CN108448537B - 保护设备、保护控制方法及模块化多电平变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种保护设备、保护控制方法及模块化多电平变流器，该设备包括：多个保护装置和控制器；每个保护装置包括：N个电容器、N个直流短路控制单元和N+1个快速熔断器；快速熔断器连接于直流母线和直流汇流母线之间；控制器分别与每个保护装置中的直流短路控制单元相连，用于控制直流短路控制单元导通，以保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。快速熔断器没有串联在电路中，仅通过非常小的功率平衡电流，并不通过工作电流，无需对快速熔断器进行冷却设计；并且能够防止故障扩大化，保证未发生故障的变流器正常运行；还能够减少安全隐患的发生，提高了安全性。

Description

保护设备、保护控制方法及模块化多电平变流器
技术领域
本发明涉及电路电子技术领域，尤其涉及一种保护设备、保护控制方法及模块化多电平变流器。
背景技术
变流器是使电源***的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。为了解决变流器并网大电流问题，变流器一般采用并联方式来满足变流器的大电流要求。
变流器并联方式主要为：变流器的直流母线并联在一起，交流输出端也并联在一起，采用同步脉冲控制方式对各个变流器控制。
当并联的变流器中的一台变流器发生短路故障时，需要快速去除发生故障的变流器，防止故障扩大化，影响其他变流器的运行。
为了保护变流器，通常采用在并联支路的直流侧增加快速熔断器，将快速熔断器串联在电路中并工作。图1为现有技术中变流器带直流快速熔断器的拓扑示意图。其中，图1中S1至S6为功率半导体器件，1和2为快速熔断器，DC+为正直流母线，DC-为负直流母线。当发生变流器的短路故障时，直流侧的短路电流的热量累积熔断快速熔断器1和2，同时保证正常工作时，快速熔断器的热量累积不发生误动作。
采用上述的方式，快速熔断器1和2始终串联在电路中并工作，快速熔断器持续通过电流并产生损耗，在工作环境温度较高时，需要额外对快速熔断器进行冷却设计，并且快速熔断器选型较困难。
另外，当变流器中的一个功率半导体器件S1发生短路故障时，并不会造成直流侧的短路，进而不能熔断快速熔断器，保护效果较差。此时需要将故障扩大化，击穿与S1串联的功率半导体器件S2，使串联的两个功率半导体器件同时短路，才可以保证快速熔断器熔断。将故障扩大化，会产生安全隐患，容易发生安全事故。
发明内容
本发明实施例提供一种保护设备及其保护控制方法。
一方面，本发明实施例提供了一种保护设备，用于模块化多电平变流器，保护设备包括：多个保护装置和控制器；
每个保护装置包括：N个电容器、N个直流短路控制单元和N+1个快速熔断器，N为不小于1的正整数；
N个电容器串联于正直流母线和负直流母线之间；
N个电容器中的每一个电容器分别与N个直流短路控制单元中的一个直流短路控制单元并联；
正直流母线通过N+1个快速熔断器中的第一个快速熔断器与正直流汇流母线相连；
负直流母线通过N+1个快速熔断器中的第N+1个快速熔断器与负直流汇流母线相连；
第i个电容器和第i+1个电容器串联的节点通过N+1个快速熔断器中的第i+1个快速熔断器与第i个直流汇流母线相连，1≤i≤N-1；
控制器分别与每个保护装置中的直流短路控制单元相连，用于控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，以保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
在本发明的一个实施例中，直流短路控制单元，包括：可控晶闸管；
与直流短路控制单元并联的电容器的正极与可控晶闸管的阳极相连；
与直流短路控制单元并联的电容器的负极与可控晶闸管的阴极相连；
可控晶闸管的控制极与控制器相连。
在本发明的一个实施例中，直流短路控制单元，包括：可控晶闸管和电抗器；
可控晶闸管和电抗器串联；
可控晶闸管的控制极与控制器相连。
在本发明的一个实施例中，控制器包括：
检测模块，用于确定多电平变流器模块中的功率半导体器件发生短路故障；
控制模块，用于控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通。
在本发明的一个实施例中，控制模块，具体用于：
分析发生短路故障的功率半导体器件所处的位置，控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中、与位置对应的直流短路控制单元导通。
在本发明的一个实施例中，检测模块，还用于：
检测与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的快速熔断器的熔断状态；
控制模块，还用于：
若快速熔断器处于已熔断状态，则控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的接触器断开。。
