CN108347166A - 电源模块串联系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源模块串联系统，该电源模块串联系统的控制子系统包含总控制器，且设置有与电源模块一一对应的开关模块。每个开关模块在其所对应的电源模块被移除之前，开关模块的驱动电路可以通过总控制器所发送的控制信号，驱动开关电路闭合，以将该电源模块旁路。电源模块串联系统中的光电模块将光纤输入的光信号转换为电信号，通过每个开关模块的第一控制端口与电源模块的第二控制端口插拔式电连接，使得电源模块串联系统可以支持不断电插拔电源模块，从而使得电源模块的更换更加灵活和便利。

Description

电源模块串联系统
技术领域
本发明涉及电源技术，尤其涉及一种电源模块串联系统。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称：MMC)是一种新型的电压变换电路。由于MMC可以实现中高压电能的变换，以及，具有输出谐波少、模块化程度高等特点，因此，模块化多电平换流器在电力系统中具有广泛的应用前景。
现有技术中，模块化多电平换流器通过多个串联连接的电源模块形成电流通路，输入电压经过该多个串联连接的电源模块后，可以叠加成较高的电压，以使得模块化多电平换流器实现中高压电能的变换。然而，由于中高压的应用环境，通常采用光纤作为总控制器与电源模块之间信号传输的载体，但由于光纤本身材质和光纤接口的复杂性，使得模块化多电平换流器很难实现单个电源模块不断电的脱离与投入。
发明内容
本发明提供一种电源模块串联系统，用以解决现有技术中模块化多电平换流器无法实现单个电源模块不断电的脱离与投入的技术问题。
本发明第一方面提供一种电源模块串联系统，包括：控制子系统和电源子系统；所述控制子系统包括：一总控制器和N个串联连接的开关模块；每个所述开关模块包括：第一功率端口，第一控制端口、驱动电路、光电模块和开关电路；所述电源子系统包括：N个电源模块；每个所述电源模块包括：第二功率端口，第二控制端口和功率转换电路；其中N为大于1的整数；
每个所述开关模块的所述第一功率端口与一个对应的所述电源模块的所述第二功率端口电性连接；
所述总控制器通过光纤与每个所述开关模块的所述光电模块连接，且每个所述开关模块的所述光电模块与所述第一控制端口电连接，每个所述开关模块的所述第一控制端口与对应的所述电源模块的第二控制端口插拔式电连接，使所述总控制器通过所述开关模块与对应的所述电源模块传输控制信号；
所述总控制器向每个所述开关模块的所述驱动电路发送控制信号，以控制所述开关模块的所述驱动电路驱动所述开关电路闭合或断开，以使所述开关模块对应的电源模块旁路或不旁路。
可选的，所述开关电路包括：第一可控硅SCR和第二可控硅SCR，所述第一可控硅SCR和所述第二可控硅SCR反向并联；
所述驱动电路驱动所述第一可控硅SCR和所述第二可控硅SCR。
可选的，所述开关电路包括：第一绝缘栅双极型晶体管IGBT、第一二极管、第二IGBT、和第二二极管；
所述第一二极管的正极与所述第二IGBT的发射极连接，所述第一二极管的负极与所述第一IGBT的集电极连接，所述第一IGBT的发射极与所述第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第二IGBT的集电极连接。
进一步地，每个所述开关模块包括：微控制单元；
每个所述开关模块的所述光电模块通过所述微控制单元与所述第一控制端口和所述驱动电路电连接。
可选的，所述电源模块串联系统包括N个电连接器，每个电连接器包括：第一组件和第二组件；
所述第一组件集成了所述开关模块的第一功率端口和所述第一控制端口，所述第二组件集成了所述电源模块的所述第二功率端口和所述第二控制端口。
