专利名称：电力系统的电力变换器保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力变换器保护装置，用以保护与电力系统串联或并联的电力变换器不受系统故障和/或短路故障的影响而使其保持稳定。
为了更好地理解本发明，现简要地回顾一下背景技术。
图14是传统的电力变换器的示意性电路图，它与电力系统串联连接，这种结构在例如“日本电气工程师协会工业应用部门全国大会会刊”(1993)No.103第444页上有所揭示。参见附图，一自激励型SVC(下文称为电力变换器)连接到串联变压器2的次级绕组上，串联变压器2的原绕组连接到电力系统1的相线上。电力变换器3构成三相电桥电路的形式，它包含诸如可控硅等的控制极关断开开关元件(下文称为GTO开关元件)3c1至3c6，在每个GTO开关元件3c1至3c6上分别逆向并联连接一个二极管D，在直流(DC)输入线之间连接一个DC电容器6，以提供DC电压同时把交流(AC)输出线连接到串联变压器2的次级绕组上。
一般，电力变换器3并联连接到电力系统1上，来产生其无功功率和能耗，以便确保电力系统的稳定性。除此之外，还有把电力变换器3串联连接到电力系统1上，这有可能改变电力系统1的阻抗。因此，电力变换器可以作为非常有效的稳定电力系统的手段。
更具体地说，电力变换器用于恒定地产生与流过电力系统的系统电流正交的AC电压。因此，通过改变AC电压的幅度可以改变电力系统的视在阻抗，在功能上等效于连续地控制与电力系统1串联连接的电容器，所以它能确保非常高效地实现电力系统的稳定。此外，因为电力变换器3总是产生与系统电流成正交的AC电压，所以可以不必在电力变换器3的DC侧提供有效的电源。
在公知的具有上述结构的电力变换器装置中，电力变换器与电力系统串联连接对于稳定电力系统来说是非常有效的。然而，由于电力变换器与电力系统串联连接，所以一旦在电力系统中出现故障，或者在电力变换器装置中出现故障，或者电力变换器发生断路，因而造成系统电流的中断时，在电力系统内就可能出现有害的过电压。因此，在对已知的电力变换器装置的保护和控制方面遇到了非常大的困难。
根据上述的现有技术的状况，本发明总的目的是提供一种电力变换器保护装置，它能控制与电力系统串联连接的电力变换器，使系统电流即使电力系统出现故障时也连续地流动。
鉴于将随着描述变得明显的上述和其它目的，根据本发明的一个方面，提供一种电力变换器保护装置，它包括变压器，分别连接到电力系统的相线上；电力变换器，分别连接到变压器的次级绕组上；第一电流检测装置，检测流过相线的系统电流；第二电流检测装置，分别检测从次级绕组流到电力变换器的变换器电流；故障判定装置，在根据系统电流判定出出现系统故障时输出判定信号；输出电压命令装置，在接收到故障判定信号时发出零输出电压命令；以及，控制信号输出装置，响应于在出现系统故障期间检测到的变换器电流下降到低于允许的电力变换器断路电流时的零输出电压命令，向电力变换器提供控制信号，把电力变换器的输出设置成零。
采用上述的电力变换器保护装置的结构，能这样控制输出与系统电流成正交的AC电压的电力变换器的输出电压，在根据流过输电线的系统电流检测出电力系统内发生故障时，通过使电力变换器的变换电流转向流入电力变换器中按传统方式设置的续流二极管，使该输出电压基本上为零，所以变换器电流流过续流二极管而为电流变换器的开关元件设置了旁路。因此，能保护电力变换器不因系统发生故障产生的大电流而损坏或遭受危险。再者，故障电流能绕过构成电力变换器的开关元件，无需为此而另外提供一个专门设计的装置。而且，在系统故障消除后能立即再次启动电力变换器运作。因此，根据本发明的第一方面，提供了一种能以低成本实现高可靠性的电力变换器保护装置。
在实现本发明的较佳的方式中，电力变换器可以进一步包括与每个变压器次级绕组并联连接的断路器和一旦在预定的时间间隔内从故障判定装置连续地接收到故障判定信号就向断路器输出闭合信号的延时电路。
在上述的电力变换器保护装置中，把电力变换器的输出电压控制成当系统故障持续存在，超过构成电力变换器的开关元件允许的导电时间时设置为零，同时闭合与变压器的次级绕组并联的断路器，从而通过旁路电力变换器使变换器电源流过断路器。由于这种结构，即使系统故障长时间持续存在，仍能保护电力变换器不受大的故障电流的损坏。因此，能进一步提高电力变换器保护装置的可靠性。
根据本发明的另一个方面，还提供一种电力变换器保护装置，它包括分别与电力系统的相线串联连接的串联变压器；分别与串联变压器的次级绕组连接的电力变换器；分别与每个串联变压器次级绕组并联连接的半导体开关元件；分别检测流过相线的系统电流的第一电流检测装置，以及系统故障判定装置，当根据检测到的系统电流判定出出现系统故障时，向半导体开关元件输出接通信号，同时向电力变换器输出断开信号。
对于上述的电力变换器保护装置，当检测到系统故障时，与串联变压器的次级绕组并联连接的半导体开关元件接通，同时构成电力变换器的开关元件断开，通过旁路电力变换器开关元件使大的故障电流流过半导体开关元件。因此，能用简单和价廉的结构来保护电力变换器。
在另一种实现本发明的较佳方式中，包括上述半导体开关元件的电力变换器保护装置可以进一步包括与各串联变压器次级绕组并联连接的断路器和一旦在预定的时间间隔内从故障判定装置连续地接收到故障判定信号就向断路器输出闭合信号的延时电路。
对于上述的电力变换器装置，当检测到系统故障时，与变压器的次级绕组并联连接的半导体开关元件接通，同时构成电力变换器的开关元件断开，而通过旁路电力变换器开关元件使大的故障电流流过半导体开关元件。接着，当在一时间间隔内系统故障持续存在超过半导体开关元件允许的时限时，闭合与串联变压器的次级绕组并联连接的断路器，从而通过旁路半导体开关元件使故障电流流过断路器。借助于这种结构，可以使用小电流容量和小热容量的半导体开关元件，其优点是能以较小的体积廉价地实现电力变换器保护装置。
