CN109391131B - 一种mmc阀子模块旁路开关驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC阀子模块旁路开关驱动装置，包括充电电路、储能单元和驱动电路；充电电路的输入端用于连接供电电源、其输出端供电连接储能单元；驱动电路的输入端用于通信连接主子模块控制器和n个冗余子模块控制器，n≥1，驱动电路的输出端用于连接子模块旁路开关的控制线圈；储能单元供电连接驱动电路。本发明通过将驱动电路的输入端与冗余子模块控制器通信连接，当子模块发生故障且无法接收到主子模块控制器发出的子模块旁路开关动作指令时，可以通过冗余子模块控制器发送旁路开关动作指令，最终实现子模块旁路开关的控制，有效保证了子模块旁路开关的可靠控制，保证整个阀系统的安全运行。

Description

一种MMC阀子模块旁路开关驱动装置

技术领域

本发明涉及一种开关驱动装置，尤其涉及一种MMC阀子模块旁路开关驱动装置。

背景技术

MMC作为柔性直流输电换流阀的一种重要拓扑，其每个桥臂往往由数十个乃至数百个MMC阀子模块串联组成，每个子模块常常采用半桥或全桥结构，其中连接有旁路开关K的半桥子模块的电气原理图如图1所示。当桥臂中的一个子模块发生严重故障时，需要通过旁路开关使故障子模块快速切除，否则将危及整个阀系统的安全运行。因此，旁路开关的可靠控制就成为了一个重大问题。

旁路开关的驱动装置通常放置于子模块内部，并通过长引线接至旁路开关的控制线圈。一方面驱动旁路开关动作需较大的电流，会导致旁路开关不再受控；另一方面长引线处于高压环境中，也易受环境的影响致使旁路开关误动，从而导致阀系统的误跳闸。因此，保证旁路开关可靠动作显得尤为重要。

另外，由于旁路开关的可靠动作离不开驱动装置的可靠工作，当某个子模块发生故障，而此时子模块控制器发生故障或者是旁路开关的驱动装置无法接收到子模块控制器下发的子模块旁路开关动作指令时，则故障子模块无法切除，这将威胁到整个直流输电换流阀的安全运行。并且，当子模块的旁路开关动作后，但子模块控制器检测不到正常的反馈状态时，子模块控制器会一直发送子模块旁路开关动作指令，此时驱动装置中的充电电路会一直给储能单元充电，长时间的充电会使充电电阻发生燃烧的状况。因此，如何保证驱动装置的安全运行是保证柔性直流输电换流阀可靠工作的重要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种MMC阀子模块旁路开关驱动装置，用于解决无法接收到子模块控制器的旁路开关动作指令导致子模块旁路开关无法可靠动作的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MMC阀子模块旁路开关驱动装置，包括充电电路、储能单元和驱动电路；所述充电电路的输入端用于连接供电电源、其输出端供电连接所述储能单元；所述驱动电路的输入端用于通信连接主子模块控制器和n个冗余子模块控制器，n≥1，所述驱动电路的输出端用于连接子模块旁路开关的控制线圈；所述储能单元供电连接所述驱动电路。

本发明的有益效果是：通过将驱动电路的输入端与冗余子模块控制器通信连接，当子模块发生故障且无法接收到主子模块控制器发出的子模块旁路开关动作指令时，可以通过冗余子模块控制器发送旁路开关动作指令，来控制驱动电路导通，从而使储能单元进行放电，子模块旁路开关的控制线圈带电，子模块旁路开关闭合，有效保证了子模块旁路开关的可靠控制，保证整个阀系统的安全运行。

进一步的，为了避免充电电路一直给储能单元充电的现象，以有效保护充电电路，所述充电电路设置有一个用于受控于主子模块控制器的控制开关。

进一步的，为了获取子模块旁路开关的反馈状态，以对充电电路进行控制，还包括用于连接子模块旁路开关的状态反馈电路，所述状态反馈电路用于通信连接主子模块控制器。

进一步的，为了实现子模块旁路开关的冗余控制的可靠性以及各子模块控制器与驱动装置之间的电气隔离，还包括光电转换电路和或逻辑运算电路，所述光电转换电路包括n+2个光接收模块；其中第一光接收模块的输入端用于连接主子模块控制器、其输出端控制连接所述充电电路中的控制开关；其他剩余光接收模块的输入端用于一一对应连接主子模块控制器和各冗余子模块控制器，所述其他剩余光接收模块的输出端连接所述或逻辑运算电路的输入端，所述或逻辑运算电路的输出端连接所述驱动电路。

