一種用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置的製作方法

2023-05-03 06:02:46

本實用新型涉及柔性直流輸電技術領域，尤其涉及一種用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置。

背景技術：

隨著環境問題的突出和能源危機加劇，風能、太陽能等可再生能源發電得到了突飛猛進的發展。柔性直流輸電技術作為清潔能源併網的有效方式，受到越來越多人的重視。由於柔性直流輸電系統調節方式和自身結構固有特性，直流輸電線路的故障電流具有上升速度快、峰值大的特點，出現過流故障頻繁，當故障發生時，故障電流極易損壞逆變站的換流設備和設備絕緣，且柔性直流輸電無法通過相關措施對故障電流進行監測定位和分類，無法通過調節觸發角實現故障的自清除，因此，對於柔性直流輸電的過電流故障監測和保護提出了更高的要求。目前柔性直流輸電工程中對直流線路的保護僅借鑑了傳統高壓直流輸電的保護策略，不適應柔性直流線路保護快速動作的要求。對於柔性直流輸電逆變站的過流故障，不僅需要快速且可靠的線路保護對過流故障進行識別，也需要相應的處理措施和手段對故障後的過電流進行有效的限制，以減少故障衝擊電流對逆變站換流器件、直流線路及系統的損害。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本實用新型提供一種用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置，針對的是過流故障的監測定位和線路過流故障的抑制保護，結合了硬體輔助電路與控制系統硬體結構，能檢測定位故障電流的類型和功率變頻單元過熱故障，對已檢測故障電流進行定位、分類與處理，進而快速準確抑制故障期間短路電流和過電流，避免功率變頻單元的損壞，實現柔性直流輸電逆變站過流故障監測定位和保護，避免對逆變站換流器件、直流線路及系統造成的二次損壞，並具有增強人機對話的功能。

一種用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置，包括微處理器單元、複合緩衝保護單元、功率變頻單元、IGBT(絕緣柵雙極電晶體)驅動單元、過熱檢測單元、故障電流檢測單元、無線通訊單元、LC濾波器和上位機；

所述微處理器單元包括主控晶片、第一緩衝晶片和第二緩衝晶片，用於處理過熱檢測單元和故障電流檢測單元採集到的電流和溫度信息，進而驅動IGBT驅動單元控制IGBT器件的通斷，同時將故障信息傳輸到上位機，保護相關器件免受二次損害；所述IGBT驅動單元通過第一緩衝晶片與主控晶片連接，所述過熱檢測單元和故障電流檢測單元均通過第二緩衝晶片與主控晶片連接，所述無線通訊單元直接與所述主控晶片連接；

所述複合緩衝保護單元包括兩個結構相同的第一複合緩衝電路和第二複合緩衝電路，分別設於兩根母線上，用於抑制IGBT器件通斷時母線上尖峰電壓；所述複合緩衝保護單元包括兩個輸入端和三個輸出端，所述複合緩衝保護單元的第一輸入端連接作為直流電源的柔性直流輸電送端站，所述複合緩衝保護單元的第二輸入端連接所述IGBT驅動單元輸出端，所述複合緩衝保護單元的第一輸出端連接故障電流檢測單元的輸入端，所述複合緩衝保護單元的第二輸出端連接過熱檢測單元第一輸入端，所述複合緩衝保護單元的第三輸出端連接功率變頻單元的第一輸入端；

所述功率變頻單元用於將母線側直流電壓轉變為電網側交流電壓，包括6個結構相同的子單元，各子單元的電路結構均與所述第一或第二複合緩衝電路的電路結構相同；

所述IGBT驅動單元用於將微處理器單元輸出信號進行升壓處理，進而達到控制IGBT器件柵極所需電壓；

所述過熱檢測單元用於檢測複合緩衝保護單元和功率變頻單元中各IGBT器件的溫度，包括8組電路結構相同的過熱檢測電路；

所述故障電流檢測單元用於檢測監測保護裝置中待檢測點的電流是否超出預設電流值，包括橋臂直通故障電流檢測單元、母線故障電流檢測單元和負載故障電流檢測單元，所述橋臂直通故障電流檢測單元的檢測電路為分散過流保護電路，用於檢測複合緩衝單元和功率變頻單元中待檢測點的橋臂直通電流是否超過預設電流值，所述母線故障電流檢測單元和負載故障電流檢測單元的檢測保護電路均為集中過流保護電路，所述母線故障電流檢測單元用於檢測直流母線待檢測點的電流是否超過預設電流值，且在兩根母線上分別設有一個母線故障電流檢測單元，所述負載故障電流檢測單元用於檢測負載連接線上待檢測點的電流是否超過預設電流值；

