CN115566917A - 模块化多电平换流器、换流阀系统及子模块组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于输电设备控制领域，具体涉及一种模块化多电平换流器、换流阀系统及子模块组网方法。该方案通过光开关将小组内的子模块与阀控间的通信光纤由原来的多收多发简化为1收1发，可使换流阀阀控与子模块通过较少光纤，完成子模块的控制与监视，在保证控制同步性的基础上，能够节约成本，降低铺设难度。并且通过对光开关的设置，还能够及时旁路掉故障的子模块，避免对上行或下行通信过程中的信息传输产生影响；各个子模块接收指令时对指令进行直接转发，保证了接收指令的同步性；上传自身信息方式为相同方向上的分时上送，能够实现不堵塞的串联上送。

Description

模块化多电平换流器、换流阀系统及子模块组网方法

技术领域

本发明属于输电设备控制领域，具体涉及模块化多电平换流器、换流阀系统及子模块组网方法。

背景技术

现在电网面临的主要问题、发展方向和挑战就是“双高”电网，“双高”即高比例清洁能源、高比例电力电子装置。这需要两大技术作为支撑，一个是柔性交直流输电技术，这缘于各种分布式的能源接入电网也需要电网具备更好的友好性、灵活性。

柔性直流输电指的是基于电压源换流器(Valtage Source Converter，VSC)的高压直流输电(HVDC)，是继交流输电、常规直流输电后的一种新型直流输电方式。其在结构上与高压直流输电类似，柔性直流输电主要设备包括柔性直流换流阀、高压直流断路器、换流变压器、柔性直流输电控制保护系统和直流电抗器/平波电抗器。换流站是柔性直流输电系统最主要的部分。

模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输电的核心装备。MMC技术的出现极大推动了柔性直流输电技术的发展，目前已投运的工程，MMC已经达到1000MVA/±320kV等级，并且3000MVA/±500kV和5000MVA/±800kV的MMC-HVDC工程也正在建设当中。但是，随着MMC电压和容量等级的不断提高以及应用领域的不断扩展，MMC及其直流输电技术也面临着各种新的挑战。随着电平数目的不断提高，桥臂子模块的个数也在增加，以840MVA/±500kV换流站A为例，其单个桥臂子模块个数达到540个，导致子模块接口机箱与换流阀系统存在大量的光纤接入，工程费用高，实施难度大，迫切需要低成本的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供模块化多电平换流器、换流阀系统及子模块组网方法，用于解决现有技术中阀控系统与桥臂子模块之间光纤数量大导致的铺设难度高和成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种模块化多电平换流器，包括收发光纤和多个换流单元；

每个换流单元均包括一个子模块、对应的光开关以及对应的控制器；

多个换流单元被分成多组，位于同一组中的所有换流单元所包括的各个子模块通过收发光纤和自身对应的光开关串联通信连接，构成串联线路；位于串联线路两端的光开关均用于通信连接阀控模块，以接收阀控模块下发的指令或向阀控模块上送子模块自身信息；

所述光开关用于在下发的指令传输至所属换流单元时，将所述指令发送至对应的子模块；且若所述光开关并非串联通信线路最下游的光开关，则该光开关还用于在对应的子模块接收到所述指令的同时，直接转发该指令至下一个子模块对应的光开关。

该模块化多电平换流器通过光开关将分组后每组内的子模块之间串联连接后，通过1对收发光纤与阀控模块建立通信，从而替代原有的将每个子模块都分别通过各自的收发光纤与阀控模块通信的方式，由于子模块之间距离较近，将子模块串联所需的光纤长度很短，与子模块到阀控模块所需的光纤长度相比可忽略不计，因此，该换流器相当于将每组内的子模块与阀控间的较长的通信光纤由原来的多发多收缩小为1收1发，可仅需较少光纤，完成子模块的控制与监视，因此能够大幅减少对子模块和阀控模块之间长光纤数量的需求，从而达到节约成本，降低铺设难度的效果，且各个子模块接收指令时对指令进行直接转发，保证了接收指令的同步性。

