1、S2、S3或者S4出现短路故障。如此，通过监测上述情况例如监测特定半导体开关器件的电流电压，可以判断ANPC三电平桥臂730是否出现了短路故障，并及时通过控制断路开关SP的闭合和断开从而调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。另外，还可以监测流经断路开关SP的电流，当该电流大于一定阈值时，判断ANPC三电平桥臂730出现了短路故障。

请继续参阅图7，ANPC三电平电路700可以包括多个ANPC三电平桥臂730，其中每一个ANPC三电平桥臂730具有图7所示的结构，并且各自具有有三个输入端口。多个ANPC三电平桥臂730各自的输入端口并联连接于对应的图7所示的正极输入端口P’、负极输入端口N’和参考输入端口M’，从而使得多个ANPC三电平桥臂730构成并联关系。当多个ANPC三电平桥臂730均正常工作时，故障保护装置710的断路开关SP闭合；当多个ANPC三电平桥臂730中任意一个出现短路故障时，则故障保护装置710的断路开关SP断开，从而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。其中，判断多个ANPC三电平桥臂730中任意一个发生短路故障可以通过监测所有ANPC三电平桥臂730是否出现上述情况之一来实现。

应当理解的是，故障保护装置710所包括的控制器711与断路开关SP通信地连接并配置成用于控制断路开关SP的闭合和断开。控制器711可以带有对应的电路和部件从而监测上述短路故障的情况，也可以通过接口电路从外部接收指令。在一些示例性实施例中，控制器711可以与故障保护装置710分开提供，也就是作为一个单独的器件。除了上述提及的多种情况之外，还可以通过其它技术手段来判断半导体开关器件是否发生了短路故障。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

应当理解的是，图7所示的ANPC三电平桥臂730所包括的多个半导体开关器件以IGBT为例子，图7中示意性示出了这些半导体开关器件的各自的集电极和发射极。当这些半导体开关器件采用其它类型例如MOSFET时，则对应的将上述的集电极和发射极替换成漏极和源极。因此图7所示的集电极和发射极应理解成示意性表述这些半导体开关器件各自的第一传输电极和第二传输电极。

请参阅图8，图8示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的NPC三电平电路的原理框图。如图8所示，中点箝位(Neutral Point Clamped，NPC)三电平电路800包括故障保护装置810、电容桥臂820和NPC三电平桥臂830。其中，故障保护装置810包括断路开关SP，图8所示的断路开关SP可以对应图2至图5中任一实施例所示的断路开关SP或者这些实施例的任意可能组合或者变体。电容桥臂820有三个输出端口，分别是正极输出端口P、负极输出端口N和参考输出端口M。相对的，NPC三电平桥臂830有三个输入端口，分别是正极输入端口P’、负极输入端口N’和参考输入端口M’。其中，NPC三电平桥臂830还有对外输出端口O，用于向下一级负载或者外网提供输出的电平电压。其中，正极输出端口P与正极输入端口P’连接，负极输出端口N与负极输入端口N’连接，故障保护装置810的一端与参考输出端口M连接，另一端与参考输入端口M’连接。如此，电容桥臂820的各个输出端口和NPC三电平桥臂830的各个输入端口之间存在一一对应的连接关系，并且参考输出端口M通过故障保护装置810而间接地连接参考输入端口M’。应当理解的是，本申请实施例中提到的正极和负极只是相对的概念，是为了便于描述而指定一个端口为正极另一个端口为负极，不应理解成限制性。

请继续参阅图8，电容桥臂820包括两个电容C1和C2。电容C1和C2串联连接在正极输出端口P和负极输出端口N之间，电容C1和C2之间的中间节点连接参考输出端口M。NPC三电平桥臂830包括共计六个半导体器件，分别标记为S1、D2、D3、S4、S5和S6。其中，半导体器件S1、S4、S5和S6是半导体开关器件而半导体器件D2和D3是二极管。应当理解的是，NPC三电平桥臂830所包括的半导体开关器件S1、S4、S5和S6中的每一个半导体开关器件是成对的IGBT和与该IGBT成反并联关系连接的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体开关器件也可以采用其它具有类似功能的半导体器件来实现，例如MOSFET、GTR、GTO或者其它合适的器件，并且相应地配置成对的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体器件还可以采用HEMT，也称作MODFET，或者2-DEGFET，或者SDHT。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

