CN111641331A - 多重旁路保护换流单元子模块及其控制方法、换流链 - Google Patents

Abstract

本申请提供多重旁路保护换流单元子模块及其控制方法、换流链。所述子模块包括功率单元、直流电容、双稳态旁路开关和常闭旁路开关，所述功率单元包括功率半导体器件，所述功率单元的交流端引出；所述直流电容与所述功率单元的直流端并联连接；所述双稳态旁路开关与所述功率单元的交流端并联连接；所述常闭旁路开关与所述功率单元的交流端并联连接。

Description

多重旁路保护换流单元子模块及其控制方法、换流链

技术领域

本申请涉及大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种多重旁路保护换流单元及其控制方法、换流链。

背景技术

在大容量大功率电力电子变流技术领域，为了提升换流器的传输能力，通常采用链式多电平技术，即通过大量功率子模块串联的方式解决电压应力的问题。

由于子模块之间是相互串联的关系，当其中一个子模块发生故障时，会影响其他子模块的正常运行。因此，在现有技术中，为子模块配置旁路开关，当功率子模块发生故障时闭合旁路开关，将故障单元切除，系统不停运。然而，功率子模块内部的取能板卡如果出现故障或者控制旁路开关的控制单元发生故障，这种情况下，旁路开关的触发回路不能接收到控制指令或不具备操作电源，导致功率子模块无法成功旁路，由于故障不能被隔离，致使整个系统停运。

因此，如何保证旁路开关的可靠合闸以及快速合闸，成为提高换流器成套设备可靠性的关键技术因素。而对于串联在系统中的换流器来说，旁路的可靠性尤为重要，并联型的换流器取能方便，可以通过交流不控整流的充电方式为直流电容充电。

而对于串联在系统中的换流器，在换流器的子模块上电启动之前，子模块处于“黑模块”状态，但同时要求子模块处于旁路状态。在控制单元可以正常工作后，才能将旁路开关分开，一旦旁路开关失效，系统中的电流将串联流入子模块中，导致子模块损坏。由于换流器是串联在线路中，子模块的故障进而可能导致线路断路故障等系统级的故障，因此，对于串联系统来说旁路保护有着更高的要求。

由此可见，对于串联型换流器，旁路技术主要关键点在于：(1)在不牺牲旁路速度的前提下，提高旁路的可靠性。(2)确保在“黑模块”状态下旁路开关处于闭合状态。

现有旁路技术无法同时满足以上两点要求。

如“专利CN201911252860.3柔性直流输电及换流阀的功率模块防过压电路”采用双线圈以及双驱动，采用无源过压触发单元触发导通第二驱动模块上可控开关器件以及第一储能电容存储的电能给第二磁力线圈供电驱动旁路开关闭合，避免自取能电源或控制器故障后导致旁路开关闭合失败情况的发生。该专利一定程度上可减少旁路失败的可能性，提升了旁路的可靠性，无法保证在“黑模块”状态下旁路开关处于闭合状态。

如“专利CN110739837A一种采用双旁路开关的MMC功率模块及过压三旁路方法”通过设置两个旁路开关，提高了功率模块旁路的可靠性，避免因功率模块未可靠旁路而系统停运。该专利提出了双重旁路的思路，同样可提升旁路的可靠性，也无法保证在“黑模块”状态下旁路开关处于闭合状态。

上述两个现有技术专注于解决子模块运行过程中的旁路可靠性问题，而无法解决子模块在启动前旁路的可靠性问题。

发明内容

本申请实施例提供一种多重旁路保护换流单元子模块，所述子模块包括功率单元、直流电容、双稳态旁路开关和常闭旁路开关，所述功率单元包括功率半导体器件，所述功率单元的交流端引出；所述直流电容与所述功率单元的直流端并联连接；所述双稳态旁路开关与所述功率单元的交流端并联连接；所述常闭旁路开关与所述功率单元的交流端并联连接。

根据一些实施例，所述子模块还包括双向可控晶闸管，所述双向可控晶闸管与所述功率单元的交流端并联连接，所述双向可控晶闸管双向可控，具备可被整定的击穿电压值。

根据一些实施例，所述子模块还包括控制单元，所述控制单元控制所述双稳态旁路开关的分闸或合闸以及所述常闭旁路开关；所述供能单元为所述控制单元提供电源，所述供能单元的能量来源于直流电容或线路CT。

