CN101753001B - 一种半导体阀触发时序的同步切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体阀触发时序的同步切换系统及其方法，属于电力电子自动化领域。该方法通过一套阀控制系统来实现。该系统包括总控单元、回检单元和各阀的阀基电子单元VBE。总控单元用于接收外部下达的触发时序切换命令，并调度整个时序切换过程。各VBE单元用于校验总控单元选定的触发时序，在校验正确后向回检单元返回回报信息，并根据选定的触发时序来触发或关断对应的阀。回检单元用于接收各个VBE单元的回报信息，汇总后，返回总控单元。该方法能够满足换流阀运行试验装置或其它大型电力电子装置在同步切换阀触发时序方面的要求。

Description

一种半导体阀触发时序的同步切换方法

技术领域

本发明属于电力电子自动化领域，具体涉及一种换流阀运行试验装置中阀触发时序的同步切换方法。

背景技术

大规模电力电子装置广泛应用于灵活交流输电(FACTS)、高压直流输电(HVDC)及其它工业领域。这些电力电子装置的主电路中均会包括不同种类、不同数量的多个半导体阀。这些半导体阀由专门的自动化设备，阀控制系统来触发和控制。阀控制系统按照特定的时间顺序来触发或关断(适用于IGBT、MOSFET等全控器件)这些半导体阀，这种时间顺序通常成为触发时序。

为了实现某些复杂而特殊的功能，阀的触发时序应能够在装置带电工作时发生变化，而不是退出装置重新设置时序后再投入运行。为了保证装置的安全性和可靠性，就要求各个半导体阀必须在同一时刻完成触发时序的切换。

HVDC换流阀的运行试验装置就是上述情况的一个典型实例。HVDC换流阀运行试验装置用于测试阀在最恶劣运行条件和故障条件下的性能，是完成换流阀型式试验的必需装置。试验装置由电阻器、电抗器、电容器及多个大容量半导体阀组成，为区别于被试的HVDC换流阀，通常称这些半导体阀为“辅助阀”。为了完成运行试验的各个项目，辅助阀和试品阀都需要按照特定的触发时序来工作，从而在试品阀上产生试验所要求的电压、电流和热强度。每次试验，装置都需要经历启动、调整、正式试验和退出等环节，而且，某些试验项目要求在其它项目完成后立即开始，而不允许退出运行重新设置后再行试验。因此，阀的触发时序必须能够根据试验的进展切换，而且，所有阀的触发时序必须在同一时刻完成切换。

中国发明申请200610064919.2公开了一种过电流试验装置中晶闸管触发时序，过电流试验装置包括加热阀、试品阀和谐振阀，还包括加热回路和充电回路，充电回路两端并联谐振电容；过电流试验装置中各个晶闸管的具体触发时序是：试品阀的结温达到设定值后的t1时刻，停止对加热阀进行触发；检测到加热阀可靠关断时为t2时刻，此时，连续触发或者宽脉冲触发正向谐振阀；当正向加压过程持续不超过20ms后的t3时刻，同时触发谐振阀和试品阀，从而产生很大谐振电流；在试品阀将要关断的时刻t5之前，不超过10ms范围内的时刻t4起，开始连续触发或者宽脉冲触发反向谐振阀。

发明申请200610064919.2提出了一种触发时序，该触发时序能够改变过电流试验装置发出的电压、电流波形。但是，本发明所述方法与发明申请200610064919.2的技术内容之间存在本质差异，就适用范围而言，本发明存在明显优势。具体内容如下：

(1)发明申请200610064919.2提出的是一种专用的触发时序，这种触发时序的存在价值在于：能够在该申请所述电路中产生要求的电压、电流等波形。本发明提出的是一种具有普遍意义的控制方法，这种方法能够使电力电子装置中的阀由一种触发时序切换到另一种触发时序，而且，各个阀的切换时刻能够保持严格同步。

(2)发明申请200610064919.2所提出的触发时序仅适用于过电流试验装置这个特定的电力电子电路。本发明所述方法尽管已在换流阀运行试验装置中获得成功应用，但普遍适用于任何有这样功能要求的电力电子装置。

(3)发明申请200610064919.2所提出的触发时序是一种具体的阀触发时序，或称为一种变换的流程。本发明所述方法适用于任何时序之间的同步切换；例如：为实现特定的功能，某电力电子装置具有4种(或其它任意多种)触发时序，时序1、时序2、时序3和时序4，采用本方法，可以在各个时序之间随意切换，无需考虑时序编号顺序。

