CN117674050B - 一种变流器短路保护装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变流器短路保护装置，该装置包括变压器断路模块组、负载、第一断路器组、断路电容模块组、第二断路器组、断路电阻模块组、第一电感组、第二电感组、变流器模块和三相不可控整流模块；通过三相不可控整流模块与变压器断路模块组、断路电容模块组的第三端的连接，故障时电网产生的短路电流流向三相不可控整流模块，从而分担短路冲击电流，减小短路电流对变流器的破坏，大大降低了后期维护设备、校验安全性等成本，进而提高了治理设备的经济效益。

Description

一种变流器短路保护装置及调节方法

技术领域

本发明涉及变流器技术领域，尤其涉及一种变流器短路保护装置及调节方法。

背景技术

由于新型电力系统的提出，电力电子化设备的大量接入，使得电力系统的鲁棒性有所降低，需要接入类似串联、并联有源电力滤波器进行调节，例如动态电压调节器(DVR)，其在配电系统中可以充当动态受控的电压源，采用适当的控制方法可以使该电压源输出并抵消电力系统扰动对负荷电压造成的不良影响，或者接入串联变流器这种有源电力滤波器治理设备提高系统的稳定性；其中，串联变流器是一种能够解决电网电压电能质量问题的治理装置，结构为三电平整流器拓扑。串联变流器可以和并联变流器组成统一电能质量调节器(UPQC)，二者也可以独立运行，同时解决电网电压波动、负载谐波电流治理、无功电流补偿、功率因数校正等问题，在未来新型电力系统中占据了重要的地位。

电力系统除了因为负载设备的大量增加而降低稳定性，其本身也会产生短路故障这种极大破坏电力系统正常运行的问题。当发生短路时，电力系统从一种状态剧烈变化到另一种状态，会带来复杂、严重的暂态过程，在这个暂态过程中，电力系统会在耦合变压器模块组的一次侧产生较大的短路电流，对二次侧的电力电子器件造成影响，甚至会损害器件，这就要求串联变流器这种治理设备既可以通过自身控制调节来实现自身功能外，也必须可以应对电网不可避免的短路影响。

传统分布式系统适用型的串联变流器，其短路保护是通过本身的断路器开关和与并联变流器结合所应用的反并联晶闸管开关配合，使得短路时串联变流器能够切断与电网的联系，但在短路大电流环境下，若强行拉开开关，由于短路电流值非常大，电极中间空隙的空气会受热而电离化，会产生电弧现象，不仅会烧坏断路器，还会危害二次侧串联变流器设备的安全性，大大增加了后期维护设备、校验安全性等成本，导致治理设备的经济效益低。

发明内容

本发明提供了一种变流器短路保护装置及调节方法，解决了传统分布式系统适用型的串联变流器由于短路电流值非常大会产生电弧现象，危害二次侧串联变流器设备的安全性，导致治理设备的经济效益低的技术问题。

本发明第一方面提供的一种变流器短路保护装置，所述装置包括变压器断路模块组、负载、第一断路器组、断路电容模块组、第二断路器组、断路电阻模块组、第一电感组、第二电感组、变流器模块和三相不可控整流模块；

所述变压器断路模块组与所述第一断路器组并联，所述第一断路器组的第一端外接三相交流电源；

所述负载的第一端、所述第二断路器组的第一端和所述断路电阻模块组的第一端均与所述第一断路器组的第二端连接；

所述变流器模块、所述断路电容模块组的第一端和所述变压器断路模块组均与所述负载的第二端连接；

所述第二断路器组的第二端和所述断路电阻模块组的第二端均与所述第二电感组的第一端连接，所述第二电感组的第二端与所述变流器模块的第一端连接；

所述变流器模块的第二端通过所述第一电感组与所述断路电容模块组的第二端连接，所述变压器断路模块组和所述断路电容模块组的第三端均与所述三相不可控整流模块连接。

可选地，所述第一断路器组包括多个第一断路器；

所述三相交流电源的第一相线、第二相线和第三相线分别与各所述第一断路器的第一端连接；

所述变压器断路模块组中的多个变压器断路模块与多个所述第一断路器一一对应并联；

所述负载的第一端分别与各所述第一断路器的第二端连接；

所述第二断路器组中的多个第二断路器的第一端和所述断路电阻模块组中的多个断路电阻模块的第一端均与多个所述第一断路器的第二端一一对应连接。

可选地，所述变压器断路模块包括串联耦合变压器和第三断路器；

所述断路电容模块组中的多个断路电容模块的第一端、多个所述第一断路器的第一端均与多个所述串联耦合变压器的第一端一一对应连接，各所述串联耦合变压器的第二端分别与所述负载的第二端连接；

