一种直流变压器短路故障的保护电路

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种直流变压器短路故障的保护电路。

背景技术

新能源直流组网外送可扩大新能源组网范围，降低新能源场站对当地弱交流系统的影响，避免不同新能源发电场站的交流同步和频率稳定问题，是未来新能源基地规模化外送方案中一种极具潜力的技术路线。直流变压器，也称DC-DC换流器，是新能源直流组网外送系统中的核心枢纽设备，并且DC-DC换流器的核心器件是功率半导体器件。功率半导体器件在短路情况下极容易发生不可逆的损坏，其关乎着换流器的安全可靠运行。

当DC-DC换流器包括由子模块构成的高压桥臂、低压桥臂与公共桥臂时，该DC-DC换流器直接输出直流电压，形成单级电路结构的非隔离型DC-DC换流器。该类DC-DC换流器无需DC-DC换流器的交流变压器，减小换流器体积。该类DC-DC换流器其开关管采用的是绝缘栅双极型晶体管IGBT与其反并联的二极管，当发生短路故障时，无法快速限制短路故障电流的增长，且不能消除故障短路电流、不能对功率半导体器件有效保护，会导致IGBT与其反并联的二极管损坏造成设备经济损失或者更大的电网故障。因此，亟需一种能快速限制故障短路电流并能消除短路电流的直流变压器保护电路。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种直流变压器短路故障的保护电路，以解决现有技术中当直流变压器发生短路故障时不能快速限制故障短路电流增长，不能消除故障短路电流、不能对功率半导体器件有效保护的问题。

第一方面，本发明提供了一种直流变压器短路故障的保护电路，直流变压器包括至少一个单元；每个单元均包括高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂，高压桥臂的一端连接低压桥臂的一端以及公共桥臂的一端形成公共点，低压桥臂的另一端和公共桥臂的另一端形成低压端口，高压桥臂的另一端和公共桥臂的另一端形成高压端口；高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂均包括多个串联的子模块；高压桥臂和低压桥臂的子模块包括预设数量的全桥子模块；

保护电路包括电抗器、高压桥臂和低压桥臂中预设数量的全桥子模块和旁路保护元件；

高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中多个串联的子模块还包括半桥子模块；

全桥子模块和半桥子模块中的每个功率导体器件至少与一个电抗器串联；

高压桥臂与低压桥臂的半桥子模块中至少一个功率导体器件与至少一个旁路保护元件并联。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，通过为直流变压器设置保护电路，保护电路包括电抗器、高压桥臂和低压桥臂中预设数量的全桥子模块和旁路保护元件，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中多个串联的子模块还包括半桥子模块，半桥子模块和全桥子模块中的每个功率导体器件至少与一个电抗器串联；高压桥臂与低压桥臂的半桥子模块中至少一个功率导体器件与至少一个旁路保护元件并联。当直流变压器两侧发生短路故障时，故障短路电流流经与功率导体器件串联的电抗器以及与功率导体器件并联的旁路保护元件，电抗器快速抑制了故障短路电流的增长，避免流经直流变压器的故障短路电流增长，旁路保护元件避免故障电流流入功率半导体器件，起到消除故障短路电流的作用，解决了现有技术中当直流变压器发生短路故障时不能快速限制短路故障电流增长，不能消除故障短路电流、不能对功率半导体器件有效保护的问题。

在一种可选的实施方式中，当电抗器在高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂上集中布置时，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂分别与电抗器串联。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，通过当电抗器在高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂上集中布置时，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂分别与电抗器串联，当直流变压器两侧发生短路故障时，故障短路电流流经电抗器，电抗器快速抑制了故障短路电流的增长，避免流经高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂的故障短路电流增长，解决了当直流变压器发生短路故障时不能快速限制短路故障电流增长的问题。

在一种可选的实施方式中，当高压桥臂、低压桥臂均包括多相时，高压桥臂的多相并联后共同串联其中一个电抗器；低压桥臂的多相并联后共同串联另一个电抗器。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，当高压桥臂、低压桥臂均包括多相时，高压桥臂的多相并联后共同串联其中一个电抗器；低压桥臂的多相并联后共同串联另一个电抗器，当直流变压器发生短路故障时，故障短路电流流经至少两个电抗器，避免了流经高压桥臂和低压桥臂的故障短路增长。