可选的，所述电连接器的第一组件包括：至少两个导正凹槽，所述第二组件包括：与所述导正凹槽对应的导正销。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中提供的一种电源模块串联系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例中提供的又一种电源模块串联系统的结构示意图；
图3为本发明一实施例中提供的一种电源模块串联系统中电连接器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，模块化多电平换流器通过多个串联连接的电源模块形成电流通路，输入电压经过该多个串联连接的电源模块后，可以叠加成较高的电压，以使得模块化多电平换流器实现中高压电能的变换。然而，在模块化多电平换流器中，由于电源模块外部没有设置旁路开关，且各电源模块之间为串联连接，因此，在某一电源模块被移除后，会造成模块化多电平换流器中无电流通路，使得模块化多电平换流器无法正常工作。同时，由于现有模块化多电平换流器采用光纤作为信号传输的载体，即总控制器通过光纤与电源模块的光纤接口连接，以向电源模块发送控制信号。由于光纤本身不能用于实时性的插拔动作，使得现有的模块化多电平换流器难以满足对电源模块不断电投入或退出的要求。
考虑到上述情况，本发明一实施例中提出一种电源模块串联系统。本领域技术人员可以理解的是，上述电源模块串联系统还可以为其他任一设置有多个串联的电源模块的系统，例如：上述电源模块串联系统可以为固态变压器(Solid State Transformer，简称：SST)等，对此不再一一列举。
下述申请文件均以电源模块串联系统为模块化多电平换流器为例，结合具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明一实施例中提供的一种电源模块串联系统的结构示意图。如图1所示，该电源模块串联系统包括：控制子系统和电源子系统。
控制子系统包括：一总控制器和N个串联连接的开关模块。其中，总控制器与每个开关模块相连。每个所述开关模块包括：第一功率端口，第一控制端口、驱动电路、光电模块和开关电路。
电源子系统包括：N个电源模块。每个所述电源模块包括：第二功率端口，第二控制端口和功率转换电路，该N可以为大于1的整数(图1中是以N为2为例示出的电源模块串联系统)。需要说明的是，上述图1所示出的功率转换电路仅为一种示意，本发明对此不进行限定。
每个开关模块的第一功率端口与一个对应的电源模块的第二功率端口电性连接。其中，总控制器可以向每个开关模块的驱动电路发送控制信号，以控制开关模块的驱动电路驱动开关电路闭合或断开，使开关模块对应的电源模块旁路或不旁路。
也就是说，在电源模块正常工作时，总控制器可以控制开关电路的驱动电路驱动开关电路断开，使开关模块对应的电源模块不旁路，从而使该电源模块可以被串联进入串联系统中，以确保电源模块串联系统的正常工作。在需要移除某一电源模块之前，总控制器可以控制开关电路的驱动电路驱动开关电路闭合，使开关模块对应的电源模块旁路，进而使电源模块串联系统在移除该电源模块之后，电源模块串联系统内部仍然存在电流通路，保证了电源模块串联系统的正常工作。通过上述方式，电源模块串联系统可以灵活的增加串联系统中电源模块的数量并用于传输功率。其中，开关模块的光电模块通过光纤与所述总控制器连接，而开关模块的光电模块与对应的驱动电路是电连接。
总控制器通过光纤与每个开关模块的光电模块连接，且每个开关模块的光电模块与第一控制端口电连接。即每个开关模块的第一控制端口为电接口，并与对应的电源模块的第二控制端口插拔式电连接，以使总控制器通过开关模块与对应的电源模块传输控制信号，进而使得电源模块可以根据该控制信号执行相应的操作。其中，电源模块如何根据总控制器所发送的控制信号执行操作，具体可以参见现有技术，对此不再赘述。