各所述串联耦合变压器的第一端分别与所述三相不可控整流模块连接；

各所述串联耦合变压器的第二端与各所述第三断路器的第一端一一对应连接，各所述第三断路器的第二端与各所述第一断路器的第二端一一对应连接。

可选地，所述断路电阻模块包括第四断路器和电阻；

各所述第四断路器的第一端分别与所述负载的第一端连接；

所述第二断路器组中的多个第二断路器的第一端与多个所述第四断路器的第一端一一对应连接，各所述第四断路器的第二端与各所述电阻的第一端一一对应连接；

所述第二断路器组中的多个第二断路器的第二端和多个所述电阻的第二端均与所述第二电感组中的多个第二电感的第一端一一对应连接。

可选地，所述断路电容模块包括第五断路器和第一电容；

多个所述第五断路器的第一端与多个所述串联耦合变压器的第一端一一对应连接，所述第一电感组中的多个第一电感和多个所述第一电容的第一端均与多个所述第五断路器的第二端一一对应连接；

各所述第五断路器的第一端分别与所述三相不可控整流模块连接；

所述负载的第二端和所述变流器模块均分别与各所述第一电容的第二端连接；

所述变流器模块包括串联变流器电路、并联变流器电路和反并联晶闸管；

所述串联变流器电路通过所述反并联晶闸管与所述并联变流器电路并联连接；

所述第二电感组中的多个第二电感的第二端与所述并联变流器电路中的多个第一晶体管模块一一对应连接；

所述串联变流器电路中的多个第二晶体管模块通过所述第一电感组分别与多个所述第五断路器的第二端、多个所述第一电容的第一端一一对应连接。

可选地，所述并联变流器电路还包括第一电容组；

各所述第一晶体管模块与所述第一电容组相互并联连接；

所述第一电容组通过所述反并联晶闸管与所述串联变流器电路并联连接；

所述第一晶体管模块包括级联的第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管以及串联的第一二极管和第二二极管；

所述第一二极管的一端连接于所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管之间；

所述第二二极管的一端连接于所述第三绝缘栅双极晶体管、所述第四绝缘栅双极晶体管之间；

多个所述第二电感的第二端一一对应连接于多个所述第二绝缘栅双极晶体管和对应的第三绝缘栅双极晶体管之间。

可选地，所述串联变流器电路还包括第二电容组；

各所述第二晶体管模块和所述第二电容组相互并联连接，并通过所述反并联晶闸管与各所述第一晶体管模块、所述第一电容组相互并联连接；

所述第二晶体管模块包括级联的第五绝缘栅双极晶体管、第六绝缘栅双极晶体管、第七绝缘栅双极晶体管、第八绝缘栅双极晶体管以及串联的第三二极管和第四二极管；

所述第三二极管的一端连接于所述第五绝缘栅双极晶体管、所述第六绝缘栅双极晶体管之间；

所述第四二极管的一端连接于所述第七绝缘栅双极晶体管、所述第八绝缘栅双极晶体管之间；

多个所述第一电感的第一端一一对应连接于多个所述第六绝缘栅双极晶体管和对应的第七绝缘栅双极晶体管之间。

可选地，所述三相不可控整流模块包括多个二极管组和第二电容；

各所述二极管组和所述第二电容相互并联；

所述二极管组包括串联的第五二极管和第六二极管；

各所述第五断路器的第一端、各所述串联耦合变压器的第一端均一一对应连接于所述第五二极管和所述第六二极管之间。

可选地，还包括控制器；

所述控制器，用于控制所述第一断路器、所述第二断路器、所述第三断路器、所述第四断路器、所述第五断路器和所述反并联晶闸管的开闸与合闸。

本发明第二方面提供的一种变流器短路保护调节方法，应用于上述的变流器短路保护装置，包括：

当接收到变流器短路电流信号时，控制变流器模块中的反并联晶闸管、第二断路器组和断路电阻模块组中的多个第四断路器开闸，并通过三相不可控整流模块接收变流器短路电流；

当所述三相不可控整流模块接收完所述变流器短路电流时，控制第一断路器组合闸、控制变压器断路模块组中的多个第三断路器开闸。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明的上述技术方案第一方面提供了一种变流器短路保护装置，装置包括变压器断路模块组、负载、第一断路器组、断路电容模块组、第二断路器组、断路电阻模块组、第一电感组、第二电感组、变流器模块和三相不可控整流模块；变压器断路模块组与第一断路器组并联，第一断路器组的第一端外接三相交流电源；负载的第一端、第二断路器组的第一端和断路电阻模块组的第一端均与第一断路器组的第二端连接；变流器模块、断路电容模块组的第一端和变压器断路模块组均与负载的第二端连接；第二断路器组的第二端和断路电阻模块组的第二端均与第二电感组的第一端连接，第二电感组的第二端与变流器模块的第一端连接；变流器模块的第二端通过第一电感组与断路电容模块组的第二端连接，变压器断路模块组和断路电容模块组的第三端均与三相不可控整流模块连接；上述方案，当电网发生故障时，通过三相不可控整流模块与变压器断路模块组、断路电容模块组的第三端的连接，故障发生的短路电流流向三相不可控整流模块，从而分担短路冲击电流，减小短路电流对变流器的破坏，大大降低了后期维护设备、校验安全性等成本，进而提高了治理设备的经济效益。

