一种用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置的制作方法

本实用新型涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置。

背景技术：

随着环境问题的突出和能源危机加剧，风能、太阳能等可再生能源发电得到了突飞猛进的发展。柔性直流输电技术作为清洁能源并网的有效方式，受到越来越多人的重视。由于柔性直流输电系统调节方式和自身结构固有特性，直流输电线路的故障电流具有上升速度快、峰值大的特点，出现过流故障频繁，当故障发生时，故障电流极易损坏逆变站的换流设备和设备绝缘，且柔性直流输电无法通过相关措施对故障电流进行监测定位和分类，无法通过调节触发角实现故障的自清除，因此，对于柔性直流输电的过电流故障监测和保护提出了更高的要求。目前柔性直流输电工程中对直流线路的保护仅借鉴了传统高压直流输电的保护策略，不适应柔性直流线路保护快速动作的要求。对于柔性直流输电逆变站的过流故障，不仅需要快速且可靠的线路保护对过流故障进行识别，也需要相应的处理措施和手段对故障后的过电流进行有效的限制，以减少故障冲击电流对逆变站换流器件、直流线路及系统的损害。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供一种用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置，针对的是过流故障的监测定位和线路过流故障的抑制保护，结合了硬件辅助电路与控制系统硬件结构，能检测定位故障电流的类型和功率变频单元过热故障，对已检测故障电流进行定位、分类与处理，进而快速准确抑制故障期间短路电流和过电流，避免功率变频单元的损坏，实现柔性直流输电逆变站过流故障监测定位和保护，避免对逆变站换流器件、直流线路及系统造成的二次损坏，并具有增强人机对话的功能。

一种用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置，包括微处理器单元、复合缓冲保护单元、功率变频单元、IGBT(绝缘栅双极晶体管)驱动单元、过热检测单元、故障电流检测单元、无线通讯单元、LC滤波器和上位机；

所述微处理器单元包括主控芯片、第一缓冲芯片和第二缓冲芯片，用于处理过热检测单元和故障电流检测单元采集到的电流和温度信息，进而驱动IGBT驱动单元控制IGBT器件的通断，同时将故障信息传输到上位机，保护相关器件免受二次损害；所述IGBT驱动单元通过第一缓冲芯片与主控芯片连接，所述过热检测单元和故障电流检测单元均通过第二缓冲芯片与主控芯片连接，所述无线通讯单元直接与所述主控芯片连接；

所述复合缓冲保护单元包括两个结构相同的第一复合缓冲电路和第二复合缓冲电路，分别设于两根母线上，用于抑制IGBT器件通断时母线上尖峰电压；所述复合缓冲保护单元包括两个输入端和三个输出端，所述复合缓冲保护单元的第一输入端连接作为直流电源的柔性直流输电送端站，所述复合缓冲保护单元的第二输入端连接所述IGBT驱动单元输出端，所述复合缓冲保护单元的第一输出端连接故障电流检测单元的输入端，所述复合缓冲保护单元的第二输出端连接过热检测单元第一输入端，所述复合缓冲保护单元的第三输出端连接功率变频单元的第一输入端；

所述功率变频单元用于将母线侧直流电压转变为电网侧交流电压，包括6个结构相同的子单元，各子单元的电路结构均与所述第一或第二复合缓冲电路的电路结构相同；

所述IGBT驱动单元用于将微处理器单元输出信号进行升压处理，进而达到控制IGBT器件栅极所需电压；

所述过热检测单元用于检测复合缓冲保护单元和功率变频单元中各IGBT器件的温度，包括8组电路结构相同的过热检测电路；

所述故障电流检测单元用于检测监测保护装置中待检测点的电流是否超出预设电流值，包括桥臂直通故障电流检测单元、母线故障电流检测单元和负载故障电流检测单元，所述桥臂直通故障电流检测单元的检测电路为分散过流保护电路，用于检测复合缓冲单元和功率变频单元中待检测点的桥臂直通电流是否超过预设电流值，所述母线故障电流检测单元和负载故障电流检测单元的检测保护电路均为集中过流保护电路，所述母线故障电流检测单元用于检测直流母线待检测点的电流是否超过预设电流值，且在两根母线上分别设有一个母线故障电流检测单元，所述负载故障电流检测单元用于检测负载连接线上待检测点的电流是否超过预设电流值；

