CN114079372B - 柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置及其方法，该装置将阀塔中每一层柔直子模块作为一个单元，该单元中每个子模块的高压电源除为本模块供电(DC1)外，还作为冗余供电电源为相邻的子模块供电(DC2)，而每个子模块优先使用本模块的高压电源，按照如此方式，该单元中所有子模块的冗余供电构成一个环形结构，保证每个子模块具备双路电源供电(DC1、DC2)，使其在失去本模块高压电源供电时，可通过临近的高压电源供电，提高子模块供电可靠性；另外，当本模块故障致使合旁路时，为避免冗余电源继续为本模块供电，将开关管串入冗余供电回路，通过检测本模块旁路开关常开触点来控制开关管关断，从而切除本模块的冗余供电。

Description

柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置及其方法
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置及方法。
背景技术
柔性直流输电换流阀作为电能变换的核心设备，其由多个阀塔构成，每个阀塔又分为多层，每层有数十的子模块，即：成百上千的子模块构成了整个换流阀。每个换流阀都设计有数个乃至几十个冗余子模块，当子模块故障被切除时，需依靠冗余模块的投入保证换流阀正常运行，但子模块故障过多，超过子模块冗余数时，换流阀设备会跳闸，影响整个供电系统，因此子模块的正常运行显得十分重要。
子模块的正常运行离不开供电的可靠性，目前，由于高压电源价格较高，考虑经济性，子模块常常采用单一高压电源进行供电。子模块运行过程中，一旦高压电源故障，则该模块将会被切除，退出运行，因此，子模块电源可靠性有待提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置及其方法，保证子模块在发生本模块高压电源故障时，可通过冗余供电继续正常运行；另外，当本模块由于故障被旁路开关切除时，无需继续进行供电，通过切除冗余供电的方式，避免本模块继续带电。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
本发明的第一方面提供了一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，将换流阀阀塔中每一层柔直子模块作为一个单元，该单元包括N个子模块，N≥2；每个子模块包括旁路开关K、电容C0、高压电源和控制器；
每个子模块的高压电源除为本子模块供电(DC1)外，还作为冗余供电电源(DC2)，为相邻的子模块供电，每个子模块具备双路电源供电(DC1、DC2)，并优先使用本子模块的高压电源供电。
进一步的，所述N个子模块的冗余供电电源组成环形结构，每个子模块的控制器由本子模块的高压电源和相邻子模块的高压电源供电；
该环形结构包括：第n个子模块的控制器由该第n个子模块的高压电源和第n-1个子模块的高压电源供电，第1个子模块的控制器由该第1个子模块的高压电源和第N个子模块的高压电源供电。
进一步的，所述优先使用本子模块的高压电源供电包括：在相邻子模块的高压电源给本子模块控制器的供电路线中串联稳压管D3。
进一步的，在相邻子模块的高压电源给本子模块控制器的供电路线中串联开关管K1，通过检测旁路开关K的状态以控制开关管K1的关断，从而切除冗余电源。
进一步的，所述旁路开关K包括控制线圈、主触点K和辅助触点；
控制线圈包括正极XQ_P和负极XQ_N；辅助触点包括常开触点CD_K、常闭触点CD_B、公共触点CD_G；
主触点K与子模块桥臂中的一个IGBT并联，公共触点CD_G接地GND；
子模块正常运行时，常闭触点CD_B与公共触点连接、常开触点CD_K与公共触点断开；当子模块故障，旁路闭合时，常闭触点CD_B与公共触点断开，常开触点CD_K与公共触点连接。
进一步的，还包括常开触点检测及控制回路，通过检测旁路开关常开触点CD_K的电压以控制开关管K1的关断。
进一步的，当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源正常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源异常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关闭合时，相邻的冗余供电电源被切断，不为该子模块的控制器供电。
进一步的，所述常开触点检测及控制回路包括两个作为开关管的三极管K1、K2、一个稳压管D4和若干电阻组成；
当本子模块旁路开关K未闭合时，旁路开关常闭触点带电，从而使开关管K1导通，进而使开关管K2导通，冗余供电电源接入本子模块供电主回路；
当本子模块旁路开关闭合时，旁路开关常闭触点电位为0，从而使开关管K1关断，进而使开关管K2关断，冗余供电电源从本子模块供电主回路切除。
进一步的，所述旁路开关的常开触点CD_K通过电阻R6和R7分压供电。
本发明的第二方面提供了一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除方法，采用如前所述的装置执行，包括如下步骤：
检测子模块的高压电源以及该子模块的旁路开关的状态，根据所述状态控制冗余供电电源的供电。
