CN111509757A - 用于全控开关器件的隔离供能装置及方法 - Google Patents

用于全控开关器件的隔离供能装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于直流输电领域，公开了一种用于全控开关器件的隔离供能装置及方法，应用于高压直流输电设备中，高压直流输电设备包括正极阀塔及负极阀塔，隔离供能装置电性连接于正极阀塔、负极阀塔以及电源，隔离供能装置包括多个隔离供能单元，通过多个隔离供能单元对正极阀塔及负极阀塔进行分级隔离供能。本发明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全控开关器件驱动电路及控制保护装置等供能，易于工程实现。

Description

用于全控开关器件的隔离供能装置及方法
技术领域
本发明属于直流输电领域，尤其涉及一种用于全控开关器件的隔离供能装置及方法。
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，其中，可关断管阀串可包含具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT及其改进型可关断器件中的一种或多种，也可为不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT及其改进型可关断器件与二极管串联组合。
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全控开关器件驱动及其控制保护装置等提供能量，用于其每次运行时的开通关断等。目前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全控开关器件的供能方法，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全控开关器件的隔离供能装置及方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于全控开关器件的隔离供能装置，其中，应用于高压直流输电设备中，所述高压直流输电设备包括正极阀塔及负极阀塔，所述隔离供能装置电性连接于所述正极阀塔、所述负极阀塔以及电源，所述隔离供能装置包括多个隔离供能单元，通过多个所述隔离供能单元对所述正极阀塔及所述负极阀塔进行分级隔离供能。
上述的隔离供能装置，其中，所述正极阀塔及所述负极阀塔均包括多层阀段，所述隔离供能装置包括第一隔离供能单元，所述第一隔离供能单元的一端电性连接于电源，所述正极阀塔与所述负极阀塔之间具有连接中点，所述第一隔离供能单元的另一端电性连接于所述连接中点及所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段供能。
上述的隔离供能装置，其中，所述第一隔离供能单元为一级电力变压器，所述一级电力变压器的原边电性连接于所述电源，所述一级电力变压器的副边电性连接于所述连接中点，所述电源的电能经所述一级电力变压器进行一级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段供能。
上述的隔离供能装置，其中，还包括电性连接的多个第二隔离供能单元，每一所述第二隔离供能单元电性连接于相邻的两层阀段及相邻的两层阀段之间的中点，电性连接于第一层阀段及第二阀段之间的所述第二隔离供能单元还电性连接于所述第一隔离供能单元，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后，再经所述第二隔离供能单元进行二级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第二层阀段至第N层阀段供能，N为大于1的正整数。
上述的隔离供能装置，其中，所述第二隔离供能单元为二级电力变压器，每一所述二级电力变压器的原边电性连接于相邻的两层阀段中的下层的阀段的入口，每一所述二级电力变压器的副边电性连接于相邻的两层阀段中的上层的阀段的入口，每一所述二级电力变压器的副边还对应地电性连接于相邻的两层阀段的出口之间的中点，电性连接于第一层阀段及第二层阀段之间的所述二级电力变压器的原边还电性连接于所述第一隔离供能单元的另一端，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后，再经所述二级电力变压器进行二级隔离后为第二层阀段至第N层阀段供能。
上述的隔离供能装置，其中，还包括电性连接的多个第三隔离供能单元，每一层阀段包括第1阀串至第n阀串，n为大于1的正整数，每一所述第三隔离供能单元电性连接于相邻的两个阀串及前一阀串的一端，电性连接于第1阀串与第2阀串之间的所述第三隔离供能单元还电性连接于下层的所述第二隔离供能单元，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后，再经所述第二隔离供能单元进行二级隔离后为第1阀串供能，再经所述第三隔离供能单元进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
