CN107147305B - 多电平换流器子模块旁路开关自触发电路 - Google Patents

多电平换流器子模块旁路开关自触发电路 Download PDF

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Abstract

一种多电平换流器子模块旁路开关的自触发电路，由旁路电路充电二极管DC、旁路电路充电电阻R1、第一常闭触点开关K1、第二常闭触点开关K2、常开触点开关K3、以及旁路电路储能电容CC构成。所述的子模块旁路开关自触发电路与多电平换流器子模块之间通过电气线路及控制线路相连。当多电平换流器子模块处于正常状态时，旁路开关自触发电路中的常闭触点继电器Q1、Q2处于断开状态，不影响子模块正常运行；当子模块因子模块取能电源、子模块控制板故障等无法控制旁路开关时，旁路开关自触发电路中的常闭触点继电器Q1、Q2处于闭合状态，自动将子模块旁路，避免因子模块内部元器件故障导致整个多电平换流器无法正常工作。

Description

多电平换流器子模块旁路开关自触发电路
技术领域
本发明涉及一种多电平换流器，特别是H桥型多电平变流器、模块化多电平变流器等级联式多电平换流器子模块旁路开关自触发电路。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)、级联H桥型(cascaded H-bridge，CHB)换流器等级联型多电平换流器在高压大容量电能变换中具有广泛用途，例如高压直流输电、高压交流输电、无功补偿装置、谐波补偿装置、智能电网系统等。
为了实现换流器运行的高可靠性，级联多电平换流器的基本功率单元，即子模块一般都设计有自动旁路功能，即在子模块内部故障时通过内部的旁路开关将其旁路，以保护故障的子模块并避免影响其余的级联子模块正常运行。发明专利CN101378227B、CN101882863B等提出了全桥型子模块(或称功率单元)的旁路电路；发明专利CN103354231B、CN102801295A等提出了半桥型子模块的旁路电路。但是，子模块中的旁路功能一般由其内部的子模块控制板实现，当控制板出现故障，例如芯片损坏或者给子模块控制板供电的电源出现故障，则子模块将会处于失控状态，其自动旁路功能也会失效。当子模块控制板或者取能电源故障时，发明专利CN101378227B、CN101882863B中的晶闸管将无法获得子模块控制板的控制信号，也就无法触发晶闸管使子模块旁路；而发明专利CN103354231B、CN102801295A中的机械式旁路开关也无法获得子模块控制板的触发指令，子模块也无法旁路。另外，发明专利CN103066804中的子模块旁路开关接口电路在供电电源故障或晶闸管失效、触发晶闸管的控制系统故障或电源故障时均无法正常触发旁路开关。采用该方案触发子模块旁路开关时，子模块存在内部故障后无法旁路的风险。
当级联多电平换流器长期运行时，其子模块内部的电源、控制板等由于老化等原因总是存在一定的故障或失效概率。当其故障之后将会导致子模块处于失控状态，而现有的技术下，旁路开关或者旁路电路此时均无法自动旁路，直接影响整个换流器运行的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有多电平换流器现有子模块旁路的缺点，提出一种多电平换流器子模块旁路开关的自触发电路。当子模块因内部取能电源、控制电路等故障之后，本发明可将旁路开关自动触发并实现子模块输出端子的自动旁路，可以提高多电平换流器运行的可靠性和安全性。
应用本发明多电平换流器子模块旁路开关自触发电路的多电平换流器子模块，一般由半导体开关电路、子模块旁路开关KB、子模块储能电容CSM、子模块取能电源和子模块控制板组成。子模块旁路开关KB并联连接在子模块正极输出端子P和子模块负极输出端子N之间，子模块正极输出端子P和子模块负极输出端子N连接到半导体开关电路的交流侧，半导体开关电路的直流侧连接到子模块储能电容CSM的正负极上，子模块取能电源的输入端并联连接到子模块储能电容CSM的正负极上，子模块取能电源的控制电源输出为子模块控制板提供电源，子模块取能电源的旁路电源输出为子模块旁路开关自触发电路提供电源，其特征在于：所述的子模块旁路开关自触发电路由旁路电路充电二极管DC、旁路电路充电电阻R1、第一常闭触点开关K1、第二常闭触点开关K2、常开触点开关K3，以及旁路电路储能电容CC构成。所述的子模块旁路开关自触发电路与多电平换流器子模块之间通过电气线路及控制线路相连；旁路电路充电二极管DC的阳极连接到子模块正极输出端子P，旁路电路充电电阻R1连接在充电二极管DC的阴极和第一常闭触点开关K1的一个触点之间，第一常闭触点开关K1的另外一个触点连接到旁路电路储能电容CC的正极，旁路电路储能电容CC的负极通过三根电线分别连接到子模块负极输出端子N、子模块旁路开关KB触点控制线圈的负极和子模块取能电源的旁路电源输出端负极上，第二常闭触点开关K2的两个触点和常开触点开关K3的两个触点并联连接在一起，常开触点开关K3的一个触点连接到旁路电路储能电容CC的正极，常开触点开关K3的另一个触点连接到子模块旁路开关KB触点控制线圈的正极。