进一步的，当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源正常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源异常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关闭合时，相邻的冗余供电电源被切断，不为该子模块的控制器供电。
进一步的，当本子模块无故障时，其旁路开关常闭触点电位大于0V，控制开关管导通，冗余供电电源接入本子模块供电系统中；当本子模块发生故障被旁路时，其旁路开关常闭触点电位等于0V，控制开关管断开，冗余供电从本子模块供电系统中切除。
综上所述，本发明提供了一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置及其方法，该装置将阀塔中每一层柔直子模块作为一个单元，该单元中每个子模块的高压电源除为本模块供电(DC1)外，还作为冗余供电电源为相邻的子模块供电(DC2)，而每个子模块优先使用本模块的高压电源，按照如此方式，该单元中所有子模块的冗余供电构成一个环形结构，保证每个子模块具备双路电源供电(DC1、DC2)，使其在失去本模块高压电源供电时，可通过临近的高压电源供电，提高子模块供电可靠性；另外，当本模块故障致使合旁路时，为避免冗余电源继续为本模块供电，将开关管串入冗余供电回路，通过检测本模块旁路开关常开触点来控制开关管关断，从而切除本模块的冗余供电。
本发明的有益技术效果：
1、柔直子模块具备双路电源供电，提高供电可靠性；
2、柔直子模块在具备双路电源供电时，无需增加一倍的高压电源，只需增加两根导线，具有经济性；
3、冗余供电可在本模块故障时控制关断，避免故障模块继续带电，具有安全性。
附图说明
图1是本发明实施例以半桥子模块为例所述的子模块供电示意图；
图2是本发明实施例以4个半桥子模块为例所述的冗余供电环形示意图；
图3是本发明实施例所述的冗余供电具体方式；
图4是本发明实施例所述的本模块旁路开关接线示意图；
图5是本发明实施例所述的冗余供电切除方法。
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。
本发明的第一方面提供了一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，将换流阀阀塔中每一层柔直子模块作为一个单元，该单元包括N个子模块，N≥2；每个子模块包括旁路开关K、电容C0、高压电源和控制器；每个子模块的高压电源除为本子模块供电(DC1)外，还作为冗余供电电源(DC2)，为相邻的子模块供电，每个子模块具备双路电源供电(DC1、DC2)，并优先使用本子模块的高压电源供电。
具体的，如图1所示，为本发明所提出的一种柔直子模块冗余供电方式，为方便说明，本次以半桥子模块为例，但不限于半桥子模块。如图1所示，子模块由旁路开关K、电容C0、高压电源、控制器等组成，旁路开关K并联连接在半桥子模块的一个IGBT两端；电容C0并联连接在半桥子模块两端。其中电容C0的电压作为高压电源的输入电压，高压电源输出电压为控制器提供电能。
如图1所示，高压电源输出两路电源，分别为DC1、DC2，其中DC1作为供电电源，为本模块控制器提供电能；而DC2为作为冗余供电电源为其他模块供电。
进一步的，所述N个子模块的冗余供电电源组成环形结构，每个子模块的控制器由本子模块的高压电源和相邻子模块的高压电源供电；该环形结构包括：第n个子模块的控制器由该第n个子模块的高压电源和第n-1个子模块的高压电源供电，第1个子模块的控制器由该第1个子模块的高压电源和第N个子模块的高压电源供电。具体的，如图2所示，由多个子模块冗余供电电源DC2组成了环形结构，保证每个子模块控制器都有两路电源供电(DC1、DC2)，图2中以N＝4为例，子模块1的控制器由子模块1的高压电源和子模块4的高压电源供电；子模块2的控制器由子模块2的高压电源和子模块1的高压电源供电；子模块3的控制器由子模块3的高压电源和子模块2的高压电源供电；子模块4的控制器由子模块4的高压电源和子模块3的高压电源供电，构成一个环状供电结构。
进一步的，优先使用本子模块的高压电源供电包括：在相邻子模块的高压电源给本子模块控制器的供电路线中串联稳压管D3。具体的，如图3所示，通过在冗余供电回路串入稳压管D3的方式，优先使用DC1电源。
以子模块2为例，当子模块2的高压电源正常时，子模块2的电源DC1、子模块1的电源DC2都为子模块2控制器供电，但由于冗余供电DC2回路串入稳压管D3的原因，子模块2控制器优先使用DC1电源；当子模块2的高压电源故障时，该高压电源输出DC1电源异常，此时可通过子模块1的冗余电源DC2为子模块2的控制器供电，即：子模块1的高压电源同时为子模块1控制器、子模块2控制器供电。
此种供电方式保证了本模块高压电源故障时，可通过临近模块的高压电源供电，大大提高了子模块电源的供电可靠性，且无需增加额外的高压电源，只需增加两根导线即可，具备较好的经济性。
进一步的，在相邻子模块的高压电源给本子模块控制器的供电路线中串联开关管K1，通过检测旁路开关K的状态以控制开关管K1的关断，从而切除冗余电源。
