CN106374420A - 一种直流微电网变流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流微电网变流器，包括依次连接的变压器、滤波单元、变流单元、直流平波电感和机械开关，另外还设有串联在变流单元与所述平波电感之间的短路保护模块，短路保护模块包括至少两个开关管。本发明能够对直流侧短路故障进行快速隔离，并且在故障过程中抑制冲击电流，确保***稳定。

Description

一种直流微电网变流器

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，特别是涉及一种直流微电网变流器。

技术背景

随着社会经济的发展，诸如航天器电源***、海上风电并网***、储能***等很多分布式电网越来越倾向于直流配电。直流负载的增多以及直流配电技术的发展将有力推动直流配电网的发展，因此直流变流器在市场中占据越来越重要的地位。直流微网中存在一个重要问题是短路保护。当直流负载发生正负极性短路的时候，为保护设备安全，需在很短时间内切除故障点。然而直流短路电流通常很大，很难断开；同时相对于交流***而言，直流***负载短路阻抗低，没有过零点，这将使短路电流在较短时间内上升到很高的值，进而损坏电网***。由于普通的断路器动作较慢以及直流短路电流无过零点等特点，通过普通的断路器无法实现短路保护。目前可用的直流断路器制造比较困难，同时成本昂贵，在中小功率中造成***成本增加。

如图1所示的三相全桥电路是一种常见的AC-DC变流器拓扑，包括与交流电网相连接的变压器T、起滤波作用的LC单元、变流单元、直流平波电感L1和机械开关等，但是这种变流器拓扑结构并不具备输出短路限流能力，在负载短路时，会产生很大的短路电流，可能对设备造成损坏。

发明内容

为解决现有技术中的三相全桥AC/DC变流器在发生直流短路故障时，短路电流过大，易造成***不稳定的问题，本发明提供了一种直流微电网变流器。

一种直流微电网变流器，除了依次连接的变压器T、滤波单元、变流单元、直流平波电感L1和机械开关，还包括短路保护模块，短路保护模块串联在变流单元与平波电感L1之间，包括至少两个开关管。

进一步的，所述短路保护模块为两个反向串联的开关管，每个开关管均并联有反向二极管。

进一步的，上述开关管为IGBT。

进一步的，上述短路保护模块还包括一个用于在所述开关管关断时与所述平波电感形成回路的续流二极管。

本发明的有益效果是：本发明能够对直流侧短路故障电流进行抑制，确保***稳定；而且本发明仅仅增加了一个包括开关管的短路保护模块，就实现短路限流能力，结构简单，成本低。

设置续流二极管，可在开关管关断时，对直流平波电感L1上的电流起续流作用。

附图说明

图1为现有技术中三相全桥AC/DC变流器的拓扑电路结构图；

图2为本发明提供的三相全桥AC/DC变流器的拓扑电路结构图；

图3为变流器在整流模式工作时示意图；

图4为变流器在逆变模式工作时示意图；

图5为变流器在直流短路时示意图；

图6为等待直流短路恢复时示意图；

图7为直流母线充电时示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种直流微电网变流器，通过在三相全桥AC/DC变流器的拓扑电路中增加一对反向串接的IGBT和续流二极管，实现直流短路故障穿越保护，防止故障扩大，确保***正常稳定。

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为现有技术中一种常见的三相全桥AC/DC变流器拓扑结构，包括与交流电网相连接的变压器T、起滤波作用的LC滤波单元、变流单元、直流平波电感L1以及机械开关等，但是这种变流器拓扑结构并不具备输出短路限流能力，在直流侧负载短路时，会产生很大的短路电流，可能对设备造成损坏。

如图2所示的直流微电网***中，采用本发明提供的直流微电网变流器。图2所示的微电网***包括设备1和设备2，设备1与设备2的结构相同，下面结合设备1的结构及工作流程对本发明进行详细的说明。

与图1相比，设备1中三相全桥AC/DC变流器的拓扑电路增加了一个短路保护模块，即一对反向串接的IGBT和续流二极管。其中IGBT1和IGBT2反向串接，当电子开关直流短路故障时，直接关断，防止短路损害装置元器件；另外，续流二极管用于对IGBT1、2关断后，为在电感上存在的电流起续流作用；直流侧平波电感L1，在现有技术中，能够使多台直流源之间的电流能量平滑流动，而在本发明方案中，还能起到当直流侧短路时，限制电流上升速度，保证IGBT能够安全关断，保证电气元器件不被损害的作用。

可根据***状态改变IGBT1、IGBT2的开通、关断来实现正常运行控制、直流短路故障保护控制、直流故障穿越控制。

上述短路保护模块为双开关管串联结构，作为其他实施方式，还可以采用其他的结构，例如反向并联的结构或者是桥式结构等。

下面就图2中所示的短路保护模块结构，结合变流器在不同工作模式的示意图对本发明做进一步的说明：

如图3所示，直流电网***正常工作时，打开IGBT1、IGBT2一直保持导通状态，变流器工作在整流模式下，IGBT1、IGBT2分别串接二极管D1和D2，电流只能经IGBT1、D2流向负载；

如图4所示，直流电网***正常工作时，打开IGBT1、IGBT2一直保持导通状态，潮流控制器工作在逆变模式下，IGBT1、IGBT2分别串接二极管D1和D2，电流只能经IGBT1、D2流向负载；

如图5所示，当电流霍尔检测单元LEM检测到直流或交流电流过冲大于1.3倍额定电流时，即直流短路故障发生时，封锁所有IGBT脉冲，IGBT1和IGBT2均关断，隔离交流电网与直流电网，防止DC/DC与DC/AC设备间能量流通；

如图6所示，为封锁所有IGBT脉冲5ms后，三相半桥中IGBT打开，进行稳压，IGBT1和IGBT2保持闭锁等待直流短路故障恢复；

如图7所示，为直流短路故障点切除后，***通过给IGBT1进行脉冲控制，实现对直流母线充电。

在选择短路限流电感时，根据：

$L\frac{\mathrm{\Δ}i}{\mathrm{\Δ}t}=\mathrm{\Δ}u$

$L=\frac{\mathrm{\Δ}u*\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\Δ}i}$

计算电感量L。

本发明中，设定直流电流保护值为1.3In，同时参考电流霍尔检测响应时间、调理板硬件和FPGA检测延时设定保护时间，为保证保护的可靠性、快速性，设定保护时间△t＝30us；同时，直流母线的额定电压值为560V，短路电感上电压变化△U≈650V。

选择IGBT时，根据电流变化率，考虑延时情况直流故障，计算电流过冲值，保证最大电流在IGBT额定电流工作范围内，防止IGBT损坏。

Claims (4)

1.一种直流微电网变流器，包括依次连接的变压器(T)、滤波单元、变流单元、直流平波电感(L1)和机械开关，其特征为，还包括短路保护模块，所述短路保护模块包括至少两个开关管，所述短路保护模块串联在所述变流单元与所述平波电感(L1)之间。

2.根据权利要求1所述的直流微电网变流器，其特征为，所述短路保护模块包括两个反向串联的开关管，每个开关管均并联有反向二极管。

3.根据权利要求1所述的直流微电网变流器，其特征为，所述开关管为IGBT。

4.根据权利要求1所述的直流微电网变流器，其特征为，所述短路保护模块还包括一个用于在所述开关管关断时与所述平波电感形成回路的续流二极管。