CN105790228A - 换流阀子模块和模块化多电平换流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换流阀子模块和模块化多电平换流器，换流阀子模块包括正端、负端、第一开关模块、第二开关模块、充放电模块和二次控制保护模块，第一开关模块和第二开关模块均包括第一端、第二端和控制端，充放电模块设正极和负极；第一开关模块的第一端连接第二开关模块的第一端，且公共端连接正端，第一开关模块的第二端连接充放电模块的正极，第二开关模块的第二端连接充放电模块的负极，且公共端连接负端，第一开关模块和第二开关模块的控制端均连接二次控制保护模块。通过二次控制保护模块控制第一开关模块和第二开关模块的状态，从而控制充放电模块充/放电，及时切断短路电流，或实现快速恢复启动正常工作，提高直流输电系统的可靠性。

Description

换流阀子模块和模块化多电平换流器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种换流阀子模块和模块化多电平换流器。

背景技术

换流器通常用于柔性直流输电，可由多个换流阀子模块构成。由于柔性直流输电网络的低阻尼特性，常导致直流输电系统发生短路故障。短路故障初期电流上升率达到数千安每毫秒级别，目前直流断路器技术还没有取得突破，无法快速切断故障电流，交流断路器几十毫秒的分断速度，会使直流输电系统中换流器等关键装备承受苛刻的电气应力，降低了设备运行的安全性。

为提高设备运行的安全性，传统的方法是在直流输电系统短路故障时，通过断开交流侧断路器来分断短路故障电流。然而，断开交流侧断路器的方式将导致直流输电系统短路故障后无法实现快速恢复，直流输电系统可靠性低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可以实现切断故障电流、短路故障后快速恢复电流以提高直流输电系统可靠性的换流阀子模块和模块化多电平换流器。

一种换流阀子模块，包括正端、负端、第一开关模块、第二开关模块、充放电模块和二次控制保护模块，所述第一开关模块和所述第二开关模块均分别包括第一端、第二端和控制端，所述充放电模块设有正极和负极；

所述第一开关模块的第一端连接所述第二开关模块的第一端，且公共端连接所述正端，所述第一开关模块的第二端连接所述充放电模块的正极，所述第一开关模块的控制端连接所述二次控制保护模块，所述第二开关模块的第二端连接所述充放电模块的负极，且公共端连接所述负端，所述第二开关模块的控制端连接所述二次控制保护模块；

所述正端和负端分别接入和输出电压，所述二次控制保护模块在控制所述第二开关模块关断时，控制所述第一开关模块正向导通或负向导通；以及在控制所述第二开关模块导通时，控制所述第一开关模块正向导通；所述充放电模块在所述第一开关模块正向导通或负向导通、且所述第二开关模块关断时进行充放电。

一种模块化多电平换流器，包括至少两个依次级联的上述换流阀子模块。

上述换流阀子模块，在直流输电系统短路故障时，二次控制保护模块控制第一开关模块正向导通或负向导通及控制第二开关模块关断，从而控制充放电模块充电或放电，及时切断短路电流，保护了换流站设备；同时在故障切除后，二次控制保护模块控制第一开关模块正向导通及控制第二开关模块导通，电流通过第二开关模块从而快速恢复启动正常工作，换流阀子模块可以自由切换工作状态，提高直流输电系统的可靠性。

上述模块化多电平换流器，由于包含上述换流阀子模块，同理可以在直流输电系统短路故障时及时切断短路电流，保护换流站设备，在故障切除后快速恢复启动正常工作，提高直流输电系统的可靠性。

附图说明

图1为一实施例中本发明换流阀子模块的结构图；

图2为一实施例中本发明换流阀子模块的电气原理图；

图3为一具体实施例中正向电流充电状态的示意图；

图4为一具体实施例中负向电流放电状态的示意图；

图5为一具体实施例中正向电流旁路状态的示意图；

图6为一具体实施例中负向电流旁路状态的示意图；

图7为一具体实施例中故障旁路状态的示意图；

图8为一实施例中本发明模块化多电平换流器的结构图；

图9为一实施例中本发明模块化多电平换流器的电气原理图。

具体实施方式

参考图1，本发明一实施例中的一种换流阀子模块，包括正端、负端、第一开关模块110、第二开关模块130、充放电模块150和二次控制保护模块170，第一开关模块110和第二开关模块130均分别包括第一端、第二端和控制端，充放电模块150设有正极和负极。