本发明的上述技术方案第二方面提供了一种变流器短路保护调节方法，当接收到变流器短路电流信号时，控制变流器模块中的反并联晶闸管、第二断路器组和断路电阻模块组中的多个第四断路器开闸，并通过三相不可控整流模块接收变流器短路电流；当三相不可控整流模块接收完变流器短路电流时，控制第一断路器组合闸、控制变压器断路模块组中的多个第三断路器开闸；上述方案，当电网发生故障时，控制变流器模块中的反并联晶闸管、第二断路器组和断路电阻模块组中的多个第四断路器开闸，并通过三相不可控整流模块接收变流器短路电流(短路冲击电流)，从而分担短路冲击电流，减小短路电流对变流器的破坏，大大降低了后期维护设备、校验安全性等成本，进而提高了治理设备的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，可以结合这些附图应用在其他类似的技术方案中。

图1为本申请实施例一提供的一种变流器短路保护装置的结构示意图；

图2为本申请实施例一提供的现有的变流器保护电路拓扑的结构原理图；

图3为本申请实施例二提供的一种变流器短路保护调节方法的步骤流程图；

图4为本申请实施例二提供的变流器短路保护调节方法的流程示意图。

其中，附图标记如下：

1、第一断路器组；2、变压器断路模块组；3、负载；4、断路电阻模块组；5、第二断路器组；6、第二电感组；7、并联变流器电路；8、串联变流器电路；9、第一电感组；10、断路电容模块组；11、三相不可控整流模块；12、第一晶体管模块；13、第二晶体管模块。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种变流器短路保护装置及调节方法，用于解决传统分布式系统适用型的串联变流器由于短路电流值非常大会产生电弧现象，危害二次侧串联变流器设备的安全性，导致治理设备的经济效益低的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种变流器短路保护装置的结构示意图。

本发明实施例一提供的一种变流器短路保护装置，装置包括变压器断路模块组2、负载3、第一断路器组1、断路电容模块组10、第二断路器组5、断路电阻模块组4、第一电感组9、第二电感组6、变流器模块和三相不可控整流模块11；变压器断路模块组2与第一断路器组1并联，第一断路器组1的第一端外接三相交流电源；负载3的第一端、第二断路器组5的第一端和断路电阻模块组4的第一端均与第一断路器组1的第二端连接；变流器模块、断路电容模块组10的第一端和变压器断路模块组2均与负载3的第二端连接；第二断路器组5的第二端和断路电阻模块组4的第二端均与第二电感组6的第一端连接，第二电感组6的第二端与变流器模块的第一端连接；变流器模块的第二端通过第一电感组9与断路电容模块组10的第二端连接，变压器断路模块组2和断路电容模块组10的第三端均与三相不可控整流模块11连接。

需要说明的是，请参阅图1，变压器断路模块组2由三组串联的串联耦合变压器和第三断路器K1构成，每一组串联的串联耦合变压器和第三断路器K1构成一个变压器断路模块；第一断路器组1由三个第一断路器K2构成；断路电容模块组10由三组串联的第五断路器K3和第一电容C构成；第二断路器组5由三个第二断路器K4构成；断路电阻模块组4由三组串联的第四断路器K5和电阻R构成；第一电感组9由三个第一电感L1构成；第二电感组6由三个第二电感L2构成。

在本实施例中，第三断路器K1设置在串联耦合变压器的一次侧靠近负荷侧；第一断路器K2设置在与第三断路器K1、串联耦合变压器并联并构成支路；第五断路器K3设置连接在串联耦合变压器的二次侧与串联变流器之间；第二断路器K4设置在可以和串联变流器电路8结合使用的并联变流器电路7与线路之间；第四断路器K5设置在与第二断路器K4并联，且与电阻R串联；反并联晶闸管SCR1设置在串联变流器电路8(串联部分)及并联变流器电路7(并联部分)直流侧，且位于第一电容组(电容C1、C2)、第二电容组(电容C1、C2)线路之间。

作为进一步地改进，第一断路器组1包括多个第一断路器；

三相交流电源的第一相线、第二相线和第三相线分别与各第一断路器的第一端连接；

变压器断路模块组2中的多个变压器断路模块与多个第一断路器一一对应并联；负载3的第一端分别与各第一断路器的第二端连接；

第二断路器组5中的多个第二断路器的第一端和断路电阻模块组4中的多个断路电阻模块的第一端均与多个第一断路器的第二端一一对应连接。

需要说明的是，三相交流电源(交流电网)的第一相线A、第二相线B和第三相线C分别与各第一断路器K2的第一端连接，每一个第一断路器K2的第一端均与负载3的第一端连接，且对应并联一个变压器断路模块；每一个第一断路器K2的第二端均对应连接一个第二断路器的第一端和一个断路电阻模块的第一端。

作为进一步地改进，变压器断路模块包括串联耦合变压器和第三断路器；

断路电容模块组10中的多个断路电容模块的第一端、多个第一断路器的第一端均与多个串联耦合变压器的第一端一一对应连接，各串联耦合变压器的第二端分别与负载3的第二端连接；