在一种可选的实施方式中，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中每个全桥子模块或半桥子模块均串联一个电抗器。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，通过高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中每个全桥子模块或半桥子模块均串联一个电抗器，当直流变压器两侧发生短路故障时，故障短路电流流经电抗器，电抗器快速抑制了故障短路电流的增长，避免流经高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂的每个全桥子模块或半桥子模块的故障短路电流增长，保护全桥子模块或半桥子模块中的半导体功率器件。

在一种可选的实施方式中，预设数量的全桥子模块满足：一相低压桥臂和高压桥臂的全桥子模块耐受电压之和大于低压端口电压，或一相低压桥臂全桥子模块和高压桥臂的全部子模块耐受电压之和大于高压端口电压。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，根据一相低压桥臂和高压桥臂的全桥子模块耐受电压之和大于低压端口电压，或一相低压桥臂全桥子模块和高压桥臂的全部子模块耐受电压之和大于高压端口电压配置全桥子模块的数量，合理配置全桥子模块数量，节省成本。

在一种可选的实施方式中，半桥子模块包括至少两个串联的半导体器件单元和第一直流支撑电容；

第一直流支撑电容与串联后的第一半导体器件单元和第二半导体器件单元整体并联；

旁路保护元件与第二半导体器件单元并联；

每个半导体器件单元均包括并联的功率半导体器件和二极管。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，在保护电路中设置第一旁路保护元件半桥子模块连接，当直流变压器发生短路故障时，故障短路电流流经电抗器，电抗器抑制了故障短路电流的增长，同时故障短路电流流经旁路保护元件，避免流入半导体器件单元中的功率半导体器件，起到消除故障短路电流的作用。

在一种可选的实施方式中，全桥子模块包括对称设置的至少四个功率半导体单元和第二直流支撑电容，功率半导体单元两两串联后并联；第二直流支撑电容与功率半导体单元两两串联后并联的整体并联。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，在保护电路中设置第二旁路保护元件和全桥子模块连接，当直流变压器发生短路故障时，故障短路电流流经电抗器，电抗器抑制了故障短路电流的增长，同时故障短路电流流经功率半导体单元的二极管，避免流入功率半导体单元中的功率半导体器件，第二直流支撑电容被投入到短路电流路径上，起到消除故障短路电流的作用。

在一种可选的实施方式中，旁路保护元件包括二极管、晶闸管和IGCT中的任意一个或多个。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，旁路保护元件包括二极管、晶体管和IGCT中的任意一个或多个有利于直流变压器发生短路故障时故障短路电流的消除。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是根据本发明实施例的直流变压器短路故障的保护电路的拓扑结构图；

