儲能變流器直流母線短路快速保護系統的製作方法
2023-05-15 08:30:11 2
專利名稱：儲能變流器直流母線短路快速保護系統的製作方法
儲能變流器直流母線短路快速保護系統技術領域
本發明屬於電力控制技術領域，尤其屬於一種變流控制技術領域。
背景技術：
風電作為一種可再生能源，其發展越來越受重視。由於風能的固有特徵，風電的出力會隨時波動，給併網運行帶來嚴重問題。儲能裝置在風電系統的配套使用，將有效改善風電對電網的不利影響，提高電網對風電併網的允許接入率，提高風電出力平滑性，實現削峰填谷等功能。
儲能型變流器裝置也可以稱作功率變換系統(power converting system,以下簡稱PCS)，其連接著電網和儲能電池櫃。作為連接電網和儲能電池之間的橋梁，PCS在風電系統出力超額部分儲存起來，並在風電出力低谷時及時補充，實現削峰填谷、平滑出力的功能。同時PCS還應能接收電網調度要求，合理分配有功、無功功率輸出與輸入。
兩級結構PCS變流器由於帶有雙向DC-DC控制環節，故能對各組電池分別進行能量分配，避免了單級模式多電池並聯充放電不均流影響電池壽命的問題，在現場廣泛採用。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。在直流母線發生短路時，母線電壓會迅速下降，若此時不及時切斷短路迴路，將導致直流母線電壓低於電池端電壓，則電池會通過DC-DC環節中IGBT反並聯二極體形成短路放電迴路，擴大事故影響，嚴重威脅電池運行安全。
傳統的PCS變流器結構，缺乏對直流母線的有效保護。例如一般採用繼電器對系統進行開關與保護，並採用熔斷器對電池作最底層保護。由於在直流母線短路時，瞬時電池短路放電電流較大，而繼電器動作時間較長，一般需要幾十毫秒才能完成動作，無法短時內切斷故障，並容易造成繼電器觸點粘連故障，完全喪失切斷短路迴路的功能。短路時無法快速切斷短路迴路，將對電池帶來重大衝擊，影響電池壽命，威脅人身安全，造成巨大經濟損失。發明內容
為克服現有技術中存在的以上問題，本發明提出了一個新的解決方案。本方案將反並聯IGBT模塊引入儲能變流器充放電迴路中，故障保護控制器通過對IGBT開關信號的控制，當直流母線短 路時，可在100微秒內切斷電池充放電迴路。本發明公開的保護系統採用模塊化結構，系統由數個功能模塊組成，各功能模塊之間相互配合，快速實現直流母線短路時對電池的保護。
本發明具體採用以下技術方案:
一種儲能變流器直流母線短路快速保護系統，包括主電路模塊和控制功能模塊，其特徵在於:
所述主電路模塊主要由反並聯IGBT模塊、雙向DC-DC主電路、一個電壓傳感器、一個電流傳感器組成；所述反並聯IGBT模塊串接於DC-DC主電路與電池之間，分別與DC-DC主電路和電池相連，其中反並聯IGBT由兩個IGBT反並聯連接；所述電壓傳感器接於直流母線兩端，所述電流傳感器串接於反並聯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並聯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；
當所述儲能變流器正常運行時，所述控制模塊接收變流器控制器發出的閉合指令，控制所述反並聯IGBT模塊導通；當實時監測到的直流母線電壓信號低於設定閾值，或電池電流信號大於設定閾值時，所述控制模塊立即向所述反並聯IGBT模塊發出關斷指令，控制反並聯IGBT模塊斷開，所述控制模塊還將故障信號上報給變流器控制器，所述變流器控制器接收故障信號後，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。
傳統的保護控制方式通常為，當檢測到直流母線電壓低於設定值時，發出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。但短路發生時往往在極短時間內拉低了直流母線電壓，在繼電器斷開動作前，電池通過DC-DC環節中IGBT反並聯二極體形成短路放電迴路，擴大事故範圍。較大的電流使繼電器觸點粘連無法斷開迴路，進一步導致事故擴大化。本發明可在故障發生100微秒內完成檢測並實現電池迴路的切斷，能快速保護電池和變流器各器件安全運行，避免因直流母線故障導致電池形成短路放電迴路。
本申請具有以下有益的技術效果:
採用新型的IGBT電路拓撲和控制器，控制模塊接收各電壓、電流傳感器信號，實時檢測各傳感器參數值，並接收變流器控制器的控制信號。根據實際運行狀態，正常充放電時，發出導通信號，使IGBT處於導通狀態；當檢測到故障或短路時，立即發出關斷信號，快速關斷IGBT，及時切斷電池和變流器的電路連接。
通過迴路中加入反並聯的IGBT模塊，控制模塊可在故障發生後100微秒內切斷短路迴路，避免事故繼續擴大 。
圖1為儲能變流器常規電路原理圖2為本發明的儲能變流器直流母線短路保護基本框圖3為本發明的儲能變流器直流母線短路保護主電路原理圖4為本發明的儲能變流器直流母線短路保護控制原理圖5為本發明的儲能變流器直流母線短路保護控制效果示意圖。
具體實施方式
下面根據說明書附圖，對本發明的技術方案進一步詳細說明。
