CN116207962A - 一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，在电容器C、旁路开关K1和上管路组成的回路中串联组部件，组部件包括机械开关K2及与机械开关K2并联的两条结构相同、导通方向相反的支路，两条支路并联，支路包括全控器件及与全控器件串联的二极管，本发明解决了在上管路故障短路时，闭合下管部位旁路开关所带来的大电流问题；同时解决了旁路开关拒动时，如何使系统继续运行的问题，整体方案中对于零部件的电流应力要求不高，且无需散热。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构。
背景技术
柔性直流输电技术，当前主要采用的模块化多电平级联的拓扑结构形式，为了提高可靠性，一般会在桥臂配置一定数量的冗余子模块，当子模块故障时，采用旁路开关将故障子模块旁路来保证系统维持运行。
随着柔直换流阀的发展，对于模块故障后状态的确定性要求越来越高，对于故障的处理也越来越精细化，如图1所示，现有技术对子模块故障的保护措施是在下管部位并联一个旁路开关，当故障子模块的发生上管部位短路的故障时，若直接闭合下管部位的旁路开关，会导致电容器经由上管以及旁路开关进行直通放电，该电流高上百千安，如果不切断该放电回路，会导致短路路径内零部件、母排等严重损坏，甚至造成电流回路断路、系统无法正常运行等严重后果；而且旁路开关因为某些原因拒动，子模块也不能退出运行如图3所示，子模块的直流电容器会一直被充电，直至超过器件耐受应力，也会造成经电容器的短路放电，严重时系统无法正常工作。
中国专利公开号为CN109149974B的“一种具有上开关管短路后保护功能的MMC半桥子模块”中描述一种保护方法，如图2所示，通过在子模块主回路中接入开关器件，最终在上管短路时合闸下管部位旁路开关时，避免产生大电流；但是其开关器件在子模块未故障时也参与在系统的运行中，对于器件的功率需求同主功率器件且会产生大量的通态损耗、开关损耗，同时该器件组承受运行电流选型要求高，且需要散热，带来额外的经济负担，且没有考虑到在旁路开关拒动之后的保护措施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，以解决现有技术子模块上管路故障时在子模块主回路中接入开关器件造成的该开关器件损耗高，需要散热且不能解决旁路开关拒动时的保护问题。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案；
一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，包括上管路、下管路、旁路开关K1，电容器C和组部件，旁路开关K1与下管路并联，组部件串联在电容器C、旁路开关K1和上管路构成的回路中，所述组部件包括机械开关K2及与机械开关K2并联的两条结构相同、导通方向相反的支路，两条支路并联，所述支路包括全控器件及与全控器件串联的二极管。
进一步的，所述上管路包括全控器件及与该全控器件并联的二极管。
进一步的，所述下管路包括全控器件及与该全控器件并联的二极管。
进一步的，所述下管路上并联有晶闸管T1。
进一步的，所述组部件串接在上管路与电容器C正极之间。
进一步的，所述组部件串接在下管路与电容器C负极之间。
进一步的，所述组部件串接在下管路与旁路开关K1组成的回路中。
进一步的，所述全控部件采用IGBT。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明涉及一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，通过在电容器C、旁路开关K1和上管路组成的回路中串联组部件，在上管路发生故障短路后，能够将电容器C与主功率器件隔离，避免电容器C经其它零部件放电；机械开关K2只有几十微欧姆的阻值，且只需要打开几个ms，因此在子模块正常工作时K2不会产生较大的热损耗；同时，本发明电路拓扑结构中的组部件包括两条并联的结构相同、导通方向相反的支路，支路包括全控器件及串联的二极管，设置两条并联支路保证了在机械开关K2断开过程中保证电路中电流的连续。
附图说明
图1为现有柔性直流输电子模块的拓扑原理示意图。
图2为现有技术提供的具有上开关管短路后保护功能的电路结构示意图。
图3为本发明实施例1中组模块连接位置电路原理图。
图4为本发明实施例2中组模块连接位置电路原理图。
图5为本发明实施例3中组模块连接位置电路原理图。
图6为本发明实施例4中组模块连接位置电路原理图。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明避免模块故障时经电容器放电的子模块电路拓扑结构，包括上管路，下管路和电容器C，电容器C与上、下管路串联组成回路，旁路开关K1并联在下管路上，组部件包括机械开关K2，机械开关K2并联有两条电路元件相同，导通方向相反的支路，两条支路并联，每条支路均包括一个全控器件及与全控部件串联的二极管，上管路包括全控器件及与该全控器件并联的二极管，下管路与上管路结构相同，也包括全控器件及与该全控器件并联的二极管，此外，在下管路上还并联有一个晶闸管T1，具体的，所述全控部件可以为IGBT、IEGT、IGCT等，也可以采用逆阻性器件，本发明采用IGBT。
对于现有的柔性直流输电子模块的拓扑电路来说：
若子模块下管路发生故障时，闭合旁路开关K1，在电容器C与上管路串联组成回路中，通过控制器控制上管路全控器件的关断，切断回路中的大电流即可；
若子模块上管路发生故障时，闭合旁路开关K1，在电容器C与上管路串联组成回路中，由于上管路发生故障短路，因此回路中会产生极大的短路电流将电路元件烧毁；
若子模块上管路发生故障时，因其它因素影响旁路开关K1拒动，这种情况下，电路会持续向电容器C充电，直至超过电容器C的耐受能力，造成经电容器的几百千安的短路大电流放电，专利公开号为CN109149974B的技术方案没有考虑到这种情况，同样，其设计的电路也不能解决旁路开关K1拒动的情况。
实施例1