第一开关模块110的第一端连接第二开关模块130的第一端，且公共端连接正端，第一开关模块110的第二端连接充放电模块150的正极，第一开关模块110的控制端连接二次控制保护模块170，第二开关模块130的第二端连接充放电模块150的负极，且公共端连接负端，第二开关模块130的控制端连接二次控制保护模块170。

正端和负端分别接入和输出电压，二次控制保护模块170在控制第二开关模块130关断时，控制第一开关模块110正向导通或负向导通；以及在控制第二开关模块130导通时，控制第一开关模块110正向导通；充放电模块150在第一开关模块110正向导通或负向导通、且第二开关模块130关断时进行充放电。

具体地，二次控制保护模块170输出闭锁信号至第一开关模块110和第二开关模块130，控制第一开关模块110正向导通、第二开关模块130关断，换流阀子模块工作在正向电流充电状态；此时充放电模块150充电，将切断短路故障电流回路，短路故障电流迅速被清除。二次控制保护模块170输出触发信号至第一开关模块110及输出闭锁信号至第二开关模块130，控制第一开关模块110负向导通、第二开关模块130关断，换流阀子模块工作在负向电流放电状态，此时充放电模块150放电。二次控制保护模块170输出闭锁信号至第一开关模块110及输出触发信号至第二开关模块130，控制第一开关模块110正向导通、第二开关模块130导通，换流阀子模块工作在正向电流旁路状态或负向电流旁路状态；此时充放电模块150无电流通过，电流可以正常通过换流阀子模块，直流输电系统切换到正常工作状态。其中，第一开关模块110正向导通，指允许电流从第一开关模块110的第一端流向第一开关模块110的第二端；第一开关模块110负向导通，指允许电流从第一开关模块110的第二端流向第一开关模块110的第一端。

上述换流阀子模块，在直流输电系统短路故障时，二次控制保护模块170控制第一开关模块110正向导通或负向导通及控制第二开关模块130关断，从而控制充放电模块150充电或放电，及时切断短路电流，保护换流站设备；同时在故障切除后，二次控制保护模块130控制第一开关模块110正向导通及控制第二开关模块130导通，电流通过第二开关模块130从而快速恢复启动正常工作，换流阀子模块可以自由切换工作状态，提高直流输电系统的可靠性。

在其中一实施例中，参考图2，第一开关模块110包括第一二极管D1和第一开关管T1，第一开关管T1的输出端连接第一二极管D1的正极，且公共端作为第一开关模块110的第一端，第一开关管T1的输入端连接第一二极管D1的负极，且公共端作为第一开关模块110的第二端，第一开关管T1的控制端作为第一开关模块110的控制端连接二次控制保护模块170。

二次控制保护模块170输出闭锁信号至第一开关管T1，控制第一开关管T1关断，此时允许正向电流通过第一二极管D1从第一开关模块110的第一端流向第一开关模块110的第二端，对应第一开关模块110正向导通；二次控制保护模块170输出触发信号至第一开关管T1，控制第一开关管T1导通，此时允许负向电流通过第一开关管T1从第一开关模块110的第二端流向第一开关模块110的第一端，对应第一开关模块110负向导通。通过第一开关管T1和第一二极管D1反并联构成第一开关模块110，可以实现第一开关模块110的双向导通，便于换流阀子模块不同流向的电流通过。

参考图3和图4，为一具体实施例中换流阀子模块的工作示意图，图3所示为第一开关模块110正向导通、第二开关模块130关断，换流阀子模块工作在正向电流充电状态；图4所示为第一开关模块110负向导通、第二开关模块130关断，换流阀子模块工作在负向电流放电状态。