请继续参阅图8，半导体开关器件S1和D2串联连接在正极输入端口P’和参考输入端口M’之间，半导体开关器件D3和S4串联连接在参考输入端口M’和负极输入端口N’之间。半导体开关器件D2和D3连接，并且半导体开关器件D2和D3之间的中间节点连接参考输入端口M’。半导体开关器件S5和S6串联连接之后分别连接半导体开关器件S1和D2之间的中间节点以及半导体开关器件D3和S4之间的中间节点。半导体开关器件S5和S6之间的中间节点连接NPC三电平桥臂830的对外输出端口O。其中，二极管D2的阳极连接参考输入端口M’，阴极连接半导体开关器件S1的发射极。二极管D3的阴极连接参考输入端口M’，阳极连接半导体开关器件S4的集电极。二极管D2的阳极和二极管D3的阴极连接。当半导体开关器件S1和S5导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S1和S5组成的支路连接正极输入端口P’，而正极输出端口P与正极输入端口P’连接，因此对外输出端口O输出的电压是施加在正极输出端口P的第一电压。当半导体开关器件S4和S6导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S4和S6组成的支路连接负极输入端口N’，而负极输出端口N与负极输入端口N’连接，因此对外输出端口O输出的电压是施加在负极输出端口N的第二电压。当半导体开关器件D2和S5导通时或者当半导体开关器件D3和S6导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件D2和S5组成的支路或者由半导体开关器件D3和S6组成的支路而连接参考输入端口M’，并且参考输出端口M通过故障保护装置810而间接地连接参考输入端口M’，因此对外输出端口O输出的电压是施加在参考输出端口M的第三电压。如此，通过控制NPC三电平桥臂830所包括的各个半导体开关器件的导通和关断，可以使得对外输出端口O输出的电压在施加在正极输出端口P的第一电压、施加在负极输出端口N的第二电压和施加在参考输出端口M的第三电压之间切换，实现三电平输出。

请继续参阅图8，当半导体开关器件D3和S4同时出现短路故障时，负极输入端口N’和参考输入端口M’之间相当于短路连接，而如果参考输出端口M与参考输入端口M’保持连接关系，则会导致电容C2被旁路化，这样正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C1上。当电容桥臂820采用对称性设计时，电容C1和C2分别承受的是正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压的一半，所以当正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C1时，可能导致电容C1承受正常设计的两倍电压，从而引起过压损坏，甚至扩散进而损坏电路以及设备，极大的降低电路的可靠性。类似地，当半导体开关器件S1和D2同时出现短路故障时，正极输入端口P’和参考输入端口M’之间相当于短路连接，而如果参考输出端口M与参考输入端口M’保持连接关系，则会导致电容C1被旁路化，这样正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C2上，从而引起过压损坏。为此，需要通过控制断路开关SP的闭合和断开从而调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系。具体地，可以通过监测以下情况之一从而判断是否出现半导体开关器件的短路故障：监测负极输入端口N’和参考输入端口M’之间的电压，当该电压低于一定阈值时判断半导体开关器件D3和S4同时出现短路故障；监测正极输入端口P’和参考输入端口M’之间的电压，当该电压低于一定阈值时判断半导体开关器件S1和D2同时出现短路故障；监测负极输入端口N’和参考输入端口M’之间的电压下降速率，当该电压下降速率高于一定阈值时判断半导体开关器件D3和S4同时出现短路故障；监测正极输入端口P’和参考输入端口M’之间的电压下降速率，当该电压下降速率高于一定阈值时判断半导体开关器件S1和D2同时出现短路故障；监测从正极输入端口P’流向负极输入端口N’并且经过半导体开关器件S1、D2、D3或者S4的电流，当该电流高于一定阈值时判断对应的半导体开关器件S1、D2、D3或者S4出现短路故障；监测当半导体开关器件S1或者S4闭合时各自的集电极和发射极之间的电压，当该电压高于一定阈值时判断对应的半导体开关器件S1或者S4出现短路故障。如此，通过监测上述情况例如监测特定半导体开关器件的电流电压，可以判断NPC三电平桥臂830是否出现了短路故障，并及时通过控制断路开关SP的闭合和断开从而调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。另外，还可以监测流经断路开关SP的电流，当该电流大于一定阈值时，判断NPC三电平桥臂830出现了短路故障。

