AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置、及方法

技术领域

本发明涉及电学技术领域，尤其是涉及一种AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置、及方法。

背景技术

能源危机促进了可再生分布式发电的迅速发展。为了减小分布式电源直接并网对电能质量的影响，通常将各种分布式发电装置有机结合组成微电网，然后并入主电网。交流微电网是目前主流的微电网形式，但是直流负荷的增加和直流分布式电源规模化给交流微电网带来了许多问题。将直流负荷和分布式电源直接接入直流微电网的形式在成本投资、电能质量以及可控性等方面都有很大的优势，借助电力电子技术可以实现对直流微电网的灵活控制，充分发挥直流微电网的优势。

但是与交流电网不同，直流输配电由于系统本身具有“弱惯性”，直流故障传播非常快，尤其是短路故障引起的过电流问题，严重危害系统的运行及设备安全。因此当系统出现直流线路短路故障时，需要高效排除故障，保证系统恢复正常运行。

在现有技术的直流故障限流方案中，利用两个功率半导体开关器件、直流电容、限流电抗器、辅助开关电路和限流控制器构成直流故障限流装置，实现故障电流分级限制和控制功能，减小短路电流。

与交流电网不同，直流输配电由于系统本身具有“弱惯性”，直流故障传播非常快，尤其是短路故障引起的过电流问题，严重危害系统的运行及设备安全。因此当系统出现直流线路短路故障时，需要高效排除故障，保证系统恢复正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置、及方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置，包括：

中央监控单元，双极短路故障恢复单元，直流断路器单元，以及阻值测量单元，其中：

所述双极短路故障恢复单元的第一输入端连接到直流母线正极，其第一输出端连接到直流母线负极；所述双极短路故障恢复单元的第二输入端连接所述中央监控单元的第一输出端，其第二输出端连接所述中央监控单元的第一输入端；

所述直流断路器第一输入端连接中央监控单元的第二输出端，其第一输出端连接中央监控单元的第二输入端；

所述阻值测量单元第一输入端连接到直流母线正极，其第一输出端连接到直流母线负极；所述的阻值测量单元的第二输入端连接到中央监控单元的第三输出端，其第二输出端连接到中央监控单元的第三输入端。

本发明提供一种AC/DC变流器直流短路故障快速恢复方法，包括：

步骤1，在中央监控单元接收到直流母线发出双极短路保护信号且跳开交流断路器和直流断路器时，通过中央监控单元控制双极短路故障恢复单元的内部元件，对双极短路故障恢复单元发送控制信号至第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管，并使其导通。

步骤2，采用电压互感器对直流母线正负极电压进行实时采集，同时采用第一电流互感器对流经耗能电阻的电流进行实时采集，将采集的电压值和电流值发送至中央监控单元，并通过能耗电阻的耗能，释放电容的储能；

步骤3，通过中央监控单元判断电流值是否为零，若电流值为零，则执行步骤4；否则继续执行步骤2；

步骤4，通过中央监控单元控制阻值测量单元的内部元件，当阻值测量单元绝缘栅双极型晶体管接收到中央监控单元的闭合信号后，启动阻值测量电路，若阻值测量电路计算出阻值R接近于0，则判断为永久性故障；若阻值测量电路计算出阻值R特别大，则判断为故障消除，执行步骤5；

步骤5，通过中央监控单元给交流侧断路器发出闭合信号，交流侧断路器接收到中央监控单元的指令后，迅速完成闭合动作，并通过中央监控单元对双极短路故障恢复单元发送控制信号至绝缘栅双极型晶体管，并使其断开，此时交流系统给电容充电；

步骤6，通过电压互感器继续实时采集正负极母线间电压，将采集的电压值发送至中央监控单元；

步骤7，通过中央监控单元判断此时的电压值是否接近系统正常运行时母线的极间电压，若电压值接近系统正常运行时母线的极间电压，则执行步骤9；否则继续执行步骤5；

步骤8，通过中央监控单元向直流断路器发出闭合信号，直流断路器接收信号后完成闭合动作，此时系统恢复正常运行。

采用本发明实施例，能够在已达到在直流母线出现双极短路故障时，快速释放电容储能，防止电力电子设备损坏以及出现电力系统运行事故，达到故障后系统能短时间内恢复正常运行的目的。

