CN115954851A - 一种直流母线过电压保护电路及其监测与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流母线过电压保护电路，包括卸载电阻状态监测电路、尖峰电压回路单元、第一IGBT单管、驱动电路、传感器、控制器。本发明还公开了一种直流母线过电压保护电路的监测与控制方法，本发明所需器件少且同时具备卸载电阻状态监测与定位、直流母线过电压控制和IGBT尖峰电压抑制功能，能提升发电机组故障穿越能力、新能源发电机组的运行安全性和IGBT的抗扰动性能及可靠性。

Description

一种直流母线过电压保护电路及其监测与控制方法

技术领域

本发明涉及电路领域，具体涉及一种直流母线过电压保护电路及其监测与控制方法。

背景技术

随着能源危机、环境污染和气候变化等问题的日益突出，大力发展新能源已成为世界各国贯彻国家能源安全和低碳化战略的重大需求。不同于传统发电，新能源发电广泛采用电力电子变换器接入电网，对电网电压波动的抗扰性差，易于故障穿越失败而发生风电大面积连锁脱网事故，严重危害电力系统的安全稳定运行，因此各国都出台了要求风电机组具备故障穿越能力的并网导则。

电网电压骤变（跌落和骤升）期间保持直流母线电压的稳定是新能源发电系统实现故障穿越的前提条件。目前新能源发电系统的传统直流母线电压保护电路是Chopper电路，如图1、图2及图3所示。

新能源发电系统直流母线电压Chopper保护电路由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和负载电阻构成，其主要工作原理是：在电网电压骤变期间，如果直流母线电压（ V _dc）超过1.2倍的额定电压，IGBT导通，通过负载电阻R消耗直流支撑电容C中能量，从而避免电容C两端电压过高，造成支撑电容C和逆变器的损坏；当 V _dc低于1.2倍的额定电压时，IGBT关闭。

传统Chopper电路存在方面的不足。

（1）极端故障状态下故障穿越能力失败风险高。负载电阻值的选择对于Chopper电路的保护效果具有重要作用。当电网故障程度较轻时，若负载电阻值较小，可能造成IGBT频繁投入和关断，一方面会造成直流母线电压抖震，另一方面IGBT会在短时间内频繁产生较大的尖峰电压，因其超过IGBT的耐受电压而造成IGBT的损坏。当电网故障程度较严重时，若负载电阻值较大，无法实现对直流母线过电压的有效抑制，一方面因直流母线电压过高触发机组安全链动作，导致风电机组解列；另一方面，直流电压过高会造成风电机组转速不断加速，导致风电机组因转速飞车而故障穿越失败。因此，如何根据不同的故障程度选择投入不同的负载电阻是提升chopper电路故障穿越能力的关键。

（2）传统Chopper电路无法实现对负载电阻状态监测。根据某发电集团新能源发电系统故障脱网事故统计分析，由故障前负载电阻失效导致的机组脱网占比30%。因此，如果实现对负载电阻状态实时诊断是提升风电机组故障穿越能力和发电效益的重要举措。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种直流母线过电压保护电路及其监测与控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种直流母线过电压保护电路，包括卸载电阻状态监测电路、尖峰电压回路单元、直流母线过压保护电路、第一IGBT单管、驱动电路、传感器、控制器；

所述直流母线过压保护电路包括串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间的第一IGBT单管、第一负载电阻、第二负载电阻；

所述卸载电阻状态监测电路包括第四二极管、辅助电源和第二IGBT单管，第四二极管的正极和负极分别连接辅助电源和第一IGBT单管的发射极，第二IGBT单管由并联的第二三极管、第二二极管组成，第二负载电阻与第二IGBT单管并联，且第二IGBT单管的发射极与直流母线负极U_dc-电连接；

所述尖峰电压回路单元包括依次串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间的回收电阻和电容组成的RC电路，回收电阻与第三二极管并联，第三二极管的正极电连接直流母线正极U_dc+，电容电连接直流母线负极U_dc-；

