保护电路及保护系统的制作方法

本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其是涉及一种基于级联式电压源换流器的兼具直流故障清除与换流子单元快速旁路的保护电路及保护系统。

背景技术：

目前对于有架空线路的柔性直流输电系统，直流侧有可能发生故障。传统采用直流断路器切断故障电流，实现直流故障清除，经济成本高，并且直流断路器可能误动或拒动，可靠性低。当换流子单元内部发生严重故障时，需要将故障换流子单元旁路。传统仅采用闭合交流断路器实现故障换流子单元旁路，响应速度慢，系统暂态恢复特性差，并且交流断路器可能误动或拒动，可靠性低。如何提高对于直流故障以及换流子单元内部严重故障的响应以提高柔性直流输电系统的稳定性是当前亟待解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述问题，提供了一种保护电路以及保护系统用于解决现有技术的不足。

具体地，本发明实施例提供了一种保护电路，包括：电容、二极管、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以及断路器；所述断路器包括一控制输入端和两个接线端；

所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极分别与所述二极管的阴极以及所述电容的一端电性连接；所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述二极管的阳极电性连接；

所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极分别与所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极以及所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极电性连接；所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极分别与所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极以及所述电容的另一端电性连接；

所述断路器的一接线端与所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极电性连接；所述断路器的另一接线端与所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极电性连接；

所述二极管与所述第一绝缘栅双极型晶体管组成第一开关；所述第二绝缘栅双极型晶体管与所述第三绝缘栅双极型晶体管组成第二开关；所述断路器组成第三开关；

所述电容的两端作为保护电路的输入端口，所述断路器的两接线端作为所述保护电路的输出端口；

所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端均用于接收控制器发送的高低电平信号实现接通与关断处理。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极与所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极电性连接。

作为上述技术方案的进一步改进，当所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端分别接收到高电平、低电平、低电平、低电平时，所述第一开关导通，所述第二开关和所述第三开关均关断。

作为上述技术方案的进一步改进，当所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端分别接收到低电平、低电平、低电平、低电平时，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关均关断。

作为上述技术方案的进一步改进，当所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端分别接收到低电平、高电平、高电平、低电平时，所述第一开关和所述第三开关均关断，所述第二开关导通；当所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端分别接收到低电平、低电平、低电平、高电平时，所述第一开关和所述第二开关均关断，所述第三开关导通。

本发明实施例还提供了一种保护系统，包括：以上所述的保护电路、用于给所述保护电路提供高低电平信号的控制器以及用于检测柔性直流输电系统的故障类型的检测器；所述检测器与所述控制器电性连接；所述控制器分别与所述保护电路中的所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端电性连接；

所述控制器根据所述检测器检测到故障的有无以及故障类型下发对应的控制电平信号至所述保护电路。

作为上述技术方案的进一步改进，当所述检测器没有检测到故障时，所述控制器分别给所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端分别下发高电平、低电平、低电平和低电平。

作为上述技术方案的进一步改进，当所述检测器检测到直流故障时，所述控制器分别给所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端分别下发低电平、低电平、低电平和低电平。

作为上述技术方案的进一步改进，当所述检测器检测到换流子单元故障时，所述控制器分别给所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端分别下发低电平、高电平、高电平和低电平；经过预设时长后，所述控制器分别给所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及所述断路器的控制输入端分别下发低电平、低电平、低电平和高电平。

作为上述技术方案的进一步改进，所述预设时长为3-5ms。

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，至少具有如下

有益效果：

1、从拓扑结构角度，通过对igbt的开断控制，阻断直流故障电流回路，实现直流故障清除。相比采用直流断路器进行直流故障清除，经济性、响应速度及可靠性大大提高，有利于系统的安全稳定运行。

2、通过增加一个双向igbt通断支路，实现换流子单元的快速旁路，同时配合交流断路器，最终完成换流子单元的旁路。相比传统的仅闭合交流断路器实现旁路，响应速度大大提高，减小了故障过程中对系统的暂态冲击，有利于系统的暂态恢复特性，用利于系统的安全稳定运行。