另一方面，本发明实施例提供了一种保护控制方法，应用于本发明实施例提供的保护设备。方法包括：
控制器确定多电平变流器模块中的功率半导体器件发生短路故障；
控制器控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，以保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
在本发明的一个实施例中，控制器控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，包括：
控制器分析发生短路故障的功率半导体器件所处的位置，控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中、与位置对应的直流短路控制单元导通。
在本发明的一个实施例中，方法还包括：
控制器检测与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的快速熔断器的熔断状态；
若检测到快速熔断器处于已熔断状态，则控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的接触器断开。
再一方面，本发明实施例提供一种模块化多电平变流器，包括本发明实施例提供的保护设备。
本发明实施例的保护设备、保护控制方法及模块化多电平变流器，快速熔断器没有串联在电路中，仅通过非常小的功率平衡电流，并不通过工作电流，无需对快速熔断器进行冷却设计；并且能够防止故障扩大化，保证未发生故障的变流器正常运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出了现有技术中变流器带直流快速熔断器的拓扑示意图；
图2示出了本发明实施例提供的保护设备的结构示意图；
图3示出了基于本发明实施例提供的保护设备的模块化三电平风电变流器的拓扑示意图；
图4示出了本发明实施例提供的多电平变流器模块的一种拓扑示意图；
图5示出了保护模块化多电平变流器的过程示意图；
图6示出了本发明实施例提供的保护控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
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。而且，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、物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、物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……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供了一种保护设备，用于模块化多电平变流器，该保护设备包括：多个保护装置和控制器；
每个保护装置包括：N个电容器、N个直流短路控制单元和N+1个快速熔断器，N为不小于1的正整数；
N个电容器串联于正直流母线和负直流母线之间；
N个电容器中的每一个电容器分别与N个直流短路控制单元中的一个直流短路控制单元并联；
正直流母线通过N+1个快速熔断器中的第一个快速熔断器与正直流汇流母线相连；
负直流母线通过N+1个快速熔断器中的第N+1个快速熔断器与负直流汇流母线相连；
第i个电容器和第i+1个电容器串联的节点通过N+1个快速熔断器中的第i+1个快速熔断器与第i个直流汇流母线相连，1≤i≤N-1；
控制器分别与每个保护装置中的直流短路控制单元相连，用于控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，以保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
需要说明的是，第i个直流汇流母线不为正直流汇流母线，也不为负直流汇流母线。
下面以保护设备包括两个保护装置，每个保护装置包括两个电容器、两个直流短路控制单元和三个快速熔断器为例进行说明。
图2示出了本发明实施例提供的保护设备的结构示意图。保护设备100包括：两个保护装置11和控制器12。
保护装置11包括：两个电容器101、两个直流短路控制单元102和三个快速熔断器103。
两个电容器101串联于正直流母线104和负直流母线105之间。
每一个电容器101分别与一个直流短路控制单元102并联。
正直流母线104通过第一个快速熔断器103与正直流汇流母线204相连。
负直流母线105通过第三个快速熔断器103与负直流汇流母线206相连。
第一个电容器101和第二个电容器串联的节点通过第二个快速熔断器与第一个直流汇流母线205相连。
控制器12分别与保护装置11中的直流短路控制单元102相连，用于控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，以保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