进一步地，为实现不堵塞的串联上送，位于同一组中的换流单元的所有控制器用于按照设定时间间隔，通过对应的光开关分时上送对应子模块的信息至阀控模块；各个控制器的分时上送方式均为同向上送。

进一步地，为避免故障失电子模块对继续转发指令或上送数据过程的影响，光开关还用于在与其对应的子模块失电时，将该失电子模块旁路。

进一步地，下发的指令的内容包括指令部分，所述指令部分包括各个子模块编号分别对应的控制指令；所述控制器还用于对对应的子模块进行编号，并在成功校验下发的指令后，根据对应的子模块编号获取对应的控制指令。

这样的控制器设置使得子模块在串行连接的情况下能够统一接受相同的指令，根据编号自行获取指令中与子模块匹配的部分，无需针对性下发指令，因此更加适应子模块之间的串行连接方式。

进一步地，为避免接收到与子模块不匹配的指令，下发的指令的内容还包括帧头部分以及校验部分，则所述控制器还用于对帧头和校验部分进行验证，若帧头和校验部分均正确，则表明成功校验下发的指令。

进一步地，为保证上行发送数据时保留足够空闲，换流单元的分组个数根据子模块总个数及控制周期确定：若控制周期为m，单个子模块上行通信时长为p，则分组个数q＝int(m/p)，其中，函数int()为向下取整函数。

本发明还提供了一种换流阀系统，包括阀控模块，其特征在于，还包括上述的模块化多电平换流器；所述阀控模块用于下发指令或接收模块化多电平换流器上送的子模块自身信息。该换流阀系统能够实现与上述模块化多电平换流器相同的有益效果。

本发明还提供了一种子模块组网方法，步骤如下：

1)每个子模块处设置对应的光开关，构成一个换流单元；将换流单元进行分组，每组中的各个子模块通过收发光纤和自身对应的光开关串联通信连接，构成串联线路；位于串联线路两端的光开关与阀控模块通信连接；

2)当阀控模块下发的指令通过收发光纤传输至光开关时，通过光开关发送至对应的子模块；除串联通信线路最下游的子模块外，其他子模块接收到所述指令的同时，均通过对应的光开关直接转发该指令；各个换流单元根据子模块接收到的指令，获取对应的指令信息；

3)当位于同一组中的换流单元需要上送各个子模块自身信息时，按照设定时间间隔，通过对应的光开关和收发光纤，分时上送自身信息至阀控模块；各个子模块的分时上送方式均为同向上送。

该子模块组网方法通过光开关将每组内的子模块与阀控间的通信光纤由原来的多发多收缩小为1收1发，可使换流阀阀控与子模块通过较少光纤，完成子模块的控制与监视，能够节约成本，降低铺设难度，且各个子模块接收指令时对指令进行直接转发，保证了接收指令的同步性。

进一步地，为避免故障失电子模块对继续转发指令或上送数据过程的影响，若子模块失电，则通过对应的光开关将该失电子模块旁路。

进一步地，阀控模块下发的指令的内容包括帧头部分、指令部分以及校验部分，所述指令部分包括各个子模块编号分别对应的控制指令；换流单元对自身对应的子模块进行编号，并在成功校验下发的指令后，根据所述编号获取对应的控制指令；

所述在成功校验下发的指令后，根据自身编号获取对应的控制指令的方式包括：对帧头和校验部分进行验证，若帧头和校验部分均正确，则表明成功校验下发的指令，然后根据自身编号获取对应的控制指令。

这样下发指令与对应编号获取的设置使得子模块能够在串行连接的情况下统一接受相同的指令，根据编号自行获取指令中与子模块匹配的部分，无需针对性下发指令，因此更加适应子模块之间的串行连接方式，指令下发效率更高。

