一种用于VSC的三相保护电路及方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107528295 A(43)申请公布日 2017.12.29

(21)申请号 201710908430.7(22)申请日 2017.09.29

(71)申请人 中国西电电气股份有限公司

地址 710075 陕西省西安市高新区唐兴路7

号(72)发明人 范伟强　王弋飞　李侠　李隆鹏　

万媛　党瑞　(74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任

公司 61200

代理人 李宏德(51)Int.Cl.

H02H 7/12(2006.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图2页

CN 107528295 A(54)发明名称

一种用于VSC的三相保护电路及方法(57)摘要

本发明提供一种用于VSC的三相保护电路及方法，能够对过流、过压、欠压和缺相实施保护，实用性强，能够高效保障VSC安全工作。所述三相保护电路包括三相调理电路和比较保护电路；比较保护电路的输入端连接三相调理电路，输出端输出保护动作信号FAULT。所述方法为：将采集的三相信号转换成控制板所能接受的交流信号；将三相交流信号通过三相调理电路后，输出信号为只有正值的六脉波信号，六脉波信号包含了一个周期内三相信号的正负共六个峰波；将调理后的六脉波信号接入比较保护电路的正极端和负极端，并调节第一电位器和第二电位器，设定各自保护阈值；比较保护电路输出保护动作信号FAULT接PWM信号的电平转换芯片的使能端。

CN 107528295 A

权　利　要　求　书

1/2页

1.一种用于VSC的三相保护电路，其特征在于，包括三相调理电路和比较保护电路；比较保护电路的输入端连接三相调理电路，输出端输出保护动作信号FAULT；

所述的三相调理电路用于将采集的三相信号整合为一个六脉波信号；六脉波信号包含了三相信号的正负峰值的绝对值；

所述的比较保护电路包括第一运算放大器U2A、第一运算放大器U2B和一对背靠背连接的二极管组DD4；

第一运算放大器U2A的负极端连接二极管组DD4的一端，正极端连接第一电位器，输出端经电阻R13与正极端连接；

第二运算放大器U2B的正极端连接二极管组DD4的另一端，负极端连接第二电位器，输出端经电阻R24与正极端连接；

二极管组DD4的中间接地，两端分别经电容C4和电容C5后接地；

第一运算放大器U2A的负极端经电阻R18后作为比较保护电路的负极端；第二运算放大器U2B的正极端经电阻R23后作为比较保护电路的负极端；第一运算放大器U2A的输出端经电阻R19后，与第二运算放大器U2B的输出端经电阻R22后连接输出作为比较保护电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种用于VSC的三相保护电路，其特征在于，比较保护电路的正极端和负极端连接同一个三相调理电路，或者各连接一个三相调理电路。

3.根据权利要求1所述的一种用于VSC的三相保护电路，其特征在于，所述的三相调理电路包括三相结构相同的第一、第二和第三调理支路，以及第三运算放大器U1D；

第一调理支路包括第四运算放大器U1A和一对串联连接的二极管组DD1，第四运算放大器U1A的正极端经电阻R4接地，负极端经电阻R2接入第一相信号，输出端连接二极管组DD1中间；二极管组DD1的一端连接第四运算放大器U1A的负极端，另一端经电阻R5连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD1的两端经电阻R3连接；第一相信号经电阻R1连接第三运算放大器U1D的负极端；

第二调理支路包括第五运算放大器U1B和一对串联连接的二极管组DD2，第五运算放大器U1B的正极端经电阻R10接地，负极端经电阻R8接入第二相信号，输出端连接二极管组DD2中间；二极管组DD2的一端连接第五运算放大器U1B的负极端，另一端经电阻R11连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD2的两端经电阻R9连接；第二相信号经电阻R7连接第三运算放大器U1D的负极端；

第三调理支路包括第六运算放大器U1C和一对串联连接的二极管组DD3，第六运算放大器U1C的正极端经电阻R20接地，负极端经电阻R16接入第三相信号，输出端连接二极管组DD3中间；二极管组DD3的一端连接第六运算放大器U1C的负极端，另一端经电阻R21连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD3的两端经电阻R17连接；第三相信号经电阻R15连接第三运算放大器U1D的负极端；