所述的多电平换流器子模块旁路开关自触发电路中，当多电平换流器子模块中的子模块取能电源和子模块控制板均处于正常状态时，子模块控制板通过控制线路令第一常闭触点开关K1和第二常闭触点开关K2均处于断开状态，子模块旁路开关的触点由子模块控制板进行控制。
所述的多电平换流器子模块旁路开关自触发电路中，当多电平换流器子模块因子模块取能电源故障、子模块控制板故障等无法控制旁路开关触点时，子模块旁路开关自触发电路的第一常闭触点开关K1和第二常闭触点开关K2因无法获得子模块控制板发出的开断信号而自动处于闭合状态，使得子模块旁路开关自触发电路中的旁路电路储能电容CC通过旁路电路充电电阻R1、旁路电路充电二极管DC一直充电，当旁路电路储能电容CC的电压达到子模块旁路开关KB的工作电压则旁路开关KB实现了自动闭合，达到了不影响多电平换流器其余子模块正常运行的目的。
附图说明
图1为本发明多电平换流器子模块旁路开关自触发电路；
图2为本发明应用于子模块中的半导体开关电路为半桥型时的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明多电平换流器子模块旁路开关自触发电路，由旁路电路充电二极管DC、旁路电路充电电阻R1、第一常闭触点开关K1、第二常闭触点开关K2、常开触点开关K3，以及旁路电路储能电容CC构成。所述的子模块旁路开关自触发电路与多电平换流器子模块之间通过电气线路及控制线路相连；旁路电路充电二极管DC的阳极连接到子模块正极输出端子P，旁路电路充电电阻R1连接在充电二极管DC的阴极和第一常闭触点开关K1的一个触点之间，第一常闭触点开关K1的另外一个触点连接到旁路电路储能电容CC的正极，旁路电路储能电容CC的负极通过三根电线分别连接到子模块负极输出端子N、子模块旁路开关KB触点控制线圈的负极和子模块取能电源的旁路电源输出端负极上，第二常闭触点开关K2的两个触点和常开触点开关K3的两个触点并联连接在一起，常开触点开关K3的一个触点连接到旁路电路储能电容CC的正极，常开触点开关K3的另一个触点连接到子模块旁路开关KB触点控制线圈的正极。
图2为本发明应用于半桥型子模块，即子模块中的半导体开关电路为半桥型时的电路原理图。该半桥型子模块由半导体开关器件S1、S2、二极管D1、D2、子模块旁路开关KB、子模块储能电容CSM、子模块取能电源和子模块控制板组成。所述的子模块旁路开关自触发电路由旁路电路充电二极管DC、旁路电路充电电阻R1、第一常闭触点开关K1、第二常闭触点开关K2、常开触点开关K3，以及旁路电路储能电容CC构成。
所述的半桥型子模块中的半导体开关器件S1的发射极和S2的集电极连接在一起，作为子模块的输出端子P；半导体开关器件S2的发射极连接到子模块储能电容CSM的负极，半导体开关器件S1的集电极连接子模块储能电容CSM的正极，子模块储能电容CSM的负极作为子模块的输出端子N；子模块旁路开关KB并联连接到子模块输出端子P和N之间；二极管D1的阴极连接到半导体开关器件S1的集电极，二极管D1的阳极连接到半导体开关器件S1的发射极，二极管D2的阴极连接到半导体开关器件S2的集电极，二极管D2的阳极连接到半导体开关器件S2的发射极；子模块取能电源的输入端并联连接到子模块储能电容CSM的正负极上，子模块取能电源的控制电源输出为子模块控制板提供电源，子模块取能电源的旁路电源输出为子模块旁路开关自触发电路提供电源。
所述的子模块旁路开关自触发电路与多电平换流器子模块之间通过电气线路及控制线路相连；旁路电路充电二极管DC的阳极连接到子模块正极输出端子P，旁路电路充电电阻R1连接在充电二极管DC的阴极和，第一常闭触点开关K1的一个触点之间，第一常闭触点开关K1的另外一个触点连接到，旁路电路储能电容CC的正极，旁路电路储能电容CC的负极通过三根电线分别连接到子模块正极输出端子N、子模块旁路开关KB触点控制线圈的负极和子模块取能电源的旁路电源输出端负极上，第二常闭触点开关K2的两个触点和常开触点开关K3的两个触点并联连接在一起，常开触点开关K3的一个触点连接到旁路电路储能电容CC的正极，常开触点开关K3的另一个触点连接到子模块旁路开关KB触点控制线圈的正极。
所述的多电平换流器子模块旁路开关自触发电路中，当多电平换流器子模块中的子模块取能电源和子模块控制板均处于正常状态时，子模块控制板通过控制线路令第一常闭触点开关K1和第二常闭触点开关K2均处于断开状态，子模块旁路开关的触点由子模块控制板进行控制。
所述的多电平换流器子模块旁路开关自触发电路中，当多电平换流器子模块因子模块取能电源故障或子模块控制板故障等无法控制旁路开关触点时，子模块旁路开关自触发电路的第一常闭触点开关K1和第二常闭触点开关K2因无法获得子模块控制板发出的开断信号而自动处于闭合状态，使得子模块旁路开关自触发电路中的旁路电路储能电容CC通过旁路电路充电电阻R1、旁路电路充电二极管DC一直充电，当旁路电路储能电容CC的电压达到子模块旁路开关KB的工作电压则旁路开关KB实现了自动闭合，达到了不影响多电平换流器其余子模块正常运行的目的。
通过调整子模块旁路开关自触发电路中旁路充电电阻R1的阻值，可以调整旁路电路储能电容CC开始充电到旁路开关KB闭合的时间长短，以满足不同的设计需求。本发明也适用于子模块中的半导体开关电路为全桥型、逆阻型等类型的电路。