在实现本发明的又一种较佳方式中，电力变换器保护装置可以进一步包括放电器，它与各串联变压器的次级绕组相联，用以防止过电压施加于电力变换器上。
采用上述的电力变换器装置的结构，在变压器的次级绕组侧断开时由于电力变换器的故障可能出现的过电压能由与变压器的次级绕组并联的放电器应时。因此，能保护电力变换器免于加上过电压。换句话说，能使电力变换器达到较高的可靠性。
根据本发明的又一个方面，提供一种电力变换器保护装置，它包括串联变压器，其原绕组分别与电力系统的相线串联连接，各串联变压器的次级绕组被分成多个绕组段；电力变换器组，为电力系统的相线分别设置，并且电力变换器组分别连接到变压器的次级绕组段上，其中，把分别连接到为相线设置的变压器的同一级次级绕组段上的电力变换器的DC输入线连接在一起，并分别通过保险丝引至DC电容器上；短路检测装置，分别与电力变换器相联，以检测电力变换器内发生的短路故障；短路判定装置，根据短路检测装置输出的短路检测信号，确定连接到存在短路故障的电力变换器上的次级绕组段；以及强制启动电路，响应于在某一个电力变换器中发生短路故障的判定而断开保险丝，该保险丝与为各相线而分别设置的电力变换器的DC输入线连接在一起，并分别连接到与出现短路故障的某个电力变换器连接的次级绕组同级的各次级绕组上。
借助于上述的电力变换器保护装置的结构，由于把分别串接在电力系统的输电线上的每个串联变压器的次级绕组分成多个段，并且为每根电力线设置有相应数量的电力变换器，所以能够实现冗余系统(redundant system)，其中，一旦为给定的一根输电线设置的一给定的电力变换器中出现故障，则为其它输电线设置的，并连接到与给定的一个电力变换器相同的次级绕组段上的电力变换器的所有开关元件接通，从而熔断保险丝，断开所有连接到相同次级绕组段的所有电力变换器。与其它次级绕组段相连的其它电力变换器能使系统连续地工作。因此，能在较小的体积上以较低的代价实现电力变换器保护装置的可靠(fair-safe)特征。
在导致刚刚所述的电力变换器保护装置的实施本发明的又一个较佳方式中，还可设置一些分别与变压器的次级绕组并联的断路器和用以在短路判定装置判定出短路故障之后使提供给相关的断路器的闭合信号延迟一段预定的时间的延时电路。
由于如上所述在电力变换器保护装置内为每条输电线设置了多个电力变换器，实现了冗余，一旦在为一给定的输电线而设置的一电力变换器内出现了故障，则为其它输电线设置的，并如给定的一个电力变换器那样连接到相同的次级绕组段上的电力变换器的所有开关元件接通，从而熔断保险丝，断开所有连接到相同的次级绕组段的所有电力变换器。随后，与相同的次级绕组段并联的断路器闭合，使短路电流流过断路器而旁路相关的电力变换器。因此，即使短路故障持续存在较长时间，仍能保护正常的电力变换器(即，未出现故障的电力变换器)免遭危险或损坏。
在导致刚刚描述的电力变换器保护装置的本发明的又一个较佳实施方式中，电力变换器保护装置可以包括串联变压器，分别与电力系统的相线串联；电力变换器，分别连接到串联变压器的次级绕组上；第一电流检测装置，检测流过相线的系统电流；第二电流检测装置，分别检测从次级绕组流到电力变换器的变换器电流；故障判定装置，在根据检测到的系统电流判定出出现系统故障时输出判定信号；输出电压命令装置，在接收到故障判定信号时发出一零输出电压命令；控制信号输出装置，响应于在系统故障发生期间检测到的变换器电流下降到低于电力变换器允许的断路电流时的零输出电压命令，控制提供给电力变换器的控制信号，把电力变换器的输出设置为零；以及延时电路，在判定装置判定出电力变换器内的短路故障之后或者在故障判定装置判定出发生系统故障之后，向分别与变压器的次级绕组并联的断路器输出带有一预定延时的闭合信号。
采用上述有冗余构造的电力变换器保护装置的结构，不仅能保护变换器以防止系统故障，而且能防短路故障。因此，大大改善了电力变换器保护装置的可靠性。
在实现本发明的再一个较佳实施方式中，电力变换器保护装置还可以包括隔离开关，各隔离开关串联插入各电力变换器的DC输入线和AC输出线内。
采用上述的电力变换器保护装置的结构，在断路器旁路短路电流的状态时，断开分别与DC输入侧和AC输出侧连接的隔离开关。因此，可以去除出现故障的电力变换器而无需停止电力系统的工作。换句话说，改善了电力变换器保护装置的维护灵敏性。
在实现本发明的又一个较佳实施方式中，电力变换器保护装置可以设计成保护与电力系统并联连接而不是串联连接的电力变换器免于系统故障和/或短路故障。
在上述的电力变换器保护装置中，可以保护与电力系统并联连接的电力变换器免于系统故障和/或短路故障。
通过阅读下面的结合附图的以示例方法对较佳实施例的描述，将更容易理解本发明的上述的和其它的目的、特征和附带的优点。
在下面的描述过程中，将参考附图，其中图1是根据本发明的第一实施例一般示出电力变换器保护装置的电路结构的示意性电路图；图2是根据本发明的第一实施例的电力变换器保护装置在电力系统正常运作的状态下的启动信号和系统电流之间关系的时序图；图3是在根据本发明的第一实施例的电力变换器保护装置发生系统故障时的启动信号和系统电流之间关系的时序图；图4是根据本发明的第二实施例的电力变换器保护装置的示意性电路图；图5是根据本发明的第二实施例的电力变换器保护装置的工作时序图；图6是根据本发明的第三实施例的电力变换器保护装置的电路图；图7是根据本发明的第四实施例的电力变换器保护装置的电路图；图8是根据本发明的第五实施例的电力变换器保护装置的电路图；图9是根据本发明的第六实施例的电力变换器保护装置的电路图；图10是根据本发明的第七实施例的电力变换器保护装置的电路图；图11是根据本发明的第八实施例的电力变换器保护装置的电路图；图12是与电力系统并联连接的电力变换器的电力变换器保护装置的示意性电路图；图13是根据本发明的第十实施例的电力变换器保护装置的电路图；图14是与电力系统串联连接的传统的电力变换器的示意性电路图。
