CN111628482B - 一种换流器过流保护装置及方法 - Google Patents

一种换流器过流保护装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种换流器过流保护装置及方法，所述换流器过流保护装置包括，过流测量模块，所述过流测量模块设置在换流器的各个桥臂上，用于实时测量换流器中通过可关断器件的电流；过流控制模块，分别与所述过流测量模块和可关断器件连接，用于比较所述通过可关断器件的电流是否超过预设阈值，并根据比较结果向所述可关断器件发送控制指令。在电流过大且需要可关断器件关断介入来抵御换相失败的时刻与场景中，采用本发明实施例中的换流器过流保护装置对换流器中相应的可关断器件进行过流检测和控制保护，防止导致可关断器件关断失败甚至可关断管器件损坏的情况发生，使得可关断器件得到相应的保护，提高经济性。

Description

一种换流器过流保护装置及方法
技术领域
本发明属于电力器件领域，特别涉及一种应用于新型高压直流输电混合换流器的过流保护装置及方法。
背景技术
高压直流输电技术(HVDC，High-Voltage Direct Current)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。换流器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。
如图1所示的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，可关断管阀串中包括具有反向阻断能力的IGCT(Integrated Gate-CommutatedThyristor：集成门极换流晶闸管)或GTO(Gate Turn-Off Thyristor：门级可关断晶闸管)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)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可关断器件与二极管串联组合。当直流输电系统受到扰动，换流器预测或识别出可能发生换相失败时，需要对相应桥臂的可关断管阀串的可关断管发出关断指令，可关断管阀串的可关断器件通过桥臂电流后关断，使得换相电流从被换相桥臂向换相桥臂强制换相。由于可关断管的关断电流能力有限，关断的换相电流过大将会导致关断失败，甚至可关断管阀串损坏，继而造成换流器设备和直流系统的巨大的经济和安全损失。
从而如何防止新型高压直流输电混合换流器出现换相过流情况发生越来越成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种应用于新型高压直流输电混合换流器的过流保护装置及方法，采用该换流器的过流保护装置，有效地在换流器换相的过程保护了可关断器件，提高换流器使用性能。
本发明的目的在于提供一种换流器过流保护装置，包括，
过流测量模块，所述过流测量模块设置在换流器的各个桥臂上，用于实时测量换流器中通过可关断器件的电流；
过流控制模块，分别与所述过流测量模块和可关断器件连接，用于比较所述通过可关断器件的电流是否超过预设阈值，并根据比较结果向所述可关断器件发送控制指令。
进一步地，所述过流控制模块包括过流比较模块、开通控制模块和关断控制模块，过流比较模块分别与所述开通控制模块和关断控制模块连接；其中，
当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，则所述过流比较模块用于产生不可关断的控制保护信号，并通过开通控制模块发送至可关断器件；
当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流小于或等于预设阈值时，则所述过流比较模块用于产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件。
进一步地，所述过流测量模块为电流传感器；
所述过流控制模块设置在PCB板中；
所述电流传感器与所述PCB板通过光纤或低压线进行连接。
进一步地，所述过流控制模块还包括通态确认模块，所述通态确认模块分别与过流比较模块和可关断器件连接；其中，
所述通态确认模块用于实时检测可关断器件的开断状态，以及用于当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，所述通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态，并将判断结果发送至所述过流比较模块。
进一步地，所述过流测量模块和过流控制模块均设置在换流器各个桥臂上的可关断器件的驱动电路中。
进一步地，所述过流测量模块包括电流测量模块和通态确认模块，所述电流测量模块与通态确认模块均分别与过流比较模块和可关断器件连接，其中，
所述电流测量模块用于实时测量换流器中可关断器件中的电流；
所述通态确认模块用于实时检测可关断器件的开断状态，以及用于当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，所述通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态，并将判断结果发送至所述过流比较模块。
进一步地，所述预设阈值满足：
I阈值＝Imax-tdelaydI/dt
