CN113162099B - 晶闸管在线通态电压监测系统及方法 - Google Patents

晶闸管在线通态电压监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可应用在HVDC系统中的晶闸管在线通态电压监测系统及方法，通过在该电压监测系统中设置测量回路和保护回路，当系统中待测晶闸管导通时，电流流经测量回路，根据测试点处的电压即可精确获取直流输电换流阀中晶闸管的通态压降，以实现对直流输电系统的精确监测。本发明提供的监测系统及方法用于高压直流输电系统中，无需对系统实现停机操作，并且利用了高压直流输电系统中换流阀的通断周期直接在线实施对晶闸管的实时监测和器件保护，提高了效率的同时降低成本。精确的晶闸管阀通态压降监测可以监测换流阀各桥臂的不一致情况，进而实现对触发角和熄弧角的精确控制、优化直流输电系统的无功需求，减小了换相失败发生可能性。

Description

晶闸管在线通态电压监测系统及方法
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种可应用在HVDC系统中 的晶闸管在线通态电压监测系统及方法。
背景技术
随着经济和社会的快速发展，电力需求量不断增加。目前的输电形式按照 电压类型分为直流输电和交流输电。其中高压直流输电(HVDC)具有损耗低、 节约土地的特点，而且对于远距离大容量输电应用具有显著的技术经济优势。 因此，HVDC受到越来越多的关注并有大量的HVDC输电线路在世界各地已经 建成或正在建设。HVDC根据使用的开关器件分为传统的使用半控型器件(比 如晶闸管)的线路换流高压直流(LCC-HVDC)以及使用全控器件(比如IGBT) 的柔性直流输电。晶闸管在通态时能承受非常大的浪涌电流，在关态时能承受非常高的电压，是目前所有电力电子器件中最高的。因此，特高压直流大 容量电力传输目前仍然主要采用传统的线路换流高压直流(LCC-HVDC)输电来 实现。
晶闸管是LCC-HVDC中最为关键的部件。对于几百千伏的直流输电工程， 一个换流阀桥臂往往由几十个甚至上百个晶闸管串联组成。我国向家坝-上海 (±800kv)特高压直流示范工程中使用的晶闸管在出厂时，即使同一批次的晶 闸管，通态电压最大差别为0.056V。即使进行了一定的技术改进，单晶闸管 通态电压最大差别仍然达到0.043V。因此,晶闸管的导通电压的差异是存在 且不可避免的。另外，随着运行时间的增加，换流阀的老化问题越来越严重， 晶闸管通态电压的不一致性也越来越突出。另外，偶尔的换向故障、雷电浪 涌、运行过流等因素也会加剧换流阀的不一致老化。此外，各个换流阀(晶 闸管)的散热条件存在不同，所处的安装位置存在不同，使得各个换流阀(晶 闸管)的通态特性存在差异。而各个换流阀桥臂之间的通态电压不一致会对 LCC-HVDC的换相过程产生影响。
在实际直流输电工程中，光触发换流阀系统的每个晶闸管均配备一个晶 闸管电压监测板(简称TVM板)。TVM板的主要功能不仅对阀内各个串联晶 闸管的关断电压进行均压，同时还可以检测晶闸管的正向阻断情况以及是否 开通，将监测的三种情况(反向阻断、正向阻断以及导通)通过三种不同脉 冲宽度的回报信号进行回报。通过对反向阻断、正向阻断以及导通这三种信 号的发生时刻及发生情况进行识别，可以判断晶闸管的运行状态。然而TVM 板没有换流阀晶闸管精确的通态压降测量功能。而晶闸管的通态压降可用来 表征换流阀的健康状态并且会影响LCC-HVDC的换相过程，所以实时在线监 测通态压降非常重要且非常必要
关于在线监测通态压降的电路方案，有IGBT的通态电压监测方法和 MOSFET的通态电压监测方法被研究和提出，然而IGBT和MOSFET均为只能承 受正向大电压的器件，不能承受反向的大电压，所以无法将IGBT和MOSFET 的电压监测电路简单应用在晶闸管上。
此外，换相失败是LCC-HVDC不可避免的问题。然而现有的换相失败分析 几乎没有考虑晶闸管压降对换相失败的影响。现有的直流输电晶闸管触发角 计算也并未充分考虑晶闸管的通态压降，使得计算的理论值与实际需要的最 佳触发角值存在差异。为了掩盖换流阀通态压降不一致对换相过程的影响， 目前的解决方法是增加安全裕度触发角，以弥补阀和晶闸管参数不一致的问 题。换流站要求的无功功率不仅受有功功率值的影响，还与许多其他运行参 数有关，其中触发角是最敏感的。因此，增大安全裕度角会使换流站消耗更多的无功功率。大量的无功功率导致系统运行效率降低，成本增加。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种在线测量晶闸管 通态电压的系统及相应的方法，可以精确获取直流输电换流阀中晶闸管的通 态压降，以实现对直流输电系统的精确监测和控制。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种晶闸管在线通态电 压监测系统，包括恒流源单元、测量回路、和保护回路；其中，