可以理解的是，本发明实施例的变流器包括但不限于整流器、逆变器、交流变频器和直流斩波器。基于此，本发明实施例的保护设备可以应用于风力发电机组，还可以应用于光伏发电***，还可以应用于储能***等。
在本发明的一个实施例中，直流短路控制单元102，可以包括：可控晶闸管。
与直流短路控制单元并联的电容器的正极与可控晶闸管的阳极相连；与直流短路控制单元并联的电容器的负极与可控晶闸管的阴极相连；可控晶闸管的控制极与控制器相连。
在本发明的一个实施例中，直流短路控制单元102，可以包括：可控晶闸管和电抗器。
可控晶闸管和电抗器串联；可控晶闸管的控制极与控制器相连。
若电抗器的一端与可控晶闸管的阳极相连，则电抗器的另一端和与直流短路控制单元并联的电容器的正极相连，可控晶闸管的阴极和与直流短路控制单元并联的电容器的负极相连。
若电抗器的一端与可控晶闸管的阴极相连，则电抗器的另一端和与直流短路控制单元并联的电容器的负极相连，可控晶闸管的阳极和与直流短路控制单元并联的电容器的正极相连。
在本发明的一个实施例中，电抗器可以为空心电抗器，空心电抗器能够限制短路电流。
下面以保护设备应用于模块化三电平风电变流器为例进行说明。
图3示出了基于本发明实施例提供的保护设备的模块化三电平风电变流器的拓扑示意图。
图3中M为永磁同步电机；201、202和203分别为框架断路器；204为正直流汇流母线，205为中性点NP直流汇流母线(即第一个直流汇流母线)，206为负直流汇流母线；211、212、213、……、21N分别为多电平变流器模块，每个多电平变流器模块包括整流器21和逆变器22以及保护设备100的一个保护装置11。Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32、……、QN1和QN2分别为接触器。
多电平变流器模块211、多电平变流器模块212、多电平变流器模块213、……、多电平变流器模块21N的电机侧分别通过接触器Q11、接触器Q21、接触器Q31、……、接触器QN1连接到电机侧交流汇流母线。
电机侧交流汇流母线通过框架断路器201和框架断路器202与永磁同步电机M相连。
多电平变流器模块211、多电平变流器模块212、多电平变流器模块213、……、多电平变流器模块21N的电网侧分别通过接触器Q12、接触器Q22、接触器Q32、……、接触器QN2连接到电网交流汇流母线。
电网交流汇流母线通过框架断路器203与电网相连。
为了清楚起见，图3中未示出保护设备100包括的控制器12及其与保护装置11中的直流短路控制单元102的连接线。
本发明实施例的整流器21和/或逆变器22的拓扑形式可以为二极管箝位型，还可以为飞跨电容型，还可以为级联型。本发明实施例并不对多电平变流器模块的拓扑形式进行限定。任何可能的方式均可以应用于本发明实施例中。
图4示出了本发明实施例的多电平变流器模块的一种拓扑示意图。多电平变流器模块包括整流器21、逆变器22、保护设备100的一个保护装置11以及制动单元23。
整流器21包括12个绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，分别为IGBT模块T1至IGBT模块T12。
T1、T2和T3的集电极分别与正直流母线相连。
T1的发射极分别与T4的集电极、T7的集电极和输入的三相电中的L1相电相连；
T2的发射极分别与T5的集电极、T9的集电极和输入的三相电中的L2相电相连；
T3的发射极分别与T6的集电极、T11的集电极和输入的三相电中的L3相电相连；
T4、T5和T6的发射极分别与负直流母线相连。
T7、T9和T11的发射极分别与T8、T10和T12的发射极相连。
T8、T10和T12的集电极均与保护装置11中的两个电容器C1和C2的连接点(即中性点NP)连接。
逆变器22包括12个IGBT模块，分别为IGBT模块T15至IGBT模块T26。
T15、T16和T17的集电极分别与正直流母线相连。
T15的发射极分别与T18的集电极、T22的集电极和输出的三相电中的U相电相连；
T16的发射极分别与T19的集电极、T24的集电极和输出的三相电中的V相电相连；
T17的发射极分别与T20的集电极、T26的集电极和输出的三相电中的W相电相连；
T18、T19和T20的发射极分别与负直流母线相连。
T22、T24和T26的发射极分别与T21、T23和T25的发射极相连。
T21、T23和T25的集电极均与中性点NP连接。
制动单元23包括一个制动电阻R和两个IGBT模块，两个IGBT模块分别为：IGBT模块T13至IGBT模块T14。
T13的集电极与正直流母线相连。T13的发射极与T14的集电极相连。T14的发射极与负直流母线相连。制动电阻R与T14并联。
保护装置11中的三个快速熔断器分别为303、304和305，其中，303连接于正直流母线和正直流汇流母线204之间；304连接于中性点NP和中性点NP直流汇流母线205之间；305连接于负直流母线和负直流汇流母线206之间。