所述无线通讯单元用于将微处理单元的信号无线传输给上位机；

所述LC滤波器用于滤除功率变频单元产生的谐波，包括三组LC滤波电路，所述三组LC滤波电路的输入端分别连接所述功率变频单元的三路输出端，所述三组LC滤波电路的输出端分别连接电网的三相线；

所述上位机为手机和电脑PC，用于实时监测装置的过流、过热故障信息，同时可以通过发送指令控制IGBT器件的通断。

进一步地，所述第一复合缓冲电路包括第一IGBT器件、第一电阻、第一电容、第一电感、第一反向二极管、第二反向二极管；

所述第一电感的一端作为所述复合缓冲保护单元的第一输入端，连接作为直流电源的柔性直流输电送端站，同时连接第一反向二极管的阴极，所述第一电感的另一端连接第一IGBT器件的集电极、第一电阻的一端、第一反向二极管的阳极和第二反向二极管的阳极，所述第一IGBT器件的发射极连接第二反向二极管的阴极、第一电阻的另一端、第一电容的正极、功率变频单元的第一输入端，所述第一电容的负极作为复合缓冲保护单元的第三输出端，连接第一IGBT器件的发射极和功率变频单元的第一输入端，第一IGBT器件的门极作为复合缓冲保护单元的第二输入端，连接IGBT驱动单元的输出端；所述的第一IGBT器件的集电极作为复合缓冲单元的第一输出端，连接故障电流检测单元的输入端；在第一IGBT器件的位置⑥处放置PTC热敏电阻，作为复合缓冲保护单元的第二输出端，连接过热检测单元的第一输入端。

进一步地，所述功率变频单元还包括第三电容；各子单元的IGBT器件的门极均作为功率变频单元的第二输入端，连接IGBT驱动单元的输出端；各子单元中的电感的一端分别作为相应子单元的输入端；各子单元中的IGBT器件的发射极分别作为相应子单元的输出端；所述6个结构相同的子单元中的第一子单元、第三子单元、第五子单元的输入端连接于一点，作为功率变频单元的第一输入端，连接与母线I相连的第一复合缓冲电路的第三输出端，所述6个结构相同的子单元中的第二子单元、第四子单元、第六子单元的输出端连接于一点，作为功率变频单元的第一输入端，连接与母线II相连的第二复合缓冲电路的第三输出端；所述第三电容连接于第一子单元的输入端与第二子单元的输出端之间；所述6个结构相同的子单元中的第一子单元、第三子单元、第五子单元的输出端分别对应连接第二子单元、第四子单元、第六子单元的输入端，并分别作为功率变频单元的三路输出端。

进一步地，所述IGBT驱动单元包括驱动芯片及外围保护电路，其中外围电路包括第九二极管、第十电容、第十一电容、限流电阻、缓冲电阻、反馈电阻、晶体管和光耦；

驱动芯片的6脚连接第九二极管的阳极，第九二极管的阴极连接被驱动IGBT器件的集电极，驱动芯片的2脚同时连接15V电源、第十电容正极和反馈电阻的一端，驱动芯片的3脚同时连接第十一电容的正极和缓冲电阻的一端，缓冲电阻的另一端作为IGBT驱动单元的输出端，连接被驱动IGBT器件的门极；第十电容和第十一电容的负极同时连接被驱动IGBT器件的发射极和驱动芯片的1脚，驱动芯片的15脚连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接15V电源，驱动芯片的14脚连接晶体管的集电极，晶体管的发射极与光耦的1脚相连，晶体管的栅极连接微处理器单元的第一缓冲芯片，驱动芯片的6脚与过热检测单元的第二输出端连接，驱动芯片的5脚与光耦的4脚相连，光耦的3脚连接反馈电阻的另一端，光耦的2引脚连接微处理器单元。

进一步地，所述过热检测电路包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第一热敏电阻、第二热敏电阻、第一电压比较器和第二电压比较器；

所述第一电压比较器的同相输入端作为过热检测单元的第一输入端，与第一热敏电阻和第九电阻的一端分别相连，第九电阻的另一端连接直流电源VCC，第一热敏电阻的另一端接地；所述第二电压比较器的同相输入端作为过热检测单元的第二输入端，与第二热敏电阻和第十一电阻的一端分别相连，第十一电阻的另一端连接直流电源VCC，第二热敏电阻的另一端接地；第一电压比较器和第二电压比较器的反向输入端均与第十电阻和第十二电阻的一端相连，第十电阻的另一端连接直流电源VCC，第十二电阻的另一端接地；第一电压比较器的信号输出端作为过热检测单元的第一输出端，与微处理器单元相连，输出报警信号，第二电压比较器的信号输出端作为过热检测单元的第二输出端，与微处理器单元和IGBT驱动单元的第二输入端相连，输出关断信号。