另外，当子模块2故障，旁路开关主触点K闭合时，子模块2的高压电源会由于子模块2电容电压不断降低而不再输出电压DC1，此时由于冗余供电的原因，临近的子模块1高压电源会继续为子模块2控制器供电DC2，但故障子模块2由于旁路闭合已退出系统，因此故障子模块2的控制器已无需带电。为此，如图3所示，本发明提出在冗余电源DC2供电回路串入开关管K1，通过检测旁路开关常开触点的方式控制开关管关断K1，从而切除冗余电源DC2。
进一步的，所述旁路开关K包括控制线圈、主触点K和辅助触点；控制线圈包括正极XQ_P和负极XQ_N；辅助触点包括常开触点CD_K、常闭触点CD_B、公共触点CD_G；主触点K与子模块桥臂中的一个IGBT并联，公共触点CD_G接地GND；子模块正常运行时，常闭触点CD_B与公共触点连接、常开触点CD_K与公共触点断开；当子模块故障，旁路闭合时，常闭触点CD_B与公共触点断开，常开触点CD_K与公共触点连接。具体的，如图4所示，子模块旁路开关由控制线圈(正极XQ_P、负极XQ_N)、主触点K、辅助触点(常开触点CD_K、常闭触点CD_B、公共触点CD_G)组成。其中，主触点K按图1、图2所示接入回路中，公共触点CD_G接GND，子模块正常运行时，常闭触点CD_B与公共触点连接、常开触点CD_K与公共触点断开；当子模块故障，旁路闭合时，常闭触点CD_B与公共触点断开，常开触点CD_K与公共触点连接。
进一步的，还包括常开触点检测及控制回路，通过检测旁路开关常开触点CD_K的电压以控制开关管K1的关断，从而切除冗余电源DC2的供电。所述常开触点检测及控制回路包括两个作为开关管的三极管K1、K2、一个稳压管D4和若干电阻组成；当本子模块旁路开关K未闭合时，旁路开关常闭触点带电，从而使开关管K1导通，进而使开关管K2导通，冗余供电电源接入本子模块供电主回路；当本子模块旁路开关闭合时，旁路开关常闭触点电位为0，从而使开关管K1关断，进而使开关管K2关断，冗余供电电源从本子模块供电主回路切除。
进一步的，当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源正常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源异常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；当子模块旁路开关闭合时，相邻的冗余供电电源被切断，不为该子模块的控制器供电。
具体的，如图5所示，当子模块旁路未闭合且电源DC1正常时，子模块电源DC1、冗余电源DC2共同为控制器供电，其中旁路开关常开触点CD_K电压通过电阻R6、R7分压得到，由于常开触点电压的原因，导致开关管K2、K1相继导通，K1导通后，冗余电源DC2接入供电主回路，为子模块控制器供电。
当子模块旁路未闭合且电源DC1异常时，子模块冗余电源DC2单独为控制器供电，其中旁路开关常开触点CD_K通过电阻R6、R7分压得到电压，由于常开触点电压的原因，导致开关管K2、K1相继导通，K1导通后，冗余电源DC2接入供电主回路，为子模块控制器供电。
当子模块旁路闭合时，常开触点CD_K与公共触点连接，电位降为0V，此时导致开关管K2、K1相继关断，K1关断后，冗余电源DC2供电被切断，避免为子模块控制器继续供电。
本发明的第二方面提供了一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除方法，采用如前所述的装置执行，包括如下步骤：
检测子模块的高压电源以及该子模块的旁路开关的状态，根据所述状态控制冗余供电电源的供电。
进一步的，当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源正常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源异常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关闭合时，相邻的冗余供电电源被切断，不为该子模块的控制器供电。
进一步的，当本子模块无故障时，其旁路开关常闭触点电位大于0V，控制开关管导通，冗余供电电源接入本子模块供电系统中；当本子模块发生故障被旁路时，其旁路开关常闭触点电位等于0V，控制开关管断开，冗余供电从本子模块供电系统中切除。
综上所述，本发明提供了一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置及其方法，该装置将阀塔中每一层柔直子模块作为一个单元，该单元中每个子模块的高压电源除为本模块供电(DC1)外，还作为冗余供电电源为相邻的子模块供电(DC2)，而每个子模块优先使用本模块的高压电源，按照如此方式，该单元中所有子模块的冗余供电构成一个环形结构，保证每个子模块具备双路电源供电(DC1、DC2)，使其在失去本模块高压电源供电时，可通过临近的高压电源供电，提高子模块供电可靠性；另外，当本模块故障致使合旁路时，为避免冗余电源继续为本模块供电，将开关管串入冗余供电回路，通过检测本模块旁路开关常开触点来控制开关管关断，从而切除本模块的冗余供电。
本发明的有益技术效果：
1、柔直子模块具备双路电源供电，提高供电可靠性；
2、柔直子模块在具备双路电源供电时，无需增加一倍的高压电源，只需增加两根导线，具有经济性；
3、冗余供电可在本模块故障时控制关断，避免故障模块继续带电，具有安全性。
