CN103731017A - 储能双向变流器的短路保护*** - Google Patents

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张效宇
刘智全
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Abstract

一种储能双向变流器的短路保护***，所述短路保护***包括交流侧短路保护模块和直流侧保护模块，两种模块单独设计，并集成在PCS的内部，两种保护均采用模块化设计，交流侧保护模块主要包含二极管三相全桥整流模块、大功率晶闸管和电阻三部分；直流侧保护模块由大功率晶闸管和电阻两部分组成。交流侧短路保护模块与PCS的功率变换单元进行并联连接，三相电源先经过二极管三相全桥整流模块，然后整流模块共阴极输出的直流电压正极通过大功率晶闸管后，先经过电阻，最终流回整流模块的共阳极，构成短路保护回路；直流侧短路保护模块并联在直流母线电容上，直流母线电压正极先经过大功率晶闸管，然后再通过吸收电阻流回直流母线负极，构成短路保护回路。

Description

储能双向变流器的短路保护***
技术领域
本发明属于储能***领域，适用于各种储能变流器，用以实现对交流电网侧和负载侧的短路保护设计。
背景技术
目前，储能双向变流器在配电网***的应用相对较多，配电网主要是由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等组成的，由于配电网的网络构成特点和线路连接方式，极易发生单相对地短路，相间短路等故障，所以储能双向变流器具备短路保护的功能是十分必要的。
储能双向变流器常规的短路保护都是利用断路器实现的，当电网或者PCS的内部发生短路故障时，断路器内部的磁性元件流过短路电流后会触发脱扣器动作，实现短路保护，也有谨慎的变流器厂家利用断路器和熔断器一起配合实现PCS的短路保护。但是，这些短路保护都是机械式的保护，首先，磁脱扣会有一定的机械误差，而且机械动作时会有一定的延迟时间，有的甚至可达几十毫秒，可能断路器脱扣之前，短路故障已经消除，PCS恢复正常状态，这就无法完全保证PCS的安全稳定运行。
发明内容
本申请的发明目的：本申请提出的储能双向变流器短路保护***的设计方法，利用短路保护模块和断路器联合实现PCS的短路保护，可以完全保证PCS关键功率器件的安全，确保储能***的稳定运行，不会造成电网、储能元件及线路负载设备的烧毁。短路保护模块作为PCS的微秒级快速保护，断路器作为PCS的毫秒级慢速保护，可以完全解决单纯由断路器进行线路短路保护的缺点，在保证断路器的脱扣能力同时，也进一步提高了PCS切断短路故障的响应时间，将故障范围缩小，提高了PCS的安全性和使用寿命。
本发明的具体方案如下：
一种储能双向变流器的短路保护***，其特征在于：
所述储能双向变流器PCS的短路保护***具有交流侧短路保护模块和直流侧保护模块，两种模块单独设计，都集成在储能双向变流器PCS内部。
其中交流侧短路保护模块在交流侧与PCS的功率变换单元并联，所述交流侧短路保护模块由二极管三相全桥整流模块、交流侧短路保护大功率晶闸管和电阻组成，所述三相全桥整流模块的交流输入端连接至PCS的功率变换单元交流侧的三相电路上，所述三相全桥整流模块的直流输出端与交流侧短路保护大功率晶闸管和电阻串联连接。
直流侧短路保护模块连接在PCS的直流母线正极和负极之间，所述直流侧短路保护模块由直流侧短路保护大功率晶闸管和电阻串联组成，。
两种保护模块彼此完全独立控制，各自配有门极触发电路。交流侧短路保护模块是由二极管三相全桥整流模块、大功率晶闸管和电阻组成，当电网侧出现短路故障或者受干扰等情况时，交流侧短路保护晶闸管以微秒级的速度快速导通，对PCS进行快速保护，为短路能量提供泄放回路，保证PCS内部关键功率器件的安全；交流侧断路器属于慢速保护，在交流侧短路保护模块动作之后，断路器迅速脱扣，彻底的断开故障***。
直流侧短路保护模块是由大功率晶闸管和电阻组成，当出现储能元件短路或者直流母线正极、负极短路时，直流侧短路保护大功率晶闸管先触发动作，泄放部分能量，限制流入功率器件或者储能元件的短路能量，然后直流断路器迅速脱扣，完全切断故障***。
交流侧短路保护模块和直流侧短路保护模块也可以相互配合进行PCS内部的短路保护功能，在PCS检测到故障信号后，以故障点的位置确定优先采取哪种保护，若是故障点在交流侧，则优先触发交流保护模块，直流侧作为后备保护；若是故障点在直流侧，则可以直流侧保护模块先触发，交流侧作为后备保护。这样不但可以实现主备保护，而且还相当于在短路保护时有了“双保险”。
本发明具有以下技术效果：
储能双向变流器PCS主要由电力电子功率器件、滤波电抗器、直流支撑电容等组成，在PCS***内，电力电子器件承受短路电流的能力是最弱的，且保护动作时间都是微秒级，而断路器的短路脱扣时间典型值为毫秒级，利用断路器实现PCS的短路保护，无法真正起到保护功率器件的作用，只能保护电抗器、电容器、开关等器件，根本无法满足PCS对保护可靠性、准确性、速动性的要求。