保护装置11包括的一个直流短路控制单元102包括串联的可控晶闸管301和空心电抗器306；另一个直流短路控制单元102包括串联的可控晶闸管302和空心电抗器307。
对于每个变流器模块，分别通过三个快速熔断器连接至正直流汇流母线、NP直流汇流母线和负直流汇流母线。正直流汇流母线、NP直流汇流母线和负直流汇流母线动态平衡每个变流器的直流母线电压并保持一致。每个保护设备的三个快速熔断器没有串联在电路中，仅通过非常小的功率平衡电流，并不通过工作电流，因此可以选择小电流的快速熔断器，降低了快速熔断器的选型难度；另外小电流的快速熔断器价格较低，进而节省了成本。并且由于快速熔断器没有串联在电路中，降低了正常工作时快速熔断器的损耗。
在本发明的一个实施例中，控制器12可以包括：检测模块和控制模块。
检测模块确定整流器21和逆变器22中的功率半导体器件发生短路故障。
控制模块控制与发生短路故障的整流器21和/或逆变器22连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，以熔断与发生短路故障的整流器21和/或逆变器22连接的保护装置中的快速熔断器，保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
在本发明的一个实施例中，控制模块可以分析发生短路故障的功率半导体器件所处的位置，控制与功率半导体器件发生短路故障的模块化多电平变流器连接的保护装置中、与所分析的位置对应的直流短路控制单元导通。
示例性的，当发生短路故障的功率半导体器件至少为图4中的IGBT模块T1、T2、T3、T15、T16和T17中的一个时，分析出发生短路故障的IGBT模块位于上桥臂，则控制可控晶闸管301闭合，使正直流母线和中性点NP之间构成短路回路，熔断快速熔断器303和304。
当发生短路故障的功率半导体器件至少为图3中的IGBT模块T4、T5、T6、T18、T19和T20中的任意一个时，分析出发生短路故障的IGBT模块位于下桥臂，则控制可控晶闸管302闭合，使负直流母线和中性点NP之间构成短路回路，熔断快速熔断器305和304。
当发生短路故障的功率半导体器件至少为图4中的IGBT模块T13、T14、T7、T8、T9、T10、T11、T12、T21、T22、T23、T24、T25和T26中的一个时，分析出发生短路故障的IGBT模块位于零电平桥臂或者制动单元，则控制可控晶闸管301和302同时闭合，使正直流母线和中性点NP之间、负直流母线和中性点NP之间均构成短路回路，熔断快速熔断器303、304和305。
当位于上桥臂和下桥臂的IGBT模块同时发生短路故障时，则控制可控晶闸管301和302同时闭合，使正直流母线和中性点NP之间、负直流母线和中性点NP之间均构成短路回路，熔断快速熔断器303、304和305。
下文以图3中第一个多电平变流器模块发生故障的情况为例，结合图4的结构，对快速熔断器303、304和305的熔断过程进行说明。考虑多电平变流器模块在产业化应用中为单个的模块化柜体，在下文中，术语“模块柜体”的含义即为多电平变流器模块。
第一种状态：可控晶闸管301导通。
当检测到上半部分的桥臂T1，T2，T3，T15，T16，T17发生短路故障后，可以单独触发可控晶闸管301导通，构成正直流母线DC+到NP的短路回路。同时，给框架断路器201，202和203发出分断指令，保持Q11至QN1，Q12至QN2处于闭合状态。此时，所有模块柜体的直流电容器组会首先通过快速熔断器和301构成的短路通路放电。当DC+到负直流母线DC-的直流母线电压低于不可控整流直流电压时，机侧和网侧的三相交流电流通过IGBT的续流二极管流入直流母线，然后通过301的短路通路以及NP到DC-的电容构成短路回路。发生IGBT短路失效的模块柜体的上半部分快速熔断器303和304承担着N-1倍的单个模块柜体的放电电流(仅DC+到NP的电容放电)，未发生IGBT短路失效的模块柜体承担着1倍的单个模块柜体的放电电流，根据快速熔断器的I2t的熔断规律(N-1倍的放电电流的平方，远大于1倍的放电电流的平方)，发生IGBT短路失效的模块柜体会首先发生熔断。当303和304快速熔断器任一熔断时(此时DC+到NP的直流回路上的两个熔断器任一熔断)，发生IGBT失效故障的模块柜体的直流侧从直流汇流母线上脱开，等到框架断路器201，202及203分断交流短路电流后，控制器控制失效模块柜体的交流接触器Q11和Q12分断，整个失效的模块柜体即从电气回路上完全与其它模块柜体脱离开。然后，主控制器控制框架断路器201，202和203重新闭合，其它模块柜体重新恢复工作，完成了整个自动旁路故障模块柜体的工作。
第二种状态：可控晶闸管302导通。