附图说明

图1为本发明的换流阀系统实施例中换流阀系统的结构示意图；

图2为本发明的换流阀系统实施例中下行通信时阀控模块下发指令的下行数据帧的格式示意图；

图3为本发明的换流阀系统实施例中上行通信时控制器上送子模块自身状态的上行数据帧的格式示意图；

图4为本发明的换流阀系统实施例中通过子模块对应的光开关，将失电子模块旁路的结构示意图；

图5为本发明的子模块组网方法实施例中下行通信时光开关旁路对应的失电模块的控制逻辑框图；

图6为本发明的子模块组网方法实施例中上行通信时光开关旁路对应的失电模块的控制逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

换流阀系统实施例：

本实施例提供了一种换流阀系统的实施方式，该换流阀系统包括阀控模块和模块化多电平换流器，参照图1，其中的换流阀控制模块即为阀控模块，其余部分为模块化多电平换流器。

模块化多电平换流器包括收发光纤和多个换流单元；每个换流单元均包括一个子模块、对应的光开关以及对应的控制器，如图1所示，每个虚线框即表示一个换流单元，n个子模块对应的换流单元构成一组换流单元；多个换流单元被分成多组，位于同一组中的所有换流单元所包括的各个子模块通过收发光纤和自身对应的光开关串联通信连接，构成串联线路；参照图1，光模块用于光电转换，将光信号转化为电信号，视为子模块的一部分，则本实施例中的具体连接顺序为：子模块1对应的光开关-子模块1-子模块2对应的光开关-子模块2-…-子模块n对应的光开关-子模块n。

其中，根据实际工程，进行分组时原则上应保证上行发送数据(本实施例中为上送子模块自身状态信息)时保留足够空闲；则子模块对应的换流单元进行分组时，每组的个数q按照控制周期m与上行通信周期p进行确定：若控制周期为m，单个子模块上行通信时长为p，则分组个数q＝int(m/p)，其中，函数int()为向下取整函数；例如，本实施例中，控制周期为50us，上行通信周期为2.2us，则每组的个数q＝int(50/2.2)，其中50/2.2≈22.7，则q＝22。此处每组换流单元的个数q即为上述的子模块的个数n，也即n＝22，该模块化多电平换流器中包括22个子模块及其所对应的换流单元。

本实施例中，位于串联线路两端的光开关均用于通信连接阀控模块，以接收阀控模块下发的指令或向阀控模块上送子模块自身信息；如图1所示，子模块1对应的光开关与子模块n对应的光开关均通过接口与阀控模块相连接(接口结构未在图中示出)。本实施例通过上述换流器的结构，使得22个子模块仅需通过1对收、发光纤以及各自对应的光开关即可与阀控进行连接，无需为每个子模块均设置与阀控连接的收发光纤，从而简化连接方式，减小连接成本。

本实施例中，阀控模块用于下发指令或接收模块化多电平换流器上送的子模块自身信息；模块化多电平换流器的光开关则用于在下发的指令传输至所属换流单元时，将该指令发送至对应的子模块；且若该光开关并非串联通信线路最下游的光开关，则该光开关还用于在对应的子模块接收到该指令的同时，直接无延时地转发该指令至下一个子模块对应的光开关，由于光信号传输的速度较快，传输过程耗时可忽略不计，则该转发方式可以确保每个模块收到指令的时间偏差仅仅为光电转换时间(＜1us)，由此保证接收指令的同步性。

该阀控模块下发的指令按照图2中的帧格式，指令内容包括帧头部分、指令部分以及校验部分，这里的指令部分包括各个子模块编号分别对应的控制指令。本实施例中，指令内容体现为：帧头+22个子模块指令(按照顺序进行排列)+校验，阀控系统将指令数据按照此格式进行下发，通过光开关以及收发光纤与模块化多电平换流器进行下行通信；在其他实施例中，与各个子模块编号分别对应的指令部分也可以按照其他方式进行排序，不一定必须顺序排列。相应地，每个换流单元中的控制器用于根据拨码开关或者FLASH内置，对对应的子模块进行编号，并在成功校验子模块接收到的指令后，根据对应的子模块编号获取对应的控制指令。其中，控制器校验该指令的过程为：对帧头和校验部分进行验证，若帧头和校验部分均正确，则成功校验接收到的指令。由于本实施例中每组换流单元包括了22个模块，超过了拨码开关上限，则将通过FLASH内置进行编号，每个换流单元中的控制器根据对应的子模块编号获取控制指令，如子模块1获取的控制指令即为图2中的模块1指令。在下行通信过程中，每个换流单元对应的控制器根据下行通信帧完成标志进行同步，保证换流单元中子模块的同步性。

