短路故障恢复装置及方法

技术领域

本发明涉及直流短路保护及快速恢复技术领域，尤其是涉及一种短路故障恢复装置及方法。

背景技术

负荷的急剧增长、用户对电能质量要求的不断提高以及新能源发电的蓬勃兴起，使得交流配电网面临更高的技术要求和挑战。相比之下，直流配电系统传输效率高、易于增容以及有利于可再生能源和直流负荷接入，可有效解决交流配电网所面临的问题。

直流配电系统的网络架构遵循电力系统规划与建设的基本原则，在典型应用场景下，有新能源电源、直流负荷、电动汽车及储能装置等接入。但由于分布式电源种类和数量繁多，其出现故障的可能性增加。储能系统在直流配电系统中起着平抑电网电压波动的作用，当储能系统内部出现短路故障时，由于有电力电子变压器的隔离作用，不会对直流配电系统有太大影响，只是会引起储能电池的严重过流。但当直流母线发生短路故障时，储能系统与交流电网一起向故障点放电。故障瞬间，储能并网端口电容放电会引起储能系统并网端口电流突然上升。若不加以处理，短时过高的电流将会对并网端口甚至是DC/DC换流器造成严重的绝缘损伤。由于未知母线故障的自恢复性与否，传统的自动重合闸装置就有可能会对直流供电系统造成损伤。故如果能在限制短路故障电流的同时快速智能地判别故障的自恢复性与否，随后再进行报警或者合闸操作，将会大大提高系统的安全性与稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短路故障恢复装置及方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种短路故障恢复装置，该装置具体包括：

保护模块，用于在直流供电储能系统的母线出现短路故障时，抑制直流供电储能系统并网端口电流的上升，防止绝缘和电力电子器件损坏，并对母线故障类型进行判断；

尝试恢复模块，背靠直流供电储能系统，与所述保护模块连接，用于在耗能完成后，针对所述母线故障类型，对所述直流供电储能系统尝试快速恢复供电。

本发明提供一种短路故障恢复方法，用于上述短路故障恢复装置，该方法具体包括：

通过保护模块在直流供电储能系统的母线出现短路故障时，抑制直流供电储能系统并网端口电流的上升，防止绝缘和电力电子器件损坏，并对母线故障类型进行判断；

通过尝试恢复模块在耗能完成后，针对所述母线故障类型，对所述直流供电储能系统尝试快速恢复供电。

采用本发明实施例，通过应用于直流供电储能系统的短路故障快速恢复装置，以达到在直流供电系统母线出现短路故障时，抑制储能系统并网端口电流的上升，防止绝缘和电力电子器件损坏，并对母线故障类型进行判断，从而实现直流供电系统的快速恢复。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

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是本发明实施例的短路故障恢复装置的示意图；

图2是本发明实施例的短路故障恢复装置安装结构示意图一；

图3是本发明实施例的短路故障恢复装置安装结构示意图二；

图4是本发明实施例的保护模块耗能回路的电路原理图；

图5是本发明实施例的母线绝缘检测等效电路原理图；

图6是本发明实施例的信号调理电路的电路原理图；

图7是本发明实施例的控制器电路原理图；

图8是本发明实施例的运放电路模块电路原理图；

图9是本发明实施例的耗能回路内部能量消耗电路图；

图10是本发明实施例的短路故障恢复方法的流程图；

图11是本发明实施例的短路故障恢复方法的详细流程图。

具体实施方式

鉴于直流供电系统中可能出现的短路故障会对用电和储能系统造成损害，已有的直流保护方法未有针对储能系统及其变换器的问题。本发明实施例提出一种应用于储能系统的短路故障快速恢复装置及方法，包括保护储能系统的耗能回路模块以及针对整个系统的尝试恢复模块。前者用以解决系统直流母线发生短路，储能并网端口电流快速上升的问题，后者在耗能完成后尝试快速恢复供电。具体地，本发明实施例设计了一种自动投切的储能系统及其变换器的保护模块和一种直流供电系统尝试恢复模块。保护模块其由一个母线绝缘检测装置、耗能回路、控制芯片构成。尝试恢复模块背靠储能系统，还包括一个控制芯片、报警装置和通信模块。

下面将结合实施例对本发明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，本领域普通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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

系统实施例

根据本发明实施例，提供了一种短路故障恢复装置，用于直流供电储能系统，图1是本发明实施例的短路故障恢复装置的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的短路故障恢复装置具体包括：