根据一些实施例，所述双向可控晶闸管的击穿电压值为所述子模块的额定交流电压的1.3倍-2倍。

根据一些实施例，所述双向可控晶闸管的旁路动作时间<所述双稳态旁路开关的旁路动作时间<所述常闭旁路开关的旁路动作时间。

根据一些实施例，所述双稳态旁路开关包括电磁机构和/或永磁体，所述电磁机构提供分闸力和合闸力；所述永磁体提供保持力。

根据一些实施例，所述控制单元失电时，所述双稳态旁路开关的分闸或合闸状态由失电前最后一次所述控制单元输出的信号决定，且状态保持。

根据一些实施例，控制所述双稳态旁路开关的分闸信号和合闸信号包括脉冲信号或电平信号。

根据一些实施例，所述常闭旁路开关通过接收脉冲信号或电平信号，使所述常闭旁路开关内部电磁铁通电，使所述常闭旁路开关分开，并维持开断状态，电磁铁失电后，常闭旁路开关自动闭合。

根据一些实施例，所述功率单元包括全桥电路或半桥电路，所述全桥电路包括四组功率半导体器件；所述半桥电路包括两组功率半导体器件。

根据一些实施例，所述子模块还包括过压保护电路，所述过压保护电路与所述功率单元的交流端并联连接，所述过压保护电路包括非线性电阻和/或功率半导体器件，所述功率半导体器件过压被动击穿。

本申请实施例还提供一种换流链，所述换流链包括至少两个如上所述的多重旁路保护换流单元子模块，所述子模块依次串联连接。

根据一些实施例，所述换流链串联在线路中，通过无功和或有功的注入调节线路潮流。

本申请实施例还提供一种如上所述多重旁路保护换流单元子模块的启动控制方法，包括：在子模块启动之前，控制所述常闭旁路开关处于闭合状态；子模块完成启动后进入运行状态，控制所述常闭旁路开关分开，并维持输出到所述常闭旁路开关的输出脉冲信号或电平信号；控制所述双稳态旁路开关分开；控制功率单元中的功率半导体器件解锁工作。

根据一些实施例，如果所述子模块包括双向可控晶闸管，所述控制所述双稳态旁路开关分开之前，包括：控制所述双向可控晶闸管导通；所述控制所述双稳态旁路开关分开之后，包括：检测所述双稳态旁路开关、所述常闭旁路开关均处于分断位置后，关断所述双向可控晶闸管。

本申请实施例还提供一种如上所述多重旁路保护换流单元子模块的停机控制方法，包括：所述子模块停机时，闭锁所述功率单元中的功率半导体器件；控制所述双稳态旁路开关闭合；控制所述常闭旁路开关闭合。

根据一些实施例，如果所述子模块包括双向可控晶闸管，所述控制所述双稳态旁路开关闭合之前，还包括：控制所述双向可控晶闸管导通；所述控制所述常闭旁路开关闭合之后，还包括：检测所述双稳态旁路开关、所述常闭旁路开关均处于分断位置后，关断所述双向可控晶闸管。

本申请实施例还提供一种如上所述多重旁路保护换流单元子模块的故障处理方法，包括：检测到子模块发生故障，判断所述子模块的供能单元是否正常并且所述子模块的控制单元是否正常；如果所述供能单元和所述控制单元正常，则控制所述子模块停机或闭合双向可控晶闸管；如果所述二次电源和/或所述控制单元不正常，则控制所述双稳态旁路开关维持分开状态，控制所述常闭旁路开关闭合。

根据一些实施例，所述子模块发生故障后，在故障处理执行过程中，功率单元的交流端电压超过双向可控晶闸管的击穿电压门槛值后，所述双向可控晶闸管击穿，将子模块旁路。

本申请实施例提供的技术方案，多重旁路保护换流单元子模块配置了双稳态旁路开关以及常闭旁路开关两种机械式的旁路开关，将两种旁路开关旁路原理的优势相结合。常闭旁路开关在控制单元失效或电源失效的情况下，处于闭合状态，保证了子模块在“黑模块”状态下旁路的可靠性。双稳态旁路开关含电磁机构和/或永磁体，分合闸力依靠电磁机构提供，可实现ms级别的快速分合闸，确保了旁路的快速性。二者通过控制逻辑的配合，可以各类工况下旁路的可靠性。两种机械式的旁路开关在闭合状态下可以共同承担流过电流，提高了旁路的电流耐受能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以如这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的示意图之一。