第三运算放大器U1D的正极端经电阻R14接地，负极端经并联的电容C1和电阻R6连接输出端，输出端输出六脉波信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于VSC的三相保护电路，其特征在于，第一电位器的一端连接电源VCC，中间端经电阻R12连接第一运算放大器的正极端，另一端经并联的电容C2和电容C3连接中间端。

2

CN 107528295 A

权　利　要　求　书

2/2页

5.根据权利要求1所述的一种用于VSC的三相保护电路，其特征在于，第二电位器包括的一端连接电源VCC，中间端经电阻R28连接第二运算放大器的负极端，另一端经并联的电容C6和电容C7连接中间端。

6.一种用于VSC的三相保护方法，其特征在于，基于权利要求1-5任意一项所述的三相保护电路，包括如下步骤，

步骤1，将采集的三相信号转换成控制板所能接受的交流信号；步骤2，将三相交流信号通过三相调理电路后，输出信号为只有正值的六脉波信号，六脉波信号包含了一个周期内三相信号的正负共六个峰波；

步骤3，将调理后的六脉波信号接入比较保护电路的正极端和负极端，并调节第一电位器和第二电位器，设定各自保护阈值；

步骤4，比较保护电路输出保护动作信号FAULT接PWM信号的电平转换芯片的使能端；当负极端接入信号的最大值小于对应设定阈值且正极端接入信号的最小值大于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT置位，高电平输出，允许PWM驱动信号输出；

当负极端接入信号的最大值大于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT清零，低电平输出，封锁PWM驱动信号输出；

当正极端接入信号的最小值小于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT清零，低电平输出，封锁PWM驱动信号输出；所述保护电路完成保护功能。

7.根据权利要求6所述的一种用于VSC的三相保护方法，其特征在于，步骤2中将三相交流信号通过三相调理电路，输出信号为只有正值的六脉波信号时；三相信号分别经过运算放大器和一对串联的二极管后，将单相信号中的负值信号反向为正值，此时正弦信号变成具有两个正向峰波的信号，然后将此三相信号再通过运算放大器整合，取其中瞬时最大值，将会被整合一个六脉波信号。

8.根据权利要求6所述的一种用于VSC的三相保护方法，其特征在于，六脉波信号的瞬时值等于此时刻三相信号幅值的最大值，其六个峰值等于三相信号的正负峰值，其最小值为两相信号的交点。

9.根据权利要求6所述的一种用于VSC的三相保护方法，其特征在于，六脉波信号包含了三相信号的正负峰值的绝对值，因此能够用于信号变大保护；六脉波信号得最小值是0.866倍的三相信号的峰值，故能够用于信号变小保护。

10.根据权利要求6所述的一种用于VSC的三相保护方法，其特征在于，所述的三相信号为三相电压信号和/或三相电流信号。

3

CN 107528295 A

说　明　书

一种用于VSC的三相保护电路及方法

1/5页

技术领域

[0001]本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种用于VSC的三相保护电路及方法。背景技术

[0002]电压源换流器(VSC)是一个可以交直流双向变换，并且交流有功和功功率可以分别独立控制的电力换流器，其结构特点是：直流侧并联电容器，以维持直流母线电压的稳定；交流侧串联电抗器，以滤除电流谐波；开关器件为全控型器件。静止无功发生器(SVG)、柔性直流输电(VSC-HVDC)和有源电力滤波器(APF：Active power filter)等产品都是以VSC为基本拓扑结构。

[0003]VSC的工作原理是采用脉宽调制技术(PWM)，控制开关器件的开断，来控制交流侧电流的流向与大小。PWM是一种高频信号，工作过程中，由于各种原因的存在(电网电压波动、控制信号失误等)，容易出现电流冲击，因此电流过流保护和电压过压欠压保护是VSC安全工作的重要保护手段。[0004]现有技术中，由于交流信号存在正负两个峰值和零点，故其大小检测保护电路较为复杂。

发明内容

[0005]针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于VSC的三相保护电路及方法，能够对过流、过压、欠压和缺相实施保护，电路结构设计简单，便于调节，实用性强，能够高效保障VSC安全工作。

