CN110768519A - 柔性直流换流阀的过压保护方法、装置及其存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种柔性直流换流阀的过压保护方法、装置及其存储介质，应用于柔性直流输电系统上，包括以下步骤：S1.确定换流阀发生故障的相位；S2.导通相位对应上桥臂的开关元件；S3.释放换流阀中因故障产生的电流。通过确定换流阀发生故障的相位，根据确定换流阀发生故障的相位，导通与相位相对应上桥臂的开关元件，将发生故障的电流得到释放。与现有柔性直流输电过电压保护方法中采用避雷器防过压相比，该柔性直流换流阀的过压保护方法通过导通现有换流阀上的开关元件实现过压保护，避免了现有柔性直流输电中换流阀功率模块过压导致电子元器件损坏，也不会增加柔性直流输电系统的成本，也不会增大换流阀的体积。

Description

柔性直流换流阀的过压保护方法、装置及其存储介质

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种柔性直流换流阀的过压保护方法、装置及其存储介质。

背景技术

柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。现有的柔性直流输电中的换流站按照极数量分类，可分为对称单极系统(或称为伪双极)和对称双极系统。在对称双极系统中，由于对称双极系统的直流侧存在直接接地点，当对称双极系统中换流站的换流阀阀侧发生接地故障时，对称双极系统中的相应区间差动保护动作，将闭锁换流站中换流器并发跳闸命令，对称双极系统的断路器断开。

在柔性直流输电中一般是采用断路器断开电路的，由于断路器通常需要30～50ms才能断开，换流器闭锁后、断路器断开前换流器中的功率模块还会继续充电，换流器中的功率模块电压可能过高导致其功率模块上的电容或开关器件因过压而被击穿。

为了解决上述问题，目前柔性直流输电中采用在换流阀桥臂两端并联避雷器，限制过电压水平，如中国知识产权局在2013年4月17日公开了公开号为CN103050955A一种模块化多电平电压源换流阀的过电压保护方法的发明专利。但是此柔性直流输电过电压保护方法中的避雷器会增加成本，而且增加的避雷器会占据空间，增大换流阀的体积。

因此，针对上述情况，如何不增加电子元器件避免换流阀的功率模块不出现过压成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种柔性直流换流阀的过压保护方法、装置及其存储介质，用于解决现有柔性直流输电中换流阀功率模块过压导致电子元器件损坏的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种柔性直流换流阀的过压保护方法，应用于柔性直流输电系统上，包括以下步骤：

S1.确定换流阀发生故障的相位；

S2.导通所述相位对应上桥臂的开关元件；

S3.释放所述换流阀中因故障产生的电流。

优选地，所述柔性直流输电系统中的换流阀包含由两个单阀组组成的双阀组，每个所述单阀组包括低端阀组和高端阀组，每个所述单阀组的过压保护的步骤包括：

若所述高端阀组的阀侧接地发生故障，则仅导通与所述高端阀组发生故障相位相对应上桥臂的开关元件；

若所述低端阀组的阀侧接地发生故障，则导通与所述低端阀组发生故障相位相对应上桥臂的开关元件，所述高端阀组上导通任意一相位对应的开关元件。

优选地，所述柔性直流输电系统中的换流阀上设置有多个功率模块，每个所述功率模块上设置有至少四个所述开关元件，四个所述开关元件分别为第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。

优选地，所述开关元件为场效应晶体管，所述第一开关元件的集电极和所述第三开关元件的集电极连接，所述第一开关元件的发射极与所述第二开关元件的集电极连接，所述第二开关元件的发射极与所述第四开关元件的发射极连接，所述第四开关元件的集电极与所述第三开关元件的发射极连接；

