專利名稱：儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)的制作方法
儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電力控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其屬于一種變流控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)電作為一種可再生能源，其發(fā)展越來越受重視。由于風(fēng)能的固有特征，風(fēng)電的出力會(huì)隨時(shí)波動(dòng)，給并網(wǎng)運(yùn)行帶來嚴(yán)重問題。儲(chǔ)能裝置在風(fēng)電系統(tǒng)的配套使用，將有效改善風(fēng)電對電網(wǎng)的不利影響，提高電網(wǎng)對風(fēng)電并網(wǎng)的允許接入率，提高風(fēng)電出力平滑性，實(shí)現(xiàn)削峰填谷等功能。
儲(chǔ)能型變流器裝置也可以稱作功率變換系統(tǒng)(power converting system,以下簡稱PCS)，其連接著電網(wǎng)和儲(chǔ)能電池柜。作為連接電網(wǎng)和儲(chǔ)能電池之間的橋梁，PCS在風(fēng)電系統(tǒng)出力超額部分儲(chǔ)存起來，并在風(fēng)電出力低谷時(shí)及時(shí)補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、平滑出力的功能。同時(shí)PCS還應(yīng)能接收電網(wǎng)調(diào)度要求，合理分配有功、無功功率輸出與輸入。
兩級結(jié)構(gòu)PCS變流器由于帶有雙向DC-DC控制環(huán)節(jié)，故能對各組電池分別進(jìn)行能量分配，避免了單級模式多電池并聯(lián)充放電不均流影響電池壽命的問題，在現(xiàn)場廣泛采用。兩級式PCS的直流母線作為交流與直流連接的橋梁，連接了眾多元器件，如母線儲(chǔ)能電容陣列、平衡電阻、逆變IGBT橋臂、電池等，存在短路的可能性。在直流母線發(fā)生短路時(shí)，母線電壓會(huì)迅速下降，若此時(shí)不及時(shí)切斷短路回路，將導(dǎo)致直流母線電壓低于電池端電壓，則電池會(huì)通過DC-DC環(huán)節(jié)中IGBT反并聯(lián)二極管形成短路放電回路，擴(kuò)大事故影響，嚴(yán)重威脅電池運(yùn)行安全。
傳統(tǒng)的PCS變流器結(jié)構(gòu)，缺乏對直流母線的有效保護(hù)。例如一般采用繼電器對系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)與保護(hù)，并采用熔斷器對電池作最底層保護(hù)。由于在直流母線短路時(shí)，瞬時(shí)電池短路放電電流較大，而繼電器動(dòng)作時(shí)間較長，一般需要幾十毫秒才能完成動(dòng)作，無法短時(shí)內(nèi)切斷故障，并容易造成繼電器觸點(diǎn)粘連故障，完全喪失切斷短路回路的功能。短路時(shí)無法快速切斷短路回路，將對電池帶來重大沖擊，影響電池壽命，威脅人身安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，本發(fā)明提出了一個(gè)新的解決方案。本方案將反并聯(lián)IGBT模塊引入儲(chǔ)能變流器充放電回路中，故障保護(hù)控制器通過對IGBT開關(guān)信號的控制，當(dāng)直流母線短 路時(shí)，可在100微秒內(nèi)切斷電池充放電回路。本發(fā)明公開的保護(hù)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由數(shù)個(gè)功能模塊組成，各功能模塊之間相互配合，快速實(shí)現(xiàn)直流母線短路時(shí)對電池的保護(hù)。
本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案:
一種儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)，包括主電路模塊和控制功能模塊，其特征在于:
所述主電路模塊主要由反并聯(lián)IGBT模塊、雙向DC-DC主電路、一個(gè)電壓傳感器、一個(gè)電流傳感器組成；所述反并聯(lián)IGBT模塊串接于DC-DC主電路與電池之間，分別與DC-DC主電路和電池相連，其中反并聯(lián)IGBT由兩個(gè)IGBT反并聯(lián)連接；所述電壓傳感器接于直流母線兩端，所述電流傳感器串接于反并聯(lián)IGBT模塊和電池之間；
所述控制功能模塊(以下簡稱控制模塊)分別與變流器控制器、電壓傳感器的輸出端、電流傳感器的輸出端以及反并聯(lián)IGBT模塊的控制端相連，所述控制模塊接收直流母線電壓信號和電池電流信號；
當(dāng)所述儲(chǔ)能變流器正常運(yùn)行時(shí)，所述控制模塊接收變流器控制器發(fā)出的閉合指令，控制所述反并聯(lián)IGBT模塊導(dǎo)通；當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的直流母線電壓信號低于設(shè)定閾值，或電池電流信號大于設(shè)定閾值時(shí)，所述控制模塊立即向所述反并聯(lián)IGBT模塊發(fā)出關(guān)斷指令，控制反并聯(lián)IGBT模塊斷開，所述控制模塊還將故障信號上報(bào)給變流器控制器，所述變流器控制器接收故障信號后，斷開串接在雙向DC-DC主電路中的第一繼電器KDC，使雙向DC-DC主電路完全隔離。