现在结合目前被看作较佳的或典型的实施例的例子，参照附图详细描述本发明。在下面的描述中，相同的符号表示若干图中相同的或相应的部件。
实施例1现在结合附图描述本发明的第一实施例。图1是一和般示出了根据本发明的第一实施例的电力变换器保护装置的电路结构的示意性电路图。参见该图，电力变换器保护装置包括串联变压器2a至2c，它们的原绕组分别与电力系统1的相线1a至1c相连，其中，电力变换器3A至3C与串联变压器2a至2c的次级绕组相连，使串联变压器2a至2c的次级电流(变换器电流)I分别流至电力变换器3A至3C。电力变换器3A至3C的正极输入线(下文称为正输入线)连接在一起，并通过保险丝5引至DC电容器6的一端，而负极输入线(下文称为负输入线)连接在一起，并引至DC电容器6的另一端。
现在描述电力变换器3A至3C中具有代表性的电力变换器3C的保护电路的结构，应当理解，下面的描述同样适用于后面的保护电路。现在考虑的保护电路包括电流检测器7c，用作第二电流检测装置以检测串联变压器2c的变换器电流8；电流判定电路8，当变换器电流I的瞬时值低于容许或允许值时输出脉冲信号；电流检测器11，用作第一电流检测装置以检测系统电流I0；高速判定电路12，用作故障判定装置以根据电流检测器11检测到的系统电流I0判定系统故障，从而当判定出发生系统故障时输出判定信号S；开关12a，响应于输入的判定信号S改变其触点位置以使对于电力变换器3C的零输出电压命令E0有效，而在其它情况下其触点位于从正常输出电压命令电路14(它用作输出电压命令装置)接收正常输出电压命令Ev；脉冲产生电路15，它响应于开关12a提供的零输出电压命令E0，选择用于每个周期产生单个门脉冲(单个脉冲)的第一三角波信号，而响应于通过开关12a输入的正常输出电压命令Ev，选择用于每个周期产生多个门脉冲(多个脉冲)的第二三角波信号，通过把选出的第二三角波信号与表示输出电压命令的控制电压比较，以产生PWM(脉宽调制)门脉冲PG；以及AND(与)电路9，它向应于电流判定电路8的脉冲信号P的输入，把从脉冲产生电路15输出的门脉冲PG用作启动信号3c1S至3c4S，分别使GTO开关元件3c1至3c4(诸如控制极关断可控硅)接通。在此处应当提及的是，电流判定电路8、AND电路9和脉冲产生电路15共同工作，构成控制信号输出装置。
下面，描述根据本发明的本实施例的电力变换器保护装置的工作情况。如上所述，串联变压器2a、2b和2c分别串联地插入电力系统1的相线1a、1b和1c。因此，在每个串联变压器2a、2b和2c的次级绕组侧感应出其值由匝数比来决定的变换器电流I。所以，串联变压器(用参考号2表示)以与电流互感器相似的方式工作。在上述的电力变换器系统中，通过电力变换器3A、3B和3C产生和控制正交于系统电流的AC电压等效于分别在电力系统的输电线中插入可变阻抗元件，以确保电力系统的稳定性。
现在参见图2的时序图描述电力变换器3C(它也代表了其它的电力变换器3A和3B)的工作情况，假设电力系统处于正常的状态。只要高速判定电路12根据电流检测器11检测到的变换器电流I没有检测出在电力系统1内出现故障，开关12a就响应于判定信号S改变其触点位置，使其连接到正常输出电压命令电路14上，把基于正常输出电压命令Ev的控制电压通过开关12a输入至脉冲产生电路15。
脉冲产生电路15把控制电压与预先选出的第一三角波电压比较，分别向GTO开关元件3c1，3c2，3c3和3c4输出各自包含一个脉冲的启动信号3c1S，3c2S，3c3S和3c4S，其定时如图2所示。在四个启动信号3c1S和3c4S中，在一侧的启动信号(门信号)3c1S和3c2S与开启信号(门信号)3c3S和3c4S对于有电平时段(工作时段)的相位分别相互偏移180°，并且，彼此呈相斥关系。启动信号3c1S至3c4S有相同的脉宽。
更具体地说，把启动脉冲的脉宽以及其输出定时确定成防止属于变换器电桥电路的同一臂的GTO开关元件3c1和3c2同时接通，以防止在DC线上发生短路故障。而且，为根据正常输出电压命令Ev产生输出电压V，启动信号3c2S和3c4S的相位彼此偏移。结果，在一侧上的启动信号(门信号)3c2S和3c4S和在另一侧上的启动信号(门信号)3c1S和3c3S的相位在开启信号输出周期期间彼此重叠一段预定的时间。
响应于启动或门信号3c1S至3c4S GTO开关元件3c1至3c4分别接通，分别产生正极性和负极性的DC电压。因此，产生与正常输出电压命Ev相适应的变换器输出电压V。通过增加或减少在一侧上的启动信号3c1S和3c4S与在另一侧上的开启信号3c2S和3c3S彼此叠加的输出时段可以实现对变换器输出电压V的控制。
向GTO开关元件3c1至3c4分别输出启动信号3c1S至3c4S，其定时如图2所示，GTO开关元件3c1至3c4反复地接通和断开。GTO开关元件每次断开时，变换器电流I在该时刻的电流值上中断。在启动信号为单个门脉冲的情况下，变换器电流I在如图2所示的电流值上中断。然而，如果启动信号由多个门脉冲组成，则GTO开关元件3c1至3c4分别在对应于门脉冲的时刻反复接通和断开。