上述的隔离供能装置，其中，所述第三隔离供能单元为三级电力变压器，每一所述三级电力变压器电性连接于相邻的两个阀串及前一阀串的一端，电性连接于第一阀串及第二阀串之间的所述三级电力变压器的原边还电性连接于所述第二隔离供能单元，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后，经所述第二隔离供能单元进行二级隔离后为第1阀串供能，再经所述三级电力变压器进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
上述的隔离供能装置，其中，每一阀串包括多个全控开关器件及对应于多个所述全控开关器件的驱动控保单元，所述全控开关器件通过所述驱动控保单元电性连接于所述第三隔离供能单元。
上述的隔离供能装置，其中，所述高压直流输电设备为混合换流器、直流断路器及直流耗能装置中的至少一者。
本发明还提供一种用于全控开关器件的隔离供能方法，其中，应用于上述中任一项所述的隔离供能装置，高压直流输电设备包括正极阀塔及负极阀塔，所述正极阀塔及所述负极阀塔均包括多层阀段，每一层阀段包括多个阀串，所述隔离供能方法包括：
通过第一隔离供能单元将接收的电能进行一级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段供能；
通过第二隔离供能单元接收经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后的电能，进行二级隔离后为第二层阀段至第N层阀段的第1阀串供能供能；
通过第三隔离供能单元接收经所述第二隔离供能单元进行二级隔离后的电能，进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
本发明的用于全控开关器件的隔离供能装置及方法，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全控开关器件驱动电路及控制保护装置等供能，易于工程实现；另外由于本发明可以有效地解决换流器中的全控开关器件的可靠供能问题，在混合换流器中得到工程应用，同时也适用于直流断路器、直流耗能装置等其他高压直流装备的应用。
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为本发明隔离供能装置结构示意图；
图3为阀段供能示意图；
图4为阀串供能示意图；
图5为本发明隔离供能方法的流程图。
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全控开关器件的隔离供能装置。针对目前已经提出的新型的由晶闸管和可关断管阀串混合串联而成的高压直流输电混合换流器，因此采用隔离供能单元对可关断管阀串进行供能。
请参照图2，图2为本发明隔离供能装置结构示意图。如图2所示，本发明的用于全控开关器件的隔离供能装置，应用于高压直流输电设备中，所述高压直流输电设备包括正极阀塔11及负极阀塔12，所述隔离供能装置13电性连接于所述正极阀塔11、所述负极阀塔12以及电源S，所述隔离供能装置包括多个隔离供能单元，通过多个所述隔离供能单元对所述正极阀塔11及所述负极阀塔12进行分级隔离供能。
具体地说，所述正极阀塔11包括第一层至第N层阀段，所述负极阀塔12均包括第一层至第N层阀段，所述隔离供能装置包括第一隔离供能单元131，所述第一隔离供能单元131的一端电性连接于电源S，所述正极阀塔11与所述负极阀塔12之间具有连接中点M1，所述第一隔离供能单元131的另一端电性连接于所述连接中点M及所述正极阀塔11及所述负极阀塔12的第一层阀段，所述电源S的电能经所述第一隔离供能单元131进行一级隔离后为所述正极阀塔11及所述负极阀塔12的第一层阀段供能。
其中，在本实施例中，所述第一隔离供能单元131为一级电力变压器，所述一级电力变压器的原边电性连接于所述电源，所述一级电力变压器的副边电性连接于所述连接中点，所述电源的电能经所述一级电力变压器进行一级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段供能。
需要说明的是，在本发明中以一级电力变压器为一级工频隔离变压器为较佳的实时方式，但本发明并不以此为限，使用一级工频隔离变压器耐受正负极阀塔连接中点和直流系统中性点间的电压，为换流器的所有全控开关器件驱动及换流器阀内控制保护装置提供能量。考虑换流阀闭锁时，各级阀段的串联模块对应的驱动和控制板工作在不同的电位，故使用二级和三级工频隔离变压器隔离串联模块之间的电位(容后详述)。一级隔离变压器原边与低压端供电电源连接，副边电位与12脉动换流器的中性点连接处保持一致，同时为所述正极阀塔11及所述负极阀塔12的第一层阀段供电。
进一步地，隔离供能装置还包括电性连接的多个第二隔离供能单元132，每一所述第二隔离供能单元132电性连接于相邻的两层阀段及相邻的两层阀段之间的中点，电性连接于第一层阀段及第二阀段之间的所述第二隔离供能单元132还电性连接于所述第一隔离供能单元131，所述电源S的电能经所述第一隔离供能单元131进行一级隔离后，再经所述第二隔离供能单元132进行二级隔离后为所述正极阀塔11及所述负极阀塔12的第二层阀段至第N层阀段供能，N为大于1的正整数。