当检测到下半部分的桥臂T4，T5，T6，T18，T19，T20发生短路故障后，可以控制302导通，构成NP到DC-的短路回路。同时，给框架断路器201，202和203发出分断指令，保持Q11至QN1，Q12至QN2处于闭合状态。此时，所有模块柜体的直流电容器组会首先通过快速熔断器和302构成的短路通路放电。当DC+到DC-的直流母线电压低于不可控整流直流电压时，机侧和网侧的三相交流电流通过IGBT的续流二极管流入直流母线，然后通过302的短路通路以及DC+到NP的电容构成短路回路。发生IGBT短路失效的模块柜体的下半部分快速熔断器304和305承担着N-1倍的单个模块柜体的放电电流(仅NP到DC-的电容放电)，未发生IGBT短路失效的模块柜体承担着1倍的单个模块柜体的放电电流。根据快速熔断器的I2t的熔断规律(N-1倍的放电电流的平方，远大于1倍的放电电流的平方)，发生IGBT短路失效的模块柜体会首先发生熔断。当304和305快速熔断器任一熔断时(此时NP到DC-的直流回路上的两个熔断器任一熔断)，发生IGBT失效故障的模块柜体的直流侧从直流汇流母线上脱开，等到框架断路器201，202及203分断交流短路电流后，控制器控制失效模块柜体的交流接触器Q11和Q12分断，整个失效的模块柜体即从电气回路上完全与其它模块柜体脱离开。然后，主控制器控制框架断路器201，202和203重新闭合，其它模块柜体重新恢复工作，完成了整个自动旁路故障模块柜体的工作。
第三种状态：可控晶闸管301和302同时导通。
由于变流器的三相交流输入侧和三相交流输出侧均连接有电抗器，且每个变流器的直流母线均连接有电容器组，当单个模块柜体的可控晶闸管301和302导通时，所有模块柜体的直流电容器组会首先通过快速熔断器和301、302构成的短路通路放电。当直流母线电压低于不可控整流直流电压时，机侧和网侧的三相交流电流通过IGBT的续流二极管流入直流母线，然后通过301和302的短路通路构成短路回路。
此时，发生IGBT短路失效的模块柜体的快速熔断器303和305承担着N-1倍的单个模块柜体的放电电流，未发生IGBT短路失效的模块柜体承担着1倍的单个模块柜体的放电电流，根据快速熔断器的I2t的熔断规律(N-1倍的放电电流的平方，远大于1倍的放电电流的平方)，发生IGBT短路失效的模块柜体会首先发生熔断。快速熔断器304通过方向相反的短路电流，电流大小基本抵消(当快速熔断器303和305任一熔断后，304会通过单向的短路电流并发生熔断动作)。当303快速熔断器发生熔断后，304和305快速熔断器继续承担着N-1倍的单个模块柜体的放电电流，当304和305快速熔断器任一熔断时(此时直流回路上的三个熔断器至少熔断两个)，发生IGBT短路失效故障的模块柜体的直流侧从直流汇流母线上脱开。等到框架断路器201，202及203分断交流短路电流后，控制器控制失效模块柜体的交流接触器Q11和Q12分断，整个失效的模块柜体即从电气回路上完全与其它模块柜体脱离开。然后，主控制器控制框架断路器201，202和203重新闭合，其它模块柜体重新恢复工作，完成了整个自动旁路故障模块柜体的工作。
在本发明的一个实施例中，功率半导体器件包括以下所列项中的任意一种：
绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、电子注入增强型栅极晶体管IEGT、静电感应晶闸管SITH、功率场效应晶体管Power MOSFET。
具体的，检测模块检测到整流器21和逆变器22中的功率半导体器件进入退饱和工作区，即检测到功率半导体器件发生短路故障，此时控制器12向框架断路器201、框架断路器202和框架断路器203发送断开指令；同时，控制与功率半导体器件发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置11中的直流短路控制单元102导通，构成直流短路通路。以熔断与发生短路故障的整流器21和/或逆变器22连接的保护装置中的快速熔断器，保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
由于整流器21的三相交流输入侧和逆变器22的三相交流输出侧均连接有电抗器。且每个变流器的直流母线均连接有电容器组，当单个模块化柜体中的保护装置11中的直流短路控制单元102导通时，所有模块化柜体的直流电容器组会首先通过快速熔断器和直流短路控制单元102构成的短路通路进行放电。
此时，发生功率半导体器件短路故障的模块化柜体中的快速熔断器承担着N-1倍的模块化柜体的放电电流，未发生功率半导体器件短路故障的模块化柜体中的快速熔断器承担着1倍的模块化柜体的放电电流，根据快速熔断器的熔断规律，发生功率半导体器件短路故障的模块化柜体中的快速熔断器会首先发生熔断。
当三个快速熔断器103全部熔断或者三个快速熔断器103仅有一个未熔断时，发生功率半导体器件短路故障的模块化柜体的直流侧从直流汇流母线上脱开，以保护未发生功率半导体器件短路故障的模块化多电平变流器。