现有技术中的模块化多电平换流器的总控制器与每个电源模块的第二控制端口直接通过光纤连接，即每个电源模块的第二控制端口为光纤端口。由于光纤不支持热插拔，使得模块化多电平换流器在移除某一电源模块时，需要先将模块化多电平换流器断电后，才能执行电源模块的移除操作。而本发明一实施例中所提供的电源模块串联系统，通过将第一控制端口与第二控制端口插拔式电连接，使得开关模块的第一控制端口与电源模块的第二控制端口可以在电源模块串联系统不断电的情况下，可以执行断开连接或恢复连接的操作，从而使得电源模块串联系统可以支持不断电插拔电源模块的操作，从而使得电源模块的更换更加灵活和便利。
下面以一个示例来对上述电源模块串联系统的工作原理进行说明：
假定电源模块串联系统包括：3个串联连接的开关模块，分别为：开关模块1、开关模块2和开关模块3。相应地，电源模块串联系统包括：3个串联连接的电源模块，分别为：电源模块1、电源模块2和电源模块3。
其中，总控制器通过光纤分别与开关模块1的光电模块、开关模块2的光电模块、开关模块3的光电模块连接。开关模块1的光电模块与开关模块1的第一控制端口电连接，开关模块2的光电模块与开关模块2的第一控制端口电连接，开关模块3的光电模块与开关模块3的第一控制端口电连接。
开关模块1的第一功率端口与电源模块1的第二功率端口电连接，开关模块1的第一控制端口与电源模块1的第二控制端口电连接。开关模块2的第一功率端口与电源模块2的第二功率端口电连接，开关模块2的第一控制端口与电源模块2的第二控制端口电连接。开关模块3的第一功率端口与电源模块3的第二功率端口电连接，开关模块3的第一控制端口与电源模块3的第二控制端口电连接。
以移除该电源模块串联系统的电源模块2为例，该电源模块串联系统的工作原理如下：
第一步：在电源模块2工作时，开关模块2的驱动电路在总控制器的控制下，驱动开关模块2的开关电路断开，以使开关模块2对应的电源模块2不旁路，从而使电源模块2可以接收并输出功率。
第二步：总控制器通过光纤向开关模块2的光电模块发送光控制信号，开关模块2的光电模块在将该光控制信号转换成电控制信号后，通过电连接的第一控制端口和电源模块2的第二控制端口发送给电源模块2。在本示例中，该电控制信号用于指示电源模块2停止工作。电源模块2在接收到该电控制信号后，停止工作。
第三步：总控制器向开关模块2的驱动电路发送控制信号，以指示开关模块2的驱动电路驱动开关模块2的开关电路闭合，使开关模块2对应的电源模块2旁路。
这样，维护人员可以在电源模块串联系统不断电的情况下，将电连接的开关模块2的第一功率端口与电源模块2的第二功率端口断开连接，并将电连接的开关模块2的第一控制端口与电源模块2的第二控制端口断开连接后，将电源模块2拔出。至此就将电源模块2从电源模块串联系统中移除。这样，在总控制器与电源模块之间、在开关模块与电源模块之间采用电接口的设置，方便实现模块移除方案。
以插入该电源模块串联系统的电源模块2为例，该电源模块串联系统的工作原理如下：
第一步：在电源模块串联系统正常工作的过程中，在电源模块串联系统中插入未激活的电源模块2，并将开关模块2的第一功率端口与电源模块2的第二功率端口电连接，并将开关模块2的第一控制端口与电源模块2的第二控制端口电连接。
第二步：电源模块串联系统可以通过辅助电源或通过母线电容充电等方式向电源模块2供电，以启动电源模块2的控制电路。
第三步：电源模块2通过电连接的第二控制端口和开关模块的第一控制端口向开关模块的光电模块发送电控制信号，开关模块2的光电模块在将该电控制信号转换成光控制信号后，通过光纤发送给总控制器。在本示例中，该光控制信号用于指示总控制器电源模块2已准备好，可以进入工作状态。
第四步：总控制器根据所接收到的光控制信号，向开关模块2的驱动电路发送控制信号，以指示开关模块2的驱动电路驱动开关模块2的开关电路断开，使开关模块2对应的电源模块2不旁路。
这样，维护人员可以在电源模块串联系统不断电的情况下，将开关模块2的第一功率端口与电源模块2的第二功率端口电连接，并将开关模块2的第一控制端口与电源模块2的第二控制端口电连接后，并指示开关模块停止旁路电源模块2的方式，将电源模块2插入电源模块串联系统。至此就完成了在电源模块串联系统中安装电源模块2的过程。
