CN105098721A - 一种换流器子模块的过压保护电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种换流器子模块的过压保护电路，该过压保护电路包括：取样电路、过压检测电路、断路器励磁控制电路和断路器；本发明还公开一种换流器子模块的过压保护方法，该方法通过取样电路对换流器子模块电容电压进行取样得到取样电压，过压检测电路在取样电压超过电压阈值时导通，断路器励磁控制电路在过压检测电路导通时导通，断路器旁路掉换流器子模块。

Description

一种换流器子模块的过压保护电路和方法

技术领域

本发明涉及柔性输电中模块化多电平换流器领域，尤其涉及一种换流器子模块的过压保护电路和方法。

背景技术

在柔性直流输电、柔性交流输电等领域中，所使用的子模块功率器件具有一定的耐压要求，超过功率器件的额定电压一定范围后会损坏子模块。

现有常规的保护方法是在子模块的交流侧并联断路器常开触头，当系统检测到子模块的电容过压时发出触发信号闭合常开触头将子模块旁路，以保证子模块电压不再上升。子模块的电压检测电路一般为有源电路，如果子模块的控制电源发生异常，则会影响电压检测电路的供电电源，进而使得整个过压保护电路将不能正常工作，就无法提供可靠的过压保护功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明主要提供一种换流器子模块的过压保护电路和方法，在换流器子模块电压异常时提供稳定、可靠的过压保护功能。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种换流器子模块的过压保护电路，该过压保护电路包括：

