CN110635675B - 一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，桥臂控制板在获取功率模块的运行状态后，以旁路开关状态为依据将黑模块分为：A类黑模块、B类黑模块和C类黑模块共三类。将上次系统掉电或停机时保存的模块状态字集合State1、本次运行的模块状态字集合State2对比，如果State2比State1新增的B和C类黑模块数<3则继续充电，由功率模块自身旁路开关进行旁路或旁路晶闸管自爆旁路；新增B和C类黑模块数≥3时，则停止充电并执行跳闸流程。考虑到系统解锁稳定性，执行停机跳闸，兼顾了经济成本与系统运行安全的问题。

Description

一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法。

背景技术

柔性直流输电是新一代的直流输电系统，它的结构与传统高压直流输电相似，主要由换流阀、直流输电线路构成。现已投运的柔性直流输电工程主要采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)拓扑，具有易于扩展、输出波形质量高、故障处理能力强等优点。模块化多电平变换器一般由6个桥臂构成，对于高压直流输电系统，每个桥臂一般包含几百个功率模块(Power Module,PM)。由于数量庞大、运行条件复杂，功率模块的管理与检测是非常关键的技术。

功率模块由一次回路、二次回路组成。一次回路包括：取能电源、电容器C、均压电阻R、IGBT器件S1、S2、旁路开关K1和旁路晶闸管K2。二次回路包括：控制板卡(Power ModuleContorll,PMC)、IGBT驱动板等。正常工作时，电容器充电到一定阶段，取能电源开始工作并给二次控制板卡供电；PMC向上级阀控系统上送子模块信息，该信息包括故障信息、运行状态、电容电压，并接收上级阀控系统的命令信息，命令信息包括IGBT导通指令、旁路开关命令、运行参数。

黑模块指的是与上级阀控系统失去通信后，阀控系统无法监视到其运行状态的功率模块。黑模块的产生原因较多，光纤故障、取能电源故障、PMC板故障等都可以导致黑模块发生。目前常规的启动包括交流充电和直流充电方式，首先将功率模块的电容充电并带动取能电源工作，此后经过可控充电提升电容电压至额定电压，最后满足解锁条件后解锁运行。在充电阶段，如果存在黑模块，则这些模块的电压随着充电过程不停地提高，解锁瞬间容易发生桥臂整体过压、造成桥臂中大量正常的功率模块也遭受损坏。因此，在启动过程中准确地检测黑模块，防止其危害系统设备的安全是非常重要的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，在MMC启动过程中准确地检测黑模块，并根据黑模块的检测结果进行启动逻辑的优化处理，防止其危害系统设备。

为达到上述目的，本发明所述一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，1.一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，其特征在于，在换流阀启动过程中，获取上次停机时B类黑模块和C类黑模块之和X1，获取本次换流器启动时B类黑模块和C类黑模块之和X2；然后将X1和X2进行对比，

当X2＝X1时，继续执行启动逻辑直至解锁；

当X2-X1≥N时，停止充电启动并报跳闸；

当X2-X1<N时，则继续充电，功率模块中的旁路开关K1进行旁路或旁路晶闸管K2自爆短路；

其中，N为停止充电启动阈值，B类黑模块是指存在上行光纤通信故障，但收到上层阀控的旁路指令后能够正常旁路的模块；C类黑模块是指存在取能电源或控制板卡故障，失去旁路能力的模块。

进一步的，包括以下步骤：

步骤1、初始状态下，所有功率模块电压为0，桥臂控制板中保存有上次启动后各个功率模块状态，功率模块状态包括：正常模块、A类黑模块、B类黑模块和C类黑模块，所有功率模块的状态集合记为State1；

步骤2、换流阀交流断路器闭合，交流电源对功率模块中的电容C进行不控整流充电至设定值后，取能电源工作；取能电源工作后，PMC板向桥臂控制板上送功率模块电压和运行状态，并接收功率模块的旁路开关命令；

步骤3、当不控充电稳定状态时，对所有功率模块进行初始参数配置与复位操作；

步骤4、所有功率模块将电容电压、功率模块状态信息上送给至桥臂控制板，桥臂控制板将通信故障的模块判断为黑模块，并根据各个功率模块旁路开关状态将黑模块状态分为A类黑模块、B类黑模块和C类黑模块，并将所有功率模块的状态集合更新至State2；

步骤5、将步骤1得到的状态集合State1与步骤4更新后的功率模块状态集合State2进行对比：

当集合State1和集合State2一致，继续执行启动逻辑直至解锁；

如果集合State1和集合State2不一致时：

新增B类黑模块和C类黑模块之和≥N时，停止充电启动并报跳闸；

新增B类黑模块和C类黑模块之和<N时，继续充电。

进一步的，步骤5中，在新增B类黑模块和C类黑模块之和<N的情况下，当电容电压>3600V时，PMC板控制闭合旁路开关K1；若PMC板或旁路开关K1失效，则在电容电压处于4300～4500V时，旁路晶闸管K2自爆短路。

