一种柔性直流换流阀及其功率模块和旁路方法与流程

1.本发明涉及一种柔性直流换流阀及其功率模块和旁路方法，属于柔性直流输电技术领域。


背景技术：

2.柔性高压直流输电技术具有有功功率和无功功率独立调节、输出电压谐波含量低、可连接薄弱电网和无源网络等优点，近年来在交流电网异步互联、分布式能源并网、直流电网等领域取得广泛应用。
3.柔性直流输电换流阀是整个输电系统的核心设备，柔直换流阀每个桥臂由众多功率模块级联组成，并且每个桥臂都含冗余模块，在柔直换流阀运行过程中，当功率模块出现故障时，为使模块运行不受影响，可将功率模块可靠旁路。对于驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、过压故障、中控板故障，可通过闭合旁路开关，实现功率模块旁路。但对于旁路开关拒动故障，无法通过闭合旁路开关实现旁路，故障模块无法有效地从功率主回路中旁路，降低柔性直流系统的可靠性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种柔性直流换流阀及其功率模块和旁路方法，用以解决在旁路开关发生故障时无法实现功率模块旁路导致系统可靠性降低的问题。
5.为实现上述目的，本发明的方案包括：
6.本发明的一种柔性直流换流阀功率模块旁路方法，柔性直流换流阀功率模块包括用于旁路功率模块的旁路开关以及与旁路开关并联的二极管，控制方法包括：在需要控制功率模块旁路时，若发生旁路开关拒动故障，则主动击穿二极管以实现功率模块旁路。
7.上述技术方案的有益效果为：本方案在现有功率模块的基础上并联旁路开关与二极管，对于旁路开关拒动故障，通过主动击穿二极管实现功率模块旁路，解决旁路开关拒动时，功率模块可靠旁路的问题。
8.作为方法的进一步改进，控制方法还包括：若发生驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、过压故障或中控板故障，则控制旁路开关闭合以实现功率模块旁路；其中，驱动故障指的是驱动子模块运行的驱动板发生故障，欠压故障指的驱动子模块运行的驱动板供电电压不足故障，取能电源故障指的是用于给中控板供电的取能电源发生故障，通讯故障指的是中控板与上级通讯发生故障，过压故障指的是子模块中的直流电容电压过高故障。
9.上述方案的有益效果为：当发生驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、过压故障或中控板故障，通过闭合旁路开关实现功率模块旁路，解决单一功率单元故障引起系统跳闸，提高了柔直系统的可靠性。
10.本发明的一种柔性直流换流阀功率模块，包括功率模块本体、旁路开关和二极管，旁路开关、二极管和功率模块本体三者并联，其中二极管用于旁路开关拒动故障时，主动击
穿二极管以实现功率模块旁路。
11.上述方案的有益效果为：本方案在现有功率模块的基础上并联旁路开关与二极管，对于旁路开关拒动故障，通过主动击穿二极管实现功率模块旁路，解决旁路开关拒动时，功率模块可靠旁路的问题。
12.作为方法的进一步改进，所述旁路开关用于发生驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、过压故障或中控板故障时，进行旁路开关闭合以实现功率模块旁路。其中，所述驱动故障指的是驱动子模块运行的驱动板发生故障，所述欠压故障指的驱动子模块运行的驱动板供电电压不足故障，所述取能电源故障指的是用于给中控板供电的取能电源发生故障，所述通讯故障指的是中控板与上级通讯发生故障，所述过压故障指的是子模块中的直流电容电压过高故障。
13.上述方案的有益效果为：当发生驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、过压故障或中控板故障，通过闭合旁路开关实现功率模块旁路，解决单一功率单元故障引起系统跳闸，提高了柔直系统的可靠性。
14.作为方法的进一步改进，所述功率模块还包括旁开触发板，旁开触发板包括取能控制模块和触发模块，所述取能控制模块连接功率模块本体中的直流电容以从电容取电，并连接触发模块以为触发模块供电，且触发模块与用于控制旁路开关闭合/断开的第二控制线圈串联，以为第二控制线圈供电；触发模块的导通/关断由功率模块的中控板控制，若检测到驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障或过压故障时，中控板控制触发模块导通。
15.上述方案的有益效果为：本方案在现有功率模块的基础上还包括旁开触发板，旁开触发板包括取能控制模块和触发模块。当发生驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障或过压故障时，通过中控板作用触发模块，控制旁路开关闭合，实现功率模块旁路。
16.作为方法的进一步改进，触发模块包括取能电容和驱动管，所述取能电容和驱动管串联。