其中，I阈值为过流比较模块的预设阈值；Imax为可关断器件的最大可关断电流，tdelay为延时时间；dI/dt为通过可关断器件的电流变化率。
本发明的另一目的在于提供一种换流器过流保护方法，
过流测量模块实时测量换流器中通过可关断器件的电流；
过流控制模块比较所述通过可关断器件的电流是否超过预设阈值；
过流控制模块根据比较结果，向所述可关断器件发送控制指令。
进一步地，过流控制模块根据比较结果，向所述可关断器件发送控制指令包括，
当过流控制模块中的过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，则所述过流比较模块产生不可关断的控制保护信号，并通过开通控制模块发送至可关断器件；
当过流控制模块中的过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流小于或等于预设阈值时，则所述过流比较模块产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件。
进一步地，所述过流比较模块产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件之前还包括，
通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态；其中，
当所述可关断器件处于开通状态，则所述过流比较模块将产生可关断的信号指令通过关断控制模块发送至可关断器件。
本发明的有益效果：
1、对电流过大且需要可关断器件关断介入来抵御换相失败的时刻与场景，采用本发明实施例中的换流器过流保护装置对相应的开关断器件进行过流检测和控制保护，防止导致可关断器件关断失败甚至可关断器件损坏的情况发生，使得可关断器件得到相应的保护，提高经济性。
2、将换流器过流保护装置能够设置在PCB(Printed Circuit Board：印制电路板)板或者驱动电路中，即适用于多种工况设置，具有普适性。当换流器出现过流情况时，向可关断器件发出关断的信号指令，进一步降低了因出现故障而导致的误操作的概率。
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示出了现有技术的中的一种新型高压直流输电混合换流器；
图2示出了本发明实施例中一种换流器过流保护装置结构示意图；
图3示出了本发明实施例中一种换流器过流保护装置与PCB板相配合设置的结构示意图；
图4示出了本发明实施例中另一种换流器过流保护装置与可关断器件的驱动电路相配合设置的结构示意图。
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。
本发明实施例中介绍了一种换流器过流保护装置，特别是应用于如图1所示的新型高压直流输电混合换流器(以下简称换流器)，所述新型高压直流输电混合换流器的各个桥臂上均包括晶闸管阀串和可关断管阀串，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可关断器件与二极管串联组合。
本实施例中，如图2所示，所述换流器过流保护装置包括过流测量模块和过流控制模块，其中所述过流控制模块中设置有过流比较模块、开通控制模块和关断控制模块，过流比较模块分别与所述开通控制模块和关断控制模块连接。其中，所述过流测量模块分别设置在换流器的各个桥臂上，用于实时测量换流器通过各个桥臂上的可关断器件的电流；所述过流比较模块与所述过流测量模块连接，用于接收所述过流测量模块测量获取的电流，并比较所述通过可关断器件的电流是否超过预设阈值，并根据过流比较模块输出的比较结果，向所述可关断器件发送控制指令。所述开通控制模块和关断控制模块还与换流器各个桥臂上的可关断器件连接，用于分别控制所述可关断器件的开通或者断开。
进一步，如图2所示，所述换流过流保护装置还包括通态确认模块，所述通态确认模块分别与过流比较模块和可关断器件连接(图中未示出)；其中，所述通态确认模块用于实时判断所述可关断器件的开断状态。具体的，在换流器中的电流进行换相时，当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，即在换相过程中出现过流情况，则所述通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态，并将判断结果发送至所述过流比较模块，若所述可关断器件处于开通状态，则所述过流比较模块用于产生不可关断的控制保护信号，并通过开通控制模块发送至可关断器件。当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流小于或等于预设阈值时，则所述过流比较模块用于产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件，则换流器中各个桥臂上的可关断器件能够在最大的可关断电流范围内时进行关断。优选地，所述通态确认模块设置在过流测量模块中或者过流控制模块中，主要与换流器过流保护装置设置的位置有关。
新型高压直流输电混合换流器在换相时，往往产生kA级电流，对电流过大且需要可关断器件关断介入来抵御换相失败的时刻与场景，采用本发明实施例中的换流器过流保护装置对相应的开关断器件进行过流检测和控制保护，防止导致可关断器件关断失败甚至可关断器件损坏的情况发生，使得可关断器件得到相应的保护，提高经济性。
