[发明专利]储能变流器直流母线短路快速保护系统

说明书

技术领域

本发明属于电力控制技术领域，尤其属于一种变流控制技术领域。

背景技术

风电作为一种可再生能源，其发展越来越受重视。由于风能的固有特征，风电的出力会随时波动，给并网运行带来严重问题。储能装置在风电系统的配套使用，将有效改善风电对电网的不利影响，提高电网对风电并网的允许接入率，提高风电出力平滑性，实现削峰填谷等功能。

储能型变流器装置也可以称作功率变换系统（power converting system，以下简称PCS），其连接着电网和储能电池柜。作为连接电网和储能电池之间的桥梁，PCS在风电系统出力超额部分储存起来，并在风电出力低谷时及时补充，实现削峰填谷、平滑出力的功能。同时PCS还应能接收电网调度要求，合理分配有功、无功功率输出与输入。

两级结构PCS变流器由于带有双向DC-DC控制环节，故能对各组电池分别进行能量分配，避免了单级模式多电池并联充放电不均流影响电池寿命的问题，在现场广泛采用。两级式PCS的直流母线作为交流与直流连接的桥梁，连接了众多元器件，如母线储能电容阵列、平衡电阻、逆变IGBT桥臂、电池等，存在短路的可能性。在直流母线发生短路时，母线电压会迅速下降，若此时不及时切断短路回路，将导致直流母线电压低于电池端电压，则电池会通过DC-DC环节中IGBT反并联二极管形成短路放电回路，扩大事故影响，严重威胁电池运行安全。

传统的PCS变流器结构，缺乏对直流母线的有效保护。例如一般采用继电器对系统进行开关与保护，并采用熔断器对电池作最底层保护。由于在直流母线短路时，瞬时电池短路放电电流较大，而继电器动作时间较长，一般需要几十毫秒才能完成动作，无法短时内切断故障，并容易造成继电器触点粘连故障，完全丧失切断短路回路的功能。短路时无法快速切断短路回路，将对电池带来重大冲击，影响电池寿命，威胁人身安全，造成巨大经济损失。

发明内容

为克服现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一个新的解决方案。本方案将反并联IGBT模块引入储能变流器充放电回路中，故障保护控制器通过对IGBT开关信号的控制，当直流母线短路时，可在100微秒内切断电池充放电回路。本发明公开的保护系统采用模块化结构，系统由数个功能模块组成，各功能模块之间相互配合，快速实现直流母线短路时对电池的保护。

本发明具体采用以下技术方案：

一种储能变流器直流母线短路快速保护系统，包括主电路模块和控制功能模块，其特征在于：

所述主电路模块主要由反并联IGBT模块、双向DC-DC主电路、一个电压传感器、一个电流传感器组成；所述反并联IGBT模块串接于DC-DC主电路与电池之间，分别与DC-DC主电路和电池相连，其中反并联IGBT由两个IGBT反并联连接；所述电压传感器接于直流母线两端，所述电流传感器串接于反并联IGBT模块和电池之间；

所述控制功能模块（以下简称控制模块）分别与变流器控制器、电压传感器的输出端、电流传感器的输出端以及反并联IGBT模块的控制端相连，所述控制模块接收直流母线电压信号和电池电流信号；

当所述储能变流器正常运行时，所述控制模块接收变流器控制器发出的闭合指令，控制所述反并联IGBT模块导通；当实时监测到的直流母线电压信号低于设定阈值，或电池电流信号大于设定阈值时，所述控制模块立即向所述反并联IGBT模块发出关断指令，控制反并联IGBT模块断开，所述控制模块还将故障信号上报给变流器控制器，所述变流器控制器接收故障信号后，断开串接在双向DC-DC主电路中的第一继电器K_DC，使双向DC-DC主电路完全隔离。

传统的保护控制方式通常为，当检测到直流母线电压低于设定值时，发出DC-DC连接继电器断开指令，通过继电器断开电池与变流器的电气连接。但短路发生时往往在极短时间内拉低了直流母线电压，在继电器断开动作前，电池通过DC-DC环节中IGBT反并联二极管形成短路放电回路，扩大事故范围。较大的电流使继电器触点粘连无法断开回路，进一步导致事故扩大化。本发明可在故障发生100微秒内完成检测并实现电池回路的切断，能快速保护电池和变流器各器件安全运行，避免因直流母线故障导致电池形成短路放电回路。

本申请具有以下有益的技术效果：