CN113507204B - 一种用于igct-mmc柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于IGCT‑MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统及方法，包括旁路开关、IGCT‑MMC功率子模块、故障重触发电路及IGCT过压触发回路，其中，IGCT‑MMC功率子模块包括旁路触发板、第一IGCT器件、第二IGCT器件、第一快恢复二极管、第二快恢复二极管、直流电容、箝位电容、箝位二极管、阳极电抗及箝位电阻；旁路触发板包括第一晶闸管、第二晶闸管、第一储能电容及第二储能电容，该系统及方法能够在IGCT‑MMC功率子模块出现故障时及时切除，保证系统稳定、可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种可靠旁路系统及方法，具体涉及一种用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统及方法。
背景技术
随着风能、太阳能等新能源和大规模储能的迅速发展，基于电压源换流器(VSC)的柔性直流输电技术在近年得到了快速发展，IGCT器件得益于其高耐压、低损耗、大电流、低成本、高安全性等特殊优势，在柔性直流输电领域具有广阔的应用前景。根据工程应用的电压等级不同，IGCT-MMC柔性直流换流阀通常由成百上千个功率子模块组成，为保证工程运行的稳定性，系统中的功率子模块应当在出现故障时可靠旁路，不影响整体系统的稳定持续运行。目前工程应用中一般会在各桥臂中设置一定数量的冗余功率子模块，同时在功率子模块级增加苛刻工况下的旁路措施。
一般而言，功率子模块故障后主控板卡下发命令触发旁路开关动作，继而将故障功率子模块切出系统，但功率模块运行过程中可能出现多重故障，如果没有覆盖全面的旁路方案，则会直接导致故障功率子模块无法切出系统，引起系统闭锁或跳闸。同时IGCT-MMC柔性直流输电换流阀功率子模块与基于IGBT器件的功率子模块构成部件有所不同，因此很有必要针对IGCT-MMC柔性直流换流阀设置一种可靠的旁路方法，以保证系统的稳定可靠运行。
对于应用在柔性直流输电领域的旁路方法，中国专利公开号为CN109390965A的“柔直换流阀功率旁路控制装置”所述的旁路装置可以在功率子模块发生故障后实现旁路功能，但未考虑多重故障工况下的旁路措施。中国专利公开号为发明公开CN112366931A的“一种柔性直流输电换流阀故障功率模块多重旁路保护方法”着重描述了软硬件保护阈值的设定思路，忽略了旁路开关自身故障带来的一系列旁路方式失效情况。中国专利公开号为CN 111049367A的“一种柔性直流输电功率单元可靠旁路装置及旁路方法”描述了针对基于IGBT器件的功率子模块在故障后的旁路措施，其中未考虑到旁路开关内部线圈失效后的旁路失败情况，同时所述的IGBT器件失效模式也无法应用于IGCT器件。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统及方法，该系统及方法能够在IGCT-MMC功率子模块出现故障时及时切除，保证系统稳定、可靠运行。
为达到上述目的，本发明所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统包括旁路开关、IGCT-MMC功率子模块、故障重触发电路及IGCT过压触发回路，其中，IGCT-MMC功率子模块包括旁路触发板、第一IGCT器件、第二IGCT器件、第一快恢复二极管、第二快恢复二极管、直流电容、箝位电容、箝位二极管、阳极电抗及箝位电阻；旁路触发板包括第一晶闸管、第二晶闸管、第一储能电容及第二储能电容；
第一IGCT器件的一端与阳极电抗的一端及箝位二极管的正极相连接，第一IGCT器件的另一端与旁路开关的一端及第二IGCT器件的一端相连接，阳极电抗的另一端与箝位电阻的一端、直流电容的一端、IGCT过压触发回路的一端及故障重触发电路的一端相连接，二极管的负极及箝位电阻的另一端与箝位电容的一端相连接，电容的另一端、故障重触发电路的另一端、第二IGCT器件的另一端及直流电容的另一端均与旁路开关的另一端相连接；IGCT过压触发回路的另一端与第二IGCT器件的门极相连接；
第一晶闸管的阳极经旁路开关内的第一线圈与第一储能电容的一端相连接，第一晶闸管的阴极与第一储能电容的另一端相连接；第二晶闸管的阳极经旁路开关内的第二线圈与第二储能电容的一端相连接，第二储能电容的另一端与第二晶闸管的阴极及故障重触发电路相连接，故障重触发电路与第二晶闸管的门极相连接；
第一IGCT器件与第一快恢复二极管并联连接；第二IGCT器件与第二快恢复二极管并联连接。
第一储能电容并联连接有取能电源。
所述故障重触发电路包括稳压二极管、继电器、第二电阻及第三电阻，其中，稳压二极管的正极与直流电容相连接，稳压二极管的负极与继电器的电源端相连接，继电器的一端与第二晶闸管的门极相连接，继电器的另一端与第二储能电容的一端、旁路开关内的第二线圈及第二电阻的一端相连接，第二电阻的另一端与继电器的控制端及第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端与第二储能电容的另一端及第二晶闸管的阴极相连接。
