CN111509756A - 用于混合换流器的高位在线取能装置及方法 - Google Patents

用于混合换流器的高位在线取能装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于直流输电领域，公开了一种用于混合换流器的高位在线取能装置及方法，混合换流器包括多个桥臂，每一桥臂包括至少一可关断管阀串及至少一晶闸管阀串，每一可关断管阀串包括至少一可关断管，高位在线取能装置电性连接于可关断管，当桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，可关断管阀串及晶闸管阀串共同耐受直流电压，高位在线取能装置通过可关断管的两端进行取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。本发明可以有效的为混合换流器中的可关断管阀串的可关断管驱动电路及控制保护装置等供能，易于工程实现。

Description

用于混合换流器的高位在线取能装置及方法
技术领域
本发明属于直流输电领域，尤其涉及一种用于混合换流器的高位在线取能装置及方法。
背景技术
高压直流输电技术(HVDC，High-Voltage Direct Current)利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线组成，两个换流站与两端的交流系统相连接。高压直流输电系统的设备包括：换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。换流器是高压直流输电的核心设备，是影响HVDC系统性能、运行方式、设备成本以及运行损耗等的关键因素。换流器实现直流电交流电相互转换，当其工作在整流(或逆变)状态时，又称为整流器(或逆变器)。一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流、流变交流的功能。
高压直流输电技术由于其输送容量大、损耗低、可靠性高等优势，目前被广泛应用。而换相失败是直流输电系统发生概率较高的故障之一。在换流器中，退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变成正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况称为换相失败。将会导致换流阀闭锁，中断直流系统的输电通道，严重的情况下可能会导致电网崩溃。
传统高压直流输电换流器采用晶闸管组成三相桥式整流作为基本单元，每个桥臂均由晶闸管阀串组成，由于晶闸管阀串无法主动控制电流关断，换流器具有较大的换流电流和无功支撑，存在换相失败的风险，可靠性有待提高。
请参照图1，图1为新型高压直流输电混合换流器的桥臂示意图。如图1所示，针对现有的高压直流输电换流器存在且发生的换相失败的故障问题，因此采用新型高压直流输电混合换流器，可以提高换流器的抵御换相失败能力，从而减少换相失败故障发生次数。新型高压直流输电混合换流器包含晶闸管和可关断管阀串的混合串联。
在新型高压直流输电混合换流器运行时，需要对可关断管阀串的可关断管的器件驱动等提供能量，用于其每次运行时的开通关断等。目前的仅有对晶闸管的高位在线取能方法，尚缺失对可关断管阀串的可关断管的高位在线取能方法，因此本发明的目的在于提出一种应用于新型高压直流输电混合换流器的高位在线取能装置及方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于混合换流器的高位在线取能装置，所述混合换流器包括多个桥臂，每一所述桥臂包括至少一可关断管阀串及至少一晶闸管阀串，每一所述可关断管阀串包括至少一可关断管，其中，所述高位在线取能装置对应地电性连接于所述可关断管，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述高位在线取能装置通过所述可关断管的两端进行取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
上述的高位在线取能装置，其中，包括取能单元，所述取能单元并联连接于所述可关断管的两端，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述取能单元通过所述可关断管的两端的直流母线电压取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
上述的高位在线取能装置，其中，包括取能单元，所述可关断管包括缓冲电容，所述取能单元并联连接于所述缓冲电容的两端，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述缓冲电容储能，所述取能单元通过所述缓冲电容上的能量进行取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
上述的高位在线取能装置，其中，还包括：
并联连接于所述可关断管的两端的可控电力电子开关及电流泄放电阻；及