该柔性直流换流阀的过压保护方法的步骤包括：

S01.确定换流阀发生故障的相位；

S02.导通所述相位对应上桥臂的所述第二开关元件或所述第三开关元件；

S03.释放所述换流阀中因故障产生的电流。

本发明还提供一种柔性直流换流阀的过压保护装置，应用于柔性直流输电系统上，其包括：

故障确定单元，用于确定柔性直流输电系统中发生故障的相位；

驱动单元，用于根据所述发生故障的相位导通与之相对应上桥臂的开关元件。

优选地，若所述柔性直流输电系统中的换流阀包含由两个单阀组组成的双阀组，每个所述单阀组包括低端阀组和高端阀组；所述驱动单元包括：

第一驱动单元，用于导通所述高端阀组上桥臂的开关元件；

第二驱动单元，用于导通所述低端阀组上桥臂的开关元件。

优选地，若所述故障确定单元确定所述高端阀组的阀侧接地发生故障，则所述第一驱动单元导通与所述高端阀组发生故障相位相对应上桥臂的开关元件。

优选地，若所述故障确定单元确定所述低端阀组的阀侧接地发生故障，则所述第二驱动单元驱动与所述低端阀组发生故障相位相对应上桥臂的开关元件导通，所述第一驱动单元驱动所述高端阀组上任意一相位对应的开关元件导通。

本发明还提供一种存储介质，包括存储器以及处理器，

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输至所述处理器上；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行上述所述的柔性直流换流阀的过压保护方法。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1.该柔性直流换流阀的过压保护方法通过确定换流阀发生故障的相位，根据确定换流阀发生故障的相位，导通与相位相对应上桥臂的开关元件，让发生故障的电流通过导通的开关元件流向三相交流电形成电流释放回路，从而将发生故障的电流得到释放。与现有柔性直流输电过电压保护方法中采用避雷器防过压相比，该柔性直流换流阀的过压保护方法通过导通现有换流阀上的开关元件实现过压保护，避免了现有柔性直流输电中换流阀功率模块过压导致电子元器件损坏，也不会增加系统成本，也不会增大换流阀的体积；

2.该柔性直流换流阀的过压保护装置通过故障确定单元确定发生故障的相位，根据发生故障的相位采用驱动单元控制与之对应相位上的换流阀上桥臂的开关元件导通，使得发生故障的电流释放，避免换流阀中功率模块上电子元件被损坏，也实现了柔性直流换流阀的过压保护。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有双极柔性直流输电系统单阀组的换流阀的示意图。

图2为现有双极柔性直流输电系统双阀组的换流阀的示意图。

图3为现有双极柔性直流输电系统中的换流阀的A相位阀侧接地发生故障后的电流回路图。

图4为现有双极柔性直流输电系统发生故障后直接闭锁时充电过程中电压变化过程仿真图。

图5为本发明实施例所述的柔性直流换流阀的过压保护方法的步骤流程图。

图6为本发明实施例所述的柔性直流换流阀的过压保护方法中换流阀功率模块的框架图。

图7为本发明实施例所述的柔性直流换流阀的过压保护方法在发生故障电压变化过程的仿真图。

图8为本发明实施例所述的柔性直流换流阀的过压保护方法发生故障后过压保护的框架图。

图9为本发明实施例所述的柔性直流换流阀的过压保护装置的框架图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种柔性直流换流阀的过压保护方法、装置及其存储介质，用于解决现有柔性直流输电中换流阀功率模块过压导致电子元器件损坏的技术问题。

现有的双极柔性直流输电系统中的换流阀可以为单阀组，也可以为双阀组。图1为现有双极柔性直流输电系统单阀组的换流阀的示意图，图2为现有双极柔性直流输电系统双阀组的换流阀的示意图。

如图1和图2所示，现有的双极柔性直流输电系统中的换流阀的输入端与三相交流电连接，换流阀的输出端输出直流。其换流阀上设置有多个功率模块，与三相交流电每一相位连接的换流阀上均设置有功率模块。现有的双极柔性直流输电系统的换流阀中并没有并联避雷器。

需要说明的是，每功率模块上设置有至少四个开关元件，四个开关元件分别为第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。

如图3和图4所示，图3为现有双极柔性直流输电系统中的换流阀的A相位阀侧接地发生故障后的电流回路图，图4为现有双极柔性直流输电系统发生故障后直接闭锁时充电过程中电压变化过程仿真图。

