CN103941073B - 一种判断级联换流器桥臂电流方向的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种判断级联换流器桥臂电流方向的装置，包括第1至第n子模块判断电路UNIT1‑UNITn和第1至第n电流传感器TA1‑TAn；所述第1至第n子模块判断电路UNIT1‑UNITn的结构相同；本发明的有益效果是发明中所有电流传感器安装在子模块上，子模块的对地绝缘和隔离电源供电问题已经解决，发明中电流传感器的绝缘水平仅要求满足子模块额定电压绝缘即可，大幅降低成本和绝缘复杂度；本发明采用了多电流传感器级联结构，具有冗余特性，如果某子模块上安装的电流传感器存在故障，仅需将其所在子模块旁路即可，不影响电路继续工作，其可靠性较单一传感器大幅提高。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种判断级联换流器桥臂电流方向的装置。
背景技术
电力电子技术的不断发展为建设智能、清洁、高效的现代电力系统提供了强大的支持，在高压直流输电（HVDC）和柔性交流输电（FACTS）领域均取得了广泛的应用。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）和级联作为新一代高压大功率换流装置，具有输电容量大，有功无功可独立控制，交流输出无需复杂的滤波装置，可靠性高，可向无源或弱受端系统输电等诸多优点，被认为是柔性直流输电的代表性技术。
模块化多电平换流器为三相全桥结构，该三相全桥的每个桥臂由n个子模块串联而成，其中n为大于1的整数，每个子模块的结构相同，每个子模块包括子模块主电路及与其并联的旁路开关，旁路开关可以将发生故障的子模块旁路保证换流器可以继续工作，旁路开关带有辅助常闭触点。子模块为换流器的基本结构，子模块主电路由两个带有反向并联二极管的开关管K1-K2和直流电容器C构成单相半H桥结构，或由四个带有反向并联二极管的开关管K1-K4和直流电容器C构成单相H桥结构。
在模块化多电平换流器的控制策略方面，控制各子模块直流电容电压在适当的范围内（子模块电容电压控制）是一类重要的研究和工程课题。在实用化的子模块电容电压控制方法中，桥臂电流方向是一个重要的控制参数，需要实时测量。桥臂电流除基波分量外还含有直流分量和倍频分量，无法通过电磁式电流互感器精确测量，已有的测量方法是通过电流传感器测量桥臂电流，然后直接判断电流方向。这种判断方法优点是简单直接，但是这种测量方法的缺点在于：第一，测量点在桥臂连接线上，对电流传感器及其隔离供电电源的绝缘水平要求很高，该绝缘水平要求达到了与换流器交流侧相同的绝缘等级，即一般会达到数十到数百kV水平。这造成高压电流传感器研制或选型困难，大幅提高了电流方向检测装置的复杂程度和成本。第二，该传感器及其附属电路一旦发生故障，将无法判断桥臂电流造成整个换流器停机，降低了装置可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可大幅降低电流传感器绝缘要求和成本、并能大幅提高可靠性的判断级联换流器桥臂电流方向的装置。
为解决上述技术问题所采用技术方案是：一种判断级联换流器桥臂电流方向的装置，包括第1至第n子模块判断电路UNIT1-UNITn和第1至第n电流传感器TA1-TAn，其中n为大于1的整数；所述第1子模块判断电路UNIT1的方向输出端O1-1接所述第2子模块判断电路UNIT2的方向输入端I2-1；所述第1子模块判断电路UNIT1的状态输出端O1-2接所述第2子模块判断电路UNIT2的状态输入端I2-2；所述第n子模块判断电路UNITn的方向输入端In-1接其前面子模块判断电路的方向输出端；所述第n子模块判断电路UNITn的状态输入端In-2接其前面子模块判断电路的状态输出端；
所述第1电流传感器TA1的穿心磁环套在第1H桥子模块SMQ1或第1半H桥子模块SM1的低电位输出线上；
所述第1子模块判断电路UNIT1的第二信号输入端I1-4接所述第1电流传感器TA1的输出端；所述第1子模块判断电路UNIT1的第一信号输入端I1-3经所述第1H桥子模块SMQ1或第1半H桥子模块SM1的旁路开关Kp1的辅助常闭触点Kp1-2接地；
所述第2电流传感器TA2的穿心磁环套在第2H桥子模块SMQ2或第2半H桥子模块SM2的低电位输出线上；
