CN105245109A - 箝位式双子模块的取能电源装置和取能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及箝位式双子模块的取能电源装置和取能控制方法，包括第一取能单元和第二取能单元，第一取能单元从箝位式双子模块中的第一电容的两端取电，第二取能单元从箝位式双子模块中的第二电容的两端取电；控制模块控制两个取能单元的输出电压相同、且输出电流相同，以实现两个取能单元恒功率的输出，从而保证两个电容之间的均压，避免因两个电容的不均压而造成箝位式双子模块无法正常运行的后果。

Description

箝位式双子模块的取能电源装置和取能控制方法

技术领域

本发明涉及箝位式双子模块的取能电源装置和取能控制方法，属于MMC阀子模块的供电技术领域。

背景技术

MMC柔性直流输电系统中，常用的换流阀主要由三种，分别是半桥子模块、全桥子模块和箝位式双子模块，其中，半桥子模块结构最为简单，而全桥子模块和箝位式双子模块由于其性能较为半桥子模块稳定，所以全桥子模块和箝位式双子模块是清除柔性直流输电系统直流侧故障的重要途径，且箝位式双子模块相比全桥子模块具有运行损耗小、成本低等优点，更加受到欢迎。如图1所示，箝位式双子模块包括两个等效半桥单元、两个箝位二极管D1、D2、引导IGBT管S5，正常工作时，引导IGBT管S5一直导通。其中，两个等效半桥单元包括开关器件IGBT管S1、S2、S3、S4、直流电容C1、C2、均压电阻R1、R2等。该子模块还配套设有控制板卡SCE和驱动单元IDU。

模块化多电平柔性直流输电换流阀子模块具有电压等级高、工作的电磁环境恶劣等特点，因此，子模块内部的控制器、驱动器和保护装置的供电有一定的困难。子模块内部的供电必须采用隔离、可靠的方式，如果使用常规的外接开关电源，则隔离电压值为换流阀的母线电压，该电压极大，为几十kV或几百kV，目前还没有成熟技术能够达到如此高的隔离电压。因此子模块内部的供电只能通过内部的储能电容单独取能，给各自的控制器、驱动器和保护装置供电。

半桥子模块和全桥子模块取能回路能通过其唯一电容取电，比如申请号为201210524647的中国专利申请公开了一种MMC阀子模块的高位取能电源装置，其从子模块电容取能。由于半桥子模块和全桥子模块取能回路通过其唯一电容取电，所以不存在单个子模块内的电容均压问题。然而箝位式双子模块拓扑由于存在两个电容，如何满足取电的同时使得两个电容两端取电功耗相同从而保证运行过程中两个电容电压均压成为箝位式双子模块应用的难题。利用现有的取能装置从箝位式双子模块其中一个电容进行取电的话，极易造成箝位式双子模块两个电容不均压，进而造成箝位式双子模块无法正常运行的后果。

发明内容

本发明的目的是提供一种箝位式双子模块的取能电源装置，用以解决传统的取能电源装置对箝位式双子模块进行取能时，会造成箝位式双子模块两个电容不均压的问题。本发明同时提供一种箝位式双子模块的取能控制方法。

为实现上述目的，本发明的方案包括：一种箝位式双子模块的取能控制方法，包括以下步骤：

(1)第一取能单元从箝位式双子模块中的第一电容的两端取电，第二取能单元从箝位式双子模块中的第二电容的两端取电；

(2)分别控制两个取能单元的输出电压相同、且输出电流相同，以实现两个取能单元恒功率的输出。

所述步骤(2)具体为：控制模块采集第一取能单元的输出电压，利用闭环控制使其输出电压稳定在一个设定电压值，控制模块采集第二取能单元的输出电压，利用闭环控制使其输出电压稳定在所述设定电压值；同时，均流模块分别采集两个取能单元的输出电流，通过相应地控制使两个取能单元的输出电流相同。

一种箝位式双子模块的取能电源装置，包括第一取能单元和第二取能单元，第一取能单元用于输入连接箝位式双子模块中的第一电容，第二取能单元用于输入连接箝位式双子模块中的第二电容；