请继续参阅图8，NPC三电平电路800可以包括多个NPC三电平桥臂830，其中每一个NPC三电平桥臂830具有图8所示的结构，并且各自具有有三个输入端口。多个NPC三电平桥臂830各自的输入端口并联连接于对应的图8所示的正极输入端口P’、负极输入端口N’和参考输入端口M’，从而使得多个NPC三电平桥臂830构成并联关系。当多个NPC三电平桥臂830均正常工作时，故障保护装置810的断路开关SP闭合；当多个NPC三电平桥臂830中任意一个出现短路故障时，则故障保护装置810的断路开关SP断开，从而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。其中，判断多个NPC三电平桥臂830中任意一个发生短路故障可以通过监测所有NPC三电平桥臂830是否出现上述情况之一来实现。

应当理解的是，故障保护装置810所包括的控制器811与断路开关SP通信地连接并配置成用于控制断路开关SP的闭合和断开。控制器811可以带有对应的电路和部件从而监测上述短路故障的情况，也可以通过接口电路从外部接收指令。在一些示例性实施例中，控制器811可以与故障保护装置810分开提供，也就是作为一个单独的器件。除了上述提及的多种情况之外，还可以通过其它技术手段来判断半导体开关器件是否发生了短路故障。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

应当理解的是，图8所示的NPC三电平桥臂830所包括的多个半导体开关器件以IGBT为例子，图8中示意性示出了这些半导体开关器件的各自的集电极和发射极。当这些半导体开关器件采用其它类型例如MOSFET时，则对应的将上述的集电极和发射极替换成漏极和源极。因此图8所示的集电极和发射极应理解成示意性表述这些半导体开关器件各自的第一传输电极和第二传输电极。

请参阅图9，图9示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的T型三电平电路的原理框图。如图9所示，T型三电平电路900包括故障保护装置910、电容桥臂920和T型三电平桥臂930。其中，故障保护装置910包括断路开关SP，图9所示的断路开关SP可以对应图2至图5中任一实施例所示的断路开关SP或者这些实施例的任意可能组合或者变体。电容桥臂920有三个输出端口，分别是正极输出端口P、负极输出端口N和参考输出端口M。相对的，T型三电平桥臂930有三个输入端口，分别是正极输入端口P’、负极输入端口N’和参考输入端口M’。其中，T型三电平桥臂930还有对外输出端口O，用于向下一级负载或者外网提供输出的电平电压。其中，正极输出端口P与正极输入端口P’连接，负极输出端口N与负极输入端口N’连接，故障保护装置910的一端与参考输出端口M连接，另一端与参考输入端口M’连接。如此，电容桥臂920的各个输出端口和T型三电平桥臂930的各个输入端口之间存在一一对应的连接关系，并且参考输出端口M通过故障保护装置910而间接地连接参考输入端口M’。应当理解的是，本申请实施例中提到的正极和负极只是相对的概念，是为了便于描述而指定一个端口为正极另一个端口为负极，不应理解成限制性。

请继续参阅图9，电容桥臂920包括两个电容C1和C2。电容C1和C2串联连接在正极输出端口P和负极输出端口N之间，电容C1和C2之间的中间节点连接参考输出端口M。T型三电平桥臂930包括共计四个半导体开关器件，分别标记为S1、S2、S3和S4。应当理解的是，T型三电平桥臂930所包括的半导体开关器件S1、S2、S3和S4中的每一个半导体开关器件是成对的IGBT和与该IGBT成反并联关系连接的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体开关器件也可以采用其它具有类似功能的半导体器件来实现，例如MOSFET、GTR、GTO或者其它合适的器件，并且相应地配置成对的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体器件还可以采用HEMT，也称作MODFET，或者2-DEGFET，或者SDHT。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

请继续参阅图9，半导体开关器件S1和S2串联连接在正极输入端口P’和负极输入端口N’之间，半导体开关器件S1和S2之间的中间节点连接对外输出端口O。半导体开关器件S3和S4串联连接在参考输入端口M’和对外输出端口O之间。其中，半导体开关器件S3和S4采用对项串联的方式连接在参考输入端口M’和对外输出端口O之间。也就是说，S3的发射极和S4的发射极互相连接，S3的集电极连接参考输入端口M’，S4的集电极连接对外输出端口O。在另一种实施方式中，S3和S4的位置也可以互换，只要保持各自的发射极互相连接，其中一个的集电极连接参考输入端口M’，而另一个的集电极连接对外输出端口O。当半导体开关器件S1导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S1组成的支路连接正极输入端口P’，而正极输出端口P与正极输入端口P’连接，因此对外输出端口O输出的电压是施加在正极输出端口P的第一电压。当半导体开关器件S2导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S2组成的支路连接负极输入端口N’，而负极输出端口N与负极输入端口N’连接，因此对外输出端口O输出的电压是施加在负极输出端口N的第二电压。当半导体开关器件S3和S4导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S3和S4组成的支路而连接参考输入端口M’，并且参考输出端口M通过故障保护装置910而间接地连接参考输入端口M’，因此对外输出端口O输出的电压是施加在参考输出端口M的第三电压。如此，通过控制T型三电平桥臂930所包括的各个半导体开关器件的导通和关断，可以使得对外输出端口O输出的电压在施加在正极输出端口P的第一电压、施加在负极输出端口N的第二电压和施加在参考输出端口M的第三电压之间切换，实现三电平输出。