所述第2子模块判断电路UNIT2的第二信号输入端I2-4接所述第2电流传感器TA2的输出端；所述第2子模块判断电路UNIT2的第一信号输入端I2-3经所述第2H桥子模块SMQ2或第2半H桥子模块SM2的旁路开关Kp2的辅助常闭触点Kp2-2接地；
所述第n电流传感器TAn的的穿心磁环套在第n H桥子模块SMQn或第n半H桥子模块SMn的低电位输出线上；
所述第n子模块判断电路UNITn的第二信号输入端In-4接所述第n电流传感器TAn的输出端；所述第n子模块判断电路UNITn的第一信号输入端In-3经所述第nH桥子模块SMQn或第n半H桥子模块SMn的旁路开关Kpn的辅助常闭触点Kpn-2接地；
所述第1子模块判断电路UNIT1包括数据选择器U11、电压比较器U12、高速光耦U13、高压光耦U14-U16、电阻R10-R19和双刀单掷开关KD1；
所述电压比较器U12的同相输入端5脚为所述第1子模块判断电路UNIT1的第二信号输入端I1-4；
所述电阻R10接在所述电压比较器U12的同相输入端5脚与反向输入端4脚之间；所述电压比较器U12的反向输入端4脚接地；所述电压比较器U12的输出端2脚接所述高速光耦U13的负极2脚；所述电阻R14接在所述高速光耦U13的正极1脚与﹢15V直流电源之间；所述电阻R11接在所述高速光耦U13的负极2脚与﹢15V直流电源之间；所述高速光耦U13的集电极4脚接所述数据选择器U11的6脚；所述高速光耦U13的发射极3脚接地；所述电阻R15接在所述高速光耦U13的集电极4脚与﹢3.3V直流电源之间；
所述高压光耦U14的负极2脚为所述第1子模块判断电路UNIT1的第一信号输入端I1-3；
所述高压光耦U14的正极1脚经所述电阻R12接﹢24V直流电源；所述高压光耦U14的集电极4脚接所述数据选择器U11的3脚；所述高压光耦U14的发射极3脚接地；所述电阻R13接在所述高压光耦U14的集电极4脚与﹢3.3V直流电源之间；
所述数据选择器U11的5脚为第1子模块判断电路的方向输入端I1-1；数据选择器U11的2脚为第1子模块判断电路的状态输入端I1-2；所述数据选择器U11的5脚和2脚分别经所述双刀单掷开关KD1的第一触点KD1-1和第二触点KD1-2接﹢3.3V直流电源；数据选择器U11的1脚与2脚相连接；所述数据选择器U11的7脚接所述高压光耦U15的负极2脚；所述数据选择器U11的4脚接所述高压光耦U16的负极2脚；
所述高压光耦U15的正极1脚经所述电阻R16接﹢3.3V直流电源；所述高压光耦U15的发射极3脚接地；所述高压光耦U15的集电极4脚经所述电阻R17接﹢3.3V直流电源；
所述高压光耦U16的正极1脚经所述电阻R18接﹢3.3V直流电源；所述高压光耦U16的发射极3脚接地；所述高压光耦U16的集电极4脚经所述电阻R19接﹢3.3V直流电源；
所述高压光耦U15的集电极4脚为第1子模块判断电路的方向输出端O1-1；所述高压光耦U16的集电极4脚为第1子模块判断电路的状态输出端O1-2；
所述第1至第n子模块判断电路UNIT1-UNITn的结构相同。
所述数据选择器U11的型号均为74LS157；所述U12电压比较器的型号为LM339；所述高压光耦U14-U16的型号均为MOC306；所述高速光耦U13的型号为PC817；所述第1至第n电流传感器TA1-TAn的型号均为LF 2005-S。
本发明的有益效果是本发明中所有电流传感器安装在子模块上，子模块的对地绝缘和隔离电源供电问题已经解决，本发明中电流传感器的绝缘水平仅要求满足子模块额定电压绝缘（几kV以内）即可，大幅降低成本和绝缘复杂度；本发明采用了多电流传感器级联结构，具有冗余特性，如果某子模块上安装的电流传感器存在故障，仅需将其所在子模块旁路即可，不影响电路继续工作，其可靠性较单一传感器大幅提高。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2为第1子模块（子模块主电路为半H桥）判断电路原理图。
图3为第1子模块（子模块主电路为H桥）判断电路原理图。
具体实施方式