[0006]本发明是通过以下技术方案来实现：[0007]一种用于VSC的三相保护电路，包括三相调理电路和比较保护电路；比较保护电路的输入端连接三相调理电路，输出端输出保护动作信号FAULT；

[0008]所述的三相调理电路用于将采集的三相信号整合为一个六脉波信号；六脉波信号包含了三相信号的正负峰值的绝对值；

[0009]所述的比较保护电路包括第一运算放大器U2A、第一运算放大器U2B和一对背靠背连接的二极管组DD4；

[0010]第一运算放大器U2A的负极端连接二极管组DD4的一端，正极端连接第一电位器，输出端经电阻R13与正极端连接；

[0011]第二运算放大器U2B的正极端连接二极管组DD4的另一端，负极端连接第二电位器，输出端经电阻R24与正极端连接；[0012]二极管组DD4的中间接地，两端分别经电容C4和电容C5后接地；

[0013]第一运算放大器U2A的负极端经电阻R18后作为比较保护电路的负极端；第二运算放大器U2B的正极端经电阻R23后作为比较保护电路的负极端；第一运算放大器U2A的输出端经电阻R19后，与第二运算放大器U2B的输出端经电阻R22后连接输出作为比较保护电路的输出端。

4

CN 107528295 A[0014]

说　明　书

2/5页

优选的，比较保护电路的正极端和负极端连接同一个三相调理电路，或者各连接

一个三相调理电路。[0015]优选的，所述的三相调理电路包括三相结构相同的第一、第二和第三调理支路，以及第三运算放大器U1D；

[0016]第一调理支路包括第四运算放大器U1A和一对串联连接的二极管组DD1，第四运算放大器U1A的正极端经电阻R4接地，负极端经电阻R2接入第一相信号，输出端连接二极管组DD1中间；二极管组DD1的一端连接第四运算放大器U1A的负极端，另一端经电阻R5连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD1的两端经电阻R3连接；第一相信号经电阻R1连接第三运算放大器U1D的负极端；

[0017]第二调理支路包括第五运算放大器U1B和一对串联连接的二极管组DD2，第五运算放大器U1B的正极端经电阻R10接地，负极端经电阻R8接入第二相信号，输出端连接二极管组DD2中间；二极管组DD2的一端连接第五运算放大器U1B的负极端，另一端经电阻R11连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD2的两端经电阻R9连接；第二相信号经电阻R7连接第三运算放大器U1D的负极端；

[0018]第三调理支路包括第六运算放大器U1C和一对串联连接的二极管组DD3，第六运算放大器U1C的正极端经电阻R20接地，负极端经电阻R16接入第三相信号，输出端连接二极管组DD3中间；二极管组DD3的一端连接第六运算放大器U1C的负极端，另一端经电阻R21连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD3的两端经电阻R17连接；第三相信号经电阻R15连接第三运算放大器U1D的负极端；

[0019]第三运算放大器U1D的正极端经电阻R14接地，负极端经并联的电容C1和电阻R6连接输出端，输出端输出六脉波信号。[0020]优选的，第一电位器的一端连接电源VCC，中间端经电阻R12连接第一运算放大器的正极端，另一端经并联的电容C2和电容C3连接中间端。[0021]优选的，第二电位器包括的一端连接电源VCC，中间端经电阻R28连接第二运算放大器的负极端，另一端经并联的电容C6和电容C7连接中间端。[0022]一种用于VSC的三相保护方法，基于上述任意一三相保护电路，包括如下步骤，[0023]步骤1，将采集的三相信号转换成控制板所能接受的交流信号；[0024]步骤2，将三相交流信号通过三相调理电路后，输出信号为只有正值的六脉波信号，六脉波信号包含了一个周期内三相信号的正负共六个峰波；[0025]步骤3，将调理后的六脉波信号接入比较保护电路的正极端和负极端，并调节第一电位器和第二电位器，设定各自保护阈值；[0026]步骤4，比较保护电路输出保护动作信号FAULT接PWM信号的电平转换芯片的使能端；

[0027]当负极端接入信号的最大值小于对应设定阈值且正极端接入信号的最小值大于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT置位，高电平输出，允许PWM驱动信号输出；[0028]当负极端接入信号的最大值大于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT清零，低电平输出，封锁PWM驱动信号输出；