所述传感器用于监测经过辅助电源电流i_L1、电容充电电流i_L2、直流母线电压U_dc及U_dc的变化率；并反馈给控制器，所述控制器通过所述驱动电路控制第一IGBT单管和第二IGBT单管的开闭。

如上所述的第一IGBT单管与第一负载电阻、第二负载电阻串联形成直流母线电压Chopper保护电路。

如上所述的第一IGBT单管由并联的第一三极管、第一二极管组成。

如上所述控制器在电容充电电流i_L2不为0时，控制第一IGBT单管和第二IGBT单管断开，使电容充电或放电；

所述控制器在电容充电电流i_L2为0，且直流母线电压U_dc小于阈值时，使第一IGBT单管和第二IGBT单管闭合，根据辅助电源电流i_L1,进行卸载电阻状态监测；

所述控制器在电容电容充电电流i_L2为0，且直流母线电压U_dc不小于阈值时，若直流母线电压变化率dU_dc/dt不小于直流母线变化率阈值λrate，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通；若直流母线电压变化率dU_dc/dt＜λrate，则所述控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开。

如上所述控制器根据辅助电源电流i_L1,进行卸载电阻状态监测，包括：判断辅助电源电流是否等于0；若辅助电源电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻和第二负载电阻均处于正常状态，此时所述控制器使第二IGBT单管断开；若辅助电源电流i_L1=0，则所述控制器使第二IGBT单管导通，若电流i_L1≠0，则输出第二负载电阻故障，若电流i_L1=0，则输出第一负载电阻故障或者第一负载电阻、第二负载电阻均故障。

如上所述的一种直流母线过电压保护电路的监测与控制方法，包括如下步骤：

S01：所述控制器判断所述电容充电电流i_L2是否等于0；

S02：若电流i_L2=0，则判断直流母线电压U_dc是否不小于预设触发阈值U_Fset；若直流母线电压U_dc<预设触发阈值U_Fset，则进行卸载电阻状态监测，此时所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管均闭合；若直流母线电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，则进行直流母线过压保护；

S03：卸载电阻状态监测：判断辅助电源电流i_L1是否等于0；若辅助电源电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻和第二负载电阻均处于正常状态，此时所述控制器使第二IGBT单管断开；若辅助电源电流i_L1=0，则所述控制器使导通第二IGBT单管，若电流i_L1≠0，则表明第二负载电阻故障，若电流i_L1=0，则第一负载电阻故障或者第一负载电阻、第二负载电阻均故障；

S04：直流母线过压保护：若直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通；若直流母线电压变化率dU_dc/dt＜λrate，则所述控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开，λrate为直流母线变化率阈值；

S05：若电流i_L2≠0，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管由导通到断开，在电流i_L2>0时，对电容进行充电，在电流i_L2<0时，通过回收电阻消耗电容中存储的能量。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）所提出的直流母线过电压保护电路所需器件数量少，且同时具备卸载电阻状态监测与定位、直流母线过电压控制和IGBT尖峰电压抑制三个功能，具有较大的性价比和市场前景。

（2）所提出的直流母线过压控制策略能够根据发电机组直流母线变化情况自动选择不同负载电阻投入模式，一方面能够有效降低直流母线电压的频繁抖震，另一方面能够避免极端情况下因直流母线过电压或机组转速飞车引起的故障穿越失败，提升了发电机组故障穿越能力。

（3）所提出的直流母线过电压保护电路中卸载电阻状态监测电路能够对负载电阻状态开展实时自动监测，实现对负载电阻失效状态的预防和精准定位，为负载电阻的运维提供决策支撑，避免因负载电阻失效造成Chopper电路在故障期间无法动作，提升了新能源发电机组的运行安全性。