还包括本功率子模块主控板及相邻功率子模块主控板，其中，本功率子模块主控板及相邻功率子模块主控板与第一晶闸管的门极相连接。
功率子模块主控板及相邻功率子模块主控板与第一晶闸管的门极之间通过光纤相连接。
本发明所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路方法包括：
设正常电压为IGCT-MMC功率子模块在正常运行过程中可能出现的最大电容电压值，当IGCT-MMC功率子模块在正常电压以下发生故障需要旁路时，则控制第一晶闸管导通，第一线圈及其触发回路完成旁路操作；
设第一阈值电压为IGCT-MMC功率子模块发生故障，且第一线圈及其触发回路未完成旁路动作，预设时间内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时认为已发生多重故障，则通过相邻功率子模块主控板下发旁路命令，继续使用第一线圈及其触发回路进行旁路操作；
设第二阈值电压为IGCT-MMC功率子模块发生故障，且第一线圈及其触发回路在执行相邻功率子模块主控板的旁路命令后未完成旁路动作，在预设时间段内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时不再使用第一线圈及其触发回路进行旁路操作，启动旁路触发板的故障重触发功能，使第二线圈及其触发回路进行旁路操作；
设第三阈值电压为第二线圈及其触发回路未完成旁路动作，在预设时间段内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时认为第二线圈及其触发回路失效无法完成旁路触发；
当IGCT-MMC功率子模块的电容电压到达所述预设器件耐压值时，第二IGCT器件过压触发回路动作，直接导通第二IGCT器件，将故障的IGCT-MMC功率子模块切除。
所述器件耐压值为IGCT-MMC功率子模块中使用的IGCT器件的断态重复峰值电压。
正常电压、第一阈值电压、第二阈值电压、第三阈值电压及器件耐压值依次逐渐增大。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统及方法在具体操作时，设置正常电压、第一阈值电压、第二阈值电压、第三阈值电压及预设器件耐压值，根据正常电压、第一阈值电压、第二阈值电压、第三阈值电压及预设器件耐压值，依次控制第一晶闸管SCR1导通，第一线圈及其触发回路完成旁路操作；通过相邻功率子模块主控板下发旁路命令，继续使用第一线圈及其触发回路进行旁路操作；旁路触发板的故障重触发功能，使第二线圈及其触发回路进行旁路操作；直接导通第二IGCT器件，将故障的IGCT-MMC功率子模块切除，从而在IGCT-MMC功率子模块出现故障时及时切除，保证系统稳定、可靠运行。
附图说明
图1为本发明中IGCT-MMC功率子模块的拓扑图；
图2为旁路开关、旁路触发板及取能电源的连接关系图；
图3为重触发电路的示意图；
图4为本发明的工作原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1至图3，本发明所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统包括旁路开关K、IGCT-MMC功率子模块、故障重触发电路及IGCT过压触发回路，其中，IGCT-MMC功率子模块包括旁路触发板、第一IGCT器件S1、第二IGCT器件S2、直流电容C、第一快恢复二极管D1、第二快恢复二极管D2、箝位电容CcL、箝位二极管DcL、阳极电抗Li及箝位电阻Rs；旁路触发板包括第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2、第一储能电容CK1及第二储能电容CK2；
第一IGCT器件S1与第一快恢复二极管D1并联连接；第二IGCT器件S2与第二快恢复二极管D2并联连接，第一IGCT器件S1的一端与阳极电抗Li的一端及箝位二极管DcL的正极相连接，第一IGCT器件S1的另一端与旁路开关K的一端及第二IGCT器件S2的一端相连接，阳极电抗Li的另一端与箝位电阻Rs的一端、直流电容C的一端、IGCT过压触发回路的一端及故障重触发电路的一端相连接，箝位二极管DcL的负极及箝位电阻Rs的另一端与箝位电容CcL的一端相连接，箝位电容CcL的另一端、故障重触发电路的另一端、第二IGCT器件S2的另一端及直流电容C的另一端均与旁路开关K的另一端相连接；IGCT过压触发回路的另一端与第二IGCT器件S2的门极相连接；
第一晶闸管SCR1的阳极经旁路开关K内的第一线圈KM1与第一储能电容CK1的一端相连接，第一晶闸管SCR1的阴极与第一储能电容CK1的另一端相连接；第二晶闸管SCR2的阳极经旁路开关K内的第二线圈KM2与第二储能电容CK2的一端相连接，第二储能电容CK2的另一端与第二晶闸管SCR2的阴极及故障重触发电路相连接，故障重触发电路与第二晶闸管SCR2的门极相连接，第一储能电容CK1并联连接有取能电源。