当发生系统故障，有幅度比额定电流大几倍的系统电流I0流过时，有相应较大的变换器电流I流过各电力变换器3A、3B和3C(下文也用参考号3集中表示电力变换器)，该电流由串联变压器2a，2b和2c(也用数字2集中表示)的匝数比来决定。在这种情况下，当GTO开关元件3c1至3c4随着各自包含多个脉冲的启动信号反复接通和断开而不管其幅度的瞬时值如何而中断或切断系统电流时，可能造成这样一种情形，当系统电流I0超过GTO开关元件允许的电流(即，电流范围或电流容量)，并且到达电力变换器3的保护电平时，电力变换器3将停止工作或者不能中断系统电流I0，结果，串联变压器2处于无负荷状态，在各个串联变压器的次级绕组上产生过电压。
下面，参照图3的时序图描述系统故障发生时进行的保护电力变换器的工作情况。高速判定电路12根据电流检测器11检测到的系统电流I0的值判定是否发生系统故障。如果确定为系统发生故障，判定信号S将使开关12a改变其触点位置，使对应于零输出电压命令E0的控制电压输入到脉冲产生电路15。响应于零输出电压命令E0，在脉冲产生电路15内，把用于产生多脉冲信号的第二三角波电压改变为用于产生单脉冲启动信号的第一三角波电压。
因此，脉冲产生电路15通过把控制电压与第一三角波电压比较，产生PWM单脉冲信号。如图3所示，在变换器电流I的瞬时值变成接近于零，并且落入允许的电流范围内时，电流判定电路8向AND电路9输出一高电平脉冲信号P。
因此，当变换器电流I落入允许的电流范围内时，AND电路9向电力变换器3C输出一个由脉冲产生电路15提供的脉冲，作为启动信号3c1S至3c4S。在图3中，与出现系统故障时的变换器电流I一起，分别示出了GTO开关元件3c1至3c4的启动信号3c1S至3c4S。如从该图中所能看到的，GTO开关元件3c1和3c4同时接通和断开，而GTO开关元件3c2和3c3彼此同时接通和断开。因而，在一侧上的GTO开关元件3c1和3c4之间和在另一侧上的GTO开关元件3c2和3c3之间不会发生接通时段(on-period)(即，GTO开关元件导通的时段)的重叠。因此，变换器输出电压V值为零。结果，在电力变换器3C中，只有续流模式生效，从而使变换器电流I流过分别与GTO开关元件3c1至3c4逆向并联连接的续流二极管。
虽然在系统故障状态时变换器电流I相应于系统电流I0可能呈现较大的值，但每个GTO开关元件3c1至3c4在变换器电流I接近于零时也被接通和断开。因此，能避免过电流中断。此外，通过采用能承受短时间(例如4至8个周期)故障电流的GTO开关元件，实际上就不会出现问题。上述的情况相当于从电力系统侧看时，在串联变压器的次级绕组内发生短路。因而，与串联变压器相联系不需要分别额外提供高速分流电路就能保护电力变换器。
如上述很显然，借助于根据本发明的第一个实施例的保护装置的结构，能保护电力变换器免于因出现系统故障时的大电流而停止工作和/或损坏。而且，因为能通过续流二极管分流或旁路故障电流(即，电力系统发生故障时流动的电流)，所以不仅不必为串联变压器2提供分流电路，而且，能在故障排除时立即恢复操作。因此，能实现具有高可靠性和价廉的保护装置。实施例2在根据本发明的第一实施例的电力变换器保护装置中，假设每个GTO开关元件3c1至3c4的容量能承受故障电流4至8个周期。因而，除非在该期间消除或排除故障，否则可能超出GTO开关元件3c1至3c4对故障电流的承受能力。
在这种情况下，根据在第二实施例中体现的本发明提出，除了第一个实施例的保护装置的功能之外，还提供一种功能，把流过GTO开关元件3c1至3c4内的电流抑制在允许的导通电流范围内。
图4是根据本发明的第二个实施例的电力变换器保护装置的结构的示意性电路图。在该图中，与图1中所用的参考符号相同的参考符号表示与图1中所示相同或等效的部件。参见图4，断路器4连接在每个电力变换器3的AC输出线之间。而且，另外还设置了一个延时电路16，它用于在指示系统故障情况的判定信号S消失时输入断路器控制信号Sc。
下面参照图5的时序图通过举一个具有代表性的电力变换器3C的例子来解释根据本发明的本实施例的电力变换器保护装置的工作情况。在系统正常运作时，响应于多脉冲启动信号，电力变换器3C的每个GTO开关元件3c1至3c4反复地接通和断开，从而产生与正常输出电压命令Ev相应的变换器输出电压V。在这种情况下，如果高速判定电路12判定出现系统故障，根据图5所示时刻的零输出电压命令E0，用单脉冲启动信号代替多脉冲启动信号，加到GTO开关元件3c1至3c4上，从而把变换器输出电压设置为零。
此时，也把由高速判定电路12产生的系统故障指示判定信号S输入至延时电路16。当该系统故障指时判定信号S在一预定时段(4至8个周期)内连续输入到延时电路16时，延时电路16向断路器4发出断路器控制信号Sc，以接通断路器4。因此，电力变换器电流I流过断路器4而使电力变换器3C旁路，其结果是流过电力变换器3C的电流I变为零。因此，能把GTO开关元件在其断开时的电流抑制在允许的电流范围内。由于变换器电流I变为零，所以能通过从这些开关元件或GTO可控硅清除门脉冲来断开各GTO开关元件3c1至3c4，使其处于非导通状态。
其后，一旦消除了系统故障，只要通过相应地控制零输出电压命令E0来从延时电路16清除断路器控制信号Sc，就能使电力变换器3C的GTO开关元件3c1至3c4反复接通和断开。然后，由操作使断路器4释放，允许变换器电流I流过电力变换器，恢复与正常输出电压命令Ev相应的操作。
如上述很显然，根据本发明的前一实施例，在电力变换器保护装置中另外包括了在系统故障在较长期间持续存在的情况下支撑电力变换器保护操作的功能。保护操作支撑功能能廉价地实现，这是因为并不需要安装有大电流容量的装置，就能应付电力系统内的故幛或非正常情况。实施例3在根据本发明的第一和第二实施例的电力变换器保护装置中，用把电力变换器的输出电压设置为零的操作允许电流流过各GTO开关元件3c1至3c4。然而，在发生系统故障时使GTO开关元件断开可以旁路串联变压器的次级绕组，产生基本上与根据上面的实施例的电力变换器保护装置中相同的效果。