由图1-3所示的实施例可知，它包括第1至第n子模块判断电路UNIT1-UNITn和第1至第n电流传感器TA1-TAn，其中n为大于1的整数；所述第1子模块判断电路UNIT1的方向输出端O1-1接所述第2子模块判断电路UNIT2的方向输入端I2-1；所述第1子模块判断电路UNIT1的状态输出端O1-2接所述第2子模块判断电路UNIT2的状态输入端I2-2；所述第n子模块判断电路UNITn的方向输入端In-1接其前面子模块判断电路的方向输出端；所述第n子模块判断电路UNITn的状态输入端In-2接其前面子模块判断电路的状态输出端；
所述第1电流传感器TA1的穿心磁环套在第1H桥子模块SMQ1或第1半H桥子模块SM1的低电位输出线上；
所述第1子模块判断电路UNIT1的第二信号输入端I1-4接所述第1电流传感器TA1的输出端；所述第1子模块判断电路UNIT1的第一信号输入端I1-3经所述第1H桥子模块SMQ1或第1半H桥子模块SM1的旁路开关Kp1的辅助常闭触点Kp1-2接地；
所述第2电流传感器TA2的穿心磁环套在第2H桥子模块SMQ2或第2半H桥子模块SM2的低电位输出线上；
所述第2子模块判断电路UNIT2的第二信号输入端I2-4接所述第2电流传感器TA2的输出端；所述第2子模块判断电路UNIT2的第一信号输入端I2-3经所述第2H桥子模块SMQ2或第2半H桥子模块SM2的旁路开关Kp2的辅助常闭触点Kp2-2接地；
所述第n电流传感器TAn的的穿心磁环套在第n H桥子模块SMQn或第n半H桥子模块SMn的低电位输出线上；
所述第n子模块判断电路UNITn的第二信号输入端In-4接所述第n电流传感器TAn的输出端；所述第n子模块判断电路UNITn的第一信号输入端In-3经所述第nH桥子模块SMQn或第n半H桥子模块SMn的旁路开关Kpn的辅助常闭触点Kpn-2接地；
所述第1子模块判断电路UNIT1包括数据选择器U11、电压比较器U12、高速光耦U13、高压光耦U14-U16、电阻R10-R19和双刀单掷开关KD1；
所述电压比较器U12的同相输入端5脚为所述第1子模块判断电路UNIT1的第二信号输入端I1-4；
所述电阻R10接在所述电压比较器U12的同相输入端5脚与反向输入端4脚之间；所述电压比较器U12的反向输入端4脚接地；所述电压比较器U12的输出端2脚接所述高速光耦U13的负极2脚；所述电阻R14接在所述高速光耦U13的正极1脚与﹢15V直流电源之间；所述电阻R11接在所述高速光耦U13的负极2脚与﹢15V直流电源之间；所述高速光耦U13的集电极4脚接所述数据选择器U11的6脚；所述高速光耦U13的发射极3脚接地；所述电阻R15接在所述高速光耦U13的集电极4脚与﹢3.3V直流电源之间；
所述高压光耦U14的负极2脚为所述第1子模块判断电路UNIT1的第一信号输入端I1-3；
所述高压光耦U14的正极1脚经所述电阻R12接﹢24V直流电源；所述高压光耦U14的集电极4脚接所述数据选择器U11的3脚；所述高压光耦U14的发射极3脚接地；所述电阻R13接在所述高压光耦U14的集电极4脚与﹢3.3V直流电源之间；
所述数据选择器U11的5脚为第1子模块判断电路的方向输入端I1-1；数据选择器U11的2脚为第1子模块判断电路的状态输入端I1-2；所述数据选择器U11的5脚和2脚分别经所述双刀单掷开关KD1的第一触点KD1-1和第二触点KD1-2接﹢3.3V直流电源；数据选择器U11的1脚与2脚相连接；所述数据选择器U11的7脚接所述高压光耦U15的负极2脚；所述数据选择器U11的4脚接所述高压光耦U16的负极2脚；
所述高压光耦U15的正极1脚经所述电阻R16接﹢3.3V直流电源；所述高压光耦U15的发射极3脚接地；所述高压光耦U15的集电极4脚经所述电阻R17接﹢3.3V直流电源；
所述高压光耦U16的正极1脚经所述电阻R18接﹢3.3V直流电源；所述高压光耦U16的发射极3脚接地；所述高压光耦U16的集电极4脚经所述电阻R19接﹢3.3V直流电源；
所述高压光耦U15的集电极4脚为第1子模块判断电路的方向输出端O1-1；所述高压光耦U16的集电极4脚为第1子模块判断电路的状态输出端O1-2；
所述第1至第n子模块判断电路UNIT1-UNITn的结构相同。
所述数据选择器U11的型号均为74LS157；所述U12电压比较器的型号为LM339；所述高压光耦U14-U16的型号均为MOC306；所述高速光耦U13的型号为PC817；所述第1至第n电流传感器TA1-TAn的型号均为LF 2005-S。