在其中一实施例中，第一开关管T1具体为三极管。具体地，本实施例中，第一开关管T1为功率半导体全控型开关器件。因此，二次控制保护模块170既可以控制第一开关管T1的导通，又可以控制第一开关管T1的关断，第一开关模块110导通流向切换的便利性高。

在其中一实施例中，参考图2，第二开关模块130包括第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第二开关管T2，第二二极管D2和第三二极管D3顺序串联，且公共端作为第二开关模块130的第一端，第四二极管D4和第五二极管D5顺序串联，且公共端作为第二开关模块130的第二端。第二二极管D2的负极连接第四二极管D4的负极，且公共端连接第二开关管T2的输入端，第三二极管D3的正极连接第五二极管D5的正极，且公共端连接第二开关管T2的输出端，第二开关管T2的控制端作为第二开关模块130的控制端。

二次控制保护模块170输出闭锁信号至第二开关管T2，控制第二开关管T2关断，此时对应第二开关模块130关断；二次控制保护模块170输出触发信号至第二开关管T2，控制第二开关管T2导通，此时对应第二开关模块130导通。通过二次控制保护模块170控制第二开关管T2的导通和关断，可以控制第二开关模块130的导通和关断；同时通过第二二极管D2和第三二极管D3顺序串联后与顺序串联的第四二极管D4和第五二极管D5并联，可以实现第二开关模块130的双向导通。具体地，第二开关管T2导通后，当换流阀子模块的正端输入电流时，电流依次通过第二二极管D2、第二开关管T2和第五二极管D5后流向换流阀子模块的负端，此时对应正向电流；当换流阀子模块的负端输入电流时，电流依次通过第四二极管D4、第二开关管T2和第三二极管D3后流向换流阀子模块的正端，此时对应负向电流。

参考图5和图6，为一具体实施例中换流阀子模块的工作示意图，图5所示为第一开关模块110正向导通、第二开关模块130导通，电流从正端输入，换流阀子模块工作在正向电流旁路状态；图6所示为第一开关模块110正向导通、第二开关模块130导通，电流从负端输入，换流阀子模块工作在负向电流旁路状态。

在其中一实施例中，第二开关管T2具体为三极管。具体地，本实施例中，第二开关管T2为功率半导体全控型开关器件。因此，二次控制保护模块170既可以控制第二开关管T2的导通，又可以控制第二开关管T2的关断，第二开关模块130导通流向切换的便利性高。

在其中一实施例中，请继续参考图2，充放电模块150包括直流支撑电容C，直流支撑电容C的正极作为充放电模块150的正极，直流支撑电容C的负极作为充放电模块150的负极。直流支撑电容C具有耐电压高、耐电流大、低阻抗、低电感、容量损耗小、漏电流小、温度性能好、充放电速度快、使用寿命长，可提高换流阀子模块的使用效率。

本实施例中，直流支撑电容C有多个，多个直流支撑电容同向并联。具体地，直流支撑电容C的数量可以根据实际情况具体设置。

在其中一实施例中，上述换流阀子模块还包括均压电阻R1，均压电阻R1一端连接第一开关模块110与充放电模块150的公共端，另一端连接第二开关模块130与充放电模块150的公共端。均压电阻R1可以保证多个直流支撑电容C上面的电压均等。

在其中一实施例中，上述换流阀子模块还包括旁路开关K1，旁路开关K1包括第一端、第二端和控制端，旁路开关K1的第一端连接正端，旁路开关K1的第二端连接负端，旁路开关K1的控制端连接二次控制保护模块170。

二次控制保护模块170控制旁路开关K1闭合，电流流过旁路开关K1。具体地，二次控制保护模块170输出闭合信号至旁路开关K1，控制旁路开关K1闭合。因此，当第一开关模块110、第二开关模块130或充放电模块150有故障时，通过二次控制保护模块170控制旁路开关K1闭合，从而将第一开关模块110、第二开关模块130和充放电模块150旁路，电流依然可以通过该换流阀子模块，不会影响其他设备的工作，实现了故障冗余，提高了运行可靠性。

参考图7，为一具体实施例中换流阀子模块中存在故障的工作示意图，旁路开关K1闭合，第一开关模块110、第二开关模块130和充放电模块150均被旁路，换流阀子模块工作在故障旁路状态。