图2是根据本发明实施例的保护电路的电抗器在桥臂上集中布置的示意图；

图3是根据本发明实施例的保护电路的电抗器在桥臂上集中布置的又一示意图；

图4是根据本发明实施例的保护电路的电抗器在桥臂上集中布置的再一示意图；

图5是根据本发明实施例的保护电路的拓扑结构图多相桥臂共同串联电抗器的示意图；

图6是根据本发明实施例的保护电路的电抗器在桥臂上分散布置的示意图；

图7是根据本发明实施例的直流变压器短路故障的保护电路中半桥子模块的拓扑结构图；

图8是根据本发明实施例的直流变压器短路故障的保护电路中全桥子模块的拓扑结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种直流变压器短路故障的保护电路，如图1所示，图1是根据本发明实施例的直流变压器短路故障的保护电路的拓扑结构图，直流变压器包括至少一个单元；每个单元均包括高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂，高压桥臂的一端连接所述低压桥臂的一端以及公共桥臂的一端形成公共点，低压桥臂的另一端和所述公共桥臂的另一端形成低压端口，高压桥臂的另一端和所述公共桥臂的另一端形成高压端口；高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂均包括多个串联的子模块；高压桥臂和低压桥臂的子模块包括预设数量的全桥子模块；保护电路包括电抗器、高压桥臂和低压桥臂中预设数量的全桥子模块和旁路保护元件；高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中多个串联的子模块还包括半桥子模块；全桥子模块和半桥子模块中的每个功率导体器件至少与一个电抗器串联；高压桥臂与低压桥臂的半桥子模块中至少一个功率导体器件与至少一个旁路保护元件并联。其中：出于直流变压器运行功能需求，在公共桥臂中也可串联全桥子模块，但公共桥臂上的全桥子模块不属于保护电路。电抗器的个数以实际需求设计。图1中以高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂分别和一个电抗器串联为例。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，通过为直流变压器设置保护电路，保护电路包括电抗器、高压桥臂和低压桥臂中预设数量的全桥子模块和旁路保护元件，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中多个串联的子模块还包括半桥子模块，半桥子模块和全桥子模块中的每个功率导体器件至少与一个电抗器串联；高压桥臂与低压桥臂的半桥子模块中至少一个功率导体器件与至少一个旁路保护元件并联。当直流变压器两侧发生短路故障时，故障短路电流流经与功率导体器件串联的电抗器以及与功率导体器件并联的旁路保护元件，电抗器快速抑制了故障短路电流的增长，避免流经直流变压器的故障短路电流增长，旁路保护元件避免故障电流流入功率半导体器件，起到消除故障短路电流的作用，解决了现有技术中当直流变压器发生短路故障时不能快速限制短路故障电流增长，不能消除故障短路电流、不能对功率半导体器件有效保护的问题。

在一种可选的实施方式中，当电抗器在高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂上集中布置时，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂分别与电抗器串联。以电抗器为至少三个电抗器为例，图2是根据本发明实施例的保护电路的电抗器在桥臂上集中布置的示意图，如图2所示，三个电抗器分别和高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂串联，其中：

高压桥臂的一端连接第一电抗器L1的一端，第一电抗器L1的另一端连接低压桥臂上第二电抗器L2的另一端以及公共桥臂上第三电抗器L3的另一端，三个电抗器的连接点形成公共点；高压桥臂的另一端与公共桥臂的另一端形成高压端口；低压桥臂的一端与第二电抗器L2的一端连接，低压桥臂的另一端与公共桥臂的另一端形成低压端口；公共桥臂的一端与第三电抗器L3的一端连接。保护电路的三个电抗器分别和高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂串联，采用了电抗器集中布置的方式。图2中L表示低压，H表示高压，UL表示低压端口输出电压，UH表示高压端口输出电压。

如图3所示，图3是根据本发明实施例的保护电路的电抗器在桥臂上集中布置的又一示意图。当直流变压器包括两个单元时，两个单元对称设置，两个单元中的高压桥臂之间形成高压端口，两个单元中的低压桥臂之间形成低压端口，两个单元的公共桥臂串联，且两个公共桥臂之间的连接点接地，电抗器采用集中配置方式设置在高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂的公共点之间，三个电抗器的连接点形成新的公共点。

如图4所示，根据本发明实施例的保护电路的电抗器在桥臂上集中布置的再一示意图。当直流变压器包括两个单元时，两个单元对称设置，两个单元中的高压桥臂均串联一个电抗器，两个高压桥臂串联的电抗器之间形成高压端口，两个单元中的低压桥臂均串联一个电抗器，两个低压桥臂串联的电抗器之间形成低压端口，两个单元的公共桥臂均串联一个电抗器，公共桥臂的电抗器之间串联，且两个电抗器之间的连接点接地，电抗器采用集中配置方式设置在高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂的一端。

例如：当直流变压器高压侧发生短路故障时，发生短路故障短路点会产生较大的故障短路电流，这时高压桥臂可以视为一个电压源，故障短路电流会流经高压桥臂至串联的电抗器，电抗器抑制流入低压桥臂和公共桥臂的故障短路电流增大，保护低压桥臂和公共桥臂中的器件不受损坏。当直流变压器低压侧或内部发生短路故障时，电抗器抑制电流增大的原理与直流变压器高压侧发生短路故障的原理相同。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，通过当电抗器在高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂上集中布置时，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂分别与电抗器串联，当直流变压器两侧发生短路故障时，故障短路电流流经电抗器，电抗器快速抑制了故障短路电流的增长，避免流经高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂的故障短路电流增长，解决了当直流变压器发生短路故障时不能快速限制短路故障电流增长的问题。

