CN114189134B - 一种柔直阀子模块电容过压保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔直阀子模块电容过压保护装置及保护方法，其中电容过压保护装置的电容电压调理模块的输入端与柔直阀子模块的电容连接，其输出端分别与第一保护模块和第二保护模块连接；第一保护模块将电容电压调理模块输出的电容电压值与第一预设电压值进行比较，当电容电压值大于或等于第一预设电压值时通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块；第二保护模块获取电容电压调理单元输出的电容电压值，当电容电压值大于或等于第二预设电压值时，通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块；其中，第二预设电压值大于第一预设电压值。通过采用多重电容过压保护装置，在电容过压时切除柔直阀子模块，提高了整个阀系统运行的安全性。

Description

一种柔直阀子模块电容过压保护装置及保护方法

技术领域

本发明涉及电力设备控制技术领域，特别涉及一种柔直阀子模块电容过压保护装置及保护方法。

背景技术

MMC作为柔性直流输电换流阀的一种重要拓扑，如图1a或图1b所示，其每个子模块常常采用半桥或全桥结构，每个桥臂往往由数十个乃至数百个MMC阀子模块串联组成。为保证出现故障子模块时，柔直阀的安全、可靠、正常运行，每个子模块都配置有一个旁路开关，当某一子模块发生严重故障时，通过旁路开关的动作使故障子模块快速切除，否则将危及整个阀系统的安全运行。

电容过压故障作为子模块运行中常见且严重的故障，若保护不当，会引起子模块IGBT击穿，导致子模块电容两端短路，造成子模块爆炸、甚至着火，进而对整个输电系统造成的后果不堪设想。因此，如何保证在子模块发生电容过压时，可安全、可靠的切除故障子模块显得尤为重要。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种柔直阀子模块电容过压保护装置及保护方法，通过采用多重电容过压保护装置，通过旁路驱动单元作为电容过压保护的执行机构，驱动旁路开关动作，在电容过压时切除柔直阀子模块，保证柔直阀子模块发生电容过压时可安全切除，提高了整个阀系统运行的安全性，减低了电容过压故障造成的危害。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种柔直阀子模块电容过压保护装置，包括：电容电压调理模块、第一保护模块和第二保护模块；

所述电容电压调理模块的输入端与所述柔直阀子模块的电容连接，其输出端分别与所述第一保护模块和第二保护模块连接；

所述第一保护模块包括：控制单元，所述控制单元将所述电容电压调理模块输出的电容电压值与第一预设电压值进行比较，当所述电容电压值大于或等于所述第一预设电压值时通过旁路驱动单元控制与所述柔直阀子模块相对应的旁路开关切除所述柔直阀子模块；

所述第二保护模块包括：比较器单元，所述比较器单元的正相输入端与所述电容电压调理模块的输出端连接，所述比较器单元的负相输入端与基准电源连接，所述基准电源的电压值为第二预设电压值，当所述电容电压调理单元输出的所述电容电压值大于或等于所述第二预设电压值时，所述比较器单元输出电平翻转，通过所述旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块；

其中，所述第二预设电压值大于所述第一预设电压值。

进一步地，所述柔直阀子模块电容过压保护装置还包括：第三保护模块；

所述第三保护模块与所述柔直阀子模块电容并联连接，其包括：BOD二极管，当所述电容电压值大于或等于所述BOD二极管的击穿电压时，通过所述旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块；

其中，所述BOD二极管的击穿电压值为第三预设电压值，所述第三预设电压值大于所述第二预设电压值。

进一步地，所述柔直阀子模块电容过压保护装置还包括：第四保护模块；

所述第四保护模块与所述旁路开关并联连接，其包括：与所述旁路开关反向并联的晶闸管；

当所述电容电压值大于所述晶闸管的击穿电压值时，所述晶闸管被击穿，所述柔直阀子模块被短路；

其中，所述晶闸管的击穿电压值为第四预设电压值，所述第四预设电压值大于所述第三预设电压值。

进一步地，所述电容电压调理模块包括：依次连接的第一运算放大器和第二运算放大器；

所述第一运算放大器的正相输入端通过第一电阻与所述柔直阀子模块电容的正极连接，且通过第二电阻接地；

所述第一运算放大器的负相输入端通过第三电阻与所述柔直阀子模块电容的负极连接，且通过第四电阻接地；

所述第二运算放大器的输出端与所述电容电压调理模块的输出端连接。

相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种柔直阀子模块电容过压保护方法，通过上述任一柔直阀子模块电容过压保护装置对柔直阀子模块进行保护，包括如下步骤：

