CN111030493B - 一种模块化多电平换流器的子模块及其保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器的子模块及其保护电路，属于直流输电技术领域。保护电路包括：晶闸管，用于并联在子模块的两端；晶闸管触发电路，包括检测单元、可控开关、BOD单元和分压单元；检测单元用于检测子模块取能电源是否故障；分压单元与BOD单元串联后连接晶闸管的门极；可控开关与分压单元并联；可控开关受控于检测单元，用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下旁路分压单元；BOD单元用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下击穿，为晶闸管提供触发电流，导通晶闸管。本发明基于构建的保护电路，可以在子模块取能电源故障情况下导通晶闸管，将故障子模块旁路，避免对输电系统产生较大影响。

Description

一种模块化多电平换流器的子模块及其保护电路
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平换流器的子模块及其保护电路，属于直流输电技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，基于模块化多电平换流器的直流输电系统得到快速发展。模块化多电平换流器由成千上万个子模块构成，当任一个子模块出现“黑模块”(黑模块即子模块无法正常取电)故障时，故障子模块所在桥臂形成开路，造成系统三相桥臂电流不平衡；且桥臂电流会经过IGBT反并联二极管向故障子模块直流支撑电容充电，如果此时输电系统不跳闸，会引起电容过压、IGBT击穿，甚至子模块着火，对整个输电系统造成的后果不堪设想。
为了防止此类事故发生，现在通用做法是闭锁所有子模块，并要求系统跳闸，对直流输电系统的可靠稳定运行影响巨大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器的子模块及其保护电路，以解决现有子模块无法正常取电情况对输电系统的影响大的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路，包括：
晶闸管，用于并联在子模块的两端；
晶闸管触发电路，包括检测单元、可控开关、BOD单元和分压单元；
所述检测单元用于检测子模块取能电源是否故障；
所述分压单元与BOD单元串联后连接晶闸管的门极；
所述可控开关与所述分压单元并联；
所述可控开关受控于所述检测单元，用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下旁路所述分压单元；
BOD单元用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下击穿，为所述晶闸管提供触发电流，导通晶闸管。
有益效果是：基于构建的保护电路，检测单元能够检测子模块取能电源是否故障，并在子模块取能电源故障情况下分压单元与BOD单元共同作用为晶闸管门极提供触发电流，导通晶闸管，将故障子模块旁路，避免故障子模块对输电系统产生较大影响。
进一步的，所述检测单元包括检测端和输出端，检测端用于连接子模块取能电源；输出端连接所述可控开关。
进一步的，所述检测单元包括光耦，所述检测端为光耦的原边，输出端为光耦副边。
进一步的，所述可控开关为IGBT，光耦副边连接IGBT的门极，用于为IGBT提供触发电压。
进一步的，所述分压单元包括第二击穿二极管(BOD2)。
进一步的，所述分压单元还包括第二电阻(R22)，第二击穿二极管(BOD2)和第二电阻(R22)并联；
所述BOD单元包括第一击穿二极管(BOD1)和第一电阻(R21)，第一击穿二极管(BOD1)和第一电阻(R21)并联。
另外，本发明还提出了一种模块化多电平换流器的子模块，包括子模块保护电路，所述子模块保护电路包括：
晶闸管，用于并联在子模块的两端；
晶闸管触发电路，包括检测单元、可控开关、BOD单元和分压单元；
所述检测单元用于检测子模块取能电源是否故障；
所述分压单元与BOD单元串联后连接晶闸管的门极；
所述可控开关与所述分压单元并联；
所述可控开关受控于所述检测单元，用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下旁路所述分压单元；
BOD单元用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下击穿，为所述晶闸管提供触发电流，导通晶闸管。
有益效果：本发明的子模块包括保护电路，其中，检测单元能够检测子模块取能电源是否故障，并在子模块取能电源故障情况下分压单元与BOD单元共同作用为晶闸管门极提供触发电流，导通晶闸管，将故障子模块旁路，避免故障子模块对输电系统产生较大影响。
进一步的，所述检测单元包括检测端和输出端，检测端用于连接子模块取能电源；输出端连接所述可控开关。
进一步的，所述检测单元包括光耦，所述检测端为光耦的原边，输出端为光耦副边。
进一步的，所述可控开关为IGBT，光耦副边连接IGBT的门极，用于为IGBT提供触发电压。
附图说明