17.作为方法的进一步改进，所述功率模块还包括bod触发板，bod触发板包括取能分压模块和bod触发模块，所述取能分压模块连接功率模块本体中的直流电容以从直流电容取电，并连接bod触发模块以为bod触发模块供电，且bod触发模块与用于控制旁路开关闭合/断开的第一控制线圈串联，以为第一控制线圈供电，若检测到中控板故障且直流电容电压达到bod动作值时，bod触发模块导通实现功率模块旁路。
18.上述方案的有益效果为：本方案在现有功率模块的基础上还包括bod触发板，bod触发板包括取能分压模块和bod触发模块，当发生中控板故障时，通过bod触发模块使得第一控制线圈带电，从而控制旁路开关闭合。
19.本发明的一种柔性直流换流阀，包括多个功率模块，所述功率模块一种柔性直流换流阀功率模块所述的任意一项功率模块。
附图说明
20.图1是本发明的柔直阀半桥功率模块图；
21.图2是本发明的柔直阀全桥功率模块图；
22.图3是本发明的功率模块多级旁路策略图；
23.图4是本发明的旁路开关触发回路原理图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
25.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
26.一种柔性直流换流阀功率模块实施例：
27.一种柔性直流换流阀功率模块包括多条桥臂，每个桥臂上串设有多个功率模块，功率模块包括旁路开关、主动击穿二极管(也称转折二极管)以及功率模块本体，本体拓扑可选择图1所示的柔直阀半桥功率模块，或者如图2所示的柔直阀全桥功率模块。
28.基于上述介绍的一种柔性直流换流阀功率模块，采用本发明的一种柔性直流换流阀功率模块旁路方法来实现多级旁路策略，如图3所示，对于旁路开关拒动故障，通过主动击穿二极管实现功率模块旁路；对于驱动故障、欠压故障、取能故障、中控板故障、过压故障、中控板故障，通过旁路开关实现功率模块旁路。
29.具体地，驱动故障为：用于驱动子模块运行的驱动板故障；欠压故障为：驱动板供电电压不足故障；取能故障为：从功率模块中的直流电容取得电流后，给中控板供电故障；过压故障为：功率模块中直流电容电压过高故障。
30.图4所示为旁路开关触发回路原理图，具体地，在全桥/半桥功率模块基础上，还包括bod触发板与旁开触发板，bod触发板与旁开触发板分别与功率模块中直流电容c并联。
31.旁开触发板包括取能控制回路与触发回路，其中取能控制回路用于向触发回路供电，触发回路中包括取能电容c2和与c2串联的驱动管t,具体地，触发回路一端连接取能控制回路，另一端经驱动管t连接线圈2。若检测到驱动故障、欠压故障、取能故障、中控板故障、过压故障，中控板作用于旁开触发板，使得取能控制回路向取能电容c2供电，取能电容c2放电后电流经驱动管t流入线圈2，线圈2带电，触发旁路开关k闭合。
32.bod触发板包括取能分压回路与bod触发回路，bod触发回路一端连接取能分压回路，另一端连接线圈1。当中控板故障时，可通过bod下发旁路开关闭合指令实现功率模块旁路。具体地，子模块电压达到bod动作值后，电压经取能分压回路流入bod触发回路后，再流入线圈1，此时线圈1带电，触发旁路开关k闭合。
33.结合图3图4可知，不同故障类型时，可触发不同的旁路保护策略。下面以功率模块额定电压为2100v为例进行说明：
34.第一级：功率模块发生驱动、欠压、取能电源、通讯故障：中控板检测故障通过取能控制回路正常合旁路；此时中控板下发闭合旁路开关指令，旁路开关正常闭合，此时旁路开关通流。
35.第二极(uset1)：子模块故障时电容电压超过软件过压保护定值。软件过压一般设计为3200v～3300v。采样回路采集直流电容c两侧的直流电压，当软件判断到直流电容c的电压超过软件过压保护限值时，中控板下发闭合旁路开关指令。
36.第三级(uset2)：软件过压保护失效时，电压持续升高，达到硬件过压保护定值(3800v～4000v)。当模块电压达到该定值后，通过硬件检测回路检测过压故障，通过中控板
下发闭合旁路开关指令，旁路开关正常闭合，此时旁路开关通流。
37.第四级(uset3)：中控板不能正常触发闭合旁路开关，子模块电压持续升高达到bo动作电压(4100v)。电流通过取能分压回路流经bod触发回路，使得线圈1带电控制旁路开关闭合。
38.第五级：发生旁路开关拒动工况时，旁路开关已无法正常闭合。随着模块电压持续升高，达到二极管动作定值(uset4)，通过击穿二极管实现旁路。
39.在本方案中，二极管不仅用于解决旁路开关拒动故障的问题，还可以作为功率模块正常运行时通流回路，同时也用于系统故障时短路电流。
40.一种柔性直流换流阀功率模块旁路方法实施例：
41.本实施例针对的是如图3所示的柔性直流换流阀功率模块多级旁路策略，其是全桥或半桥功率模块(图1或图2)的基础上并联旁路开关与主动击穿二极管，以实现任何故障工况时都能实现功率模块可靠旁路。对于驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、中控板故障可通过闭合旁路开关实现功率模块旁路，对于旁路开关拒动故障，可通过击穿二极管实现功率模块旁路。具体的实现过程已在一种柔性直流换流阀功率模块实施例中做了详细介绍，本实施例不再赘述。