如图3所示，所述组部件串接在上管路与电容器C正极之间，组部件串接在上管路与电容器C正极之间。
在子模块上管路发生故障时，先给机械开关K2发送打开命令，并给S3开通信号，利用机械开关K2打开时的弧压将S3、D3导通，以避免电流的断续；待机械开关K2打开后，关断S3,D3；机械开关K2的打开只需要几个ms，对于S3和D3的电流耐受能力也是ms级别的，故也不需要散热，D3的加入主要是为了避免在S3两端形成反压，造成S3的损坏。当流过K2的电流相反时，给机械开关K2发送打开命令时，给S4开通信号，其他工作过程类似S3开通的过程。实际在工作时，无需判断电流方向，在K2需求打开时，同时给S3和S4开通信号，具体是S3或S4工作，取决于流过K2的电流方向。K2的打开切断了电容C经过上管路和K1形成的短路电路路径，避免大放电电流的产生。
若子模块上管路发生故障，但旁路开关K1未发生拒动时，此时电容器C向外放电，在机械开关K2打开时，给定S4开通信号，利用机械开关K2打开时的弧压将S4、D4导通，以避免电流的断续；同样的，对于S4和D4的电流耐受能力要求不高，故也不需要散热，S3、D3的加入目的同S4、D4一样，具体是S4、D4工作还是S3和D3工作，取决于流过K2的电流方向。实际在工作时，无需判断电流方向，在K2需求打开时，同时给S3和S4开通信号，具体是S3或S4工作，取决于流过K2的电流方向。K2的打开切断了电容C经过上管路和K1形成的短路电路路径，避免大放电电流的产生。
若子模块上管路发生故障且旁路开关K1拒动，在机械开关K2打开时，给S3开通信号，利用机械开关K2打开时的弧压将S3导通，以避免电流的断续；待机械开关K2打开后，关断S3；机械开关K2的打开只需要几个ms，对于S3和D3的电流耐受能力也是ms级别的，故也不需要散热，D3的加入主要是为了避免在S3两端形成反压，造成S3的损坏。当流过K2的电流相反时，给机械开关K2发送打开命令时，给S4开通信号，其他工作过程类似S3开通的过程。实际在工作时，无需判断电流方向，在K2需求打开时，同时给S3和S4开通信号，具体是S3或S4工作，取决于流过K2的电流方向。
采用本发明，当子模块检测到K1拒动后，将K2打开，由于S2、D2、T1此时处于关闭状态，桥臂电流Iarm在下管路高阻抗的作用下两端形成感应电压，迫使S2或者T1达到保护设定值后进入到短路失效模式。之后，随着短路器件的阻抗达到与导通状态相同的水平后，系统继续运行，现在柔直系统中选用的S2或者T1(一般来说S2不具备长期短路能力时，会配置T1)具备长期短路通流的能力。
实施例2
如图4所示，与实施例1相比区别仅在于组部件串接在下管路与电容器C负极之间，组部件的工作过程和逻辑同实施例1。
实施例3
如图5所示，与实施例1相比区别仅在于组部件连接在A端和A”端之间，即组部件串接在下管路IGBT的发射极和二极管的阳极与晶闸管T1的阳极之间组成的回路中，在上管路发生故障短路时，组部件工作过程与实施例1相同，特别的，旁路开关拒动时，该方案不仅可以隔离电容放电，还可以隔离下管部位S2，避免其达到设定值被击穿，最大的保障系统中尽量少的器件损坏，K2打开之后，桥臂电流Iarm去往路径切断，电流不会经过下S2和D2所在位置，而是从T1的位置流过，因为T1此时处于关闭状态，阻抗高，桥臂电流在其两端形成电压，达到保护设定值后短路。系统继续运行。
实施例4
如图6所示，与实施例3的区别在于组部件连接在B端和B”之间，即组部件串接在下管路IGBT的集电极和二极管的阴极与晶闸管T1的阴极之间组成的回路中，在上管路发生故障短路时，组部件工作过程与实施例1相同，旁路开关K1拒动时，工作过程如方案3。桥臂电流Iarm从T1的位置流过，在其两端形成电压，达到保护设定值后短路。系统继续运行。
本发明解决了功率模块上管短路时，闭合下管部位旁路开关所带来的大电流问题，造成严重破坏问题，又未造成系统能量损耗的明显增加，也给出了旁路开关拒动时，系统继续运行的方案。整体方案中对于零部件的电流应力要求不高，且无需散热。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，其特征在于，包括上管路、下管路、旁路开关K1，电容器C和组部件，旁路开关K1与下管路并联，组部件串联在电容器C、旁路开关K1和上管路构成的回路中，所述组部件包括机械开关K2及与机械开关K2并联的两条结构相同、导通方向相反的支路，两条支路并联，所述支路包括全控器件及与全控器件串联的二极管。
2.根据权利要求1所述的一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，其特征在于，所述上管路包括全控器件及与该全控器件并联的二极管。
3.根据权利要求1所述的一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，其特征在于，所述下管路包括全控器件及与该全控器件并联的二极管。
4.根据权利要求3所述的一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，其特征在于，所述下管路上并联有晶闸管T1。
5.根据权利要求1所述的一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，其特征在于，所述组部件串接在上管路与电容器C正极之间。
6.根据权利要求1所述的一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，其特征在于，所述组部件串接在下管路与电容器C负极之间。
7.根据权利要求1所述的一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，其特征在于，所述组部件串接在下管路与旁路开关K1组成的回路中。
8.根据权利要求1所述的一种避免功率模块故障时电容器直通放电的电路拓扑结构，其特征在于，所述全控部件采用IGBT。
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