进一步的，为了实现状态反馈电路和主子模块控制器之间的电气隔离，所述光电转换电路还包括一个光发送模块，所述光发送模块的输入端连接所述状态反馈电路，其输出端用于通信连接主子模块控制器。

进一步的，为了实现对子模块旁路开关的可靠控制以及驱动装置与子模块旁路开关的控制线圈之间的隔离，所述驱动电路包括光耦隔离模块及用于与子模块旁路开关的控制线圈串联连接的开关管，所述光耦隔离模块的原边连接所述或逻辑运算电路的输出端、其副边通过驱动电阻连接所述开关管的输入端。

进一步的，为了释放子模块旁路开关的控制线圈多余的能量，使其恢复至初始状态，所述驱动电路还包括用于与子模块旁路开关的控制线圈并联连接的恢复二极管。

进一步的，为了实现可靠充电，所述充电电路包括正负极电源输入端、以及串接在所述正负极电源输入端之间的保护二极管、限流电阻和所述控制开关。

进一步的，为了可靠获取充电电源，还包括电源转换电路，所述电源转换电路的输入端用于连接供电电源、其输出端连接所述充电电路。

附图说明

图1是现有技术MMC阀半桥子模块的电气原理图；

图2是本发明MMC阀子模块旁路开关驱动装置的结构示意图；

图3是本发明实现冗余控制的原理示意图；

图4是本发明驱动电路的电路原理图；

图5是本发明充电电路、储能单元的电路原理图；

图6是本发明电源转换电路的电路原理图；

图7是本发明状态反馈电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其结构示意图如图2中虚线框内所示，包括电源转换电路、充电电路、储能单元、光电转换电路、或逻辑运算电路、驱动电路和状态反馈电路。其中，电源转换电路的输入端用于连接供电电源，其输出端连接充电电路；充电电路的输入端连接电源转换电路的输出端，其输出端连接储能单元；储能单元供电连接驱动电路以给驱动电路提供电能。光电转换电路的输入端用于通信连接主子模块控制器和n个冗余子模块控制器，n≥1，其输出端连接或逻辑运算电路；或逻辑运算电路的输入端连接光电转换电路的输出端，其输出端连接驱动电路；驱动电路的输入端连接或逻辑运算电路的输出端，其输出端用于连接子模块旁路开关的控制线圈。状态反馈电路的输入端用于采样连接子模块旁路开关，其输出端通过光电转换电路用于连接主子模块控制器，用于对子模块旁路开关的闭合断开状态进行监控。

其中，光电转换电路通过光纤与主子模块控制器和冗余子模块控制器连接。该光电转换电路包括n+2个光接收模块，为了对充电电路的工作情况进行控制，其中第一光接收模块(也就是光接收模块0)的输入端用于连接主子模块控制器，第一光接收模块的输出端用于控制连接设置在充电电路中的控制开关。如图3所示，其他剩余n+1个光接收模块的输入端用于一一对应连接主子模块控制器和各冗余子模块控制器，也就是，主子模块控制器和冗余子模块1控制器、冗余子模块2控制器、…、冗余子模块n控制器与光接收模块1、光接收模块2、…、光接收模块n+1的输入端一一对应连接，这n+1个光接收模块的输出端连接或逻辑运算电路的输入端。

或逻辑运算电路用于对光接收模块1～光接收模块n+1接收到的控制信号RX1～RXn+1进行逻辑处理，使多个控制信号RX1～RXn+1转化为一个冗余控制信号Qcon，相当于一个或逻辑关系运算。由于实现或逻辑关系的或逻辑运算电路的具体结构属于现有技术，此处不再赘述。当主子模块控制器和n个冗余子模块控制器中的任意一个控制器发出旁路开关动作指令时，均可以经该或逻辑运算电路得到控制信号Qcon，以控制驱动电路导通。

通过设置光接收模块1～n+1以及或逻辑运算电路，可以实现对子模块旁路开关的冗余控制，以及MMC阀子模块旁路开关驱动装置与主子模块控制器、冗余子模块控制器在电气上的隔离。当子模块发生故障，此时主子模块控制器也发生故障或者是驱动装置无法接收到主子模块控制器发出的子模块旁路开关动作指令时，冗余子模块控制器可以作为备用控制器，可以通过任意一个冗余子模块控制器发送旁路开关动作指令，来控制驱动电路导通，从而使储能单元进行放电，子模块旁路开关的控制线圈带电，子模块旁路开关闭合，有效保证了子模块旁路开关的可靠动作，进而将故障子模块进行短路，保证整个阀系统的安全运行。