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AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置的示意图；

图2是本发明实施例的AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置接入的详细示意图；

图3是本发明实施例的双极短路快速恢复装置电路原理图；

图4是本发明实施例的阻值测量单元原理图；

图5是本发明实施例的信号调理电路的电路原理图；

图6是本发明实施例的中央监控单元电路原理图；

图7是本发明实施例的运放电路模块电路原理图；

图8是本发明实施例的F8500运算放大器组件原理示意图；

图9是本发明实施例的阻值测量单元的硬件框图；

图10是本发明实施例的适用于直流输电线路双极短路故障快速恢复方法流程图。

具体实施方式

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。

装置实施例

根据本发明实施例，提供了一种AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置，图1是本发明实施例的AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的AC/DC变流器直流短路故障快速恢复装置具体包括：

中央监控单元10，双极短路故障恢复单元12，直流断路器单元14，以及阻值测量单元16，其中：

所述双极短路故障恢复单元12的第一输入端连接到直流母线正极，其第一输出端连接到直流母线负极；所述双极短路故障恢复单元12的第二输入端连接所述中央监控单元10的第一输出端，其第二输出端连接所述中央监控单元10的第一输入端；中央监控单元10的电路原理如图6所示。

所述直流断路器第一输入端连接中央监控单元10的第二输出端，其第一输出端连接中央监控单元10的第二输入端；

如图4所示，所述阻值测量单元16第一输入端连接到直流母线正极，其第一输出端连接到直流母线负极；所述的阻值测量单元16的第二输入端连接到中央监控单元10的第三输出端，其第二输出端连接到中央监控单元10的第三输入端。

所述双极短路故障快速恢复单元具体包括：直流电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一能耗电阻、第二能耗电阻、第三能耗电阻、第四能耗电阻、第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、电压互感器、第一电流互感器；

其中，第一能耗电阻的一端串联第一电感，第一电感的另一端与第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第二能耗电阻的一端串联第二电感，第二电感的另一端与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第三能耗电阻的一端串联第三电感，第三电感另一端与第三绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第四能耗电阻的一端串联第四电感，第四电感的另一端与第四绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，直流电容的一端连接直流母线的正极，直流电容的另一端连接直流母线的负极，四个能耗电阻的另一端连接直流母线的正极，作为短路恢复单元的第一输入端，四个绝缘栅双极型晶体管的发射极连接后串联第一电流互感器，然后再连接直流母线的负极，作为短路恢复单元的第一输出端，四个绝缘栅双极型晶体管的基极作为短路恢复单元的第二输入端，电压互感器一端接在直流母线的正极，另一端接在直流母线的负极，电压互感器和第一电流互感器作为双极短路恢复单元的第二输出端。

如图9所示，阻值测量单元16具体包括：运算放大器、标准电阻、直流电源、第五绝缘栅双极型晶体管；其中：

所述第五直流电源接绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极接直流母线的正极，标准电阻的一端接直流母线的负极，同时连接运算放大器的正极，标准电阻的另一端直接接地，所述第五绝缘栅双极型晶体管的基极作为阻值测量单元16的第一输入端，负极母线电压和运算放大器的负极电压作为阻值测量单元16的第一输出端。

在本发明实施例中，所述运算放大器为：F8500运算放大器，其原理图如图7和图8所示。所述电压互感器采用JDZ1-1型号，所述第一电流互感器采用LMZD2-10型号。所述中央监控单元10采用TMS320VC5502型号。

以下结合附图，对本发明实施例的上述装置的具体结构进行详细和举例说明。

如图1所示，包括中央监控单元和双极短路故障恢复单元，直流断路器，阻值测量单元。如图2所示，本发明的实施例中，三相交流电经AC/DC换流器后整流成750V直流电，后经过直流输电线路完成远距离输电。中央监控单元采用TMS320VC5502型号。