发明内容

本发明提供了一种阀触发时序的同步切换方法。该方法通过一套阀控制系统来实现。该系统包括总控单元、回检单元和各阀的阀基电子单元(VBE)。总控单元用于接收外部下达的触发时序切换命令，并调度整个时序切换过程。各VBE单元用于校验总控单元选定的触发时序，在校验正确后向回检单元返回回报信息，并根据选定的触发时序来触发或关断对应的阀。回检单元用于接收各个VBE单元的正常回报，汇总后，将回报信息返回总控单元。该方法能够满足换流阀运行试验装置或其它大型电力电子装置在同步切换阀触发时序(或其它工作模式)方面的要求。

本发明提出了一种阀触发时序的同步切换控制系统，该系统包括总控单元、回检单元和各半导体阀的阀基电子单元VBE；

其特征在于总控单元接收外部自动化设备下发的“触发时序”信号，该信号可以是任意形式的并行或串行编码，用于表示电力电子电路中各半导体阀应该采用的新触发时序；总控单元和各VBE单元接收外部自动化设备发送来的“同步信号”，该信号是表示整个电力电子电路工作的周期性信号，该信号使总控单元和各VBE单元能够按照电力电子电路的周期和相位进行工作；

总控单元与各VBE单元之间以总线形式连接，总线包括“切换使能”和“时序选择”两路信号，方向均为总控单元至各VBE单元；“切换使能”为单一的逻辑量，用于表示一个切换过程的起始和结束；“时序选择”为并行编码，用于表示各个特定的半导体阀触发时序；回检单元与各VBE单元分别通过“VBEi回检”信号连接，其中i对应半导体阀编号1，2，...t，“VBEi回检”信号用于VBEi单元向回检单元报告本单元是否做好时序切换的准备；

总控单元与回检单元之间包括“切换使能”和“回检汇总”两路信号；回检单元与各VBE单元一样，均由“切换使能”总线上接收总控单元发出的“切换使能”信号；“回检汇总”为单一的逻辑量，用于表示所有VBE单元是否都成功返回回检信号；总控单元用于接收外部自动化设备的触发时序，并调度整个时序切换过程；各阀的阀基电子单元VBE用于校验总控单元选定的触发时序，在校验正确后向回检单元返回正常回报，并根据选定的触发时序来触发或关断对应的阀；所述回检单元用于接收各个阀基电子单元VBE的正常回报，并将回报返回总控单元。

其中，所述总控单元、回检单元及各个VBE单元均是具有特定功能的，相对独立的嵌入式系统，每个单元都包括微处理器、可编程逻辑器件及其它辅助电子元件。

其中，所述微处理器是单片机或数字信号处理器。

本发明还提出了一种使用上述系统进行阀触发时序的同步切换的方法，包括以下步骤：

(1)总控单元收到外部自动化设备下发的“触发时序”信号后，启动一次时序切换过程；

(2)总控单元于t₀时刻将“时序选择”信号由原有的“时序1”编码改变为当前“触发时序”信号所要求的“时序2”编码；

(3)为保证“时序2”编码稳定地体现在“时序选择”总线上，总控单元在输出“时序2”编码后进行延时，直到t₁时刻，总控单元置“切换使能”信号为“有效”；

(4)在检测到“切换使能”信号“有效”后，各VBE单元对“时序选择”总线上的信息进行校验，若正确，则分别在t_v1、t_v2…t_vt时刻置“VBEi回检”为“有效”，做好一切切换至“时序2”之前的准备；

(5)若发现所有VBE单元的“回检”信号均为“有效”，回检单元置“回检汇总”信号变为“有效”，设最后一个置“回检”信号为“有效”的VBE单元为VBEj，则“回检汇总”信号变为有效的时刻为t_vj；

(6)当总控单元检测到“回检汇总”信号变为“有效”后，于t₂时刻清“切换使能”信号为“无效”，回检单元检测到“切换使能”变为“无效”后，将使“回检汇总”信号变为“无效”，至此，“时序2”编码已经被所有VBE单元成功接收；

(7)以“同步信号”上升沿表示电力电子电路一个工作周期的开始，设新的工作周期在t₃时刻开始，则所有VBE在t₃时刻同时开始使用“时序2”来控制对应的半导体阀。

(8)若总控单元在置“切换使能”后一定时间内检测不到回检单元的“回检汇总”信号变为“有效”，则认为切换过程存在某些异常，不可以完成时序切换，从而，进入故障处理流程。

其中，为了保证系统的抗干扰能力，所述“时序选择”信号不仅应包含触发时序的编码，还应包含校验位。

本发明的有益效果是：

1、本发明的系统和切换方法能够使所有阀的触发时序在同一时刻完成切换，为试验装置的正常工作提供了保障。

2、本发明的系统和切换方法简便易行，对阀控制系统的硬件要求较低，因此，每个单元内的组成部件及连接关系不唯一，具有无限多种，只要实现本方法所要求的功能即可。

3、系统和切换方法具有较大的适用范围，适用于各种大规模电力电子装置。

4、本发明的实用性已经在高压直流输电换流阀运行试验装置中予以充分验证。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是大规模电力电子装置的示意图