进一步地，所述分散过流保护电路用于检测复合缓冲单元和功率变频单元中的IGBT器件构成的桥臂直通电流，包括第三电压比较器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻、第十二极管和第十一二极管和第一可调电位器；

所述第三电压比较器的同向输入端连接第十四电阻的一端和第十二极管的阳极，第十二极管的阴极作为分散过流保护电路的输入端，连接功率变频单元中各IGBT器件的集电极；第十三电阻的一端连接15V直流电源，另一端连接第十四电阻的另一端和第一可调电位器的一个固定端；第一可调电位器的另一个固定端接地，第一可调电位器的滑动端与第十五电阻的一端相连，第十五电阻的另一端连接第三电压比较器的反向输入端；第三电压比较器的电源正极连接15V直流电源、第十六电阻的一端、IGBT驱动单元的驱动芯片的引脚2和第十电容的一端；第三电压比较器的电源负极接地，第三电压比较器的信号输出端与第十六电阻的另一端和第十一二极管的阴极相连，第十一二极管的阳极作为分散过流保护电路的输出端，连接IGBT驱动单元的驱动芯片的引脚6，第三电压比较器的信号输出端连接微处理器单元的第二缓冲芯片。

进一步地，所述集中过流保护电路包括霍尔电流传感器、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二可调电位器、第十二电容、第十三电容和第四电压比较器；

霍尔电流传感器安装于被检测点的连接线上，霍尔电流传感器的信号输出端与第四电压比较器的同向输入端相连；第十七电阻与第十二电容并联然后一端接地，另一端连接第四电压比较器的同向输入端，进行信号滤波；第二可调电位器一个固定端接入15V电源，另一个固定端接地，滑动端与第四电压比较器的反向输入端相连，提供反馈电压；第十八电阻一端接入5V电源作为上拉电阻，另一端连接第四电压比较器的信号输出端和第十九电阻一端；第十九电阻的另一端作为集中过流保护电路的一个输出端口，与微处理器单元的第二缓冲芯片连接，同时连接第十三电容的一端，第十三电容的另一端接地；第十九电阻和第十三电容构成RC延迟电路。

进一步地，所述的用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置中各单元的供电部分均由具有多路电压输出(输出±15V、5V、3.3V电压)的开关电源提供。

由上述技术方案可知，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的一种用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置，针对的是过流故障的监测定位和线路过流故障的抑制保护。首先在柔性直流输电送端直流母线加入复合缓冲单元，当开通或关断母线IGBT器件时，能够优先抑制减小母线上的浪涌电压幅值；其次加入过热检测单元，对IGBT器件的工作温度进行检查，记录相关温度数据，通过电脑PC上位机对数据进行分析，建立IGBT温度与电流之间的关系曲线，为故障电流的分类提供依据；最后通过故障电流检测单元对功率变频单元的过流故障位置进行监测定位，通过硬件辅助电路和微处理器单元缓降栅压，延长动作电路故障保护时间，采用无线通讯单元与手机和电脑进行通信，实现手机与电脑之间数据共享，增强人机对话，避免其对逆变站换流器件、直流线路及系统造成二次损坏。本实用新型结合了硬件辅助电路与控制系统硬件结构，能检测定位故障电流的类型和功率变频单元过热故障，对已检测故障电流进行定位、分类与处理，进而快速准确抑制故障期间短路电流和过电流，避免功率变频单元的损坏，实现柔性直流输电逆变站过流故障监测定位和保护。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的微处理器单元的电路原理图；