图6是示出根据本发明的第三实施例的电力变换器保护装置的结构的电路图。在该图中，与图1中使用的相同的参考符号表示与图1中所示相同或等效的部件。参见图6，设置了一个高速半导体开关10，它由一对诸如可控硅等高速半导体开关元件彼此逆向并联构成，还设置了一个高速判定电路17，用作故障判定装置，向高速半导体开关10输出启动或者门信号SG，使高速半导体开关10接通，而当判定出电力系统1中出现故障时，产生断开信号，使电力变换器3C的各GTO开关元件3c1至3c4断开。
现在，用变换器3C代表其它变换器来解释根据本实施例的电流变换器保护装置的工作情况。高速判定电路17根据电流检测器11检测到的系统电流I0判定是否有系统故障发生。如果确定发生了系统故障，则高速判定电路17向高速半导体开关10提供启动或者门信号SG，使其闭合，同时，向电力变换器3C的各GTO开关元件3c1至3c4提供断开信号，以断开GTO开关元件3c1至3c4。
上述操作的结果是系统故障电流换向流到高速半导体开关10，旁路了电力变换器3C。因此，电力变换器3C的变换器电流I变为零。此外，还能把流过GTO开关元件的电流抑制在因其断开而允许的范围内。这样，如果流过大系统电流I0的时间间隔由于某些原因而延长时，GTO开关元件3c1至3c4也能断开，而不会失效，因为变换器电流I为零。在电力系统恢复到正常状态之后，高速判定电路17按图3所示的定时关系控制各GTO开关元件3c1至3c4接通/断开，从而把输出电压控制为零，同时断开高速半导体开关10。电力变换器重新开始工作。如上所述，能以紧凑和简单的结构廉价地实现使系统故障电流绕过电力变换器的装置。实施例4在根据上述的本发明第三实施例的电力变换器保护装置中，在串联变压器2的次级绕组侧设置了高速半导体开关10，以使系统故障电流旁路串联变压器2的次级绕组。然而，如果由于某些原因而使电力系统的故障状态延续时，则可能产生这样一种情况，即高速半导体开关10的电流容量不再能容纳故障电流。为了应付这种情况，可以采用这样一种构造，故障电流在延长的时间间隔内持续流动时，使流过高速半导体开关10的故障电流转向流到有大的电流容量的断路器中。本发明的第四实施例中就采用了这种结构。
图7是示出根据本发明的第四实施例的电力变换器保护装置的构造的电路图。在该图中，与图6中使用的相同的参考符号表示与图6中所示相同或等效的部件。参见图7，断路器4与高速半导体开关10并联连接。设置有一个延时电路16，它响应于在系统故障电流持续流动超过一预定时间间隔高速判定电路17时输出的信号，向断路器4输出一断路器控制信号Sc，而在电力系统消除了故障时清除断路器控制信号Sc。
现在以电力变换器3C作为代表，描述根据本发明的本实施例的电力变换器保护装置的工作情况。高速判定电路17根据电流检测器11检测到的系统电流I0高速判定在电力系统中是否出现故障事件。如果确定发生了系统故障，高速判定电路17向高速半导体开关10输出门信号SG，使其闭合，同时向电力变换器3C的各GTO开关元件3c1至3c4输出断开信号，把这些开关元件设置到断开状态(非导通状态)。
如果系统故障持续存在超过一预定时间间隔，则延时电路16输出断路器控制信号Sc，闭合断路器4。因此，断路器4分流了变换器电流。在消除了故障之后，高速判定电路17对各GTO开关元件3c1至3c4进行接通/断开控制，以控制输出电压为零，当恢复正常操作时，清除延时电路16输出的断路器控制信号Sc，断开断路器4。
采用上述的电路结构，能用简单的结构分流系统故障电流，而不用需要较大冷却能力的冷却机构的大电流容量高速半导体开关。实施例5在根据上述的第四实施例的电力变换器保护装置中，高速半导体开关10和断路器4分别并联连接到串联变压器的次级绕组上，一旦电力系统中发生故障，在变换器电流I过度增大之前使它转向流到高速半导体开关10，此后，使变换器电流I流到断路器4而旁路高速半导体开并10，由此断开GTO开关元件。
然而，如果不仅由于发生系统故障时而且由于电力变换器3本身的故障使GTO开关元件断开时，可能产生这种情况，即串联变压器2的次级绕组侧断开，出现过电压。此外，一旦在断路器4内发生故障，串联变压器的次级绕组侧将断开，在次级绕组上产生过电压。
图8是示出了根据本发明的第五实施例的电力变换器保护装置的结构的电路图，它被设计束解决了上面提到的问题。在图8中，相同的参考符号表示与前述实施例中所描述的的相同或等效的部件。如从图8中所能看到的，设置了一个放电器13，它与断路器4一起并联连接在串联变压器2的次级绕组上。现在，假设高速判定电路18根据变换器11的输出信号确定发生了系统故障，则判定电路18输出断路器控制信号Sc，响应于该信号，断路器4闭合，使变换器电流I流过断路器4，同时使GTO开关元件3c1至3c4断开。
此时，如果串联变压器2的次级电路由于电力变换器3的故障而断开，或者在电力变换器3处于断开状态之后断路器4由于某些原因仍不能闭合，则将会产生过电压。然而，因为如上所述，设置了放电器13，把过电压限制到预定的电平，因而能保护电力变换器3不被施加上过电压。
如上所述很显然，通过提供了一个与断路器4一起并联连接到串联变压器2的次级绕组上的放电器13，一旦出现了系统故障，断路器4能在放电器13所要求的限定的时间内进入工作状态。换句话说，由于如上所述，在电力变换器3的保护装置中采用了放电器13和断路器4的组合，所以能有效地抑制加到电力变换器3上的过电压。实施例6在前面的实施例1至5中，描述是针对克服系统故障的旁路电路进行的。然而，还希望采取措施防止电力变换器的故障对电力系统产生不利的影响。更具体地说，让我们假设电力变换器的电桥电路的上臂和下臂上连接的GTO开关元件不工作在导通状态，在相应的DC输入线上发生短路故障。在这种情况下，电力系统将受到不利的影响。为了解决这一问题，根据由第六实施例实现的本发明提出，提供一种冗余保护系统，在该系统中为每根输电线设置多个电力变换器，把有故障的电力变换器从系统上断开，而使其它正常的电力变换器继续工作。