图2是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的示意图之二。

图3是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块构成换流链的示意图。

图4是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的启动控制方法流程示意图之一。

图5是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的停机控制方法流程示意图之一。

图6是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的故障处理方法流程示意图之一。

图7是本申请实施例提供的一种旁路开关并联后综合旁路状态下的逻辑图。

图8是本申请实施例提供的一种常闭旁路开关在控制单元失效或电源失效的情况下的逻辑图。

图9是本申请实施例提供的一种双稳态旁路开关闭合的逻辑图。

图10是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的启动控制方法流程示意图之二。

图11是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的停机控制方法流程示意图之二。

图12是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的故障处理方法流程示意图之二。

图13是本申请实施例提供的一种双向可控晶闸管的VI曲线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的示意图，子模块包括功率单元1、直流电容2、双稳态旁路开关3和常闭旁路开关4。

功率单元1包括功率半导体器件，功率单元1的交流端引出。直流电容3与功率单元1的直流端并联连接。双稳态旁路开关3与功率单元1的交流端并联连接。常闭旁路开关4与功率单元1的交流端并联连接。

子模块还包括控制单元6和供能单元，控制单元6控制双稳态旁路开关3的分闸或合闸以及常闭旁路开关4。控制双稳态旁路开关3的分闸信号和合闸信号包括脉冲信号或电平信号，但并不以此为限。控制单元6失电时，双稳态旁路开关3的分闸或合闸状态由失电前最后一次控制单元6输出的信号决定，且状态保持。供能单元为控制单元6提供电源，供能单元的能量来源于直流电容或线路CT。

可选地，功率单元1包括全桥电路或半桥电路，全桥电路包括四组功率半导体器件，半桥电路包括两组功率半导体器件。

可选地，双稳态旁路开关3包括电磁机构和/或永磁体。电磁机构提供分闸力和合闸力，永磁体提供保持力。

可选地，常闭旁路开关4在无电源或无控制信号的情况下处于闭合状态，通过接收脉冲信号或电平信号，使常闭旁路开关4内部的电磁铁通电，使常闭旁路开关4分开，并维持开断状态，电磁铁失电后，常闭旁路开关4自动闭合。

可选地，子模块还包括双向可控晶闸管5，如图2所示。双向可控晶闸管5与功率单元1的交流端并联连接，双向可控晶闸管5双向可控，具备可被整定的击穿电压值。双向可控晶闸管的击穿电压值为子模块的额定交流电压的1.3倍-2倍。

双向可控晶闸管5为固态开关，可在接收到控制脉冲后无延时闭合，双稳态旁路开关3可实现闭合时间为3-5ms，常闭旁路开关4闭合时间大于5ms。

其中，双向可控晶闸管5的旁路动作时间<双稳态旁路开关3的旁路动作时间<常闭旁路开关4的旁路动作时间。

可选地，子模块还包括过压保护电路(未示出)，过压保护电路与功率单元1的交流端并联连接，过压保护电路包括非线性电阻和/或功率半导体器件，功率半导体器件过压被动击穿。

图3是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块构成换流链的示意图。

换流链包括至少两个多重旁路保护换流单元子模块，子模块依次串联连接。换流链串联在线路中，通过无功和或有功的注入调节线路潮流。

图4是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的启动控制方法流程示意图之一。

在S110中，在子模块启动之前，控制常闭旁路开关4处于闭合状态。

在S120中，子模块完成启动后进入运行状态，控制常闭旁路开关4分开，并维持输出到常闭旁路开关4的输出脉冲信号或电平信号。

在S130中，控制双稳态旁路开关3分开。

在S140中，控制功率单元1中的功率半导体器件解锁工作。

在图4实施例的基础上，子模块停机时，控制流程还包括如下步骤，如图5所示。

在S150中，闭锁功率单元1中的功率半导体器件。

在S160中，控制双稳态旁路开关3闭合。

在S170中，控制常闭旁路开关4闭合。

在图4实施例的基础上，子模块发生故障时，控制流程还包括如下步骤，如图6所示。

在S180中，检测到子模块发生故障，判断子模块的供能单元是否正常并且子模块的控制单元6是否正常。

在S190中，如果供能单元和控制单元6正常，则控制子模块停机。

控制单元6和供能单元正常时，常闭旁路开关4控制电平置1，此时综合旁路状态就由双稳态旁路开关3的分合状态决定。在应用中，需要快速旁路，将故障子模块快速旁路，因此，综合旁路状态由0变1的速度至关重要，在本申请中，上述速度是由双稳态旁路开关3决定的，如图7所示。

在S200中，如果二次电源和/或控制单元6不正常，则控制双稳态旁路开关3维持分开状态，控制常闭旁路开关4闭合。

多重旁路保护换流单元子模块配置了双稳态旁路开关3以及常闭旁路开关4两种机械式的旁路开关，将两种旁路开关旁路原理的优势相结合，如图8所示。

常闭旁路开关4在控制单元6失效或供能单元失效的情况下，逻辑图如图9所示。

如图9所示，这种状态下相当于常闭旁路开关4控制电平为0，无论双稳态旁路开关3的状态如何，均能保证综合旁路状态处于闭合状态，保证了子模块在“黑模块”状态下旁路的可靠性。