请继续参阅图9，当半导体开关器件S2、S3和S4同时出现短路故障时，负极输入端口N’和参考输入端口M’之间相当于短路连接，而如果参考输出端口M与参考输入端口M’保持连接关系，则会导致电容C2被旁路化，这样正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C1上。当电容桥臂920采用对称性设计时，电容C1和C2分别承受的是正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压的一半，所以当正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C1时，可能导致电容C1承受正常设计的两倍电压，从而引起过压损坏，甚至扩散进而损坏电路以及设备，极大的降低电路的可靠性。类似地，当半导体开关器件S1、S3和S4同时出现短路故障时，正极输入端口P’和参考输入端口M’之间相当于短路连接，而如果参考输出端口M与参考输入端口M’保持连接关系，则会导致电容C1被旁路化，这样正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C2上，从而引起过压损坏。为此，需要通过控制断路开关SP的闭合和断开从而调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系。具体地，可以通过监测以下情况之一从而判断是否出现半导体开关器件的短路故障：监测负极输入端口N’和参考输入端口M’之间的电压，当该电压低于一定阈值时判断半导体开关器件S2、S3和S4同时出现短路故障；监测正极输入端口P’和参考输入端口M’之间的电压，当该电压低于一定阈值时判断半导体开关器件S1、S3和S4同时出现短路故障；监测负极输入端口N’和参考输入端口M’之间的电压下降速率，当该电压下降速率高于一定阈值时判断半导体开关器件S2、S3和S4同时出现短路故障；监测正极输入端口P’和参考输入端口M’之间的电压下降速率，当该电压下降速率高于一定阈值时判断半导体开关器件S1、S3和S4同时出现短路故障；监测从正极输入端口P’流向负极输入端口N’并且经过半导体开关器件S1或者S2的电流，当该电流高于一定阈值时判断对应的半导体开关器件S1或者S2出现短路故障；监测当半导体开关器件S1、S2、S3或者S4闭合时各自的集电极和发射极之间的电压，当该电压高于一定阈值时判断对应的半导体开关器件S1、S2、S3或者S4出现短路故障。如此，通过监测上述情况例如监测特定半导体开关器件的电流电压，可以判断T型三电平桥臂930是否出现了短路故障，并及时通过控制断路开关SP的闭合和断开从而调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。另外，还可以监测流经断路开关SP的电流，当该电流大于一定阈值时，判断T型三电平桥臂930出现了短路故障。

请继续参阅图9，T型三电平桥臂930可以包括多个T型三电平桥臂930，其中每一个T型三电平桥臂930具有图9所示的结构，并且各自具有有三个输入端口。多个T型三电平桥臂930各自的输入端口并联连接于对应的图9所示的正极输入端口P’、负极输入端口N’和参考输入端口M’，从而使得多个T型三电平桥臂930构成并联关系。当多个T型三电平桥臂930均正常工作时，故障保护装置910的断路开关SP闭合；当多个T型三电平桥臂930中任意一个出现短路故障时，则故障保护装置910的断路开关SP断开，从而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。其中，判断多个T型三电平桥臂930中任意一个发生短路故障可以通过监测所有T型三电平桥臂930是否出现上述情况之一来实现。

应当理解的是，故障保护装置910所包括的控制器911与断路开关SP通信地连接并配置成用于控制断路开关SP的闭合和断开。控制器911可以带有对应的电路和部件从而监测上述短路故障的情况，也可以通过接口电路从外部接收指令。在一些示例性实施例中，控制器911可以与故障保护装置910分开提供，也就是作为一个单独的器件。除了上述提及的多种情况之外，还可以通过其它技术手段来判断半导体开关器件是否发生了短路故障。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