控制单元，根据所述阀串两端的电压控制所述可控电力电子开关闭合或断开，从而控制所述阀串两端的电压。
上述的高位在线取能装置，其中，当所述阀串两端的电压升高时，所述控制单元控制所述可控电力电子开关闭合，所述电流泄放电阻投入，从而降低所述阀串两端的电压；当所述阀串两端的电压差降低时，所述控制单元控制所述可控电力电子开关断开，从而升高所述阀串两端的电压。
上述的高位在线取能装置，其中，所述控制单元包括：
电压获取模块，于多个所述取能单元两端的电压中选取出最低电压；
比较模块，根据所述最低电压及所述取能单元两端的电压获得电压差值；
控制模块，根据所述电压差值控制所述可控电力电子开关的闭合时间。
上述的高位在线取能装置，其中，所述控制单元还包括：
占空比计算模块，根据所述电压差值获得所述可控电力电子开关的占空比，所述控制模块通过控制所述可控电力电子开关的占空比从而控制闭合时间。
上述的高位在线取能装置，其中，所述占空比计算模块根据以下公式获得所述可控电力电子开关的占空比：
Figure BDA0002438549390000031
其中，Di为第i个模块的开关动作占空比，T为可控电力电子开关的动作周期，K为比例系数为，该比例系数影响到达电压平衡的速率，Vth为阈值电压。
上述的高位在线取能装置，其中，所述控制单元还包括：
调制模块，以所述可控电力电子开关的占空比为标准波进行PWM调制，从而输出控制信号之所述控制模块，所述控制模块根据所述控制信号控制所述可控电力电子开关闭合或断开。
本发明还提供一种用于混合换流器的高位在线取能方法，所述混合换流器包括多个桥臂，每一所述桥臂包括至少一可关断管阀串及至少一晶闸管阀串，每一所述可关断管阀串包括至少一可关断管，其中，所述高位在线取能方法应用于上述中任一项所述的高位在线取能装置，所述高位在线取能方法于所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，通过所述可关断管的两端进行取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
本发明的用于混合换流器的高位在线取能装置及方法，应用于新型高压直流输电混合换流器，可以有效的为混合换流器中的可关断管阀串的可关断管驱动电路及控制保护装置等供能，易于工程实现；同时由于本发明技术方案是设计高位在线取能方法，可以有效减小成本、减小损耗、提高整体可靠性等，并且填补了这一领域的目前的空白，有望在未来的混合换流器中得到工程应用。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为新型高压直流输电混合换流器的桥臂示意图；
图2为可关断管第一实施例的示意图；
图3为本发明高位在线取能装置第一实施例的连接示意图；
图4为图3中高位在线取能装置的结构示意图；
图5为控制单元的结构示意图；
图6为可关断管第二实施例的示意图；
图7为本发明高位在线取能装置第二实施例的连接示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”。
关于本文中的“连接”、“电性连接”包括两个元器件之间的直接连接，也包括两个元器件之间通过其他元器件或电路进行连接的间接连接。
本发明的目的是提出一种应用于新型高压直流输电混合换流器的可关断管的高位在线取能装置。针对目前已经提出的由晶闸管和可关断管阀串混合串联而成的新型高压直流输电混合换流器，采用高位在线取能对可关断管阀串进行供能。
请参照图2，图2为可关断管第一实施例的示意图。如图2所示，所述混合换流器包括多个桥臂Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn，每一所述桥臂包括至少一可关断管阀串及至少一晶闸管阀串，每个晶闸管阀串由k个晶闸管S1～Sk串联组成，k为大于等于1的正整数，每个可关断管阀串由m个可关断管Q1……Qm串联组成，m为大于等于1的正整数。
请参照图3，图3为本发明高位在线取能装置第一实施例的连接示意图。如图3所示，本发明的高位在线取能装置1对应地电性连接于所述可关断管，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述高位在线取能装置1通过所述可关断管的两端进行取能，为控制保护装置2及所述可关断管的驱动电路供电。
具体地说，在本实施例中，由于关断管的两端不并联有缓冲电容，因此通过高位在线取能装置直接并联在关断管两端，利用直流母线的能量为关断管供能。具体地说，每个桥臂保持闭锁时，桥臂耐受直流线路电压，晶闸管阀串和可关断管阀串共同耐受直流电压，故可以利用每个关断管两端的直流母线电压取能，为关断管的驱动电路和就地板等控制保护系统装置供电。
进一步地，高位在线取能装置1包括取能单元11，所述取能单元11并联连接于所述可关断管的两端，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述取能单元11通过所述可关断管的两端的直流母线电压取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