所述故障重触发电路包括稳压二极管Z1、继电器SK、第二电阻R1及第三电阻R2，其中，稳压二极管Z1的正极与直流电容C相连接，稳压二极管Z1的负极与继电器SK的电源端相连接，继电器SK的一端与第二晶闸管SCR2的门极相连接，继电器SK的另一端与第二储能电容CK2的一端、旁路开关K内的第二线圈KM2及第二电阻R1的一端相连接，第二电阻R1的另一端与继电器SK的控制端及第三电阻R2的一端相连接，第三电阻R2的另一端与第二储能电容CK2的另一端及第二晶闸管SCR2的阴极相连接。
本发明还包括本功率子模块主控板及相邻功率子模块主控板，其中，本功率子模块主控板及相邻功率子模块主控板与第一晶闸管SCR1的门极之间通过光纤相连接。
参考图4，本发明所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路方法包括：
设正常电压为IGCT-MMC功率子模块在正常运行过程中可能出现的最大电容电压值，当IGCT-MMC功率子模块在正常电压以下发生故障需要旁路时，则控制第一晶闸管SCR1导通，第一线圈KM1及其触发回路完成旁路操作；
设第一阈值电压为IGCT-MMC功率子模块发生故障，且第一线圈KM1及其触发回路未完成旁路动作，预设时间内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时认为已发生多重故障，则通过相邻功率子模块主控板下发旁路命令，继续使用第一线圈KM1及其触发回路进行旁路操作；
设第二阈值电压为IGCT-MMC功率子模块发生故障，且第一线圈KM1及其触发回路在执行相邻功率子模块主控板的旁路命令后未完成旁路动作，在预设时间段内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时不再使用第一线圈KM1及其触发回路进行旁路操作，启动旁路触发板的故障重触发功能，使第二线圈KM2及其触发回路进行旁路操作；
设第三阈值电压为第二线圈KM2及其触发回路未完成旁路动作，在预设时间段内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时认为第二线圈KM2及其触发回路失效无法完成旁路触发；
当IGCT-MMC功率子模块的电容电压到达所述预设器件耐压值时，第二IGCT器件S2过压触发回路动作，直接导通第二IGCT器件S2，将故障的IGCT-MMC功率子模块切除。
所述器件耐压值为IGCT-MMC功率子模块中使用的IGCT器件的断态重复峰值电压；正常电压、第一阈值电压、第二阈值电压、第三阈值电压及器件耐压值依次逐渐增大。
本发明具有以下特点：
1)IGCT-MMC功率子模块中包括旁路触发板，在IGCT-MMC功率子模块发生故障后同时执行触发命令，避免单触发回路断线造成的旁路开关K拒动情况。
2)在IGCT-MMC功率子模块中的旁路触发板具有故障重触发功能，能够在取能电源失效后完成旁路开关K动作并上送可用信息。
3)在IGCT-MMC功率子模块中旁路开关K包含第一线圈KM1及第二线圈KM2，其中第一线圈KM1作为主线圈，第二线圈KM2作为冗余线圈，在主线圈失效后通过冗余线圈及其触发回路触发旁路开关K动作，将故障IGCT-MMC功率子模块切出系统。
4)IGCT-MMC功率子模块中的旁路触发板能够接受来自相邻IGCT-MMC功率子模块的旁路触发命令，将故障功IGCT-MMC功率子模块切出系统。
5)在IGCT功率子模块中包含IGCT过压触发回路，在设定阈值电压范围内触发旁路开关K，将故障IGCT-MMC功率子模块切出系统。
6)在IGCT-MMC功率子模块中包含过压击穿器件，在直流电容C电压到达设定阈值后，主动开通第二IGCT器件S2将故障功率子模块切出系统。
Claims (10)
1.一种用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统，其特征在于，包括旁路开关(K)、IGCT-MMC功率子模块、故障重触发电路及IGCT过压触发回路，其中，IGCT-MMC功率子模块包括旁路触发板、第一IGCT器件(S1)、第二IGCT器件(S2)、第一快恢复二极管(D1)、第二快恢复二极管(D2)、直流电容(C)、箝位电容(CcL)、箝位二极管(DcL)、阳极电抗(Li)及箝位电阻(Rs)；旁路触发板包括第一晶闸管(SCR1)、第二晶闸管(SCR2)、第一储能电容(CK1)及第二储能电容(CK2)；
第一IGCT器件(S1)的一端与阳极电抗(Li)的一端及箝位二极管(DcL)的正极相连接，第一IGCT器件(S1)的另一端与旁路开关(K)的一端及第二IGCT器件(S2)的一端相连接，阳极电抗(Li)的另一端与箝位电阻(Rs)的一端、直流电容(C)的一端、IGCT过压触发回路的一端及故障重触发电路的一端相连接，箝位二极管(DcL)的负极及箝位电阻(Rs)的另一端与箝位电容(CcL)的一端相连接，箝位电容(CcL)的另一端、故障重触发电路的另一端、第二IGCT器件(S2)的另一端及直流电容(C)的另一端均与旁路开关(K)的另一端相连接；IGCT过压触发回路的另一端与第二IGCT器件(S2)的门极相连接；