应当理解的是，图9所示的T型三电平桥臂930所包括的多个半导体开关器件以IGBT为例子，图9中示意性示出了这些半导体开关器件的各自的集电极和发射极。当这些半导体开关器件采用其它类型例如MOSFET时，则对应的将上述的集电极和发射极替换成漏极和源极。因此图9所示的集电极和发射极应理解成示意性表述这些半导体开关器件各自的第一传输电极和第二传输电极。

请参阅图10，图10示出了本申请实施例提供的带有故障保护装置的五电平电路的原理框图。如图10所示，五电平电路1000包括故障保护装置1010、电容桥臂1020和五电平桥臂1030。其中，故障保护装置1010包括断路开关SP，图10所示的断路开关SP可以对应图2至图5中任一实施例所示的断路开关SP或者这些实施例的任意可能组合或者变体。电容桥臂1020有三个输出端口，分别是正极输出端口P、负极输出端口N和参考输出端口M。相对的，五电平桥臂1030有三个输入端口，分别是正极输入端口P’、负极输入端口N’和参考输入端口M’。其中，五电平桥臂1030还有对外输出端口O，用于向下一级负载或者外网提供输出的电平电压。其中，正极输出端口P与正极输入端口P’连接，负极输出端口N与负极输入端口N’连接，故障保护装置1010的一端与参考输出端口M连接，另一端与参考输入端口M’连接。如此，电容桥臂1020的各个输出端口和五电平桥臂1030的各个输入端口之间存在一一对应的连接关系，并且参考输出端口M通过故障保护装置1010而间接地连接参考输入端口M’。应当理解的是，本申请实施例中提到的正极和负极只是相对的概念，是为了便于描述而指定一个端口为正极另一个端口为负极，不应理解成限制性。

请继续参阅图10，电容桥臂1020包括两个电容C1和C2。电容C1和C2串联连接在正极输出端口P和负极输出端口N之间，电容C1和C2之间的中间节点连接参考输出端口M。五电平桥臂1030包括共计八个半导体开关器件，分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8。应当理解的是，五电平桥臂1030所包括的半导体开关器件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8中的每一个半导体开关器件是成对的IGBT和与该IGBT成反并联关系连接的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体开关器件也可以采用其它具有类似功能的半导体器件来实现，例如MOSFET、GTR、GTO或者其它合适的器件，并且相应地配置成对的二极管。在一些示例性实施例中，这些半导体器件还可以采用HEMT，也称作MODFET，或者2-DEGFET，或者SDHT。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

请继续参阅图10，半导体开关器件S1和S2串联连接在正极输入端口P’和参考输入端口M’之间，半导体开关器件S3和S4串联连接在参考输入端口M’和负极输入端口N’之间。半导体开关器件S2和S3连接，并且半导体开关器件S2和S3之间的中间节点连接参考输入端口M’。半导体开关器件S5和S7串联连接之后分别连接半导体开关器件S1和S2之间的中间节点以及五电平桥臂1030的外输出端口O。半导体开关器件S6和S8串联连接之后分别连接半导体开关器件S3和S4之间的中间节点以及五电平桥臂1030的外输出端口O。半导体开关器件S7和S9连接，并且半导体开关器件S7和S8之间的中间节点连接五电平桥臂1030的外输出端口O。半导体开关器件S1、S2、S3和S4串联连接在正极输入端口P’和负极输入端口N’之间。半导体开关器件S5、S7、S8和S6串联连接在半导体开关器件S1和S2之间的中间节点以及半导体开关器件S3和S4之间的中间节点之间。五电平桥臂1030还包括两个电容Ca和Cb。其中，电容Ca一端连接半导体开关器件S2和S5之间的中间节点，另一端连接半导体开关器件S3和S6之间的中间节点。电容Cb一端连接半导体开关器件S5和S7之间的中间节点，另一端连接半导体开关器件S6和S8之间的中间节点。当半导体开关器件S1、S5和S7导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S1、S5和S7组成的支路连接正极输入端口P’，而正极输出端口P与正极输入端口P’连接，因此对外输出端口O输出的电压是施加在正极输出端口P的第一电压。当半导体开关器件S4、S6和S8导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S4、S6和S8组成的支路连接负极输入端口N’，而负极输出端口N与负极输入端口N’连接，因此对外输出端口O输出的电压是施加在负极输出端口N的第二电压。当半导体开关器件S2、S5和S7导通时或者当半导体开关器件S3、S6和S8导通时，对外输出端口O通过由半导体开关器件S2、S5和S7组成的支路或者由半导体开关器件S3、S6和S8组成的支路而连接参考输入端口M’，并且参考输出端口M通过故障保护装置1010而间接地连接参考输入端口M’，因此对外输出端口O输出的电压是施加在参考输出端口M的第三电压。如此，通过控制五电平桥臂1030所包括的各个半导体开关器件的导通和关断，可以使得对外输出端口O输出的电压在施加在正极输出端口P的第一电压、施加在负极输出端口N的第二电压和施加在参考输出端口M的第三电压之间切换，实现三电平输出。另外，通过结合电容Ca和Cb可以组成分压支路或者结合控制信号设计，从而进一步提供第四电平和第五电平的输出，这些可以基于常规技术得到，在此不再赘述。