图9是示出了根据本发明的第六实施例的电力变换器保护装置的结构的电路图。如从该图中所能看到的，分别串联插入到相线1a至1c内的各串联变压器的次级绕组被分成n级或n个绕组段，在n个绕组段的每段上连接一个附加的电力变换器。换句话说，各相线1a至1c上连接有n个电力变换器。
把分别连接到串联变压器2a至2c的同一级的次级绕组段(如，2a1，2b1，2c1)上的电力变换器的正输入线连在一起，然后通过保险丝连接到DC电容器6的一端上，相应的负输入线也连在一起，然后连接到DC电容器6的另一端上。而且，在每个电力变换器中，有电流检测线圈C分别绕在连接上GTO开关元件对和下GTO开关元件对(如，3c1和3c2；3c3和3c4)的连接线上。
如果有短路电流流过电流检测线圈C，在电流检测线圈C上将出现电压。如果短路检测器19检测到该电压，向短路判定电路20输入一故障检测信号Ss，它可以识别出段有一出现故障的电力变换器3与其连接的次级绕组。相应地，短路判定电路20向强制启动电路21发送短路检测信号Ss，以把启动信号提供给所有的连接到与连接有出故障的电力变换器的次级绕组段同一级的次级绕组段的所有的电力变换器的GTO开关元件。
顺便提一下，与电力变换器DC输入线并联连接的DC电容器6的容量通常较大，这意味着DC电路的阻抗较小。因此，如果在构成电力变换器的GTO开关元件中级联地发生短路故障，那么，将有较大的电流流过串联电路，使它不可能保护GTO开关元件。
现在，根据本发明的本实施例描述电力变换器保护装置的工作情况。假设在变换器3C-1的GTO开关元件3c1和3c2中同时级联地发生短路故障，变换器3C-1连接到串联连接在相线1c上的串联变压器2c的第一级次级绕组段2c1上，相应的短路电流流过电流检测线圈C，在该线圈C上感应出电压。短路检测器19检测出该电压，以识别信号的形式向短路判定电路20提供短路检测信号Ss，它识别出串联变压器2c的第一级次级绕组段上连接有出现短路故障的电力变换器3C-1。
然后短路判定电路20根据短路检测信号Ss进行判定，从而识别出连接有出现级联短路故障的电流变换器3c1的次级绕组2c1的级。当判定出在在连接到第一级次级绕组2c1段上的电力变换器3C-1内发生短路故障时，触发活强制启动电路21，以把启动信号提供给连接到分别串联插入三相电力线的串联变压器(2a，2b和2c)的第一级次级绕组段(2a1，2b1，2c1)的所有的GTO开关元件。
在这种方法中，当DC短路故障发生在处于所属于一个桥臂的GTO开关元件都导通的状态下发生在该桥臂内时，将启动连接到同一级次级绕组段上的电力变换器的所有的GTO开关元件，以按照函数I2t(其中，I表示电流，t表示经过的时间)增大流过保险丝5a的电流，以便在它超过GTO开关元件允许的电流容量之前用短路电流熔断保险丝5a。一旦熔断了保险丝5a，连接到插入三相输电线的串联变压器的第一级次级绕组段的电力变换器与DC电容器6断开。通过强制接通所有的GTO开关元件，串联变压器2的次级绕组进入短路状态。然而，流过副线圈的次级绕组电流被限制在变压器匝数比决定的值。因此，防止了过电流的出现。
在这种方法中，如上所述，通过把每个串联变压器的次级绕组分成n段，并在各电力变换器(3A，3B，3C)中保险丝5a和强制启动电路21的组合采用，能确保对电力变换器的GTO元件的保护。而且，在发生短路故障时，连接到与出现短路故障的电力变换器同级的次级绕组段的电力变换器与DC电容器断开，并且与其它(n-1)个次级绕组段相连的电力变换器仍继续维持系统工作。因此，能用低的代价以不大的外壳实现高可靠性的有冗余构造的电力变换器保护装置的。
上面结合与第一级次级绕组段(2a1，2b1，2c1)相连的电力变换器作了描述。然而，不言而喻，对与任一级次级绕组段相连的电力变换器用具有冗余度的相同电路构造都能确保其保护作用。实施例7在根据本发明的第六实施例的电力变换器保护装置中，当在与串联变压器中给定级的次级绕组段相连的电力变换器中发生级联短路故障时，将启动所有连接到与给定的次级绕组段同级的段上的所有的电力变换器的GTO开关元件，熔断保险丝5a，以把连接到上述次级绕组段上的所有电力变换器3从DC电路上断开，保护GTO开关元件。
但，在这种连接方式中，可以注意到，即使把出现级联短路故障的电力变换器与DC电路断开，过大的短路电流仍能从相关联的串联变压器的次级绕组流至出现短路故障的电力变换器中，因而可能损坏正常的GTO开关元件。因此，需要防止短路电流流至电力变换器中。此外，更好的做法是中断流过电力系统的电流以从电力系统中去除出现短路故障的电力变换器。
图10是示出根据本发明的第七实施例的电力变换器保护装置的结构的电路图，它被设计成易于对电力变换器进行维护。在图10中，与图9中所用的相同的参考符号表示相同或等效的部件。参见图10，在每个电力变换器的DC线内插入一个隔离开关23。而且，在电力变换器3的AC输出线和次级绕组之间插入一个隔离开关24，同时，与次级绕组并联连接一个断路器4。相应地，设置一个延时电路，一旦在短路检测信号Ss输入到短路判定电路20之后过了一段预定时间，就把断路器控制信号Sc从短路判定电路20提供给断路器4。与连接到各次级绕组段上的各电力变换器相关联，提供隔离开关23和24、断路器4以及延时电路22。