其中，所述第二隔离供能单元132为二级电力变压器，每一所述二级电力变压器的原边电性连接于相邻的两层阀段中的下层的阀段的入口in，每一所述二级电力变压器的副边电性连接于相邻的两层阀段中的上层的阀段的入口in，每一所述二级电力变压器的副边还对应地电性连接于相邻的两层阀段的出口out之间的中点M2，电性连接于第一层阀段及第二层阀段之间的所述二级电力变压器的原边还电性连接于所述第一隔离供能单元131的另一端，所述电源S的电能经所述第一隔离供能单元131进行一级隔离后，再经所述二级电力变压器进行二级隔离后为第二层阀段至第N层阀段供能。
需要说明的是，在本发明中以二级电力变压器为二级工频隔离变压器为较佳的实时方式，但本发明并不以此为限，一级隔离变压器的副边与两个二级隔离变压器原边相连，经二级隔离后再分别为正极阀塔11及负极阀塔12的第二层阀段供电。每个二级隔离变压器的副边均与上一层二级隔离变压器的原边相连，经二级隔离后为上一层的阀段供电。由此，可以实现各层阀段间的隔离供电。二级工频隔离变压器的副边依次与第二至N层阀段的中点及一端相连，作为其参考电位，故二级隔离变压器的隔离电压均为一层阀段的耐受电压。
再进一步地，请参照图3及图4，图3为阀段供能示意图；图4为阀串供能示意图。如图3和图4所示，隔离供能装置还包括电性连接的多个第三隔离供能单元133，每一层阀段包括第1阀串至第n阀串，n为大于1的正整数，每一所述第三隔离供能单元144电性连接于相邻的两个阀串及相邻的两个阀串中的前一阀串的一端，电性连接于第1阀串与第2阀串之间的所述第三隔离供能单元133还电性连接于下层的所述第二隔离供能单元132，所述电源S的电能经所述第一隔离供能单元131进行一级隔离后，再经所述第二隔离供能单元132进行二级隔离后为第1阀串供能，再经所述第三隔离供能单元133进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
其中，所述第三隔离供能单元133为三级电力变压器，每一所述三级电力变压器电性连接于相邻的两个阀串之间，电性连接于第一阀串及第二阀串之间的所述三级电力变压器的原边还电性连接于所述第二隔离供能单元132，所述电源S的电能经所述第一隔离供能单元131进行一级隔离后，经所述第二隔离供能单元32进行二级隔离后为第1阀串供能，再经所述三级电力变压器进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
需要说明的是，在本发明中以二级电力变压器为二级工频隔离变压器为较佳的实时方式，但本发明并不以此为限，每层阀段由n个阀串组成，每个阀串具有不同的电位，因此二级隔离变压器的副边需要经过三级工频隔离变压器对每个阀串供电。二级隔离变压器的副边电位为每层阀段的一端或中点电位，三级隔离变压器的隔离电压设计为其对应阀串与阀串一端或中点的电位差。每个阀串由n个全控开关器件组成，每个全控开关器件由于串联具有不同的电压，三级隔离变压器的隔离电压设计每个全控开关器件一端或相邻两个全控开关器件的中点的电位差。
更进一步地，每一阀串包括多个全控开关器件T1…Tn及对应于多个所述全控开关器件的驱动控保单元，所述全控开关器件T1…Tn通过所述驱动控保单元电性连接于所述第三隔离供能单元133。
其中，隔离供能装置还包括对应于多个所述驱动控保单元的多个转换单元134，所述驱动控保单元通过所述转换单元134电性连接于所述第三隔离供能单元133，所述第三隔离供能单元133提供的电能通过所述转换单元134进行转换后输出至所述驱动控保单元，在本实施例中，以转换单元134为AC/DC转换单元，将所述第三隔离供能单元133提供的交流电能转换为直流电能后输出至驱动控保单元。
需要说明的是，在本发明中，所述高压直流输电设备为混合换流器、直流断路器及直流耗能装置中的至少一者。
其中，在本实施例中，虽然公开了通过第一隔离供能单元、第二隔离供能单元、第三隔离供能单元对电能进行一级隔离、二级隔离、三级隔离，但本发明并不以此为限，在其他实施例中，本领域技术员还可根据实际需要增加隔离供能单元进行更多层级的隔离功能，例如四级隔离、五级隔离等及以上。
值得注意的是，本发明并不对每一级的隔离供能单元的数量进行限制，在其他实施例中，本领域技术员还可根据实际需要增加隔离供能单元。
请参照图5，图5为本发明隔离供能方法的流程图。如图5所示，本发明用于全控开关器件的隔离供能方法应用于上述所述的隔离供能装置，高压直流输电设备包括正极阀塔及负极阀塔，所述正极阀塔及所述负极阀塔均包括多层阀段，每一层阀段包括多个阀串，所述隔离供能方法包括：
步骤S1：通过第一隔离供能单元将接收的电能进行一级隔离后为正极阀塔及负极阀塔的第一层阀段供能；
步骤S2：通过第二隔离供能单元接收经第一隔离供能单元进行一级隔离后的电能，进行二级隔离后为第二层阀段至第N层阀段的第1阀串供能供能；
步骤S3：通过第三隔离供能单元接收经第二隔离供能单元进行二级隔离后的电能，进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
综上所述，本发明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全控开关器件驱动电路及控制保护装置等供能，易于工程实现；另外由于本发明可以有效地解决换流器中的全控开关器件的可靠供能问题，在混合换流器中得到工程应用，同时也适用于直流断路器、直流耗能装置等其他高压直流装备的应用。
