CN108063540B - 他励起动自励供电的级联子模块电源系统 - Google Patents
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Abstract
一种为级联子模块供电的电源系统，包括N个子模块控制电源，每个子模块控制电源对应一个子模块，为对应子模块供电，其中子模块控制电源包括第一电源模块PS1、第二电源模块PS2、第一二极管VD1和第二二极管VD2。通过这种电源系统降低了系统成本，保证了系统的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电气自动化设备领域，特别涉及一种他励起动自励供电的级联子模块电源系统。
背景技术
现有技术中的链式变流器和模块化多电平变流器等电气设备，其拓扑电路结构一般都包括多个级联子模块，应用于中高压变频器、中高压动态电压恢复器等中高压电力电子变流装置或静止同步补偿器、中高压变频器和轻型直流输电装置。
如图1所示的链式变流器，由多个功率子模块的交流输出串联而成。这种链式变流器所采用的电源系统，存在着如下问题：
a)子模块电源从直流电容供电，当子模块上高压电源前，子模块电源不工作，电源没有输出，不能为驱动供电。
b)子模块电源既为自身子模块供电，也为相邻子模块提供备用电源，电源的容量大。
c)当子模块电源同时为相邻子模块供电时，子模块电源的输出功率大，对串联子模块的直流电容电压平衡造成影响，尤其是在闭锁状态下。
如图2所示的链式变流器，其采用的电源系统同样存在不足与缺陷：
a)当子模块上高压电源前，子模块电源没有输出，不能为驱动供电；
b)子模块电源分别从自身子模块和相邻子模块的交流输出端供电，每个子模块电源均需要3个隔离变压器，成本高，体积大；
c)子模块电源对自身子模块的交流电压和相邻子模块的交流电压造成影响，子模块电源和相邻子模块电源之间也存在间接影响，容易造成子模块的直流电压不平衡(尤其是闭锁状态)。
在现有技术中，考虑到绝缘耐压的要求，一般来说，级联子模块均采用自励电源的技术方案，子模块电源从子模块的直流电容获取，或者从子模块的交流输出端获取(电压或电流方式)；基于IGCT器件对电源要求，IGCT器件的阳极和阴极有高压电源时，需要保证驱动有电源，否则容易造成IGCT损坏；目前采用IGCT器件的级联子模块电源技术方案，均采用他励电源方案，由外励电源通过电压互感器或电流互感器给IGCT器件的驱动供电。这种他励电源技术方案存在着缺陷与不足：电压互感器的局放和耐压要求高、体积大和成本高；外励恒流源容量大和成本高。
发明内容
针对现有技术方案的缺陷与不足，本发明提出一种他励起动自励供电的级联子模块的电源系统。
技术方案如下：
一种为级联子模块供电的电源系统，包括N个子模块控制电源，N为大于等于1的整数，每个子模块控制电源对应一个子模块，为所述子模块供电，其特征在于：所述子模块控制电源包括：第一电源模块PS1、第二电源模块PS2、第一二极管VD1和第二二极管VD2；
所述第一电源模块PS1的输入端电耦接电流互感器CT1的二次侧，所述电流互感器CT1的一次侧电耦接外励恒流源PS0的输出端；
所述第一电源模块PS1的输出端DC1正极经所述第一二极管VD1引出输出端DC的正极DC+；
所述第一电源模块PS1的输出端负极引出所述输出端DC的负极DC-；
所述第二电源模块PS2的输入端分别电耦接子模块直流电容C1的正极和负极；
所述第二电源模块PS2的输出端DC2正极经二极管VD2电耦接所述正极DC+；
所述第二电源模块PS2的输出端负极电耦接所述负极DC-；
所述子模块控制电源通过所述输出端DC为所述子模块供电。
其中所述N个子模块控制电源通过串联方式共用一个所述外励恒流源PS0。