双极短路故障恢复单元的第一输入端连接直流输电线路的正极，双极短路故障恢复单元第一输出端连接到直流输电线路的负极；双极短路故障恢复单元的第二输入端连接中央监控单元的输出端；双极短路故障恢复单元的第二输出端连接中央监控单元的输入端；直流断路器第一输入端连接中央监控单元的第二输出端；直流断路器第一输出端连接中央监控单元的第二输入端；阻值测量单元第一输入端连接到直流母线正极；阻值测量单元第一输出端连接到直流母线负极；阻值测量单元的第二输入端连接到中央监控单元的第三输出端；阻值测量单元的第二输出端连接到中央监控单元的第三输入端。

本实施例中，如图3所示，一个双极短路故障恢复单元包括第一电感L

如图3所示，本发明实施例中，第一能耗电阻R

所述的第一绝缘栅双极型晶体管T

所述的电压互感器PT

图5为信号调理电路原理图，本发明实例中，包括三个信号调理图，且结构相同，三个信号调理图的输入端U/I分别连接一个电压互感器的输出端、一个电流互感器的输出端、F8500运放输出端。如图5所示，三个信号调理电路连接ADS174型数据采集芯片，ADS174型数据采集芯片连接TMS320VC5502型号DSP芯片，其中信号调理电路的输出端AIPN、AINN端依次连接数据采集芯片的AIPN1、AINN1端；数据采集芯片的IOVDD、CLK、

综上所述，本发明实施例的AC/DC变流器直流线路双极短路故障快速恢复装置，与传统电路相比，首先应用绝缘栅双极型晶体管控制电路，控制灵活，能快速、有效、可靠地开断电路，确保双极短路故障恢复单元的及时投入或退出，降低了换流器等其它设备因过电流、过电压的破坏的可能性。其次本发明装置结构简单，成本较低，便于使用。除此之外，在直流输电过程中，此装置的应用可以使系统出现的双极短路故障后快速的恢复正常运行，保证供电的可靠性。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种AC/DC变流器直流短路故障快速恢复方法，图10是本发明实施例的AC/DC变流器直流短路故障快速恢复方法的流程图，如图10所示，根据本发明实施例的AC/DC变流器直流短路故障快速恢复方法具体包括：

步骤1，在中央监控单元接收到直流母线发出双极短路保护信号且跳开交流断路器和直流断路器时，通过中央监控单元控制双极短路故障恢复单元的内部元件，对双极短路故障恢复单元发送控制信号至第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管，并使其导通。

步骤2，采用电压互感器对直流母线正负极电压进行实时采集，同时采用第一电流互感器对流经耗能电阻的电流进行实时采集，将采集的电压值和电流值发送至中央监控单元，并通过能耗电阻的耗能，释放电容的储能；

步骤3，通过中央监控单元判断电流值是否为零，若电流值为零，则执行步骤4；否则继续执行步骤2；

步骤4，通过中央监控单元控制阻值测量单元的内部元件，当阻值测量单元绝缘栅双极型晶体管接收到中央监控单元的闭合信号后，启动阻值测量电路，若阻值测量电路计算出阻值R接近于0，则判断为永久性故障；若阻值测量电路计算出阻值R特别大，则判断为故障消除，执行步骤5；

步骤5，通过中央监控单元给交流侧断路器发出闭合信号，交流侧断路器接收到中央监控单元的指令后，迅速完成闭合动作，并通过中央监控单元对双极短路故障恢复单元发送控制信号至绝缘栅双极型晶体管，并使其断开，此时交流系统给电容充电；

步骤6，通过电压互感器继续实时采集正负极母线间电压，将采集的电压值发送至中央监控单元；

步骤7，通过中央监控单元判断此时的电压值是否接近系统正常运行时母线的极间电压，若电压值接近系统正常运行时母线的极间电压，则执行步骤9；否则继续执行步骤5；

步骤8，通过中央监控单元向直流断路器发出闭合信号，直流断路器接收信号后完成闭合动作，此时系统恢复正常运行。

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。