（4）所提出的直流母线过电压保护电路包括了尖峰电压回路单元，提升了IGBT的抗扰动性能和可靠性。

附图说明

图1为双馈感应风力发电系统；

图2为永磁直驱风力发电系统；

图3为光伏发电系统；

图4为本发明整体结构电路图；

图5为本发明功能架构图；

图6为本发明控制逻辑框图；

图7为第一负载电阻R1和第二负载电阻R2正常状态下本发明运行状态图；

图8为第二负载电阻R2故障下本发明运行状态图；

图9为本发明直流母线过压保护小负荷模式下运行状态图；

图10为本发明直流母线过压保护大负荷模式下运行状态图；

图11为本发明尖峰电压回路单元吸收模式下运行状态图；

图12为本发明尖峰电压回路单元耗能模式下运行状态图；

图13为本发明卸载电阻状态监测与定位功能控制策略图；

图14为本发明直流母线过电压保护功能控制策略图；

附图标记：S1-第一三极管；S2-第二三极管；UPS-辅助电源；VD1-第一二极管；VD2-第二二极管；VD3-第三二极管；VD4-第四二极管；R1-第一负载电阻；R2-第二负载电阻；R3-回收电阻；C-电容。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决传统Chopper电路存在的不足，本发明公开了一种直流母线过电压保护电路，如图4所示，包括直流母线过压保护电路、卸载电阻状态监测电路、尖峰电压回路单元、第一IGBT单管、驱动电路、传感器、控制器，直流母线过压保护电路包括串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间的第一IGBT单管、第一负载电阻R、第二负载电阻R2；

卸载电阻状态监测电路包括第四二极管VD4、辅助电源UPS和第二IGBT单管，第四二极管VD4的正极和负极分别连接辅助电源UPS和第一IGBT单管的发射极，第二IGBT单管由并联的第二三极管S2、第二二极管VD2组成，第二负载电阻R2与第二IGBT单管并联，且第二IGBT单管的发射极与直流母线负极U_dc-电连接；

尖峰电压回路单元包括依次串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间的回收电阻R3和电容C组成的RC电路，回收电阻R3与第三二极管VD3并联，第三二极管VD3的正极电连接直流母线正极U_dc+，电容C电连接直流母线负极U_dc-；

第一IGBT单管由并联的第一三极管S1、第一二极管VD1组成。

所述传感器用于监测经过辅助电源UPS电流i_L1、电容C充电电流i_L2、直流母线电压U_dc及U_dc的变化率；并反馈给控制器，所述控制器通过所述驱动电路控制第一IGBT单管和第二IGBT单管的开闭。

U_C是尖峰电压回路单元电容C两端电压；不间断电源UPS是幅值为Uups=12V的辅助电源。

卸载电阻状态监测电路的功能是实时诊断评估第一负载电阻R1、第二负载电阻R2的运行状态，根据运行状态确定第一负载电阻R1、第二负载电阻R2的检修计划，确保第一负载电阻R1、第二负载电阻R2正常运行，在电网故障时能够卸载直流母线支撑电容存储的能量，实现对直流母线过电压抑制。

第一IGBT单管由并联的第一三极管S1、第一二极管VD1组成，所述第一IGBT单管、第一负载电阻R1与第二负载电阻R2串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间形成直流母线过压保护电路。直流母线过压保护电路主要功能根据直流母线电压不同幅值和电压变化率，确定直流母线过压保护电路的不同运行策略，实现对直流母线过电压的多策略协同保护。

尖峰电压回路单元（RCD）的功能是在极端运行工况下，主回路电流在第一IGBT单管或第二IGBT单管断开时通过第三二极管VD3为电容C充电，避免第一IGBT单管和第二IGBT单管关断时产生很大的尖峰电压，超过第一IGBT单管（第二IGBT单管）的可承受耐受电压范围而造成第一IGBT单管(第二IGBT单管)损坏。同时在瞬态过程后通过回收电阻R3消耗电容C中存储的能量，从而使电容C两端的电压下降到直流母线电压。