图1为本发明用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例1中全桥子模块示意图；
图2为本发明用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例1中晶闸管触发电路示意图；
图3为本发明用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例1中正常情况下晶闸管触发电路工作示意图；
图4为本发明用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例1中故障情况下晶闸管触发电路工作示意图；
图5为本发明用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例2中设置有单向晶闸管的半桥子模块示意图；
图6为本发明用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例2中晶闸管触发电路示意图；
图7为本发明用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例2中设置有双向晶闸管的半桥子模块示意图。
具体实施方式
模块化多电平换流器由子模块组成，为了避免任一子模块出现取能电源故障所产生的不良影响，本发明构建的模块化多电平换流器保护电路包括晶闸管和晶闸管触发电路，其中晶闸管并联在子模块的两端，晶闸管触发电路包括检测单元、可控开关、BOD(击穿二极管)单元和分压单元，具体地，检测单元用于检测子模块取能电源是否故障；分压单元与BOD单元串联后连接晶闸管的门极，为晶闸管提供触发电流；可控开关与分压单元并联，用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下旁路分压单元；BOD单元用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下击穿，导通晶闸管。
模块化多电平换流器子模块分为全桥子模块和半桥子模块，根据组成模块化多电平换流器的子模块是全桥子模块还是半桥子模块，接下来分别进行说明。
用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例1：
本实施例中组成模块化多电平换流器的子模块为全桥子模块，如图1所示，在全桥子模块两端并联一个双向晶闸管。针对这个双向晶闸管，本实施例的晶闸管触发电路如图2所示，其中：
BOD1、BOD2为击穿二极管；
R21、R22为均压电阻；
BOD1与R21并联后形成BOD单元，BOD2与R22并联后形成分压单元；
T5为旁路全控半导体开关，可以是IGBT、MOSFET等全控器件，当出现“黑模块”时可通过导通T5将BOD2管旁路掉；
G1为光耦，实现晶闸管主回路与子模块控制回路的高压隔离，构成检测单元，光耦副边连接T5的门极，用于为IGBT提供触发电压，光耦原边连接子模块取能电源；
R12为上拉电阻；
D10为稳压管，箝位全控半导体开关T5门极电压；
R2为限流电阻，限制晶闸管门极电流大小；
D1为二极管，防止BOD管承受反压失效；
C1、R3、D5、D6、D9构成防抖滤波回路，防止干扰信号导致晶闸管T误导通。
本实施例中晶闸管触发电路的工作情况分两种，分别为：
当子模块取能电源正常供电工况时，子模块取能电源输出正常，光耦G1输出三极管导通，将T5开关管门极短接，T5开关管处于截止状态，此时，BOD1和BOD2管串联，BOD1和BOD2共同分压，见图3所示。由于充电过程中晶闸管两端电压等于子模块电容电压，因此，只有等子模块电容电压高于BOD1和BOD2管动作电压之和时，BOD1和BOD2才会被击穿，晶闸管才会被触发；而又由于子模块电容电压一般小于BOD1和BOD2管动作电压之和，因此，子模块取能电源正常供电工况时晶闸管不会被触发。
当子模块“黑模块”工况时，子模块取能电源无输出，光耦输出三极管截止，T5开关管在上拉电阻R12、分压电阻R11以及稳压管D10的作用下，将T5管门极钳位在正常开通电压下，T5开关管导通，将BOD2管旁路，只剩下BOD1，见图4所示。这种情况下，当子模块电容电压大于BOD1管动作电压时，BOD1将被击穿，晶闸管就会导通。
基于上述分析，当子模块取能电源正常供电工况时，BOD1和BOD2共同起作用；而当子模块“黑模块”工况时，只有BOD1起作用，由于充电过程中晶闸管两端电压等于子模块电容电压，因此，本实施例在子模块电容电压高于BOD1管动作电压时晶闸管就会被触发导通，使故障子模块可靠旁路并确保子模块电容不会出现过压运行工况，且子模块不会击穿损坏晶闸管。
上述说明以双向晶闸管中左侧晶闸管对应的触发电路为例，由于双向晶闸管中右侧晶闸管对应的触发电路与左侧晶闸管对应的触发电路结构对称，工作原理相似，此处不再赘述，右侧晶闸管对应的触发电路参照图2中的G2、BOD3、BOD4等元件。
本实施例中分压单元为BOD2和R22并联组成的结构，分压单元的作用在于分压，作为其他实施方式，分压单元也可以是电阻、电容等。
本实施例中保护电路设置有限流电阻、防抖滤波回路等，属于对保护电路功能的进一步优化，以使保护电路性能更加稳定，作为其他实施方式，也可以根据实际需求减少或不设置相应优化设置。