实时检测所述柔直阀子模块的电容电压值；

当所述电容电压值大于或等于第一预设电压值时，第一保护模块通过旁路驱动单元控制旁路开关切除所述柔直阀子模块；

当所述第一保护模块出现故障且所述电容电压值大于或等于第二预设电压值时，第二保护模块通过旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块。

进一步地，所述柔直阀子模块电容过压保护方法还包括：

当所述第一保护模块和所述第二保护模块均出现故障且所述电容电压值大于或等于第三预设电压值时，第三保护模块通过旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块。

进一步地，所述柔直阀子模块电容过压保护方法还包括：

当所述第一保护模块、所述第二保护模块和所述第三保护模块均出现故障且所述电容电压值大于或等于第四预设电压值时，第四保护模块通过旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过采用多重电容过压保护装置，通过旁路驱动单元作为电容过压保护的执行机构，驱动旁路开关动作，在电容过压时切除柔直阀子模块，保证柔直阀子模块发生电容过压时可安全切除，提高了整个阀系统运行的安全性，减低了电容过压故障造成的危害。

附图说明

图1a是MMC柔直阀全桥子模块电气原理图；

图1b是MMC柔直阀半桥子模块电气原理图；

图2是本发明实施例提供的四段式电容过压保护原理示意图；

图3是本发明实施例提供的第一保护模块电容过压保护原理示意图；

图4是本发明实施例提供的第二保护模块电容过压保护原理示意图；

图5是本发明实施例提供的第三保护模块电容过压保护原理示意图；

图6是本发明实施例提供的第四保护模块电容过压保护原理示意图。

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。

图2是本发明实施例提供的四段式电容过压保护原理示意图。

图3是本发明实施例提供的第一保护模块电容过压保护原理示意图。

图4是本发明实施例提供的第二保护模块电容过压保护原理示意图。

请参照图2、图3和图4，本发明实施例的第一方面提供了一种柔直阀子模块电容过压保护装置，包括：电容电压调理模块、第一保护模块和第二保护模块；电容电压调理模块的输入端与柔直阀子模块的电容连接，其输出端分别与第一保护模块和第二保护模块连接；第一保护模块包括：控制单元，控制单元将电容电压调理模块输出的电容电压值与第一预设电压值进行比较，当电容电压值大于或等于第一预设电压值时通过旁路驱动单元控制与柔直阀子模块相对应的旁路开关切除柔直阀子模块；第二保护模块包括：比较器单元，比较器单元的正相输入端与电容电压调理模块的输出端连接，比较器单元的负相输入端与基准电源连接，基准电源的电压值为第二预设电压值，当电容电压调理单元输出的电容电压值大于或等于第二预设电压值时，比较器单元输出电平翻转，通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块；其中，第二预设电压值大于第一预设电压值。

具体的，经电容电压调理模块输出的电容电压值进入AD采样单元，经AD采样后进入控制单元，并与控制单元中的第一预设电压值进行比较，当电容电压值大于或等于第一预设电压值时，通过旁路驱动单元控制与柔直阀子模块相对应的旁路开关切除柔直阀子模块。

图5是本发明实施例提供的第三保护模块电容过压保护原理示意图

进一步地，请参照图5，柔直阀子模块电容过压保护装置还包括：第三保护模块；第三保护模块与柔直阀子模块电容并联连接，其包括：BOD二极管，当电容电压值大于或等于BOD二极管的击穿电压时，通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块。其中，BOD二极管的击穿电压值为第三预设电压值，第三预设电压值大于第二预设电压值。

进一步地，柔直阀子模块电容过压保护装置还包括：与旁路开关并联连接的第四保护模块，第四保护模块包括：与所述旁路开关反向并联的晶闸管。当电容电压值大于晶闸管的击穿电压值时，晶闸管被击穿，柔直阀子模块被短路。其中，晶闸管的击穿电压值为第四预设电压值，第四预设电压值大于第三预设电压值。