进一步的，旁路晶闸管K2的耐受电压为4500V。

进一步的，步骤3中，当所有功率模块电压>700V时，换流器进入不控充电稳定状态。

进一步的，步骤5中，N＝[换流器启动成本/单个功率模块的成本]。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果:

现场运行时，每次启动的费用约50万甚至更高，单个功率模块的成本约20万左右。已旁路的黑模块，即A类黑模块将不再被统计，防止出现误统计黑模块、报故障的现象；对B类黑模块和C类黑模块进行检测，每次启动过程中会统计新增的B类黑模块和C类黑模块，一旦发现有新增黑模块，在B和C类新增的黑模块总数<N时，允许模块自爆的成本损失要小于系统重新启动的成本损失，允许功率模块继续充电并解锁，由功率模块自身旁路开关进行旁路或晶闸管自爆旁路，当B和C类新增的黑模块总数≥N时，考虑到系统解锁稳定性，执行停机跳闸。兼顾了经济成本与系统运行安全的问题。

进一步的，当新增B类黑模块和C类黑模块之和<3时，当电容电压>3600V时，PMC板控制闭合旁路开关K1；如果PMC板或旁路开关K1失效，则在电容电压处于4300～4500V时，旁路晶闸管K2自爆短路，使得黑模块的交流侧处于短路状态，不再参与设备运行，解除黑模块的风险。

附图说明

图1为本发明实施例提供的柔性直流输电系统换流阀拓扑图；

图2为本发明实施例提供的功率模块结构图，包括一次回路与二次回路；

图3为本发明实施例提供的C类黑模块充电原理图一；

图4为本发明实施例提供的C类黑模块充电原理图二；

图5为本发明实施例提供的黑模块检测流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为柔性直流输电换流阀拓扑图，交流电压源经软启动电阻BRK、变压器T与换流阀进行连接，单个换流阀由六个桥臂组成，根据交流电压源的电压等级，每个桥臂由几十至几百个功率模块组成。

图2为功率模块的结构图，功率模块中，C为电容，R为均压电阻，K1为旁路开关，K2为具备自爆旁路功能的旁路晶闸管，S1和S2均为IGBT器件，D1和D2均为二极管器件，PMC为控制板卡，模块额定电压2000V。

图3与图4为C类黑模块的充电图，当电流由直流正极流向直流负极时，电流将通过二极管D1对电容器C进行充电；而当电流由直流负极流向直流正极时，电流通过二极管D2流过，电容器C不会放电。由于功率器件S1和S2均处于闭锁状态，因此电容器C仅有充电回路无放电回路，电容电压将快速升高。此时设计PMC板控制逻辑，在电容电压>3600V时，PMC板下命令旁路K1，如果PMC板或旁路开关失效，则在电容电压处于4300～4500V时，旁路晶闸管K2自爆短路，也可以解除黑模块的风险。

一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，桥臂控制板在获取功率模块的运行状态后，以旁路开关状态为依据将黑模块分为：A类黑模块、B类黑模块和C类黑模块共三类。

A类黑模块：上一次运行中已经可靠旁路的功率模块，此类功率模块在启动时电容将不会被充电，不影响系统解锁运行。

B类黑模块：功率模块至上层阀控的上行光纤存在故障，取能电源、控制板卡能正常工作，功率模块上送的状态信息中断，但功率模块收到上层阀控的旁路指令后能够正常旁路，该类模块在启动中能够被上层阀控旁路，也不影响系统解锁运行。

C类黑模块：功率模块的取能电源或控制板卡故障，重新启动时电容会被充电，但功率模块不会上送状态信息到阀级控制器，功率模块也失去旁路能力。该类模块在启动中电压会一直升高，且无法被上层阀控旁路，但可以通过旁路晶闸管进行自爆旁路。现场运行时，每次启动的费用约50万甚至更高，单个功率模块的成本约20万左右。所以当整个换流器中的C类黑模块数<3时，允许模块自爆的成本损失要小于系统重新启动的成本损失，因此在新增黑模块数<3时，允许功率模块继续充电并解锁，由功率模块自身旁路开关进行旁路或晶闸管自爆旁路。

对上述3类黑模块的检测方法，在换流阀启动后，功率模块的取能电源与PMC板工作，功率模块电压一般处于300V以上，桥臂控制板对所有功率模块进行配置与复位操作。复位后，存在上行通信故障且阀控无法获取其状态信息的模块，则该模块判为黑模块。将所有的模块状态形成的集合记为State。

对检测到的黑模块状态字State的处理逻辑，将上次系统掉电或停机时保存的模块状态字集合State1、本次运行的模块状态字集合State2对比，如果State2比State1新增的B和C类黑模块数<3则继续充电，由功率模块自身旁路开关进行旁路或旁路晶闸管自爆旁路；新增B和C类黑模块数≥3时，则停止充电并执行跳闸流程。

图5为本发明实施例提供的黑模块检测流程图，所述检测流程包括以下步骤：

1)、初始状态，所有功率模块电压为0，阀控系统的桥臂控制板中已经保存了上次启动过程中各个功率模块状态(如果是本次是首次启动，则上次的模块状态为初始化系数0)，功率模块状态包括：正常模块、A类黑模块、B类黑模块和C类黑模块，所有功率模块的状态字集合记为State1。