3、通过对直流侧上下两组开关器件及断路器的开通与关断控制，实现了换流器的正常运行、闭锁及旁路功能，拓扑结构清晰，控制保护策略简洁明了，实用性强，经济成本低，可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提出的保护电路的电气连接图；

图2为正常工况idc>0时电流通路；

图3为正常工况idc<0时电流通路；

图4为直流故障工况控制保护动作前故障电流通路；

图5为直流故障工况控制保护动作后故障电流无通路；

图6为换流子单元故障工况故障瞬间idc>0时旁路电流通路；

图7为换流子单元故障工况故障瞬间idc<0时旁路电流通路；

图8为换流子单元故障工况故障后某时刻idc>0时旁路电流通路；

图9为换流子单元故障工况故障后某时刻idc<0时旁路电流通路。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种保护电路，用于基于级联式电压源换流器的直流故障清除以及换流子单元快速旁路。该保护电路包括：电容c、二极管d、第一绝缘栅双极型晶体管t1、第二绝缘栅双极型晶体管t2、第三绝缘栅双极型晶体管t3以及断路器qf；断路器qf包括一控制输入端和两个接线端。

第一绝缘栅双极型晶体管t1的集电极分别与二极管d的阴极以及电容c的一端电性连接于p1节点；第一绝缘栅双极型晶体管t1的发射极与二极管d的阳极电性连接。

第二绝缘栅双极型晶体管t2的集电极分别与第一绝缘栅双极型晶体管t1的发射极以及第三绝缘栅双极型晶体管t3的发射极电性连接于p2节点；第二绝缘栅双极型晶体管t2的发射极分别与第三绝缘栅双极型晶体管t3的集电极以及电容c的另一端电性连接于p3节点。

断路器qf的一接线端与第三绝缘栅双极型晶体管t3的发射极电性连接；断路器qf的另一接线端与第三绝缘栅双极型晶体管t3的集电极电性连接。电容c的两端ucp与ucn作为保护电路的输入端口，断路器qf的两接线端udcp与udcn作为保护电路的输出端口。

第一绝缘栅双极型晶体管t1的栅极、第二绝缘栅双极型晶体管t2的栅极、第三绝缘栅双极型晶体管t3的栅极以及断路器qf的控制输入端均用于接收外部的控制器发送的高低电平信号实现接通与关断处理。

该保护电路包括第一开关sd1、第二开关sd2及第三开关sd3，第一开关sd1与第二开关sd2为串联，第二开关sd2与第三开关sd3为并联。其中第一开关sd1为第一绝缘栅双极型晶体管t1和与之反并联的二极管d，第一开关sd1的触发信号为ts1；第二开关sd2为2个反并联的第二绝缘栅双极型晶体管t2和第三绝缘栅双极型晶体管t3，第二开关sd2的触发信号为ts2；第三开关sd3为断路器qf，第三开关sd3的触发信号为ts3。保护电路为三端子结构，从上至下依次为第一开关sd1的顶部端子p1节点、第一开关sd1和第二开关sd2的连接端子p2节点以及第二开关sd2的底部端子p3节点，其中p1节点与换流子单元直流侧电容正极ucp相连，p2节点与换流子单元直流正极udcp相连，p3节点与换流子单元直流侧电容负极ucn以及直流负极udcn相连。

电容c用来建立换流器的直流电压。

由于第二开关sd2的触发信号都是ts2，即两个绝缘栅双极型晶体管t2和t3的栅极输入信号是相同的，应该可以将第二绝缘栅双极型晶体管t2的栅极与第三绝缘栅双极型晶体管的栅极电性连接。通过一根信号线引入即可。在本实施例中中，优选地，第二绝缘栅双极型晶体管t2和第三绝缘栅双极型晶体管t3的型号规格相同。

在本实施例中中，断路器优选交流断路器。

各种工况下第一开关sd1、第二开关sd2、第三开关sd3的导通、关断及电流、电压情况如表1所示，其中isd1、isd2、isd3分别为sd1、sd2、sd3的电流，usd1、usd2、usd3分别为sd1、sd2、sd3的电压，idc为直流电流，udc为直流电压，uc为直流电容电压。

