CN103701098B - 一种用于换流器的控制保护系统及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于换流器的控制保护系统及其保护方法。在该控制保护系统中，功率单元和主控系统通过开关量信道依次连接；主控系统分别与功率单元通过通信信道连接；功率单元的“解锁/闭锁”信号通过开关量信道发送至与其相连的功率单元或主控系统；功率单元信号通过通信信道发送至主控系统，主控系统向所有功率单元发送控制保护指令。本发明采用开关量信道和通信信道共存的形式，具有快速性、完备性以及高可靠性等优点。

Description

一种用于换流器的控制保护系统及其保护方法

技术领域

本发明涉及一种用于换流器的控制保护系统，同时涉及一种应用于该控制保护系统的保护方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

大容量换流器通常包括多个功率单元和一个主控系统。功率单元可以实现驱动与闭锁、电气和温度检测、数字输入输出以及通信等功能。主控系统用于集中监控所有功率单元以及实现换流器的控制与保护。功率单元与主控系统之间必须建立信号通道(简称为“信道”)。根据信号的特点，可以把信道分为两类，即开关量信道和通信信道。开关量信道利用高、低电平或者光纤亮、灭来表示某种状态或者指令；通讯信道利用特定的编码或者规约来传递控制保护信息。通过这些信道，主控系统可以和功率单元进行通信，保护整个换流器的安全。

目前，功率单元与主控系统之间的信道选择有两种方案：一是只采用通信信道；另一种则是开关量信道和通信信道共存。针对只采用通信通道的方案，存在很多不足。由于只采用通信信道，主控系统所需的硬件资源相对较少。主控系统需要接收由各功率单元反馈的“正常/异常”状态、数据和信息，并向各功率单元发送“触发保护/不触发保护”、控制参数和指令。通信信道的信息中包含功率单元的状态信号和控制保护两种信号，因此信号在传输中需进行特定的编码和解码。这一过程是相对复杂并且耗时的，必然给换流器中各单元之间的通信带来一定延时，导致保护响应速度下降。通信信道负责监控功率单元的状态，同时还需要发送控制保护信息。一旦通信信道出现异常，自我保护能力会丧失，致使换流器的存在很大的安全风险。

图1和图2为开关量信道和通信信道共存的方案。针对这种方案，无论主电路部分是功率单元并联型还是级联型，开关量信道和通信信道的连接方式是相同的：以主控系统为中心，向各功率单元辐射的星形连接。开关量信道用作专门的保护信道，主控系统利用该信道接收由功率单元反馈的“正常/异常”状态，以及向功率单元发送“触发保护/不触发保护”指令。通信信道用于主控系统接收由功率单元反馈的数据和信息，并向功率单元发送控制参数和指令。主控系统与每个功率单元之间既有通讯信道又有开关量信道。在功率单元和主控系统进行实际连接时，会因主控系统的连线(例如电缆或者光纤等)较多，致使换流器的工程造价过高、施工难度加大，同时可靠性降低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于换流器的控制保护系统。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种用于换流器的控制保护方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于换流器的控制保护系统，包括主控系统和多个功率单元；

各所述功率单元和所述主控系统通过开关量信道依次连接；

所述主控系统分别与各所述功率单元通过通信信道连接；

所述功率单元的“解锁/闭锁”信号通过所述开关量信道发送至与其相连的功率单元或主控系统；

所述功率单元的异常信号通过通信信道发送至所述主控系统，主控系统向所有功率单元发送控制保护指令。

其中较优地，所述功率单元和所述主控系统包括开关量接收信道和开关量发送信道；所述开关量接收信道接收“解锁/闭锁”信号；所述开关量发送信道发送“解锁/闭锁”信号；

所述主控系统的开关量发送信道连接第一功率单元的开关量接收信道；第一功率单元的开关量发送信道连接第二功率单元的开关量接收信道；依次类推；最后一个所述功率单元的开关量发送信道连接所述主控系统的开关量接收信道。

其中较优地，所述控制保护系统应用于包含多个功率单元的电力电子装置，包括但不限于变频装置、静止同步补偿器、静止同步串联补偿器、电压源型高压直流输电、电力潮流控制装置、有源电力滤波装置。