所述第一取能单元和第二取能单元均为开关电源，第一取能单元为第一开关电源，第二取能单元为第二开关电源，所述第一开关电源包括用于测量对应输出电流的第一电流采集模块、用于测量对应输出电压的第一电压采集模块，所述第二开关电源包括用于测量对应输出电流的第二电流采集模块、用于测量对应输出电压的第二电压采集模块；所述第一开关电源中有用于控制对应输出电流和输出电压的第一开关模块；第二开关电源中有用于控制对应输出电流和输出电压的第二开关模块；

所述电源装置还包括控制模块和均流模块，控制模块采样连接所述第一电压采集模块和第二电压采集模块，所述均流模块采样连接所述第一电流采集模块和第二电流采集模块，控制模块连接所述均流模块，所述控制模块分别控制连接所述第一开关模块和第二开关模块。

所述第一开关电源包括依次连接的第一输入整流模块、第一变压器和第一输出整流模块，所述第一变压器的原边设有所述第一开关模块；所述第二开关电源包括依次连接的第二输入整流模块、第二变压器和第二输出整流模块，所述第二变压器的原边设有所述第二开关模块。

所述控制模块为第一控制模块和第二控制模块，所述均流模块为第一均流模块和第二均流模块；

所述第一控制模块采样连接所述第一电压采集模块，所述第一均流模块采样连接所述第一电流采集模块，第一控制模块连接所述第一均流模块，所述第二控制模块采样连接所述第二电压采集模块，所述第二均流模块采样连接所述第二电流采集模块，第二控制模块连接所述第二均流模块，第一均流模块连接第二均流模块，所述第一控制模块控制连接所述第一开关模块，第二控制模块控制连接所述第二开关模块。

两个取能单元的正极输出端分别通过一个二极管连接到所述电源装置的正极输出端，两个取能单元的负极输出端连接到所述电源装置的负极输出端。

所述第一变压器还包括第一供电绕组，所述第一变压器还包括第二供电绕组，所述第一供电绕组的两端连接到所述第一控制模块的供电端，所述第二供电绕组的两端连接到所述第二控制模块的供电端。

所述第一输入整流模块中包括第一滤波单元，所述第一输出整流模块中包括第二滤波单元，所述第二输入整流模块中包括第三滤波单元，第二输出整流模块中包括第四滤波单元。

所述第一取能单元还包括第一反馈与保护模块，所述第一控制模块通过所述第一反馈与保护模块连接所述第一均流模块和第一电压采集模块；所述第二取能单元还包括第二反馈与保护模块，所述第二控制模块通过所述第二反馈与保护模块连接所述第二均流模块和第二电压采集模块。

所述第一取能单元还包括第一快速启动模块，所述第一快速启动模块设置在第一取能单元的输入端与第一输入整流模块之间的线路上，所述第一控制模块控制连接所述第一快速启动模块；所述第二取能单元还包括第二快速启动模块，所述第二快速启动模块设置在第二取能单元的输入端与第二输入整流模块之间的线路上，所述第二控制模块控制连接所述第二快速启动模块。

本发明提供的箝位式双子模块的取能电源装置中，包括两个取能单元，分别从箝位式双子模块中的两个电容的两端进行取电；控制模块采集每个取能单元的输出电压，并且使两个取能单元的输出电压相同；而且，通过均流模块对每个取能单元的输出电流进行均流控制，以实现两个取能单元的输出电流相同。通过对两个取能单元中的电压进行稳定控制和对电流进行均流处理，能够使两个取能单元的输出电压稳定在一个定值，并且，使两个取能单元的输出电流相同，即能够使两个取能单元恒功率输出，从而保证了箝位式双子模块中的两个电容均压，避免因两个电容的不均压而造成箝位式双子模块无法正常运行的后果。

附图说明

图1是箝位式双子模块的结构示意图；

图2是取能电源与箝位式双子模块、控制板卡SCE和驱动单元IDU之间的连接关系图；

图3是取能电源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图2所示，本发明提供的取能电源装置的输入端分别从箝位式双子模块中的两个电容的两端进行取电，然后给控制板卡SCE和驱动单元IDU提供工作电压。