换流单元的控制器还用于按照图3所示的上行通信帧格式，将换流单元对应的子模块自身的状态上传至阀控模块；由于需要将子模块状态串联上送，所以需要分时上送，本实施例中，每组22个子模块，则每个控制器控制相应的换流单元按照2.27us间隔上送自身的状态数据，其中子模块1对应的换流单元在0时刻发送数据，子模块2对应的换流单元在2.27us时刻上送，……子模块22对应的换流单元在47.67us时刻(21*2.27)上送；上送的数据帧格式均按照图3进行设置，每个换流单元发送的数据帧内容包括：帧头+对应子模块的状态+校验，如帧头+模块q状态+校验；需要注意的是，为避免上送方向不同导致的传输堵塞，各个控制器的分时上送方式均为同向上送，则分时上送的整体数据帧效果即可体现为图3中整个上行数据帧的形式。

实际运行过程中，子模块的故障一般为驱动故障、过压故障、电源故障、旁路误动及通信故障，如果其中一个或数个子模块产生故障，则故障子模块会被旁路，旁路时间为3-5ms，旁路后子模块会通过放电回路放电，直至子模块电容电耗尽而失电；以此为基础，为隔离故障子模块的影响，光开关还用于在与其对应的子模块失电后，将该失电子模块旁路；如图4所示，当子模块1为失电子模块时，通过子模块1对应的光开关，将子模块1旁路，此时子模块1不能再通过对应的光开关上传数据，整体的上传数据只是冗余丢失子模块1的部分，原本需要传输至子模块1的指令也直接由对应的光开关转发至下一光开关处，因此不会影响到其他换流单元的正常信息传输。由于光开关在切换时间段内，其他带电模块会产生链路中断，此时其他带电模块在光开关切换时间内对自身执行切除指令，以半桥子模块为例，当对自身执行切除指令时，导通该模块自身对应的IGBT，相当于将子模块自身旁路，使得子模块的电容不会继续充电，从而防止该子模块过压。

与换流阀阀控相关的设备一般布置在阀控室，而子模块一般布置在阀厅，通信链路一般一百多米，费用高，铺设难；本实施例中的换流阀系统将子模块进行合理的分组，通过光开关将分组后每组内的子模块之间串联连接后，通过1对收发光纤与阀控模块建立通信，从而替代原有的将每个子模块都分别通过各自的收发光纤与阀控模块通信的方式，由于子模块之间距离较近，将子模块串联所需的光纤长度很短，与子模块到阀控模块所需的光纤长度相比可忽略不计，因此，组内的子模块与阀控间的通信光纤由原来的22发22收缩小为1收1发，大大降低了成本，按组件为串行组网单元，单个光开关成本约200元(还有降价空间)，一个组件使用1对长光纤，成本约2000元。阀控桥臂接口柜数量可以缩减到1面。根据上述方案计算，单个工程可以节约成本近百万。

模块化多电平换流器实施例：

本实施例提供了一种模块化多电平换流器的技术方案，由于该模块化多电平换流器的结构、具体原理以及使用方式已经在上述的换流阀系统实施例中进行了详细说明，因此此处不再赘述。

子模块组网方法实施例：

本实施例提供了一种子模块组网方法的技术方案，具体步骤如下：

1)每个子模块处设置对应的光开关，构成一个换流单元；将换流单元进行分组，每组中的各个子模块通过收发光纤和自身对应的光开关与阀控模块串行连接。

根据实际工程，在对换流单元进行分组时，每组的个数q按照控制周期m与上行通信周期p进行确定：若控制周期为m，单个子模块上行通信时长为p，则分组个数q＝int(m/p)，其中，函数int()为向下取整函数；例如，本实施例中，控制周期为50us，上行通信周期为2.2us，则每组的个数q＝int(50/2.2)，其中50/2.2≈22.7，则q＝22。此处每组换流单元的个数q即为上述的子模块的个数n，也即n＝22，该组中包括22个子模块及其所对应的换流单元。