保护模块10，用于在直流供电储能系统的母线出现短路故障时，抑制直流供电储能系统并网端口电流的上升，防止绝缘和电力电子器件损坏，并对母线故障类型进行判断；所述保护模块10具体包括：

耗能回路，其第一输入端连接到直流供电储能系统并网变换器输出正极，其第一输出端连接到直流供电储能系统并网变换器输出负极，其第二输入端连接尝试恢复模块的控制器的第二输出端，其第二输出端连接尝试恢复模块的控制器的第一输入端，用于在直流供电储能系统的母线出现短路故障时，抑制直流供电储能系统并网端口电流的上升，防止绝缘和电力电子器件损坏；所述耗能回路具体包括：

电流互感器、电感、耗能电阻、电压互感器、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、以及第三绝缘栅双极晶体管，其中，所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极作为所述耗能回路的第一输入端，所述的第一绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接电感、电压互感器、耗能电阻的一端，所述电感的另一端同时连接电压互感器的另一端和电流互感器的一端，电流互感器的另一端连接第二绝缘栅双极晶体管的集电极，所述耗能电阻的另一端连接第三绝缘栅双极晶体管的集电极，第二绝缘栅双极晶体管和第三绝缘栅双极晶体管的发射极相连作为所述耗能回路的第一输出端；所述第一绝缘栅双极晶体管的基极、第二绝缘栅双极晶体管的基极和第三绝缘栅双极晶体管的基极作为保护模块耗能回路的第二输入端；所述的电流互感器、电压互感器的输出端作为保护模块耗能回路的第二输出端。

母线绝缘检测装置，两个检测电阻与正负母线的对地等效电阻形成平衡桥结构，具体包括：第一平衡桥电阻、第二平衡桥电阻和检流计，其中，所述检流计输出端与尝试恢复模块的控制器的第二输入端相连，用于对母线故障类型进行判断；

控制芯片，与所述耗能回路和所述母线绝缘检测装置连接，用于对所述耗能回路和所述母线绝缘检测装置进行控制。

尝试恢复模块12，背靠直流供电储能系统，与所述保护模块10连接，用于在耗能完成后，针对所述母线故障类型，对所述直流供电储能系统尝试快速恢复供电。所述尝试恢复模块12具体包括：

控制器，其第一输出端连接至直流供电储能系统、第三输出端连接报警装置的输入端、第四输出端连接至直流断路器，第三输入端连接电压互感器的输出端，用于针对所述母线故障类型，对所述直流供电储能系统尝试快速恢复供电进行控制；

报警装置，用于在所述母线故障未恢复时进行报警；

电压互感器，用于在所述控制器的控制下对所述直流供电储能系统尝试快速恢复供电。

以下结合附图对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

本发明实施例提供了一种自动投切的储能系统及其变换器的保护模块和一种直流供电系统尝试恢复模块。保护模块其由一个耗能回路、母线绝缘检测装置、控制芯片构成。尝试恢复模块背靠储能系统包括一个控制芯片、报警装置和电压互感器。其中，

所述保护模块的耗能回路第一输入端连接到储能系统并网变换器输出正极，所述保护模块的耗能回路第一输出端连接到储能系统并网变换器输出负极；保护模块的耗能回路第二输入端连接控制器的第二输出端；保护模块的耗能回路第二输出端连接控制器的第一输入端；保护模块的耗能回路包括一个电流互感器、一个电感、一个耗能电阻、一个电压互感器、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管，其中，的第一绝缘栅双极晶体管的集电极作为保护模块耗能回路的第一输入端，所述的第一绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接电感、电压互感器、耗能电阻的一端，所述电感的另一端同时连接电压互感器的另一端和电流互感器的一端，电流互感器的另一端连接第二绝缘栅双极晶体管的集电极，所述耗能电阻的另一端连接第三绝缘栅双极晶体管的集电极，第二和第三绝缘栅双极晶体管的发射极相连作为保护模块耗能回路的第一输出端。述第一绝缘栅双极晶体管的基极、第二绝缘栅双极晶体管的基极和第三绝缘栅双极晶体管的基极作为保护模块耗能回路的第二输入端。述的电流互感器、电压互感器的输出端作为保护模块耗能回路的第二输出端。保护模块的母线绝缘检测装置是一个平衡桥结构，包括第一平衡桥电阻、第二平衡桥电阻和一个检流计。其中，的检流计输出端与控制器的第二输入端相连。