所述恒流源单元分别连接测量回路和保护回路；
所述测量回路包括晶闸管，在所述晶闸管导通时，电流流过测量回路，以 对该晶闸管的通态电压进行测量；
所述保护回路，在所述晶闸管关断时，电流流过保护回路，以对恒流源单 元的进行保护。
进一步的，所述测量回路包括第一辅助开关单元、采样单元和驱动控制单 元；
所述第一辅助开关单元与晶闸管串联连接；
所述采样单元并联在晶闸管两端，对所述晶闸管的电压进行分压采样得到 电压值Vs；
所述驱动控制单元连接所述采样单元的输出端，以根据所述采样单元输出 的电压值Vs对所述测量回路和保护回路的通断进行控制。
进一步的，所述保护回路包括第二辅助开关单元。
进一步的，所述第一和第二辅助开关单元的控制端分别连接所述驱动控制 单元的输出；
当Vs在第一阈值范围内时，所述驱动控制单元输出第一驱动信号控制所 述第一辅助开关单元接通，电流流过测量回路；
当Vs超出第一阈值范围时，所述驱动控制单元输出第二驱动信号控制所 述第二辅助开关单元接通，电流流过保护回路。
进一步的，所述采样单元包括电阻分压电路和电压隔离传感器；
所述电阻分压电路并联连接于晶闸管两端；
所述电压隔离传感器对分压后的电压进行采样，并输出至所述驱动控制单 元。
进一步的，所述驱动控制单元包括第一电压比较器、第二电压比较器和与 门；
所述第一电压比较器的同相输入端和第二电压比较器的反相输入端均连 接所述电压隔离传感器的输出；
所述第一电压比较器的反相输入端输入第一参考电压，第二电压比较器的 同相输入端输入第二参考电压；
所述第一、第二电压比较器的输出端分别连接与门的两个输入端；
所述驱动控制单元通过所述与门的输出端输出第一驱动信号和第二驱动 信号。
进一步的，所述第一辅助开关单元包括第一辅助MOSFET和第二辅助 MOSFET，所述第二辅助开关单元包括第三辅助MOSFET。
根据本发明的另一个方面，提供了一种HVDC系统，包括整流换流站、直 流输电线路、逆变换流站、以及控制保护装置；其中，
所述整流换流站和逆变换流站中，各包括若干12脉动换流器；
所述每个换流器中包括多个换流阀，每个换流阀具有若干包含多个串联晶 闸管元件的晶闸管组件；其中，
每个晶闸管元件包括如本发明第一个方面所述的晶闸管在线通态电压监 测系统。
根据本发明的第三个方面，提供了一种基于本发明第一个方面所述的晶闸 管在线通态电压监测系统的监测方法，包括步骤：
判断该系统中晶闸管是否处于导通状态；
若处于导通状态，获取测试点处的电压Vm，并根据如下公式得出晶闸管的 通态电压：
Vm＝Vak+VMOSFET1+VMOSFET2
其中，Vak为晶闸管的通态电压，VMOSFET1、VMOSFET2分别为第一辅助MOSFET和 第二辅助MOSFET的通态电压；
若未处于导通状态，则循环等待；
其中，所述测试点位于恒流源单元与测量回路的连接点处。
进一步的，所述判断该系统中晶闸管是否处于导通状态，包括采用TVM电 压监测板获取晶闸管的通断状态。
综上所述，本发明提供了一种晶闸管在线通态电压监测系统、方法、以及 HVDC系统，通过在该电压监测系统中设置测量回路和保护回路，当系统中待 测晶闸管导通时，电流流经测量回路，根据测试点处的电压即可精确获取直 流输电换流阀中晶闸管的通态压降，以实现对直流输电系统的精确监测和控 制。本发明提供的监测系统及方法用于高压直流输电系统中，无需对系统实 现停机操作，并且利用了高压直流输电系统中换流阀的通断周期直接在线实 施对晶闸管的实时监测和器件保护，提高了效率的同时降低成本。精确的晶 闸管阀通态压降监测可以监测换流阀的不一致情况，进而实现对触发角和熄 弧角的精确控制、优化直流输电系统的无功需求，减小换相失败发生可能性、 精确估计晶闸管的结温、以及评估晶闸管的老化程度；并且，通过在监测系 统中设置保护回路，实现了对系统中器件的保护。
附图说明
图1是本发明晶闸管在线通态电压监测系统的电路构成示意图；
图2是本发明HVDC系统的整体结构示意图；
图3是换流器内部的组成结构细分示意图；