一种用于换流器的控制保护方法，包括如下步骤：

开关量接收信道的信号与功率单元或主控系统自身的保护机制经过“与”逻辑后发送至开关量发送信道；开关量发送信道的信号发送至与其相连的开关量接收信道；任一开关量发送信道输出闭锁信号，均可实现换流器闭锁；

功率单元信号通过通信信道发送至主控系统；主控系统接收信号，并向功率单元发送控制保护指令。

其中较优地，所述功率单元的保护机制包括但不限于单元过温警告、单元过温保护、单元失电保护、单元直流过压保护、桥臂短路保护、软件运行保护、硬件电路工作保护中的任意一种或数钟。

其中较优地，所述主控系统的保护机制包括但不限于冷却系统报警、系统过压保护、主控失电保护、换流器直流过压保护、换流器过流保护、软件运行保护、硬件电路工作保护中的任意一种或数钟。

本发明采用开关量信道和通信信道共存的形式。由于开关量信道采用环形拓扑结构，使得主控系统与功率单元之间的连接线减少，保证了控制保护系统的可靠性；开关量信道基于简单的逻辑关系，可以实现保护机制的快速响应；开关量信道和通信信道相结合使得系统的保护机制更加完备。

附图说明

图1为现有技术中，功率单元级联型换流器的控制保护系统示意图；

图2为现有技术中，功率单元并联型换流器的控制保护系统示意图；

图3为本发明所提供的控制保护系统的实施例一的结构示意图；

图4为本发明的控制保护系统中，功率单元保护机制的工作原理示意图；

图5为本发明的控制保护系统中，主控系统保护机制的工作原理示意图；

图6为本发明的控制保护系统中，通信信道的工作原理示意图；

图7为本发明的控制保护系统中，开关量信道的工作原理示意图；

图8为本发明所提供的控制保护系统的实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图3，本发明提供的一种用于换流器的控制保护系统，包括主控系统和多个功率单元；功率单元和主控系统通过开关量信道依次连接；主控系统分别与功率单元通过通信信道连接；功率单元的“解锁/闭锁”信号通过开关量信道发送至与其相连的功率单元或主控系统；功率单元的异常信号通过通信信道发送至主控系统，主控系统向所有功率单元发送控制保护指令。本发明所提供的控制保护系统可应用于功率单元级联型或者并联型的换流器，因此对于换流器主电路的连接方式不进行限定。下面对该控制保护系统展开详细的说明。

实施例一：

参见图3，开关量信道用于传输功率单元反馈的“正常/异常”状态信号，实现异常工况下换流器的快速闭锁。本发明中每个功率单元和主控系统都具有两路开关量信道：一路是用于接收“解锁/闭锁”信号的开关量接收信道；另一路是用于输出“解锁/闭锁”信号的开关量发送信道。在信道连接时，所有功率单元与主控系统的开关量信道首尾连接成为一个封闭的环，即主控系统的开关量发送信道接至功率单元1的开关量接收信道；功率单元1的开关量发送信道接至功率单元2的开关量接收信道；以此类推，最后一个功率单元的开关量发送信道接至主控系统的开关量接收信道。在信道环路中，主控系统以及各功率单元的连接次序无特定要求。开关量信道采用环形拓扑结构，仅需主控系统与功率单元之间简单的首尾连接，易于实施。相对于开关量信道的星形拓扑结构，本发明减少主控系统的硬件连接，使得换流器的造价低、避免因过多连线造成可靠性不高。通信信道采用星形拓扑结构，即主控系统分别与各个功率单元通过通信信道连接。

下面结合图4和图5介绍本实施例中用于换流器的控制保护方法。

功率单元内部有多种保护机制，包括单元过温警告、单元过温保护、单元失电保护、单元直流过压保护、桥臂短路保护、软件运行保护和硬件电路保护（图中未示出）等。每个保护机制构成一路逻辑信号。功率单元的开关量接收信道将接收到的信号与自身的保护机制的逻辑信号经过“与”逻辑后形成一路新的信号。该信号发送至开关量发送信道。该开关量发送信道作为下一个功率单元或者主控系统的开关量信道接收信道的信号。主控系统内部同样包括多种保护机制，例如冷却系统报警、系统过压保护、主控失电保护、换流器直流过压保护、换流器过流保护、软件运行保护、硬件电路保护（图中未示出）等。与功率单元的工作原理类似，开关量接收信号与主控系统内的保护机制经过“与”的逻辑形成的新的信号后，发送至开关量发送信道。开关量发送信道输出至下一功率单元的开关量接收信道。