傳統(tǒng)的保護(hù)控制方式通常為，當(dāng)檢測到直流母線電壓低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出DC-DC連接繼電器斷開指令，通過繼電器斷開電池與變流器的電氣連接。但短路發(fā)生時(shí)往往在極短時(shí)間內(nèi)拉低了直流母線電壓，在繼電器斷開動(dòng)作前，電池通過DC-DC環(huán)節(jié)中IGBT反并聯(lián)二極管形成短路放電回路，擴(kuò)大事故范圍。較大的電流使繼電器觸點(diǎn)粘連無法斷開回路，進(jìn)一步導(dǎo)致事故擴(kuò)大化。本發(fā)明可在故障發(fā)生100微秒內(nèi)完成檢測并實(shí)現(xiàn)電池回路的切斷，能快速保護(hù)電池和變流器各器件安全運(yùn)行，避免因直流母線故障導(dǎo)致電池形成短路放電回路。
本申請具有以下有益的技術(shù)效果:
采用新型的IGBT電路拓?fù)浜涂刂破?，控制模塊接收各電壓、電流傳感器信號，實(shí)時(shí)檢測各傳感器參數(shù)值，并接收變流器控制器的控制信號。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，正常充放電時(shí)，發(fā)出導(dǎo)通信號，使IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)檢測到故障或短路時(shí)，立即發(fā)出關(guān)斷信號，快速關(guān)斷IGBT，及時(shí)切斷電池和變流器的電路連接。
通過回路中加入反并聯(lián)的IGBT模塊，控制模塊可在故障發(fā)生后100微秒內(nèi)切斷短路回路，避免事故繼續(xù)擴(kuò)大 。


圖1為儲(chǔ)能變流器常規(guī)電路原理圖2為本發(fā)明的儲(chǔ)能變流器直流母線短路保護(hù)基本框圖3為本發(fā)明的儲(chǔ)能變流器直流母線短路保護(hù)主電路原理圖4為本發(fā)明的儲(chǔ)能變流器直流母線短路保護(hù)控制原理圖5為本發(fā)明的儲(chǔ)能變流器直流母線短路保護(hù)控制效果示意圖。
具體實(shí)施方式
下面根據(jù)說明書附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，為儲(chǔ)能變流器常規(guī)電路原理圖，包括主電感、DC-AC電路、直流母線、雙向DC-DC電路和電池。雙向DC-DC電路中，第一 IGBT Kttjp與第一二極管Dttjp反并聯(lián)，第二 IGBTKbtrt與第二二極管Dbtrt反并聯(lián)，第一 IGBT的發(fā)射極與第二 IGBT的柵極串接，第一電感U。串接于第一 IGBT的發(fā)射極與第一繼電器KD。之間,第一繼電器另一端接第一濾波電容Cfma.，第一濾波電容并接于第一繼電器與第二 IGBT發(fā)射極之間。雙向DC-DC電路的輸出端和電池連接，其中，電池Ubat串接第一保險(xiǎn)Kf■后并接于第一濾波電容兩端。
圖2所示為儲(chǔ)能變流器直流母線短路保護(hù)基本框圖。儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)由主電路模塊和控制模塊構(gòu)成。反并聯(lián)IGBT串接于儲(chǔ)能變流器DC-DC部分與電池之間，其開通、關(guān)斷狀態(tài)由控制模塊控制?？刂颇K和儲(chǔ)能變流器控制器之間能進(jìn)行雙向通信，控制模塊接收儲(chǔ)能變流器控制器指令，并發(fā)送相應(yīng)的短路保護(hù)信息。
圖3所示為儲(chǔ)能變流器直流母線短路保護(hù)主電路原理圖。第一 IGBT Ktop與第一二極管Dtop反并聯(lián)，第二 IGBT Kbot與第二二極管Dbtrt反并聯(lián)，第一 IGBT的發(fā)射極與第二 IGBT的柵極串接，第一電感U。串接于第一 IGBT的發(fā)射極與第一繼電器KD。之間,第一繼電器Kdc;另一端接第一濾波電容CfiltCT正極，第一濾波電容CfiltOT負(fù)極接第二 IGBT Kbot發(fā)射極，電池Ubat正極接第一保險(xiǎn)Kfuse,負(fù)極接第一濾波電容Cfilte負(fù)極。保護(hù)器件Kkbt由兩個(gè)IGBT柵極與發(fā)射極反并聯(lián)后組成，Kigbt 一端接于第一濾波電容正極，另一端接第一保險(xiǎn)Kf.。