图3为本实用新型实施例提供的复合缓冲电路的电路原理图；

图4为本实用新型实施例提供的功率变频单元的电路原理图；

图5为本实用新型实施例提供的柔性直流输电送端站、复合缓冲单元、功率变频单元与LC滤波器的连接电路原理图；

图6为本实用新型实施例提供的IGBT驱动单元的电路原理图；

图7为本实用新型实施例提供的过热检测单元的电路原理图；

图8为本实用新型实施例提供的分散过流保护电路的工作原理示意图；

图9为本实用新型实施例提供的接入IGBT驱动单元的分散过流保护电路的原理图；

图10为本实用新型实施例提供的柔性直流输电送端直流母线上的集中过流保护电路的电路原理图；

图11为本实用新型实施例提供的复合缓冲单元IGBT关断时刻电路原理图；

图12为本实用新型实施例提供的复合缓冲单元IGBT开通时刻电路原理图；

图13为本实用新型实施例提供的安装过流故障监测保护装置前三相电流有效值曲线图；

图14为本实用新型实施例提供的安装过流故障监测保护装置后三相电流有效值曲线图；

图15为本实用新型实施例提供的安装过流故障监测保护装置后IGBT温度与电流关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，一种用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置，该装置包括微处理器单元、复合缓冲保护单元、功率变频单元(柔性直流输电受端站)、IGBT驱动单元、过热检测单元、故障电流检测单元、无线通讯单元、LC滤波器和上位机。本实施例中，无线通讯单元采用SIM808无线模块，用于将微处理单元的信号无线传输给上位机，IGBT器件采用型号为FZ1000R20KS4的IGBT模块，IGBT驱动单元采用EXB841 IGBT集成驱动器，上位机为手机和电脑PC，用于实时监测装置的过流、过热故障信息，同时可以通过发送指令控制IGBT通断。装置中各单元的供电部分均由具有多路电压输出(输出±15V、5V、3.3V电压)的开关电源提供。

微处理器单元用于处理过热检测单元和故障电流检测单元采集到的电流和温度信息，进而驱动IGBT驱动单元控制IGBT器件的通断，同时将故障信息传输到上位机，保护相关器件免受二次损害。本实施例中，微处理器单元包括一个TMS320F28335主控芯片、第一缓冲芯片74HC245和第二缓冲芯片743384，IGBT驱动单元、过热检测单元和故障电流检测单元均通过缓冲芯片与主控芯片连接，无线通讯单元直接与主控芯片连接。TMS320F28335主控芯片是一个主频高达150MHZ的处理器，具有8路互补对称的脉宽调制端口PWM1-8，内置2*8通道的12位ADC转换器，具有3通道的SCI通信接口。

以一组检测单元为例，如图2所示，微处理器单元与其他外围单元具体连接结构为：主控芯片的脉宽调制端口PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6、PWM7、PWM8分别与第一缓冲芯片74HC245的A0、A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7口一一对应连接，第一缓冲芯片74HC245的B0和R1连接IGBT驱动单元的S3和S4口，74HC245缓冲芯片的B6和R1连接IGBT驱动单元的IN1和IN2口，TMS320F28335主控芯片的ADCINA0、ADCINA7口分别与第二缓冲芯片743384的A0和A1端口相连，TMS320F28335主控芯片的D0和D18口分别连接第二缓冲芯片743384的A8和A15端口，第二缓冲芯片743384的B0和B7分别与故障电流检测单元的0C1和0C2端口相连，第二缓冲芯片743384的B8和R15分别与过热检测单元的两个输出端口S1和S2相连；无线通讯单元SIM808模块的SCITXD口与TMS320F28335主控芯片的SCIRXD口相连，无线通讯单元SIM808模块的SCIRXD口与TMS320F28335主控芯片的SCITXD口相连。

复合缓冲保护单元包括两个结构相同的复合缓冲电路，分别设于两根母线上，抑制IGBT通断时母线上尖峰电压，复合缓冲保护单元包括两个输入端和三个输出端，复合缓冲保护单元的第一输入端连接作为直流电源的柔性直流输电送端站，复合缓冲保护单元的第二输入端连接IGBT驱动单元输出端，复合缓冲保护单元的第一输出端连接故障电流检测单元的输入端，复合缓冲保护单元的第二输出端连接过热检测单元第一输入端，复合缓冲保护单元的第三输出端连接功率变频单元(柔性直流输电受端站)的第一输入端。

