CN113659605A - 柔直输电igct-mmc子模块的冗余供电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔直输电IGCT‑MMC子模块的冗余供电系统及方法，冗余供电系统包括高位取能电源、就地控制器、旁路开关控制器以及IGCT驱动器；所述的高位取能电源包括输入滤波模块，并列与输入滤波模块相连的若干个第一级反激电路单元，以及连接在每一个第一级反激电路单元上的第二级低压单元；所述的就地控制器和旁路开关控制器上均冗余设置有若干个电源模块，每个第二级低压单元与每个电源模块一一对应连接；所述的每个第一级反激电路单元分别连接一个IGCT驱动器；所述的就地控制器向旁路开关控制器发送旁路指令，旁路开关控制器实现子模块的旁路和切除。本发明能够降低高位取能电源体积、重量和成本，且可靠性高，易于实现。

Description

柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统及方法
技术领域
本发明属于高压柔性直流输电领域，具体涉及一种柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统及方法。
背景技术
基于集成门极换流晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)由若干级联IGCT-MMC子模块构成，用于高压柔性直流系统中实现交流和直流电能间的相互转换。IGCT-MMC子模块结构紧凑，电压、电流等级高，运行环境恶劣，如何实现内部各类控制器的高可靠供电是其关键难点。
集成门极换流晶闸管为典型的电流控制型电力电子器件，驱动器功耗大，典型应用中单器件的驱动功耗高达数十瓦。MMC中为提高子模块的供电可靠性，常采用冗余供电的方式，即通过配置完全独立的两台电源，实现子模块内各控制器的冗余供电。然而，由于IGCT的驱动功率大，如果采用传统完全双重化的冗余供电系统及方法，将会导致电源的体积、重量和成本的成倍增加，这不利于子模块结构的轻型化和紧凑化设计。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统及方法，能够大幅降低电源体积、重量和成本，且可靠性高，易于实现。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，包括高位取能电源、就地控制器、旁路开关控制器以及IGCT驱动器；所述的高位取能电源包括输入滤波模块，并列与输入滤波模块相连的若干个第一级反激电路单元，以及连接在每一个第一级反激电路单元上的第二级低压单元；所述的就地控制器和旁路开关控制器上均冗余设置有若干个电源模块，每个第二级低压单元与每个电源模块一一对应连接；所述的每个第一级反激电路单元分别连接一个IGCT驱动器；所述的就地控制器向旁路开关控制器发送旁路指令，旁路开关控制器实现子模块的旁路和切除。
作为本发明冗余供电系统的一种优选方案，所述的高位取能电源还包括若干个电源检测单元，每个第一级反激电路单元与连接在其上的第二级低压单元连接一个电源检测单元，每个电源检测单元采集电源故障检测信号分别发送给就地控制器。
作为本发明冗余供电系统的一种优选方案，所述就地控制器和旁路开关控制器上的电源模块均具备输入电压检测功能。
作为本发明冗余供电系统的一种优选方案，所述的旁路开关控制器在电源故障时通过光缆上送告警信号至就地控制器。
作为本发明冗余供电系统的一种优选方案，所述的就地控制器根据其内部电源模块的输入电压检测结果，结合高位取能电源的电源输出和旁路开关控制器上送的告警信号，判断电源故障类型及其威胁程度，选择维持子模块运行或使子模块旁路和切除。
作为本发明冗余供电系统的一种优选方案，所述的电源故障类型包括电源输入过欠压、各输出端口过欠压和短路。
作为本发明冗余供电系统的一种优选方案，所述的电源故障类型及其威胁程度通过各故障信号的逻辑判断得出。
作为本发明冗余供电系统的一种优选方案，如果第一级反激电路单元发送给IGCT驱动器的电源输出异常时，则就地控制器判断IGCT驱动供电故障，发送旁路指令至旁路开关控制器，使子模块旁路和切出；而如果是任意一个第二级低压单元的电源输出或任意一个就地控制器和旁路开关控制器内部电源异常时，则就地控制器继续维持子模块运行，待停电检修时处理。
作为本发明冗余供电系统的一种优选方案，所述的第一级反激电路单元输出35V电压给IGCT驱动器，每个第二级低压单元分别输出15V电压和400V电压给就地控制器和旁路开关控制器的电源模块。
本发明还提出一种基于所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统的冗余供电方法，包括以下步骤：
第一级反激电路单元为所连接的IGCT驱动器提供独立的隔离供电电源；
第二级低压单元为就地控制器和旁路开关控制器提供冗余的供电电源；
当出现电源故障时，就地控制器依据电源故障类型及其威胁程度，选择维持子模块运行，或向旁路开关控制器发送旁路指令实现子模块的旁路和切除。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：
无需额外配置冗余的高位取能电源，单台子模块仅需配置一台高位取能电源即可满足子模块的正常运行，高位取能电源设置两级电源电压变换器，即第一级反激电路单元和第二级低压单元，第一级反激电路单元为各IGCT驱动器供电，第二级低压单元从不同且独立的第一级反激电路单元取能，输出端分别连接就地控制器和旁路开关控制器，从而实现就地控制控制器和旁路开关触发器的冗余供电。由于高功率IGCT驱动器所需的工作电源取自高位取能电源不同的第一级反激电路单元，降低了反激式开关电路的设计和实现难度。就地控制器和旁路开关控制器电源取自不同的电源支路，单一电路不会影响控制器工作及子模块旁路和切除。本发明相较于现有的供电方案，能够大幅的降低高位取能电源体积、重量和成本。
