CN117277224A - 一种直流系统短路故障保护系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种直流系统短路故障保护系统及其方法，包括三相交流母线、PWM整流器、直流母线、电压检测模块以及双向晶闸管，电压检测模块设置于直流母线上，双向晶闸管设置于三相交流母线上，三相交流母线与PWM整流器的输入端连接，PWM整流器的输出端与直流母线连接，直流母线用于为负载供电；当双向晶闸管正向导通时，三相交流母线输出的交流母线电压经PWM整流器整流后，输出直流母线的电压，并通过多条馈线为不同的负载供电；电压检测模块用于检测直流母线的电压，并根据直流母线的电压确定是否触发驱动双向晶闸管反向导通。本申请能够实现直流系统产生短路故障时，进行快速故障隔离。

Description

一种直流系统短路故障保护系统及其方法

技术领域

本申请涉及直流配电系统技术领域，具体涉及一种直流系统短路故障保护系统及其方法。

背景技术

直流系统通常与交流电网通过整流器相连，直流母线发生短路故障时，直流母线的电压下降，由于短路线路阻抗小使得短路电流很大，对整流器的开关器件产生严重的危害。因此，当系统产生短路故障时，要进行快速的切除，防止直流短路引起直流电压降低使整流器因为二极管导通失控造成更大的损失。

在现有直流系统中，当直流系统产生短路故障时，主要依靠断路器进行故障清除，但交流断路器利用机械触头分合动作，动作时间在秒级，不能实现快速故障隔离；直流断路器对系统内其它设备运行影响较小，灵活性较好，可靠性较高，但经济性较差， 而且直流断路器动作时存在熄弧困难的问题。

发明内容

本申请的目的在于提出一种直流系统短路故障保护系统及其方法，以实现直流系统产生短路故障时，进行快速故障隔离。

为实现上述目的，本申请实施例提供一种直流系统短路故障保护系统，包括三相交流母线、PWM整流器、直流母线、电压检测模块以及双向晶闸管，所述电压检测模块设置于所述直流母线上，所述双向晶闸管设置于所述三相交流母线上，所述三相交流母线与所述PWM整流器的输入端连接，所述PWM整流器的输出端与所述直流母线连接，所述直流母线用于为负载供电；

当所述双向晶闸管正向导通时，所述三相交流母线输出的交流母线电压经所述PWM整流器整流后，输出直流母线的电压，并通过所述多条馈线为所述不同的负载供电；

所述电压检测模块用于检测所述直流母线的电压，并根据所述直流母线的电压确定是否触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

进一步地，所述电压检测模块具体用于当所述直流母线的电压大于等于所述三相交流母线的交流相电压的峰值时，不进行触发驱动，所述双向晶闸管保持正向导通，当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

进一步地，所述PWM整流器包括输入滤波电路、PWM控制器、整流桥、输出滤波电路，所述整流桥为三相全桥，包括6个组件，每个组件包括一个IGBT以及与该IGBT反并联的二极管，所述输入滤波电路用于输入所述交流母线电压，所述PWM控制器用于输出PWM信号控制所述整流桥，所述整流桥用于对输入的交流母线电压进行整流得到直流母线的电压，所述输出滤波电路用于输出所述直流母线的电压。

进一步地，所述PWM控制器用于当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，控制PWM整流器正常工作并维持直流母线的电压稳定；当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，控制PWM整流器的各个IGBT的反并联二极管导通。

本申请实施例还提供一种直流系统短路故障保护方法，基于所述的系统实现，所述方法包括：

当所述双向晶闸管正向导通时，所述三相交流母线输出的交流母线电压经所述PWM整流器整流后输出至所述直流母线，所述直流母线的电压为不同的负载供电；

所述电压检测模块实时检测所述直流母线的电压，并根据所述直流母线的电压确定是否触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

进一步地，所述电压检测模块实时检测所述直流母线的电压，并根据所述直流母线的电压确定是否触发驱动所述双向晶闸管反向导通，具体包括：

所述电压检测模块具体用于当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，不进行触发驱动，所述双向晶闸管保持正向导通，当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