[0029]当正极端接入信号的最小值小于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT清零，低电平输出，封锁PWM驱动信号输出；所述保护电路完成保护功能。

5

CN 107528295 A[0030]

说　明　书

3/5页

优选的，步骤2中将三相交流信号通过三相调理电路，输出信号为只有正值的六脉

波信号时；三相信号分别经过运算放大器和一对串联的二极管后，将单相信号中的负值信号反向为正值，此时正弦信号变成具有两个正向峰波的信号，然后将此三相信号再通过运算放大器整合，取其中瞬时最大值，将会被整合一个六脉波信号。[0031]优选的，六脉波信号的瞬时值等于此时刻三相信号幅值的最大值，其六个峰值等于三相信号的正负峰值，其最小值为两相信号的交点。[0032]优选的，六脉波信号包含了三相信号的正负峰值的绝对值，因此能够用于信号变大保护；六脉波信号得最小值是0.866倍的三相信号的峰值，故能够用于信号变小保护。[0033]优选的，所述的三相信号为三相电压信号和/或三相电流信号。[0034]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0035]本发明所述的系统通过两个经背靠背二极管组反向对称连接的运算放大器，实现对输入的信号变大或变小的同时保护，通过电位器对保护阈值进行调整，保护阈值可调，通用性强，电路结构设计简单，合理，所需元件为普通元件，成本低；通过调理电路调理形成六脉冲信号，使其灵敏度高、反应速度快；电路同样适用于过热、直流过压等信号保护电路。[0036]本发明所述方法将采集的三相电压或电流信号，经运算放大器、二极管及电阻和电容等元件构成的三相调理电路调理后，合成对应的六脉波信号，该信号为三相信号绝对值的瞬时最大值，且信号无衰减。将六脉波信号接入比较器，其中若信号变大保护，例如过压和过流保护，则接入比较保护电路负极，反之若信号变小保护，例如欠压和缺相保护，则接入比较保护电路正极，比较保护电路的另一极接对应保护阈值信号。保护阈值信号由恒定直流电压经可调电位器后输出，其值大小可调。比较器输出信号接PWM驱动信号的电平转换芯片的使能端，当发生过欠压、缺相或过流保护时，比较器输出信号清零，不在使能电平转换芯片，封锁PWM驱动信号，完成保护动作。附图说明

[0037]图1是本发明实例中所述比较保护电路的电路图。[0038]图2是本发明实例中所述三相调理电路的电路图。

具体实施方式

[0039]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

[0040]本发明一种用于VSC的三相保护电路，包括三相调理电路和比较保护电路；比较保护电路的输入端连接三相调理电路，输出端输出保护动作信号FAULT；三相调理电路用于将采集的三相信号整合为一个六脉波信号；六脉波信号包含了三相信号的正负峰值的绝对值；如图1所示，比较保护电路包括第一运算放大器U2A、第一运算放大器U2B和一对背靠背连接的二极管组DD4；第一运算放大器U2A的负极端连接二极管组DD4的一端，正极端连接第一电位器，输出端经电阻R13与正极端连接；第二运算放大器U2B的正极端连接二极管组DD4的另一端，负极端连接第二电位器，输出端经电阻R24与正极端连接；二极管组DD4的中间接地，两端分别经电容C4和电容C5后接地；第一运算放大器U2A的负极端经电阻R18后作为比较保护电路的负极端；第二运算放大器U2B的正极端经电阻R23后作为比较保护电路的负极

6

CN 107528295 A

说　明　书

4/5页

端；第一运算放大器U2A的输出端经电阻19后，与第二运算放大器U2B的输出端经电阻R22后连接输出作为比较保护电路的输出端。[0041]如图2所示，所述的三相调理电路包括三相结构相同的第一、第二和第三调理支路，以及第三运算放大器U1D；