各串联耦合变压器的第一端分别与三相不可控整流模块11连接；

各串联耦合变压器的第二端与各第三断路器的第一端一一对应连接，各第三断路器的第二端与各第一断路器的第二端一一对应连接。

需要说明的是，变压器断路模块组2包括三个变压器断路模块，每一个变压器断路模块均包括串联的串联耦合变压器和第三断路器K1，每一个串联耦合变压器的第一端均对应连接一个第一断路器K2的第一端、一个断路电容模块中的第五断路器K3的第一端，每一个第三断路器K1的第二端对应连接一个第一断路器K2的第二端。

进一步地，当负荷侧发生短路接地故障或其他短路故障时，故障电流流经串联耦合变压器一次侧，此时，串联耦合变压器二次侧变流器模块中的串联变流器电路8通过外接电流传感器，该传感器检测到短路冲击电流存在，能在较短时间反应过来，发送信号给控制器控制断路器和反并联晶闸管SCR1关断，但由于断路器开关动作所需要时间对于短路冲击发生时间来说还是较长，这时由二极管和电容构成的三相不可控整流模块11能分担部分短路冲击电流，减小短路电流对串联变流器的破坏；同时，串联变流器所通过瞬时电流减小，流经控制串联变流器的断路器本身的电流值检测部分和断路器脱扣部分(开合执行)的电流会变大，因此能够使断路器保护动作更加及时快速；之后控制第一断路器K2处于合闸状态，保证串联变流器脱离电网系统，而故障发生的短路电流流向三相不可控整流模块11，使得治理系统安全性更高，大大降低了后期维护设备、校验安全性等成本，进而提高了治理设备的经济效益。

在本实施例中，外接电流传感器，通过该传感器检测短路冲击电流(变流短路电流)并发送信号至控制器为本领域技术人员基于公知常识进行实现，同时，控制器对各个断路器以及反并联晶闸管的控制，可以根据需要选择控制器与对应的各个断路器以及反并联晶闸管进行连接，或者通过外置终端检测到短路冲击电流，生成相应的信号对断路器K1-K5以及反并联晶闸管SCR1的开合闸进行控制。

作为进一步地改进，断路电阻模块包括第四断路器和电阻；

各第四断路器的第一端分别与负载的第一端连接；

第二断路器组中的多个第二断路器的第一端与多个第四断路器的第一端一一对应连接，各第四断路器的第二端与各电阻的第一端一一对应连接；

第二断路器组中的多个第二断路器的第二端和多个电阻的第二端均与第二电感组中的多个第二电感的第一端一一对应连接。

需要说明的是，断路电阻模块组4包括三个断路电阻模块，每一个断路电阻模块均包括串联的第四断路器K5和电阻R，各第四断路器K5的第一端分别与负载的第一端连接，每一个第四断路器K5的第一端均对应连接一个第二断路器K4的第一端，每一个电阻R的第二端均对应连接一个第二断路器K4的第二端、一个第二电感L2的第一端。

作为进一步地改进，断路电容模块包括第五断路器和第一电容；

多个第五断路器的第一端与多个串联耦合变压器的第一端一一对应连接，第一电感组中的多个第一电感和多个第一电容的第一端均与多个第五断路器的第二端一一对应连接；

各第五断路器的第一端分别与三相不可控整流模块连接；

负载的第二端和变流器模块均分别与各第一电容的第二端连接。

需要说明的是，断路电容模块组10包括三个断路电容模块，每一个断路电容模块均包括串联的第五断路器K3和第一电容，每一个第五断路器K3的第一端均对应连接一个串联耦合变压器的第一端，每一个第五断路器K3的第二端均对应连接一个第一电感L1、一个第一电容的第一端。

进一步地，通过K1和K3配合，能够控制串联变流器电路8和三相不可控整流模块11是否连入交流电网；K2既可以控制串联变流器(串联变流器电路8)的直流侧电容稳态电压输入，也可以作为并联变流器(并联变流器电路7)的输入；通过K3控制串联变流器连入电网，能够进行网侧电压波动、电压谐波等问题的治理；三相不可控整流电路(三相不可控整流模块11)是设计的串联变流器保护电路，当电力系统短路故障发生时，起到吸收大短路电流的作用；断路器K4、K5是控制串并联变流器直流侧电容C1、C2达到稳态电压值，若单独使用串联变流器，首先要求反并联晶闸管SCR1的控制器对SCR1发送导通触发指令，开启K5或K4(两者的区别是：比起K4，开启K5可以让直流侧电压更为平缓地上升到规定的稳态电压，但由于电阻产生压降，只关闭K5不能令直流侧电压达到规定的稳态电压，因此需要开启K5一段时间后关断，然后开启K4)，当串联变流器的直流侧C1、C2逐渐升压直至达到规定的稳态电压时，串联变流器开始工作。

作为进一步地改进，变流器模块包括串联变流器电路8、并联变流器电路7和反并联晶闸管；

串联变流器电路8通过反并联晶闸管与并联变流器电路7并联连接；

第二电感组6中的多个第二电感的第二端与并联变流器电路7中的多个第一晶体管模块12一一对应连接；

串联变流器电路8中的多个第二晶体管模块13通过第一电感组9分别与多个第五断路器的第二端、多个第一电容的第一端一一对应连接。

需要说明的是，串联变流器电路8包括三个第二晶体管模块13和一个第二电容组，并联变流器电路7包括三个第一晶体管模块12和一个第一电容组，每一个第二电感的第二端均对应连接一个第一晶体管模块12，每一个第五断路器K3的第二端均通过一个第一电感L1对应连接一个第二晶体管模块13。