所述储能双向变流器PCS的短路保护***可以将短路故障引发的影响降到最小，在PCS功率变换单元因短路故障而封脉冲的同时，微秒级的速度触发电力电子泄流回路，可以解决断路器短路保护时间较长、主触点粘连无法快速脱扣等情况，可以提高储能双向变流器PCS的抗干扰能力和保护等级，减少PCS的故障率和维护次数，保证PCS的工作寿命。
附图说明
附图1为包含短路保护模块的储能双向变流器拓扑结构示意图；
附图2为交流侧短路保护模块拓扑结构及接线示意图；
附图3为直流侧短路保护模块拓扑结构及接线示意图。
具体实施方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
1)储能双向变流器PCS***构成
含短路保护***的储能双向变流器PCS拓扑结构如附图1所示，***主要由交流侧断路器QF1、LCL滤波器、交流短路保护模块（附图2所示）、功率变换单元、高频吸收电容C1/C2/C3、直流母线支撑电容C_Bus、直流短路保护模块（附图3所示）、直流断路器QF2和储能元件等组成。
三相交流电网先接入储能双向变流器PCS交流侧QF1断路器的进线端，QF1断路器的出线端与L1电抗器的进行端连接，属于串联关系；L1电抗器的出线端分别与3个RC阻容电路的进线端和L2电抗器的进线端进行连接，3个RC阻容电路与L2电抗器属于并联关系；3个RC阻容电路的出线端进行短接；L2电抗器的出线端分别与交流短路保护模块的进线端和功率变换单元的进线端进行连接，交流短路保护模块与功率变换单元属于并联关系；功率变换单元采用的全控型器件为IGBT（含反并联二极管），功率变换单元为三相全桥结构，A相半桥的直流正极、负极之间并联高频吸收电容C1，B相半桥的直流正极、负极之间并联高频吸收电容C2，C相半桥的直流正极、负极之间并联高频吸收电容C3，三相的直流正极并联、直流负极并联，分别作为功率变换单元直流正极母线和直流负极母线的出线端；功率变换单元出线端与直流母线支撑电容C_Bus为并联关系，C_Bus的正极端子与功率变换单元的正极母线连接，C_Bus的负极端子与功率变换单元的负极母线连接；直流短路保护模块与功率变换单元为并联关系，直流短路保护模块的进线端与功率变换单元的正极母线连接，直流短路保护模块的出线端与功率变换单元的负极母线连接；直流断路器QF2的进线正极端子、负极端子分别与功率变换单元的直流正极母线和直流负极母线连接，属于串联关系，QF2出线端与储能元件串联连接，最终实现整个储能***的电气连接。
2)交流短路保护模块构成及器件选型说明
交流短路保护模块的拓扑如图2所示，此模块主要由二极管三相全桥整流模块、大功率晶闸管和电阻组成。保护模块的进线端就是二极管整流模块的三相进线端子，二极管整流模块的共阴极与晶闸管的阳极连接，晶闸管的阴极与电阻的一端连接，电阻的另一端与二极管的共阳极连接，交流短路保护模块只有进线端，进线端与功率变换单元的进线端进行并联连接。
PCS运行正常时，该模块不工作；当外部电网或者PCS内部出现短路情况时，该模块被触发动作，又因为IGBT器件所能承受的最大电流约为额定值的4倍，所以在进行交流短路保护模块的器件选型时，二极管和晶闸管的额定工作电流至少为IGBT器件额定电流的4倍；电阻作为电能的主要消耗部件，应该选用吸收能力强，耐热特性好的电阻器。
3)直流短路保护模块构成及器件选型说明
直流短路保护模块的拓扑如图3所示，此模块主要由大功率晶闸管和电阻组成。保护模块的进线端就是晶闸管的阳极，晶闸管的阴极与电阻的一端相连，电阻的另一端即为保护模块的出线端，此模块并联在功率变换单元的直流正极母线和直流负极母线之间。
PCS运行正常时，该模块不工作；当外部电网短路、储能元件短路或者PCS内部出现短路故障时，该模块被触发动作，又因为直流侧短路发生后，通常伴随着直流母线电容C_Bus电压出现泵升的情况，所以此晶闸管的额定工作电压至少应为IGBT器件额定电压的2倍；额定工作电流值应该至少为IGBT器件额定电流的4倍。电阻作为电能的主要消耗部件，应该选用吸收能力强，耐热特性好的电阻器。
4)短路保护***的工作过程
下面以电网侧或者PCS***出现短路故障的情况为例，简单介绍短路***的工作过程：
在发生短路故障时，PCS控制器采集到故障信号后，进入到短路保护工作模式，首先停止功率变换单元的触发信号，然后依次分别触发晶闸管SCR1、SCR2的门极脉冲信号，一部分故障电流被交流保护模块电阻R1吸收，而同时流过功率模块的另一部分故障电流被直流保护模块电阻R2吸收，这样保证了功率变换单元的安全，又避免了直流母线电容不会发生过电流和过电压的情况，至此，电网侧的短路电流被快速的吸收，而后交流侧断路器QF1和直流侧断路器QF2被传动跳开，两侧断路器完全断开后，交流侧和直流侧的保护模块由于没有正向电压而自动关断，PCS正常关机。
短路故障消除后，PCS检测外部电网正常，无故障状态开入，则自动重启，进入故障前的运行状态。