图3(a)中示出了每个12脉动换流器由2个6脉动换流器串联构成，每个 6脉动换流器由6个换流阀组成；
图3(b)中示出了每个双重阀结构由2个单阀组成；
图3(c)中示出了每个单阀由2个晶闸管组件组成；
图3(d)中示出了每个晶闸管组件由2个阀段组成；
图3(e)中示出了每个阀段由1个硅堆、2个电抗器以及1个冲击均压电 容组成；
图3(f)中示出了每个硅堆由15个晶闸管元件组成；
图3(g)中示出了每个晶闸管元件包括一套TVM板和一个晶闸管；
图4是本发明晶闸管在线通态电压监测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方 式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性 的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构 和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实 施例，提供了一种晶闸管在线通态电压监测系统，包括恒流源单元Icc、测 量回路、和保护回路。
恒流源单元Icc分别连接测量回路和保护回路。恒流源单元Icc的电流 值是几百微安到几毫安，且为恒定值。
测量回路包括晶闸管Thy，在所述晶闸管Thy导通时，电流流过测量回路， 以对该晶闸管Thy的通态电压进行测量。
保护回路，在所述晶闸管Thy关断时，电流流过保护回路，晶闸管Thy的 关断高电压由辅助MOS承受，从而实现了以对恒流源单元的保护。
以下对该监测系统的构成进行详细说明。该电压监测系统的电路构成示 意图如图1所示，如图1所示，虚线标出的序号为“1”的路径为测量回路， 序号为“2”的路径为保护回路。测量回路可以包括第一辅助开关单元、采样 单元和驱动控制单元。第一辅助开关单元例如可以包括第一辅助MOSFET M1和第二辅助MOSFET M2，该第一辅助开关单元与晶闸管Thy串联连接，其一端 连接晶闸管Thy的阳极，另一端与恒流源单元Icc连接，将第一辅助开关单 元与恒流源单元Icc连接的连接点作为测试点。采样单元并联在晶闸管Thy 两端，对所述晶闸管Thy的电压进行分压采样得到电压值Vs。采样单元例如 可以包括电阻分压电路和电压隔离传感器U3，电阻分压电路并联连接于晶闸 管Thy两端，晶闸管Thy阳极到阴极电压通过电阻分压电路的大电阻分压以 后，得到一个小电压，电压隔离传感器的输入端连接于其中一个分压电阻的 两端，以对分压后的小电压进行采样，并输出至所述驱动控制单元。驱动控 制单元连接所述采样单元的输出端，以根据所述采样单元输出的电压值Vs对所述测量回路和保护回路的通断进行控制。驱动控制单元可以采用如下电路 设计：第一电压比较器U1、第二电压比较器U2和与门AND，第一电压比较器 U1和第二电压比较器U2通常为高速比较器。第一电压比较器U1的同相输入端 和第二电压比较器U2的反相输入端均连接所述电压隔离传感器U3的输出；第 一电压比较器U1的反相输入端输入第一参考电压，该第一参考电压例如可以 为0V；第二电压比较器U2的同相输入端输入第二参考电压，该第二参考电压 的取值可以为稍大于晶闸管Thy通态压降的参考电压折算值(与分压电阻比 例有关)。第一电压比较器U1和第二电压比较器U2的输出端分别连接与门AND 的两个输入端，驱动控制单元通过所述与门AND的输出端输出第一驱动信号 和第二驱动信号。第一和第二辅助开关单元的控制端分别连接所述驱动控制 单元的输出，以由驱动控制单元输出的第一和第二驱动信号控制通断。
保护回路包括第二辅助开关单元，第二辅助开关单元可以包括第三辅助 MOSFETM3，第三辅助MOSFET M3通过电阻R1与恒流源单元Icc连接。驱动控 制单元的输出信号通过一个非门NOT连接该第三辅助MOSFET M3的控制极。 对于电阻R1阻值的设定一般考虑的是当电流流通路径为测量回路和保护回路 时，使得测试点的电压值接近。这样保证了电流源芯片负载状态切换时，可 以具有快速的响应。
当晶闸管Thy导通时，晶闸管Thy通态电压经过采样单元分压调理采样 之后，电压值Vs介于第一参考电压与第二参考电压之间，即此时电压值Vs在 第一阈值范围内，此时第一电压比较器U1和第二电压比较器U2均输出高电 平，经由与门AND以后，与门AND输出仍然为高电平，从而第一辅助MOSFET M1和第二辅助MOSFET M2开通，第三辅助MOSFET M3关断。则恒流源单元Icc 的电流沿着测量回路流动。测试点的电压是晶闸管Thy通态电压和两个辅助 高压场效应管的通态电压之和，即