其中在所述子模块上高压电源前，所述外励恒流源PS0通过所述电流互感器CT1给所述第一电源模块PS1供电，所述第一电源模块PS1输出电压VDC1，通过所述子模块控制电源的输出端DC为所述子模块供电。
其中所述子模块控制电源的输出电压VDC＝VDC1-VFD1，其中VFD1为所述第一二极管VD1的正向导通压降。
其中在所述子模块上高压电源后，子模块直流电容C1开始建立电压，所述第二电源模块PS2开始工作，所述第二电源模块PS2输出电压VDC2，通过所述子模块控制电源的输出端DC为所述子模块供电。
其中所述输出电压VDC2大于第一电源模块PS1的输出电压VDC1；所述子模块控制电源的输出电压VDC＝VDC2-VFD2，其中VFD2为所述第二二极管VD2的正向导通压降。
其中，所述级联子模块的电路拓扑结构可以为全桥子模块结构或半桥子模块结构，但并不限于全桥子模块结构或半桥子模块结构。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
1)当子模块上高压电源前，由外励恒流源通过电流互感器CT1为子模块供电，由于此时IGCT器件闭锁，既没有开关损耗，也没有导通损耗，驱动功率要求小，因此，电源模块PS1的功率能够设计的非常小，外励恒流源的功率降低，成本降低；
2)当子模块上高压电源后，从恒流源外励供电平滑无缝的切换到子模块直流电容自励供电，保证了系统的安全性和可靠性；
3)当电源模块PS2发生故障时，迅速切换到恒流源外励供电，保证子模块单元的可靠旁路或退出运行。
4)当系统闭锁或子模块旁路时，子模块电源从恒流源外励供电，当系统运行时，子模块电源从子模块直流电容自励供电，相邻子模块之间没有影响，不会对级联子模块的直流电压平衡造成影响。
附图说明
图1一种现有技术链式变流器所采用的电源系统。
图2另一种现有技术链式变流器所采用的电源系统。
图3本发明电源系统实施例的多模块整体图。
图4本发明电源系统实施例的子模块控制电源图
具体实施方式
结合本发明的技术方案和附图进一步阐述本发明的具体实施例。
本发明的他励起动自励供电的级联子模块电源系统，如图3所示，包括N个子模块控制电源，其中N≥2。每个子模块控制电源，如图4所示，包括电源模块PS1、电源模块PS2、二极管VD1和二极管VD2。其中，电源模块PS1的输入端接电流互感器CT1的二次侧，CT1的一次侧接外励恒流源PS0的输出端，多个子模块控制电源可以通过串联方式，共用一个外励恒流源；电源模块PS1的输出端DC1正极经二极管VD1引出输出端DC的正极DC+，电源模块PS1的输出端负极引出输出端DC的负极DC-；电源模块PS2的输入端分别接子模块直流电容C1的正极和负极，电源模块PS2的输出端DC2正极经二极管VD2接至输出端DC的正极DC+，电源模块PS2的输出端负极接至输出端DC的负极DC-。
本发明的电源系统工作时，如图4所示，当子模块上高压电源前，外励恒流源PS0通过电流互感器CT1给电源模块PS1供电，电源模块PS1有输出电压VDC1，子模块控制电源的输出电压VDC＝VDC1-VFD1，其中VFD1为二极管VD1的正向导通压降。
继续如图4所示，当子模块上高压电源后，子模块直流电容C1开始建立电压，电源模块PS2开始工作，电源模块PS2有输出电压VDC2，并且满足VDC2>VDC1(设计要求)，则子模块控制电源的输出电压VDC＝VDC2-VFD2，其中VFD2为二极管VD2的正向导通压降。
通过本发明的这种他励起动自励供电的级联子模块电源系统，当子模块上高压电源前，由外励恒流源PS0通过电流互感器CT1为各子模块供电；当子模块上高压电源后，从恒流源外励供电平滑无缝地切换到子模块直流电容自励供电。如果子模块控制电源的电源模块PS2发生故障时，能够迅速切换到外励恒流源供电，保证该子模块的可靠旁路或退出运行。