Claims (3)

1.一种多电平换流器子模块旁路开关自触发电路，所述的多电平换流器子模块由半导体开关电路、子模块旁路开关KB、子模块储能电容CSM、子模块取能电源和子模块控制板组成；子模块旁路开关KB并联在子模块正极输出端子P和子模块负极输出端子N之间，子模块正极输出端子P和子模块负极输出端子N连接到半导体开关电路交流侧，半导体开关电路直流侧连接到子模块储能电容CSM的正负极上，子模块取能电源的输入端并联连接到子模块储能电容CSM的正负极上，子模块取能电源的控制电源输出为子模块控制板提供电源，子模块取能电源的旁路电源输出为子模块旁路开关自触发电路提供电源，其特征在于：所述的子模块旁路开关自触发电路由旁路电路充电二极管DC、旁路电路充电电阻R1、第一常闭触点开关K1、第二常闭触点开关K2、常开触点开关K3，以及旁路电路储能电容CC构成；所述的子模块旁路开关自触发电路与多电平换流器子模块之间通过电气线路及控制线路相连；旁路电路充电二极管DC的阳极连接到多电平换流器子模块正极输出端子P，旁路电路充电电阻R1连接在充电二极管DC的阴极和第一常闭触点开关K1的一个触点之间，第一常闭触点开关K1的另外一个触点连接到旁路电路储能电容CC的正极，旁路电路储能电容CC的负极通过三根电线分别连接到子模块负极输出端子N、子模块旁路开关KB触点控制线圈的负极和子模块取能电源的旁路电源输出端负极上，第二常闭触点开关K2的两个触点和常开触点开关K3的两个触点并联连接在一起，常开触点开关K3的一个触点连接到旁路电路储能电容CC的正极，常开触点开关K3的另一个触点连接到子模块旁路开关KB触点控制线圈的正极。
2.如权利要求1所述的多电平换流器子模块旁路开关自触发电路，其特征在于：当多电平换流器子模块中的子模块取能电源和子模块控制板均处于正常状态时，所述的子模块控制板通过控制线路令第一常闭触点开关K1和第二常闭触点开关K2均处于断开状态，子模块旁路开关触点的开断由子模块控制板控制。
3.如权利要求1所述的多电平换流器子模块旁路开关自触发电路，其特征在于：当所述的多电平换流器子模块因子模块取能电源故障或子模块控制板故障无法控制旁路开关触点时，子模块旁路开关自触发电路的第一常闭触点开关K1和第二常闭触点开关K2因无法获得子模块控制板发出的开断信号而自动处于闭合状态，使得子模块旁路开关自触发电路中的旁路电路储能电容CC通过旁路电路充电电阻R1、旁路电路充电二极管DC一直充电，当旁路电路储能电容CC的电压达到子模块旁路开关KB的工作电压，则旁路开关KB自动闭合。
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