本发明控制工作原理及工作过程

根据直流母线电压U_dc大小，一种直流母线过电压保护电路自动切换到相应功能模式，其控制逻辑如图6所示。

控制器判断电容C充电电流i_L2是否等于0；若电流i_L2=0，则判断直流母线电压U_dc是否不小于预设触发阈值U_Fset，若直流母线电压U_dc<预设触发阈值U_Fset，则进行卸载电阻状态监测，此时控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管均闭合；若直流母线电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，则进行直流母线过压保护。

（1）卸载电阻状态监测与定位方法

电网正常运行状态下，直流母线电压U_dc＜预设触发阈值U_Fset，控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管均闭合。

控制器根据辅助电源UPS电流i_L1进行卸载电阻状态监测，包括判断辅助电源UPS电流i_L1是否等于0：

若辅助电源UPS电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻R1和第二负载电阻R2均处于正常状态，由于Uups>U_dc-，第四二极管VD4将导通，辅助电源UPS、第一负载电阻R1、第二负载电阻R2构成通路，此时控制器使第二IGBT单管断开，则电流i_L1的大小由式（1）决定，此时本发明运行状态如图7所示。

若辅助电源UPS电流i_L1=0，则表明第一负载电阻R1和第二负载电阻R2至少有一个故障失效，第四二极管VD4断开；此时可通过触发第二IGBT单管来定位卸载电阻状态监测电路的故障位置，所述控制器使第二IGBT单管导通，在第二IGBT单管导通情况下，若电流i_L1≠0，则输出第二负载电阻故障，且其电流可由式（2）决定，此时本发明运行状态如图8所示，若电流i_L1=0，则输出第一负载电阻R1故障或者第一负载电阻R1、第二负载电阻R2均故障。

卸载电阻状态监测与定位功能控制策略图如图13所示。

（2）直流母线过压保护原理与控制策略

电网发生短路故障状态下，若直流母线电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，立刻触发直流母线过电压保护功能，并根据直流母线电压幅值变化速率，决定直流母线过电压保护的控制策略。

若直流母线电压变化率dU_dc/dt<λrate时，说明电网故障属于中等程度故障，故障过程新能源发电机组直流母线支撑电容以中等速度存储容量，为了避免直流母线过电压保护功能在投入与退出之间频率切换造成的直流母线电压抖震问题，直流母线过电压保护工作于小负荷模式，此时控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开，λrate为直流母线变化率阈值。此时本发明运行状态如图9所示。

若直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate时，说明电网故障属于严重程度故障，故障过程新能源发电机组直流母线支撑电容将集聚大量能量，为了避免直流母线电压快速上升造成电容损坏和发电机组转速加速引起的机组飞车问题，直流母线过电压保护工作于大负荷模式，控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通，λrate为直流母线变化率阈值。此时本发明运行状态如图10所示。直流母线过电压保护功能控制策略图如图14所示。

（3）尖峰电压保护工作原理

控制器判断电容C充电电流i_L2是否等于0，若电流i_L2≠0，则控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管由导通到断开。

在电流i_L2>0时，尖峰电压回路单元工作于吸收模式，即原来流过第一IGBT单管\第二IGBT单管寄生电感的电流通过尖峰电压回路单元分流，从而将第一IGBT单管\第二IGBT单管寄生电感上的储能部分转移到电容C上，对电容C进行充电，避免在期间突然关断时，第一IGBT单管\第二IGBT单管两端产生的尖峰电压Ucep=di/dt的值过大，保护IGBT工作在可耐受电压范围内，此时本发明运行状态如图11所示。

在电流i_L2<0时，充电过程结束，由于电容C两端电压U_C电压值高于直流母线电压U_dc，存储在电容C上的能量通过回收电阻R3释放，从而使电容C两端的电压下降到直流母线电压，此时本发明运行状态如图12所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种直流母线过电压保护电路，其特征在于，包括卸载电阻状态监测电路、直流母线过压保护电路、尖峰电压回路单元、第一IGBT单管、驱动电路、传感器、控制器；

所述直流母线过压保护电路包括串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间的第一IGBT单管、第一负载电阻（R1）、第二负载电阻（R2）；