双极柔性直流输电系统中的换流阀的A相位阀侧接地发生故障后，双极柔性直流输电系统中的直流电流仍然存在，该双极柔性直流输电系统中的直流电流流过没有发生故障的B相位或C相位的换流阀上桥臂的功率模块，为与B相位或C相位连接上桥臂的功率模块的充电，直至该双极柔性直流输电系统中的交流断路器断开，切断电流回路，该双极柔性直流输电系统才完全切断电流回路。在发生故障与交流断路器完全切断电流回路之间，一般在1.5ms后换流阀阀侧的交流母线差动保护动作闭锁换流阀，随后与三相交流电连接的A、B、C三相上桥臂的功率模块呈现半波不控整流特性，A、B、C三相换流阀阀侧电压瞬时值较小的一相导通，如图3所示，与三相交流电连接的B相上桥臂的功率模块导通时，三相交流电与换流阀之间的B相为导通回路，直流电流为其充电，直至交流断路器断开，B相的导通回路才断开，B相的导通回路的充电可能会导致功率模块的损坏。如图4所示，从图4可以得知，该双极柔性直流输电系统发生故障后直接闭锁时在7s后发生电压上升，并且B相的导通回路在充电过程的电压可以从2.1kV上升至4.3kV，上升的电压可能损坏功率模块。

因此，本发明实施例提供了一种柔性直流换流阀的过压保护方法，应用于柔性直流输电系统上，如图5所示，图5为本发明实施例所述的柔性直流换流阀的过压保护方法的步骤流程图。

本发明实施例提供了一种柔性直流换流阀的过压保护方法包括以下步骤：

S1.确定换流阀发生故障的相位；

S2.导通相位对应上桥臂的开关元件；

S3.释放换流阀中因故障产生的电流。

在本发明实施例的步骤S1中，确定柔性直流输电系统中与换流阀连接的三相哪一个相位出现故障。

需要说明的是，确定换流阀发生故障的相位可以通过换流阀的阀侧交流母线差动保护迅速定位确定发生故障是哪一个相位。

在本发明实施例的步骤S2中，在柔性直流输电系统中，换流阀上设置有上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均上设置有与每一相连接的功率模块，功率模块上设置有多个开关元件。

需要说明的是，根据确定换流阀发生故障的相位，导通与相位相对应上桥臂的功率模块上开关元件，使得发生故障的电流通过导通的开关元件流向三相交流电形成电流释放回路。其中，开关元件可以为三极管的场效应晶体管，也可以为MOS管的场效应晶体管。

在本发明实施例的步骤S3中，根据步骤S2导通的开关元件，让发生故障的电流通过导通的开关元件流向三相交流电形成电流释放回路，从而将发生故障的电流得到泄放掉。

本发明提供的一种柔性直流换流阀的过压保护方法通过确定换流阀发生故障的相位，根据确定换流阀发生故障的相位，导通与相位相对应上桥臂的开关元件，让发生故障的电流通过导通的开关元件流向三相交流电形成电流释放回路，从而将发生故障的电流得到释放。与现有柔性直流输电过电压保护方法中采用避雷器防过压相比，该柔性直流换流阀的过压保护方法通过导通现有换流阀上的开关元件实现过压保护，避免了现有柔性直流输电中换流阀功率模块过压导致电子元器件损坏，也不会增加系统成本，也不会增大换流阀的体积。

图6为本发明实施例所述的柔性直流换流阀的过压保护方法中换流阀功率模块的框架图。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，换流阀上设置有多个功率模块，每个所述功率模块上设置有至少四个开关元件，四个开关元件分别为第一开关元件T1、第二开关元件T2、第三开关元件T3和第四开关元件T4。在本实施例中，开关元件优先选用三极管，第一开关元件T1的集电极和第三开关元件T3的集电极连接，第一开关元件T1的发射极与第二开关元件T2的集电极连接，第二开关元件T2的发射极与第四开关元件T4的发射极连接，第四开关元件T4的集电极与第三开关元件T3的发射极连接。其中，第一开关元件T1的发射极与第二开关元件T2的集电极连接的该侧为换流阀的直流侧，第四开关元件T4的集电极与第三开关元件T3的发射极连接的该侧为换流阀的交流侧。该柔性直流换流阀的过压保护方法的步骤包括：