结合上述的换流阀系统实施例中的具体结构，本实施例中，串行连接时的具体连接顺序为：阀控模块-子模块1对应的光开关-子模块1-子模块2对应的光开关-子模块2-…-子模块n对应的光开关-子模块n-阀控模块。

2)当阀控模块下发的指令通过收发光纤传输至光开关时，通过光开关发送至对应的子模块；除串行连接的最后一个子模块外，其他子模块接收到该指令的同时，均通过对应的光开关直接转发该指令；各个换流单元校验子模块接收到的指令，获取对应的指令信息。

阀控模块下发的指令的内容包括指令内容包括帧头部分、指令部分以及校验部分，这里的指令部分包括各个子模块编号分别对应的控制指令；因此换流单元根据拨码开关或者FLASH内置，对自身对应的子模块进行编号，并在成功校验接收到的指令后，根据编号获取对应的控制指令；由于本实施例中每组换流单元包括了22个模块，超过了拨码开关上限，则将通过FLASH内置进行编号。

其中，在成功校验下发的指令后，根据自身编号获取对应的控制指令的方式包括：对帧头和校验部分进行验证，若帧头和校验部分均正确，则根据自身编号获取对应的控制指令，如子模块1获取的控制指令即为图2中的模块1指令。

3)当位于同一组中的换流单元需要上送各个子模块自身信息时，按照设定时间间隔，通过对应的光开关和收发光纤，分时上送自身信息至阀控模块。

由于每组换流单元需要将模块状态串联上送，所以需要分时上送，本实施例中，每组22个子模块，则按照2.27us间隔上送子模块的状态数据，其中子模块1对应的换流单元在0时刻发送数据，子模块2对应的换流单元在2.27us时刻上送，……子模块22对应的换流单元在47.67us时刻(21*2.27)上送；上送的数据帧格式均按照图3进行设置，每个换流单元发送的数据帧内容包括：帧头+对应子模块的状态+校验，如帧头+模块q状态+校验；需要注意的是，为避免上送方向不同导致的传输堵塞，各个控制器的分时上送方式均为同向上送，则分时上送的整体数据帧效果即可体现为图3中整个上行数据帧的形式。

实际运行过程中，子模块的故障一般为驱动故障、过压故障、电源故障、旁路误动及通信故障，如果其中一个或数个子模块产生故障，则故障子模块会被旁路，旁路时间为3-5ms，旁路后子模块会通过放电回路放电，直至子模块电容电耗尽而失电；以此为基础，为隔离故障子模块的影响，在进行上述2)的下行通信过程或3)的上行通信过程中，若子模块失电，则通过光开关将失电子模块旁路。其中，图5为下行通信时光开关旁路对应的失电模块的控制逻辑框图，图6为上行通信时光开关旁路对应的失电模块的控制逻辑框图。比如，子模块1为失电子模块时，通过子模块1对应的光开关，将子模块1旁路，此时子模块1不能再通过对应的光开关上传数据，整体的上传数据只是冗余丢失子模块1的部分，原本需要传输至子模块1的指令也直接由对应的光开关转发至下一光开关处，因此不会影响到其他换流单元的正常信息传输。由于光开关在切换时间段内，其他带电模块会产生链路中断，此时其他带电模块在光开关切换时间内对自身执行切除指令，以半桥子模块为例，当对自身执行切除指令时，导通该模块自身对应的IGBT，相当于将子模块自身旁路，使得子模块的电容不会继续充电，从而防止该子模块过压。