开关量信道中传输的是“解锁/闭锁”信号。当开关量接收信道接中为“解锁”信号，并且功率单元或者主控单元内部的保护机制均未被触发的情况下，开关量发送信道才会输出“解锁”信号，否则，开关量发送信道将输出“闭锁”信号。基于这样的信号传输，无论是功率单元还是主控系统，开关量发送信道的信号作为下一个功率单元或者主控系统的开关量接收信道的信号。因此在整个开关量信道环路中，主控系统或功率单元中的任一开关量发送端输出“闭锁”信号时，都会立即引发换流器中所有的开关量发送信道都输出“闭锁”信号，从而闭锁整个换流器。本发明中于开关量信道中传输逻辑信号，通过与其他保护机制进行简单的逻辑运算，一旦出现异常，就可以快速闭锁整个换流器。本发明中主控系统无需完全依靠通讯的方式来监控各个功率单元的状态，由功率单元和主控系统之间的开关量信道通过简单的逻辑信号，就可以对整个换流器的“解锁/闭锁”进行控制。因此本发明采用环形的开关量信道，使控制保护系统具有很快的相应速度，实现换流器快速有效的保护。

参见图6所示，功率单元通过开关量信道可以实现换流器的闭锁保护。为了进一步保证换流器的安全性，功率单元与主控系统之间还通过通信信道进行保护控制相关的信息交互。一旦换流器的某个功率单元或者主控系统出现异常，功率单元和主控系统的开关量信道迅速输出“闭锁”信号，快速闭锁换流器；其次异常的功率单元同时通过通信信道将异常信息传输到主控系统，主控系统下达控制保护指令至所有功率单元，功率单元接收主控系统指令，使得换流器得到更为完备的保护。通信信道需要特定的编码或者规约来传递数据和信息，实现保护的速度对于开关量信道的保护速度是稍慢的，但可以对换流器实现更为完备的保护。本发明所提供的控制保护系统采用环形结构的开关量通道和星形结构通信信道，使得换流器的保护机制更为完备，能够实现更为复杂的保护与监控。

图7为本发明的控制保护系统中开关量信道的工作原理示意图。，在本实施例中“0”为“闭锁”信号，表示保护被触发的状态；“1”为“解锁”信号，表示保护未被触发的状态。当换流器正常运行时，整个开关量信道环路中传输的信号应为1。以功率单元的直流过压保护异常工作为例对开关量信道的工作原理进行说明。若换流器中功率单元直流过压异常，触发其保护机制动作，单元直流过压保护信号输出为“0”。该功率单元的的开关量接收信道接收到的信号为“1”，与自身的保护机制一起经过“与”逻辑后，开关量发送信道最终输出“0”信号，同时闭锁该功率单元。下一功率单元的保护机制是正常工作的，输出“1”信号，而开关量接收信道接收到上一故障功率单元开关量发送信道发送的“0”信号，与该功率单元的保护机制的信号经过“与”逻辑后，开关量发送信道输出“0”信号，同时闭锁该功率单元。以此类推，所有功率单元以及主控系统的开关量信道均输出“0”信号，整个换流器处于闭锁状态。在换流器闭锁时，异常的功率单元把相关的异常状态信息通过通信信道发送至主控系统。主控系统解析异常信息后，再通过通信信道将必要的控制和保护指令传达给所有功率单元，从而使得换流器得到更为安全的保护。

实施例二：

参见图8，本实施例的控制保护系统中包含多个开关量信道环路。图中以三个开关量信道环路为例进行说明。每个环路中含有若干功率单元，功率单元与主控系统通过开关量信道首尾相连。主控系统同时控制三个开关量信道环路。该实施例中的主控系统采用协同保护机制，三个开关量信道环路是相互独立，互不影响的。主控系统根据需要选择控制方式。一种为部分闭锁：当某个环路的一个功率单元异常时，立即触发使得该开关量信道环路处于闭锁状态，其他的另外两个开关量信道则处于正常状态，避免闭锁整个换流器。另一种为全部闭锁：一旦某个环路中出现闭锁信号，则主控系统将控制整个换流器闭锁。

