CN203811672U - 一种模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置，包括第一单片机U1、第二单片机U2、第一电流传感器TA1、第二电流传感器TA2、第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、第一光电耦合器U5、第二光电耦合器U6、电阻R1-R16和电容C1-C2；其有益效果是：通过检测子模块内部开关管电流情况结合开关管导通状态，间接判断桥臂电流方向，对电流传感器绝缘程度的要求可大幅降低；同时，传感器的供电电源可以取自子模块驱动保护电路的隔离供电电源，无需另外附加电路；可以大幅降低模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置的复杂程度和成本，并可提高可靠性。
Description
技术领域
本实用新型属于电力电子技术领域，涉及一种模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置 。
背景技术
电力电子技术的不断发展为建设智能、清洁、高效的现代电力系统提供了强大的支持，在高压直流输电（HVDC）和柔性交流输电（FACTS）领域均取得了广泛的应用。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为新一代高压大功率换流装置，具有输电容量大，有功无功可独立控制，交流输出无需复杂的滤波装置，可靠性高，可向无源或弱受端系统输电等诸多优点，被认为是柔性直流输电的代表性技术。
模块化多电平换流器为三相全桥结构，该三相全桥的每个桥臂由n个子模块（SM）串联而成，其中n为大于1的整数，每个子模块的结构相同；模块化多电平换流器还包括主控制器。桥臂上串联有缓冲电抗器，换流器直流侧连接直流电压源，交流侧通过经电抗器连接交流系统。其中，子模块为换流器的基本结构，包括由两个带有反向并联二极管的开关管K1-K2和直流电容器C构成单相半H桥结构，以及子模块保护驱动电路。
在模块化多电平换流器的控制策略方面，控制各子模块直流电容电压在适当的范围内（子模块电容电压控制）是一类重要的研究课题。在实用化的子模块电容电压控制方法中，桥臂电流方向是一个重要的控制参数，需要实时测量。桥臂电流除基波分量外还含有直流分量和倍频分量，无法通过电磁式电流互感器精确测量，已有的测量方法是通过电流传感器测量桥臂电流，然后直接判断电流方向。这种判断方法本身虽然简单直接，但是这种测量方法的缺点在于测量点在桥臂连接线上，对电流传感器及其隔离供电电源的绝缘水平要求很高，其要求达到了与换流器交流侧相同的绝缘等级，即一般会达到数十到数百kV水平。这造成高压电流传感器研制或选型困难，大幅提高了电流方向检测装置的复杂程度和成本，也使其可靠性降低。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可大幅降低电流传感器绝缘要求、可降低成本，并能提高可靠性的模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置 。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置，包括第一单片机U1、第二单片机U2、第一电流传感器TA1、第二电流传感器TA2、第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、第一光电耦合器U5、第二光电耦合器U6、电阻R1-R16和电容C1-C2；
所述第一电流传感器TA1的一次侧套在被测子模块的上开关管K1集电极引出线上；所述第二电流传感器TA2的一次侧套在被测子模块的下开关管K2集电极引出线上；
所述电阻R2与电阻R3串联后接在所述第一电流传感器TA1的输出端和所述第一运算放大器U3的同相输入端3脚之间；所述第一运算放大器U3的输出端6脚接所述第一单片机U1的AD信号输入端59脚；所述电阻R6接在所述第一运算放大器U3反向输入端2脚与输出端6脚之间；所述电阻R4接在所述第一运算放大器U3反向输入端2脚与-15V直流电源之间；所述电阻R1接在所述第一电流传感器TA1的输出端和模拟地GNDA之间；所述电容C1接在所述电阻R2与电阻R3的节点和模拟地GNDA之间；所述电阻R5接在所述第一运算放大器U3的同相输入端3脚和模拟地GNDA之间；