本发明的特点在于：通过光开关将小组内的子模块与阀控间的通信光纤由原来的多收多发简化为1收1发，可使换流阀阀控与子模块通过较少光纤，完成子模块的控制与监视，在保证控制同步性的基础上，能够节约成本，降低铺设难度。并且通过对光开关的设置，还能够及时旁路掉故障的子模块，避免对上行或下行通信过程中的信息传输产生影响；各个子模块接收指令时对指令进行直接转发，保证了接收指令的同步性；上传自身信息方式为相同方向上的分时上送，能够实现不堵塞的串联上送。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细地说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括收发光纤和多个换流单元；

每个换流单元均包括一个子模块、对应的光开关以及对应的控制器；

多个换流单元被分成多组，位于同一组中的所有换流单元所包括的各个子模块通过收发光纤和自身对应的光开关串联通信连接，构成串联线路；位于串联线路两端的光开关均用于通信连接阀控模块，以接收阀控模块下发的指令或向阀控模块上送子模块自身信息；

所述光开关用于在下发的指令传输至所属换流单元时，将所述指令发送至对应的子模块；且若所述光开关并非串联通信线路最下游的光开关，则该光开关还用于在对应的子模块接收到所述指令的同时，直接转发该指令至下一个子模块对应的光开关。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，位于同一组中的换流单元的所有控制器用于按照设定时间间隔，通过对应的光开关分时上送对应子模块的信息至阀控模块；各个控制器的分时上送方式均为同向上送。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，光开关还用于在与其对应的子模块失电时，将该失电子模块旁路。

4.根据权利要求1-3任一项所述的模块化多电平换流器，其特征在于，下发的指令的内容包括指令部分，所述指令部分包括各个子模块编号分别对应的控制指令；所述控制器还用于对对应的子模块进行编号，并在成功校验下发的指令后，根据对应的子模块编号获取对应的控制指令。

5.根据权利要求4所述的模块化多电平换流器，其特征在于，下发的指令的内容还包括帧头部分以及校验部分，则所述控制器还用于对帧头和校验部分进行验证，若帧头和校验部分均正确，则表明成功校验下发的指令。

6.根据权利要求1-3任一项所述的模块化多电平换流器，其特征在于，换流单元的分组个数根据子模块总个数及控制周期确定：若控制周期为m，单个子模块上行通信时长为p，则分组个数q＝int(m/p)，其中，函数int()为向下取整函数。

7.一种换流阀系统，包括阀控模块，其特征在于，还包括如权利要求1-6任一项所述的模块化多电平换流器；所述阀控模块用于下发指令或接收模块化多电平换流器上送的子模块自身信息。

8.一种子模块组网方法，其特征在于，步骤如下：

1)每个子模块处设置对应的光开关，构成一个换流单元；将换流单元进行分组，每组中的各个子模块通过收发光纤和自身对应的光开关串联通信连接，构成串联线路；位于串联线路两端的光开关与阀控模块通信连接；

2)当阀控模块下发的指令通过收发光纤传输至光开关时，通过光开关发送至对应的子模块；除串联通信线路最下游的子模块外，其他子模块接收到所述指令的同时，均通过对应的光开关直接转发该指令；各个换流单元根据子模块接收到的指令，获取对应的指令信息；

3)当位于同一组中的换流单元需要上送各个子模块自身信息时，按照设定时间间隔，通过对应的光开关和收发光纤，分时上送自身信息至阀控模块；各个子模块的分时上送方式均为同向上送。

9.根据权利要求8所述的子模块组网方法，其特征在于，若子模块失电，则通过对应的光开关将该失电子模块旁路。

10.根据权利要求8或9所述的子模块组网方法，其特征在于，阀控模块下发的指令的内容包括帧头部分、指令部分以及校验部分，所述指令部分包括各个子模块编号分别对应的控制指令；换流单元对自身对应的子模块进行编号，并在成功校验下发的指令后，根据所述编号获取对应的控制指令；

所述在成功校验下发的指令后，根据自身编号获取对应的控制指令的方式包括：对帧头和校验部分进行验证，若帧头和校验部分均正确，则表明成功校验下发的指令，然后根据自身编号获取对应的控制指令。

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