[0042]第一调理支路包括第四运算放大器U1A和一对串联连接的二极管组DD1，第四运算放大器U1A的正极端经电阻R4接地，负极端经电阻R2接入第一相信号，输出端连接二极管组DD1中间；二极管组DD1的一端连接第四运算放大器U1A的负极端，另一端经电阻R5连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD1的两端经电阻R3连接；第一相信号经电阻R1连接第三运算放大器U1D的负极端；[0043]第二调理支路包括第五运算放大器U1B和一对串联连接的二极管组DD2，第五运算放大器U1B的正极端经电阻R10接地，负极端经电阻R8接入第二相信号，输出端连接二极管组DD2中间；二极管组DD2的一端连接第五运算放大器U1B的负极端，另一端经电阻R11连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD2的两端经电阻R9连接；第二相信号经电阻R7连接第三运算放大器U1D的负极端；[0044]第三调理支路包括第六运算放大器U1C和一对串联连接的二极管组DD3，第六运算放大器U1C的正极端经电阻R20接地，负极端经电阻R16接入第三相信号，输出端连接二极管组DD3中间；二极管组DD3的一端连接第六运算放大器U1C的负极端，另一端经电阻R21连接第三运算放大器U1D的负极端，二极管组DD3的两端经电阻R17连接；第三相信号经电阻R15连接第三运算放大器U1D的负极端；[0045]第三运算放大器U1D的正极端经电阻R14接地，负极端经并联的电容C1和电阻R6连接输出端，输出端输出六脉波信号。[0046]如图1所示，第一电位器的一端连接电源VCC，中间端经电阻R12连接第一运算放大器的正极端，另一端经并联的电容C2和电容C3连接中间端。第二电位器包括的一端连接电源VCC，中间端经电阻R28连接第二运算放大器的负极端，另一端经并联的电容C6和电容C7连接中间端。

[0047]本发明一种用于VSC的三相保护方法，以过流和欠压为例；包括如下步骤，[0048]步骤1，将采集的三相电压和电流信号转换成控制板所能接受的小电压交流信号Ia、Ib、Ic和Ua、Ub、Uc。如图2所示，以对三相电流信号进行调理为例。[0049]步骤2，将电压和电流的三个小电压信号，分别经运算放大器、二极管、电阻与电容组成的如图2所示的三相调理电路后，输出信号为只有正值六脉波小信号Uac和Iac，该信号包含了一个周期内三相信号的正负共6个峰波；[0050]步骤3，将调理好的六脉波信号Uac和Iac分别接入如图1所示的对应的比较器，Uac接比较器的正极，Iac接比较器的负极，并调节各电位器，设定过欠压与过流的保护阈值；[0051]步骤4，比较保护电路输出保护动作信号FAULT接PWM信号的电平转换芯片的使能端。工作中，当Iac的最大值小于对应设定阈值且Uac的最小值大于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT置位，高电平输出，允许PWM驱动信号输出；当Iac的最大值大于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT清零，低电平输出，封锁PWM驱动信号输出；当Uac的最小值小于对应设定阈值时，保护动作信号FAULT清零，低电平输出，封锁PWM驱动信号输出。即该电路完成保护功能。

7

CN 107528295 A[0052]

说　明　书

5/5页

其中，将采集的三相电压和电流信号通过如图2所示的三相调理电路调理时，三相

电压信号经过运算放大器和一对背靠背的二极管后，它将单相信号中的负值信号反向为正值，此时正弦信号变成具有两个正向峰波的信号，然后将此三相信号整合，取其中瞬时最大值，将会被整合一个六脉波信号。此信号的瞬时值等于此刻三相电压信号幅值的最大值，其六个峰值等于三相信号的正负峰值，其最小值为两相信号的交点，即等于0.866倍的三相信号的峰值。由于六脉波信号包含了三相信号的正负峰值的绝对值，因此可以用于信号变大保护，如过压、过流、直流过压等保护目标；而六脉波信号得最小值是0.866倍的三相信号的峰值，故可以用于信号变小保护，如欠压、缺相等保护目标。

[0053]比较保护电路的正极端和负极端连接同一个三相调理电路，对电压或电流信号实现变大和变小的同时保护，或者各连接一个三相调理电路，对电压和电流信号实现对应连接的正极端或负极端的保护。用于信号变大保护例如过压、过流、直流过压等保护目标；用于信号变小保护例如欠压、缺相等保护目标。

8

CN 107528295 A

说　明　书　附　图

1/2页

图1

9

CN 107528295 A

说　明　书　附　图

2/2页

图2

10