进一步地，所述PWM整流器包括输入滤波电路、PWM控制器、整流桥、输出滤波电路，所述整流桥为三相全桥，包括6个组件，每个组件包括一个IGBT以及与该IGBT反并联的二极管，所述输入滤波电路用于输入所述交流母线电压，所述PWM控制器用于输出PWM信号控制所述整流桥，所述整流桥用于对输入的交流母线电压进行整流得到直流母线的电压，所述输出滤波电路用于输出所述直流母线的电压。

进一步地，所述方法还包括：

当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，所述PWM控制器控制PWM整流器正常工作并维持直流母线的电压稳定；

当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，所述PWM控制器控制PWM整流器的各个IGBT的反并联二极管导通。

本申请实施例提供一种直流系统短路故障保护系统及其方法具有以下优点：

通过检测直流母线电压，下降到阈值后驱动连接在交流电网的双向晶闸管导通，双向晶闸管能够承受较大的电流，使得器件不会因为短路电流而损坏。此方法能够较快的针对故障作出反应，且相较于断路器具有更低的成本。

本申请实施例未详述的细节和优点在具体实施方式中详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要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申请的一些实施例，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为本申请实施例中直流系统短路故障保护系统的示意图。

图2为本申请实施例中一种直流系统短路故障保护方法的示意图。

具体实施方式

附图的详细说明意在作为本申请的当前实施例的说明，而非意在代表本申请能够得以实现的仅有形式。应理解的是，相同或等同的功能可以由意在包含于本申请的精神和范围之内的不同实施例完成。

如图1所示，本申请的一个实施例提供一种直流系统短路故障保护系统，包括三相交流母线、PWM整流器、直流母线、电压检测模块以及双向晶闸管，所述电压检测模块设置于所述直流母线上，所述双向晶闸管设置于所述三相交流母线上，所述三相交流母线与所述PWM整流器的输入端连接，所述PWM整流器的输出端与所述直流母线连接，所述直流母线连接不同的馈线，通过不同的馈线为不同的负载供电；

当所述双向晶闸管正向导通时，所述三相交流母线输出的交流母线电压经所述PWM整流器整流后，输出直流母线的电压，并通过所述多条馈线为所述不同的负载供电；

所述电压检测模块用于检测所述直流母线的电压，并根据所述直流母线的电压确定是否触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

具体而言，双向晶闸管是一种具有双向导通特性的电子器件。当晶闸管工作于导通状态时，它能够将电流从一个方向导通至另一个方向。在这种场景下，当直流母线发生短路故障，短路电流会试图通过直流母线流回交流电网。然而，当双向晶闸管处于导通状态时，它相当于一个低阻抗连接，能够提供一个更低的路径阻抗，使得短路电流能够通过晶闸管而不是流经变换器。换句话说，双向晶闸管的导通将直流电流引导至交流侧，绕过了变换器，并且将其直接返回给交流电网，从而避免了短路电流流经变换器。这样做的好处是可以保护变换器以及与之连接的其他器件，避免短路电流对它们造成损害。本实施例利用交流侧保护装置将电路切断，防止直流短路引起直流电压降低使整流器因为二极管导通失控造成更大的损失。

进一步地，所述电压检测模块具体用于当所述直流母线的电压大于等于所述三相交流母线的交流相电压的峰值时，不进行触发驱动，所述双向晶闸管保持正向导通，当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

以下是本实施例中的一种驱动方法：

电压检测：通过电压检测装置监测直流母线电压是否下降到设定的阈值。当电压下降到阈值时，触发器电路将激活。

触发器电路：触发器电路一般由门极驱动电源、触发电路和输出电路构成。触发器电路中的逻辑门接收电压检测装置的信号，当检测到电压下降到阈值时，逻辑门将触发信号发送给触发电路。