所述电阻R8与电阻R9串联后接在所述第二电流传感器TA2的输出端和所述第一运算放大器U4的同相输入端3脚之间；所述第二运算放大器U4的输出端6脚接所述第一单片机U1的AD信号输入端60脚；所述电阻R12接在所述第二运算放大器U4反向输入端2脚与输出端6脚之间；所述电阻R10接在所述第二运算放大器U4反向输入端2脚与-15V直流电源之间；所述电阻R7接在所述第二电流传感器TA2的输出端和模拟地GNDA之间；所述电容C2接在所述电阻R8与电阻R9的节点和模拟地GNDA之间；所述电阻R11接在所述第二运算放大器U4的同相输入端3脚和模拟地GNDA之间；
所述第一光耦合器U5的阳极1脚经所述电阻R13接被测子模块的上开关管K1栅极；所述第一光耦合器U5的发射极3脚接所述单片机U1的数字信号输入端4脚；所述第一光耦合器U5的负极2脚接被测子模块的上开关管K1发射极；所述第一光耦合器U5的集电极4脚接+3.3V直流电源；所述第一光耦合器U5的发射极3脚经所述电阻R14接数字地GNDD；
所述第二光耦合器U6的阳极1脚经所述电阻R15接被测子模块的下开关管K2栅极；所述第二光耦合器U6的发射极3脚接所述单片机U1的数字信号输入端5脚；所述第二光耦合器U6的负极2脚接被测子模块的下开关管K2发射极；所述第二光耦合器U6的集电极4脚接+3.3V直流电源；所述第二光耦合器U6的发射极3脚经所述电阻R16接数字地GNDD；
所述第二单片机U2的数字信号输入端12脚通过光纤与所述单片机U1的数字信号输出端6脚相连接；所述第二单片机U2的SIMO0端口29脚接换流器主控制器的SPI输出端SPIO；所述第二单片机U2的SOMI0端口30脚接换流器主控制器的SPI输入端SPII；所述第二单片机U2的UCLK0端口31脚接换流器主控制器的SPI时钟端SPICLK。
所述第一至第二单片机U1-U2的型号均为MSP430F133；所述第一至第二电流传感器TA1-TA2的型号均为LF 2005-S；第一至第二运算放大器U3-U4的型号均为OP07；所述第一至第二光电耦合器U5-U6的型号均为PC817。
本实用新型的有益效果是：通过检测子模块内部开关管电流情况结合开关管导通状态，间接判断桥臂电流方向，由于此种方法中的电流测量点处于高电位的子模块内部，电流传感器与子模块外壳共地，而子模块本体的对地绝缘、信号输入输出和隔离供电问题已经解决，故相应地对电流传感器绝缘程度的要求可大幅降低（若干kV以内）；同时，传感器的供电电源可以取自子模块驱动保护电路的隔离供电电源，无需另外附加电路。上述特点可以大幅降低模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置的复杂程度和成本，并可提高可靠性，解决了传统模块化多电平换流器的高压电流传感器研制或选型困难的问题。
附图说明
图1为模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置的电路原理图；
图2为模块化多电平换流器结构示意图；
图3为模块化多电平换流器每个桥臂结构示意图。
具体实施方式
由图1-3可知，本实施例包括第一单片机U1、第二单片机U2、第一电流传感器TA1、第二电流传感器TA2、第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、第一光电耦合器U5、第二光电耦合器U6、电阻R1-R16和电容C1-C2；
所述第一电流传感器TA1的一次侧套在被测子模块的上开关管K1集电极引出线上；所述第二电流传感器TA2的一次侧套在被测子模块的下开关管K2集电极引出线上；
所述电阻R2与电阻R3串联后接在所述第一电流传感器TA1的输出端和所述第一运算放大器U3的同相输入端3脚之间；所述第一运算放大器U3的输出端6脚接所述第一单片机U1的AD信号输入端59脚；所述电阻R6接在所述第一运算放大器U3反向输入端2脚与输出端6脚之间；所述电阻R4接在所述第一运算放大器U3反向输入端2脚与-15V直流电源之间；所述电阻R1接在所述第一电流传感器TA1的输出端和模拟地GNDA之间；所述电容C1接在所述电阻R2与电阻R3的节点和模拟地GNDA之间；所述电阻R5接在所述第一运算放大器U3的同相输入端3脚和模拟地GNDA之间；
所述电阻R8与电阻R9串联后接在所述第二电流传感器TA2的输出端和所述第一运算放大器U4的同相输入端3脚之间；所述第二运算放大器U4的输出端6脚接所述第一单片机U1的AD信号输入端60脚；所述电阻R12接在所述第二运算放大器U4反向输入端2脚与输出端6脚之间；所述电阻R10接在所述第二运算放大器U4反向输入端2脚与-15V直流电源之间；所述电阻R7接在所述第二电流传感器TA2的输出端和模拟地GNDA之间；所述电容C2接在所述电阻R8与电阻R9的节点和模拟地GNDA之间；所述电阻R11接在所述第二运算放大器U4的同相输入端3脚和模拟地GNDA之间；