图6是本发明实施例提供的第四保护模块电容过压保护原理示意图。

请参照图6，可选的，晶闸管也可以使用柔直阀半桥子模块或全桥子模块内现有的晶闸管器件，只要晶闸管的击穿电压值与第四预设电压值相同即可实现电容过压保护功能。

具体的，电容电压调理模块包括：依次连接的第一运算放大器和第二运算放大器。第一运算放大器的正相输入端通过第一电阻与柔直阀子模块电容的正极连接，且通过第二电阻接地；第一运算放大器的负相输入端通过第三电阻与柔直阀子模块电容的负极连接，且通过第四电阻接地。第二运算放大器的输出端与电容电压调理模块的输出端连接。

相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种柔直阀子模块电容过压保护方法，通过上述任一柔直阀子模块电容过压保护装置对柔直阀子模块进行保护，包括如下步骤：

S100，实时检测柔直阀子模块的电容电压值。

S200，当电容电压值大于或等于第一预设电压值时，第一保护模块通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块。

S300，当第一保护模块出现故障且电容电压值大于或等于第二预设电压值时，第二保护模块通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块。

进一步地，柔直阀子模块电容过压保护方法还包括：

S400，当第一保护模块和第二保护模块均出现故障且电容电压值大于或等于第三预设电压值时，第三保护模块通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块。

进一步地，柔直阀子模块电容过压保护方法还包括：

S500，当第一保护模块、第二保护模块和第三保护模块均出现故障且电容电压值大于或等于第四预设电压值时，第四保护模块通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块。

上述方法具有四段保护，其中，第Ⅱ段保护为第Ⅰ段保护的后备保护，第Ⅲ段保护为第Ⅱ段保护的后备保护，第Ⅳ段保护为第Ⅲ段保护的后备保护。当第Ⅰ段保护通过控制单元处理的方式实现，当子模块电容电压达到第Ⅰ段设定电容过压值即第一预设电压值时，通过子模块控制器来触发第Ⅰ段保护；若控制单元故障，则第Ⅰ段保护不能被触发，从而通过第Ⅱ段保护实现切除故障子模块，第Ⅱ段保护将电容电压与第二预设电压值通过比较器比较并输出的方式实现，当子模块电容电压达到第Ⅱ段设定电容过压值即第二预设电压值时，通过比较器触发第Ⅱ段保护；若由于某种故障，导致第Ⅰ、Ⅱ段保护全部无效，则通过第Ⅲ段保护实现故障子模块的切除，第Ⅲ段保护为基于BOD二极管的击穿保护电路，该电路只与电容电压有关，无需外部电源供电。当电容电压达到第Ⅲ段设定电容过压值即第三预设电压值时，触发第Ⅲ段保护，BOD二极管被击穿，进而驱动旁路开关动作，切除故障子模块；若第Ⅲ段保护由于某种故障(如：器件损坏)导致保护无效，则通过第Ⅳ段保护实现故障子模块的切除，第Ⅳ段保护为基于晶闸管器件的击穿保护，该晶闸管并联于柔直阀子模块端口，当子模块电容电压达到晶闸管击穿时，晶闸管被击穿，故障子模块则被短路切除。

其中，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护具有相同的保护输出出口，都通过旁路驱动电路驱动旁路开关动作，从而切除故障子模块，达到保护子模块的目的。

上述保护方法具有四段，综合考虑了单一元件故障后依然能达到保护子模块的目的，具备较强的可靠性；第Ⅲ段保护无需外部供电，第Ⅳ段保护无需供电，保护本身具备较高的可靠性；第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段具备相同的保护输出出口，无需额外的保护装置，具备较好的经济性。

本发明实施例旨在保护一种柔直阀子模块电容过压保护装置及保护方法，其中电容过压保护装置包括：电容电压调理模块、第一保护模块和第二保护模块；电容电压调理模块的输入端与柔直阀子模块的电容连接，其输出端分别与第一保护模块和第二保护模块连接；第一保护模块包括：控制单元，控制单元将电容电压调理模块输出的电容电压值与第一预设电压值进行比较，当电容电压值大于或等于第一预设电压值时通过旁路驱动单元控制与柔直阀子模块相对应的旁路开关切除柔直阀子模块；第二保护模块包括：比较器单元，比较器单元的正相输入端与电容电压调理模块的输出端连接，比较器单元的负相输入端与基准电源连接，基准电源的电压值为第二预设电压值，当电容电压调理单元输出的电容电压值大于或等于第二预设电压值时，比较器单元输出电平翻转，通过旁路驱动单元控制旁路开关切除柔直阀子模块；其中，第二预设电压值大于第一预设电压值。上述技术方案具备如下效果：