所述無線通訊單元用於將微處理單元的信號無線傳輸給上位機；

所述LC濾波器用於濾除功率變頻單元產生的諧波，包括三組LC濾波電路，所述三組LC濾波電路的輸入端分別連接所述功率變頻單元的三路輸出端，所述三組LC濾波電路的輸出端分別連接電網的三相線；

所述上位機為手機和電腦PC，用於實時監測裝置的過流、過熱故障信息，同時可以通過發送指令控制IGBT器件的通斷。

進一步地，所述第一複合緩衝電路包括第一IGBT器件、第一電阻、第一電容、第一電感、第一反向二極體、第二反向二極體；

所述第一電感的一端作為所述複合緩衝保護單元的第一輸入端，連接作為直流電源的柔性直流輸電送端站，同時連接第一反向二極體的陰極，所述第一電感的另一端連接第一IGBT器件的集電極、第一電阻的一端、第一反向二極體的陽極和第二反向二極體的陽極，所述第一IGBT器件的發射極連接第二反向二極體的陰極、第一電阻的另一端、第一電容的正極、功率變頻單元的第一輸入端，所述第一電容的負極作為複合緩衝保護單元的第三輸出端，連接第一IGBT器件的發射極和功率變頻單元的第一輸入端，第一IGBT器件的門極作為複合緩衝保護單元的第二輸入端，連接IGBT驅動單元的輸出端；所述的第一IGBT器件的集電極作為複合緩衝單元的第一輸出端，連接故障電流檢測單元的輸入端；在第一IGBT器件的位置⑥處放置PTC熱敏電阻，作為複合緩衝保護單元的第二輸出端，連接過熱檢測單元的第一輸入端。

進一步地，所述功率變頻單元還包括第三電容；各子單元的IGBT器件的門極均作為功率變頻單元的第二輸入端，連接IGBT驅動單元的輸出端；各子單元中的電感的一端分別作為相應子單元的輸入端；各子單元中的IGBT器件的發射極分別作為相應子單元的輸出端；所述6個結構相同的子單元中的第一子單元、第三子單元、第五子單元的輸入端連接於一點，作為功率變頻單元的第一輸入端，連接與母線I相連的第一複合緩衝電路的第三輸出端，所述6個結構相同的子單元中的第二子單元、第四子單元、第六子單元的輸出端連接於一點，作為功率變頻單元的第一輸入端，連接與母線II相連的第二複合緩衝電路的第三輸出端；所述第三電容連接於第一子單元的輸入端與第二子單元的輸出端之間；所述6個結構相同的子單元中的第一子單元、第三子單元、第五子單元的輸出端分別對應連接第二子單元、第四子單元、第六子單元的輸入端，並分別作為功率變頻單元的三路輸出端。

進一步地，所述IGBT驅動單元包括驅動晶片及外圍保護電路，其中外圍電路包括第九二極體、第十電容、第十一電容、限流電阻、緩衝電阻、反饋電阻、電晶體和光耦；

驅動晶片的6腳連接第九二極體的陽極，第九二極體的陰極連接被驅動IGBT器件的集電極，驅動晶片的2腳同時連接15V電源、第十電容正極和反饋電阻的一端，驅動晶片的3腳同時連接第十一電容的正極和緩衝電阻的一端，緩衝電阻的另一端作為IGBT驅動單元的輸出端，連接被驅動IGBT器件的門極；第十電容和第十一電容的負極同時連接被驅動IGBT器件的發射極和驅動晶片的1腳，驅動晶片的15腳連接限流電阻的一端，限流電阻的另一端連接15V電源，驅動晶片的14腳連接電晶體的集電極，電晶體的發射極與光耦的1腳相連，電晶體的柵極連接微處理器單元的第一緩衝晶片，驅動晶片的6腳與過熱檢測單元的第二輸出端連接，驅動晶片的5腳與光耦的4腳相連，光耦的3腳連接反饋電阻的另一端，光耦的2引腳連接微處理器單元。

進一步地，所述過熱檢測電路包括第九電阻、第十電阻、第十一電阻、第十二電阻、第一熱敏電阻、第二熱敏電阻、第一電壓比較器和第二電壓比較器；

所述第一電壓比較器的同相輸入端作為過熱檢測單元的第一輸入端，與第一熱敏電阻和第九電阻的一端分別相連，第九電阻的另一端連接直流電源VCC，第一熱敏電阻的另一端接地；所述第二電壓比較器的同相輸入端作為過熱檢測單元的第二輸入端，與第二熱敏電阻和第十一電阻的一端分別相連，第十一電阻的另一端連接直流電源VCC，第二熱敏電阻的另一端接地；第一電壓比較器和第二電壓比較器的反向輸入端均與第十電阻和第十二電阻的一端相連，第十電阻的另一端連接直流電源VCC，第十二電阻的另一端接地；第一電壓比較器的信號輸出端作為過熱檢測單元的第一輸出端，與微處理器單元相連，輸出報警信號，第二電壓比較器的信號輸出端作為過熱檢測單元的第二輸出端，與微處理器單元和IGBT驅動單元的第二輸入端相連，輸出關斷信號。