下面，根据本发明的本实施例，以电力变换器3C-1作为代表性的例子来描述电力变换器保护装置的工作情况。例如，假设在连接到插在相线1c中的串联变压器2c的第一级次级绕组段2c1上的变换器中发生级联短路故障。那么，通过如上所述的短路判定电路20和强制启动电路21的协同工作，把连接到所有串联变压器(2a，2b，2c)的第一级次级绕组段上的电力变换器3设置成导通状态，使相关联的保险丝5a熔断，分别把连接到第一级次级绕组段(2a1，2b1，2c1)上的所有电力变换器3断开。
在这种情况下，当出现级联短路故障的电力变换器3C-1，处于与副线圈相连的状态时，大的短路电流可能流到该电力变换器中，损坏其正常的GTO开关元件。因此，当短路判定电路20的短路检测信号Ss在超过预定的时间内持续输入时，延时电路22把断路器控制信号Sc提供给与出现级联短路故障的电力变换器的AC输出侧相连的断路器4，从而使相关联的次级绕组(2c1)短路。结果，能使短路电流转向流过断路器4，同时旁路出现短路故障的电力变换器。
再者，通过在出现短路故障的电力变换器的DC输入侧和AC输出侧插入隔离开关23和24来把出现故障的电力变换器从电力系统断开，有可能在维持电力系统的运行时修理电力变换器。实施例8如前所述，在根据本发明的第七实施例的电力变换器保护装置中，当级联短路故障发生在与串联变压器的副线圈段相连的某一个电力变换器内时，连接到与出现故障的电力变换器相连的次级绕组段相同级的次级绕组上的所有电力变换器的GTO开关元件都导通，使保险丝5熔断，把上述所有的电力变换器与DC电路断开，以保护GTO开关元件。再者，通过闭合断路器来防止短路电流流入出现故障的电力变换器。
这种结构的电力变换器保护装置最好设置一个如上而结合本发明的第一实施例所述的保护电力变换器免受系统故障的装置。图11是示出根据本发明的第八实施例的电力变换器保护装置的结构的电路图，它包括一短路故障保护电路和一系统故障保护电路。在图11中，与图1和图10中所用的相同的参考符号表示相同或等效的部件。参见图11，设置了一个断路器闭合命令电路25，它根据高速判定电路12提供的判定信号S或短路判定电路20提供的短路检测信号Ss向断路器4输出一个带有预定延时的断路器控制信号Sc。
在高速判定电路12检测到系统故障时，响应于如图3所示的时序零输出电压命令E0，向GTO开关元件3c1至3c4输出启动信号3c1S至3c4S，把电力变换器输出电压设置为零。
在这种情况下，高速判定电路12也把故障判定信号S提供给断路器闭合命令电路25。当故障判定信号S持续存在超过预定时间(例如，在4至8个周期范围内)时，把断路器控制信号Sc输出至断路器4，使断路器4闭合。因此，变换器电流I转向流入断路器4，使流到电力变换器3的电流变为零。在这种方法中，能把在GTO开关元件断开时流过的电流抑制在开关元件允许的电流容量内。
另一方面，当在连接到插入相线1c内的串联变压器2的第一级次级绕组段2c1的电力变换器3内发生级联短路故障时，通过短路判定电路20和强制启动电路21的协同工作，熔断保险丝5a，使连接到所有串联变压器2的第一级次级绕组段的电力变换器3导通，从而把所有与串联变压器2的第一级次级绕组段相连的电力变换器3与DC电路断开。
再者，当在一预定时间内短路判定电路20的短路检测信号Ss持续作用于断路器闭合命令电路25时，把断路器控制信号Sc提供给与出现级联短路故障的电力变换器的AC输出电路相连的断路器4，使断路器4闭合以旁路该次级绕组段。其结果是，能使短路电流转向流过断路器4，同时旁路电力变换器。
如上所述很显然，把根据第一实施例的电力变换器保护装置与根据第七实施例的电力变换器保护装置的结构相组合，能保护电力变换器免受次级绕组故障和短路故障，使系统继续运作。实施例9至此所描述的本发明的第一至第八实施例适用于保护与电力系统串联的电力变换器。然而，根据本发明的电力变换器保护装置还能用于保护与电力系统并联连接的电力变换器。
图12是用于与电力系统并联连接的电力变换器的电力变换器保护装置的电路图。除了把次级绕组分成n段之外，按照本发明的本实施例的电力变换器保护装置与第六实施例不同。当在与电力系统并联连接的电力变换器3中某一个变换器中发生级联短路故障时，短路检测器19检测出该故障。短路判定电路20根据短路电路检测器19提供的短路检测信号Ss确定或与出现级联短路故障的变换器相连的次级绕组段的级。根据判定的结果，强制启动电路21向连接到与出现短路故障的变换器相连的次级绕组段同级的次级绕组段的所有的变换器产生启动信号3c1S至3c4S。对于这种结构，能获得与前面结合第六实施例所述相似的有益效果。实施例10图13是用于与电力系统并联连接的电力变换器的电力变换器保护装置的示意性电路图。除了把次级绕组分成n段之外，根据本发明的本实施例的电力变换器保护装置与第七实施例不同。举例来说，在运行时，假设在与并联变压器的第一级次级绕组段相连的电力变换器3内发生级联短路故障，那么，与所有的变压器的第一级次级绕组段相连的所有的电力变换器的GTO开关元件都接通，从而使保险丝5a熔断，导致与第一级次级绕组段相连的所有的电力变换器3都与各自的DC电路断开。
在这种情况下，当出现级联短路故障的电力变换器3C处于与次级绕组相连的状态时，短路电流将从次级绕组流到该电力变换器3中，可能损坏电力变换器3的正常的GTO开关元件。因此，当短路判定电路20的短路检测信号Ss在预定的时间内持续输入时，延时电路22把断路器控制信号输出给与出现短路故障的电力变换器3的AC侧相连的断路器4，从而使断路器4旁路次级绕组。结果，短路电流转向流过断路器4，同时旁路出现短路故障的电力变换器。
此外，通过断开分别插入到出现故障的电力变换器的DC输入侧和AC输出侧的隔离开关23和24，有可能在维持电力系统的运行时修理电力变换器。