2)、换流阀交流断路器闭合，交流电源通过软启电阻对功率模块电容C进行不控整流充电至300V后，取能电源工作；取能电源工作后，PMC板开始工作，它与桥臂控制板互传数据，向桥臂控制板上送功率模块电压和运行状态，接收功率模块中的IGBT脉冲、旁路开关命令等信息。

3)、当阀控系统的桥臂控制板检测到所有功率模块电压>700V时，认为不控充电稳定，对所有功率模块进行初始参数配置与复位操作；因为进入不控充电稳态后，各功率模块的参数、返回信息才能稳定。

4)、单个桥臂的所有子功率模块将电容电压、功率模块状态通过光纤上送给阀控的脉冲分配板，脉冲分配板再通过光纤汇总至桥臂控制板。桥臂控制板根据通信故障信息和模块状态分析单个桥臂的所有模块的状态，将通信故障的模块判断为黑模块，并根据旁路开关状态将黑模块状态分为，A类黑模块、B类黑模块和C类黑模块并将所有功率模块的状态集合更新至State2。

5)、将集合State1与本次启动过程中更新的模块状态字集合State2进行对比。如果State1、State2一致则可继续执行启动逻辑直至解锁，如果State1、State2不一致，新增黑模块数≥3时则停止充电启动并报跳闸，如果新增黑模块数<3则继续充电。此时，如果新增黑模块还有旁路开关旁路的功能，则由PMC板控制逻辑，当电压>3600V时，PMC板下命令闭合旁路开关K1(K1合闸后可以将功率模块交流侧短路，功率模块交流侧短路后就不再参与设备运行，也就不再危害系统运行)；如果PMC板或旁路开关K1失效，则在电容电压处于4300～4500V时，旁路晶闸管K2自爆短路。这两种方法都可以使得黑模块的交流侧处于短路状态，不再参与设备运行，解除黑模块的风险。

阀控后台界面配有相应的黑模块检测操作字，在后台的调试页面加入模块对比使能按钮使能时，将执行State2与State1的对比操作，显示对比成功或失败，显示当前黑模块号；不使能时，模块对比成功、失败位清零，显示当前旁路模块号，也就是黑模块号，主页面中显示模块对比成功或失败。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，其特征在于，在换流阀启动过程中，获取上次停机时B类黑模块和C类黑模块之和X1，获取本次换流器启动时B类黑模块和C类黑模块之和X2；然后将X1和X2进行对比，

当X2＝X1时，继续执行启动逻辑直至解锁；

当X2-X1≥N时，停止充电启动并报跳闸；

当X2-X1<N时，则继续充电，功率模块中的旁路开关K1进行旁路或旁路晶闸管K2自爆短路；

其中，N为停止充电启动阈值，B类黑模块是指存在上行光纤通信故障，但收到上层阀控的旁路指令后能够正常旁路的模块；C类黑模块是指存在取能电源或控制板卡故障，失去旁路能力的模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、初始状态下，所有功率模块电压为0，桥臂控制板中保存有上次启动后各个功率模块状态，功率模块状态包括：正常模块、A类黑模块、B类黑模块和C类黑模块，所有功率模块的状态集合记为State1；所述A类黑模块是指:上一次运行中已经可靠旁路的功率模块；

步骤2、换流阀交流断路器闭合，交流电源对功率模块中的电容C进行不控整流充电至设定值后，取能电源工作；取能电源工作后，PMC板向桥臂控制板上送功率模块电压和运行状态，并接收功率模块的旁路开关命令；

步骤3、当不控充电稳定状态时，对所有功率模块进行初始参数配置与复位操作；

步骤4、所有功率模块将电容电压、功率模块状态信息上送给至桥臂控制板，桥臂控制板将通信故障的模块判断为黑模块，并根据各个功率模块旁路开关状态将黑模块状态分为A类黑模块、B类黑模块和C类黑模块，并将所有功率模块的状态集合更新至State2；

步骤5、将步骤1得到的状态集合State1与步骤4更新后的功率模块状态集合State2进行对比：

当集合State1和集合State2一致，继续执行启动逻辑直至解锁；

如果集合State1和集合State2不一致时：

新增B类黑模块和C类黑模块之和≥N时，停止充电启动并报跳闸；

新增B类黑模块和C类黑模块之和<N时，继续充电。

3.根据权利要求2所述的一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，其特征在于，步骤5中，在新增B类黑模块和C类黑模块之和<N的情况下，当电容电压>3600V时，PMC板控制闭合旁路开关K1；若PMC板或旁路开关K1失效，则在电容电压处于4300～4500V时，旁路晶闸管K2自爆短路。

4.根据权利要求3所述的一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，其特征在于，所述旁路晶闸管K2的耐受电压为4500V。

5.根据权利要求2所述的一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，其特征在于，步骤3中，当所有功率模块电压>700V时，换流器进入不控充电稳定状态。

6.根据权利要求2所述的一种基于黑模块检测的柔性直流输电换流阀启动方法，其特征在于，步骤5中，N＝[换流器启动成本/单个功率模块的成本]。

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