两根母线上的复合缓冲电路结构相同，如图3所示，均包括一个高频开断功能的IGBT器件VT1、电阻R1、电容C1、电感L1、第一反向二极管VD1和第二反向二极管VD2。以一个母线为例，第一复合缓冲电路包括IGBT器件VT1、电阻R1、电容C1、电感L1、第一反向二极管VD1和第二反向二极管VD2，具体连接结构为：电感L1的一端作为该复合缓冲电路的输入端，即复合缓冲保护单元的第一输入端，连接作为直流电源的柔性直流输电送端站，同时连接第一反向二极管VD1的阴极，电感L1的另一端连接IGBT器件VT1的集电极、电阻R1的一端、第一反向二极管VD1的阳极和第二反向二极管VD2的阳极，IGBT器件VT1的发射极连接第二反向二极管VD2的阴极、电阻R1的另一端、电容C1的正极和功率变频单元的第一输入端，电容C1的负极作为复合缓冲保护单元的第三输出端，连接IGBT器件VT1的发射极和功率变频单元的第一输入端；IGBT器件VT1的门极作为复合缓冲保护单元的第二输入端，连接IGBT驱动单元输出端。IGBT器件VT1的集电极作为复合缓冲单元的第一输出端，连接故障电流检测单元的输入端；在IGBT器件VT1的位置⑥处放置PTC热敏电阻，作为复合缓冲单元的第二输出端，连接过热检测单元的第一输入端。

功率变频单元用于将母线侧直流电压转变为电网侧交流电压，如图4所示，包括滤波支撑电容C3和6个结构相同的子单元，各子单元的电路结构均与第一或第二复合缓冲电路的电路结构相同。IGBT器件VT3及其外围电路作为功率变频单元的第一子单元，IGBT器件VT4及其外围电路作为功率变频单元的第二子单元，IGBT器件VT5及其外围电路作为功率变频单元的第三子单元，IGBT器件VT6及其外围电路作为功率变频单元的第四子单元，IGBT器件VT7及其外围电路作为功率变频单元的第五子单元，IGBT器件VT8及其外围电路作为功率变频单元的第六子单元。以第一子单元为例，包括一个高频开断功能的IGBT器件VT3、电阻R3、电容C4、电感L3、第一反向二极管VD3、第二反向二极管VD4；电感L3的一端连接第一反向二极管VD3的阴极，电感L3的另一端连接IGBT器件VT3的集电极、电阻R3的一端、第一反向二极管VD3的阳极和第二反向二极管VD4的阳极，IGBT器件VT3的发射极连接第二反向二极管VD4的阴极、电阻R3的另一端、电容C4的正极，电容C4的负极连接IGBT器件VT3的发射极，IGBT器件VT3的门极作为功率变频单元的第二输入端，连接IGBT驱动单元第一输出端。各子单元中的电感L3、L4、L5、L6、L7、L8的一端分别作为相应子单元的输入端，各子单元中的IGBT器件VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8的发射极分别作为相应子单元的输出端。功率变频单元的第一子单元、第三子单元、第五子单元的输入端同时连接与母线I相连的第一复合缓冲电路的第三输出端，第二子单元、第四子单元、第六子单元的输出端同时连接与母线II相连的第二复合缓冲电路的第三输出端。电容C3接于第一子单元的输入端与第二子单元的输出端之间。功率变频单元的第一子单元、第三子单元、第五子单元的输出端分别对应连接功率变频单元第二子单元、第四子单元、第六子单元的输入端，并分别作为功率变频单元的三路输出端。

柔性直流输电送端站、复合缓冲单元、功率变频单元与LC滤波器的连接电路如图5所示。

IGBT驱动单元包括EXB841驱动芯片及外围保护电路，如图6所示，其中外围电路包括ERA34-10二极管D9、电容C10、C11、限流电阻Re、缓冲电阻RG、反馈电阻Rf、晶体管TCR以及TLP251光耦。每个IGBT驱动单元驱动一组由两个IGBT构成的半桥。驱动芯片EXB841的6脚连接ERA34-10二极管D9的阳极，ERA34-10二极管D9的阴极连接被驱动IGBT器件的集电极，驱动芯片EXB841的2脚同时连接15V电源、电容C10正极，电容C11的正极同时与驱动芯片EXB841的3脚、缓冲电阻RG的一端相连，缓冲电阻RG的另一端作为IGBT驱动单元的输出端，连接被驱动IGBT器件的门极，电容C10和电容C11的负极同时连接被驱动IGBT的发射极，驱动芯片EXB841的15脚连接限流电阻Re的一端，限流电阻Re的另一端连接15V电源，驱动芯片EXB841的14脚连接晶体管TCR的集电极，晶体管TCR的发射极与TLP251光耦的1脚相连，晶体管TCR的栅极作为IGBT驱动单元连接微处理器控制信号的输入端IN1，驱动芯片EXB841的6脚与过热检测单元的第二输出端S2连接，驱动芯片EXB841的5脚与TLP251光耦的4脚相连，TLP251光耦的3脚连接反馈电阻Rf的一端，反馈电阻Rf的另一端同时连接15V单元和驱动芯片EXB841的2脚，TLP251光耦的2引脚连接微处理器单元。复合缓冲单元和功率变频单元中的所有IGBT器件的门极均与IGBT驱动单元的输出端相连。