進一步地，所述分散過流保護電路用於檢測複合緩衝單元和功率變頻單元中的IGBT器件構成的橋臂直通電流，包括第三電壓比較器、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻和第十六電阻、第十二極體和第十一二極體和第一可調電位器；

所述第三電壓比較器的同向輸入端連接第十四電阻的一端和第十二極體的陽極，第十二極體的陰極作為分散過流保護電路的輸入端，連接功率變頻單元中各IGBT器件的集電極；第十三電阻的一端連接15V直流電源，另一端連接第十四電阻的另一端和第一可調電位器的一個固定端；第一可調電位器的另一個固定端接地，第一可調電位器的滑動端與第十五電阻的一端相連，第十五電阻的另一端連接第三電壓比較器的反向輸入端；第三電壓比較器的電源正極連接15V直流電源、第十六電阻的一端、IGBT驅動單元的驅動晶片的引腳2和第十電容的一端；第三電壓比較器的電源負極接地，第三電壓比較器的信號輸出端與第十六電阻的另一端和第十一二極體的陰極相連，第十一二極體的陽極作為分散過流保護電路的輸出端，連接IGBT驅動單元的驅動晶片的引腳6，第三電壓比較器的信號輸出端連接微處理器單元的第二緩衝晶片。

進一步地，所述集中過流保護電路包括霍爾電流傳感器、第十七電阻、第十八電阻、第十九電阻、第二可調電位器、第十二電容、第十三電容和第四電壓比較器；

霍爾電流傳感器安裝於被檢測點的連接線上，霍爾電流傳感器的信號輸出端與第四電壓比較器的同向輸入端相連；第十七電阻與第十二電容並聯然後一端接地，另一端連接第四電壓比較器的同向輸入端，進行信號濾波；第二可調電位器一個固定端接入15V電源，另一個固定端接地，滑動端與第四電壓比較器的反向輸入端相連，提供反饋電壓；第十八電阻一端接入5V電源作為上拉電阻，另一端連接第四電壓比較器的信號輸出端和第十九電阻一端；第十九電阻的另一端作為集中過流保護電路的一個輸出埠，與微處理器單元的第二緩衝晶片連接，同時連接第十三電容的一端，第十三電容的另一端接地；第十九電阻和第十三電容構成RC延遲電路。

進一步地，所述的用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置中各單元的供電部分均由具有多路電壓輸出(輸出±15V、5V、3.3V電壓)的開關電源提供。

由上述技術方案可知，本實用新型的有益效果在於：本實用新型提供的一種用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置，針對的是過流故障的監測定位和線路過流故障的抑制保護。首先在柔性直流輸電送端直流母線加入複合緩衝單元，當開通或關斷母線IGBT器件時，能夠優先抑制減小母線上的浪湧電壓幅值；其次加入過熱檢測單元，對IGBT器件的工作溫度進行檢查，記錄相關溫度數據，通過電腦PC上位機對數據進行分析，建立IGBT溫度與電流之間的關係曲線，為故障電流的分類提供依據；最後通過故障電流檢測單元對功率變頻單元的過流故障位置進行監測定位，通過硬體輔助電路和微處理器單元緩降柵壓，延長動作電路故障保護時間，採用無線通訊單元與手機和電腦進行通信，實現手機與電腦之間數據共享，增強人機對話，避免其對逆變站換流器件、直流線路及系統造成二次損壞。本實用新型結合了硬體輔助電路與控制系統硬體結構，能檢測定位故障電流的類型和功率變頻單元過熱故障，對已檢測故障電流進行定位、分類與處理，進而快速準確抑制故障期間短路電流和過電流，避免功率變頻單元的損壞，實現柔性直流輸電逆變站過流故障監測定位和保護。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例提供的一種用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的微處理器單元的電路原理圖；