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)

1.一种用于全控开关器件的隔离供能装置，其特征在于，应用于高压直流输电设备中，所述高压直流输电设备包括正极阀塔及负极阀塔，所述隔离供能装置电性连接于所述正极阀塔、所述负极阀塔以及电源，所述隔离供能装置包括多个隔离供能单元，通过多个所述隔离供能单元对所述正极阀塔及所述负极阀塔进行分级隔离供能。
2.如权利要求1所述的隔离供能装置，其特征在于，所述正极阀塔及所述负极阀塔均包括多层阀段，所述隔离供能装置包括第一隔离供能单元，所述第一隔离供能单元的一端电性连接于电源，所述正极阀塔与所述负极阀塔之间具有连接中点，所述第一隔离供能单元的另一端电性连接于所述连接中点及所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段供能。
3.如权利要求2所述的隔离供能装置，其特征在于，所述第一隔离供能单元为一级电力变压器，所述一级电力变压器的原边电性连接于所述电源，所述一级电力变压器的副边电性连接于所述连接中点，所述电源的电能经所述一级电力变压器进行一级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段供能。
4.如权利要求2所述的隔离供能装置，其特征在于，还包括电性连接的多个第二隔离供能单元，每一所述第二隔离供能单元电性连接于相邻的两层阀段及相邻的两层阀段之间的中点，电性连接于第一层阀段及第二阀段之间的所述第二隔离供能单元还电性连接于所述第一隔离供能单元，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后，再经所述第二隔离供能单元进行二级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第二层阀段至第N层阀段供能，N为大于1的正整数。
5.如权利要求4所述的隔离供能装置，其特征在于，所述第二隔离供能单元为二级电力变压器，每一所述二级电力变压器的原边电性连接于相邻的两层阀段中的下层的阀段的入口，每一所述二级电力变压器的副边电性连接于相邻的两层阀段中的上层的阀段的入口，每一所述二级电力变压器的副边还对应地电性连接于相邻的两层阀段的出口之间的中点，电性连接于第一层阀段及第二层阀段之间的所述二级电力变压器的原边还电性连接于所述第一隔离供能单元的另一端，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后，再经所述二级电力变压器进行二级隔离后为第二层阀段至第N层阀段供能。
6.如权利要求4所述的隔离供能装置，其特征在于，还包括电性连接的多个第三隔离供能单元，每一层阀段包括第1阀串至第n阀串，n为大于1的正整数，每一所述第三隔离供能单元电性连接于相邻的两个阀串及前一阀串的一端，电性连接于第1阀串与第2阀串之间的所述第三隔离供能单元还电性连接于下层的所述第二隔离供能单元，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后，再经所述第二隔离供能单元进行二级隔离后为第1阀串供能，再经所述第三隔离供能单元进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
7.如权利要求6所述的隔离供能装置，其特征在于，所述第三隔离供能单元为三级电力变压器，每一所述三级电力变压器电性连接于相邻的两个阀串及前一阀串的一端，电性连接于第一阀串及第二阀串之间的所述三级电力变压器的原边还电性连接于所述第二隔离供能单元，所述电源的电能经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后，经所述第二隔离供能单元进行二级隔离后为第1阀串供能，再经所述三级电力变压器进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
8.如权利要求6所述的隔离供能装置，其特征在于，每一阀串包括多个全控开关器件及对应于多个所述全控开关器件的驱动控保单元，所述全控开关器件通过所述驱动控保单元电性连接于所述第三隔离供能单元。
9.如权利要求6所述的隔离供能装置，其特征在于，所述高压直流输电设备为混合换流器、直流断路器及直流耗能装置中的至少一者。
10.一种用于全控开关器件的隔离供能方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-9中任一项所述的隔离供能装置，高压直流输电设备包括正极阀塔及负极阀塔，所述正极阀塔及所述负极阀塔均包括多层阀段，每一层阀段包括多个阀串，所述隔离供能方法包括：
通过第一隔离供能单元将接收的电能进行一级隔离后为所述正极阀塔及所述负极阀塔的第一层阀段供能；
通过第二隔离供能单元接收经所述第一隔离供能单元进行一级隔离后的电能，进行二级隔离后为第二层阀段至第N层阀段的第1阀串供能供能；
通过第三隔离供能单元接收经所述第二隔离供能单元进行二级隔离后的电能，进行三级隔离后为第2阀串至第n阀串供能。
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