如图3所示，取能电源装置包括取能电路QN1和QN2，这两个取能电路的内部电路结构相同，每个取能单元的输入端对应连接箝位式双子模块中的一个电容的两端，用于从对应电容的两端进行取电。

由于这两个取能电路QN1和QN2结构相同，那么，针对取能电路QN1进行详细说明，对于取能电路QN1中的各个组成部分以及组成部分的连接结构均全部适用于取能电路QN2。

取能电路QN1包括控制模块、反馈与保护模块、滤波整流网络、变压器TR1、整流滤波网络和均流网络，其中，控制模块为微处理器、单片机或者其他控制器，滤波整流网络包括依次连接的滤波电路和整流器，整流滤波网络包括依次连接的整流器和滤波电路。取能QN1的输入端通过滤波整流网络连接到变压器TR1的原边绕组的一端，该原边绕组的另一端通过开关管T1接地，变压器TR1的副边绕组通过整流滤波网络连接到该取能单元QN1的输出端。开关管T1反向并联有一个二极管，控制模块能够控制该开关管T1导通和关断，以及控制其导通和关断，以及导通和关断的频率。

在整流滤波网络的输出端设置有一个电压采集模块，控制模块通过反馈与保护模块采样连接该电压采集模块，该电压采集模块采集该取能电路QN1的输出电压，并将采集到的电压传输给反馈与保护模块，然后，反馈与保护模块将采集到的电压值给控制模块，控制模块对接收到的电压进行闭环控制。如图3所示，在副边绕组的输出线路上设置有一个电流采集点，该电流采集点上设置有电流互感器L1，均流网络采样连接该电流互感器L1，控制模块通过反馈与保护模块连接该均流网络。电流互感器L1采集副边绕组输出的电流(该副边绕组输出的电流即为该取能电路QN1的输出电流)，并将采集到的电流值给均流网络，均流网络通过反馈与保护模块将电流值给控制模块，控制模块根据采集到的电流信号进行相应的控制；而且，取能电路QN1和QN2中的均流网络相连接，能够对QN1和QN2的输出电流进行均流控制，使QN1和QN2的输出电流相同。

反馈与保护模块主要起到的作用是：取能电路的输出电压和副边绕组上的电流均通过反馈与保护模块传输给控制模块，通过对接收到的电压和电流进行相应的判断，实现取能电源过压、欠压、过载、短路等保护功能。

为了方便对控制模块和反馈与保护模块进行供电，变压器TR1上还设有两个供电绕组，其中，一个供电绕组的两端通过供电线路连接到控制模块的供电端；另一个供电绕组的两端通过供电线路连接到反馈与保护模块的供电端。同理，变压器TR2上也有两个供电绕组，连接方式与变压器TR1相同。

为了能够使取电电源同步启动，该取电电源还包括两个快速启动电路，每个取电电路上各设置一个，如图3所示，以取电电路QN1进行说明，控制模块控制连接该快速启动电路，快速启动电路设置在取能单元QN1的输入端与滤波整流网络之间的线路上。控制模块通过控制快速启动电路，不但能够使两个取电电路同步启动，而且，还能够在2s内就能启动，节约了启动时间，保证了电源的运行效率。

在本实施例中，取能电路QN1的正极输出端和取能电路QN2的正极输出端均连接到整个取能电源的正极输出端，两个取能电路的负极输出端连接到整个取能电源的负极输出端，实现电源的并联输出。并且，取能单元QN1的正极输出端与取能电源的正极输出端之间的连接线路上串设有二极管D3，取能单元QN2的正极输出端与取能电源的正极输出端之间的连接线路上串设有二极管D4，二极管D3和D4为防反二极管，能够使取能电路QN1和QN2的输出电压互相不受影响。