在本发明的一个实施例中，检测模块还可以实时检测变流器输出侧的三相电流，当检测到输出的三相电流超出预设电流阈值，且检测到整流器21和逆变器22中的功率半导体器件发生短路故障，此时控制器12向框架断路器201、框架断路器202和框架断路器203发送断开指令；同时，控制与功率半导体器件发生短路故障的模块化多电平变流器连接的保护装置11中的直流短路控制单元102导通，构成直流短路通路。以熔断与发生短路故障的整流器21和/或逆变器22连接的保护装置中的快速熔断器，保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
需要说明的是，由于框架断路器的分断动作时间一般在100ms(毫秒，10-3s)级别，而可控晶闸管动作时间一般在2-10us(微秒，10-6s)级别。因此在首先分断框架断路器之后，仍然需要可控晶闸管动作来短路直流母线，从而熔断并联熔断器来起到保护正常的变流器模块的作用。
在本发明的一个实施例中，检测模块还可以检测与功率半导体器件发生短路故障的模块化多电平变流器连接的保护装置中的快速熔断器的熔断状态。当检测模块检测到三个快速熔断器103全部熔断或者三个快速熔断器103仅有一个未熔断时，控制模块控制与功率半导体器件发生短路故障的模块化多电平变流器连接的接触器断开；检测与功率半导体器件发生短路故障的模块化多电平变流器连接的接触器是否断开，若已断开，则重新闭合框架断路器201、框架断路器202和框架断路器203，整个***重新恢复运行。
基于上述描述，本发明实施例的保护模块化多电平变流器的过程如图5所示。图5示出了保护模块化多电平变流器的过程示意图。保护模块化多电平变流器大致过程如下：
检测多电平变流器模块中的功率半导体器件是否发生短路故障；检测变流器输出三相电流是否超出预设电流阈值。
若检测到功率半导体器件发生短路故障，且检测到变流器输出三相电流超出预设电流阈值，分断框架断路器。
控制与发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，构成直流短路通路。
检测发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块中的快速熔断器的熔断状态。并且检测框架断路器的分断状态。
若检测到发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块中的快速熔断器全部熔断或者仅有一个快速熔断器未熔断时，且框架断路器完全分断，分断与发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块连接的接触器。
检测与发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块连接的接触器的状态。
若检测到与发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块连接的接触器处于已断开状态，则重新闭合框架断路器，整个***重新恢复运行。
本发明实施例的保护设备，快速熔断器没有串联在电路中，仅通过非常小的功率平衡电流，并不通过工作电流，因此可以选择小电流的快速熔断器，降低了快速熔断器的选型难度；另外小电流的快速熔断器价格较低，进而节省了成本。并且由于快速熔断器没有串联在电路中，降低了正常工作时快速熔断器的损耗。另外也无需对快速熔断器进行冷却设计；并且能够防止故障扩大化，保证未发生故障的变流器正常运行；还能够减少安全隐患的发生，提高了安全性。
基于上述描述，本发明实施例还提供一种保护控制方法。需要说明的是，本发明实施例的保护控制方法优选适用于本发明实施例提供的保护设备。
图6示出了本发明实施例提供的保护控制方法的流程示意图。该方法可以包括：
S601：控制器确定多电平变流器模块中的功率半导体器件发生短路故障。
S602：控制器控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，以保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
在本发明的一个实施例中，控制器控制与功率半导体器件发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，包括：
控制器分析发生短路故障的功率半导体器件所处的位置，控制与功率半导体器件发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中、与所分析的位置对应的直流短路控制单元导通。
在本发明的一个实施例中，模块化多电平变流器保护方法还可以包括：
控制器检测与功率半导体器件发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的快速熔断器的熔断状态；
若检测到快速熔断器处于已熔断状态，则控制与功率半导体器件发生短路故障的多电平变流器模块连接的接触器断开。
在本发明的一个实施例中，功率半导体器件包括以下所列项中的任意一种：
绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流可控晶闸管IGCT、电子注入增强型栅极晶体管IEGT、静电感应可控晶闸管SITH、功率场效应晶体管Power MOSFET。
