CN111431389A - 一种mmc功率模块快速放电电路 - Google Patents

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杨学广
郑星星
徐攀腾
宋述波
梁秉岗
严海健
周登波
严治勇
柳林海
谷裕
郭云汉
陆启凡
周勇
胡覃毅
郑锐举
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Abstract

本发明公开了一种MMC功率模块快速放电电路，涉及柔性直流输电技术，本发明包括放电电路、功率模块单元控制板和取能电源板，放电电路包括并联连接的开关回路、第一耗能回路、电容储能回路和第二耗能回路，第二耗能回路包括电阻R0和晶闸管K，电阻R0的一端连接至晶闸管K的阳极，电容储能回路包括极性电容C，电容C的负极性端和晶闸管K的阴极相连接，电阻R的另一端与电容C的正极性端，取能电源板与放电电路连接，当开关回路断开时，取能电源板从电容储能回路获取电能供功率模块单元控制板消耗，功率模块单元控制板根据开关回路的通断信号，控制晶闸管K的门极，第二耗能回路接通耗能。本发明缩短放电时间，加快检修及停运的速度。

Description

一种MMC功率模块快速放电电路
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术，具体涉及一种MMC功率模块快速放电电路。
背景技术
柔性直流输电技术相较于常规直流输电技术因其不需要无功补偿，无换相失败的问题，易于有功、无功调节且谐波水平低，适合构成多端直流系统等优点，使得柔性直流输电技术在近些年来得到了快速发展。当然，相较于常规直流，柔性直流也存在不足的地方，对于同样的直流电压，柔性直流采用的开关器件数量较大，是常规直流器件数量的2-3倍。另外，为了适应柔性直流在超高压及特高压领域的运用，功率模块电容容量不断增大，导致单个功率模块放电时间更长，重量不断增大，进一步加剧运检人员的维护压力。
作为电力输送大动脉的柔直站点，需保证能源源不断的输送直流功率，停电周期短暂，因此，为避免因设备故障导致直流长期停运，要求运检人员加快故障处理的速率。目前，功率模块电容容量很大，当柔性直流系统停运时，功率模块电压维持较长时间才能泄放至安全阈值之内，在功率模块电压降至安全阈值之前，阀厅大门一直处于闭锁状态，当具备进入阀厅的条件后，为确保运检人员的安全，仍需对模块电压进行检测再次放电，导致检修维护时间被压缩。另外，运检人员开展功率模块抢修工作时，需要对模块进行充放电测试，模块电压未下降至安全阈值之前，整个金属框架处于带电状态，运检人员无法开展其他测试工作，大大降低了抢修的效率。因此，如何加快功率模块的放电速度来提高运检效率已成为亟待解决的一个问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种MMC功率模块快速放电电路，提高了柔性直流输电系统的功率模块的放电速度，缩短放电时间，加快检修及停运的速度，避免直流长期停运造成的经济损失问题，确保了直流负荷持续、稳定的输送。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种MMC功率模块快速放电电路，包括放电电路、功率模块单元控制板和取能电源板，所述放电电路包括并联连接的开关回路、第一耗能回路、电容储能回路和第二耗能回路，所述第二耗能回路包括电阻R0和晶闸管K，所述电阻R0的一端连接至所述晶闸管K的阳极，所述电容储能回路包括极性电容C，
其中，所述电容C的负极性端和所述晶闸管K的阴极相连接，所述电阻R的另一端与所述电容C的正极性端，所述取能电源板与所述放电电路连接，当开关回路断开时，所述取能电源板从电容储能回路获取电能供所述功率模块单元控制板消耗，所述功率模块单元控制板根据开关回路的通断信号，控制所述晶闸管K的门极，第二耗能回路接通耗能。
如上所述的MMC功率模块快速放电电路，进一步地，所述开关回路包括绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联形成半桥结构。
如上所述的MMC功率模块快速放电电路，进一步地，所述开关回路包括绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2、绝缘栅双极型晶体管D3、绝缘栅双极型晶体管D4，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D3的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D1的集电极与所述绝缘栅双极型晶体管D3的集电极连接且所述绝缘栅双极型晶体管D2的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的发射极连接形成全桥结构。
如上所述的MMC功率模块快速放电电路，进一步地，所述第一耗能回路包括电阻R。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明在功率模块依靠自身电阻及板卡放电的基础上，进一步提高了功率模块的放电速度，尤其是利用晶闸管的开通和关断特性导通放电回路，加快功率模块在第一阶段、第二阶段的放电速度，缩短放电时间，加快检修及停运的速度，避免直流长期停运造成的经济损失问题，确保了直流负荷持续、稳定的输送。
附图说明
图1为本发明实施例中只有第一耗能回路工作时的电路图；
图2为本发明实施例中第一耗能回路和第二耗能回路工作时电路图；
图3为本发明触发信号生成逻辑框图；
图4为本发明半桥结构时的电路图；
图5为本发明全桥结构时的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