圖3為本實用新型實施例提供的複合緩衝電路的電路原理圖；

圖4為本實用新型實施例提供的功率變頻單元的電路原理圖；

圖5為本實用新型實施例提供的柔性直流輸電送端站、複合緩衝單元、功率變頻單元與LC濾波器的連接電路原理圖；

圖6為本實用新型實施例提供的IGBT驅動單元的電路原理圖；

圖7為本實用新型實施例提供的過熱檢測單元的電路原理圖；

圖8為本實用新型實施例提供的分散過流保護電路的工作原理示意圖；

圖9為本實用新型實施例提供的接入IGBT驅動單元的分散過流保護電路的原理圖；

圖10為本實用新型實施例提供的柔性直流輸電送端直流母線上的集中過流保護電路的電路原理圖；

圖11為本實用新型實施例提供的複合緩衝單元IGBT關斷時刻電路原理圖；

圖12為本實用新型實施例提供的複合緩衝單元IGBT開通時刻電路原理圖；

圖13為本實用新型實施例提供的安裝過流故障監測保護裝置前三相電流有效值曲線圖；

圖14為本實用新型實施例提供的安裝過流故障監測保護裝置後三相電流有效值曲線圖；

圖15為本實用新型實施例提供的安裝過流故障監測保護裝置後IGBT溫度與電流關係曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的範圍。

如圖1所示，一種用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置，該裝置包括微處理器單元、複合緩衝保護單元、功率變頻單元(柔性直流輸電受端站)、IGBT驅動單元、過熱檢測單元、故障電流檢測單元、無線通訊單元、LC濾波器和上位機。本實施例中，無線通訊單元採用SIM808無線模塊，用於將微處理單元的信號無線傳輸給上位機，IGBT器件採用型號為FZ1000R20KS4的IGBT模塊，IGBT驅動單元採用EXB841 IGBT集成驅動器，上位機為手機和電腦PC，用於實時監測裝置的過流、過熱故障信息，同時可以通過發送指令控制IGBT通斷。裝置中各單元的供電部分均由具有多路電壓輸出(輸出±15V、5V、3.3V電壓)的開關電源提供。

微處理器單元用於處理過熱檢測單元和故障電流檢測單元採集到的電流和溫度信息，進而驅動IGBT驅動單元控制IGBT器件的通斷，同時將故障信息傳輸到上位機，保護相關器件免受二次損害。本實施例中，微處理器單元包括一個TMS320F28335主控晶片、第一緩衝晶片74HC245和第二緩衝晶片743384，IGBT驅動單元、過熱檢測單元和故障電流檢測單元均通過緩衝晶片與主控晶片連接，無線通訊單元直接與主控晶片連接。TMS320F28335主控晶片是一個主頻高達150MHZ的處理器，具有8路互補對稱的脈寬調製埠PWM1-8，內置2*8通道的12位ADC轉換器，具有3通道的SCI通信接口。

以一組檢測單元為例，如圖2所示，微處理器單元與其他外圍單元具體連接結構為：主控晶片的脈寬調製埠PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6、PWM7、PWM8分別與第一緩衝晶片74HC245的A0、A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7口一一對應連接，第一緩衝晶片74HC245的B0和R1連接IGBT驅動單元的S3和S4口，74HC245緩衝晶片的B6和R1連接IGBT驅動單元的IN1和IN2口，TMS320F28335主控晶片的ADCINA0、ADCINA7口分別與第二緩衝晶片743384的A0和A1埠相連，TMS320F28335主控晶片的D0和D18口分別連接第二緩衝晶片743384的A8和A15埠，第二緩衝晶片743384的B0和B7分別與故障電流檢測單元的0C1和0C2埠相連，第二緩衝晶片743384的B8和R15分別與過熱檢測單元的兩個輸出埠S1和S2相連；無線通訊單元SIM808模塊的SCITXD口與TMS320F28335主控晶片的SCIRXD口相連，無線通訊單元SIM808模塊的SCIRXD口與TMS320F28335主控晶片的SCITXD口相連。

複合緩衝保護單元包括兩個結構相同的複合緩衝電路，分別設於兩根母線上，抑制IGBT通斷時母線上尖峰電壓，複合緩衝保護單元包括兩個輸入端和三個輸出端，複合緩衝保護單元的第一輸入端連接作為直流電源的柔性直流輸電送端站，複合緩衝保護單元的第二輸入端連接IGBT驅動單元輸出端，複合緩衝保護單元的第一輸出端連接故障電流檢測單元的輸入端，複合緩衝保護單元的第二輸出端連接過熱檢測單元第一輸入端，複合緩衝保護單元的第三輸出端連接功率變頻單元(柔性直流輸電受端站)的第一輸入端。