本发明实施例的保护方法的各部分细节可参考图2至图5描述的本发明实施例的保护设备的描述，本发明实施例在此不对其进行赘述。
本发明实施例还提供一种模块化多电平变流器，包括本发明实施例提供的保护设备。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或***。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的***、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种保护设备，用于模块化多电平变流器，所述保护设备包括多个保护装置和控制器，其特征在于，
每个所述保护装置包括：N个电容器、N个直流短路控制单元和N+1个快速熔断器，N为不小于1的正整数；
所述N个电容器串联于正直流母线和负直流母线之间；
所述N个电容器中的每一个电容器分别与所述N个直流短路控制单元中的一个直流短路控制单元并联；
所述正直流母线通过所述N+1个快速熔断器中的第一个快速熔断器与正直流汇流母线相连；
所述负直流母线通过所述N+1个快速熔断器中的第N+1个快速熔断器与负直流汇流母线相连；
第i个电容器和第i+1个电容器串联的节点通过所述N+1个快速熔断器中的第i+1个快速熔断器与第i个直流汇流母线相连，1≤i≤N-1；
所述控制器分别与每个保护装置中的直流短路控制单元相连，用于控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，以保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
2.根据权利要求1所述的保护设备，其特征在于，所述直流短路控制单元，包括：可控晶闸管；
与所述直流短路控制单元并联的电容器的正极与所述可控晶闸管的阳极相连；
与所述直流短路控制单元并联的电容器的负极与所述可控晶闸管的阴极相连；
所述可控晶闸管的控制极与所述控制器相连。
3.根据权利要求1所述的保护设备，其特征在于，所述直流短路控制单元，包括：可控晶闸管和电抗器；
所述可控晶闸管和所述电抗器串联；
所述可控晶闸管的控制极与所述控制器相连。
4.根据权利要求1至3任一项所述的保护设备，其特征在于，所述控制器包括：
检测模块，用于确定多电平变流器模块中的功率半导体器件发生短路故障；
控制模块，用于控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通。
5.根据权利要求4所述的保护设备，其特征在于，所述控制模块，具体用于：
分析发生短路故障的功率半导体器件所处的位置，控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中、与所述位置对应的直流短路控制单元导通。
6.根据权利要求4所述的保护设备，其特征在于，所述检测模块，还用于：
检测与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的快速熔断器的熔断状态；
所述控制模块，还用于：
若所述快速熔断器处于已熔断状态，则控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的接触器断开。
7.一种保护控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述的保护设备，所述方法包括：
控制器确定多电平变流器模块中的功率半导体器件发生短路故障；
控制器控制与所述发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，以保护未发生功率半导体器件短路故障的多电平变流器模块。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制器控制与所述发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的直流短路控制单元导通，包括：
控制器分析发生短路故障的功率半导体器件所处的位置，控制与发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中、与所述位置对应的直流短路控制单元导通。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
控制器检测与所述发生短路故障的多电平变流器模块连接的保护装置中的快速熔断器的熔断状态；
若检测到所述快速熔断器处于已熔断状态，则控制与所述发生短路故障的多电平变流器模块连接的接触器断开。
10.一种模块化多电平变流器，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的保护设备。
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