进一步地，通过串联变流器检测负荷是否出现短路接地故障或者故障电流，如果未出现故障电流，则串联变流器系统正常运行，故障保护系统待机；如果检测存在，即串联变流器电路8通过外接的电流传感器检测到电流存在较大冲击，这时冲击电流一部分流入串联变流器电路8，另一部分则会沿串联变流器电路8的并联支路流入三相不可控整流模块11，将在一定程度上减小原本流入串联变流器电路8的短路冲击电流；此时串联变流器电路8已检测到电流较大冲击信号，外接的电流传感器可以将此信号传输给各断路器K1-K5和反并联晶闸管SCR1的控制器，具体地：

通过控制器控制SCR1断开，K4、K5断开，阻止串联变流器电路8的直流侧电容C1、C2达到可工作的稳定电压。K3开闸，使得串联变流器电路8从电网中断开，由于部分短路电流涌入三相不可控整流模块11，故拉开K3所形成电弧的概率下降，拉开K3所需时间也会减小，符合设备对快速性的要求。等待三相不可控整流保护电路将大短路电流吸收完毕，闭合K2，断开K1，形成串联变流器(串联变流器电路8)未接入电网开启治理功能状态，等待下一次的入网调试；上述过程，通过在断路器还未开始发生动作的半个周期内，减小冲击电流的影响，致使冲击电流不超过系统正常输出的额定电流，且变流器模块不会因为电流过大导致元件损坏，同时，配合控制器对断路器与反并联晶闸管的通断控制，可以使得串联变流器最快速度从电网系统中脱离出去，减小短路冲击电流或其他故障电流对串联变流器系统的持续伤害。

在本实施例中，在上述内容中，虽然比起串联耦合变压器二次侧串联变流器串联部分整流器，反并联晶闸管动作和断路器开关动作所需要时间仍较长，但通过本发明提出的三相不可控整流电路能分担短路冲击电流，减小短路电流对串联部分整流器的破坏，使得断路器保护动作更加及时快速，达到快速性的目的，同时，由于短路电流冲击被减小，串联变流器的使用寿命所受影响得以减小，断路器K1、K3、K4、K5断开，串联变流器从电力系统中切除，安全性得以加强，大大降低了后期维护设备、校验安全性等成本，且断路器组及三相不可控整流电路的制作成本低，能够提高治理设备的经济效益以及工程中串联变流器作为电网治理系统的应用性。

作为进一步地改进，并联变流器电路7还包括第一电容组；

各第一晶体管模块12与第一电容组相互并联连接；

第一电容组通过反并联晶闸管与串联变流器电路8并联连接；

第一晶体管模块12包括级联的第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管以及串联的第一二极管和第二二极管；

第一二极管的一端连接于第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管之间；

第二二极管的一端连接于第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管之间；

多个第二电感的第二端一一对应连接于多个第二绝缘栅双极晶体管和对应的第三绝缘栅双极晶体管之间。

需要说明的是，各第一晶体管模块12与第一电容组相互并联连接，每一个第一晶体管模块12均包括级联的第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管以及串联的第一二极管和第二二极管，每一个第一二极管的一端均对应连接于一个第一绝缘栅双极晶体管和一个第二绝缘栅双极晶体管之间，每一个第二二极管的一端均对应连接于一个第三绝缘栅双极晶体管和一个第四绝缘栅双极晶体管之间，每一个第二电感的第二端均对应连接于一个第二绝缘栅双极晶体管和一个第三绝缘栅双极晶体管之间。

进一步地，串联变流器电路8和并联变流器电路7中的绝缘栅双极晶体管IGBT(Q1-Q12)，主要起导通和关断作用，串联变流器电路8和并联变流器电路7中的二极管(D1-D6)，用于和同相绝缘栅双极晶体管构成三电平整流结构，输出补偿电压，对电网的电压波动控制，同时也可以用在功率因数校正，谐波抑制等功能。

需要说明的是，在实际使用中，当断路器K1、K3、K4、K5均处于开闸状态，而K2处于合闸状态时，通过SCR1控制器对SCR1发送导通触发指令，控制K5合闸，使得串联部分直流侧电容C1、C2电压逐渐上升，过1-2s后打开K5，关闭K4，让直流侧电容C1，C2继续充能，直至达到规定的稳态电压，达到规定的稳态电压时间可以由电网侧电压电流和设定的器件参数(电容、电阻以及电感)进行估算，也可以用对控制器进行设置，在合适的时间发出关闭信号；当串联变流器直流侧电容C1、C2达到稳态电压时，可以通过外接的电压传感器检测到C1、C2达到稳态电压的电信号，使得控制器生成控制信号，令K1和K3合闸，让串联变流器接入电网，同时打开K2，使得串联变流器正常工作，开启电压波动治理功能完成。

在本实施例中，本领域技术人员可以基于数学建模推导等方法对电网侧电压电流和设定的器件参数进行估算、通过外接电压传感器检测电信号以及对控制器进行设置，在合适的时间发出关闭信号。