需要说明的是，可关断管包括绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、增强电子发射型晶体管等晶体管类器件和集成门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管等晶闸管类器件，对于晶体管类器件，为其集电极和发射极；对于晶闸管类器件，为其阳极和阴极。
其中，在本实施例中，以取能单元11为包含DC/DC的电源模块为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限。
请参照图4，图4为图3中高位在线取能装置的结构示意图。如图4所示，高位在线取能装置1还还包括：并联连接于所述可关断管的两端的可控电力电子开关M及电流泄放电阻Ri，以及控制单元12；控制单元12电性连接于每一取能单元11及每一可控电力电子开关M，控制单元12根据所述阀串两端的电压控制所述可控电力电子开关M的闭合或断开，从而控制所述阀串两端的电压。当所述阀串两端的电压升高时，所述控制单元控制所述可控电力电子开关M闭合，所述电流泄放电阻Ri投入，从而降低所述阀串两端的电压；当所述阀串两端的电压差降低时，所述控制单元控制所述可控电力电子开关M断开，从而升高所述阀串两端的电压。
具体地说，由于高压在线取能装置的取能单元直接并联在可关断管两端，这将影响可关断管阀串的静态均压效果。为此，需要采用以下电源主动均压电路和一定的控制策略，保证高压在线取能电源模块的输出电压和功率的稳定性，同时改善阀串串联器件之间的静态均压效果。每个可关断管的两端并联一个可控电力电子开关M和电流泄放电阻Ri。电子开关M的动作受到两端电压变化的控制，即当某个串联模块两端的电压较高时，控制开关M闭合，电阻Ri投入，消耗多余的功率，使该模块的等效均压电阻减小，从而降低模块两端电压。而当某个串联模块的电压差降低时，电子开关M退出，降低不必要的功率消耗，使该模块的等效均压电阻增大，从而增加模块两端电压。由此保证所有串联模块的均压特性。
请参照图5，图5为控制单元的结构示意图。如图5所示，所述控制单元12包括：电压获取模块121、比较模块122及控制模块123；电压获取模块121于多个所述取能单元11两端的电压中选取出最低电压；比较模块122根据所述最低电压及所述取能单元11两端的电压获得电压差值；控制模块123根据所述电压差值控制所述可控电力电子开关M的闭合时间。
其中，所述控制单元还包括：占空比计算模块124及调制模块125，占空比计算模块124根据所述电压差值获得所述可控电力电子开关的占空比，所述控制模块123通过控制所述可控电力电子开关的占空比从而控制闭合时间；调制模块125所述可控电力电子开关M的占空比为标准波进行PWM调制，从而输出控制信号之所述控制模块123，所述控制模块123根据所述控制信号控制所述可控电力电子开关M闭合或断开。
在本实施例中，所述占空比计算模块124根据以下公式获得所述可控电力电子开关的占空比：
Figure BDA0002438549390000071
其中，Di为第i个模块的开关动作占空比，T为可控电力电子开关的动作周期，K为比例系数为，该比例系数影响到达电压平衡的速率，Vth为阈值电压。
举例来说，本发明采用采用电压平衡控制策略，具体地说，通过电压获取模块121获取每一个取能单元两端的电压V1，V2...Vn，并从电压V1，V2...Vn中选出最低电压Vmin，通过比较模块122将每一个取能单元两端的电压Vi分别与最低电压Vmin进行对比，它们之间的电压差越大，开关M闭合的时间越长，电阻Ri投入的时间就越长。
通过占空比计算模块124获得可控电力电子开关M的占空比，具体地说，将其投入的占空比记为Di，开关M的动作周期为T，比例系数为K，该比例系数影响到达电压平衡的速率。可以得到该控制策略的逻辑表达式：
Figure BDA0002438549390000081
其中Di为第i个模块的开关动作占空比，Vth为阈值电压，值为Vth＝Ts/Kp+Vmin。
最后，通过调制模块125用该占空比作为标准波，三角波为载波进行PWM调制，最终输出的控制信号只控制模块123，控制模块123根据控制信号控制对应第i个高压在线取能模块中的开关M的导通与关断。
请参照图6，图6为可关断管第二实施例的示意图。图6所示出的可关断管与图2所示出的可关断管大致相同，因此相同部分在此就不再赘述了，现将不同部分说明如下。在本实施例中，如图6所示，可关断管还包括缓冲电容Cs及电阻Rs，缓冲电容Cs与电阻Rs串联连接后再并联连接电阻Rp的两端。
请参照图7，图7为本发明高位在线取能装置第二实施例的连接示意图。如图7所示，高位在线取能装置1包括取能单元11，所述取能单元11并联连接于所述缓冲电容Cs的两端，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述缓冲电容Cs储能，所述取能单元11通过所述缓冲电容Cs上的能量进行取能，为控制保护装置2及所述可关断管的驱动电路供电。