对于取能电路QN1，控制模块采集输出电压，与控制模块中设定的电压阈值进行比较，然后根据比较的误差值控制开关管导通或者关断，开关管会有一定的导通和关断的频率，这就相当于一个交流电，变压器的副边绕组能够感应出原边绕组的电压，并输出相应的电压，并且通过导通和关断控制，能够控制变压器输出电压的大小，进而控制输出电压，即整个控制为闭环控制，以此来对输出电压进行调节，使取能电路的输出电压稳定在一个设定的电压值。同理，对于取能电路QN2，控制模块采集输出电压，并通过闭环控制也使其输出电压稳定在上述设定的电压值。

两个均流网络相互连接，并且均流网络能够对取能电路的输出电流(副边绕组上的电流)进行均流处理，与上述电压闭环控制相同，控制模块根据均流网络传输的输出电流控制开关管(T1、T2)导通或者关断，以对电流进行闭环控制，不但稳定了输出电流，而且通过均流控制使QN1、QN2的输出电流相同。

通过闭环控制，能够使两个取能电路的输出电压稳定在同一个定值，并且，使两个取能电路的输出电流相同。由于功率等于电压和电流的乘积，所以通过上述控制，能够使两个取能电路恒功率输出，从而保证了箝位式双子模块中的两个电容均压。

取能电源的输出电压为控制板SCE和驱动单元IDU所需供电电压和电源内部VCC供电电压。

上述实施例中，取能电路QN1和QN2中均对应包括控制模块、反馈与保护模块、均流网络，控制模块对应连接取能电路中的电压采集模块，并进行相应地控制，均流网络对应采样连接取能电路中的电流互感器，且两个均流网络相连接，控制模块对应连接均流网络，进行相应地均流控制。作为其他的实施例，两个取能电路还可以共用一个控制模块和均流网络，其中，控制模块同时采样连接两个电压采集模块，均流网络同时采样连接两个电流互感器L1和L2，控制模块与该均流网络相连，其控制过程与上述实施例中的控制过程相同。

上述实施例中，给出了取能电路的具体结构，并且取能电路QN1和QN2是两个完全相同的电路结构，作为其他的实施例，这两个取能电路中的一个或者全部还可以使用现有技术中的开关电源，其中，控制模块采集输出电压，均流网络采集输出电流，控制模块根据采集到的信息控制开关电源中的开关模块的导通或者关断，以实现对输出电压和输出电流的控制。另外，对于两个取能电路中的各个组成部分，对应的两个组成部分可以是完全相同的两个器件，也可以是不完全相同的两个器件，但是两者的功能作用要相同，能够完成各自的功能。

上述实施例中，给出了一种取能电路的具体结构，包括反馈与保护模块、快速启动模块等，但是，这是一种优化的实施方式，作为其他的实施方式，比如：如果对于保护没有严格要求的话，反馈与保护模块可以不设置，电压采集模块和均流网络可以直接输出连接控制模块，相应地，也就无需为反馈与保护模块提供电能；如果对于快速启动没有严格要求的话，快速启动电路也可以不设置。

上述实施例中，取能电路包括输入和输出两个滤波电路，作为其他的实施例，这两个滤波电路可以不设置。

上述实施例中，控制模块和反馈与保护模块的供电电压取自变压器，作为其他的实施例，这部分电源可以由单独的电池或者超级电容提供，并不需要设置供电绕组。

本发明的发明点在于：通过采集电压和电流，实现恒功率的输出，进而实现两个电容的均压，而取能电路中的各个模块的具体结构，比如说：控制模块、整流器、滤波电路、反馈与保护模块、快速启动电路以及均压网络等均不在本发明的保护范围内，这些模块均可以使用现有技术中已公开的装置和模块。反馈与保护模块、快速启动电路以及均压网络均可以是纯硬件电路结构，也可以是借助于计算机程序而实施其功能的软硬件相结合的器件。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种箝位式双子模块的取能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)第一取能单元从箝位式双子模块中的第一电容的两端取电，第二取能单元从箝位式双子模块中的第二电容的两端取电；

(2)分别控制两个取能单元的输出电压相同、且输出电流相同，以实现两个取能单元恒功率的输出。

2.根据权利要求1所述的箝位式双子模块的取能控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：

控制模块采集第一取能单元的输出电压，利用闭环控制使其输出电压稳定在一个设定电压值，控制模块采集第二取能单元的输出电压，利用闭环控制使其输出电压稳定在所述设定电压值；同时，均流模块分别采集两个取能单元的输出电流，通过相应地控制使两个取能单元的输出电流相同。

