CN220964318U - 一种功率变换器保护装置及功率变换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种功率变换器保护装置及功率变换系统。其中，该功率变换器保护装置包括：保护元件和机械开关；保护元件和机械开关连接；保护元件和机械开关的控制端分别接收相应的控制信号；在功率变换器过载时，机械开关接收的控制信号为关断信号，实现带载分断及功率变换器内部灭弧；在功率变换器短路时，保护元件接收的控制信号为关断信号，断开功率变换器与直流电源之间的连接。本实用新型可以在功率变换器故障时保证功率变换系统安全。

Description

一种功率变换器保护装置及功率变换系统

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种功率变换器保护装置及功率变换系统。

背景技术

目前，功率变换器在短路故障发生时，切断短路故障电流会有拉弧风险，严重时会烧毁整个功率变换器，甚至影响整个功率变换系统安全。此外，在功率变换器发生短路故障时，由于保护动作时间较长，这对于功率变换系统的安全存在一定的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种功率变换器保护装置及功率变换系统，可以在功率变换器故障时保证功率变换系统安全。具体技术方案如下：

本实用新型提供了一种功率变换器保护装置，包括：

保护元件和机械开关；

所述保护元件和所述机械开关连接；

所述保护元件和所述机械开关的控制端分别接收相应的控制信号；

在功率变换器过载时，所述机械开关接收的控制信号为关断信号，实现带载分断及功率变换器内部灭弧；

在所述功率变换器短路时，所述保护元件接收的控制信号为关断信号，断开所述功率变换器与直流电源之间的连接。

可选的，所述保护元件的个数为1个或2个；

在所述保护元件的个数为1个时，所述保护元件串联在所述直流电源的正极或负极；

在所述保护元件的个数为2个时，各所述保护元件分别串联在所述直流电源的正极和负极，或，两个所述保护元件串联在所述直流电源的任一极。

可选的，所述机械开关的个数为2个，各所述机械开关分别与所述功率变换器的直流侧正极和负极连接。

可选的，所述保护元件为固态开关。

可选的，所述固态开关包括IGBT或MOS管。

可选的，所述机械开关包括断路器。

可选的，还包括：

控制器；

所述保护元件和所述机械开关均受控于所述控制器；

所述控制器的输入端接收采样信号，所述控制器的输出端分别连接所述保护元件和所述机械开关的控制端。

可选的，还包括：

采样电路；

所述采样电路的输出端与所述控制器的输入端连接；

所述控制器接收所述采样电路传输的所述采样信号，并在所述采样信号表征所述功率变换器过载时，输出关断信号至所述机械开关，在所述采样信号表征所述功率变换器短路时，输出关断信号至所述保护元件。

可选的，所述采样电路，包括：

电流采样单元和电压采样单元；

所述电流采样单元串联在所述功率变换器的直流侧；

所述电压采样单元并联在所述功率变换器的直流侧。

可选的，所述电流采样单元为电流传感器或分流器。

本实用新型还提供一种功率变换系统，包括：

直流电源和功率变换器；

所述功率变换器包括如上所述的功率变换器保护装置；

所述直流电源与所述功率变换器保护装置连接。

本实用新型实施例提供的一种功率变换器保护装置及功率变换系统，通过保护元件在功率变换器短路时断开功率变换器与直流电源之间的连接，以及机械开关在功率变换器过载时实现带载分断及功率变换器内部灭弧，可以在功率变换器故障时避免出现拉弧风险，并及时通过保护元件及时断开功率变换器与直流电源之间的连接，从而保证功率变换系统的安全。

当然，实施本实用新型的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种功率变换器保护装置结构示意图；

图2(a)为本实用新型实施例提供的另一种功率变换器保护装置结构示意图；

图2(b)为本实用新型实施例提供的另一种功率变换器保护装置结构示意图；

图2(c)为本实用新型实施例提供的另一种功率变换器保护装置结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种功率变换器保护装置结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种功率变换器保护装置结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种功率变换器保护装置结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种功率变换器结构示意图；