如圖1所示，為儲能變流器常規電路原理圖，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與第一二極體Dttjp反並聯，第二 IGBTKbtrt與第二二極體Dbtrt反並聯，第一 IGBT的發射極與第二 IGBT的柵極串接，第一電感U。串接於第一 IGBT的發射極與第一繼電器KD。之間,第一繼電器另一端接第一濾波電容Cfma.，第一濾波電容並接於第一繼電器與第二 IGBT發射極之間。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Kf■後並接於第一濾波電容兩端。
圖2所示為儲能變流器直流母線短路保護基本框圖。儲能變流器直流母線短路快速保護系統由主電路模塊和控制模塊構成。反並聯IGBT串接於儲能變流器DC-DC部分與電池之間，其開通、關斷狀態由控制模塊控制。控制模塊和儲能變流器控制器之間能進行雙向通信，控制模塊接收儲能變流器控制器指令，並發送相應的短路保護信息。
圖3所示為儲能變流器直流母線短路保護主電路原理圖。第一 IGBT Ktop與第一二極體Dtop反並聯，第二 IGBT Kbot與第二二極體Dbtrt反並聯，第一 IGBT的發射極與第二 IGBT的柵極串接，第一電感U。串接於第一 IGBT的發射極與第一繼電器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負極接第二 IGBT Kbot發射極，電池Ubat正極接第一保險Kfuse,負極接第一濾波電容Cfilte負極。保護器件Kkbt由兩個IGBT柵極與發射極反並聯後組成，Kigbt 一端接於第一濾波電容正極，另一端接第一保險Kf.。
圖4所示為儲能變流器直流母線短路保護控制原理圖，包括儲能變流器DC-DC部分、反並聯IGBT部分、電池部分、控制模塊和變流器控制器。儲能變流器DC-DC部分檢測直流母線電壓UDC，電池部分提供電池電流Ibat。控制模塊採集直流母線電壓和電池電流，根據設定的參數值判斷是否 正常運行。控制模塊與變流器之間帶有雙向通信。正常運行時，變流器控制器發出閉合指令，控制模塊根據實際故障狀態，若正常無故障，則發出反並聯IGBT導通指令導通電池與DC-DC電路。當實時監測到的直流母線電壓信號低於設定閾值，或電池電流信號大於設定閾值時，控制模塊立即向所述反並聯IGBT模塊發出關斷指令，控制反並聯IGBT模塊斷開。控制模塊還將故障信號上報給變流器控制器，變流器控制器接收故障信號後，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為儲能變流器直流母線短路保護控制效果示意圖。典型電路時，當直流母線正負極間發生短路，會瞬間拉低直流母線電壓UDaink。當直流母線電壓低於電池電壓時，會通過第一保險Kf■、第一繼電器KD。、第一電感LD。第一反並聯二極體Dtop形成短路放電迴路，進一步擴大短路故障，並容易使第一繼電器KD。觸點粘連，完全喪失切斷短路迴路的功能。短路迴路持續導通，直至第一保險Kfuse完全損壞，給電池帶來重大衝擊，影響電池壽命，威脅人身安全，造成巨大經濟損失。本發明在檢測到故障狀態後，利用IGBT的快速關斷能力，能在很短時間內斷開電池放電迴路，避免事故擴大和設備損壞。
權利要求
1.一種儲能變流器直流母線短路快速保護系統，包括主電路模塊和控制功能模塊，其特徵在於: 所述主電路模塊主要由反並聯IGBT模塊、雙向DC-DC主電路、一個電壓傳感器、一個電流傳感器組成；所述反並聯IGBT模塊串接於DC-DC主電路與電池之間，分別與DC-DC主電路和電池相連，其中反並聯IGBT由兩個IGBT反並聯連接；所述電壓傳感器接於直流母線兩端，所述電流傳感器串接於反並聯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並聯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； 當所述儲能變流器正常運行時，所述控制功能模塊接收變流器控制器發出的閉合指令，控制所述反並聯IGBT模塊導通；當實時監測到的直流母線電壓信號低於設定電壓閾值，或電池電流信號大於設定電流閾值時，所述控制模塊立即向所述反並聯IGBT模塊發出關斷指令，控制反並聯IGBT模塊斷開，所述控制模塊還將故障信號上報給變流器控制器，所述變流器控制器接收故障信號後，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.根據權利要求1所述的儲能變流器直流母線短路快速保護系統，其特徵在於: 所述電路主模塊還包括一熔斷器，所述熔斷器串接在反並聯IGBT模塊和電池之間。
3.根據權利要求1所述的儲能變流器直流母線短路快速保護系統，其特徵在於: 所述控制模塊 在故障發生後100微秒內切斷短路迴路，避免事故繼續擴大。
全文摘要
本發明提出了一種全新的儲能變流器直流母線短路快速保護系統。與傳統的基於斷路器或保險的短路保護結構相比，本發明所提出的儲能變流器直流母線短路快速保護系統基於IGBT的快速關斷能力，可在幾百微秒內切斷電源迴路，保護儲能電池和儲能變流器的安全。本發明中各模塊功能定位清晰、結構緊湊、便於安裝和調試，保護動作響應時間明顯縮短，提高儲能變流器系統可靠性。
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 優先權日2013年4月27日
發明者陳劍, 吳國榮, 鹿懷驥, 李志強, 王思耕, 陳飛 申請人:北京華電天仁電力控制技術有限公司, 國電新能源技術研究院