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 (11)

1.一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，其特征在于，将换流阀阀塔中每一层柔直子模块作为一个单元，该单元包括N个子模块，N≥2；每个子模块包括旁路开关K、电容C0、高压电源和控制器；
每个子模块的高压电源除为本子模块供电(DC1)外，还作为冗余供电电源(DC2)，为相邻的子模块供电，每个子模块具备双路电源供电(DC1、DC2)，并优先使用本子模块的高压电源供电；
在相邻子模块的高压电源给本子模块控制器的供电路线中串联开关管K1，通过检测旁路开关K的状态以控制开关管K1的关断，从而切除冗余电源。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，其特征在于，所述N个子模块的冗余供电电源组成环形结构，每个子模块的控制器由本子模块的高压电源和相邻子模块的高压电源供电；
该环形结构包括：第n个子模块的控制器由该第n个子模块的高压电源和第n-1个子模块的高压电源供电，第1个子模块的控制器由该第1个子模块的高压电源和第N个子模块的高压电源供电。
3.根据权利要求1或2所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，其特征在于，所述优先使用本子模块的高压电源供电包括：在相邻子模块的高压电源给本子模块控制器的供电路线中串联稳压管D3。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，其特征在于，所述旁路开关K包括控制线圈、主触点K和辅助触点；
控制线圈包括正极XQ_P和负极XQ_N；辅助触点包括常开触点CD_K、常闭触点CD_B、公共触点CD_G；
主触点K与子模块桥臂中的一个IGBT并联，公共触点CD_G接地GND；
子模块正常运行时，常闭触点CD_B与公共触点连接、常开触点CD_K与公共触点断开；当子模块故障，旁路闭合时，常闭触点CD_B与公共触点断开，常开触点CD_K与公共触点连接。
5.根据权利要求4所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，其特征在于，还包括常开触点检测及控制回路，通过检测旁路开关常开触点CD_K的电压以控制开关管K1的关断。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，其特征在于，当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源正常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源异常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关闭合时，相邻的冗余供电电源被切断，不为该子模块的控制器供电。
7.根据权利要求5或6所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，其特征在于，所述常开触点检测及控制回路包括两个作为开关管的三极管K1、K2、一个稳压管D4和若干电阻组成；
当本子模块旁路开关K未闭合时，旁路开关常闭触点带电，从而使开关管K1导通，进而使开关管K2导通，冗余供电电源接入本子模块供电主回路；
当本子模块旁路开关闭合时，旁路开关常闭触点电位为0，从而使开关管K1关断，进而使开关管K2关断，冗余供电电源从本子模块供电主回路切除。
8.根据权利要求7所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除装置，其特征在于，所述旁路开关的常开触点CD_K通过电阻R6和R7分压供电。
9.一种柔性直流输电子模块冗余供电及切除方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的装置执行，包括如下步骤：
检测子模块的高压电源以及该子模块的旁路开关的状态，根据所述状态控制冗余供电电源的供电。
10.根据权利要求9所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除方法，其特征在于，当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源正常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关未闭合且本子模块的高压电源异常时，相邻的冗余供电电源接入供电主回路，为该子模块的控制器供电；
当子模块旁路开关闭合时，相邻的冗余供电电源被切断，不为该子模块的控制器供电。
11.根据权利要求10所述的柔性直流输电子模块冗余供电及切除方法，其特征在于，当本子模块无故障时，其旁路开关常闭触点电位大于0V，控制开关管导通，冗余供电电源接入本子模块供电系统中；当本子模块发生故障被旁路时，其旁路开关常闭触点电位等于0V，控制开关管断开，冗余供电从本子模块供电系统中切除。
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