过热检测单元用于检测复合缓冲保护单元和功率变频单元中各IGBT器件的温度，包括8组电路结构相同的过热检测电路，分别对应检测复合缓冲保护单元和功率变频单元中的8个IGBT器件的温度。

以一组过热检测电路为例，如图7所示，包括三个2K电阻R9、R10、R11、一个470欧电阻R12、两个PTC热敏电阻Rtc1、Rtc2和两个电压比较器U1、U2，其中的电压比较器为LM339型号，其具体连接结构为：电压比较器U1的同相输入端(引脚3)作为过热检测单元的第一输入端，与热敏电阻Rtc1和电阻R9的一端分别相连，电阻R9的另一端连接直流电源VCC，热敏电阻Rtc1的另一端接地；电压比较器U2的同相输入端(引脚3)作为过热检测单元的第二输入端，与热敏电阻Rtc2和电阻R11的一端分别相连，电阻R11的另一端连接直流电源VCC，热敏电阻Rtc2的另一端接地；电压比较器U1和U2的反向输入端(引脚2)均与电阻R10和R12的一端相连，电阻R10的另一端连接直流电源VCC，电阻R12的另一端接地；电压比较器U1的信号输出端(引脚1)作为过热检测单元的第一输出端S1，与微处理器单元相连，输出报警信号，电压比较器U2的信号输出端(引脚1)作为过热检测单元的第二输出端S2，与微处理器单元和IGBT驱动单元相连，输出关断信号。

图7中直流电源VCC、电阻R10和电阻R12串联，提供参考电压Vref，当被检测的IGBT器件温度低于100度时，热敏电阻Rtc1和Rtc2的电阻值都小于470欧，因此热敏电阻Rtc1和Rtc2的压降Vtc1和Vtc2都小于参考电压Vref，此时电压比较器U1的同相输入端(引脚3)电压小于U1的反向输入端(引脚2)电压，电压比较器U1输出低电平，电压比较器U2的同相输入端(引脚3)电压小于U2的反向输入端(引脚2)电压，电压比较器U2输出低电平。因此，当报警信号和关断信号都为低电平时，被检测的IGBT器件温度正常。当被检测的IGBT器件的温度大于100度而小于120度时，热敏电阻Rtc1的压降Vtc1大于参考电压Vref，且热敏电阻Rtc2的压降Vtc2小于参考电压Vref，此时电压比较器U1输出高电平，电压比较器U2输出低电平。因此，当报警信号为高电平，关断信号为低电平时，过热检测电路对控制电路发出过热报警信号。当被检测的IGBT器件的温度超过120度时，Vtc1和Vtc2都大于Vref，此时U1和U2都输出高电平。因此，当报警信号和关断信号都为高电平时，控制电路关断主电路，保护IGBT器件，防止因过热而损坏。

故障电流检测单元用于检测装置中待检测点的电流是否超出预设电流阈值，包括桥臂直通故障电流检测单元、母线故障电流检测单元和负载故障电流检测单元。桥臂直通故障电流检测单元的检测电路为分散过流保护电路，用于检测复合缓冲单元和功率变频单元中待检测点的桥臂直通电流是否超过预设电流值，用于检测复合缓冲单元和功率变频单元中的分散过流保护电路结构相同，母线故障电流检测单元和负载故障电流检测单元的检测保护电路均为集中过流保护电路，母线故障电流检测单元用于检测母线上待检测点的电流是否超过预设电流值，且在两根母线上分别设有一个母线故障电流检测单元，负载故障电流检测单元用于检测负载连接线上待检测点的电流是否超过预设电流值。桥臂直通故障电流检测单元的检测位置如图3和4中的⑥和⑦，母线故障电流检测单元的检测位置如图4中的①和②，负载故障电流检测单元的检测位置如图4中的③、④和⑤。

分散过流保护电路的工作原理如图8所示，Vref作为分散过流保护电路的设定阈值电压，当比较器检测到0点的电压大于设定的阈值电压时，比较器输出高电平经过与门AND输出高电平信号给微处理单元，进而发出脉冲控制信号，控制IGBT通断，防止器件遭受二次损害。