本实施例中，在不同的工况下，所述换流器过流保护装置设置的位置不同，以下以换流器过流保护装置与PCB板以及驱动电路相配合实现对可关断器件的过流保护控制为例进行示例性说明。
本实施例中，所述过流测量模块为电流传感器；所述过流控制模块设置在 PCB板中；所述电流传感器与所述PCB板通过光纤或低压线进行连接。所述过流控制模块还包括通态确认模块，所述通态确认模块分别与过流比较模块和可关断器件连接；其中，所述通态确认模块用于实时检测可关断器件的开断状态，以及用于当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，所述通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态，并将判断结果发送至所述过流比较模块，当所述可关断器件处于开通状态，则所述过流比较模块才能够将产生可关断的信号指令通过关断控制模块发送至可关断器件。
示例性的，如图3所示，仅以PCB板中过流控制模块控制两个桥臂上的可关断器件为例进行示例性说明，所述过流测量模块可以为电流传感器(CT)，所述换流器的各个桥臂上均连接有一个电流传感器，所述换流器中设置有2个PCB板，其中，设置在换流器正极输出端(P端)的3个电流传感器分别与其中的一个PCB板通过光纤或低压线(图中未示出)进行连接，设置在换流器负极输出端(N)的3个电流传感器分别与另一个PCB板通过光纤或低压线进行连接。图3中设置的电流传感、PCB板的数量和位置仅是示例性的介绍，但不限于此，换流器中的各个桥臂上可以布置多个电流传感器等，PCB板也可以设置3个或3个以上等，电流传感器与PCB板的设置数量和位置主要与实际工程中换流器的工作工况有关。电流传感器检测到的电流信号通过光纤或低压线传输到PCB板。进一步具体的，所述PCB板中设置的过流控制模块包括过流比较模块和触发控制模块，其中，所述触发控制模块包括开通控制模块和关断控制模块。进一步优选地，PCB板往往布置在每个可关断器件的旁边，即采用就近布置。PCB板的电位与可关断器件的最低电位通过线路连接，PCB板的电位与可关断器件的电位保持一致。
本实施例中，所述PCB板中也设置有通态确认模块(图3中未示出)，所述通态确认模块与所述可关断器件与过流比较模块通过线路连接，用于判断可关断器件的开断状态。当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，所述通态确认模块确认所述可关断器件是否处于开通状态，当所述可关断器件处于开通状态，则所述过流控制模块通过开通控制模块向所述可关断器件发出可关断的信号指令。
本实施例中，如图4所示，换流器各个桥臂上可关断器件分别设置在的电力电子芯片封装中。每个可关断器件均有相应地驱动电路，此处，仅以一个可关断器件的驱动电路为例。所述过流测量模块、过流比较模块、开通控制模块和关断控制模块设置在可关断器件的驱动电路中。其中，所述过流测量模块包括电流测量模块和通态确认模块，电流测量模块和通态确认模块均分别与可关断器件连接，所述电流测量模块用于实时测量换流器中可关断器件中的电流；所述通态确认模块用于实时检测可关断器件的开断状态。从而当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，还需要所述通态确认模块确认所述可关断器件是否处于开通状态，当所述可关断器件处于开通状态，则所述过流控制模块通过开通控制模块向所述可关断器件发出可关断的信号指令。即当换流器存在换相操作时，通过换流器过流保护装置实时检测换流器各个桥臂上的是否存在过流情况，以及实时判断各个可关断器件的开断状态，在换相操作中存在过流情况时，则通态确认模块反馈可关断器件此时是开通的，过流检测模块才将产生过流关断信号至关断控制模块，使可关断管关断，有效地保护了可关断器件，避免导致关断失败甚至可关断管阀串损坏的情况发生。图4中的触发控制与反馈保护模块为驱动电路正常驱动所述可关断器件开通或断开使用，在此不再进行赘述。
本实施例中，仅以将换流器过流保护装置与PCB板以及驱动电路相配合实现对可关断器件的过流保护控制为例，但不限于此，换流器过流保护装置也可以与换流器阀级控制单元连接实现对可关断器件的过流控制。
本实施例中，所述预设阈值满足：
I阈值＝Imax-tdelaydI/dt
其中，I阈值为过流比较模块的预设阈值；Imax为可关断器件的最大可关断电流，tdelay为延时时间；dI/dt为通过可关断器件的电流变化率。本发明实施例中在设置预设阈值时，充分考虑换流过程中的延时时间，使得对换流器过流控制更加的快速、精确。
本发明实施例中还公开了一种上述换流器过流保护装置的过流保护方法，所述方法包括，首先过流测量模块实时测量换流器中通过可关断器件的电流；然后，过流控制模块比较所述通过可关断器件的电流是否超过预设阈值；最后，过流控制模块根据比较结果，向所述可关断器件发送控制指令。
所述过流控制模块根据比较结果，向所述可关断器件发送控制指令包括，当过流控制模块中的过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，则所述过流比较模块产生不可关断的控制保护信号，并通过开通控制模块发送至可关断器件；当过流控制模块中的过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流小于或等于预设阈值时，则所述过流比较模块产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件。