触发信号：触发信号经过触发电路的处理后，将被发送到双向晶闸管的控制端。触发信号的作用是打开晶闸管，使其导通。

双向晶闸管导通：当触发信号到达双向晶闸管控制端后，晶闸管会开始导通，从而将短路电流引导至交流侧，防止短路电流流经变换器。

需要注意的是，在驱动双向晶闸管时，应确保触发信号能够满足晶闸管的触发条件，例如适当的触发电压和导通电流等。此外，为了保证系统的稳定性，还需要设计合适的保护电路，以防止过电压和过电流对系统和双向晶闸管造成损害。

进一步地，所述PWM整流器包括输入滤波电路、PWM控制器、整流桥、输出滤波电路，所述整流桥为三相全桥，包括6个组件，每个组件包括一个IGBT以及与该IGBT反并联的二极管，所述输入滤波电路用于输入所述交流母线电压，所述PWM控制器用于输出PWM信号控制所述整流桥，所述整流桥用于对输入的交流母线电压进行整流得到直流母线的电压，所述输出滤波电路用于输出所述直流母线的电压。

进一步地，所述PWM控制器用于当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，控制PWM整流器正常工作并维持直流母线的电压稳定；当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，控制PWM整流器的各个IGBT的反并联二极管导通。

具体而言，当PWM整流器输出的直流母线电压u_dc≥交流相电压的峰值u_acmax时，未发生电压跌落，PWM整流器正常工作并维持直流母线电压稳定，直流母线电压波动可以忽略不计。此时，输出端的各线路阻抗呈容性，电压电流的关系负荷电容特性。当一路负载发生一般短路故障时，短路电流无法达到负荷开关自身动作电流时，短路故障持续存在，负荷消耗的功率不断升高，母线电压开始跌落。

当PWM整流器输出的直流母线电压u_dc<交流相电压的峰值u_acmax时，发生电压跌落，PWM整流器中各IGBT的反并联二极管开始导通，此时PWM整流器变为三相全桥不控整流器，输出电压波形为六脉波直流电压，频率由50Hz升至300Hz；频率增大后，容抗X_C减小，感抗X_L增大，阻抗特性由容性变为感性或阻性，阻抗特性发生变化。而没有发生短路故障的线路阻抗仍呈容性，此时对线路阻抗特性进行测试，可准确判断出故障发生的位置，进行保护。

本实施例的系统具有以下优点：

短路电流绕过变流器：使用双向晶闸管将短路电流引导至交流侧，可以避免短路电流通过变流器而造成损害。这样可以延长变流器的寿命，并减少维修和更换的成本。

快速响应时间：触发器电路可以对短路电流进行实时监测，并迅速反应。一旦短路事件发生，触发器电路会立即触发双向晶闸管导通，使短路电流迅速绕过变流器。

保护系统稳定性：短路电流对电力系统来说是一个瞬态事件，可能会对系统的稳定性产生负面影响。通过将短路电流引导至交流侧，可以减少对直流侧的影响，保持整个系统的稳定性。

高效能量转移：双向晶闸管的导通损耗较低，可以实现高效能量传输。这对于能源转换和电力传输系统来说是非常重要的，可以提高系统的效率和能源利用率。

灵活性和可靠性：双向晶闸管是一种可靠的电力控制器件，并且可以承受较大的电流和电压。它们在工作时具有双向导通特性，且能够快速响应并进行可靠的电力控制。

总之，驱动双向晶闸管的方案可以提供保护变流器和系统的功能，并具备高效能量传输和稳定性的优势。这使得它在电力系统和工业应用中得到广泛应用。

本申请的另一个实施例还提供一种直流系统短路故障保护方法，基于所述的系统实现，参阅图2，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，当所述双向晶闸管正向导通时，所述三相交流母线输出的交流母线电压经所述PWM整流器整流后输出至所述直流母线，所述直流母线的电压为不同的负载供电；

步骤S2，所述电压检测模块实时检测所述直流母线的电压，并根据所述直流母线的电压确定是否触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