第一晶闸管(SCR1)的阳极经旁路开关(K)内的第一线圈(KM1)与第一储能电容(CK1)的一端相连接，第一晶闸管(SCR1)的阴极与第一储能电容(CK1)的另一端相连接；第二晶闸管(SCR2)的阳极经旁路开关(K)内的第二线圈(KM2)与第二储能电容(CK2)的一端相连接，第二储能电容(CK2)的另一端与第二晶闸管(SCR2)的阴极及故障重触发电路相连接，故障重触发电路与第二晶闸管(SCR2)的门极相连接。
2.根据权利要求1所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统，其特征在于，第一IGCT器件(S1)与第一快恢复二极管(D1)并联连接。
3.根据权利要求1所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统，其特征在于，第二IGCT器件(S2)与第二快恢复二极管(D2)并联连接。
4.根据权利要求1所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统，其特征在于，第一储能电容(CK1)并联连接有取能电源。
5.根据权利要求1所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统，其特征在于，所述故障重触发电路包括稳压二极管(Z1)、继电器(SK)、第二电阻(R1)及第三电阻(R2)，其中，稳压二极管(Z1)的正极与直流电容(C)相连接，稳压二极管(Z1)的负极与继电器(SK)的电源端相连接，继电器(SK)的一端与第二晶闸管(SCR2)的门极相连接，继电器(SK)的另一端与第二储能电容(CK2)的一端、旁路开关(K)内的第二线圈(KM2)及第二电阻(R1)的一端相连接，第二电阻(R1)的另一端与继电器(SK)的控制端及第三电阻(R2)的一端相连接，第三电阻(R2)的另一端与第二储能电容(CK2)的另一端及第二晶闸管(SCR2)的阴极相连接。
6.根据权利要求1所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统，其特征在于，还包括本功率子模块主控板及相邻功率子模块主控板，其中，本功率子模块主控板及相邻功率子模块主控板与第一晶闸管(SCR1)的门极相连接。
7.根据权利要求6所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统，其特征在于，功率子模块主控板及相邻功率子模块主控板与第一晶闸管(SCR1)的门极之间通过光纤相连接。
8.一种用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路方法，其特征在于，基于权利要求1所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路系统，包括：
设正常电压为IGCT-MMC功率子模块在正常运行过程中可能出现的最大电容电压值，当IGCT-MMC功率子模块在正常电压以下发生故障需要旁路时，则控制第一晶闸管(SCR1)导通，第一线圈(KM1)及其触发回路完成旁路操作；
设第一阈值电压为IGCT-MMC功率子模块发生故障，且第一线圈(KM1)及其触发回路未完成旁路动作，预设时间内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时认为已发生多重故障，则通过相邻功率子模块主控板下发旁路命令，继续使用第一线圈(KM1)及其触发回路进行旁路操作；
设第二阈值电压为IGCT-MMC功率子模块发生故障，且第一线圈(KM1)及其触发回路在执行相邻功率子模块主控板的旁路命令后未完成旁路动作，在预设时间段内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时不再使用第一线圈(KM1)及其触发回路进行旁路操作，启动旁路触发板的故障重触发功能，使第二线圈(KM2)及其触发回路进行旁路操作；
设第三阈值电压为第二线圈(KM2)及其触发回路未完成旁路动作，在预设时间段内IGCT-MMC功率子模块电容电压的最大值，此时认为第二线圈(KM2)及其触发回路失效无法完成旁路触发；
当IGCT-MMC功率子模块的电容电压到达预设器件耐压值时，第二IGCT器件(S2)过压触发回路动作，直接导通第二IGCT器件(S2)，将故障的IGCT-MMC功率子模块切除。
9.根据权利要求8所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路方法，其特征在于，所述器件耐压值为IGCT-MMC功率子模块中使用的IGCT器件的断态重复峰值电压。
10.根据权利要求8所述的用于IGCT-MMC柔性直流输电换流阀的可靠旁路方法，其特征在于，正常电压、第一阈值电压、第二阈值电压、第三阈值电压及器件耐压值依次逐渐增大。
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