进一步的，本发明的高位取能电源还包括若干个电源检测单元，每个第一级反激电路单元与连接在其上的第二级低压单元连接一个电源检测单元，每个电源检测单元采集电源故障检测信号分别发送给就地控制器和旁路开关控制器。当出现电源故障时，就地控制器依据电源故障类型及其威胁程度，选择维持子模块运行，或向旁路开关控制器发送旁路指令实现子模块的旁路和切除。其中，电源故障类型包括电源输入过欠压、各输出端口过欠压和短路。本发明能够实现电源故障的及时发现与处理，提供供电系统故障的有效保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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本发明柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统结构示意图；
附图中：1-高位取能电源；2-就地控制器；3-旁路开关控制器；4-IGCT驱动器；5-电源模块；11-输入滤波模块；12-第一级反激电路单元；13-第二级低压单元；14-电源检测单元。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1，本发明提出的柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，包括高位取能电源1、就地控制器2、旁路开关控制器3以及IGCT驱动器4。在一种实施例中，高位取能电源1包括输入滤波模块11，并列与输入滤波模块11相连的两个第一级反激电路单元12，以及连接在每一个第一级反激电路单元12上的第二级低压单元13；高位取能电源1还包括两个电源检测单元14，每个第一级反激电路单元12与连接在其上的第二级低压单元13连接一个电源检测单元14，每个电源检测单元14采集电源故障检测信号分别发送给就地控制器2和旁路开关控制器3。就地控制器2和旁路开关控制器3上均冗余设置有两个电源模块5，每个第二级低压单元13与每个电源模块5一一对应连接；输入滤波模块11连接在子模块直流电容的两端，每个第一级反激电路单元12分别连接一个IGCT驱动器4；就地控制器2向旁路开关控制器3发送旁路指令，旁路开关控制器3实现子模块的旁路和切除。实施例供电系统适用于包含2只IGCT器件的半桥MMC子模块，对于其它拓扑类型的子模块，类似冗余供电系统和方法同样适用。
其中，第一级反激电路单元A输出电压35V，为IGCT驱动器A和第二级低压单元A供电；第一级反激电路单元B输出电压35V，为IGCT驱动器B和第二级低压单元B供电。第二级低压单元A和第二级低压单元B各包含一路15V和一路400V输出，交叉供给就地控制器和旁路开关控制器内部两个独立的电源模块。电源检测单元14具有电源输入过欠压、各输出端口过欠压和短路故障检测功能，并通过光缆上送就地控制器2电源故障检测信号。
就地控制器2和旁路开关控制器3内部均包含两个独立的电源模块5，分别连接高位取能电源1的两路独立输出端，即可实现就地控制器2和旁路开关控制器3的冗余供电。
就地控制器2和旁路开关控制器3上的电源模块5均具备输入电压检测功能。旁路开关控制器3在电源故障时通过光缆上送告警信号至就地控制器2。就就地控制器2结合高位取能电源1上送的电源故障检测信号和旁路开关控制器3上送的告警信号，依据电源故障类型及威胁程度，选择维持子模块运行或使子模块旁路和切除。电源故障类型及其威胁程度通过各故障信号的逻辑判断得出。电源故障类型包括电源输入过欠压、各输出端口过欠压和短路。
本发明基于所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统的冗余供电方法，包括：
第一级反激电路单元12为所连接的IGCT驱动器4提供独立的隔离供电电源；
第二级低压单元13为就地控制器2和旁路开关控制器3提供冗余的供电电源；
当出现电源故障时，就地控制器2依据电源故障类型及其威胁程度，选择维持子模块运行，或向旁路开关控制器3发送旁路指令实现子模块的旁路和切除。
就地控制器2内部的电源模块5具有输入电压检测功能，同时就地控制器2接收旁路开关控制器3和高位取能电源1的电源故障告警信号。通过各故障信号的逻辑判断，可辨别电源故障类型及其威胁程度。当高位取能电源1的任意一个第一级反激电路单元12故障，导致35V输出异常时，就地控制器2则判断IGCT驱动供电故障，发出旁路指令至旁路开关控制器3，使子模块旁路和切出。当高位取能电源1的任意一路第二级低压单元13，或任意一块就地控制器2和旁路开关控制器3的内部电源异常时，子模块则可继续正常运行，就地控制器2此时仅上送告警信号至阀控系统，以便停电检修时进行处理。
本发明提出的一种柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统及方法有以下优点：
本发明无需额外配置冗余的高位取能电源1，单台子模块仅需配置一台高位取能电源1即可满足子模块正常运行，以及就地控制控制器2和旁路开关控制器3的冗余供电要求。
本发明高位取能电源1设置两级电源电压变换器及故障检测单元，其中第一级电源电压变换器即第一级反激电路单元12，为各IGCT驱动器4供电，第二级两个电源电压变换器即第二级低压单元13，从不同且独立的第一级高压开关电路单元取能，输出端分别连接就地控制器2和旁路开关控制器3，从而实现就地控制控制器和旁路开关触发器的冗余供电。