图7(a)为本实用新型实施例提供的另一种功率变换器结构示意图；

图7(b)为本实用新型实施例提供的另一种功率变换器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种功率变换器保护装置，如图1所示，该功率变换器保护装置1，包括：

保护元件11和机械开关12。

保护元件11和机械开关12连接。

保护元件11和机械开关12的控制端分别接收相应的控制信号。

在功率变换器过载时，机械开关12接收的控制信号为关断信号，实现带载分断及功率变换器22内部灭弧。

在功率变换器短路时，保护元件11接收的控制信号为关断信号，断开功率变换器22与直流电源21之间的连接。

为了防止功率变换器故障发生时切断短路故障出现拉弧风险，可以通过具有灭弧功能的机械开关在功率变换器过载时断开，以切断功率变换器与直流电源之间的连接，避免出现拉弧风险，以保证整个功率变换系统的安全。此外，该机械开关在分断过载电流时可以实现带载分断。具体的，在发生功率变换器过载故障时，该机械开关可以接收到关断信号，在机械开关接收到该关断信号时，机械开关断开，以使功率变换器与直流电源断开连接。

而在功率变换器发生短路故障时，若采用机械开关切断功率变换器与直流电源间的连接，其保护动作时间较长，为了缩短保护动作时间，可以采用保护元件断开功率变换器与直流电源间的连接，从而保证功率变换系统的安全。具体的，在发生功率变换器短路故障时，该保护元件可以接收到关断信号，在保护元件接收到关断信号时，保护元件断开，以使功率变换器与直流电源断开连接。

本实用新型的功率变换器保护装置，通过机械开关和保护元件相互配合，既可以避免仅采用机械开关导致在短路故障时保护动作时间较长的问题，还可以避免功率变换器故障时出现拉弧风险而烧毁整个功率变换器、甚至影响整个功率变换系统安全的问题。

可选的，该保护元件为固态开关。

该固态开关主要由电力电子器件组成，固态开关具有保护动作快的特点，可以在功率变换器发生短路故障时快速分断。固态开关的保护时间低于熔丝的保护时间，并且在故障后熔丝需要及时更换，而固态开关不容易损坏，在出现短路故障后也无需更换固态开关，可以降低运维成本。

该固态开关可以包括IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)。

可选的，该机械开关包括断路器。

断路器分断过载电流可以实现带载分断，并且可以实现功率变换器内部灭弧，无拉弧风险。该断路器相比于接触器来说，由于无拉弧风险，可以保证功率变换器及整个功率变换系统安全。

为了解决随着功率密度增加，断路器和固态开关所占空间增大较多的问题，可以将该断路器和固态开关集成在功率变换器内部，以缩小整体体积。

作为一可选的实施方式，本实用新型提供的功率变换器保护装置，如图2所示，保护元件的个数为1个或2个。

如图2(a)所示，在保护元件的个数为1个时，保护元件11串联在直流电源21的正极或负极。

在功率变换器发生短路故障时，该保护元件接收到关断信号，保护元件断开，从而断开直流电源21与功率变换器22的连接。

如图2(b)和图2(c)所示，在保护元件11的个数为2个时，各保护元件11分别串联在直流电源21的正极和负极，或，两个保护元件11串联在直流电源21的任一极。

为了提高功率变换器保护装置的可靠性，避免仅设置一个保护元件，而该保护元件故障时不能及时关断的问题，可以设置两个或者多个保护元件。若保护元件的个数为2个，这两个保护元件可以分别串联在直流电源的正极和负极，如图2(b)所示。当然，这两个保护元件也可以串联在直流电源的任一极，如两个保护元件同时串联在直流电源的正极，或两个保护元件同时串联在直流电源的负极。

可选的，机械开关的个数为2个，各机械开关12分别与功率变换器22的直流侧正极和负极连接。

在功率变换器22发生过载故障时，若两个机械开关12均接收到关断信号，则两个机械开关12均断开，从而断开直流电源21与功率变换器22的连接。

作为一可选的实施方式，如图3所示，本实用新型提供的功率变换器保护装置，还包括：

控制器31。

保护元件11和机械开关12均受控于控制器31。

控制器31的输入端接收采样信号，控制器31的输出端分别连接保护元件11和机械开关12的控制端。

在机械开关的个数为2个时，该控制器的输出端分别与每个机械开关的控制端连接。在保护元件的个数为1个时，该控制器的输出端与该保护元件的控制端连接。在保护元件的个数为2个时，该控制器的输出端分别与每个保护元件的控制端连接。