兩根母線上的複合緩衝電路結構相同，如圖3所示，均包括一個高頻開斷功能的IGBT器件VT1、電阻R1、電容C1、電感L1、第一反向二極體VD1和第二反向二極體VD2。以一個母線為例，第一複合緩衝電路包括IGBT器件VT1、電阻R1、電容C1、電感L1、第一反向二極體VD1和第二反向二極體VD2，具體連接結構為：電感L1的一端作為該複合緩衝電路的輸入端，即複合緩衝保護單元的第一輸入端，連接作為直流電源的柔性直流輸電送端站，同時連接第一反向二極體VD1的陰極，電感L1的另一端連接IGBT器件VT1的集電極、電阻R1的一端、第一反向二極體VD1的陽極和第二反向二極體VD2的陽極，IGBT器件VT1的發射極連接第二反向二極體VD2的陰極、電阻R1的另一端、電容C1的正極和功率變頻單元的第一輸入端，電容C1的負極作為複合緩衝保護單元的第三輸出端，連接IGBT器件VT1的發射極和功率變頻單元的第一輸入端；IGBT器件VT1的門極作為複合緩衝保護單元的第二輸入端，連接IGBT驅動單元輸出端。IGBT器件VT1的集電極作為複合緩衝單元的第一輸出端，連接故障電流檢測單元的輸入端；在IGBT器件VT1的位置⑥處放置PTC熱敏電阻，作為複合緩衝單元的第二輸出端，連接過熱檢測單元的第一輸入端。

功率變頻單元用於將母線側直流電壓轉變為電網側交流電壓，如圖4所示，包括濾波支撐電容C3和6個結構相同的子單元，各子單元的電路結構均與第一或第二複合緩衝電路的電路結構相同。IGBT器件VT3及其外圍電路作為功率變頻單元的第一子單元，IGBT器件VT4及其外圍電路作為功率變頻單元的第二子單元，IGBT器件VT5及其外圍電路作為功率變頻單元的第三子單元，IGBT器件VT6及其外圍電路作為功率變頻單元的第四子單元，IGBT器件VT7及其外圍電路作為功率變頻單元的第五子單元，IGBT器件VT8及其外圍電路作為功率變頻單元的第六子單元。以第一子單元為例，包括一個高頻開斷功能的IGBT器件VT3、電阻R3、電容C4、電感L3、第一反向二極體VD3、第二反向二極體VD4；電感L3的一端連接第一反向二極體VD3的陰極，電感L3的另一端連接IGBT器件VT3的集電極、電阻R3的一端、第一反向二極體VD3的陽極和第二反向二極體VD4的陽極，IGBT器件VT3的發射極連接第二反向二極體VD4的陰極、電阻R3的另一端、電容C4的正極，電容C4的負極連接IGBT器件VT3的發射極，IGBT器件VT3的門極作為功率變頻單元的第二輸入端，連接IGBT驅動單元第一輸出端。各子單元中的電感L3、L4、L5、L6、L7、L8的一端分別作為相應子單元的輸入端，各子單元中的IGBT器件VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8的發射極分別作為相應子單元的輸出端。功率變頻單元的第一子單元、第三子單元、第五子單元的輸入端同時連接與母線I相連的第一複合緩衝電路的第三輸出端，第二子單元、第四子單元、第六子單元的輸出端同時連接與母線II相連的第二複合緩衝電路的第三輸出端。電容C3接於第一子單元的輸入端與第二子單元的輸出端之間。功率變頻單元的第一子單元、第三子單元、第五子單元的輸出端分別對應連接功率變頻單元第二子單元、第四子單元、第六子單元的輸入端，並分別作為功率變頻單元的三路輸出端。

柔性直流輸電送端站、複合緩衝單元、功率變頻單元與LC濾波器的連接電路如圖5所示。

IGBT驅動單元包括EXB841驅動晶片及外圍保護電路，如圖6所示，其中外圍電路包括ERA34-10二極體D9、電容C10、C11、限流電阻Re、緩衝電阻RG、反饋電阻Rf、電晶體TCR以及TLP251光耦。每個IGBT驅動單元驅動一組由兩個IGBT構成的半橋。驅動晶片EXB841的6腳連接ERA34-10二極體D9的陽極，ERA34-10二極體D9的陰極連接被驅動IGBT器件的集電極，驅動晶片EXB841的2腳同時連接15V電源、電容C10正極，電容C11的正極同時與驅動晶片EXB841的3腳、緩衝電阻RG的一端相連，緩衝電阻RG的另一端作為IGBT驅動單元的輸出端，連接被驅動IGBT器件的門極，電容C10和電容C11的負極同時連接被驅動IGBT的發射極，驅動晶片EXB841的15腳連接限流電阻Re的一端，限流電阻Re的另一端連接15V電源，驅動晶片EXB841的14腳連接電晶體TCR的集電極，電晶體TCR的發射極與TLP251光耦的1腳相連，電晶體TCR的柵極作為IGBT驅動單元連接微處理器控制信號的輸入端IN1，驅動晶片EXB841的6腳與過熱檢測單元的第二輸出端S2連接，驅動晶片EXB841的5腳與TLP251光耦的4腳相連，TLP251光耦的3腳連接反饋電阻Rf的一端，反饋電阻Rf的另一端同時連接15V單元和驅動晶片EXB841的2腳，TLP251光耦的2引腳連接微處理器單元。複合緩衝單元和功率變頻單元中的所有IGBT器件的門極均與IGBT驅動單元的輸出端相連。