取样电路、过压检测电路、断路器励磁控制电路和断路器；其中，

取样电路，用于对换流器子模块的电压进行取样得到取样电压；

过压检测电路，用于检测所述取样电压，并在所述取样电压超过电压阈值时导通；

断路器励磁控制电路，用于在所述过压检测电路导通时导通；

断路器，用于在所述断路器励磁控制电路导通时，旁路掉换流器子模块。

上述方案中，所述取样电路包括：第一限流电阻和取样电容；其中，

第一限流电阻，一端与换流器子模块电容的正极相连，另一端与所述取样电容的正极相连；

取样电容，正极与所述第一限流电阻相连，负极与所述换流器子模块电容的负极相连，用于通过所述第一限流电阻跟随所述换流器子模块电容电压，得到取样电压。

上述方案中，所述过压检测电路包括：第二限流电阻、击穿二极管、低通滤波支路；其中，

第二限流电阻，一端与所述取样电路相连，另一端与所述击穿二极管的正极相连；

击穿二极管，正极与所述第二限流电阻相连，负极与低通滤波支路的一端相连，用于在所述取样电压超过电压阈值时，为导通状态，在取样电压不超过阈值电压时，为截止状态；

低通滤波支路，一端与所述击穿二极管的负极相连，另一端与所述取样电路相连。

上述方案中，所述第二限流电阻，一端与所述取样电路中的取样电容的正极相连，另一端与所述击穿二极管的正极相连；

所述低通滤波支路，一端与所述击穿二极管的负极相连，另一端与所述取样电路中的取样电容的负极相连。

上述方案中，所述断路器励磁控制电路包括：稳压管和晶闸管；其中，

稳压管，负极与所述过压检测电路相连，正极与所述晶闸管的门极相连；

晶闸管，门极与所述稳压管的正极相连，阳极与断路器一端相连，阴极与取样电路相连；

所述晶闸管在所述击穿二极管导通时，门极承受正电压，为导通状态。

上述方案中，所述稳压管的负极与所述过压检测电路中的击穿二极管的负极相连，正极与所述晶闸管的门极相连；

所述晶闸管，门极与所述稳压管的正极相连，阳极与断路器中的真空断路器线圈一端相连，阴极与取样电路中的取样电容的负极相连。

上述方案中，所述断路器励磁控制电路进一步包括：第一超快恢复二极管和第二超快恢复二极管；其中，

第一超快恢复二极管，串联在所述稳压管的正极和晶闸管的门极之间，用于隔离所述第二超快恢复二极管与所述第一超快恢复二极管D3所在回路；

第二超快恢复二极管，负极与所述晶闸管的门极相连，正极与主动触发电路相连，用于当主动触发电路输出高电平至正极时，使晶闸管的门极承受正电压，触发晶闸管导通。

上述方案中，所述断路器包括：真空断路器线圈、断路器电容和常开触头；其中，

真空断路器线圈，一端与断路器励磁控制电路相连，另一端与断路器电容的正极相连，用于在断路器控制电路导通时励磁，吸合常开触头；

断路器电容，正极与真空断路器线圈相连，负极与所述取样电路相连；

常开触头，并联在换流器子模块的交流侧，用于在所述真空断路器线圈励磁时闭合，旁路换流器子模块。

上述方案中，所述真空断路器线圈，一端与所述断路器励磁控制电路中的晶闸管的阳极相连，另一端与断路器电容的正极相连；

断路器电容，正极与真空断路器线圈相连，负极与所述取样电路中的取样电容的负极相连。

本发明还提供一种换流器子模块的过压保护方法，该过压保护方法包括：

取样电路对换流器子模块的电压进行取样得到取样电压；

过压检测电路检测所述取样电压，并在所述取样电压超过电压阈值时导通；

当所述过压检测电路导通时，断路器励磁控制电路导通；

当所述断路器励磁控制电路导通时，断路器旁路掉换流器子模块。

上述方案中，所述取样电路对换流器子模块的电压进行取样为：取样电路中的取样电容通过第一限流电阻跟随所述换流器子模块电容电压，得到取样电压。

上述方案中，所述过压检测电路在所述取样电压超过电压阈值时导通为：过压检测电路中的击穿二极管在取样电压不超过电压阈值时，为截止状态，过压检测电路断开；在取样电压超过电压阈值时，击穿二极管转为导通状态，电路导通。

上述方案中，所述断路器励磁控制电路导通为：当所述过压检测电路导通时，所述断路器励磁控制电路中的晶闸管的门极承受正电压，触发晶闸管转为导通状态。

上述方案中，所述断路器励磁控制电路导通具体为：所述过压检测电路中的击穿二极管导通，所述晶闸管的门极承受正电压，触发晶闸管导通。

上述方案中，所述断路器旁路掉换流器子模块为：当所述断路器励磁控制电路导通后，断路器中的真空励磁线圈励磁，吸合并联在换流器交流侧的常开触头，旁路掉换流器子模块。

本发明实施例所提供的一种换流器子模块的过压保护电路和方法，取样电路对换流器子模块的电压进行取样，得到取样电压，过压检测电路检测所述取样电压，并在所述取样电压超过电压阈值时导通，过压检测电路导通时，断路器励磁控制电路导通，断路器在断路器励磁控制电路导通时，旁路掉换流器子模块；如此，通过取样电路将换流器子模块所承受电压的情况反应给过压检测电路，过压检测电路的过压导通性使整个过压保护电路在电压过高时，进入导通状态，闭合常开触头来将换流器子模块旁路，达到保护换流器子模块的目的；其中，过压检测电路具体可以是利用击穿二极管的过压导通特性来作为导通电路的开关，与电路中其它的无源器件组成了过压保护电路，在换流器子模块电源异常时提供准确、可靠的过压保护功能，在发生过压异常时及时旁路掉换流器子模块，保证换流器子模块不受高压损坏。

附图说明

图1为本发明实施例提供的换流器子模块的过压保护电路原理图；

图2为本发明实施例提供的包括超快恢复二极管的过压保护电路原理图；

图3为本发明实施例提供的换流器子模块的过压保护方法流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例中，取样电路对换流器子模块的电压进行取样，得到取样电压，过压检测电路检测所述取样电压，并在所述取样电压超过电压阈值时导通，断路器励磁控制电路在所述电压检测电路导通时导通，断路器在所述断路器励磁控制电路导通时，旁路掉换流器子模块。

下面通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明实施例提供的换流器子模块的过压保护电路的原理图如图1所示，该过压保护电路包括：

取样电路10、过压检测电路11、断路器励磁控制电路12和断路器13；其中，

取样电路10，用于对换流器子模块的电压进行取样得到取样电压；

过压检测电路11，用于检测所述取样电压，并在所述取样电压超过电压阈值时导通；

断路器励磁控制电路12，用于在所述过压检测电路导通时导通；

断路器13，用于在所述断路器励磁控制电路12导通时，旁路掉换流器子模块；

其中，取样电路10包括：第一限流电阻R1和取样电容C1；其中，

第一限流电阻R1，一端与换流器子模块电容C的正极相连，另一端与取样电容C1的正极相连；

取样电容C1，正极与第一限流电阻R1相连，负极与所述换流器子模块电容C的负极相连；

所述取样电容C1通过所述第一限流电阻R1跟随所述换流器子模块电容电压，得到取样电压；

所述换流器子模块电容C的容量一般在毫法拉（mF）级别，为了保证取样电容C1能跟随换流器子模块电容C的变化，再结合第一限流电阻R1的取值，取样电容的容量一般取纳法拉（nF）级别；