图2是阀控制系统原理图；

图3是触发时序切换原理图；

图4是触发时序切换流程图；

图5是某换流阀运行试验装置的原理框图；

图6是运行试验装置某阀在时序切换前后的电压、电流波形。

具体实施方式

典型的大规模电力电子装置可以用图1示意。这类装置通常包括变压器、电阻器、电抗器、电容器、半导体阀及相应的控制设备。控制设备可划分为专门用于触发和关断半导体阀的阀控制系统及完成其它控制、保护功能的外部自动化设备(简称外部自动化设备)。

本发明所述阀控制系统的原理图如附图2所示。该系统包括总控单元、回检单元和各半导体阀的阀基电子单元(VBE)。总控单元接收外部自动化设备(简称外部自动化设备)下发的“触发时序”信号，该信号可以是任意形式的并行或串行编码，用于表示电力电子电路中各半导体阀应该采用的新触发时序。总控单元和各VBE单元接收外部自动化设备发送来的“同步信号”，该信号是表示整个电力电子电路工作的周期性信号，该信号使总控单元和各VBE单元能够按照电力电子电路的周期和相位进行工作。总控单元与各VBE单元之间以总线形式连接，总线包括“切换使能”和“时序选择”两路信号，方向均为总控单元至各VBE单元；“切换使能”为单一的逻辑量，用于表示一个切换过程的起始和结束；“时序选择”为并行编码，用于表示各个特定的半导体阀触发时序。回检单元与各VBE单元与各VBE单元分别通过“VBEi回检(i对应半导体阀编号1，2，…t)”信号连接，“VBEi回检”信号用于VBEi单元向回检单元报告本单元是否做好时序切换的准备。总控单元与回检单元之间包括“切换使能”和“回检汇总”两路信号；回检单元与各VBE单元一样，均由“切换使能”总线上接收总控单元发出的“切换使能”信号；“回检汇总”为单一的逻辑量，用于表示所有VBE单元是否都成功返回回检信号。

工作原理介绍如下。

“同步信号”产生于电力电子装置的主电路，用于为阀控制系统提供周期性的时间基准，可以是电力系统的50Hz工频信号，也可以是电力电子装置要求的其它信号。整个阀控制系统依照该信号完成时序切换过程，VBE依照该信号来确定各半导体阀的触发或关断时刻。

外部自动化设备根据电力电子装置主电路工作情况及运行人员的命令来决定当前应采用的触发时序，并发送给阀控制系统的总控单元。

总控单元接到“触发时序”后，判断当前的阀触发时序与外部自动化设备要求的时序是否有区别，若有，启动一次时序切换。

具体的工作步骤为：

(1)总控单元于t₀时刻将“时序选择”信号由原有的由原有的“时序1”编码改变为当前“触发时序”信号所要求的“时序2”编码。。为了保证系统的抗干扰能力，“时序选择”信号不仅应包含触发时序的编码，还应包含校验位。

(2)为保证“时序2”编码稳定地体现在“时序选择”总线上，总控单元在输出“时序2”编码后进行延时，直到t₁时刻，总控单元置“切换使能”信号为“有效”。

(3)在检测到“切换使能”信号“有效”后，各VBE单元对“时序选择”总线上的触发时序编码进行校验，若正确，则置“VBEi回检”信号为“有效”，做好一切切换至“时序2”之前的准备。考虑到处理过程的分散性，各VBE单元置“回检”信号为有效的时刻不同，分别为t_v1、t_v2…t_vt。

(4)若发现所有VBE单元的“回检”信号均为“有效”，回检单元置“回检汇总”信号变为“有效”。设最后一个置“回检”信号为“有效”的VBE单元为VBEj，则“回检汇总”信号变为有效的时刻为t_vj。

(5)当总控单元检测到“回检汇总”信号变为“有效”后，于t₂时刻清“切换使能”信号为“无效”。回检单元检测到“切换使能”变为“无效”后，将使“回检汇总”信号变为“无效”。至此，“时序2”编码已经被所有VBE单元成功接收。

(6)以“同步信号”上升沿表示电力电子电路一个工作周期的开始，设新的工作周期在t₃时刻开始，则所有VBE在t₃时刻同时开始使用“时序2”来控制对应的半导体阀。

(7)若总控单元在置“切换使能”后一定时间内检测不到回检单元的“回检汇总”信号变为“有效”，则认为切换过程存在某些异常，不可以完成时序切换，从而，进入故障处理流程。