以设于功率变频单元的待检测点的分散过流保护电路为例，图9为本实施例提供的接入IGBT驱动单元的分散过流保护电路工作原理图，分散过流保护电路的具体结构包括电压比较器U3、电阻R13、R14、R15和R16、肖特基二极管VD10和VD11、蓝白可调电位器RP1(用来调节设定电压阈值)，具体连接结构为：

LM339电压比较器U3的同向输入端连接电阻R14的一端和肖特基二极管VD10的阳极，肖特基二极管VD10的阴极作为分散过流保护电路的输入端INA，连接功率变频单元IGBT器件VT3的集电极；电阻R13的一端接15V直流电源，电阻R13的另一端接电阻R14的另一端和可调电位器RP1的一个固定端；可调电位器RP1的另一个固定端接地，可调电位器RP1的滑动端与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端连接电压比较器U3的反向输入端；电阻R16的一端连接15V直流电源，并同时连接电压比较器U3的电源正极、IGBT驱动单元的驱动芯片EXB841的引脚2和IGBT驱动单元的电容C10的一端；电压比较器U3的电源负极14脚接地，LM339电压比较器U3的信号输出端与电阻R16的另一端和肖特基二极管VD11的阴极相连，肖特基二极管VD11的阳极作为分散过流保护电路的输出端，连接IGBT驱动单元的驱动芯片的引脚6，电压比较器U3的信号输出端OUT为故障电流检测单元与微处理器单元的第二缓冲芯片连接的ADOC1口；电阻R13与蓝白可调电位器RP1串联，通过可调电位器RP1，经电阻R15给LM339电压比较器U3提供反馈电压Vref，LM339电压比较器U3的同向输入端通过二极管VD10对IGBT器件的集电极电压进行采集，通过与预设Vref的值进行比较，进而判别IGBT器件的桥臂是否发生过流故障。

以柔性直流输电送端直流母线上的集中过流保护电路为例，如图10所示，集中过流保护电路的具体结构以母线I为例，包括霍尔电流传感器H1、电阻R17、R18、R19、蓝白可调电位器RP2、电容C12、C13和LM339电压比较器U4，其中，霍尔电流传感器H1采用日本HINODE公司的直测式霍尔效应电流传感器HAP8-200/4，该传感器需要正负15V双电源进行供电。电路具体的连接结构为：

霍尔电流传感器H1的信号输出端与LM339电压比较器U4的同向输入端(引脚3)相连；电阻R17与电容C12并联后一端接地，另一端连接LM339电压比较器U4的同向输入端(引脚3)，进行信号滤波；可调电位器RP2一个固定端接入15V电源，另一个固定端接地，滑动端与LM339电压比较器U4的反向输入端引脚2相连，提供反馈电压；电阻R18一端接入5V电源作为上拉电阻，另一端连接LM339电压比较器U4的信号输出端(引脚1)和电阻R19一端，用于提高LM339电压比较器U4信号输出端的电流驱动能力，电阻R19的另一端作为集中过流保护电路的一个输出端口OC1，即故障电流检测单元与微处理器单元的第二缓冲芯片连接的ADOC2口，同时连接电容C13的一端，电容C13的另一端接地，电阻R19和电容C13构成RC延迟电路。LM339电压比较器U4输出端(引脚1)信号经缓冲电阻R19输出电平信号OC1给微处理器，对电流数据进行记录，严重超过阈值时，封锁所有IGBT的驱动信号，并且，电阻R19和电容C13组成的延迟电路是为防止封锁电路误动作采取的抗干扰措施。另一条母线上设有相同结构的集中过流保护电路，其输出端口为OC2。

LC滤波器用于滤除功率变频单元产生的谐波，包括三组LC滤波电路，三组LC滤波电路的输入端分别连接功率变频单元的三路输出端，三组LC滤波电路的输出端分别连接电网的三相线。

通过上述的用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置实现过流故障监测定位及保护的方法为：

步骤1、采用微处理器单元控制复合缓冲保护单元、功率变频单元和IGBT驱动单元的内部元件，使整个过流故障监测保护装置处于运行状态，具体方法为：

步骤1.1、采用微处理器单元发出SPWM(正弦脉宽调制)信号；

步骤1.2、通过IGBT驱动单元进行升压处理，将SPWM电压信号幅值升到15V；

步骤1.3、分别驱动IGBT复合缓冲单元的两个IGBT器件和功率变频单元6个IGBT器件，使各IGBT器件导通，使用于柔性直流输电逆变站的过流故障监测保护装置处于正常运行状态；