当然，在不考虑各子模块控制器与驱动装置之间的电气隔离的情况下，作为其他的实施方式，也可以不设置各光接收模块和或逻辑运算电路，此时采用主子模块控制器和n个冗余子模块控制器直接控制驱动电路，来实现对子模块旁路开关的冗余控制。将主子模块控制器直接控制充电电路中的控制开关，来实现对充电电路的工作状态控制。

为了实现状态反馈电路和主子模块控制器之间的电气隔离，光电转换电路还包括光发送模块，状态反馈电路通过该光发送模块用于通信连接主子模块控制器。该状态反馈电路用于采集子模块旁路开关(也可称为子模块旁路开关的常开触点)的断开和闭合状态，并将采集到的断开或闭合状态信息发送给主子模块控制器。

在不考虑主子模块控制器与驱动装置之间的电气隔离的情况下，作为其他的实施方式，也可以不在光电转换电路中设置光发送模块而是将状态反馈电路的输出端直接通信连接主子模块控制器。

如图4所示，驱动电路包括光耦隔离模块及其附属电路、驱动电阻R1及用于与子模块旁路开关的控制线圈L串联连接的开关管S1，光耦隔离模块的原边连接或逻辑运算电路的输出端，光耦隔离模块的副边通过驱动电阻R1连接开关管S1的输入端。通过设置光耦隔离模块，实现了子模块旁路开关的控制线圈L与MMC阀子模块旁路开关驱动装置的隔离。在本实施例中，该开关管S1为IGBT，通过控制开通和关断IGBT，来控制驱动电路的导通和断开。或逻辑运算电路得到的控制信号Qcon经光耦控制开关管S1的开通，当开关管S1开通时，储能单元通过子模块旁路开关的控制线圈L和开关管S1进行放电，子模块旁路开关的控制线圈L带电，进而子模块旁路开关动作，子模块被短路。子模块被短路后，为了释放子模块旁路开关的控制线圈L多余的能量，使其恢复至初始状态，驱动电路还包括用于与子模块旁路开关的控制线圈L并联连接的恢复二极管D1。

如图5所示，充电电路包括电源正负极输入端、及用于串接在该正负极电源输入端之间的保护二极管D2、限流电阻R2和控制开关S2，主子模块控制器通过光接收模块0控制连接控制开关S2，用于对充电电路的工作情况进行控制，以保证驱动装置的安全工作。在本实施例中，该控制开关S2为电磁继电器开关，主子模块控制器通过光接收模块0发送控制信号Ts，通过控制信号Ts来控制继电器线圈是否带电，来控制该电磁继电器开关的闭合和断开，从而实现对充电电路的投切控制。当控制开关S2闭合时，由充电电路给储能单元充电。

为了给子模块的旁路开关动作提供足够的电流，在本实施例中，储能单元采用电容储能的形式，由储能电容C2构成。如图4和图5所示，该储能电容C2与充电电路和驱动电路连接，当充电电路中的控制开关S2闭合时，由充电电路给该储能电容C2充电，当驱动电路中的开关管S1导通时，储能电容C2通过控制开关S2和子模块旁路开关的控制线圈L进行放电，进而控制旁路开关动作。

如图6所示，电源转换电路采用隔离电源转换模块，实现与外部供电电源的隔离。电源转换电路输出多路电源，其中一路电源输出与充电电路相连，用于作为充电电路的充电电源；其他路电源输出与MMC阀子模块旁路开关驱动装置内部的需要供电的其他电路相连，作为整个驱动装置的内部供电电源。由于隔离电源转换模块的具体电路结构属于现有技术，此处不再赘述。

当然，作为其他的实施方式，也可以不专门设置电源转换电路，此时直接采用电压大小符合要求的外部直流电源来为充电电路提供充电电源以及为驱动装置内部的需要供电的其他电路提供内部供电电源。

状态反馈电路主要由光耦及其附属电路组成，其对应的电路原理图如图7所示，该状态反馈电路外接子模块旁路开关的常开触点S3，内与光发送模块连接。通过设置光耦，实现了子模块旁路开关与MMC阀子模块旁路开关驱动装置之间的隔离。

另外，需要说明的是，作为其他的实施方式，对于光电转换电路中的光接收模块1～n+1和或逻辑运算电路、光接收模块0、光发送模块、电源转换模块，可以择一进行设置，也可以选择其中两个及两个以上进行组合设置。

上述MMC阀子模块旁路开关驱动装置的工作过程如下：

供电电源通过电源转换电路得到充电电路电源和驱动装置的内部供电电源，主子模块控制器通过光接收模块0控制充电电路中的控制开关S2闭合，充电电路电源经过充电电路为储能电容C2充电。