需要说明的是，在本发明中控制保护装置2包括就地板，但本发明并不以此为限。
本发明还提出一种用于混合换流器的高位在线取能方法，所述混合换流器包括多个桥臂，每一所述桥臂包括至少一可关断管阀串及至少一晶闸管阀串，每一所述可关断管阀串包括至少一可关断管，其特征在于，所述高位在线取能方法应用于前述中的高位在线取能装置，所述高位在线取能方法于所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，通过所述可关断管的两端进行取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
本发明的用于混合换流器的高位在线取能装置及方法，应用于新型高压直流输电混合换流器，可以有效的为混合换流器中的可关断管阀串的可关断管驱动电路及控制保护装置等供能，易于工程实现；同时由于本发明技术方案是设计高位在线取能方法，可以有效减小成本、减小损耗、提高整体可靠性等，并且填补了这一领域的目前的空白，有望在未来的混合换流器中得到工程应用。
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 (10)

1.一种用于混合换流器的高位在线取能装置，所述混合换流器包括多个桥臂，每一所述桥臂包括至少一可关断管阀串及至少一晶闸管阀串，每一所述可关断管阀串包括至少一可关断管，其特征在于，所述高位在线取能装置对应地电性连接于所述可关断管，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述高位在线取能装置通过所述可关断管的两端进行取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
2.如权利要求1所述的高位在线取能装置，其特征在于，包括取能单元，所述取能单元并联连接于所述可关断管的两端，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述取能单元通过所述可关断管的两端的直流母线电压取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
3.如权利要求1所述的高位在线取能装置，其特征在于，包括取能单元，所述可关断管包括缓冲电容，所述取能单元并联连接于所述缓冲电容的两端，当所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，所述可关断管阀串及所述晶闸管阀串共同耐受直流电压，所述缓冲电容储能，所述取能单元通过所述缓冲电容上的能量进行取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
4.如权利要求2所述的高位在线取能装置，其特征在于，还包括：
并联连接于所述可关断管的两端的可控电力电子开关及电流泄放电阻；及
控制单元，根据所述阀串两端的电压控制所述可控电力电子开关闭合或断开，从而控制所述阀串两端的电压。
5.如权利要求4所述的高位在线取能装置，其特征在于，当所述阀串两端的电压升高时，所述控制单元控制所述可控电力电子开关闭合，所述电流泄放电阻投入，从而降低所述阀串两端的电压；当所述阀串两端的电压差降低时，所述控制单元控制所述可控电力电子开关断开，从而升高所述阀串两端的电压。
6.如权利要求4或5所述的高位在线取能装置，其特征在于，所述控制单元包括：
电压获取模块，于多个所述取能单元两端的电压中选取出最低电压；
比较模块，根据所述最低电压及所述取能单元两端的电压获得电压差值；
控制模块，根据所述电压差值控制所述可控电力电子开关的闭合时间。
7.如权利要求6所述的高位在线取能装置，其特征在于，所述控制单元还包括：
占空比计算模块，根据所述电压差值获得所述可控电力电子开关的占空比，所述控制模块通过控制所述可控电力电子开关的占空比从而控制闭合时间。
8.如权利要求7所述的高位在线取能装置，其特征在于，所述占空比计算模块根据以下公式获得所述可控电力电子开关的占空比：
Figure FDA0002438549380000021
其中，Di为第i个模块的开关动作占空比，T为可控电力电子开关的动作周期，K为比例系数为，该比例系数影响到达电压平衡的速率，Vth为阈值电压。
9.如权利要求6所述的高位在线取能装置，其特征在于，所述控制单元还包括：
调制模块，以所述可控电力电子开关的占空比为标准波进行PWM调制，从而输出控制信号之所述控制模块，所述控制模块根据所述控制信号控制所述可控电力电子开关闭合或断开。
10.一种用于混合换流器的高位在线取能方法，所述混合换流器包括多个桥臂，每一所述桥臂包括至少一可关断管阀串及至少一晶闸管阀串，每一所述可关断管阀串包括至少一可关断管，其特征在于，所述高位在线取能方法应用于上述权利要求1－9中任一项所述的高位在线取能装置，所述高位在线取能方法于所述桥臂保持闭锁且耐受直流线路电压时，通过所述可关断管的两端进行取能，为控制保护装置及所述可关断管的驱动电路供电。
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