Vm＝Vak+VMOSFET1+VMOSFET2
其中，Vm表示测试点电压；Vak表示晶闸管Thy通态电压；VMOSFET1表示 第一辅助MOSFET M1的通态电压；VMOSFET2表示第二辅助MOSFET M2的通态 电压；第一和第二辅助MOSFET M1、M2的通态电压是恒流源单元Icc的恒定 电流下的通态压降，该值可以提前通过常规测试得到。
当晶闸管Thy为反相阻断或正向阻断时，晶闸管Thy阳极到阴极间电压 经过采样单元分压调理采样之后会小于第一参考电压或者大于第二参考电压。 此时第一电压比较器U1和第二电压比较器U2会有一个输出低电平。经由与门 AND以后，与门AND输出为低电平，从而第一辅助MOSFET M1和第二辅助MOSFET M2关断，第三辅助MOSFET M3开通。则恒流源单元Icc的电流沿着保护回路流 动。试点的电压就是第三辅助MOSFET M3和电阻R1的通态压降。
Vm＝VR1+VMOSFET3
其中，VR1表示电阻R1通态电压；VMOSFET3表示第三辅助MOSFET M3的通 态电压。
在上述过程中，晶闸管Thy的导通和关闭由其处于换流器工作状态时的 通断决定。而在测量时判断晶闸管处于导通或者关闭状态以得到通态电压的 测量值，可以通过晶闸管上所连接的TVM板的监测结果进行判断。在HVDC高 压直流输电系统中，为了确保换流阀的安全可靠运行，对换流阀中的每个晶 闸管采用TVM晶闸管电压监测板进行在线监测。TVM板可以实现晶闸管的负 电压探测、正电压探测等在线监测功能。
根据本发明的第二个实施例，提供了一种HVDC系统，包括整流换流站、 直流输电线路、逆变换流站、以及控制保护装置。以某±800kV特高压直流 输电示范工程为例，该HVDC系统的整体结构示意图如图2所示。如图2可 知，该HVDC系统中，整流换流站和逆变换流站中，各包括若干12脉动换流 器，包含的晶闸管换流阀组有8个12脉动换流器。每个12脉动换流器内部 的结构细分示意图如图3所示。
图3(a)中示出了每个12脉动换流器由2个6脉动换流器串联构成，每个 6脉动换流器由6个换流阀组成。
图3(b)中示出了每个双重阀结构由2个单阀组成。
图3(c)中示出了每个单阀由2个晶闸管组件组成。
图3(d)中示出了每个晶闸管组件由2个阀段组成。
图3(e)中示出了每个阀段由1个硅堆、2个电抗器以及1个冲击均压电 容组成。
图3(f)中示出了每个硅堆由15个晶闸管元件组成。
图3(g)中示出了每个晶闸管元件包括一套TVM板和一个晶闸管。
根据本发明的该实施例，每个晶闸管元件还包括如本发明第一个实施例中 所提供的晶闸管在线通态电压监测系统，以用于对其中的晶闸管通态电压进 行在线监测。
根据本发明的第三个实施例，提供了一种晶闸管在线通态电压监测方法， 该方法的流程图如图4所示，该监测方法基于本发明第一个实施例中提供的 晶闸管在线通态电压监测系统实施，具体包括如下步骤：
判断该系统中晶闸管是否处于导通状态。可以通过晶闸管上所连接的TVM 板的监测结果进行判断。
若处于导通状态，获取测试点处的电压Vm，并根据如下公式得出晶闸管的 通态电压：
Vm＝Vak+VMOSFET1+VMOSFET2
其中，Vak为晶闸管的通态电压，VMOSFET1、VMOSFET2分别为第一辅助MOSFET和 第二辅助MOSFET的通态电压。该通态电压是恒流源单元Icc的恒定电流下 的通态压降，该值可以提前通过常规测试得到。
若未处于导通状态，则循环等待。此时，系统中的电流流通路径为流过保 护回路，测试点处的电压Vm为：
Vm＝VR1+VMOSFET3
在该状态下的测试点电压并不能反映处晶闸管的通态电压，此状态对于系 统来说起到保护作用，此时，继续循环等待，直至晶闸管再次处于导通状态， 即可进行下一次测量。
其中，所述测试点位于恒流源单元与测量回路的连接点处。