過熱檢測單元用於檢測複合緩衝保護單元和功率變頻單元中各IGBT器件的溫度，包括8組電路結構相同的過熱檢測電路，分別對應檢測複合緩衝保護單元和功率變頻單元中的8個IGBT器件的溫度。

以一組過熱檢測電路為例，如圖7所示，包括三個2K電阻R9、R10、R11、一個470歐電阻R12、兩個PTC熱敏電阻Rtc1、Rtc2和兩個電壓比較器U1、U2，其中的電壓比較器為LM339型號，其具體連接結構為：電壓比較器U1的同相輸入端(引腳3)作為過熱檢測單元的第一輸入端，與熱敏電阻Rtc1和電阻R9的一端分別相連，電阻R9的另一端連接直流電源VCC，熱敏電阻Rtc1的另一端接地；電壓比較器U2的同相輸入端(引腳3)作為過熱檢測單元的第二輸入端，與熱敏電阻Rtc2和電阻R11的一端分別相連，電阻R11的另一端連接直流電源VCC，熱敏電阻Rtc2的另一端接地；電壓比較器U1和U2的反向輸入端(引腳2)均與電阻R10和R12的一端相連，電阻R10的另一端連接直流電源VCC，電阻R12的另一端接地；電壓比較器U1的信號輸出端(引腳1)作為過熱檢測單元的第一輸出端S1，與微處理器單元相連，輸出報警信號，電壓比較器U2的信號輸出端(引腳1)作為過熱檢測單元的第二輸出端S2，與微處理器單元和IGBT驅動單元相連，輸出關斷信號。

圖7中直流電源VCC、電阻R10和電阻R12串聯，提供參考電壓Vref，當被檢測的IGBT器件溫度低於100度時，熱敏電阻Rtc1和Rtc2的電阻值都小於470歐，因此熱敏電阻Rtc1和Rtc2的壓降Vtc1和Vtc2都小於參考電壓Vref，此時電壓比較器U1的同相輸入端(引腳3)電壓小於U1的反向輸入端(引腳2)電壓，電壓比較器U1輸出低電平，電壓比較器U2的同相輸入端(引腳3)電壓小於U2的反向輸入端(引腳2)電壓，電壓比較器U2輸出低電平。因此，當報警信號和關斷信號都為低電平時，被檢測的IGBT器件溫度正常。當被檢測的IGBT器件的溫度大於100度而小於120度時，熱敏電阻Rtc1的壓降Vtc1大於參考電壓Vref，且熱敏電阻Rtc2的壓降Vtc2小於參考電壓Vref，此時電壓比較器U1輸出高電平，電壓比較器U2輸出低電平。因此，當報警信號為高電平，關斷信號為低電平時，過熱檢測電路對控制電路發出過熱報警信號。當被檢測的IGBT器件的溫度超過120度時，Vtc1和Vtc2都大於Vref，此時U1和U2都輸出高電平。因此，當報警信號和關斷信號都為高電平時，控制電路關斷主電路，保護IGBT器件，防止因過熱而損壞。

故障電流檢測單元用於檢測裝置中待檢測點的電流是否超出預設電流閾值，包括橋臂直通故障電流檢測單元、母線故障電流檢測單元和負載故障電流檢測單元。橋臂直通故障電流檢測單元的檢測電路為分散過流保護電路，用於檢測複合緩衝單元和功率變頻單元中待檢測點的橋臂直通電流是否超過預設電流值，用於檢測複合緩衝單元和功率變頻單元中的分散過流保護電路結構相同，母線故障電流檢測單元和負載故障電流檢測單元的檢測保護電路均為集中過流保護電路，母線故障電流檢測單元用於檢測母線上待檢測點的電流是否超過預設電流值，且在兩根母線上分別設有一個母線故障電流檢測單元，負載故障電流檢測單元用於檢測負載連接線上待檢測點的電流是否超過預設電流值。橋臂直通故障電流檢測單元的檢測位置如圖3和4中的⑥和⑦，母線故障電流檢測單元的檢測位置如圖4中的①和②，負載故障電流檢測單元的檢測位置如圖4中的③、④和⑤。

分散過流保護電路的工作原理如圖8所示，Vref作為分散過流保護電路的設定閾值電壓，當比較器檢測到0點的電壓大於設定的閾值電壓時，比較器輸出高電平經過與門AND輸出高電平信號給微處理單元，進而發出脈衝控制信號，控制IGBT通斷，防止器件遭受二次損害。