一种MMC功率模块快速放电电路，包括放电电路、功率模块单元控制板和取能电源板，所述放电电路包括并联连接的开关回路、第一耗能回路、电容储能回路和第二耗能回路，所述第二耗能回路包括电阻R0和晶闸管K，所述电阻R0的一端连接至所述晶闸管K的阳极，所述电容储能回路包括极性电容C，其中，所述电容C的负极性端和所述晶闸管K的阴极相连接，所述电阻R的另一端与所述电容C的正极性端，所述取能电源板与所述放电电路连接，当开关回路断开时，所述取能电源板从电容储能回路获取电能供所述功率模块单元控制板消耗，所述功率模块单元控制板根据开关回路的通断信号，控制所述晶闸管K的门极，第二耗能回路接通耗能。优选地，所述第一耗能回路包括电阻R。
参见图1，以只有第一耗能回路工作时的电路原理讲解本发明的构思，功率模块放电的本质就是通过内部或外部的耗能器件消耗电容内部的电能。当柔性直流系统停运时，首先闭锁绝缘栅双极型晶体管(以下简称IGBT)，功率模块均处于不控整流状态，待交流断路器断开后，功率模块开始放电。由于反向并联二极管的截止作用，各功率模块电容均独自放电。直流闭锁后功率模块电容电压仍维持在较高的水平，当电容电压大于取能电源板的工作电压时，取能电源板正常工作，反之，取能电源板不工作。因此，功率模块放电主要分为2个阶段：
1)第一阶段，电容电压大于取能电源板工作电压，取能电源板正常工作。功率模块中控板，IGBT驱动板、旁路开关触发板等板卡及器件全部保持工作状态，与模块电容的并联电阻一起进行放电；
2)第二阶段，电容电压小于取能电源板工作电压，取能电源板不工作。功率模块内的板卡及器件全部失电，取能电源回路等效为一个兆欧级的电阻，可认为取能电源断路，模块只能通过模块电容的并联电阻放电，放电速度明显减缓。
综上所述，柔性直流停运或抢修时，主要依靠模块自身的并联电阻及内部板卡放电，整个放电曲线呈现先快后慢的状态，尤其是放电进入第二阶段，放电速度明显减慢。第二阶段的放电周期约占整个放电周期的2/3。
参见图2、图3，以第一耗能回路和第二耗能回路工作时讲解本发明的工作原理，在电容侧并联第二耗能回路，第二耗能回路包括电阻R0和晶闸管K，第二耗能回路在功率模块充电、运行工况下均处于断开状态，不影响功率模块原有的外部特性(模块电压、开关特性等)。
参见图4，优选地，所述开关回路包括绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联形成半桥结构。其中，框1为第一耗能回路，框2为第二耗能回路，下同。以所述开关回路为半桥结构为例，由于晶闸管K并联于电容C两端，整个晶闸管阳极承受正向电压，当功率模块的单元控制板收到阀控下发的闭锁信号和模块内的IGBTT1、T2均关断的信号时，单元控制板向晶闸管(以晶闸管为例)门极发出触发脉冲，第二耗能回路导通，与第一耗能回路一起放电。整个过程均通过功率模块内部的程序进行自主判断，无需人工干预，可加快放电速度，缩短停电时间，还能降低测试人员的风险。
参见图5，优选地，所述开关回路包括绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2、绝缘栅双极型晶体管D3、绝缘栅双极型晶体管D4，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D3的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D1的集电极与所述绝缘栅双极型晶体管D3的集电极连接且所述绝缘栅双极型晶体管D2的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的发射极连接形成全桥结构。全桥功率模块的放电方式与半桥相同，在此不再详述。两种模块唯一的区别在于全桥模块生成触发脉冲的条件是收到4个IGBT关断的信号和阀控下发的闭锁信号。
本发明在功率模块依靠自身电阻及板卡放电的基础上，进一步提高了功率模块的放电速度，尤其是利用晶闸管的开通和关断特性导通放电回路，加快功率模块在第一阶段、第二阶段的放电速度，缩短放电时间，加快检修及停运的速度，避免直流长期停运造成的经济损失问题，确保了直流负荷持续、稳定的输送。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种MMC功率模块快速放电电路，其特征在于，包括放电电路、功率模块单元控制板和取能电源板，所述放电电路包括并联连接的开关回路、第一耗能回路、电容储能回路和第二耗能回路，所述第二耗能回路包括电阻R0和晶闸管K，所述电阻R0的一端连接至所述晶闸管K的阳极，所述电容储能回路包括极性电容C，
其中，所述电容C的负极性端和所述晶闸管K的阴极相连接，所述电阻R的另一端与所述电容C的正极性端，所述取能电源板与所述放电电路连接，当开关回路断开时，所述取能电源板从电容储能回路获取电能供所述功率模块单元控制板消耗，所述功率模块单元控制板根据开关回路的通断信号，控制所述晶闸管K的门极，第二耗能回路接通耗能。
2.根据权利要求1所述的MMC功率模块快速放电电路，其特征在于，所述开关回路包括绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联形成半桥结构。
3.根据权利要求1所述的MMC功率模块快速放电电路，其特征在于，所述开关回路包括绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2、绝缘栅双极型晶体管D3、绝缘栅双极型晶体管D4，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D3的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D1的集电极与所述绝缘栅双极型晶体管D3的集电极连接且所述绝缘栅双极型晶体管D2的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的发射极连接形成全桥结构。
4.根据权利要求1所述的MMC功率模块快速放电电路，其特征在于，所述第一耗能回路包括电阻R。
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