所述卸载电阻状态监测电路包括第四二极管（VD4）、辅助电源（UPS）和第二IGBT单管，第四二极管（VD4）的正极和负极分别连接辅助电源（UPS）和第一IGBT单管的发射极，第二IGBT单管由并联的第二三极管（S2）、第二二极管（VD2）组成，第二负载电阻（R2）与第二IGBT单管并联，且第二IGBT单管的发射极与直流母线负极U_dc-电连接；

所述尖峰电压回路单元包括依次串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间的回收电阻（R3）和电容（C）组成的RC电路，回收电阻（R3）与第三二极管（VD3）并联，第三二极管（VD3）的正极电连接直流母线正极U_dc+，电容（C）电连接直流母线负极U_dc-；

所述传感器用于监测经过辅助电源（UPS）电流i_L1、电容（C）充电电流i_L2、直流母线电压U_dc及U_dc的变化率；并反馈给控制器，所述控制器通过所述驱动电路控制第一IGBT单管和第二IGBT单管的开闭。

2.根据权利要求1所述的一种直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述的第一IGBT单管与第一负载电阻（R1）、第二负载电阻（R2）串联形成直流母线电压Chopper保护电路。

3.根据权利要求1所述的一种直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述的第一IGBT单管由并联的第一三极管（S1）、第一二极管（VD1）组成。

4.根据权利要求1所述的一种直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述控制器在电容（C）充电电流i_L2不为0时，控制第一IGBT单管和第二IGBT单管断开，使电容（C）充电或放电；

所述控制器在电容（C）充电电流i_L2为0，且直流母线电压U_dc小于阈值时，使第一IGBT单管和第二IGBT单管闭合，根据辅助电源（UPS）电流i_L1,进行卸载电阻状态监测；

所述控制器在电容电容（C）充电电流i_L2为0，且直流母线电压U_dc不小于阈值时，若直流母线电压变化率dU_dc/dt不小于直流母线变化率阈值λrate，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通；若直流母线电压变化率dU_dc/dt＜λrate，则所述控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开。

5.根据权利要求4所述的一种直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述控制器根据辅助电源（UPS）电流i_L1,进行卸载电阻状态监测，包括：判断辅助电源（UPS）电流i_L1是否等于0；若辅助电源（UPS）电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻（R1）和第二负载电阻（R2）均处于正常状态，此时所述控制器使第二IGBT单管断开；若辅助电源（UPS）电流i_L1=0，则所述控制器使第二IGBT单管导通，若电流i_L1≠0，则输出第二负载电阻（R2）故障，若电流i_L1=0，则输出第一负载电阻（R1）故障或者第一负载电阻（R1）、第二负载电阻（R2）均故障。

6.根据权利要求1~5任一项所述的一种直流母线过电压保护电路的监测与控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：所述控制器判断所述电容（C）充电电流i_L2是否等于0；

S02：若电流i_L2=0，则判断直流母线电压U_dc是否不小于预设触发阈值U_Fset；若直流母线电压U_dc<预设触发阈值U_Fset，则进行卸载电阻状态监测，此时所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管均闭合；若直流母线电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，则进行直流母线过压保护；

S03：卸载电阻状态监测：判断辅助电源（UPS）电流i_L1是否等于0；若辅助电源（UPS）电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻（R1）和第二负载电阻（R2）均处于正常状态，此时所述控制器使第二IGBT单管断开；若辅助电源（UPS）电流i_L1=0，则所述控制器使导通第二IGBT单管，若电流i_L1≠0，则表明第二负载电阻（R2）故障，若电流i_L1=0，则第一负载电阻（R1）故障或者第一负载电阻（R1）、第二负载电阻（R2）均故障；

S04：直流母线过压保护：若直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通；若直流母线电压变化率dU_dc/dt＜λrate，则所述控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开，λrate为直流母线变化率阈值；

S05：若电流i_L2≠0，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管由导通到断开，在电流i_L2>0时，对电容（C）进行充电，在电流i_L2<0时，通过回收电阻（R3）消耗电容（C）中存储的能量。

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