多环路的开关量信道控制保护系统适用于大型电力电子装备。在大型的电力电子设备中存在的功率单元数量较多，多达几十乃至几千个。如果选用星形拓扑结构的开关量信道，主控系统的连接是非常复杂的，造价增加同时可靠性下降。选用单环路的开关量信道，功率单元的数量致使信号在整个大环路中传输时，有一定的延时；其次一旦某个功率单元异常，对于一些大型的电力装备来说，实现部分闭锁就可以，无需闭锁整个换流器。本实施例中提供的多个开关量信道环路的控制保护系统，将功率单元分成多组，每组的功率单元与主控系统通过开关量信道首尾连接成环。多个开关量信道环路共用一个主控系统。主控系统具备多个保护环路的协同机制。一旦某个环路中出现异常时，主控系统可以选择维持其余正常的环路部分继续运行，仅仅闭锁异常环路，也可以选择闭锁整个保护系统。本实施例的多环路的开关量信道的控制保护系统不但减少了系统保护机制响应时间，同时提高了整个换流器的安全性及可靠性。

本发明所提供的控制保护系统适用于包含多个功率单元的电力电子装置，包括但不限于变频装置、静止同步补偿器(STATCOM)、静止同步串联补偿器(SSSC)、电压源型高压直流输电(VSC-HVDC)、电力潮流控制装置(UPFC)、有源电力滤波装置(APF)。采用本发明所提供的控制保护系统不仅使得换流器的保护机制快速响应、减少主控系统的连接硬件，同时还提高了换流器安全性以及可靠性。

上面对本发明所提供的用于换流器的控制保护系统及其保护方法行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (6)

1.一种用于换流器的控制保护系统，包括主控系统和多个功率单元，其特征在于：

各所述功率单元和所述主控系统通过开关量信道依次连接；

所述主控系统分别与各所述功率单元通过通信信道连接；

所述功率单元的“解锁/闭锁”信号通过所述开关量信道发送至与其相连的功率单元或主控系统；

所述功率单元和所述主控系统包括开关量接收信道和开关量发送信道；所述开关量接收信道接收“解锁/闭锁”信号；所述开关量发送信道发送“解锁/闭锁”信号；

所述主控系统的开关量发送信道连接第一功率单元的开关量接收信道；第一功率单元的开关量发送信道连接第二功率单元的开关量接收信道；依次类推；最后一个所述功率单元的开关量发送信道连接所述主控系统的开关量接收信道；

所述功率单元的异常信号通过通信信道发送至主控系统，主控系统向异常的功率单元发送控制保护指令。

2.如权利要求1所述的控制保护系统，其特征在于：

所述功率单元主电路的连接方式为级联型或并联型。

3.如权利要求1所述的控制保护系统，其特征在于：

所述控制保护系统应用于包含多个功率单元的电力电子装置。

4.一种用于换流器的控制保护方法，基于权利要求1～3中任意一项所述的控制保护系统实现，其特征在于包括如下步骤：

开关量接收信道的信号与功率单元或主控系统自身的保护机制经过“与”逻辑后发送至开关量发送信道；开关量发送信道的信号发送至与其相连的开关量接收信道；任一开关量发送信道输出闭锁信号，换流器闭锁；

功率单元异常信号通过通信信道发送至主控系统；主控系统接收异常信号，并向异常功率单元发送控制、保护指令。

5.如权利要求4所述的控制保护方法，其特征在于：

所述功率单元的保护机制包括单元过温警告、单元过温保护、单元失电保护、单元直流过压保护、桥臂短路保护、软件运行保护和硬件电路工作保护中的任意一种或数种。

6.如权利要求4所述的控制保护方法，其特征在于：

所述主控系统的保护机制包括冷却系统报警、系统过压保护、主控失电保护、换流器直流过压保护、换流器过流保护、软件运行保护、硬件电路工作保护中的任意一种或数种。