参考图8和图9，一实施例中的一种模块化多电平换流器，包括至少两个依次级联的上述换流阀子模块。

级联指当前的换流阀子模块的正端连接前一个换流阀子模块的负端，当前的换流阀子模块的负端连接后一个换流阀子模块的正端。

其中，换流阀子模块的级联数量可以根据实际情况具体设置，通过多个换流阀子模块同向顺序级联，调整级联个数可以满足不同电压等级、不同功率输送容量的要求。

上述模块化多电平换流器，由于包含上述换流阀子模块，同理可以在直流输电系统短路故障时及时切断短路电流，保护换流站设备，在故障切除后快速恢复启动正常工作，提高直流输电系统的可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种换流阀子模块，其特征在于，包括正端、负端、第一开关模块、第二开关模块、充放电模块和二次控制保护模块，所述第一开关模块和所述第二开关模块均分别包括第一端、第二端和控制端，所述充放电模块设有正极和负极；

所述第一开关模块的第一端连接所述第二开关模块的第一端，且公共端连接所述正端，所述第一开关模块的第二端连接所述充放电模块的正极，所述第一开关模块的控制端连接所述二次控制保护模块，所述第二开关模块的第二端连接所述充放电模块的负极，且公共端连接所述负端，所述第二开关模块的控制端连接所述二次控制保护模块；

所述正端和负端分别接入和输出电压，所述二次控制保护模块在控制所述第二开关模块关断时，控制所述第一开关模块正向导通或负向导通；以及在控制所述第二开关模块导通时，控制所述第一开关模块正向导通；所述充放电模块在所述第一开关模块正向导通或负向导通、且所述第二开关模块关断时进行充放电。

2.根据权利要求1所述的换流阀子模块，其特征在于，所述第一开关模块包括第一二极管和第一开关管，所述第一开关管的输出端连接所述第一二极管的正极，且公共端作为所述第一开关模块的第一端，所述第一开关管的输入端连接所述第一二极管的负极，且公共端作为所述第一开关模块的第二端，所述第一开关管的控制端作为所述第一开关模块的控制端连接所述二次控制保护模块。

3.根据权利要求2所述的换流阀子模块，其特征在于，所述第一开关管为三极管。

4.根据权利要求1所述的换流阀子模块，其特征在于，所述第二开关模块包括第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和第二开关管，所述第二二极管和所述第三二极管顺序串联，且公共端作为所述第二开关模块的第一端，所述第四二极管和所述第五二极管顺序串联，且公共端作为所述第二开关模块的第二端，所述第二二极管的负极连接所述第四二极管的负极，且公共端连接所述第二开关管的输入端，所述第三二极管的正极连接所述第五二极管的正极，且公共端连接所述第二开关管的输出端，所述第二开关管的控制端作为所述第二开关模块的控制端。

5.根据权利要求4所述的换流阀子模块，其特征在于，所述第二开关管为三极管。

6.根据权利要求1所述的换流阀子模块，其特征在于，所述充放电模块包括直流支撑电容，所述直流支撑电容的正极作为所述充放电模块的正极，所述直流支撑电容的负极作为所述充放电模块的负极。

7.根据权利要求6所述的换流阀子模块，其特征在于，所述直流支撑电容有多个，多个所述直流支撑电容同向并联。

8.根据权利要求7所述的换流阀子模块，其特征在于，还包括均压电阻，所述均压电阻一端连接所述第一开关模块与所述充放电模块的公共端，另一端连接所述第二开关模块与所述充放电模块的公共端。

9.根据权利要求1所述的换流阀子模块，其特征在于，还包括旁路开关，所述旁路开关包括第一端、第二端和控制端，所述旁路开关的第一端连接所述正端，所述旁路开关的第二端连接所述负端，所述旁路开关的控制端连接所述二次控制保护模块；

所述二次控制保护模块控制所述旁路开关闭合，电流流过所述旁路开关。

10.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括至少两个依次级联的如权利要求1-9任一项所述的换流阀子模块。