作为进一步地改进，串联变流器电路8还包括第二电容组；

各第二晶体管模块13和第二电容组相互并联连接，并通过反并联晶闸管与各第一晶体管模块12、第一电容组相互并联连接；

第二晶体管模块13包括级联的第五绝缘栅双极晶体管、第六绝缘栅双极晶体管、第七绝缘栅双极晶体管、第八绝缘栅双极晶体管以及串联的第三二极管和第四二极管；

第三二极管的一端连接于第五绝缘栅双极晶体管、第六绝缘栅双极晶体管之间；

第四二极管的一端连接于第七绝缘栅双极晶体管、第八绝缘栅双极晶体管之间；

多个第一电感的第一端一一对应连接于多个第六绝缘栅双极晶体管和对应的第七绝缘栅双极晶体管之间。

作为进一步地改进，三相不可控整流模块11包括多个二极管组和第二电容；

各二极管组和第二电容相互并联；

二极管组包括串联的第五二极管和第六二极管；

各第五断路器的第一端、各串联耦合变压器的第一端均一一对应连接于第五二极管和第六二极管之间。

需要说明的是，三相不可控整流模块11包括三个二极管组和第二电容，每一个二极管组均包括串联的第五二极管和第六二极管，每一个第五断路器的第一端以及串联耦合变压器的第一端均对应连接一个第五二极管和一个第六二极管之间。

进一步地，当电力系统处于故障状态时，利用电力系统故障电流为三相不可控整流模块11中的电容充电蓄能，这种能量可以在电力系统恢复后可返还给电网，减小了电网故障中的能量损失，其中，对于各个器件(二极管、电容等)的选型，本领域技术人员可以根据二极管和直流侧电容选择需要综合考虑负载侧发生短路故障情况下所需要承受最大故障电流，以及与串联变流器直流侧电容C1、C2大小进行设置，从而达到在不同的故障状态下串联变流器治理系统最好的效果。

作为进一步地改进，变流器短路保护装置还包括控制器；

控制器，用于控制第一断路器、第二断路器、第三断路器、第四断路器、第五断路器和反并联晶闸管的开闸与合闸。

需要说明的是，控制器与反并联晶闸管SCR1以及各个断路器K1-K5连接，控制器可以为DSP芯片或上位机控制PLC等控制方式对反并联晶闸管SCR1以及各个断路器K1-K5进行的合闸和开闸控制。

作为技术效果的对比，可以结合现有技术进行参考，请参阅图2，对于传统分布式系统适用型的串联变流器，其短路保护是通过本身的断路器开关和与并联变流器结合所应用的反并联晶闸管开关配合，使得短路时串联变流器能够切断与电网的联系；若不与并联变流器合并为UPQC设备，串联变流器主要依赖断路器的开关动作；在短路大电流环境下，此动作对开关的快速性和安全性提出要求。对于快速性，由于断路器开合是需要时间的，在开关动作发生前的时间，串联变流器会直接承受电力系统一次侧短路电流带来的冲击，有可能对传统分布式串联变流器的电力电子器件造成危害，损害元件寿命，甚至会引起元件起火爆炸；对于安全性，短路大电流环境下，若强行拉开开关，由于短路电流值非常大，电极中间空隙的空气会受热而电离化，会产生电弧现象，不仅烧坏断路器，还会危害二次侧串联变流器设备的安全性，无形中增加了后期维护设备、校验安全性等成本，降低了治理设备的经济效益。虽然目前市面上也存在能承受kA级大电流的快速断路器，但由于成本太高，加上传统分布式串联变流器的无形中增加的安全性成本，导致治理设备系统的成本上升，工程上采用的意义并不大；同时，在电力系统发生短路故障时，短路电流值较大，且会通过电网耦合变压器危害到串联变流器，使得设备安全性下降；如果仅凭与串联变流器相关的断路器进行控制，对比电网短路故障电流调节所需要的时间较长，易对串联变流器产生影响。

基于上述基础，在电力系统发生短路故障时，短路电流值较大，且会通过电网耦合变压器危害到串联变流器，使得设备安全性下降；如果仅凭与串联变流器相关的断路器进行控制，对比电网短路故障电流调节所需要的时间较长，易对串联变流器产生影响，因此对故障反应的快速性提出一定要求。

针对上述传统分布式串联变流器保护动作不及时和短路故障电流过大带来的安全性和快速性的问题，在串联变流器受到电力系统短路情况下的影响，从快速性和安全性两方面考量，可以从串联变流器保护电路进行设计，进而提出本发明提供的一种变流器短路保护装置，

本发明基于串联变流器提出并联三相不可控整流电路作为保护电路，可以利用设计的故障治理流程减小短路电流对串联变流器设备中电力电子器件产生的危害，提高系统的快速性和安全性。同时三相不可控整流部分成本较低，适合工程上串联变流器的应用，达到更好解决电力系统谐波治理、电压波动、功率因数等问题的目的，同时，通过增加二极管和电容组成的三相不可控整流模块11，即基于串联变流器提出并联三相不可控整流电路作为保护电路，分担部分短路冲击电流，减小短路电流对串联变流器的破坏。同时由于三相不可控整流电路的成本较低，且不需要额外的控制流程设定，使得整套电力系统治理设备的额外成本并不高，能够达到低成本构成治理系统的目的以及解决串联变流器保护动作不及时的问题，适合工程上串联变流器的应用，达到更好解决电力系统谐波治理、电压波动、功率因数校正等问题的目的。