模块化多电平换流器的桥臂由第1子模块至第n子模块串联而成，各子模块主电路并联有旁路开关Kp1-Kpn。子模块主电路可以是半H桥，也可以是H桥。桥臂电流正方向规定为由第1子模块流向第n子模块。本发明的目的就是检测该电流方向。
当第n子模块判断电路的方向输出端On-1为高电平且状态输出端On-2为低电平时，桥臂电流方向为正；当第n子模块判断电路的方向输出端On-1为低电平且状态输出端On-2为低电平时，桥臂电流方向为负；当第n子模块判断电路的状态输出端On-2为高电平时，桥臂所有子模块主电路均被旁路，桥臂电流方向判断结果无效。模块化多电平换流器运行时，桥臂不存在所有子模块主电路均被旁路的情况，故一定有一个未被旁路的子模块主电路用于检测桥臂电流方向。
本发明的工作过程如下：
在进行测量时，所述第1子模块判断电路的双刀单掷开关KD1闭合，所述第2至第n子模块判断电路的双刀单掷开关KD2-KDn断开。
第1子模块旁路开关Kp1的辅助常闭触点Kp1-2一端接地，另一端接高压光耦U14的负极2脚，高压光耦U14的输出信号由其集电极4脚输入到数据选择器U11的3脚，R12和R13为上拉电阻。当第1子模块主电路正常工作时，旁路开关Kp1的主触点Kp1-1断开，旁路开关Kp1的辅助常闭触点Kp1-2闭合，经过高压光耦U14后，向数据选择器U11输入低电平；当第1子模块主电路退出工作时，旁路开关Kp1的主触点Kp1-1闭合，Kp1的辅助常闭触点Kp1-2断开，经过高压光耦U14后，向数据选择器U11输入高电平。
第1电流传感器TA1采集流过第1子模块的电流信号（箭头表示正方向），经R10转化为电压信号，经过电压比较器U12和上拉电阻R11组成的电压过零比较电路，再经过高速光耦U13，输入到数据选择器U11的6脚，R14和R15为上拉电阻。当第1电流传感器TA1原边流过电流为正时，电压比较器U12输出高电平，经过高速光耦U13后，向数据选择器U11输入高电平；当电流传感器TA1原边流过电流为负时，电压比较器U12输出低电平，经过高速光耦U13后，向数据选择器U11输入低电平。
若数据选择器U11的1脚即“状态输入端I1-1”为低电平，数据选择器U11的4脚输出等于2脚输入，7脚输出等于5脚输入。数据选择器U11的输出经过高压光耦U15-U16隔离，其中电阻R16-R19为上拉电阻。此时，“方向输出端”等于“方向输入端”，“状态输出端”等于“状态输入端”。
若数据选择器U11的1脚即“状态输入端I1-1”为高电平，数据选择器U11的4脚输出等于3脚输入（即U14的4脚输出），7脚输出等于6脚输入（即U13的4脚输出）。数据选择器U11的输出经过高压光耦U15-U16隔离，其中R16-R19为上拉电阻。此时，“方向输出端”等于TA1检测到流过子模块1的桥臂电流方向（高电平为正，低电平为负），“状态输出端”等于旁路开关Kp1附带的辅助常闭触点的开关状态（高电平为子模块主电路被旁路，低电平为子模块主电路未被旁路）。
当“状态输入端I1-2”为低电平时，“方向输出端O1-1”等于“方向输入端I1-1”，“状态输出端O1-2”等于“状态输入端I1-2”；当“状态输入端I1-2”为高电平时，“方向输出端O1-2”等于该子模块电流方向，“状态输出端O1-2”等于该子模块旁路开关的状态。
整个电路中n个子模块连接后，“桥臂电流方向”端表示第1子模块至第n子模块中第一个未被旁路的子模块所测得的电流方向 （高电平为正，低电平为负）。模块化多电平换流器运行时，桥臂不存在所有子模块主电路均被旁路的情况，故一定有一个未被旁路的子模块主电路用于检测桥臂电流方向。
第n子模块判断电路的方向输出端On-1的状态表示级联换流器桥臂电流方向。若第n子模块判断电路的方向输出端On-1的状态为高电平，则表示级联换流器桥臂电流方向为正；第n子模块判断电路的方向输出端On-1的状态为低电平，则表示级联换流器桥臂电流方向为负。
Claims (2)
1.一种判断级联换流器桥臂电流方向的装置，其特征在于：包括第1至第n子模块判断电路UNIT1-UNITn和第1至第n电流传感器TA1-TAn，其中n为大于1的整数；所述第1子模块判断电路UNIT1的方向输出端O1-1接所述第2子模块判断电路UNIT2的方向输入端I2-1；所述第1子模块判断电路UNIT1的状态输出端O1-2接所述第2子模块判断电路UNIT2的状态输入端I2-2；所述第n子模块判断电路UNITn的方向输入端In-1接其前面子模块判断电路的方向输出端；所述第n子模块判断电路UNITn的状态输入端In-2接其前面子模块判断电路的状态输出端；