步骤2、同时采用过热检测单元的PTC热敏电阻、故障电流检测单元中的分散过流保护电路、集中过流保护电路对复合缓冲保护单元和功率变频单元的电流和热量进行实时采集，过热检测单元的PTC热敏电阻对复合缓冲保护单元和功率变频单元中的所有IGBT器件进行温度实际监测；

过热检测单元产生两路信号，一路报警信号送给微处理器单元，一路关断信号送给IGBT驱动单元的EXB841驱动芯片，促使IGBT进行降栅压软关断，抑制尖峰浪涌电流，避免功率变频单元损坏；

母线故障电流检测单元和负载故障电流检测单元中产生的电平信号经过RC延迟电路的延迟送给IGBT驱动单元的EXB841驱动芯片和微处理器单元的ADCINAO-A7口；

微处理器单元采集记录各路电流和IGBT器件的温度数据，实时构建IGBT器件的温度与检测支路的关系曲线图；

步骤3、微处理器单元判断故障电流的位置，判断电流值是否超过1.2倍设定值，IGBT器件的温度是否达到100℃过热报警温度，若其中任意一者超过或两者同时超过，则说明出现故障，对应单元为故障单元，执行步骤4，否则说明直流输电逆变站工作正常，返回执行步骤2，继续进行检测；

步骤4、采用微处理器单元产生控制信号并发送至出现故障的相应单元中，对故障单元的IGBT器件进行缓降栅压；微处理器单元同时记录下故障电流的位置，产生相应的编号，编号1为母线电流故障，编号2为桥臂直通故障，编号3和5为负载短路故障，并将故障记录经过SIM808无线通讯单元发送短信至手机，报告微处理器单元判断出的故障信息，并发出故障中级警报信号，将故障传输给电脑PC上位机；电脑PC上位机将现有故障和电脑数据库中所存储的故障进行对比，确定故障电流的类型和位置；

步骤5、微处理器对故障电流过热检测进一步判别，判断电流值是否超过1.5倍设定值，IGBT温度是否达到120℃过热报警温度，若任意一者超过或两者同时超过，则认定对应位置发生严重短路或过流故障，执行步骤6，否则执行步骤2；

步骤6、微处理器单元发出控制信号，封锁输入信号，关断发生严重短路或过流故障的单元中的IGBT器件，将故障信息通过SIM808无线通讯单元连续不断的发送短信至用户手机，同时微处理器单元产生故障严重警报信号，将故障传输给电脑PC上位机，避免对逆变器造成二次损害。

本实施例中，当完成监测保护时，关断IGBT器件形成如图11所示的复合缓冲电路结构，电感L1中的电流经过二极管VD1进行释放，同时VT1中的杂散电感存储的能量经过电容C1和电阻R1得以释放，缓冲了关断IGBT器件时产生的过流，避免IGBT器件损坏。

本实施例中，当监测保护装置开始运行时，开通IGBT器件形成如图12所示的复合缓冲电路结构，电感L1抑制了开通IGBT瞬间在集电极侧的电流上升率，削减了集电极侧浪涌尖峰电压，同时VT1开通瞬间的浪涌电流经过VD2和C1得以释放，如图中的虚线路劲，缓冲了开通IGBT瞬间产生的浪涌电流，避免IGBT器件损坏。

在安装过流故障监测保护装置前三相电流有效值如图13所示的曲线，安装过流故障监测保护装置后三相电流有效值如图14所示的曲线，从图中的曲线可以看出，在开通后40ms至42ms期间，安装后尖峰电流得到明显抑制，在42ms之后，交流侧电压波形得到明显改善，故障电流瞬时峰值也得到明显抑制。

安装过流故障监测保护装置后IGBT温度与电流关系如图15所示的曲线，从图中曲线可以看出，开通后IGBT器件后，在0～20℃内，电流缓慢上升，在23℃～38℃期间，电流几乎不在变化，IGBT器件稳定运行，当出现过热故障时，电流随着IGBT器件温度的增加而迅速升高，超过耐热极限后，IGBT器件损害，电流降至最低点。安装过流故障监测保护装置后，可以实时监测过热故障中电流和温度的变化关系，过热故障发生后，在C-D点进行故障排除，避免器件遭受二次损害，保证系统正常运行。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。