具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置及其保护方法

技术领域

本发明涉及双向变流器领域，尤其涉及一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置及其保护方法。

背景技术

如图1所示为现有技术中地铁牵引采用的不控整流拓扑电路图，如今城市地铁牵引供电系统采用二极管不控整流获得750V或1.5kV主流供电方式，二极管整流的弊端：交流电网侧存在大量的无功和谐波，对电网造成了严重的污染；电容母线电压不可控，电压不稳定。

不控整流目前存在以下缺点：母线电压不稳，随进线交流电压及负载变化而变化；谐波大，污染电网，损伤电机；功率因数低，需配无功补偿设备；地铁刹车时需要配置制动电阻或者能量回馈装置。

由于轨道牵引供电装置应用的特殊性，在使用过程中不可避免的会发生直流侧短路的故障。当直流侧短路时，IGBT会保护进入封锁状态，此时短路电流均从模块中的反并联续流二极管流过。在直流侧短路发生时为保证直流开关对直流故障点的检测功能，需要求双向变流器在封锁脉冲后不能为了保护自身的功率器件而立即发出输入输出侧的跳闸指令，即要求功率器件需满足短路电流的长时耐受要求。由于IGBT与整流器件的机构差异性，IGBT的续流二极管I

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置及其保护方法，包括双向变流器功率单元，用于完成直流稳压输出、制动能量回馈、系统无功补偿的功能。

本发明的目的之一在于提供一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置及其保护方法，包括用于双向变流器功率单元直流短路时分流短路电流的耐受装置用以保护功率器件IGBT，该耐受装置能够承受短路电流不损坏。

本发明的目的之一在于提供一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置及其保护方法，存在电力电子控制，母线电压稳定。

本发明的目的之一在于提供一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置及其保护方法，整流无谐波，电流畸变率小。

本发明的目的之一在于提供一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置及其保护方法，整流功率因数可控。

本发明的目的之一在于提供一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置及其保护方法，地铁刹车时需要配置制动电阻或者能量回馈装置，能够直接回馈到电网上。

发明的目的之一在于提供一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置，减少了安装的体积。

为了实现上述至少一个发明目的，本发明提供了一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置，包括整流器件组、功率器件IGBT、钳位二极管以及支撑电容，所述整流器件组与所述功率器件IGBT反并联续流二极管并联，组成两组不控整流桥臂，所述支撑电容与所述功率器件IGBT并联，形成所述双向变流器拓扑结构。