控制器可以控制保护元件和机械开关的通断。在功率变换器发生过载时，控制器输出控制信号至机械开关，该控制信号为关断信号，以使机械开关关断，直流电源和功率变换器断开连接。在功率变换器发生短路时，控制器输出控制信号至保护元件，该控制信号为关断信号，以使保护元件关断，直流电源和功率变换器断开连接。在功率变换器正常工作时，控制器可以分别输出控制信号至机械开关和保护元件，该控制信号为导通信号，以使机械开关和保护元件闭合，直流电源和功率变换器导通。

作为另一可选的实施方式，如图4所示，本实用新型提供的功率变换器保护装置，还包括：

采样电路41。

采样电路41的输出端与控制器31的输入端连接。

控制器接收采样电路传输的采样信号，并在采样信号表征功率变换器过载时，输出关断信号至机械开关，在采样信号表征功率变换器短路时，输出关断信号至保护元件。该采样信号可以为电流采样信号，该采样信号也可以为电流采样信号和电压采样信号。该采样电路可以与机械开关和保护元件一起集成在功率变换器中。

可选的，采样电路，包括：

电流采样单元。

电流采样单元串联在功率变换器的直流侧。

该电流采样单元可以设置在机械开关与功率变换器的直流侧之间，以采集功率变换器的电流。当电流采样单元采集的功率变换器的电流高于功率变换器的正常电流时，则反映出功率变换器发生故障。在功率变换器发生短路故障时电流采样单元采集的电流高于发生过载故障时的电流，因此可以通过电路采样单元采集的功率变换器的大小判断功率变换器发生短路故障或过载故障，控制器根据电流采样单元采集电流表征的故障类型控制机械开关或保护元件断开。

其中，该电流采样单元可以为电流传感器或分流器。

可选的，采样电路，还包括：

电压采样单元；

电压采样单元并联在功率变换器的直流侧。

该电压采样单元可以采集功率变换器的电压，具体可以将该电压采样单元并联在功率变换器的直流侧。该电压采样单元还可以并联在直流电源的两端。当两个电压采样单元采集的电压相同且不为0时，说明直流电源和功率变换器已导通。在直流电源和功率变换器导通的条件下，若该电压采样单元采集的功率变换器的电压为0时，表征功率变换器发生短路故障，控制器可以控制保护元件断开，从而实现直流电源和功率变换器断开连接。当然，在该电压采样单元采集的功率变换器的电压为0时，也可以结合电流采样单元采集的电流值判断功率变换器是否发生短路故障，若此时采集的电流也高于正常电流值，则确定发生短路故障，控制器可以发送关断信号至保护元件，保护元件断开，以使直流电源和功率变换器断开连接。

作为另一可选的实施方式，本实用新型提供的功率变换器保护装置，还包括：

缓起电路。

缓起电路并联在机械开关两端。

缓起电路用于在机械开关闭合前导通。

缓起电路可以防止直流电源瞬间投切的电流冲击，在闭合机械开关前，先导通缓起电路，缓起结束后再闭合机械开关，断开缓起电路。

可选的，如图5所示，该缓起电路，包括：

缓起开关K0和缓起电阻R0。

缓起开关K0与缓起电阻R0串联连接。

在导通直流电源21和功率变换器22时，保护元件11闭合，在机械开关12闭合前，可以先闭合缓起开关K0，然后闭合机械开关12，再打开缓起开关K0，以防止直流电源瞬间投切的电流冲击。