以設於功率變頻單元的待檢測點的分散過流保護電路為例，圖9為本實施例提供的接入IGBT驅動單元的分散過流保護電路工作原理圖，分散過流保護電路的具體結構包括電壓比較器U3、電阻R13、R14、R15和R16、肖特基二極體VD10和VD11、藍白可調電位器RP1(用來調節設定電壓閾值)，具體連接結構為：

LM339電壓比較器U3的同向輸入端連接電阻R14的一端和肖特基二極體VD10的陽極，肖特基二極體VD10的陰極作為分散過流保護電路的輸入端INA，連接功率變頻單元IGBT器件VT3的集電極；電阻R13的一端接15V直流電源，電阻R13的另一端接電阻R14的另一端和可調電位器RP1的一個固定端；可調電位器RP1的另一個固定端接地，可調電位器RP1的滑動端與電阻R15的一端相連，電阻R15的另一端連接電壓比較器U3的反向輸入端；電阻R16的一端連接15V直流電源，並同時連接電壓比較器U3的電源正極、IGBT驅動單元的驅動晶片EXB841的引腳2和IGBT驅動單元的電容C10的一端；電壓比較器U3的電源負極14腳接地，LM339電壓比較器U3的信號輸出端與電阻R16的另一端和肖特基二極體VD11的陰極相連，肖特基二極體VD11的陽極作為分散過流保護電路的輸出端，連接IGBT驅動單元的驅動晶片的引腳6，電壓比較器U3的信號輸出端OUT為故障電流檢測單元與微處理器單元的第二緩衝晶片連接的ADOC1口；電阻R13與藍白可調電位器RP1串聯，通過可調電位器RP1，經電阻R15給LM339電壓比較器U3提供反饋電壓Vref，LM339電壓比較器U3的同向輸入端通過二極體VD10對IGBT器件的集電極電壓進行採集，通過與預設Vref的值進行比較，進而判別IGBT器件的橋臂是否發生過流故障。

以柔性直流輸電送端直流母線上的集中過流保護電路為例，如圖10所示，集中過流保護電路的具體結構以母線I為例，包括霍爾電流傳感器H1、電阻R17、R18、R19、藍白可調電位器RP2、電容C12、C13和LM339電壓比較器U4，其中，霍爾電流傳感器H1採用日本HINODE公司的直測式霍爾效應電流傳感器HAP8-200/4，該傳感器需要正負15V雙電源進行供電。電路具體的連接結構為：

霍爾電流傳感器H1的信號輸出端與LM339電壓比較器U4的同向輸入端(引腳3)相連；電阻R17與電容C12並聯後一端接地，另一端連接LM339電壓比較器U4的同向輸入端(引腳3)，進行信號濾波；可調電位器RP2一個固定端接入15V電源，另一個固定端接地，滑動端與LM339電壓比較器U4的反向輸入端引腳2相連，提供反饋電壓；電阻R18一端接入5V電源作為上拉電阻，另一端連接LM339電壓比較器U4的信號輸出端(引腳1)和電阻R19一端，用於提高LM339電壓比較器U4信號輸出端的電流驅動能力，電阻R19的另一端作為集中過流保護電路的一個輸出埠OC1，即故障電流檢測單元與微處理器單元的第二緩衝晶片連接的ADOC2口，同時連接電容C13的一端，電容C13的另一端接地，電阻R19和電容C13構成RC延遲電路。LM339電壓比較器U4輸出端(引腳1)信號經緩衝電阻R19輸出電平信號OC1給微處理器，對電流數據進行記錄，嚴重超過閾值時，封鎖所有IGBT的驅動信號，並且，電阻R19和電容C13組成的延遲電路是為防止封鎖電路誤動作採取的抗幹擾措施。另一條母線上設有相同結構的集中過流保護電路，其輸出埠為OC2。

LC濾波器用於濾除功率變頻單元產生的諧波，包括三組LC濾波電路，三組LC濾波電路的輸入端分別連接功率變頻單元的三路輸出端，三組LC濾波電路的輸出端分別連接電網的三相線。

通過上述的用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置實現過流故障監測定位及保護的方法為：

步驟1、採用微處理器單元控制複合緩衝保護單元、功率變頻單元和IGBT驅動單元的內部元件，使整個過流故障監測保護裝置處於運行狀態，具體方法為：

步驟1.1、採用微處理器單元發出SPWM(正弦脈寬調製)信號；

步驟1.2、通過IGBT驅動單元進行升壓處理，將SPWM電壓信號幅值升到15V；

步驟1.3、分別驅動IGBT複合緩衝單元的兩個IGBT器件和功率變頻單元6個IGBT器件，使各IGBT器件導通，使用於柔性直流輸電逆變站的過流故障監測保護裝置處於正常運行狀態；