通过采用多重电容过压保护装置，通过旁路驱动单元作为电容过压保护的执行机构，驱动旁路开关动作，在电容过压时切除柔直阀子模块，保证柔直阀子模块发生电容过压时可安全切除，提高了整个阀系统运行的安全性，减低了电容过压故障造成的危害。

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 (5)

1.一种柔直阀子模块电容过压保护装置，其特征在于，包括：电容电压调理模块、第一保护模块和第二保护模块；

所述电容电压调理模块的输入端与所述柔直阀子模块的电容连接，其输出端分别与所述第一保护模块和第二保护模块连接；

所述第一保护模块包括：控制单元，所述控制单元将所述电容电压调理模块输出的电容电压值与第一预设电压值进行比较，当所述电容电压值大于或等于所述第一预设电压值时通过旁路驱动单元控制与所述柔直阀子模块相对应的旁路开关切除所述柔直阀子模块；

所述第二保护模块包括：比较器单元，所述比较器单元的正相输入端与所述电容电压调理模块的输出端连接，所述比较器单元的负相输入端与基准电源连接，所述基准电源的电压值为第二预设电压值，当所述电容电压调理单元输出的所述电容电压值大于或等于所述第二预设电压值时，所述比较器单元输出电平翻转，通过所述旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块；

其中，所述第二预设电压值大于所述第一预设电压值；

还包括：第三保护模块；

所述第三保护模块与所述柔直阀子模块电容并联连接，其包括：BOD二极管，当所述电容电压值大于或等于所述BOD二极管的击穿电压时，通过所述旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块；

其中，所述BOD二极管的击穿电压值为第三预设电压值，所述第三预设电压值大于所述第二预设电压值；

还包括：与所述旁路开关并联连接的第四保护模块；

所述第四保护模块包括：与所述旁路开关反向并联的晶闸管；

当所述电容电压值大于所述晶闸管的击穿电压值时，所述晶闸管被击穿，所述柔直阀子模块被短路；

其中，所述晶闸管的击穿电压值为第四预设电压值，所述第四预设电压值大于所述第三预设电压值。

2.根据权利要求1所述的柔直阀子模块电容过压保护装置，其特征在于，

所述电容电压调理模块包括：依次连接的第一运算放大器和第二运算放大器；

所述第一运算放大器的正相输入端通过第一电阻与所述柔直阀子模块电容的正极连接，且通过第二电阻接地；

所述第一运算放大器的负相输入端通过第三电阻与所述柔直阀子模块电容的负极连接，且通过第四电阻接地；

所述第二运算放大器的输出端与所述电容电压调理模块的输出端连接。

3.一种柔直阀子模块电容过压保护方法，其特征在于，通过权利要求1或2所述的柔直阀子模块电容过压保护装置对柔直阀子模块进行保护，包括如下步骤：

实时检测所述柔直阀子模块的电容电压值；

当所述电容电压值大于或等于第一预设电压值时，第一保护模块通过旁路驱动单元控制旁路开关切除所述柔直阀子模块；

当所述第一保护模块出现故障且所述电容电压值大于或等于第二预设电压值时，第二保护模块通过旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块。

4.根据权利要求3所述的柔直阀子模块电容过压保护方法，其特征在于，还包括：

当所述第一保护模块和所述第二保护模块均出现故障且所述电容电压值大于或等于第三预设电压值时，第三保护模块通过旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块。

5.根据权利要求4所述的柔直阀子模块电容过压保护方法，其特征在于，还包括：

当所述第一保护模块、所述第二保护模块和所述第三保护模块均出现故障且所述电容电压值大于或等于第四预设电压值时，第四保护模块通过旁路驱动单元控制所述旁路开关切除所述柔直阀子模块。