本发明旁路开关控制器3包含两个独立的电源模块5，分别连接高位取能电源1的两路独立输出端(即第二级低压单元13的输出端)，其内部的电源模块5具备输入电压检测功能，输入过欠压时，可通过光缆将故障告警信号上送至就地控制器2。
本发明就地控制器2包含两个独立的电源模块5，分别连接高位取能电源1两路独立的输出端(即第二级低压单元13的输出端)，其内部的电源模块5具备输入电压检测功能。当就地控制器2检测到电源故障检测信号、旁路开关控制器3的电源电压告警信号和/或自身检测到电源电压异常时，可适时触发旁路开关控制器3，实现子模块可靠旁路和切除。
本发明在节约高位取能电源体积、重量和成本基础上，可实现子模块控制和保护，即就地控制控制器2和旁路开关控制器3的冗余供电，完成供电系统故障的有效保护。
以上结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对其进行各种修改和组合。相应地，以上说明书及说明书附图的内容仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，这些修改和变型也属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内。

Claims (10)

1.一种柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：包括高位取能电源(1)、就地控制器(2)、旁路开关控制器(3)以及IGCT驱动器(4)；所述的高位取能电源(1)包括输入滤波模块(11)，并列与输入滤波模块(11)相连的若干个第一级反激电路单元(12)，以及连接在每一个第一级反激电路单元(12)上的第二级低压单元(13)；所述的就地控制器(2)和旁路开关控制器(3)上均冗余设置有若干个电源模块(5)，每个第二级低压单元(13)与每个电源模块(5)一一对应连接；所述的每个第一级反激电路单元(12)分别连接一个IGCT驱动器(4)；所述的就地控制器(2)向旁路开关控制器(3)发送旁路指令，旁路开关控制器(3)实现子模块的旁路和切除。
2.根据权利要求1所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：所述的高位取能电源(1)还包括若干个电源检测单元(14)，每个第一级反激电路单元(12)与连接在其上的第二级低压单元(13)连接一个电源检测单元(14)，每个电源检测单元(14)采集电源故障检测信号分别发送给就地控制器(2)。
3.根据权利要求1所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：所述就地控制器(2)和旁路开关控制器(3)上的电源模块(5)均具备输入电压检测功能。
4.根据权利要求3所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：所述的旁路开关控制器(3)在电源故障时通过光缆上送告警信号至就地控制器(2)。
5.根据权利要求4所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：所述的就地控制器(2)根据其内部电源模块(5)的输入电压检测结果，结合高位取能电源(1)的电源输出和旁路开关控制器(3)上送的告警信号，判断电源故障类型及其威胁程度，选择维持子模块运行或使子模块旁路和切除。
6.根据权利要求5所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：所述的电源故障类型包括电源输入过欠压、各输出端口过欠压和短路。
7.根据权利要求5所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：所述的电源故障类型及其威胁程度通过各故障信号的逻辑判断得出。
8.根据权利要求5所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：如果第一级反激电路单元(12)发送给IGCT驱动器(4)的电源输出异常时，则就地控制器(2)判断IGCT驱动供电故障，发送旁路指令至旁路开关控制器(3)，使子模块旁路和切出；而如果是任意一个第二级低压单元(13)的电源输出或任意一个就地控制器(2)和旁路开关控制器(3)内部电源异常时，则就地控制器(2)继续维持子模块运行，待停电检修时处理。
9.根据权利要求1所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统，其特征在于：所述的第一级反激电路单元(12)输出35V电压给IGCT驱动器(4)，每个第二级低压单元(13)分别输出15V电压和400V电压给就地控制器(2)和旁路开关控制器(3)的电源模块(5)。
10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述柔直输电IGCT-MMC子模块的冗余供电系统的冗余供电方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一级反激电路单元(12)为所连接的IGCT驱动器(4)提供独立的隔离供电电源；
第二级低压单元(13)为就地控制器(2)和旁路开关控制器(3)提供冗余的供电电源；
当出现电源故障时，就地控制器(2)依据电源故障类型及其威胁程度，选择维持子模块运行，或向旁路开关控制器(3)发送旁路指令实现子模块的旁路和切除。
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