所述第1电流传感器TA1的穿心磁环套在第1H桥子模块SMQ1或第1半H桥子模块SM1的低电位输出线上；
所述第1子模块判断电路UNIT1的第二信号输入端I1-4接所述第1电流传感器TA1的输出端；所述第1子模块判断电路UNIT1的第一信号输入端I1-3经所述第1H桥子模块SMQ1或第1半H桥子模块SM1的旁路开关Kp1的辅助常闭触点Kp1-2接地；
所述第2电流传感器TA2的穿心磁环套在第2H桥子模块SMQ2或第2半H桥子模块SM2的低电位输出线上；
所述第2子模块判断电路UNIT2的第二信号输入端I2-4接所述第2电流传感器TA2的输出端；所述第2子模块判断电路UNIT2的第一信号输入端I2-3经所述第2H桥子模块SMQ2或第2半H桥子模块SM2的旁路开关Kp2的辅助常闭触点Kp2-2接地；
所述第n电流传感器TAn的的穿心磁环套在第n H桥子模块SMQn或第n半H桥子模块SMn的低电位输出线上；
所述第n子模块判断电路UNITn的第二信号输入端In-4接所述第n电流传感器TAn的输出端；所述第n子模块判断电路UNITn的第一信号输入端In-3经所述第nH桥子模块SMQn或第n半H桥子模块SMn的旁路开关Kpn的辅助常闭触点Kpn-2接地；
所述第1子模块判断电路UNIT1包括数据选择器U11、电压比较器U12、高速光耦U13、高压光耦U14-U16、电阻R10-R19和双刀单掷开关KD1；
所述电压比较器U12的同相输入端5脚为所述第1子模块判断电路UNIT1的第二信号输入端I1-4；
所述电阻R10接在所述电压比较器U12的同相输入端5脚与反向输入端4脚之间；所述电压比较器U12的反向输入端4脚接地；所述电压比较器U12的输出端2脚接所述高速光耦U13的负极2脚；所述电阻R14接在所述高速光耦U13的正极1脚与﹢15V直流电源之间；所述电阻R11接在所述高速光耦U13的负极2脚与﹢15V直流电源之间；所述高速光耦U13的集电极4脚接所述数据选择器U11的6脚；所述高速光耦U13的发射极3脚接地；所述电阻R15接在所述高速光耦U13的集电极4脚与﹢3.3V直流电源之间；
所述高压光耦U14的负极2脚为所述第1子模块判断电路UNIT1的第一信号输入端I1-3；
所述高压光耦U14的正极1脚经所述电阻R12接﹢24V直流电源；所述高压光耦U14的集电极4脚接所述数据选择器U11的3脚；所述高压光耦U14的发射极3脚接地；所述电阻R13接在所述高压光耦U14的集电极4脚与﹢3.3V直流电源之间；
所述数据选择器U11的5脚为第1子模块判断电路的方向输入端I1-1；数据选择器U11的2脚为第1子模块判断电路的状态输入端I1-2；所述数据选择器U11的5脚和2脚分别经所述双刀单掷开关KD1的第一触点KD1-1和第二触点KD1-2接﹢3.3V直流电源；数据选择器U11的1脚与2脚相连接；所述数据选择器U11的7脚接所述高压光耦U15的负极2脚；所述数据选择器U11的4脚接所述高压光耦U16的负极2脚；
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所述高压光耦U16的正极1脚经所述电阻R18接﹢3.3V直流电源；所述高压光耦U16的发射极3脚接地；所述高压光耦U16的集电极4脚经所述电阻R19接﹢3.3V直流电源；
所述高压光耦U15的集电极4脚为第1子模块判断电路的方向输出端O1-1；所述高压光耦U16的集电极4脚为第1子模块判断电路的状态输出端O1-2；
所述第1至第n子模块判断电路UNIT1-UNITn的结构相同。
2.根据权利要求1所述的一种判断级联换流器桥臂电流方向的装置，其特征在于：所述数据选择器U11的型号均为74LS157；所述U12电压比较器的型号为LM339；所述高压光耦U14-U16的型号均为MOC306；所述高速光耦U13的型号为PC817；所述第1至第n电流传感器TA1-TAn的型号均为LF 2005-S。
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