在根据本发明的第九和第十实施例的电力变换器保护装置中，在(n-1)个绕组段上施加有系统电压。因此，通过预先在考虑到有高至系统电压(n/n-1)倍的电压加到电力变换器和变压器上的事实进行了设计，使电力变换器保护装置带有冗余度，所以能以低的代价实现高可靠性的电力变换器保护装置。
通过详细的描述，本发明的许多特征和优点已经很明显，因此，用所附的权利要求书来覆盖落入本发明精神实质和范围内的这些系统的所有特征和优点。而且，由于对于本技术领域的技术人员来说，能容易地作出许多变化和组合，所以不能把本发明限制在由图和文字描述所确定的结构和工作方式中。
举例来说，虽然假设按照本发明，电力变换器保护装置用于三相电力系统，但逆变器同样也可以应于其它供电系统或电源中。此外，虽然假设用DC电容器构成DC电路，它也可以用自激励型BTB来代替，获得基本上相同的有益效果。
因此，所有可以得到的适当的变化和等效都落入本发明的精神和范围内。
权利要求
1.一种用于电力系统的电力变换器保护装置，其特征在于，包含串联变压器，分别串联连接到电力系统的相线上；电力变换器，分别连接到所述串联变压器的次级绕组上；第一电流检测装置，检测流过所述相线的系统电流；第二电流检测装置，分别检测从所述变压器的所述次级绕组流到所述电力变换器的变换器电流；故障判定装置，在根据所述系统电流判定出在所述电力系统内出现系统故障时输出故障判定信号；输出电压命令装置，在接收到所述故障判定信号时发出输出零电压命令；以及控制信号输出装置，响应于在出现所述系统故障期间检测到的变换器电流下降到低于所述电力变换器允许的断路电流时刻的所述输出零电压命令，向所述电力变换器提供控制信号，把所述电力变换器的输出设置成零。
2.如权利要求1所述的电力变换器保护装置，其特征在于，进一步包含断路器，与所述变压器的每个次级绕组并联连接；和延时电路，一旦在预定的时间间隔内从所述故障判定装置连续地接收到所述故障判定信号就向所述断路器输出闭合信号。
3.一种用于电力系统的电力变换器保护装置，其特征在于，包含串联变压器，分别串联连接到电力系统的相线上；电力变换器，分别连接到所述串联变压器的次级绕组上；半导体开关元件，分别与所述次级绕组并联；第一电流检测装置，分别检测流过所述相线的系统电流；故障判定装置，在根据所述电流检测装置检测到的系统电流判定出出现系统故障时向所述半导体开关元件输出接通信号，同时向所述电力变换器输出断开信号。
4.如权利要求3所述的电力变换器保护装置，其特征在于，进一步包含断路器，与各所述串联变压器的所述次级绕组并联连接，和延时电路，一旦在预定的时间间隔内从故障判定装置连续地接收到所述故障判定信号就向所述断路器输出闭合信号。
5.如权利要求1所述的电力变换器保护装置，其特征在于，进一步包含放电器，与各所述串联变压器的次级绕组相关联，用以防止过电压施加于所述电力变换器上。
6.一种用于电力系统的电力变换器保护装置，其特征在于，包含串联变压器，其原绕组分别与电力系统的相线串联连接，每个所述串联变压器的次级绕组被分成多个绕组段；电力变换器组，为所述电力系统的相线分别设置，分别连接到所述串联变压器的次级绕组段上，其中，把分别连接到为所述相线设置的所述串联变压器的同一级次级绕组上的电力变换器的DC输入线连接在一起，并分别通过保险丝引至DC电容器上；短路检测装置，分别与所述电力变换器相关联；短路判定装置，根据所述短路检测装置输出的短路检测信号，确定出连接到出现短路故障的电力变换器上的次级绕组段；以及，强制启动电路，响应于在某一个所述电力变换器中发生短路故障的判定，而熔断保险丝，该保险丝与为相线而设置的电力变换器的DC输入线连接在一起，并分别连接到与出现短路故障的所述某电力变换器连接的次级绕组段相级的次级绕组上。
7.如权利要求6所述的电力变换器保护装置，其特征在于，进一步包含断路器，分别与所述串联变压器的次级绕组并联；和延时电路，每个延时电路被设置成在所述短路判定装置判定出短路故障之后使提供给相关的断路器的闭合信号延时一段预定的时间。
8.如权利要求7所述的电力变换器保护装置，其特征在于，包含串联变压器，分别与电力系统的相线串联；电力变换器，分别连接到所述串联变压器的次级绕组上；第一电流检测装置，检测流过所述相线的系统电流；第二电流检测装置，分别检测从所述次级绕组流到所述电力变换器的变换器电流；故障判定装置，当根据所述检测到的系统电流判定出出现系统故障时输出判定信号；输出电压命令装置，在接收到所述故障判定信号时发出一个零输出电压命令；控制信号输出装置，响应于在所述系统故障发生期间检测到的变换器电流下降到低于所述电力变换器允许的断路电流时刻的所述零输出电压命令，控制提供给所述电力变换器的控制信号，把电力变换器的输出设置为零；以及延时装置，在所述判定装置判定出电力变换器内的短路故障之后或者在所述故障判定装置判定出发生系统故障之后分别向与串联变压器的次级绕组并联的断路器输出带有一预定延时的闭合信号。
9.如权利要求7所述的电力变换器保护装置，其特征在于，进一步包含隔离开关，各隔离开关串联插入各所述电力变换器的DC输入线和AC输出线内。
10.如权利要求1所述的电力变换器保护装置，其特征在于，所述电力变换器保护装置可以设计成保护与电力系统并联连接而不是串联连接的电力变换器免于系统故障和/或短路故障。
全文摘要
一种电力变换器保护装置，包括串联变压器；电力变换器，检测系统电流的电流检测器，检测变换器电流的；高速判定电路，在根据系统电流判定出出现系统故障时输出判定信号；开关，在接收到故障判定信号时发出零输出电压命令，以及脉冲产生电路，响应于零输出电压，控制提供给电力变换器门脉冲信号，把电力变换器输出设置为零。
文档编号H02H7/10GK1139307SQ96101920
公开日1997年1月1日 申请日期1996年1月18日 优先权日1995年6月27日
发明者村上升太郎 申请人:三菱电机株式会社