42.一种柔性直流换流阀实施例：
43.柔性直流换流阀控制装置，包括存储器和处理器，存储器和处理器之间通过内部总线进行数据交互。处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令，以实现本发明的一种柔性直流换流阀功率模块旁路方法，关于该方法的具体内容已在一种柔性直流换流阀功率模块旁路方法实施例中做了详细介绍，本实施例不再赘述。其中，存储器可以选择半导体存储器、磁表面存储器、只读存储器、顺序存储器等，处理器可以选择英特尔处理器、md处理器、ibm处理器、联发科处理器等。
44.以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种柔性直流换流阀功率模块旁路方法，柔性直流换流阀功率模块包括用于旁路功率模块的旁路开关以及与旁路开关并联的二极管，其特征在于，控制方法包括：在需要控制功率模块旁路时，若发生旁路开关拒动故障，则主动击穿二极管以实现功率模块旁路。2.根据权利要求1所述柔性直流换流阀功率模块旁路方法，其特征在于，所述控制方法还包括：若发生驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、过压故障或中控板故障，则控制旁路开关闭合以实现功率模块旁路；其中，所述驱动故障指的是驱动子模块运行的驱动板发生故障，所述欠压故障指的驱动子模块运行的驱动板供电电压不足故障，所述取能电源故障指的是用于给中控板供电的取能电源发生故障，所述通讯故障指的是中控板与上级通讯发生故障，所述过压故障指的是子模块中的直流电容电压过高故障。3.一种柔性直流换流阀功率模块，包括功率模块本体、旁路开关和二极管，所述旁路开关、二极管和功率模块本体三者并联，其特征在于，所述二极管用于旁路开关拒动故障时，主动击穿二极管以实现功率模块旁路。4.根据权利要求3所述柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述旁路开关用于发生驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、过压故障或中控板故障时，进行旁路开关闭合以实现功率模块旁路；其中，所述驱动故障指的是驱动子模块运行的驱动板发生故障，所述欠压故障指的驱动子模块运行的驱动板供电电压不足故障，所述取能电源故障指的是用于给中控板供电的取能电源发生故障，所述通讯故障指的是中控板与上级通讯发生故障，所述过压故障指的是子模块中的直流电容电压过高故障。5.根据权利要求4所述柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括旁开触发板，旁开触发板包括取能控制模块和触发模块，所述取能控制模块连接功率模块本体中的直流电容以从直流电容取电，并连接触发模块以为触发模块供电，且触发模块与用于控制旁路开关闭合/断开的第二控制线圈串联，以为第二控制线圈供电；触发模块的导通/关断由功率模块的中控板控制，若检测到驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障或过压故障时，中控板控制触发模块导通。6.根据权利要求5所述柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，触发模块包括取能电容和驱动管，所述取能电容和驱动管串联。7.根据权利要求4所述柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括bod触发板，bod触发板包括取能分压模块和bod触发模块，所述取能分压模块连接功率模块本体中的直流电容以从直流电容取电，并连接bod触发模块以为bod触发模块供电，且bod触发模块与用于控制旁路开关闭合/断开的第一控制线圈串联，以为第一控制线圈供电，若检测到中控板故障且直流电容电压达到bod动作值时，bod触发模块导通实现功率模块旁路。8.一种柔性直流换流阀，包括多个功率模块，其特征在于，所述功率模块为权利要求3-7任一项所述的功率模块。

技术总结
本发明涉及一种柔性直流换流阀及其功率模块和旁路方法，属于柔性直流输电技术领域。在柔直换流阀运行过程中，当功率模块出现故障时，需将功率模块可靠旁路，若发生旁路开关拒动，通过击穿二极管以实现功率模块旁路；若发生驱动故障、欠压故障、取能电源故障、通讯故障、过压故障、中控板故障，则控制旁路开关闭合以实现功率模块旁路。本方案确保在任何故障下，故障功率模块均能可靠地从功率主回路中切除，从而防止单一功率模块故障导致换流阀系统跳闸，大大提高了柔直换流站的系统可靠性。大大提高了柔直换流站的系统可靠性。大大提高了柔直换流站的系统可靠性。


技术研发人员：张磊 韩坤 刘堃 刘路路 夏克鹏 司志磊 户永杰 王帅卿 王迪 李成渝 李书亚
受保护的技术使用者：许继集团有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/9