所述第一光耦合器U5的阳极1脚经所述电阻R13接被测子模块的上开关管K1栅极；所述第一光耦合器U5的发射极3脚接所述单片机U1的数字信号输入端4脚；所述第一光耦合器U5的负极2脚接被测子模块的上开关管K1发射极；所述第一光耦合器U5的集电极4脚接+3.3V直流电源；所述第一光耦合器U5的发射极3脚经所述电阻R14接数字地GNDD；
所述第二光耦合器U6的阳极1脚经所述电阻R15接被测子模块的下开关管K2栅极；所述第二光耦合器U6的发射极3脚接所述单片机U1的数字信号输入端5脚；所述第二光耦合器U6的负极2脚接被测子模块的下开关管K2发射极；所述第二光耦合器U6的集电极4脚接+3.3V直流电源；所述第二光耦合器U6的发射极3脚经所述电阻R16接数字地GNDD；
所述第二单片机U2的数字信号输入端12脚通过光纤与所述单片机U1的数字信号输出端6脚相连接；所述第二单片机U2的SIMO0端口29脚接换流器主控制器的SPI输出端SPIO；所述第二单片机U2的SOMI0端口30脚接换流器主控制器的SPI输入端SPII；所述第二单片机U2的UCLK0端口31脚接换流器主控制器的SPI时钟端SPICLK。
所述第一至第二单片机U1-U2的型号均为MSP430F133；所述第一至第二电流传感器TA1-TA2的型号均为LF 2005-S；第一至第二运算放大器U3-U4的型号均为OP07；所述第一至第二光电耦合器U5-U6的型号均为PC817。
图2为模块化多电平换流器结构示意图；图3为模块化多电平换流器每个桥臂结构示意图。
图3主电路为三相全桥结构，该三相全桥的每个桥臂由子模块（SM#1至SM#n）串联而成，桥臂上串联有缓冲电抗器，换流器直流侧连接直流电压源，交流侧通过连接电抗器连接交流系统。本发明所涉及电流方向判断即为流过图中所示各桥臂的电流方向。
图3中桥臂由子模块串联而成（SM#1至SM#n），每个子模块为由两个带有反并联二极管的开关管（K1、K2）和直流电容器构成单相半H桥结构。
传感器安装在子模块内部（如3图所示电流测量点，传感器与子模块共地），其供电电源可以取自子模块控制保护隔离供电电源，信号输出也可与子模块的控制通道共用。
本实用新型的具体工作过程是：第一电流传感器TA1一次侧套在子模块上开关管K1集电极引出线上，二次侧输出的电流信号经过电阻R1转化为电压信号。电阻R2和电容C1组成低通RC滤波电路。经过电阻R3-R6和第一运算放大器U3构成的运算电路将该电压信号进行偏置处理并放大，使其符合第一单片机U1片内AD的输入电压范围。
第二电流传感器TA2一次侧套在子模块下开关管K2集电极引出线上，二次侧输出的电流信号经过电阻R7转化为电压信号。电阻R8和电容C2组成低通RC滤波电路。经过电阻R9-R12和第二运算放大器U4构成的运算电路该电压信号进行偏置处理并放大，使其符合第二单片机U1片内AD的输入电压范围。
电阻R13将流过第一光电耦合器U5发光二级管的电流限制在输入范围内，电阻R14是下拉电阻，第一光电耦合器U5将开关管K1的栅极信号隔离并转换为3.3V电平，以便适应第一单片机U1的数字IO输入电压。
电阻R15将流过第二光电耦合器U6发光二级管的电流限制在输入范围内，电阻R16是下拉电阻，第二光电耦合器U6将开关管K2的栅极信号隔离并转换为3.3V电平，以便适应第一单片机U1的数字IO输入电压。
经过第一单片机U1计算判断子模块电流方向后的数据，通过光纤输出，到第二单片机U2的数字IO端口12号脚。
其他子模块的电流方向也以同样方式，输出到第二单片机U2的其他数字IO端口。
第二单片机U2的29-31脚与换流器主控制器的串行通讯端口进行SPI通讯，将经过U2运算判断后的桥臂电流方向后通过SPI通讯发送给换流器主控制器，以便换流器主控制器获得各子模块中模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置的安装情况和旁路情况。
由安装在被测子模块的上开关管K1集电极引出线上的第一电流传感器TA1采集该回路电流i1，由安装在被测子模块的下开关管K2集电极引出线上的第二电流传感器TA2采集该回路电流i2；将上开关管K1的门极驱动逻辑信号dK1、下开关管K2的门极驱动逻辑信号dK2分别通过光电耦合器U5-U6传输给单片机U1；设电流i1的正方向为由上开关管K1的发射极指向集电极，电流i2的正方向为由开关管下K2的集电极指向发射极；