本实用新型还提供一种功率变换器，如图6所示，包括：主电路6和如图1至图5所示的功率变换器保护装置1。

该功率变换器可以为储能变流器，该功率变换器保护装置可以为储能变流器保护装置。

可选的，该主电路，包括：

逆变电路61。

逆变电路61的直流侧与功率变换器保护装置1连接。

可选的，该主电路，还包括：

母线电容62。

母线电容连接于逆变电路61的直流侧正负极之间。

可选的，该主电路，还包括：

母线均压电阻63；

母线均压电阻63连接于逆变电路61的直流侧正负极之间。

在一可选的实施例中，本实用新型提供的功率变换器，如图7(a)所示，包括：功率变换器保护装置和主电路。其中，功率变换器保护装置包括一个固态开关71和两个断路器72、控制器73、缓起开关K1和K2、缓起电阻R1和R2，以及采样电路(图中未示出)。该主电路包括母线均压电阻R3和R4，母线电容C1和C2，以及逆变电路，该逆变电路包括6个IGBT，分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。其中，R3和R4的连接点、C1和C2的连接点、Q1和Q2的连接点相连。

在另一可选的实施例中，本实用新型提供的功率变换器，如图7(b)所示，与图7(a)所示的功率变换器区别在于，功率变换器保护装置包括两个固态开关71。

本实用新型还提供一种功率变换系统，包括：

直流电源和如图6和图7所示的功率变换器。

直流电源与功率变换器的直流侧连接。

该功率变换器包括如上所述的功率变换器保护装置。

直流电源与该功率变换器保护装置连接。

若该功率变换器为储能变流器，则该功率变换系统为储能系统，该直流电源为储能电池。

图6中该直流电源与功率变换器的功率变换器保护装置1连接。

图7(a)中该直流电源的正极与固态开关71连接，直流电源的负极与断路器72连接。

图7(b)中该直流电源于的正负极分别与两个固态开关71连接。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种功率变换器保护装置，其特征在于，包括：

保护元件和机械开关；

所述保护元件和所述机械开关连接；

所述保护元件和所述机械开关的控制端分别接收相应的控制信号；

在功率变换器过载时，所述机械开关接收的控制信号为关断信号，实现带载分断及功率变换器内部灭弧；

在所述功率变换器短路时，所述保护元件接收的控制信号为关断信号，断开所述功率变换器与直流电源之间的连接。

2.根据权利要求1所述的功率变换器保护装置，其特征在于，所述保护元件的个数为1个或2个；

在所述保护元件的个数为1个时，所述保护元件串联在所述直流电源的正极或负极；

在所述保护元件的个数为2个时，各所述保护元件分别串联在所述直流电源的正极和负极，或，两个所述保护元件串联在所述直流电源的任一极。

3.根据权利要求1所述的功率变换器保护装置，其特征在于，所述机械开关的个数为2个，各所述机械开关分别与所述功率变换器的直流侧正极和负极连接。

4.根据权利要求1所述的功率变换器保护装置，其特征在于，所述保护元件为固态开关。

5.根据权利要求4所述的功率变换器保护装置，其特征在于，所述固态开关包括IGBT或MOS管。

6.根据权利要求1所述的功率变换器保护装置，其特征在于，所述机械开关包括断路器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的功率变换器保护装置，其特征在于，还包括：

控制器；

所述保护元件和所述机械开关均受控于所述控制器；

所述控制器的输入端接收采样信号，所述控制器的输出端分别连接所述保护元件和所述机械开关的控制端。

8.根据权利要求7所述的功率变换器保护装置，其特征在于，还包括：

采样电路；

所述采样电路的输出端与所述控制器的输入端连接；

所述控制器接收所述采样电路传输的所述采样信号，并在所述采样信号表征所述功率变换器过载时，输出关断信号至所述机械开关，在所述采样信号表征所述功率变换器短路时，输出关断信号至所述保护元件。

9.根据权利要求8所述的功率变换器保护装置，其特征在于，所述采样电路，包括：

电流采样单元和电压采样单元；

所述电流采样单元串联在所述功率变换器的直流侧；

所述电压采样单元并联在所述功率变换器的直流侧。

10.根据权利要求9所述的功率变换器保护装置，其特征在于，所述电流采样单元为电流传感器或分流器。

11.一种功率变换系统，其特征在于，包括：

直流电源和功率变换器；

所述功率变换器包括如权利要求1至10任一项所述的功率变换器保护装置；

所述直流电源与所述功率变换器保护装置连接。