请继续参阅图10，当半导体开关器件S3和S4同时出现短路故障时，负极输入端口N’和参考输入端口M’之间相当于短路连接，而如果参考输出端口M与参考输入端口M’保持连接关系，则会导致电容C2被旁路化，这样正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C1上。当电容桥臂1020采用对称性设计时，电容C1和C2分别承受的是正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压的一半，所以当正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C1时，可能导致电容C1承受正常设计的两倍电压，从而引起过压损坏，甚至扩散进而损坏电路以及设备，极大的降低电路的可靠性。类似地，当半导体开关器件S1和S2同时出现短路故障时，正极输入端口P’和参考输入端口M’之间相当于短路连接，而如果参考输出端口M与参考输入端口M’保持连接关系，则会导致电容C1被旁路化，这样正极输出端口P和负极输出端口N之间的电压就全部施加在电容C2上，从而引起过压损坏。为此，需要通过控制断路开关SP的闭合和断开从而调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系。具体地，可以通过监测以下情况之一从而判断是否出现半导体开关器件的短路故障：监测负极输入端口N’和参考输入端口M’之间的电压，当该电压低于一定阈值时判断半导体开关器件S3和S4同时出现短路故障；监测正极输入端口P’和参考输入端口M’之间的电压，当该电压低于一定阈值时判断半导体开关器件S1和S2同时出现短路故障；监测负极输入端口N’和参考输入端口M’之间的电压下降速率，当该电压下降速率高于一定阈值时判断半导体开关器件S3和S4同时出现短路故障；监测正极输入端口P’和参考输入端口M’之间的电压下降速率，当该电压下降速率高于一定阈值时判断半导体开关器件S1和S2同时出现短路故障；监测从正极输入端口P’流向负极输入端口N’并且经过半导体开关器件S1、S2、S3或者S4的电流，当该电流高于一定阈值时判断对应的半导体开关器件S1、S2、S3或者S4出现短路故障；监测当半导体开关器件S1、S2、S3或者S4闭合时各自的集电极和发射极之间的电压，当该电压高于一定阈值时判断对应的半导体开关器件S1、S2、S3或者S4出现短路故障。如此，通过监测上述情况例如监测特定半导体开关器件的电流电压，可以判断五电平桥臂1030是否出现了短路故障，并及时通过控制断路开关SP的闭合和断开从而调整参考输出端口M与参考输入端口M’之间的连接关系，进而避免半母线电容过压损坏和提高电路的可靠性。另外，还可以监测流经断路开关SP的电流，当该电流大于一定阈值时，判断五电平桥臂1030出现了短路故障。

应当理解的是，故障保护装置1010所包括的控制器1011与断路开关SP通信地连接并配置成用于控制断路开关SP的闭合和断开。控制器1011可以带有对应的电路和部件从而监测上述短路故障的情况，也可以通过接口电路从外部接收指令。在一些示例性实施例中，控制器1011可以与故障保护装置1010分开提供，也就是作为一个单独的器件。除了上述提及的多种情况之外，还可以通过其它技术手段来判断半导体开关器件是否发生了短路故障。这些可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。

应当理解的是，图10所示的五电平电路1000所包括的多个半导体开关器件以IGBT为例子，图10中示意性示出了这些半导体开关器件的各自的集电极和发射极。当这些半导体开关器件采用其它类型例如MOSFET时，则对应的将上述的集电极和发射极替换成漏极和源极。因此图10所示的集电极和发射极应理解成示意性表述这些半导体开关器件各自的第一传输电极和第二传输电极。