本发明一实施例中提供的电源模块串联系统，该电源模块串联系统的控制子系统除了总控制器之外，还设置有与电源模块一一对应的开关模块。每个开关模块在其所对应的电源模块被移除之前，开关模块的驱动电路可以通过总控制器所发送的控制信号，驱动开关电路闭合，以将该电源模块旁路，保证了电源模块串联系统的正常工作。进一步地，电源模块串联系统中的每个开关模块的第一控制端口与电源模块的第二控制端口插拔式电连接，使得电源模块串联系统可以支持不断电插拔电源模块，从而使得电源模块的更换更加灵活和便利。
进一步地，在上述实施例的基础上，本实施涉及的是上述开关电路的具体结构，例如包括如下两种结构：
第一种：继续参照图1，上述开关电路可以包括：反向并联的第一可控硅(SiliconControlled Rectifier，简称：SCR)和第二SCR。驱动电路驱动第一SCR和第二SCR。
可选的，在第一SCR为正向SCR、第二SCR为反向SCR时，驱动电路在接收到总控制器发送的用于闭合开关电路的控制信号后，可以驱动第一SCR在交流电信号的正半周导通，驱动第二SCR在交流电信号的负半周导通。这样，导通的第一SCR在交流电信号的正半周使开关电路所在的开关模块内部形成通路，导通的第二SCR在交流电信号的负半周使开关电路所在的开关模块内部形成通路，从而使得该开关模块内部持续存在通路，以达到将该开关电源所所对应的电源模块旁路的目的。可选的，在第一SCR为反向SCR、第二SCR为正向SCR时，驱动电路在接收到总控制器发送的用于闭合开关电路的控制信号后，可以驱动第二SCR在交流电信号的正半周导通，驱动第一SCR在交流电信号的负半周导通等。
第二种：图2为本发明一实施例中提供的又一种实施例中电源模块串联系统的结构示意图。如图2所示，上述开关电路可以包括：第一绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，简称：IGBT)、第一二极管、第第二IGBT和第二二极管。
第一二极管的正极与第二IGBT的发射极连接，第一二极管的负极与第一IGBT的集电极连接，第一IGBT的发射极与第二二极管的正极连接，第二二极管的负极与第二IGBT的集电极连接。
在上述实施例中，上述总控制器与开关模块的驱动电路可以通过光纤直连，还可以通过开关模块的光电模块与驱动电路连接。参照图1或图2，当上述总控制器通过开关模块的光电模块与驱动电路连接时，上述每个开关模块还可以包括：微控制单元(MicroController Unit，简称：MCU)。其中，每个开关模块的光电模块通过微控制单元与第一控制端口和驱动电路电连接。这样，上述每个开关模块的光电模块在将总控制器通过光纤发送的光控制信号转换成电控制信号后，发送给开关模块的微控制单元。微控制单元在接收到光电模块转换的电控制信号后，若确定该电控制信号是总控制器发送给驱动电路的电控制信号，则将该电控制信号发送给驱动电路，以使驱动电路根据该电控制信号驱动开关电路闭合或断开，确保了电源模块串联系统的正常工作。若确定该电控制信号是总控制器发送给电源模块的电控制信号，则将该电控制信号通过与电源模块的第二控制端口插拔式电连接的第一控制端口，转发给电源模块，以使得电源模块可以根据总控制器的控制信号，执行相应的操作，确保了电源模块串联系统的正常工作。通过这种方式，可以实现对总控制器与开关模块之间的光纤线路的复用，降低了电源模块串联系统的成本，简化了电源模块串联系统的结构。
图3为本发明一实施例中提供的一种电源模块串联系统中电连接器的结构示意图。如上述实施例所说，上述开关模块设置有与电源模块的第二功率端口连接的第一功率端口，以及与电源模块的第二控制端口连接的第一控制端口。因此，为了提高在移除和安装电源模块时的工作效率，在本发明的一实施例中，上述电源模块串联系统还可以包括N个电连接器。如图3所示，每个电连接器包括：第一组件和第二组件。其中，第一组件可以位于开关模块侧，集成了所述开关模块的第一功率端口和所述第一控制端口，第二组件可以位于电源模块侧，集成了所述电源模块的所述第二功率端口和所述第二控制端口。