一个正常切换过程的原理如附图3所示。在图3中，“切换使能”、“回检汇总”及“VBEi回检”这样单一的逻辑量以方波的“高”表示“有效”，“低”表示“无效”；由于“时序选择”为多个逻辑量组成的并行信号，因此，以“触发时序1”、“触发时序2”等文字来表示不同的编码；“有效时序”为各VBE实际执行的触发时序；V1、V2阀的触发脉冲仅为示例，用以说明各阀的触发时序在切换前后的变化，不代表实际情况。

一个正常切换过程的流程如附图4所示。具体说明如上述工作步骤的(1)～(6)。

本发明的方法及实际的阀控制系统已经在一种HVDC换流阀运行试验装置中获得成功应用。如图5，该试验装置的主电路包括高电压供电系统、大电流供电系统、高压小电流回路、低压大电流回路、辅助电路以及被试的HVDC换流阀(试品阀)。除试品阀外，高压小电流回路和低压大电流回路还包括多个辅助阀。

试品阀在时序切换前后的电压、电流波形如附图6所示。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (5)

1.一种阀触发时序的同步切换控制系统，该系统包括总控单元、回检单元和各半导体阀的阀基电子单元VBE；

其特征在于总控单元接收外部自动化设备下发的“触发时序”信号，该信号是任意形式的并行或串行编码，用于表示电力电子电路中各半导体阀应该采用的新触发时序；总控单元和各VBE单元接收外部自动化设备发送来的“同步信号”，该信号是表示整个电力电子电路工作的周期性信号，该信号使总控单元和各VBE单元能够按照电力电子电路的周期和相位进行工作；

总控单元与各VBE单元之间以总线形式连接，总线包括“切换使能”和“时序选择”两路信号，方向均为总控单元至各VBE单元；“切换使能”为单一的逻辑量，用于表示一个切换过程的起始和结束；“时序选择”为并行编码，用于表示各个特定的半导体阀触发时序；回检单元与各VBE单元分别通过“VBEi回检”信号连接，其中i对应半导体阀编号1，2，...t，“VBEi回检”信号用于VBEi单元向回检单元报告本单元是否做好时序切换的准备；

总控单元与回检单元之间包括“切换使能”和“回检汇总”两路信号；回检单元与各VBE单元一样，均由“切换使能”总线上接收总控单元发出的“切换使能”信号；“回检汇总”为单一的逻辑量，用于表示所有VBE单元是否都成功返回回检信号；总控单元用于接收外部自动化设备的触发时序，并调度整个时序切换过程；各阀的阀基电子单元VBE用于校验总控单元选定的触发时序，在校验正确后向回检单元返回正常回报，并根据选定的触发时序来触发或关断对应的阀；所述回检单元用于接收各个阀基电子单元VBE的正常回报，并将回报返回总控单元。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述总控单元、回检单元及各个VBE单元均是具有特定功能的，相对独立的嵌入式系统，每个单元都包括微处理器、可编程逻辑器件及其它辅助电子元件。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述微处理器是单片机或数字信号处理器。

4.一种使用1-3项权利要求任一项权利要求所述的系统进行阀触发时序的同步切换的方法，包括以下步骤：

(1)总控单元收到外部自动化设备下发的“触发时序”信号后，启动一次时序切换过程；

(2)总控单元于t₀时刻将“时序选择”信号由原有的“时序1”编码改变为当前“触发时序”信号所要求的“时序2”编码；

(3)为保证“时序2”编码稳定地体现在“时序选择”总线上，总控单元在输出“时序2”编码后进行延时，直到t₁时刻，总控单元置“切换使能”信号为“有效”； 

(4)在检测到“切换使能”信号“有效”后，各VBE单元对“时序选择”总线上的信息进行校验，若正确，则分别在t_v1、t_v2...t_vt时刻置“VBEi回检”为“有效”，做好一切切换至“时序2”之前的准备；

(5)若发现所有VBE单元的“回检”信号均为“有效”，回检单元置“回检汇总”信号变为“有效”，设最后一个置“回检”信号为“有效”的VBE单元为VBEj，则“回检汇总”信号变为有效的时刻为t_vj；

(6)当总控单元检测到“回检汇总”信号变为“有效”后，于t₂时刻清“切换使能”信号为“无效”，回检单元检测到“切换使能”变为“无效”后，将使“回检汇总”信号变为“无效”，至此，“时序2”编码已经被所有VBE单元成功接收；

(7)以“同步信号”上升沿表示电力电子电路一个工作周期的开始，设新的工作周期在t₃时刻开始，则所有VBE在t₃时刻同时开始使用“时序2”来控制对应的半导体阀；

(8)若总控单元在置“切换使能”后一定时间内检测不到回检单元的“回检汇总”信号变为“有效”，则认为切换过程存在某些异常，不可以完成时序切换，从而，进入故障处理流程。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于为了保证系统的抗干扰能力，所述“时序选择”信号不仅应包含触发时序的编码，还应包含校验位。 

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