本申请提供的具体实施例可以用硬件，软件，固件或固态逻辑电路中的任何一种或组合来实现，并且可以结合信号处理，控制和/或专用电路来实现。本申请具体实施例提供的设备或装置可以包括一个或多个处理器(例如，微处理器，控制器，数字信号处理器(DSP)，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)等)，这些处理器处理各种计算机可执行指令从而控制设备或装置的操作。本申请具体实施例提供的设备或装置可以包括将各个组件耦合在一起的系统总线或数据传输系统。系统总线可以包括不同总线结构中的任何一种或不同总线结构的组合，例如存储器总线或存储器控制器，外围总线，通用串行总线和/或利用多种总线体系结构中的任何一种的处理器或本地总线。本申请具体实施例提供的设备或装置可以是单独提供，也可以是系统的一部分，也可以是其它设备或装置的一部分。

本申请提供的具体实施例可以包括计算机可读存储介质或与计算机可读存储介质相结合，例如能够提供非暂时性数据存储的一个或多个存储设备。计算机可读存储介质/存储设备可以被配置为保存数据，程序器和/或指令，这些数据，程序器和/或指令在由本申请具体实施例提供的设备或装置的处理器执行时使这些设备或装置实现有关操作。计算机可读存储介质/存储设备可以包括以下一个或多个特征：易失性，非易失性，动态，静态，可读/写，只读，随机访问，顺序访问，位置可寻址性，文件可寻址性和内容可寻址性。在一个或多个示例性实施例中，计算机可读存储介质/存储设备可以被集成到本申请具体实施例提供的设备或装置中或属于公共系统。计算机可读存储介质/存储设备可以包括光存储设备，半导体存储设备和/或磁存储设备等等，也可以包括随机存取存储器(RAM)，闪存，只读存储器(ROM)，可擦可编程只读存储器(EPROM)，电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，寄存器，硬盘，可移动磁盘，可记录和/或可重写光盘(CD)，数字多功能光盘(DVD)，大容量存储介质设备或任何其他形式的合适存储介质。

以上是本申请实施例的实施方式，应当指出，本申请具体实施例描述的方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。可以理解的是，本申请实施例以及附图所示的结构并不构成对有关装置或系统的具体限定。在本申请另一些实施例中，有关装置或系统可以包括比具体实施例和附图更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者具有不同的部件布置。本领域技术人员将理解，在不脱离本申请具体实施例的精神和范围的情况下，可以对具体实施例记载的方法和设备的布置，操作和细节进行各种修改或变化；在不脱离本申请实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (25)

1.一种光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括：

电容桥臂，其中，所述电容桥臂包括正极输出端口、负极输出端口和在所述正极输出端口和所述负极输出端口之间的参考输出端口；

逆变桥臂，其中，所述逆变桥臂包括正极输入端口、负极输入端口和在所述正极输入端口和所述负极输入端口之间的参考输入端口，所述正极输入端口与所述正极输出端口连接，所述负极输入端口与所述负极输出端口连接；以及

故障保护装置，其中，所述参考输入端口通过所述故障保护装置与所述参考输出端口连接，所述故障保护装置根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况或电流的大小或变化情况而关断。

2.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其特征在于，所述故障保护装置根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况而关断，包括：

当所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压低于第一阈值时，所述故障保护装置断开；或

当所述正极输入端口和所述参考输入端口之间的电压低于第二阈值时，所述故障保护装置断开；或

当所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压下降速率高于第三阈值时，所述故障保护装置断开；或

当所述正极输入端口和所述参考输入端口之间的电压下降速率高于第四阈值时，所述故障保护装置断开。

3.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其特征在于，所述故障保护装置还根据流经所述故障保护装置的电流而关断。

4.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其特征在于，所述逆变桥臂还包括连接在所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的至少一个开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述至少一个开关器件的电流或者施加在所述至少一个开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述故障保护装置包括主断路器，其中，所述主断路器包括第一开关晶体管和第二开关晶体管，所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管按照对项串联的方式连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，所述故障保护装置通过控制所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管的导通和关断来闭合和断开。

6.根据权利要求5所述的光伏发电系统，其特征在于，所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管是MOSFET、IGBT、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

7.根据权利要求5所述的光伏发电系统，其特征在于，所述故障保护装置还包括：

高阻抗器件，其中，所述高阻抗器件和所述主断路器并联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间。

8.根据权利要求7所述的光伏发电系统，其特征在于，所述高阻抗器件是热敏电阻。

9.根据权利要求5所述的光伏发电系统，其特征在于，所述故障保护装置还包括：

压敏电阻，其中，所述压敏电阻和所述主断路器并联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间。

10.根据权利要求9所述的光伏发电系统，其特征在于，所述故障保护装置还包括：

高速机械开关，其中，所述高速机械开关、所述压敏电阻和所述主断路器一起并联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，所述高速机械开关在所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管导通之后闭合，所述高速机械开关在所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管关断之前断开。