圖4所示為儲(chǔ)能變流器直流母線短路保護(hù)控制原理圖，包括儲(chǔ)能變流器DC-DC部分、反并聯(lián)IGBT部分、電池部分、控制模塊和變流器控制器。儲(chǔ)能變流器DC-DC部分檢測直流母線電壓UDC，電池部分提供電池電流Ibat?？刂颇K采集直流母線電壓和電池電流，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值判斷是否 正常運(yùn)行。控制模塊與變流器之間帶有雙向通信。正常運(yùn)行時(shí)，變流器控制器發(fā)出閉合指令，控制模塊根據(jù)實(shí)際故障狀態(tài)，若正常無故障，則發(fā)出反并聯(lián)IGBT導(dǎo)通指令導(dǎo)通電池與DC-DC電路。當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的直流母線電壓信號低于設(shè)定閾值，或電池電流信號大于設(shè)定閾值時(shí)，控制模塊立即向所述反并聯(lián)IGBT模塊發(fā)出關(guān)斷指令，控制反并聯(lián)IGBT模塊斷開。控制模塊還將故障信號上報(bào)給變流器控制器，變流器控制器接收故障信號后，斷開串接在雙向DC-DC主電路中的第一繼電器Kdc，使雙向DC-DC主電路完全電氣隔離。
圖5為儲(chǔ)能變流器直流母線短路保護(hù)控制效果示意圖。典型電路時(shí)，當(dāng)直流母線正負(fù)極間發(fā)生短路，會(huì)瞬間拉低直流母線電壓UDaink。當(dāng)直流母線電壓低于電池電壓時(shí)，會(huì)通過第一保險(xiǎn)Kf■、第一繼電器KD。、第一電感LD。第一反并聯(lián)二極管Dtop形成短路放電回路，進(jìn)一步擴(kuò)大短路故障，并容易使第一繼電器KD。觸點(diǎn)粘連，完全喪失切斷短路回路的功能。短路回路持續(xù)導(dǎo)通，直至第一保險(xiǎn)Kfuse完全損壞，給電池帶來重大沖擊，影響電池壽命，威脅人身安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。本發(fā)明在檢測到故障狀態(tài)后，利用IGBT的快速關(guān)斷能力，能在很短時(shí)間內(nèi)斷開電池放電回路，避免事故擴(kuò)大和設(shè)備損壞。
權(quán)利要求
1.一種儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)，包括主電路模塊和控制功能模塊，其特征在于: 所述主電路模塊主要由反并聯(lián)IGBT模塊、雙向DC-DC主電路、一個(gè)電壓傳感器、一個(gè)電流傳感器組成；所述反并聯(lián)IGBT模塊串接于DC-DC主電路與電池之間，分別與DC-DC主電路和電池相連，其中反并聯(lián)IGBT由兩個(gè)IGBT反并聯(lián)連接；所述電壓傳感器接于直流母線兩端，所述電流傳感器串接于反并聯(lián)IGBT模塊和電池之間；所述控制功能模塊分別與變流器控制器、電壓傳感器的輸出端、電流傳感器的輸出端以及反并聯(lián)IGBT模塊的控制端相連，所述控制功能模塊接收直流母線電壓信號和電池電流信號； 當(dāng)所述儲(chǔ)能變流器正常運(yùn)行時(shí)，所述控制功能模塊接收變流器控制器發(fā)出的閉合指令，控制所述反并聯(lián)IGBT模塊導(dǎo)通；當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的直流母線電壓信號低于設(shè)定電壓閾值，或電池電流信號大于設(shè)定電流閾值時(shí)，所述控制模塊立即向所述反并聯(lián)IGBT模塊發(fā)出關(guān)斷指令，控制反并聯(lián)IGBT模塊斷開，所述控制模塊還將故障信號上報(bào)給變流器控制器，所述變流器控制器接收故障信號后，斷開串接在雙向DC-DC主電路中的第一繼電器KDC，使雙向DC-DC主電路完全隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于: 所述電路主模塊還包括一熔斷器，所述熔斷器串接在反并聯(lián)IGBT模塊和電池之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于: 所述控制模塊 在故障發(fā)生后100微秒內(nèi)切斷短路回路，避免事故繼續(xù)擴(kuò)大。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種全新的儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于斷路器或保險(xiǎn)的短路保護(hù)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所提出的儲(chǔ)能變流器直流母線短路快速保護(hù)系統(tǒng)基于IGBT的快速關(guān)斷能力，可在幾百微秒內(nèi)切斷電源回路，保護(hù)儲(chǔ)能電池和儲(chǔ)能變流器的安全。本發(fā)明中各模塊功能定位清晰、結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝和調(diào)試，保護(hù)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間明顯縮短，提高儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)可靠性。
文檔編號H02J3/32GK103248015SQ201310151458
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者陳劍, 吳國榮, 鹿懷驥, 李志強(qiáng), 王思耕, 陳飛 申請人:北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司, 國電新能源技術(shù)研究院