步驟2、同時採用過熱檢測單元的PTC熱敏電阻、故障電流檢測單元中的分散過流保護電路、集中過流保護電路對複合緩衝保護單元和功率變頻單元的電流和熱量進行實時採集，過熱檢測單元的PTC熱敏電阻對複合緩衝保護單元和功率變頻單元中的所有IGBT器件進行溫度實際監測；

過熱檢測單元產生兩路信號，一路報警信號送給微處理器單元，一路關斷信號送給IGBT驅動單元的EXB841驅動晶片，促使IGBT進行降柵壓軟關斷，抑制尖峰浪湧電流，避免功率變頻單元損壞；

母線故障電流檢測單元和負載故障電流檢測單元中產生的電平信號經過RC延遲電路的延遲送給IGBT驅動單元的EXB841驅動晶片和微處理器單元的ADCINAO-A7口；

微處理器單元採集記錄各路電流和IGBT器件的溫度數據，實時構建IGBT器件的溫度與檢測支路的關係曲線圖；

步驟3、微處理器單元判斷故障電流的位置，判斷電流值是否超過1.2倍設定值，IGBT器件的溫度是否達到100℃過熱報警溫度，若其中任意一者超過或兩者同時超過，則說明出現故障，對應單元為故障單元，執行步驟4，否則說明直流輸電逆變站工作正常，返回執行步驟2，繼續進行檢測；

步驟4、採用微處理器單元產生控制信號並發送至出現故障的相應單元中，對故障單元的IGBT器件進行緩降柵壓；微處理器單元同時記錄下故障電流的位置，產生相應的編號，編號1為母線電流故障，編號2為橋臂直通故障，編號3和5為負載短路故障，並將故障記錄經過SIM808無線通訊單元發送簡訊至手機，報告微處理器單元判斷出的故障信息，並發出故障中級警報信號，將故障傳輸給電腦PC上位機；電腦PC上位機將現有故障和電腦資料庫中所存儲的故障進行對比，確定故障電流的類型和位置；

步驟5、微處理器對故障電流過熱檢測進一步判別，判斷電流值是否超過1.5倍設定值，IGBT溫度是否達到120℃過熱報警溫度，若任意一者超過或兩者同時超過，則認定對應位置發生嚴重短路或過流故障，執行步驟6，否則執行步驟2；

步驟6、微處理器單元發出控制信號，封鎖輸入信號，關斷髮生嚴重短路或過流故障的單元中的IGBT器件，將故障信息通過SIM808無線通訊單元連續不斷的發送簡訊至用戶手機，同時微處理器單元產生故障嚴重警報信號，將故障傳輸給電腦PC上位機，避免對逆變器造成二次損害。

本實施例中，當完成監測保護時，關斷IGBT器件形成如圖11所示的複合緩衝電路結構，電感L1中的電流經過二極體VD1進行釋放，同時VT1中的雜散電感存儲的能量經過電容C1和電阻R1得以釋放，緩衝了關斷IGBT器件時產生的過流，避免IGBT器件損壞。

本實施例中，當監測保護裝置開始運行時，開通IGBT器件形成如圖12所示的複合緩衝電路結構，電感L1抑制了開通IGBT瞬間在集電極側的電流上升率，削減了集電極側浪湧尖峰電壓，同時VT1開通瞬間的浪湧電流經過VD2和C1得以釋放，如圖中的虛線路勁，緩衝了開通IGBT瞬間產生的浪湧電流，避免IGBT器件損壞。

在安裝過流故障監測保護裝置前三相電流有效值如圖13所示的曲線，安裝過流故障監測保護裝置後三相電流有效值如圖14所示的曲線，從圖中的曲線可以看出，在開通後40ms至42ms期間，安裝後尖峰電流得到明顯抑制，在42ms之後，交流側電壓波形得到明顯改善，故障電流瞬時峰值也得到明顯抑制。

安裝過流故障監測保護裝置後IGBT溫度與電流關係如圖15所示的曲線，從圖中曲線可以看出，開通後IGBT器件後，在0～20℃內，電流緩慢上升，在23℃～38℃期間，電流幾乎不在變化，IGBT器件穩定運行，當出現過熱故障時，電流隨著IGBT器件溫度的增加而迅速升高，超過耐熱極限後，IGBT器件損害，電流降至最低點。安裝過流故障監測保護裝置後，可以實時監測過熱故障中電流和溫度的變化關係，過熱故障發生後，在C-D點進行故障排除，避免器件遭受二次損害，保證系統正常運行。

最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型權利要求所限定的範圍。