在一种可选的实施方式中，当高压桥臂、低压桥臂均包括多相时，高压桥臂的多相并联后共同串联其中一个电抗器；低压桥臂的多相并联后共同串联另一个电抗器。如图5所示，以电抗器包括两个为例，假设其中一个电抗器第四电抗器，另一个为第五电抗器时，直流变压器包括两个对称设置的单元，每个单元中的高压桥臂、低压桥臂均包括两相时，高压桥臂的两相并联后再与第四电抗器L4串联，高压桥臂的两相共用第四电抗器L4。低压桥臂的两相并联后再与第五电抗器L5串联，低压桥臂的两相共用第五电抗器L5。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，当高压桥臂、低压桥臂均包括多相时，高压桥臂的多相并联后共同串联其中一个电抗器；低压桥臂的多相并联后共同串联另一个电抗器，当直流变压器发生短路故障时，故障短路电流流经至少两个电抗器，避免了流经高压桥臂和低压桥臂的故障短路增长。

在一种可选的实施方式中，如图1至图5所示，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂均包括多个串联的子模块，高压桥臂和低压桥臂的子模块包括预设数量的全桥子模块，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中多个串联的子模块还包括半桥子模块。具体地，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂可以是完全包括全桥子模块，也可以是全桥子模块和半桥子模块混合串联。

在一种可选的实施方式中，高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中每个全桥子模块或半桥子模块均串联一个电抗器。具体地，以保护电路包括电抗器的数量与高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中子模块的数量相同时为例，每个全桥子模块或半桥子模块均串联一个电抗器。如图6所示，直流变压器包括对称设置的两个单元，每个单元中高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中的每个全桥子模块或半桥子模块均串联一个电抗器，全桥子模块或半桥子模块串联的电抗器的连接点形成新的公共点。

例如：当直流变压器发生高压侧短路故障时，这时高压桥臂可以视为一个电压源，故障短路电流流经每个高压桥臂中子模块串联的电抗器，避免了流经每个子模块的故障短路电流的增长，保护高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂中的子模块不受损坏。当直流变压器低压侧或内部发生短路故障时，电抗器抑制电流增大的原理与直流变压器高压侧发生短路故障的原理相同。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，通过在直流变压器的高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂的每个全桥子模块或半桥子模块串联电抗器，当直流变压器两侧发生短路故障时，故障短路电流流经电抗器，电抗器快速抑制了故障短路电流的增长，避免流经高压桥臂、低压桥臂和公共桥臂的每个子模块的故障短路电流增长，保护子模块中的半导体功率器件。

在一种可选的实施方式中，如图7所示，半桥子模块包括至少两个串联的半导体器件单元和第一直流支撑电容C1；第一直流支撑电容与串联后的第一半导体器件单元T1和第二半导体器件单元T2整体并联；旁路保护元件D1与第二半导体器件单元T2并联；每个半导体器件单元均包括并联的功率半导体器件和二极管。旁路保护元件包括二极管、晶体管(例如，IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor，集成门极换向晶闸管)中的任意一个或多个。

当发生某些故障产生短路电流，通过关闭所有第一功率半导体器件，短路电流如果流经第一功率半导体单元的二极管，第一直流支撑电容被投入到短路电流路径上消除短路电流；短路电流如果流经第二功率半导体单元的二极管，旁路保护元件触发导通，使短路电流转移至旁路保护元件D1，从而保护第二功率半导体单元的第一功率半导体器件和二极管。