正常情况下，当子模块发生故障，且驱动装置能够接收到主子模块控制器发出的子模块旁路开关动作指令RX1时，该旁路开关动作指令RX1经过光接收模块1发送给或逻辑运算电路，经过或逻辑运算电路使旁路开关动作指令RX1转化为驱动电路中的光耦所需的控制信号Qcon，然后光耦驱动开关管S1闭合，储能电容C2放电。此时，旁路开关的控制线圈L具有足够的电流，从而使子模块的旁路开关动作，该子模块被短路隔离。

而当子模块发生故障，且MMC阀子模块旁路开关驱动装置不能接收到主子模块控制器发出的子模块旁路开关动作指令RX1时，此时设n个冗余子模块控制器中的冗余子模块i控制器为备用控制器，发出子模块旁路开关动作指令Rxi+1，则该旁路开关动作指令Rxi+1经过光接收模块i+1发送给或逻辑运算电路，经过或逻辑运算电路使旁路开关动作指令Rxi+1转化为驱动电路中的光耦所需的控制信号Qcon，然后光耦驱动开关管S1闭合，储能电容C2放电。此时，旁路开关的控制线圈具有足够的电流，从而使子模块的旁路开关动作，该子模块被短路隔离。

当子模块的旁路开关动作后，旁路开关的常开触点闭合。正常情况下，若状态反馈电路正常反馈旁路开关的状态，则主子模块控制器将停止发送旁路开关动作指令RX1，驱动电路中的开关管S1断开，则控制旁路开关动作过程完成。若状态反馈电路不能正常反馈旁路开关的状态，则主子模块控制器将继续发送旁路开关动作指令RX1，驱动电路中的开关管S1会一直闭合，储能电容C2将会一直处于大电流充电状态，此时主子模块控制器通过光接收模块0发送控制信号Ts，控制充电电路中的可控开关S2断开，从而使充电电路切除，避免了充电电路一直给储能电容C2充电的现象，有效保护了充电电路。

通过将光电转换电路与逻辑电路进行配合，实现了对旁路开关的冗余控制，增加了控制的可靠性；通过设置光电转换电路，并将驱动电路、电源转换电路和状态反馈电路均设置为隔离型电路，实现了驱动装置与各子模块控制器、子模块旁路开关的控制线圈、外部供电和子模块旁路开关之间的隔离，具有较强的抗干扰能力，不易受环境干扰；通过对充电电路进行控制，使得储能电容的充电过程灵活可控，安全性得到了提升。

需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制。凡依据本发明核心思想、并对本发明进行的修改或替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其特征在于，包括充电电路、储能单元和驱动电路；所述充电电路的输入端用于连接供电电源、其输出端供电连接所述储能单元；所述驱动电路的输入端用于通信连接主子模块控制器和n个冗余子模块控制器，n≥1，所述驱动电路的输出端用于连接子模块旁路开关的控制线圈；所述储能单元供电连接所述驱动电路；

还包括光电转换电路和或逻辑运算电路，所述光电转换电路包括n+2个光接收模块；其中第一光接收模块的输入端用于连接主子模块控制器、其输出端控制连接所述充电电路中的控制开关；其他剩余光接收模块的输入端用于一一对应连接主子模块控制器和各冗余子模块控制器，所述其他剩余光接收模块的输出端连接所述或逻辑运算电路的输入端，所述或逻辑运算电路的输出端连接所述驱动电路。

2.根据权利要求1所述的MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其特征在于，所述充电电路设置有一个用于受控于主子模块控制器的控制开关。

3.根据权利要求2所述的MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其特征在于，还包括用于连接子模块旁路开关的状态反馈电路，所述状态反馈电路用于通信连接主子模块控制器。

4.根据权利要求3所述的MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其特征在于，所述光电转换电路还包括一个光发送模块，所述光发送模块的输入端连接所述状态反馈电路，其输出端用于通信连接主子模块控制器。

5.根据权利要求1或4所述的MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其特征在于，所述驱动电路包括光耦隔离模块及用于与子模块旁路开关的控制线圈串联连接的开关管，所述光耦隔离模块的原边连接所述或逻辑运算电路的输出端、其副边通过驱动电阻连接所述开关管的输入端。

6.根据权利要求5所述的MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其特征在于，所述驱动电路还包括用于与子模块旁路开关的控制线圈并联连接的恢复二极管。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其特征在于，所述充电电路包括正负极电源输入端、以及串接在所述正负极电源输入端之间的保护二极管、限流电阻和所述控制开关。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的MMC阀子模块旁路开关驱动装置，其特征在于，还包括电源转换电路，所述电源转换电路的输入端用于连接供电电源、其输出端连接所述充电电路。

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