所述过流比较模块产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件之前还包括，通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态；其中，当所述可关断器件处于开通状态，则所述过流比较模块将产生可关断的信号指令通过关断控制模块发送至可关断器件。
配合抵御换相失败的新型高压直流输电混合换流器使用，通过测量换相时 kA级电流，对电流过大且需要可关断管关断介入来抵御换相失败的时刻与场景，采取相应的过流检测和控制保护策略，使得可关断管阀串中的可关断器件得到相应的保护，降低损坏的风险，提高经济性。
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 (8)

1.一种换流器过流保护装置，其特征在于，包括，
过流测量模块，所述过流测量模块设置在换流器的各个桥臂上，用于实时测量换流器中通过可关断器件的电流；
过流控制模块，分别与所述过流测量模块和可关断器件连接，用于比较所述通过可关断器件的电流是否超过预设阈值，并根据比较结果向所述可关断器件发送控制指令，
其中，
所述过流控制模块包括过流比较模块、开通控制模块和关断控制模块，过流比较模块分别与所述开通控制模块和关断控制模块连接；其中，
当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，则所述过流比较模块用于产生不可关断的控制保护信号，并通过开通控制模块发送至可关断器件；
当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流小于或等于预设阈值时，则所述过流比较模块用于产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件；
换流器各个桥臂上可关断器件分别设置在电力电子芯片封装中，每个可关断器件均有相应地驱动电路。
2.根据权利要求1所述的换流器过流保护装置，其特征在于，
所述过流测量模块为电流传感器；
所述过流控制模块设置在PCB板中；
所述电流传感器与所述PCB板通过光纤或低压线进行连接。
3.根据权利要求1或2所述的换流器过流保护装置，其特征在于，所述过流控制模块还包括通态确认模块，所述通态确认模块分别与过流比较模块和可关断器件连接；其中，
所述通态确认模块用于实时检测可关断器件的开断状态，以及用于当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，所述通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态，并将判断结果发送至所述过流比较模块。
4.根据权利要求1所述的换流器过流保护装置，其特征在于，所述过流测量模块和过流控制模块均设置在换流器各个桥臂上的可关断器件的驱动电路中。
5.根据权利要求4所述的换流器过流保护装置，其特征在于，所述过流测量模块包括电流测量模块和通态确认模块，所述电流测量模块与通态确认模块均分别与过流比较模块和可关断器件连接，其中，
所述电流测量模块用于实时测量换流器中可关断器件中的电流；
所述通态确认模块用于实时检测可关断器件的开断状态，以及用于当过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，所述通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态，并将判断结果发送至所述过流比较模块。
6.根据权利要求1或5所述的换流器过流保护装置，其特征在于，所述预设阈值满足：
I阈值＝Imax-tdelaydI/dt
其中，I阈值为过流比较模块的预设阈值；Imax为可关断器件的最大可关断电流，tdelay为延时时间；dI/dt为通过可关断器件的电流变化率。
7.一种换流器过流保护方法，其特征在于，
过流测量模块实时测量换流器中通过可关断器件的电流；
过流控制模块比较所述通过可关断器件的电流是否超过预设阈值；
过流控制模块根据比较结果，向所述可关断器件发送控制指令，
其中，
过流控制模块根据比较结果，向所述可关断器件发送控制指令包括，
当过流控制模块中的过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流大于预设阈值时，则所述过流比较模块产生不可关断的控制保护信号，并通过开通控制模块发送至可关断器件；
当过流控制模块中的过流比较模块比较得出所述通过可关断器件的电流小于或等于预设阈值时，则所述过流比较模块产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件。
8.根据权利要求7所述的过流保护方法，其特征在于，所述过流比较模块产生可关断的信号指令，并通过关断控制模块发送至所述可关断器件之前还包括，
通态确认模块判断所述可关断器件是否处于开通状态；其中，
当所述可关断器件处于开通状态，则所述过流比较模块将产生可关断的信号指令通过关断控制模块发送至可关断器件。
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