11.根据权利要求9所述的光伏发电系统，其特征在于，所述故障保护装置还包括：

高速机械开关，和

辅助断路器，其中，所述辅助断路器包括第三开关晶体管和第四开关晶体管，所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管按照对项串联的方式连接之后与所述高速机械开关串联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，

所述高速机械开关和所述辅助断路器串联连接之后与所述压敏电阻和所述主断路器一起并联连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，

所述辅助断路器的所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管以及所述高速机械开关在所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管导通之后闭合，所述高速机械开关在所述主断路器的所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管关断之前断开，所述辅助断路器的所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管在所述高速机械开关断开之前关断。

12.根据权利要求11所述的光伏发电系统，其特征在于，所述第三开关晶体管和所述第四开关晶体管是MOSFET、IGBT、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述逆变桥臂包括ANPC三电平桥臂，所述ANPC三电平桥臂包括串联连接在所述正极输入端口和所述参考输入端口之间以及串联连接在所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的多个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述多个半导体开关器件的电流或者施加在所述多个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

14.根据权利要求13所述的光伏发电系统，其特征在于，所述多个半导体开关器件是IGBT、MOSFET、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述逆变桥臂包括NPC三电平桥臂，所述NPC三电平桥臂包括串联连接在所述正极输入端口和所述参考输入端口之间以及串联连接在所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的多个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述多个半导体开关器件的电流或者施加在所述多个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

16.根据权利要求15所述的光伏发电系统，其特征在于，所述多个半导体开关器件是IGBT、MOSFET、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述逆变桥臂包括T型三电平桥臂，所述T型三电平桥臂包括串联连接在所述正极输入端口和所述负极输入端口之间的多个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述多个半导体开关器件的电流或者施加在所述多个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

18.根据权利要求17所述的光伏发电系统，其特征在于，所述多个半导体开关器件是IGBT、MOSFET、GTR、GTO、HEMT、MODFET、2-DEGFET或者SDHT。

19.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述逆变桥臂包括五电平桥臂，所述五电平桥臂包括串联连接在所述正极输入端口和所述参考输入端口之间以及串联连接在所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的多个半导体开关器件，所述故障保护装置还根据流经所述多个半导体开关器件的电流或者施加在所述多个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而关断。

20.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述故障保护装置是机械开关。

21.一种故障保护装置的控制方法，应用于光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括电容桥臂、逆变桥臂和所述故障保护装置，其中，所述电容桥臂包括正极输出端口、负极输出端口和在所述正极输出端口和所述负极输出端口之间的参考输出端口，所述逆变桥臂包括正极输入端口、负极输入端口和在所述正极输入端口和所述负极输入端口之间的参考输入端口，所述正极输入端口与所述正极输出端口连接，所述负极输入端口与所述负极输出端口连接，所述参考输入端口通过所述故障保护装置与所述参考输出端口连接，所述方法包括：

根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况或电流的大小或变化情况而控制所述故障保护装置关断。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，根据所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压的大小或变化情况而控制所述故障保护装置关断，包括：

当所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压低于第一阈值时，所述故障保护装置断开；或

当所述正极输入端口和所述参考输入端口之间的电压低于第二阈值时，所述故障保护装置断开；或

当所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的电压下降速率高于第三阈值时，所述故障保护装置断开；或

当所述正极输入端口和所述参考输入端口之间的电压下降速率高于第四阈值时，所述故障保护装置断开。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据流经所述故障保护装置的电流而控制所述故障保护装置关断。

24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述逆变桥臂还包括连接在所述正极输入端口或者所述负极输入端口和所述参考输入端口之间的至少一个半导体开关器件，所述方法还包括：

根据流经所述至少一个半导体开关器件的电流或者施加在所述至少一个半导体开关器件的第一传输电极和第二传输电极之间的电压而控制所述故障保护装置关断。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述故障保护装置包括主断路器，其中，所述主断路器包括第一开关晶体管和第二开关晶体管，所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管按照对项串联的方式连接在所述参考输出端口和所述参考输入端口之间，所述方法还包括：

通过控制所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管的导通和关断来控制所述故障保护装置闭合和断开。

Images