当维护人员将该电源模块插入电源模块串联系统时，维护人员可以通过将第一组件和第二组件插接在一起的方式，将上述开关模块的第一功率端口与电源模块的第二功率端口连接，并将上述开关模块的第一控制端口与电源模块的第二控制端口连接，提高了安装电源模块的效率。进一步地，上述电连接器的第一组件还可以包括：至少两个导正凹槽，所述第二组件包括：与所述导正凹槽对应的导正销，以使得维护人员在安装电源模块时，可以实现第一组件和第二组件的盲插，进一步提高了安装效率。
相应地，当维护人员在移除电源模块时，可以通过将第一组件和第二组件分离的方式，将将上述开关模块的第一功率端口与电源模块的第二功率端口断开连接，并将上述开关模块的第一控制端口与电源模块的第二控制端口断开连接，提高了移除电源模块的效率。
本发明一实施例中提供的电源模块串联系统，通过在电源模块串联系统的开关模块和电源模块侧分别设置电连接器的第一组件和第二组件，从而使得开关模块和电源模块的连接和断开更加便利，提高了电源模块的安装和移除效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种电源模块串联系统，其特征在于，包括：控制子系统和电源子系统；所述控制子系统包括：一总控制器和N个串联连接的开关模块；每个所述开关模块包括：第一功率端口，第一控制端口、驱动电路、光电模块和开关电路；所述电源子系统包括：N个电源模块；每个所述电源模块包括：第二功率端口，第二控制端口和功率转换电路；其中N为大于1的整数；
每个所述开关模块的所述第一功率端口与一个对应的所述电源模块的所述第二功率端口电性连接；
所述总控制器通过光纤与每个所述开关模块的所述光电模块连接，且每个所述开关模块的所述光电模块与所述第一控制端口电连接，每个所述开关模块的所述第一控制端口与对应的所述电源模块的第二控制端口插拔式电连接，使所述总控制器通过所述开关模块与对应的所述电源模块传输控制信号；
所述总控制器向每个所述开关模块的所述驱动电路发送控制信号，以控制所述开关模块的所述驱动电路驱动所述开关电路闭合或断开，以使所述开关模块对应的电源模块旁路或不旁路。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关电路包括：第一可控硅SCR和第二可控硅SCR，所述第一可控硅SCR和所述第二可控硅SCR反向并联；
所述驱动电路驱动所述第一可控硅SCR和所述第二可控硅SCR。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关电路包括：第一绝缘栅双极型晶体管IGBT、第一二极管、第二IGBT、和第二二极管；
所述第一二极管的正极与所述第二IGBT的发射极连接，所述第一二极管的负极与所述第一IGBT的集电极连接，所述第一IGBT的发射极与所述第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第二IGBT的集电极连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述开关模块包括：微控制单元；
每个所述开关模块的所述光电模块通过所述微控制单元与所述第一控制端口和所述驱动电路电连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源模块串联系统包括N个电连接器，每个电连接器包括：第一组件和第二组件；
所述第一组件集成了所述开关模块的第一功率端口和所述第一控制端口，所述第二组件集成了所述电源模块的所述第二功率端口和所述第二控制端口。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电连接器的第一组件包括：至少两个导正凹槽，所述第二组件包括：与所述导正凹槽对应的导正销。
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