过压检测电路11包括：第二限流电阻R2、击穿二极管D1和低通滤波支路20；

第二限流电阻R2，一端与所述取样电路10相连，另一端与所述击穿二极管D1的正极相连；

击穿二极管D1，正极与第二限流电阻R2相连，负极与低通滤波支路20的一端相连；

所述击穿二极管D1作为本发明提供的过压保护电路中的过压检测元件，当加在它两端的电压高于电压阈值时，击穿二极管D1被击穿，为导通状态；即：在所述取样电压超过电压阈值时，为导通状态，在所述取样电压不超过电压阈值时，为截止状态；其中，所述电压阈值为击穿二极管D1的击穿电压；

低通滤波支路20，由电阻R3和电容C2并联组成，电阻R3和电容C2的一端与击穿二极管D1的负极相连，另一端与取样电路10相连；

低通滤波支路20，用于消除电压的正向尖峰对所述击穿二极管D1的影响，消除了击穿二极管D1上的小能量波动，防止电压的正向尖峰干扰击穿二极管D1从而导致误动作；

其中，具体的，所述第二限流电阻R2，一端与所述取样电容C1的正极相连，另一端与击穿二极管D1的正极相连；

所述低通滤波支路20中的R3和C2，一端与所述击穿二极管D1的负极相连，另一端与所述取样电容C1的负极相连；

一般的，在实际应用中，所述击穿二极管的这种击穿导通特性常用于晶闸管的过压保护，然而，当击穿二极管用于模块化换流器子模块的过压保护时，由于换流器子模块电容电量大，旁路后放电过程需要数分钟才完成，电路中的击穿二极管长时间处于导通状态的高压回路中，长时间通过大电流会导致发热损坏；目前国内外还未见使用击穿二极管对含有大容量电容的换流器子模块进行过压保护；

但是，本发明提供的过压保护电路避免了上述击穿二极管损坏的问题，取样电路10、具体为第一限流电阻R1起限流作用，取样电路10、具体为取样电容C1跟随换流器子模块电容C的电压并存储一定的能量，当电容C上的电压达到电压阈值后，击穿二极管D1导通，取样电路10、具体为取样电容C1上的能量瞬时释放，击穿二极管D1中通过瞬时大电流，但第二限流电阻R2使得该瞬间电流不超过损坏电流；当取样电路10、具体为取样电容C1上的能量释放完，由取样电路10具体为第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、击穿二极管D1和低通滤波支路20组成的回路放电，但是，取样电路10、具体为限流电阻R1和限流电阻R2限制通过击穿二极管D1的电流不超过其可以承受的电流值；

第一限流电阻R1的取值取决于击穿二极管D1能长时间通过的最大电流值IAVM和击穿时换流器子模块电容C上的电压，因此，不同型号的击穿二极管D1对应的第一限流电阻R1的阻值也不同；