表1各种工况下sd1、sd2、sd3的导通、关断及电流、电压情况表

1)正常工况

正常工况下，sd1导通，sd2关断，sd3关断，即ts1＝1，ts2＝0，ts3＝0。此时isd1＝idc，isd2＝0，isd3＝0；usd1＝0，usd2＝udc，usd3＝udc。

idc>0时，电流通路如图2所示；idc<0时，电流通路如图3所示。

2)直流故障工况

直流故障工况下，sd1关断，sd2关断，sd3关断，即ts1＝0，ts2＝0，ts3＝0。此时isd1＝0，isd2＝0，isd3＝0；usd1＝uc，usd2＝0，usd3＝0。

控制保护动作前故障电流iflt通路为sd1至故障点，如图4所示；故障电流iflt无通路，实现了直流故障清除，如图5所示。

从拓扑结构角度，通过对第一绝缘栅双极型晶体管t1的开断控制，阻断直流故障电流回路，实现直流故障清除。相比采用直流断路器进行直流故障清除，经济性、响应速度及可靠性大大提高，有利于系统的安全稳定运行。

3)换流子单元故障工况

换流子单元故障工况下，故障瞬间sd1关断，sd2导通，sd3来不及动作，保持关断，即ts1＝0，ts2＝1，ts3＝0，此时isd1＝0，isd2＝idc，isd3＝0；usd1＝uc，usd2＝0，usd3＝0。实现了换流子单元的快速旁路，此时旁路电流通路为sd2，如图6(idc>0)、图7(idc<0)所示。

故障后某时刻，sd3开始动作，由关断变为导通，随后sd2由导通变为关断，即ts1＝0，ts2＝0，ts3＝1，此时sd1的电流isd1为0，sd2的电流isd2为直流电流0，sd3的电流isd3为idc；sd1的电压usd1为直流电容uc，sd2的电压usd2为0，sd3的电压usd3为0。实现了旁路电流由sd2至sd3的转移，电流通路如图8(idc>0)、图9(idc<0)所示。故障瞬间与故障后某时刻的间隔时长为3-5ms。

通过增加一个双向的第二绝缘栅双极型晶体管t2和第三绝缘栅双极型晶体管t3的通断支路，实现换流子单元的快速旁路，同时配合断路器qf，最终完成换流子单元的旁路。相比传统的仅闭合交流断路器实现旁路，响应速度大大提高，减小了故障过程中对系统的暂态冲击，有利于系统的暂态恢复特性，用利于系统的安全稳定运行。

高保护电路通过对直流侧上下两组开关器件及交流断路器的开通与关断控制，实现了换流器的正常运行、闭锁及旁路功能，拓扑结构清晰，控制保护策略简洁明了，实用性强，经济成本低，可靠性高。

保护电路还包括：用于限流保护的熔断器；熔断器串联在保护电路的一输出端。

实施例2

本发明实施例还提供了一种保护系统，包括：实施例1提供的保护电路、用于给保护电路提供高低电平信号的控制器以及用于检测柔性直流输电系统的故障类型的检测器；检测器与控制器电性连接；控制器分别与保护电路中的第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及断路器的控制输入端电性连接；控制器根据检测器检测到故障的有无以及故障类型下发对应的控制电平信号至保护电路。控制器和检测器均可采用现有技术实现。具体地，当检测器没有检测到故障时，控制器分别给第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及断路器的控制输入端分别下发高电平、低电平、低电平和低电平。当检测器检测到直流故障时，控制器分别给第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及断路器的控制输入端分别下发低电平、低电平、低电平和低电平。当检测器检测到换流子单元故障时，控制器分别给第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及断路器的控制输入端分别下发低电平、高电平、高电平和低电平；经过预设时长后，控制器分别给第一绝缘栅双极型晶体管的栅极、第二绝缘栅双极型晶体管的栅极、第三绝缘栅双极型晶体管的栅极以及断路器的控制输入端分别下发低电平、低电平、低电平和高电平。预设时长为3-5ms。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。