具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，三电平电压源型变流器单相桥臂由四个全控型器件IGCT(T_a1、T_a2、T_a3和T_a4)及其反并联二极管(D_a1、D_a2、D_a3和D_a4)串联组成，D_a5和D_a6为钳位二极管，L_a1-D_a7-R_a1-C_a1和L_a2-D_a8-R_a2-C_a2为缓冲吸收回路，C₁和C₂为中点钳位电容。变流器正常工作时，T_a1、T_a2、T_a3和T_a4相邻两个IGCT器件依次导通，当某个IGCT误导通时，同一桥臂相邻三个IGCT同时导通，与直流侧电容构成闭合回路，短时间内产生极大的脉冲电流。

如图1所示，以三电平电压源型变流器单相上桥臂三个IGCT(T_a1、T_a2和T_a3)同时导通为例，假设电流由电容C₁流向正母线方向为正。当电容C₁正向放电时，故障电流路径为C₁-L_a1-T_a1-T_a2-T_a3-D_a6-C₁，如图1虚线所示；当电容C₁反向放电时，故障电流路径为C₁-D_a5-D_a1-L_a1-C₁，如图1实线所示。

如图2所示，一种适用于大功率电压源型变流器的快速保护电路，直流侧电容C₁处保护电路由熔断支路和泄能支路并联组成，第一熔断支路由快速熔断器Fuse1与直流侧电容C₁串联组成；第一泄能支路由晶闸管开关V₁和续流二极管D₁反并联后，再与泄能电阻R₁串联组成。直流侧电容C₂处的保护电路同理。其中，泄能电阻R₁并联在电容C₁支路两端，晶闸管V₁串联在R₁支路，V₁正极与正母线连接，V₁负极与R₁连接，二极管D₁与晶闸管V₁反并联。

保护电路中快速熔断器Fuse1选型，主要涉及2个参数。

参数1：额定电压U_N。快速熔断器额定电压的选择应该略大于电容电压额定值并保留一定裕量。快速熔断器的额定电压理论计算由式(1)确定；

U_N≥U_NC (1)

其中：U_NC为电容额定电压。

参数2：额定电流I_N。实际应用中，快速熔断器的额定电流需要考虑环境温度、散热条件、连接件尺寸等因素的影响，为了简化，快速熔断器的额定电流理论计算由式(2)确定：

其中：I_RMS表示稳态时电容支路的电流均方根值；G表示不平衡系数；K_t表示环境温度校正系数，如果环境温度超过30℃，

θ_α表示环境温度；K_v表示冷却修正系数；K_b表示连接系数。

本发明的保护电路等效电路如图3所示，其中，u_dc表示电容电压；C₁表示直流侧电容；R₁表示泄能电阻；L表示短路桥臂等效电阻；R表示短路桥臂等效电感；i_C表示电容放电电流；i₁表示流过泄能电阻R₁的故障电流；i_f表示流过短路桥臂IGCT器件的故障电流。忽略泄能支路晶闸管导通时间，对新型保护电路进行校验，具体如下：

步骤1：故障仿真。

在MATLAB/Simulink中模拟该故障，设置故障在0时刻开始，晶仿真时间为10ms，仿真结果如图4所示。其中：i_C表示流经电容C₁处故障电流波形；i₁表示流经泄能电阻R₁支路故障电流波形；i_f表示流经短路桥臂IGCT器件处故障电流波形。

步骤2：快速熔断器开断能力校验。

快速熔断器的开断能力应该大于故障电流的最大有效值，即：

I_break＞I_p (4)

其中，I_break是快速熔断器的额定开断电流值，来自器件手册；I_p是最大预期故障电流有效值。

步骤3：快速熔断器电流平方时间积I²t校验。

对于IGCT半导体器件，存在关键参数电流平方时间积I²t，这也是IGCT器件损坏的判断标准。其判断标准为：

I²t_Fuse1＝k₁×I²t_Fuse1＜0.9×I²t_IGCT (5)

其中：k₁表示快速熔断器总I²t修正系数，来自器件手册；0.9为安全裕量，下标Fuse1表示针对第一熔断器fuse1的计算，第二熔断器同理。

步骤4：IGCT器件浪涌电流校验。

对于IGCT半导体器件，存在关键参数通态不重复浪涌电流I_TSM，这也是IGCT器件损坏的判断标准。其判断标准为：

I_fmax(tp)＜I_TSM (6)