在本发明实施例中，本发明提供了一种变流器短路保护装置，装置包括变压器断路模块组、负载、第一断路器组、断路电容模块组、第二断路器组、断路电阻模块组、第一电感组、第二电感组、变流器模块和三相不可控整流模块；第一断路器组的第一端外接三相交流电源，变压器断路模块组与第一断路器组并联；负载的第一端、第二断路器组的第一端和断路电阻模块组的第一端均与第一断路器组的第二端连接；变流器模块、断路电容模块组的第一端和变压器断路模块组均与负载的第二端连接；第二断路器组的第二端和断路电阻模块组的第二端均与第二电感组的第一端连接，第二电感组的第二端与变流器模块的第一端连接；变流器模块的第二端通过第一电感组与断路电容模块组的第二端连接，变压器断路模块组和断路电容模块组的第三端均与三相不可控整流模块连接；上述方案，当电网发生故障时，通过三相不可控整流模块与变压器断路模块组、断路电容模块组的第三端的连接，故障发生的短路电流流向三相不可控整流模块，从而分担短路冲击电流，减小短路电流对变流器的破坏，大大降低了后期维护设备、校验安全性等成本，进而提高了治理设备的经济效益。

请参阅图3，图3为本申请实施例二提供的一种变流器短路保护调节方法的步骤流程图。

本发明提供了一种变流器短路保护调节方法，包括：

步骤301、当接收到变流器短路电流信号时，控制变流器模块中的反并联晶闸管、第二断路器组和断路电阻模块组中的多个第四断路器开闸，并通过三相不可控整流模块接收变流器短路电流。

在本实施例中，当接收到变流器短路电流信号时，控制变流器模块中的反并联晶闸管、第二断路器组和断路电阻模块组中的多个第四断路器开闸，并通过三相不可控整流模块接收变流器短路电流。

步骤302、当三相不可控整流模块接收完变流器短路电流时，控制第一断路器组合闸、控制变压器断路模块组中的多个第三断路器开闸。

需要说明的是，请参阅图4，当检测到短路故障或者短路电流时，即通过变流器模块中的串联变流器电路检测到电流较大冲击信号(变流器短路电流信号)，再通过设定的电流传感器，即外接的电流传感器可以将此信号传输给各断路器K1-K5和反并联晶闸管SCR1的控制器，控制SCR1断开，K4、K5断开，阻止串联变流器电路的直流侧电容C1、C2达到可工作的稳定电压。K3开闸，使得串联变流器电路从电网中断开，接着通过三相不可控整流模块将大短路电流(变流器短路电流)吸收完毕后，闭合K2，断开K1，形成串联变流器未接入电网开启治理功能状态，等待下一次的入网调试。

在本实施例中，当三相不可控整流模块接收完变流器短路电流时，控制第一断路器组合闸、控制变压器断路模块组中的多个第三断路器开闸。

在本发明实施例中，本发明提供了一种变流器短路保护调节方法，当接收到变流器短路电流信号时，控制变流器模块中的反并联晶闸管、第二断路器组和断路电阻模块组中的多个第四断路器开闸，并通过三相不可控整流模块接收变流器短路电流；当三相不可控整流模块接收完变流器短路电流时，控制第一断路器组合闸、控制变压器断路模块组中的多个第三断路器开闸；上述方案，当电网发生故障时，控制变流器模块中的反并联晶闸管、第二断路器组和断路电阻模块组中的多个第四断路器开闸，并通过三相不可控整流模块接收变流器短路电流(短路冲击电流)，从而分担短路冲击电流，减小短路电流对变流器的破坏，大大降低了后期维护设备、校验安全性等成本，进而提高了治理设备的经济效益。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种变流器短路保护装置，其特征在于，所述装置包括变压器断路模块组、负载、第一断路器组、断路电容模块组、第二断路器组、断路电阻模块组、第一电感组、第二电感组、变流器模块和三相不可控整流模块；

所述变压器断路模块组与所述第一断路器组并联，所述第一断路器组的第一端外接三相交流电源；

所述负载的第一端、所述第二断路器组的第一端和所述断路电阻模块组的第一端均与所述第一断路器组的第二端连接；

所述变流器模块、所述断路电容模块组的第一端和所述变压器断路模块组均与所述负载的第二端连接；

所述第二断路器组的第二端和所述断路电阻模块组的第二端均与所述第二电感组的第一端连接，所述第二电感组的第二端与所述变流器模块的第一端连接；

所述变流器模块的第二端通过所述第一电感组与所述断路电容模块组的第二端连接，所述变压器断路模块组和所述断路电容模块组的第三端均与所述三相不可控整流模块连接；

所述第一断路器组包括多个第一断路器；

所述三相交流电源的第一相线、第二相线和第三相线分别与各所述第一断路器的第一端连接；

所述变压器断路模块组中的多个变压器断路模块与多个所述第一断路器一一对应并联；

所述负载的第一端分别与各所述第一断路器的第二端连接；

所述第二断路器组中的多个第二断路器的第一端和所述断路电阻模块组中的多个断路电阻模块的第一端均与多个所述第一断路器的第二端一一对应连接；

所述变压器断路模块包括串联耦合变压器和第三断路器；

所述断路电容模块组中的多个断路电容模块的第一端、多个所述第一断路器的第一端均与多个所述串联耦合变压器的第一端一一对应连接，各所述串联耦合变压器的第二端分别与所述负载的第二端连接；