尝试恢复模块包括控制器、一个报警器、一个通信线路和一个电压互感器。其中，所述控制器的第一输出端连接至储能装置、第三输出端连接报警器的输入端、第四输出端连接至直流断路器，所述控制器的第三输入端连接电压互感器的输出端。

如图2、图3所示，本发明实施例中，是一个±375V的低压直流供电系统，系统的电源有交流电网、储能系统、光伏发电等，控制器单元采用TMS320F28335型号。

保护模块的耗能回路第一输入端连接到储能系统并网变换器输出正极，所述保护模块的耗能回路第一输出端连接到储能系统并网变换器输出负极；保护模块的耗能回路第二输入端连接控制器的第二输出端；保护模块的耗能回路第二输出端连接控制器的第一输入端；

本发明实施例中以一个保护模块的耗能回路为例，如图4所示，包括一个电流互感器CT

如图4所示，本发明实施例中，所述的第一绝缘栅双极晶体管T

如图5所示，本发明实施例中所述的母线绝缘检测装置，包括两个检测电阻与正负母线的对地等效电阻形成平衡桥，检流计的输出端与控制器第二输入端相连。

如图6所示，本发明实施例中，包括3个信号调理电路，且结构相同，其中，所述2个信号调理电路用于耗能回路，其输入端U/I分别连接一个电压互感器PT

在本发明实施例中，电感释放能量形成如图9所示的电路结构，电感、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管形成回路，并通过能耗电阻释放能量，实现保护装置耗能回路内部能量释放的目的。

综上所述，本发明实施例提供了一种应用于直流供电储能系统的短路故障快速恢复装置，鉴于直流供电系统中可能出现的短路故障会对用电和储能系统造成影响或损害，已有的直流保护方法未有针对储能系统及其变换器的。本发明提出一种应用于储能系统的短路故障快速恢复装置，包括保护储能系统的耗能回路模块以及针对整个系统的尝试恢复模块。前者用以解决系统直流母线发生短路，储能并网端口电流快速上升的问题，后者在耗能完成后尝试快速恢复供电。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种短路故障恢复方法，用于上述短路故障恢复装置，图10是本发明实施例的短路故障恢复方法的流程图，如图10所示，根据本发明实施例的短路故障恢复方法具体包括：

步骤101，通过保护模块在直流供电储能系统的母线出现短路故障时，抑制直流供电储能系统并网端口电流的上升，防止绝缘和电力电子器件损坏，并对母线故障类型进行判断；

步骤102，通过尝试恢复模块在耗能完成后，针对所述母线故障类型，对所述直流供电储能系统尝试快速恢复供电。

如图11所示，上述处理具体包括：

步骤1，当控制器接收到母线绝缘检测装置发出的母线短路故障信号后，控制器对保护模块的耗能回路发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管使其导通，并发送控制信号至第三绝缘栅双极晶体管，使其关断；也就是说，当控制器接收到母线绝缘检测装置发出的母线短路故障信号后，控制器对保护模块耗能回路发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管T

步骤2，此时耗能回路正式投入运行，同时采集耗能回路中的电压互感器PT

步骤3，控制器判断电感两侧的电压是否稳定、流过的电流是否为零，当两者均为是时，执行操作步骤4，否则返回执行步骤2；

步骤4，控制器发送信号至第一绝缘栅双极晶体管T

步骤5，控制器判断电压值是否等于零，当电压值为零时，电感能量释放完毕，由控制器对第二绝缘栅双极晶体管T

步骤6：经过一定的时间延时后，控制器发送控制信号至储能系统，启动尝试恢复模块，开始进入尝试恢复阶段。储能系统在控制器的命令下解锁，建立母线电压，电压建立后尝试打开储能系统并网端口向公共母线注入电流，并通过母线电压互感器检测公共母线电压，由该互感器发送信号至控制器；

步骤7，控制器判断母线电压是否已经恢复，若已经恢复，则认为故障点已恢复，进入执行操作步骤8；若电压未恢复，则认为该次故障为非自恢复性故障，进入执行操作步骤9；

步骤8：由控制器向直流断路器通信，完成后续的合闸操作；

步骤9：由控制器控制报警器发出警报。等待工作人员进行处理。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

在20世纪30年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本说明书一个或多个实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书一个或多个实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，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、商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、商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“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书一个或多个实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书的一个或多个实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本文件的实施例而已，并不用于限制本文件。对于本领域技术人员来说，本文件可以有各种更改和变化。凡在本文件的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本文件的权利要求范围之内。