S01.确定换流阀发生故障的相位；

S02.导通相位对应上桥臂的第二开关元件T2或第三开关元件T3；

S03.释放换流阀中因故障产生的电流。

需要说明的是，如图7所示，柔性直流输电系统中的换流阀的A相位阀侧接地发生故障后，柔性直流输电系统中的直流电流仍然存在，该柔性直流输电系统中的直流电流流过A相位的换流阀上桥臂的第二开关元件T2或第三开关元件T3，使得将A相位上的电流释放掉。如图8所示，从图8可以得知，该柔性直流输电系统发生故障后直接闭锁时在7s后的电压不会上升，避免柔性直流输电系统发生故障后电压上升导致换流阀中功率模块的损坏。与现有的柔性直流输电系统相比，将现有的柔性直流输电系统的换流阀阀侧接地故障相应差动保护动作出口逻辑改为导通换流阀上桥臂的功率模块的第二开关元件T2或第三开关元件T3，避免了换流阀中功率模块过压现象的发生。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，该柔性直流输电系统中的换流阀包含由两个单阀组组成的双阀组，每个单阀组包括低端阀组和高端阀组，每个单阀组的过压保护的步骤包括：

若高端阀组的阀侧接地发生故障，则仅导通与高端阀组发生故障相位相对应上桥臂的第二开关元件T2或第三开关元件T3；

若低端阀组的阀侧接地发生故障，则导通与低端阀组发生故障相位相对应上桥臂的第二开关元件T2或第三开关元件T3，高端阀组上导通任意一相位对应的第二开关元件T2或第三开关元件T3。

实施例二：

如图9所示，图9为本发明实施例所述的柔性直流换流阀的过压保护装置的框架图。

本发明实施例提供了一种柔性直流换流阀的过压保护装置，包括：

故障确定单元101，用于确定柔性直流输电系统中的换流阀发生故障的相位；

驱动单元102，用于根据换流阀发生故障的相位导通与之相对应上桥臂的开关元件。

需要说明的是，故障确定单元101主要用于确定柔性直流输电系统中发生故障的位置，即是确定发生故障位置发生故障的相位。驱动单元102主要用于根据确定出现故障的相位控制对应相位上换流阀上桥臂的开关元件。在本实施例中，换流阀上设置有上、下桥臂，上、下桥臂上均设置有三个功率模块，三个功率模块对应三相交流电的三个相位，每个功率模块上设置有四个开关元件。四个开关元件的结构和连接关系已在实施例一中阐述，本实施例不在阐述。如图7所示，若故障确定单元101确定柔性直流输电系统中A相位发生故障后，驱动单元102驱动与A相位连接的功率模块上的第二开关元件T2或第三开关元件T3导通，使得A相位上连接的三相交流电、功率模块形成释放电流的回路，使得发生故障的A相位上产生的电流得到释放，避免与A相位连接的功率模块因过压而被损坏，从而实现了换流阀的功率模块过压保护。

在本发明实施例中，若所述柔性直流输电系统中的换流阀包含由两个单阀组组成的双阀组，每个所述单阀组包括低端阀组和高端阀组；所述驱动单元包括第一驱动单元103和第二驱动单元104，第一驱动单元103用于导通高端阀组上桥臂的开关元件；第二驱动单元104用于导通低端阀组上桥臂的开关元件。

需要说明的是，若故障确定单元101确定低端阀组的阀侧接地发生故障，则第二驱动单元104驱动与低端阀组发生故障相位相对应上桥臂的第二开关元件T2或第三开关元件T3导通，第一驱动单元103驱动高端阀组上任意一相位对应的第二开关元件T2或第三开关元件T3导通。若故障确定单元101确定高端阀组的阀侧接地发生故障，则第一驱动单元103导通与高端阀组发生故障相位相对应上桥臂的第二开关元件T2或第三开关元件T3。