综上所述，本发明涉及一种晶闸管在线通态电压监测系统、方法、以及 HVDC系统，通过在该电压监测系统中设置测量回路和保护回路，当系统中 待测晶闸管导通时，电流流经测量回路，根据测试点处的电压即可精确获取 直流输电换流阀中晶闸管的通态压降，以实现对直流输电系统的精确监测和 控制。本发明提供的监测系统及方法用于高压直流输电系统中，无需对系统 实现停机操作，并且利用了高压直流输电系统中换流阀的通断周期直接在线 实施对晶闸管的实时监测和器件保护，提高了效率的同时降低成本。精确的 晶闸管阀通态压降监测可以监测换流阀的不一致情况，进而实现对触发角和 熄弧角的精确控制、优化直流输电系统的无功需求，减小换相失败发生可能 性、精确估计晶闸管的结温、以及评估晶闸管的老化程度；并且，通过在监 测系统中设置保护回路，实现了对系统中器件的保护。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本 发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范 围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边 界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种晶闸管在线通态电压监测系统，其特征在于，包括恒流源单元、测量回路、和保护回路；其中，
所述恒流源单元分别连接测量回路和保护回路；所述测量回路包括晶闸管、第一辅助开关单元、采样单元和驱动控制单元，在所述晶闸管导通时，电流流过测量回路，以对该晶闸管的通态电压进行测量；
所述保护回路包括第二辅助开关单元，在所述晶闸管关断时，电流流过保护回路，以对恒流源单元的进行保护；所述第一辅助开关单元和第二辅助开关单元的控制端分别连接所述驱动控制单元的输出；
当Vs在第一阈值范围内时，所述驱动控制单元输出第一驱动信号控制所述第一辅助开关单元接通，电流流过测量回路；
当Vs超出第一阈值范围时，所述驱动控制单元输出第二驱动信号控制所述第二辅助开关单元接通，电流流过保护回路；
其中，Vs为采样单元对所述晶闸管的电压进行分压采样得到的电压值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一辅助开关单元与晶闸管串联连接；
所述采样单元并联在晶闸管两端，对所述晶闸管的电压进行分压采样得到电压值Vs；
所述驱动控制单元连接所述采样单元的输出端，以根据所述采样单元输出的电压值Vs对所述测量回路和保护回路的通断进行控制。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述采样单元包括电阻分压电路和电压隔离传感器；
所述电阻分压电路并联连接于晶闸管两端；
所述电压隔离传感器对分压后的电压进行采样，并输出至所述驱动控制单元。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述驱动控制单元包括第一电压比较器、第二电压比较器和与门；
所述第一电压比较器的同相输入端和第二电压比较器的反相输入端均连接所述电压隔离传感器的输出；
所述第一电压比较器的反相输入端输入第一参考电压，第二电压比较器的同相输入端输入第二参考电压；
所述第一、第二电压比较器的输出端分别连接与门的两个输入端；
所述驱动控制单元通过所述与门的输出端输出第一驱动信号和第二驱动信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一辅助开关单元包括第一辅助MOSFET和第二辅助MOSFET，所述第二辅助开关单元包括第三辅助MOSFET。
6.一种HVDC系统，其特征在于，包括整流换流站、直流输电线路、逆变换流站、以及控制保护装置；其中，
所述整流换流站和逆变换流站中，各包括若干12脉动换流器；
所述每个换流器中包括多个换流阀，每个换流阀具有若干包含多个串联晶闸管元件的晶闸管组件；其中，
每个晶闸管元件包括如权利要求1-5中任意一项所述的晶闸管在线通态电压监测系统。
7.一种基于权利要求1-5中任意一项所述的晶闸管在线通态电压监测系统的监测方法，其特征在于，包括步骤：
判断该系统中晶闸管是否处于导通状态；
若处于导通状态，获取测试点处的电压Vm，并根据如下公式得出晶闸管的通态电压：
Vm＝Vak+VMOSFET1+VMOSFET2
其中，Vak为晶闸管的通态电压，VMOSFET1、VMOSFET2分别为第一辅助MOSFET和第二辅助MOSFET的通态电压；
若未处于导通状态，则循环等待；
其中，所述测试点位于恒流源单元与测量回路的连接点处。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判断该系统中晶闸管是否处于导通状态，包括采用TVM电压监测板获取晶闸管的通断状态。
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