3.一种箝位式双子模块的取能电源装置，其特征在于，包括第一取能单元和第二取能单元，第一取能单元用于输入连接箝位式双子模块中的第一电容，第二取能单元用于输入连接箝位式双子模块中的第二电容；

所述第一取能单元和第二取能单元均为开关电源，第一取能单元为第一开关电源，第二取能单元为第二开关电源，所述第一开关电源包括用于测量对应输出电流的第一电流采集模块、用于测量对应输出电压的第一电压采集模块，所述第二开关电源包括用于测量对应输出电流的第二电流采集模块、用于测量对应输出电压的第二电压采集模块；所述第一开关电源中有用于控制对应输出电流和输出电压的第一开关模块；第二开关电源中有用于控制对应输出电流和输出电压的第二开关模块；

所述电源装置还包括控制模块和均流模块，控制模块采样连接所述第一电压采集模块和第二电压采集模块，所述均流模块采样连接所述第一电流采集模块和第二电流采集模块，控制模块连接所述均流模块，所述控制模块分别控制连接所述第一开关模块和第二开关模块。

4.根据权利要求3所述的箝位式双子模块的取能电源装置，其特征在于，所述第一开关电源包括依次连接的第一输入整流模块、第一变压器和第一输出整流模块，所述第一变压器的原边设有所述第一开关模块；所述第二开关电源包括依次连接的第二输入整流模块、第二变压器和第二输出整流模块，所述第二变压器的原边设有所述第二开关模块。

5.根据权利要求3或4所述的箝位式双子模块的取能电源装置，其特征在于，所述控制模块为第一控制模块和第二控制模块，所述均流模块为第一均流模块和第二均流模块；

所述第一控制模块采样连接所述第一电压采集模块，所述第一均流模块采样连接所述第一电流采集模块，第一控制模块连接所述第一均流模块，所述第二控制模块采样连接所述第二电压采集模块，所述第二均流模块采样连接所述第二电流采集模块，第二控制模块连接所述第二均流模块，第一均流模块连接第二均流模块，所述第一控制模块控制连接所述第一开关模块，第二控制模块控制连接所述第二开关模块。

6.根据权利要求3或4所述的箝位式双子模块的取能电源装置，其特征在于，两个取能单元的正极输出端分别通过一个二极管连接到所述电源装置的正极输出端，两个取能单元的负极输出端连接到所述电源装置的负极输出端。

7.根据权利要求5所述的箝位式双子模块的取能电源装置，其特征在于，所述第一变压器还包括第一供电绕组，所述第一变压器还包括第二供电绕组，所述第一供电绕组的两端连接到所述第一控制模块的供电端，所述第二供电绕组的两端连接到所述第二控制模块的供电端。

8.根据权利要求5所述的箝位式双子模块的取能电源装置，其特征在于，所述第一输入整流模块中包括第一滤波单元，所述第一输出整流模块中包括第二滤波单元，所述第二输入整流模块中包括第三滤波单元，第二输出整流模块中包括第四滤波单元。

9.根据权利要求5所述的箝位式双子模块的取能电源装置，其特征在于，所述第一取能单元还包括第一反馈与保护模块，所述第一控制模块通过所述第一反馈与保护模块连接所述第一均流模块和第一电压采集模块；所述第二取能单元还包括第二反馈与保护模块，所述第二控制模块通过所述第二反馈与保护模块连接所述第二均流模块和第二电压采集模块。

10.根据权利要求5所述的箝位式双子模块的取能电源装置，其特征在于，所述第一取能单元还包括第一快速启动模块，所述第一快速启动模块设置在第一取能单元的输入端与第一输入整流模块之间的线路上，所述第一控制模块控制连接所述第一快速启动模块；所述第二取能单元还包括第二快速启动模块，所述第二快速启动模块设置在第二取能单元的输入端与第二输入整流模块之间的线路上，所述第二控制模块控制连接所述第二快速启动模块。