各所述串联耦合变压器的第一端分别与所述三相不可控整流模块连接；

各所述串联耦合变压器的第二端与各所述第三断路器的第一端一一对应连接，各所述第三断路器的第二端与各所述第一断路器的第二端一一对应连接；

所述断路电阻模块包括第四断路器和电阻；

各所述第四断路器的第一端分别与所述负载的第一端连接；

所述第二断路器组中的多个第二断路器的第一端与多个所述第四断路器的第一端一一对应连接，各所述第四断路器的第二端与各所述电阻的第一端一一对应连接；

所述第二断路器组中的多个第二断路器的第二端和多个所述电阻的第二端均与所述第二电感组中的多个第二电感的第一端一一对应连接；

所述断路电容模块包括第五断路器和第一电容；

多个所述第五断路器的第一端与多个所述串联耦合变压器的第一端一一对应连接，所述第一电感组中的多个第一电感和多个所述第一电容的第一端均与多个所述第五断路器的第二端一一对应连接；

各所述第五断路器的第一端分别与所述三相不可控整流模块连接；

所述负载的第二端和所述变流器模块均分别与各所述第一电容的第二端连接；

所述变流器模块包括串联变流器电路、并联变流器电路和反并联晶闸管；

所述串联变流器电路通过所述反并联晶闸管与所述并联变流器电路并联连接；

所述第二电感组中的多个第二电感的第二端与所述并联变流器电路中的多个第一晶体管模块一一对应连接；

所述串联变流器电路中的多个第二晶体管模块通过所述第一电感组分别与多个所述第五断路器的第二端、多个所述第一电容的第一端一一对应连接。

2.根据权利要求1所述的变流器短路保护装置，其特征在于，所述并联变流器电路还包括第一电容组；

各所述第一晶体管模块与所述第一电容组相互并联连接；

所述第一电容组通过所述反并联晶闸管与所述串联变流器电路并联连接；

所述第一晶体管模块包括级联的第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管以及串联的第一二极管和第二二极管；

所述第一二极管的一端连接于所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管之间；

所述第二二极管的一端连接于所述第三绝缘栅双极晶体管、所述第四绝缘栅双极晶体管之间；

多个所述第二电感的第二端一一对应连接于多个所述第二绝缘栅双极晶体管和对应的第三绝缘栅双极晶体管之间。

3.根据权利要求2所述的变流器短路保护装置，其特征在于，所述串联变流器电路还包括第二电容组；

各所述第二晶体管模块和所述第二电容组相互并联连接，并通过所述反并联晶闸管与各所述第一晶体管模块、所述第一电容组相互并联连接；

所述第二晶体管模块包括级联的第五绝缘栅双极晶体管、第六绝缘栅双极晶体管、第七绝缘栅双极晶体管、第八绝缘栅双极晶体管以及串联的第三二极管和第四二极管；

所述第三二极管的一端连接于所述第五绝缘栅双极晶体管、所述第六绝缘栅双极晶体管之间；

所述第四二极管的一端连接于所述第七绝缘栅双极晶体管、所述第八绝缘栅双极晶体管之间；

多个所述第一电感的第一端一一对应连接于多个所述第六绝缘栅双极晶体管和对应的第七绝缘栅双极晶体管之间。

4.根据权利要求1所述的变流器短路保护装置，其特征在于，所述三相不可控整流模块包括多个二极管组和第二电容；

各所述二极管组和所述第二电容相互并联；

所述二极管组包括串联的第五二极管和第六二极管；

各所述第五断路器的第一端、各所述串联耦合变压器的第一端均一一对应连接于所述第五二极管和所述第六二极管之间。

5.根据权利要求1所述的变流器短路保护装置，其特征在于，还包括控制器；

所述控制器，用于控制所述第一断路器、所述第二断路器、所述第三断路器、所述第四断路器、所述第五断路器和所述反并联晶闸管的开闸与合闸。

6.一种变流器短路保护调节方法，其特征在于，应用于权利要求1至5任一项所述的变流器短路保护装置，所述方法包括：

当接收到变流器短路电流信号时，控制变流器模块中的反并联晶闸管、第二断路器组和断路电阻模块组中的多个第四断路器开闸，并通过三相不可控整流模块接收变流器短路电流；

当所述三相不可控整流模块接收完所述变流器短路电流时，控制第一断路器组合闸、控制变压器断路模块组中的多个第三断路器开闸。