第二限流电阻R2的取值必须保证击穿二极管D1被击穿时的瞬时电流不超过使用手册中的损坏电流；

击穿二极管D1的选择取决于换流器子模块中器件的过压保护值；

断路器励磁控制电路12包括：稳压管D2和晶闸管D5；其中，

稳压管D2，负极与过压检测电路11相连，正极与晶闸管D5的门极相连；

所述稳压管D2，用于防止过压保护电路中低电压干扰信号导致误触发所述晶闸管D5；

晶闸管D5，门极与所述稳压管D2的正极相连，阳极与断路器13一端相连，阴极与所述取样电路10相连；

所述晶闸管D5在击穿二极管D1导通时，门极承受正电压，触发晶闸管D5转为导通状态；

其中，具体的，所述稳压管D2，负极与所述击穿二极管D1的负极相连，正极与所述晶闸管D5的门极相连；

所述晶闸管D5，门极与所述稳压管D2的正极相连，阳极与断路器13中的真空断路器线圈KM一端相连，阴极与所述取样电容C1的负极相连；

断路器13包括：真空断路器线圈KM、断路器电容C3和常开触头K1；其中，

真空断路器线圈KM，一端与所述断路器励磁控制电路12相连，另一端与断路器电容C3的正极相连；

所述真空断路器线圈KM在所述断路器励磁控制电路12、具体为晶闸管D5导通时励磁，吸合常开触头K1，从而将换流器子模块旁路掉；

断路器电容C3，正极与真空断路器线圈KM相连，负极与所述取样电路10相连；

其中，具体的，所述真空断路器线圈KM，一端与所述晶闸管D5的阳极相连，另一端与断路器电容C3的正极相连；

所述断路器电容C3，正极与所述真空断路器线圈KM相连，负极与所述取样电容C1的负极相连；

实际应用中，根据断路器电容C3的容量大小选择合适的晶闸管D5；

常开触头K1，并联于换流器子模块的交流侧，在真空断路器线圈KM励磁时闭合，旁路掉所述换流器子模块。

图2所示为包括超快恢复二极管的过压保护电路；图中所示的断路器励磁控制电路12还可以进一步包括：第一超快恢复二极管D3和第二超快恢复二极管D4；其中，

第一超快恢复二极管D3，串联在所述稳压管D2的正极和晶闸管D5的门极之间；

第二超快恢复二极管D4，负极与所述晶闸管D5的门极相连，正极连接主动触发电路14；

所述第一超快恢复二极管D3，用于隔离所述第二超快恢复二极管D4与所述第一超快恢复二极管D3所在回路，使得在主动触发电路14触发晶闸管D5导通时，第二超快恢复二极管D4两端的电压不会影响断路器励磁控制电路12；

所述第二超快恢复二极管D4，用于当主动触发电路14输出高电平时，使晶闸管D5的门极承受正电压，触发晶闸管D5导通；

具体的，所述第二超快恢复二极管D4的正极连接主动触发电路14输出的控制信号，当控制信号为高电平时，第二超快恢复二极管D4导通，高电平触发晶闸管D5导通，真空励磁线圈KM励磁吸合常开触头K1；断路器励磁控制电路12与主动控制电路14为两个并联在晶闸管D5门极的控制支路，互不影响，这两个控制支路分别都可以触发晶闸管D5导通，使得断路器旁路掉换流器子模块，达到保护的目的。

图3所示为本发明实施例提供的换流器子模块的过压保护方法的流程示意图，主要包括以下步骤：

步骤301：取样电路对换流器子模块的电压进行取样得到取样电压；

具体的，如图1所示的取样电路10中的取样电容C1通过第一限流电阻R1跟随所述换流器子模块电容C电压，得到取样电压。

步骤302：过压检测电路检测取样电压，并在所述取样电压超过电压阈值时导通；

具体的，过压检测电路11中的击穿二极管D1在所述取样电压不超过电压阈值时，为截止状态，过压检测电路11断开，说明此时换流器子模块电容C电压正常，不需要过压保护；在取样电压超过电压阈值时，击穿二极管D1转为导通状态，过压检测电路11导通，说明此时换流器子模块电容C电压过高，需要过压保护；其中，

所述电压阈值为击穿二极管D1的击穿电压值。

步骤303：当过压检测电路导通时，断路器励磁控制电路导通；

具体的，在过压检测电路11导通时，断路器励磁控制电路12中晶闸管D5的门极承受正电压，触发晶闸管D5转为导通状态，即断路器励磁控制12电路导通；

具体为：所述过压检测电路11中的击穿二极管D1导通时，晶闸管D5的门极承受正电压，触发晶闸管D5导通。

步骤304：当断路器励磁控制电路导通时，断路器旁路掉换流器子模块；

具体的，当断路器励磁控制电路12导通时，断路器13中的真空断路器线圈KM励磁，吸合常开触头K1，从而旁路掉换流器子模块，达到了过压保护的作用；

具体为：所述断路器励磁控制电路12中的晶闸管D5导通时，真空断路器线圈KM励磁，吸合所述并联在换流器交流侧的常开触头K1；

常开触头K1并联在换流器子模块的交流侧，当所述常开触头K1闭合时，旁路了换流器子模块，达到了保护换流器子模块的目的。

本发明实施例通过使用击穿二极管作为过压检测电路的检测器件，当换流器子模块电容电压过高时，取样电压达到击穿二极管的击穿电压值使击穿二极管导通，从而进一步触发晶闸管导通让真空断路器线圈励磁，吸合并联在换流器子模块交流侧的常开触头，旁路掉换流器子模块，以避免换流器子模块被高压损坏。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种换流器子模块的过压保护电路，其特征在于，该过压保护电路包括：取样电路、过压检测电路、断路器励磁控制电路和断路器；其中，

取样电路，用于对换流器子模块的电压进行取样得到取样电压；

过压检测电路，用于检测所述取样电压，并在所述取样电压超过电压阈值时导通；

断路器励磁控制电路，用于在所述过压检测电路导通时导通；

断路器，用于在所述断路器励磁控制电路导通时，旁路掉换流器子模块。

2.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述取样电路包括：第一限流电阻和取样电容；其中，

第一限流电阻，一端与换流器子模块电容的正极相连，另一端与所述取样电容的正极相连；

取样电容，正极与所述第一限流电阻相连，负极与所述换流器子模块电容的负极相连，用于通过所述第一限流电阻跟随所述换流器子模块电容电压，得到取样电压。

3.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述过压检测电路包括：第二限流电阻、击穿二极管、低通滤波支路；其中，