此外，本发明的这种他励起动自励供电的级联子模块电源系统，既可以用于全桥子模块或半桥子模块，也可以用于任何级联型的子模块拓扑结构。
本发明的电源系统是针对IGCT器件的特性提出，但并不限于使用IGCT器件的子模块，同样可以用于晶闸管或IGBT器件等构成的级联子模块。
综上所述，采用本发明的他励起动自励供电的级联子模块电源，其优点在于：
1)当子模块上高压电源前，由外励恒流源PS0通过电流互感器CT1供电，由于此时IGCT器件闭锁，既没有开关损耗，也没有导通损耗，驱动功率要求小，因此，电源模块PS1的功率能够设计的非常小，外励恒流源PS0的功率降低，成本降低；
2)当子模块上高压电源后，从恒流源外励供电平滑无缝的切换到子模块直流电容自励供电，保证了系统的安全性和可靠性；
3)当电源模块PS2发生故障时，迅速切换到恒流源外励供电，保证子模块单元的可靠旁路或退出运行。
4)当系统闭锁或子模块旁路时，子模块电源从恒流源外励供电，当系统运行时，子模块电源从子模块直流电容自励供电，相邻子模块之间没有影响，不会对级联子模块的直流电压平衡造成影响。
尽管根据上述实施例描述了本发明，但所属技术领域的技术人员应该理解，可以在所附权利要求的精神和范围内通过修改实现本发明。所有这些变化和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。因此，示例和附图被视为是示例性的而非限制性的。
Claims (7)
1.一种为级联子模块供电的电源系统，包括N个子模块控制电源，N为大于等于1的整数，每个子模块控制电源对应一个子模块，为所述子模块供电，其特征在于：所述子模块控制电源包括：第一电源模块PS1、第二电源模块PS2、第一二极管VD1和第二二极管VD2；
所述第一电源模块PS1的输入端电耦接电流互感器CT1的二次侧，所述电流互感器CT1的一次侧电耦接外励恒流源PS0的输出端；
所述第一电源模块PS1的输出端DC1正极经所述第一二极管VD1引出输出端DC的正极DC+；
所述第一电源模块PS1的输出端负极引出所述输出端DC的负极DC-；
所述第二电源模块PS2的输入端电耦接子模块直流电容C1的正极和负极；
所述第二电源模块PS2的输出端DC2正极经二极管VD2电耦接所述正极DC+；
所述第二电源模块PS2的输出端负极电耦接所述负极DC-；
所述子模块控制电源通过所述输出端DC为所述子模块供电。
2.如权利要求1所述的电源系统，其中所述N个子模块控制电源通过串联方式共用一个所述外励恒流源PS0。
3.如权利要求1所述的电源系统，其中在所述子模块上高压电源前，所述外励恒流源PS0通过所述电流互感器CT1给所述第一电源模块PS1供电，所述第一电源模块PS1输出电压VDC1，通过所述子模块控制电源的输出端DC为所述子模块供电。
4.如权利要求3所述的电源系统，其中所述子模块控制电源的输出电压VDC＝VDC1-VFD1，其中VFD1为所述第一二极管VD1的正向导通压降。
5.如权利要求1所述的电源系统，其中在所述子模块上高压电源后，子模块直流电容C1开始建立电压，所述第二电源模块PS2开始工作，所述第二电源模块PS2输出电压VDC2，通过所述子模块控制电源的输出端DC为所述子模块供电。
6.如权利要求5所述的电源系统，其中所述输出电压VDC2大于第一电源模块PS1的输出电压VDC1；所述子模块控制电源的输出电压VDC＝VDC2-VFD2，其中VFD2为所述第二二极管VD2的正向导通压降。
7.如权利要求1-6任一项的所述电源系统，其中，所述级联子模块的电路拓扑结构为全桥子模块结构或半桥子模块结构或三电平子模块结构。
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