其中：I_fmax(tp)表示快速熔断器的弧前时间t_p时刻对应的短路桥臂故障电流峰值；

步骤5：快速熔断器燃弧过电压校验。

快速熔断器燃弧时会产生超过供电电压的过电压，此电压必须小于IGCT器件的断态重复峰值电压V_DRM，防止IGCT器件损坏。其判断标准为：

V_arc＜V_DRM (7)

其中：V_arc表示快速熔断器实际工作电压对应的燃弧过电压，来自器件手册。

步骤6：实验验证。

如图5所示，设计对比实验电路，验证本发明保护电路的有效性。其中：e_s表示充电机，通过控制晶闸管开关V₃导通，实现对电容器组的充电；C₁表示电容器组；Fuse1表示快速熔断器；L、R分别表示电感、电阻负载；R₁表示泄能电阻。分别在快速熔断器Fuse1处、泄能电阻R₁支路以及负载支路安装电流传感器，测量三处的电流分别为i_C、i₁、i_f；在电容两端连接高压差分探头，测量其电压为u_dc。通过控制晶闸管开关V₁的导通与关断，可以实现泄能电阻支路的连接与断开。

实验参数如表1和表2所示。

表1实验电路相关参数

表2Ferraz公司70号管快速熔断器参数

实验1：快速熔断器常规保护电路。

首先控制晶闸管开关V₁断开，此时泄能电阻支路未连接；然后充电机e_s按照预先设定电压对电容器组C₁进行充电，等待充电完成；最后断开晶闸管开关V₃、开通晶闸管开关V₂，电容器组C₁和负载支路电阻电感RL形成二阶放电回路。快速熔断器Fuse1会正常熔断，测量此阶段的电容电压u_dc以及故障电流i_f(i_f＝i_C)的波形，可以得到快速熔断器的弧前时间t_p1和t_p1时刻对应的故障电流峰值I_f1(max)。

实验2：快速熔断器新型保护电路。

首先控制晶闸管开关V₁开通，此时泄能电阻支路连接到主电路；然后充电机e_s按照预先设定电压对电容器组C₁进行充电，等待充电完成；最后断开晶闸管开关V₃、开通晶闸管开关V₂，电容器组C₁同时对负载支路RL和泄能电阻支路进行放电。测量此阶段的电容电压u_dc以及故障电流i_C、i₁、i_f的波形，可以得到快速熔断器的弧前时间t_p2和t_p2时刻对应的故障电流峰值I_f2(max)。

如图6所示，快速熔断器常规保护电路故障波形。故障发生初期，故障电流i_f迅速上升，电容电压u_dc迅速降低，到达快速熔断器弧前时刻t_p1时，故障电流i_f迅速衰减，最终降为零。观察实验波形可以得到，快速熔断器弧前时间t_p1＝260us，故障电流峰值I_f1(max)＝6.15kA。

如图7所示，快速熔断器新型保护电路故障波形。故障发生初期，电容电压u_dc迅速降低，故障电流i_f从零开始迅速增加，故障电流i₁从最大值3.53kA开始衰减，故障电流i_C为i₁与i_f的叠加，由于泄能电阻R₁支路的分流作用，故障电流i_C初始值增大，从3.53kA迅速上升。在快速熔断器弧前时间t_p2时刻，由于快速熔断器变为高阻态，故障电流i_C和i_f迅速衰减到零。电感L由于续流作用，和电容器组C₁构成闭合回路1，和泄能电阻R₁、二极管D₁构成闭合回路2，所以故障电流i_f逐渐降为零，故障电流i₁先是反向增大，最终同步降为零。观察实验波形可以得到，快速熔断器弧前时间t_p2＝140us，故障电流峰值I_f2(max)＝4.05kA。

所以本发明的保护电路和常规保护电路相比较，快速熔断器弧前时间t_p由260us变为140us，负载支路的故障电流峰值I_f(max)由6.15kA变为4.05kA，都显著减小。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但是这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可以对不同电压源型变流器系统的结构、参数进行改变和应用，也可根据实际情况进行。