在一些实施例中，其中双向变流器正常工作时，提供由所述双向变流器拓扑结构中的所述功率器件IGBT、所述钳位二极管及所述支撑电容触发完成直流稳压输出。

在一些实施例中，其中双向变流器正常工作时，提供由所述双向变流器拓扑结构中的所述功率器件IGBT、所述钳位二极管及所述支撑电容触发完成直流能量回馈。

在一些实施例中，其中双向变流器正常工作时，提供由所述双向变流器拓扑结构中的所述功率器件IGBT、所述钳位二极管及所述支撑电容触发完成系统无功补偿。

在一些实施例中，其中当出现母线短路故障时，所述双向变流器拓扑结构中的所述功率器件IGBT保护封锁脉冲。

在一些实施例中，其中当出现母线短路故障时，直流侧短路故障未解除，短路电流由所述整流器件组的各整流器件及所述功率器件IGBT续流二极管并联提供。

在一些实施例中，其中当出现母线短路故障时，串联电感、各所述整流器件的回路阻抗小于所述功率器件IGBT续流二极管的阻抗，短路电流均由各所述整流器件回路流过。

在一些实施例中，其中所述整流器件组的各所述整流器件仅在所述功率器件IGBT触发脉冲封锁后才有电流通过。

根据本发明的另一方面，还提供了一种双向变流器短路电流整流器件保护方法，包括以下步骤：

双向变流器正常工作时，提供由功率器件IGBT、钳位二极管及支撑电容触发完成直流稳压输出、直流能量回馈以及系统无功补偿；

当出现母线短路故障时，功率器件IGBT保护封锁脉冲；

直流侧短路故障未解除，短路电流由整流器件组的各整流器件及功率器件IGBT续流二极管并联提供；

以及

串联电感、整流器件组的各整流器件的回路阻抗值小于功率器件IGBT续流二极管的阻抗，短路电流均由整流器件组的各整流器件回路流过。

在一些实施例中，还包括以下步骤：整流器件组的各整流器件仅在功率器件IGBT触发脉冲封锁后才有电流通过。

附图说明

图1是现有技术中地铁牵引采用的不控整流拓扑电路图。

图2是根据本发明的一个优选实施例的一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

如图2所示为基于本发明的优选实施例的一种具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置的结构示意图。所述具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置包括整流器件组、功率器件IGBT、钳位二极管以及支撑电容，所述整流器件组与所述功率器件IGBT反并联续流二极管并联，组成两组不控整流桥臂，所述支撑电容与所述功率器件IGBT并联。

在这个优选实施例中，所述整流器件组被实施为二极管D7、D8、D9、D10、D11以及D12，所述支撑电容被实施为C1、C2。所述整流器件组与功率器件IGBT反并联续流二极管D1、D2、D3、D4、D5以及D6并联。

具体地，在本发明的这个优选实施例中，双向变流器正常工作时，所述具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置提供由所述功率器件IGBT即图2中的IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12，所述钳位二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6及所述支撑电容C1、C2触发完成所述具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置中的直流稳压输出、直流能量回馈以及系统无功补偿。

进一步地，当母线短路时，也就是说，当出现短路故障时，所述功率器件IGBT例如本优选实施例图2中所述功率器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12保护封锁脉冲。进一步地，直流侧短路故障未解除，短路电流由所述整流器件组的整流器件D7、D8、D9、D10、D11、D12及所述功率器件IGBT续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6并联提供。进一步地，由于串联电感L1、L2、L3整流器件D7、D8、D9、D10、D11、D12的回路阻抗远小于所述功率器件IGBT续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6的阻抗，绝大部分的短路电流均由所述整流器件组的整流器件D7、D8、D9、D10、D11、D12回路流过，所述功率器件IGBT续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6仅承受很小的电流。

值得一提的是，在本发明的优选实施例中，所述整流器件组仅在所述功率器件IGBT触发脉冲封锁后才有电流通过，时间也较短，因此也无需安装散热器，很小的空间即可安装，整流器件直接安装在功率单元内即可，无需单独增加柜体，减少了安装的体积。

值得一提的是，在本发明的优选实施例中，所述具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件保护装置使得双向变流器兼具了二极管整流器大电流耐受能力强的优点，也解决了二极管整流器输出直流电压波动大、无法处理再生制动能量、系统功率因数低的缺点。

值得一提的是，本发明的优选实施例的所述具有双向变流器拓扑结构的双向变流器短路电流整流器件，成本较低，便于大规模的推广应用。

根据本发明的另一方面，还提供了一种双向变流器短路电流整流器件保护方法，包括以下步骤：

双向变流器正常工作时，提供由功率器件IGBT即IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12，钳位二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6及支撑电容C13、C14触发完成直流稳压输出；

提供由功率器件IGBT即IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12，钳位二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6及支撑电容C1、C2触发完成直流能量回馈；

提供由功率器件IGBT即IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12，钳位二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6及支撑电容C1、C2触发完成系统无功补偿。

进一步地，本发明的所述双向变流器短路电流整流器件保护方法还包括以下步骤：

当出现母线短路故障时，功率器件IGBT即IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12保护封锁脉冲；

直流侧短路故障未解除，短路电流由整流器件组的整流器件D7、D8、D9、D10、D11、D12及IGBT续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6并联提供；

串联电感L1、L2、L3整流器件组的整流器件D7、D8、D9、D10、D11、D12的回路阻抗值远小于IGBT续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6的阻抗，绝大部分的短路电流均由整流器件组的整流器件D7、D8、D9、D10、D11、D12回路流过，功率器件IGBT续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6仅承受很小的电流。

进一步地，本发明的所述双向变流器短路电流整流器件的保护方法还包括以下步骤：整流器件组的整流器件D7、D8、D9、D10、D11、D12仅在功率器件IGBT触发脉冲封锁后才有电流通过。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。