该柔性直流换流阀的过压保护装置通过故障确定单元确定发生故障的相位，根据发生故障的相位采用驱动单元控制与之对应相位上的换流阀上桥臂的开关元件导通，使得发生故障的电流释放，避免换流阀中功率模块上电子元件被损坏，也实现了柔性直流换流阀的过压保护。

实施例三：

本发明实施例提供了一种存储介质，包括存储器以及处理器，

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输至处理器上；

处理器用于根据程序代码中的指令执行上述的柔性直流换流阀的过压保护方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上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精神和范围。

Claims (9)

1.一种柔性直流换流阀的过压保护方法，应用于柔性直流输电系统上，其特征在于，包括以下步骤：

S1.确定换流阀发生故障的相位；

S2.导通所述相位对应上桥臂的开关元件；

S3.释放所述换流阀中因故障产生的电流。

2.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀的过压保护方法，其特征在于，所述柔性直流输电系统中的换流阀包含由两个单阀组组成的双阀组，每个所述单阀组包括低端阀组和高端阀组，每个所述单阀组的过压保护的步骤包括：

若所述高端阀组的阀侧接地发生故障，则仅导通与所述高端阀组发生故障相位相对应上桥臂的开关元件；

若所述低端阀组的阀侧接地发生故障，则导通与所述低端阀组发生故障相位相对应上桥臂的开关元件，所述高端阀组上导通任意一相位对应的开关元件。

3.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀的过压保护方法，其特征在于，所述柔性直流输电系统中的换流阀上设置有多个功率模块，每个所述功率模块上设置有至少四个所述开关元件，四个所述开关元件分别为第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。

4.根据权利要求3所述的柔性直流换流阀的过压保护方法，其特征在于，所述开关元件为场效应晶体管，所述第一开关元件的集电极和所述第三开关元件的集电极连接，所述第一开关元件的发射极与所述第二开关元件的集电极连接，所述第二开关元件的发射极与所述第四开关元件的发射极连接，所述第四开关元件的集电极与所述第三开关元件的发射极连接；

该柔性直流换流阀的过压保护方法的步骤包括：

S01.确定换流阀发生故障的相位；

S02.导通所述相位对应上桥臂的所述第二开关元件或所述第三开关元件；

S03.释放所述换流阀中因故障产生的电流。

5.一种柔性直流换流阀的过压保护装置，应用于柔性直流输电系统上，其特征在于，包括：

故障确定单元，用于确定柔性直流输电系统中发生故障的相位；

驱动单元，用于根据所述发生故障的相位导通与之相对应上桥臂的开关元件。

6.根据权利要求5所述的柔性直流换流阀的过压保护装置，其特征在于，若所述柔性直流输电系统中的换流阀包含由两个单阀组组成的双阀组，每个所述单阀组包括低端阀组和高端阀组；所述驱动单元包括：

第一驱动单元，用于导通所述高端阀组上桥臂的开关元件；

第二驱动单元，用于导通所述低端阀组上桥臂的开关元件。

7.根据权利要求6所述的柔性直流换流阀的过压保护装置，其特征在于，若所述故障确定单元确定所述高端阀组的阀侧接地发生故障，则所述第一驱动单元导通与所述高端阀组发生故障相位相对应上桥臂的开关元件。

8.根据权利要求6所述的柔性直流换流阀的过压保护装置，其特征在于，若所述故障确定单元确定所述低端阀组的阀侧接地发生故障，则所述第二驱动单元驱动与所述低端阀组发生故障相位相对应上桥臂的开关元件导通，所述第一驱动单元驱动所述高端阀组上任意一相位对应的开关元件导通。

9.一种存储介质，其特征在于，包括存储器以及处理器，

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输至所述处理器上；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如权利要求1-4任意一项所述的柔性直流换流阀的过压保护方法。

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