Claims (7)

1.一种储能双向变流器的短路保护***，其特征在于：
所述储能双向变流器PCS的短路保护***具有交流侧短路保护模块和直流侧保护模块，两种模块单独设计，都集成在储能双向变流器PCS内部。
2.根据权利要求1所述的储能双向变流器的短路保护***，其特征在于：
交流侧短路保护模块在交流侧与PCS的功率变换单元并联，所述交流侧短路保护模块由二极管三相全桥整流模块、交流侧短路保护大功率晶闸管和电阻组成，所述三相全桥整流模块的交流输入端连接至PCS的功率变换单元交流侧的三相电路上，所述三相全桥整流模块的直流输出端与交流侧短路保护大功率晶闸管和电阻串联连接。
3.根据权利要求1所述的储能双向变流器的短路保护***，其特征在于：
直流侧短路保护模块连接在PCS的直流母线正极和负极之间，所述直流侧短路保护模块由直流侧短路保护大功率晶闸管和电阻串联组成。
4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的储能双向变流器的短路保护***，其特征在于：
两种保护模块彼此完全独立控制，各自配有门极触发电路。
5.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的储能双向变流器的短路保护***，其特征在于：
对于交流侧短路保护模块，当电网侧出现短路故障或者受干扰时，交流侧短路保护晶闸管以微秒级的速度快速导通，对PCS进行快速保护，为短路能量提供泄放回路，保证PCS内部关键功率器件的安全；PCS中的交流侧断路器属于慢速保护，在交流侧短路保护模块动作之后，断路器迅速脱扣，彻底的断开故障***。
6.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的储能双向变流器的短路保护***，其特征在于：
对于直流侧短路保护模块，当出现储能元件短路或者直流母线正极、负极短路时，直流侧短路保护大功率晶闸管先触发动作，泄放部分能量，限制流入功率器件或者储能元件的短路能量，然后PCS中的直流断路器迅速脱扣，完全切断故障***。
7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的储能双向变流器的短路保护***，其特征在于：
交流侧短路保护模块和直流侧短路保护模块能够相互配合进行PCS内部的短路保护功能，在PCS检测到故障信号后，若是故障点在交流侧，则优先触发交流保护模块，直流侧作为后备保护；若是故障点在直流侧，则可以直流侧保护模块先触发，交流侧作为后备保护。
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