进一步地，所述步骤S2，具体包括：

所述电压检测模块具体用于当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，不进行触发驱动，所述双向晶闸管保持正向导通，当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

进一步地，所述PWM整流器包括输入滤波电路、PWM控制器、整流桥、输出滤波电路，所述整流桥为三相全桥，包括6个组件，每个组件包括一个IGBT以及与该IGBT反并联的二极管，所述输入滤波电路用于输入所述交流母线电压，所述PWM控制器用于输出PWM信号控制所述整流桥，所述整流桥用于对输入的交流母线电压进行整流得到直流母线的电压，所述输出滤波电路用于输出所述直流母线的电压。

进一步地，所述方法还包括：

当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，所述PWM控制器控制PWM整流器正常工作并维持直流母线的电压稳定；

当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，所述PWM控制器控制PWM整流器的各个IGBT的反并联二极管导通。

本实施例的方法与上述实施例的系统对应，因此，本实施例的方法未详述的内容可以参阅上述实施例的系统的内容得到，故此处不再赘述。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种直流系统短路故障保护系统，其特征在于，包括三相交流母线、PWM整流器、直流母线、电压检测模块以及双向晶闸管，所述电压检测模块设置于所述直流母线上，所述双向晶闸管设置于所述三相交流母线上，所述三相交流母线与所述PWM整流器的输入端连接，所述PWM整流器的输出端与所述直流母线连接，所述直流母线用于为负载供电；

当所述双向晶闸管正向导通时，所述三相交流母线输出的交流母线电压经所述PWM整流器整流后，输出直流母线的电压，并通过所述多条馈线为所述不同的负载供电；

所述电压检测模块用于检测所述直流母线的电压，并根据所述直流母线的电压确定是否触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压检测模块具体用于当所述直流母线的电压大于等于所述三相交流母线的交流相电压的峰值时，不进行触发驱动，所述双向晶闸管保持正向导通，当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述PWM整流器包括输入滤波电路、PWM控制器、整流桥、输出滤波电路，所述整流桥为三相全桥，包括6个组件，每个组件包括一个IGBT以及与该IGBT反并联的二极管，所述输入滤波电路用于输入所述交流母线电压，所述PWM控制器用于输出PWM信号控制所述整流桥，所述整流桥用于对输入的交流母线电压进行整流得到直流母线的电压，所述输出滤波电路用于输出所述直流母线的电压。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述PWM控制器用于当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，控制PWM整流器正常工作并维持直流母线的电压稳定；当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，控制PWM整流器的各个IGBT的反并联二极管导通。

5.一种直流系统短路故障保护方法，其特征在于，基于权利要求1~4中任一项所述的系统实现，所述方法包括：

当所述双向晶闸管正向导通时，所述三相交流母线输出的交流母线电压经所述PWM整流器整流后输出至所述直流母线，所述直流母线的电压为不同的负载供电；

所述电压检测模块实时检测所述直流母线的电压，并根据所述直流母线的电压确定是否触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电压检测模块实时检测所述直流母线的电压，并根据所述直流母线的电压确定是否触发驱动所述双向晶闸管反向导通，具体包括：

所述电压检测模块具体用于当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，不进行触发驱动，所述双向晶闸管保持正向导通，当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，触发驱动所述双向晶闸管反向导通。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述PWM整流器包括输入滤波电路、PWM控制器、整流桥、输出滤波电路，所述整流桥为三相全桥，包括6个组件，每个组件包括一个IGBT以及与该IGBT反并联的二极管，所述输入滤波电路用于输入所述交流母线电压，所述PWM控制器用于输出PWM信号控制所述整流桥，所述整流桥用于对输入的交流母线电压进行整流得到直流母线的电压，所述输出滤波电路用于输出所述直流母线的电压。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述直流母线的电压大于等于交流相电压的峰值时，所述PWM控制器控制PWM整流器正常工作并维持直流母线的电压稳定；

当所述直流母线的电压小于交流相电压的峰值时，所述PWM控制器控制PWM整流器的各个IGBT的反并联二极管导通。