用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例2：
本实施例中组成模块化多电平换流器的子模块为半桥子模块，如图5所示，在半桥子模块两端并联一个单向晶闸管，该晶闸管的阳极端子连接子模块进线端OUT1，阴极端子连接子模块进线端OUT2。该单向晶闸管的触发电路如图6所示。
相较于子模块保护电路实施例1中对应于一个双向晶闸管的触发电路，本实施例中的触发电路只对应于一个单向晶闸管。
作为其他实施方式，如图7所示，在半桥子模块两端并联一个双向晶闸管。该双向晶闸管的触发电路与子模块保护电路实施例1中双向晶闸管的触发电路的结构与工作原理相同，但实际上，双向晶闸管中右侧晶闸管及对应的触发电路不起作用，此处不再赘述。
用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路实施例3：
本实施例中组成模块化多电平换流器的子模块为半桥子模块和全桥子模块的混合，其中，半桥子模块采用子模块保护电路实施例2中的晶闸管和对应触发电路，全桥子模块采用子模块保护电路实施例1中的晶闸管和对应触发电路。
模块化多电平换流器的子模块实施例：
本实施例的模块化多电平换流器的子模块包括子模块保护电路，子模块保护电路的结构已经在上述子模块保护电路实施例1、2、3中进行了说明，此处不再赘述。

Claims (9)

1.一种用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路，其特征在于，包括：
晶闸管，用于并联在子模块的两端；
晶闸管触发电路，包括检测单元、可控开关、BOD单元和分压单元；
所述检测单元用于检测子模块取能电源是否故障；
所述分压单元与BOD单元串联；对于分压单元与BOD单元串联后形成的电路，一端连接晶闸管的门极，另一端连接串联晶闸管的阳极；
所述BOD单元包括第一击穿二极管（BOD1），所述分压单元包括第二击穿二极管（BOD2），所述第一击穿二极管和第二击穿二极管的动作电压之和大于子模块电容电压；
所述可控开关与所述分压单元并联；
所述可控开关受控于所述检测单元，用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下导通，从而旁路所述分压单元；
BOD单元用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下击穿，为所述晶闸管提供触发电流，导通晶闸管。
2.根据权利要求1所述的用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路，其特征在于，所述检测单元包括检测端和输出端，检测端用于连接子模块取能电源；输出端连接所述可控开关。
3.根据权利要求2所述的用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路，其特征在于，所述检测单元包括光耦，所述检测端为光耦的原边，输出端为光耦副边。
4.根据权利要求3所述的用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路，其特征在于，所述可控开关为IGBT，光耦副边连接IGBT的门极，用于为IGBT提供触发电压。
5.根据权利要求1所述的用于模块化多电平换流器“黑模块”的子模块保护电路，其特征在于，所述分压单元还包括第二电阻（R22），第二击穿二极管（BOD2）和第二电阻（R22）并联；
所述BOD单元包括第一电阻（R21），第一击穿二极管（BOD1）和第一电阻（R21）并联。
6.一种模块化多电平换流器的子模块，包括子模块保护电路，其特征在于，所述子模块保护电路包括：
晶闸管，用于并联在子模块的两端；
晶闸管触发电路，包括检测单元、可控开关、BOD单元和分压单元；
所述检测单元用于检测子模块取能电源是否故障；
所述分压单元与BOD单元串联；对于分压单元与BOD单元串联后形成的电路，一端连接晶闸管的门极，另一端连接串联晶闸管的阳极；
所述BOD单元包括第一击穿二极管（BOD1），所述分压单元包括第二击穿二极管（BOD2），所述第一击穿二极管和第二击穿二极管的动作电压之和大于子模块电容电压；
所述可控开关与所述分压单元并联；
所述可控开关受控于所述检测单元，用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下导通，从而旁路所述分压单元；
BOD单元用于在检测单元检测到子模块取能电源故障情况下击穿，为所述晶闸管提供触发电流，导通晶闸管。
7.根据权利要求6所述的模块化多电平换流器的子模块，其特征在于，所述检测单元包括检测端和输出端，检测端用于连接子模块取能电源；输出端连接所述可控开关。
8.根据权利要求7所述的模块化多电平换流器的子模块，其特征在于，所述检测单元包括光耦，所述检测端为光耦的原边，输出端为光耦副边。
9.根据权利要求8所述的模块化多电平换流器的子模块，其特征在于，所述可控开关为IGBT，光耦副边连接IGBT的门极，用于为IGBT提供触发电压。
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