第二限流电阻，一端与所述取样电路相连，另一端与所述击穿二极管的正极相连；

击穿二极管，正极与所述第二限流电阻相连，负极与低通滤波支路的一端相连，用于在所述取样电压超过电压阈值时，为导通状态，在取样电压不超过阈值电压时，为截止状态；

低通滤波支路，一端与所述击穿二极管的负极相连，另一端与所述取样电路相连。

4.根据权利要求3所述的过压保护电路，其特征在于，所述第二限流电阻，一端与所述取样电路中的取样电容的正极相连，另一端与所述击穿二极管的正极相连；

所述低通滤波支路，一端与所述击穿二极管的负极相连，另一端与所述取样电路中的取样电容的负极相连。

5.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述断路器励磁控制电路包括：稳压管和晶闸管；其中，

稳压管，负极与所述过压检测电路相连，正极与所述晶闸管的门极相连；

晶闸管，门极与所述稳压管的正极相连，阳极与断路器一端相连，阴极与取样电路相连；

所述晶闸管在所述击穿二极管导通时，门极承受正电压，为导通状态。

6.根据权利要求5所述过压保护电路，其特征在于，其中，所述稳压管，负极与所述过压检测电路中的击穿二极管的负极相连，正极与所述晶闸管的门极相连；

所述晶闸管，门极与所述稳压管的正极相连，阳极与断路器中的真空断路器线圈一端相连，阴极与取样电路中的取样电容的负极相连。

7.根据权利要求5所述的过压保护电路，其特征在于，所述断路器励磁控制电路进一步包括：第一超快恢复二极管和第二超快恢复二极管；其中，

第一超快恢复二极管，串联在所述稳压管的正极和晶闸管的门极之间，用于隔离所述第二超快恢复二极管与所述第一超快恢复二极管D3所在回路；

第二超快恢复二极管，负极与所述晶闸管的门极相连，正极与主动触发电路相连，用于当主动触发电路输出高电平至正极时，使晶闸管的门极承受正电压，触发晶闸管导通。

8.根据权利要求1至7任一所述的过压保护电路，其特征在于，所述断路器包括：真空断路器线圈、断路器电容和常开触头；其中，

真空断路器线圈，一端与断路器励磁控制电路相连，另一端与断路器电容的正极相连，用于在断路器控制电路导通时励磁，吸合常开触头；

断路器电容，正极与真空断路器线圈相连，负极与所述取样电路相连；

常开触头，并联在换流器子模块的交流侧，用于在所述真空断路器线圈励磁时闭合，旁路换流器子模块。

9.根据权利要求8所述的过压保护电路，其特征在于，所述真空断路器线圈，一端与所述断路器励磁控制电路中的晶闸管的阳极相连，另一端与断路器电容的正极相连；

断路器电容，正极与真空断路器线圈相连，负极与所述取样电路中的取样电容的负极相连。

10.一种换流器子模块的过压保护方法，其特征在于，该过压保护方法包括：

取样电路对换流器子模块的电压进行取样得到取样电压；

过压检测电路检测所述取样电压，并在所述取样电压超过电压阈值时导通；

当所述过压检测电路导通时，断路器励磁控制电路导通；

当所述断路器励磁控制电路导通时，断路器旁路掉换流器子模块。

11.根据权利要求10所述的过压保护方法，其特征在于，所述取样电路对换流器子模块的电压进行取样为：取样电路中的取样电容通过第一限流电阻跟随所述换流器子模块电容电压，得到取样电压。

12.根据权利要求10所述的过压保护方法，其特征在于，所述过压检测电路在所述取样电压超过电压阈值时导通为：过压检测电路中的击穿二极管在取样电压不超过电压阈值时，为截止状态，过压检测电路断开；在取样电压超过电压阈值时，击穿二极管转为导通状态，电路导通。

13.根据权利要求10所述的过压保护方法，其特征在于，所述断路器励磁控制电路导通为：当所述过压检测电路导通时，所述断路器励磁控制电路中的晶闸管的门极承受正电压，触发晶闸管转为导通状态。

14.根据权利要求13所述的过压保护方法，其特征在于，所述断路器励磁控制电路导通具体为：所述过压检测电路中的击穿二极管导通，所述晶闸管的门极承受正电压，触发晶闸管导通。

15.根据权利要求10至14任一所述的过压保护方法，其特征在于，所述断路器旁路掉换流器子模块为：当所述断路器励磁控制电路导通后，断路器中的真空励磁线圈励磁，吸合并联在换流器交流侧的常开触头，旁路掉换流器子模块。