根据i1、i2、dK1、dK2判断流过桥臂的电流方向具体方法为：
当dK1为开通且dK2为关断时，若i1> i2，则流过桥臂的电流方向为向桥臂充电，若i1< i2，则流过桥臂的电流方向为自桥臂放电；
当dK1为关断且dK2为开通时，若i1< i2，则流过桥臂的电流方向为向桥臂充电，若i1> i2，则流过桥臂的电流方向为自桥臂放电；
当dK1为关断且dK2也为关断时，即开关管死区或子模块闭锁时，若∣i1∣>∣i2∣，则流过桥臂的电流方向为向桥臂充电，若∣i1∣<∣i2∣，则流过桥臂的电流方向为自桥臂放电。
Claims (2)
1.一种模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置，其特征在于：包括第一单片机U1、第二单片机U2、第一电流传感器TA1、第二电流传感器TA2、第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、第一光电耦合器U5、第二光电耦合器U6、电阻R1-R16和电容C1-C2；
所述第一电流传感器TA1的一次侧套在被测子模块的上开关管K1集电极引出线上；所述第二电流传感器TA2的一次侧套在被测子模块的下开关管K2集电极引出线上；
所述电阻R2与电阻R3串联后接在所述第一电流传感器TA1的输出端和所述第一运算放大器U3的同相输入端3脚之间；所述第一运算放大器U3的输出端6脚接所述第一单片机U1的AD信号输入端59脚；所述电阻R6接在所述第一运算放大器U3反向输入端2脚与输出端6脚之间；所述电阻R4接在所述第一运算放大器U3反向输入端2脚与-15V直流电源之间；所述电阻R1接在所述第一电流传感器TA1的输出端和模拟地GNDA之间；所述电容C1接在所述电阻R2与电阻R3的节点和模拟地GNDA之间；所述电阻R5接在所述第一运算放大器U3的同相输入端3脚和模拟地GNDA之间；
所述电阻R8与电阻R9串联后接在所述第二电流传感器TA2的输出端和所述第一运算放大器U4的同相输入端3脚之间；所述第二运算放大器U4的输出端6脚接所述第一单片机U1的AD信号输入端60脚；所述电阻R12接在所述第二运算放大器U4反向输入端2脚与输出端6脚之间；所述电阻R10接在所述第二运算放大器U4反向输入端2脚与-15V直流电源之间；所述电阻R7接在所述第二电流传感器TA2的输出端和模拟地GNDA之间；所述电容C2接在所述电阻R8与电阻R9的节点和模拟地GNDA之间；所述电阻R11接在所述第二运算放大器U4的同相输入端3脚和模拟地GNDA之间；
所述第一光耦合器U5的阳极1脚经所述电阻R13接被测子模块的上开关管K1栅极；所述第一光耦合器U5的发射极3脚接所述单片机U1的数字信号输入端4脚；所述第一光耦合器U5的负极2脚接被测子模块的上开关管K1发射极；所述第一光耦合器U5的集电极4脚接+3.3V直流电源；所述第一光耦合器U5的发射极3脚经所述电阻R14接数字地GNDD；
所述第二光耦合器U6的阳极1脚经所述电阻R15接被测子模块的下开关管K2栅极；所述第二光耦合器U6的发射极3脚接所述单片机U1的数字信号输入端5脚；所述第二光耦合器U6的负极2脚接被测子模块的下开关管K2发射极；所述第二光耦合器U6的集电极4脚接+3.3V直流电源；所述第二光耦合器U6的发射极3脚经所述电阻R16接数字地GNDD；
所述第二单片机U2的数字信号输入端12脚通过光纤与所述单片机U1的数字信号输出端6脚相连接；所述第二单片机U2的SIMO0端口29脚接换流器主控制器的SPI输出端SPIO；所述第二单片机U2的SOMI0端口30脚接换流器主控制器的SPI输入端SPII；所述第二单片机U2的UCLK0端口31脚接换流器主控制器的SPI时钟端SPICLK。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器桥臂电流方向测量装置，其特征在于：所述第一至第二单片机U1-U2的型号均为MSP430F133；所述第一至第二电流传感器TA1-TA2的型号均为LF 2005-S；第一至第二运算放大器U3-U4的型号均为OP07；所述第一至第二光电耦合器U5-U6的型号均为PC817。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140903 Termination date: 20160304 |