例如：如图1所示，高压桥臂包括多个串联的半桥子模块，当直流变压器发生高压侧短路故障时，故障短路电流流经第一电抗器L1，第一电抗器L1抑制了故障短路电流的增长。如果第一半导体器件单元T1或第二半导体器件单元T2中的功率半导体器件故障短路电流超过一定阈值时，向第一半导体器件单元T1和第二半导体器件单元T2的第一功率半导体器件和二极管施加关断信号，半桥子模块的旁路保护元件D1采用晶闸管时，晶闸管触发导通，故障短路电流B流经半桥子模块的旁路保护元件D1，故障短路电流A流经半桥子模块的第一直流支撑电容C1，避免流入第一半导体器件单元T1和第二半导体器件单元T2的功率半导体器件和二极管。如果旁路保护元件D1为二极管时则无需触发，故障短路电流B直接流经二极管，抑制故障短路电流B流经第二半导体器件单元T2的功率半导体器件。当半桥子模块的第一直流支撑电容C1电压等于非故障低压侧电压时，故障短路电流消除。

本发明实施例提供的直流变压器短路故障的保护电路，在保护电路中设置旁路保护元件半桥子模块连接，当直流变压器发生短路故障时，故障短路电流流经电抗器，电抗器抑制了故障短路电流的增长，同时故障短路电流流经旁路保护元件，避免流入第一半导体器件单元中的功率半导体器件和二极管，起到消除故障短路电流的作用。

在一种可选的实施方式中，预设数量的全桥子模块满足：一相低压桥臂和高压桥臂的全桥子模块耐受电压之和大于低压端口电压，或一相低压桥臂全桥子模块和高压桥臂的全部子模块耐受电压之和大于高压端口电压，全桥子模块的数量根据直流变压器实际运行需求合理配置，节省成本。

在一种可选的实施方式中，全桥子模块包括对称设置的至少四个功率半导体单元和第二直流支撑电容，功率半导体单元两两串联后并联；第二直流支撑电容与功率半导体单元两两串联后并联的整体并联。具体地，如图8所示，全桥子模块包括对称设置的至少四个功率半导体单元和第二直流支撑电容C2；每个功率半导体单元均包括功率半导体器件T3、T4、T5、T6和与其反并联的二极管D2、D3、D4、D5；即T3与D2并联，形成第一功率半导体单元；T4与D3并联，形成第二功率半导体单元；T5与D4并联，形成第三功率半导体单元；T6与D5并联，形成第四功率半导体。T4与T4串联后形成一个半桥，T5和T6串联后形成另一个半桥，两个半桥并联后整体再与第二直流支撑电容C2并联。功率半导体器件T3的发射极与功率半导体器件T4集电极一端串联，作为与全桥子模块电连接的一端口；功率半导体器件T5的发射极与功率半导体器件T6的集电极一端串联，作为与全桥子模块电连接的另一端口。第二直流支撑电容C2并联在功率半导体器件T3的集电极与功率半导体器件T4发射极，第二直流支撑电容C2并联在功率半导体器件T5的集电极与功率半导体器件T6发射极。

例如：如图1所示，低压桥臂包括多个串联的全桥子模块，当直流变压器发生低压侧短路故障时，故障短路电流流经与全桥子模块串联的第二电抗器L2，第二电抗器L2抑制了短路电流的增长。通过向全桥子模块中功率半导体器件T3、T4、T5、T6施加关断信号，二极管D2、D3、D4、D5触发导通，故障短路电流A’和B’分别流经二极管D2、D3、D4、D5以及第二直流支撑电容C2，二极管D2、D3、D4、D5以及第二直流支撑电容C2抑制故障短路电流，避免故障短路电流流经功率半导体器件T3、T4、T5、T6。当全桥子模块的第二直流支撑电容C2的电压等于非故障高压侧电压时，故障短路电流消除。

如图1-图6所示，公共桥臂接地。具体地，如图1所示，公共桥臂接地。如图2和图6所示，直流变压器包括一个单元，只有一个公共桥臂，公共桥臂接地。如图1、图3、图4和图5所示，直流变压器均包括两个对称设置的单元，两个单元的公共桥臂串联，且两个公共桥臂之间的连接点接地，当直流变压器发生短路故障时，故障短路电流可以流入接地端，有利于直流变压器发生短路故障时故障短路电流的消除。还可以设置公共桥臂串联电阻，经电阻后接地。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。