本实施例提供的技术方案，多重旁路保护换流单元子模块配置了双稳态旁路开关以及常闭旁路开关两种机械式的旁路开关，将两种旁路开关旁路原理的优势相结合。常闭旁路开关在控制单元6失效或电源失效的情况下，处于闭合状态，保证了子模块在“黑模块”状态下旁路的可靠性。双稳态旁路开关含电磁机构和/或永磁体，分合闸力依靠电磁机构提供，可实现ms级别的快速分合闸，确保了旁路的快速性。二者通过控制逻辑的配合，可以各类工况下旁路的可靠性。两种机械式的旁路开关在闭合状态下可以共同承担流过电流，提高了旁路的电流耐受能力。

图10是本申请实施例提供的一种多重旁路保护换流单元子模块的启动控制方法流程示意图之三。

在图4实施例的基础上，如果子模块包括双向可控晶闸管5，那么控制流程如图10所示。

在S110中，在子模块启动之前，控制常闭旁路开关4处于闭合状态。

在S120中，子模块完成启动后进入运行状态，控制常闭旁路开关4分开，并维持输出到常闭旁路开关4的输出脉冲信号或电平信号。

在S121中，控制双向可控晶闸管5导通。

在S130中，控制双稳态旁路开关3分开。

在S131中，检测双稳态旁路开关3、常闭旁路开关4均处于分断位置后，关断双向可控晶闸管5。

在S140中，控制功率单元1中的功率半导体器件解锁工作。

在图10实施例的基础上，子模块停机时，控制流程还包括如下步骤，如图11所示。

在S150中，闭锁功率单元1中的功率半导体器件。

在S151中，控制双向可控晶闸管5导通。

在S160中，控制双稳态旁路开关3闭合。

在S170中，控制常闭旁路开关4闭合。

在S171中，检测双稳态旁路开关3、常闭旁路开关4均处于分断位置后，关断双向可控晶闸管5。

在图10实施例的基础上，子模块发生故障时，控制流程还包括如下步骤，如图12所示。

在S180中，检测到子模块发生故障，判断子模块的供能单元是否正常并且子模块的控制单元6是否正常。

在S191中，如果供能单元和控制单元6正常，则控制子模块停机或闭合双向可控晶闸管5。

控制单元6和供能单元正常时，常闭旁路开关4控制电平置1，此时综合旁路状态就由双稳态旁路开关3的分合状态决定。在应用中，需要快速旁路，将故障子模块快速旁路，因此，综合旁路状态由0变1的速度至关重要，在本申请中，上述速度是由双稳态旁路开关3决定的，如图7所示。

在S200中，如果二次电源和/或控制单元6不正常，则控制双稳态旁路开关3维持分开状态，控制常闭旁路开关4闭合。

子模块发生故障后，在故障处理执行过程中，功率单元1的交流端电压超过双向可控晶闸管5的击穿电压值(即转折电压)后，双向可控晶闸管5击穿，将子模块旁路，如图13所示。

多重旁路保护换流单元子模块配置了双稳态旁路开关3以及常闭旁路开关4两种机械式的旁路开关，将两种旁路开关旁路原理的优势相结合，如图8所示。

常闭旁路开关4在控制单元6失效或供能单元失效的情况下，逻辑图如图9所示。

如图9所示，这种状态下相当于常闭旁路开关4控制电平为0，无论双稳态旁路开关3的状态如何，均能保证综合旁路状态处于闭合状态，保证了子模块在“黑模块”状态下旁路的可靠性。

本实施例提供的技术方案，增加了双向可控晶闸管，与前两种机械式的旁路开关开关构成三种旁路开关：双向可控晶闸管、双稳态旁路开关以及常闭旁路开关。在故障时四重旁路方式，双向可控晶闸管为固态开关，可在接收到控制脉冲后无延时闭合，是最快速的旁路方式，双稳态旁路开关可实现ms级别快速闭合，双稳态旁路开关在失电或控制单元6失效时可靠闭合，当功率单元交流端承受过压时击穿旁路。四种不同旁路原理构成的多重旁路保护极大的提高了旁路的可靠性。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (19)

1.一种多重旁路保护换流单元子模块，包括：

功率单元，包括功率半导体器件，所述功率单元的交流端引出；

直流电容，与所述功率单元的直流端并联连接；

双稳态旁路开关，与所述功率单元的交流端并联连接；

常闭旁路开关，与所述功率单元的交流端并联连接。

2.如权利要求1所述的子模块，还包括：

双向可控晶闸管，与所述功率单元的交流端并联连接，所述双向可控晶闸管双向可控，具备可被整定的击穿电压值。

3.如权利要求1所述的子模块，还包括：

控制单元，控制所述双稳态旁路开关的分闸或合闸以及所述常闭旁路开关；

供能单元，为所述控制单元提供电源，所述供能单元的能量来源于直流电容或线路CT。

4.如权利要求2所述的子模块，其中，所述双向可控晶闸管的击穿电压值为所述子模块的额定交流电压的1.3倍-2倍。

5.如权利要求2所述的子模块，其中，所述双向可控晶闸管的旁路动作时间<所述双稳态旁路开关的旁路动作时间<所述常闭旁路开关的旁路动作时间。

6.如权利要求1所述的子模块，其中，所述双稳态旁路开关包括：

电磁机构，提供分闸力和合闸力；和/或

永磁体，提供保持力。

7.如权利要求3所述的子模块，其中，所述控制单元失电时，所述双稳态旁路开关的分闸或合闸状态由失电前最后一次所述控制单元输出的信号决定，且状态保持。

8.如权利要求3所述的子模块，其中，控制所述双稳态旁路开关的分闸信号和合闸信号包括：脉冲信号或电平信号。

9.如权利要求1所述的子模块，其中，所述常闭旁路开关通过接收脉冲信号或电平信号，使所述常闭旁路开关内部电磁铁通电，使所述常闭旁路开关分开，并维持开断状态，电磁铁失电后，常闭旁路开关自动闭合。

10.如权利要求1所述的子模块，其中，所述功率单元包括：

全桥电路，包括四组功率半导体器件；或

半桥电路，包括两组功率半导体器件。

11.如权利要求1所述的子模块，还包括：

过压保护电路，与所述功率单元的交流端并联连接，所述过压保护电路包括非线性电阻和/或功率半导体器件，所述功率半导体器件过压被动击穿。

12.一种换流链，包括至少两个如权利要求1至11之任一项所述的多重旁路保护换流单元子模块，所述子模块依次串联连接。

13.如权利要求12所述的换流链，所述换流链串联在线路中，通过无功或有功的注入调节线路潮流。

14.一种如权利要求1至11之任一项所述多重旁路保护换流单元子模块的启动控制方法，包括：

在子模块启动之前，控制所述常闭旁路开关处于闭合状态；

子模块完成启动后进入运行状态，控制所述常闭旁路开关分开，并维持输出到所述常闭旁路开关的输出脉冲信号或电平信号；

控制所述双稳态旁路开关分开；

控制功率单元中的功率半导体器件解锁工作。

15.如权利要求14所述的控制方法，其中，如果所述子模块包括双向可控晶闸管，

所述控制所述双稳态旁路开关分开之前，包括：

控制所述双向可控晶闸管导通；

所述控制所述双稳态旁路开关分开之后，包括：

检测所述双稳态旁路开关、所述常闭旁路开关均处于分断位置后，关断所述双向可控晶闸管。

16.一种如权利要求1至11之任一项所述多重旁路保护换流单元子模块的停机控制方法，包括：

所述子模块停机时，闭锁所述功率单元中的功率半导体器件；

控制所述双稳态旁路开关闭合；

控制所述常闭旁路开关闭合。

17.如权利要求16所述的控制方法，其中，如果所述子模块包括双向可控晶闸管，

所述控制所述双稳态旁路开关闭合之前，还包括：

控制所述双向可控晶闸管导通；

所述控制所述常闭旁路开关闭合之后，还包括：

检测所述双稳态旁路开关、所述常闭旁路开关均处于分断位置后，关断所述双向可控晶闸管。

18.一种如权利要求1至11之任一项所述多重旁路保护换流单元子模块的故障处理方法，包括：

检测到子模块发生故障，判断所述子模块的供能单元是否正常并且所述子模块的控制单元是否正常；

如果所述供能单元和所述控制单元正常，则控制所述子模块停机或闭合双向可控晶闸管；

如果所述二次电源和/或所述控制单元不正常，则控制所述双稳态旁路开关维持分开状态，控制所述常闭旁路开关闭合。

19.如权利要求18所述的控制方法，其中，所述子模块发生故障后，在故障处理执行过程中，功率单元的交流端电压超过双向可控晶闸管的击穿电压门槛值后，所述双向可控晶闸管击穿，将子模块旁路。

Images