一种旁路开关拒动不跳闸子模块及其换流阀的制作方法

1.本发明涉及电力系统及电力电子柔性直流换流阀相关技术领域，尤其涉及一种旁路开关拒动不跳闸子模块及其换流阀。


背景技术：

2.基于mmc(modular multilevel converter,模块化多电平换流器)的柔性直流输电系统控制灵活，能够实现有功、无功的独立解耦控制，在大规模分布式新能源并网、城市供电、孤岛供电、电网黑启动、多端直流联网、弱系统联网等领域具有很大市场应用前景。目前国内已有多个mmc拓扑结构应用工程。
3.目前柔性直流输电系统中mmc拓扑结构的换流阀设备容错机制是配置一定比例的子模块，通过合闸机械旁路开关将故障子模块旁路，以避免故障的进一步扩大化。工程中只要故障子模块被可靠旁路且被旁路子模块个数不超过所设置冗余数，系统能够可靠安全运行。
4.若换流阀设备中机械旁路开关因故障无法正常合闸，故障子模块或因过压损坏非故障部件，极端工况下可能会形成电气“断口”，验证危害柔性直流输电系统的安全，以往工程中处理策略为申请系统跳闸。工程中每个子模块均配置有机械旁路开关，且若控制板卡故障(如光纤故障、光收发板故障、取能电源故障等等)引起黑模块产生，均会导致故障子模块无法有效旁路。因此工程中因子模块无法可靠旁路导致系统跳闸事故有较大概率发生，大大降低了柔性直流输电系统运行的可靠性与可用率。


技术实现要素：

5.基于现有技术的上述情况，针对柔性直流输电系统子模块旁路开关拒动不跳闸的情况，本发明提供了一种旁路开关拒动不跳闸子模块及其换流阀，提高了mmc子模块的旁路响应速度、实现故障子模块的可靠旁路，在很大程度上提高了mmc柔性直流输电的供电可靠性与可用率，促进柔性直流输电技术的发展与应用。
6.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种旁路开关拒动不跳闸子模块，所述子模块包括：子模块本体模块和旁路保护模块；其中，
7.所述旁路保护模块包括旁路保护元件和旁路保护触发控制模块；
8.所述旁路保护元件，包括旁路晶闸管和旁路开关，所述旁路晶闸管反向并联于所述子模块本体模块的半桥桥口，所述旁路开关与所述晶闸管并联；
9.所述旁路保护触发控制模块，在发生故障时，触发所述旁路开关合闸。
10.进一步的，所述旁路保护触发控制模块包括第一旁路保护触发控制模块和第二旁路保护触发控制模块；
11.所述第一旁路保护触发控制模块包括sm控制板卡触发控制模块；
12.所述第二旁路保护触发控制模块包括bod触发合闸控制模块。
13.进一步的，所述sm控制板卡触发控制模块，根据所述子模块本体模块的故障状态，
触发所述旁路开关合闸。
14.进一步的，所述bod触发合闸控制模块，当所述子模块本体模块过压值达到bod保护整定值时，触发所述旁路开关合闸。
15.进一步的，所述旁路晶闸管包括反向过压击穿旁路晶闸管，在过压击穿后稳定通流。
16.进一步的，所述反向过压击穿旁路晶闸管，当所述子模块本体模块过压值达到该旁路晶闸管的过压击穿值时，所述反向过压击穿旁路晶闸管击穿形成短路通路。
17.根据本发明的第二个方面，提供了一种换流阀，所述换流阀包括三相6个桥臂，每个所述桥臂包括n个子模块和1个相电抗器；其中，所述子模块为如上文中本发明第一个方面所述的旁路开关拒动不跳闸子模块。
18.根据本发明的第三个方面，提供了一种子模块的故障旁路控制方法，其用于如上文中本方面第一个方面所述的旁路开关拒动不跳闸子模块，所述控制方法包括如下步骤：
19.当子模块本体模块发生故障时，判断旁路开关以及sm控制板卡是否正常；
20.若旁路开关正常，且sm控制板卡正常，所述sm控制板卡下发合闸指令，触发所述旁路开关合闸；
21.若旁路开关正常，sm控制板卡发生故障，当所述子模块本体模块中的电容电压达到第一阈值时，所述旁路保护触发控制模块中的bod触发合闸控制模块触发所述旁路开关合闸；
22.若所述旁路开关发生故障，当所述子模块本体模块中的电容电压达到第二阈值时，所述旁路晶闸管击穿形成短路通路。
23.进一步的，所述第一阈值小于所述第二阈值。
24.根据本发明的第四个方面，提供了一种子模块的故障旁路控制方法，其用于如上文中本方面第一个方面所述的旁路开关拒动不跳闸子模块，所述控制方法包括如下步骤：
25.当子模块本体模块发生故障时，判断工况状态；
26.若为非黑模块工况，判断所述旁路开关是否正常；
27.若旁路开关正常，触发所述旁路开关合闸；
28.若旁路开关发生故障，所述旁路晶闸管击穿形成短路通路；
29.若为黑模块故障工况，判断旁路开关以及sm控制板卡是否正常；
30.若sm控制板卡正常，所述sm控制板卡下发合闸指令，触发所述旁路开关合闸；
31.若sm控制板卡发生故障，所述旁路保护触发控制模块中的bod触发合闸控制模块触发所述旁路开关合闸；
32.若旁路开关发生故障，所述旁路晶闸管击穿形成短路通路。
33.综上所述，本发明提供一种旁路开关拒动不跳闸子模块及其换流阀，通过在mmc子模块中设置两套合闸电路以及两套合闸控制机制，提高了mmc子模块的旁路响应速度、实现故障子模块的可靠旁路，有效地解决了黑模块及单一元件故障导致系统闭锁问题，在很大程度上提高了mmc柔性直流输电的供电可靠性与可用率，促进柔性直流输电技术的发展与应用。
附图说明
34.图1是本发明旁路开关拒动不跳闸子模块的设计原理示意图；
35.图2是本发明的旁路开关拒动不跳闸子模块故障后过压产生机理示意图；
36.图3是本发明的旁路开关拒动不跳闸子模块旁路过压击穿通流回路示意图；
37.图4是本发明柔性直流输电mmc换流阀拓扑结构图；
38.图5是本发明子模块的故障旁路控制方法实施流程图。
39.图6是本发明子模块的另一种故障旁路控制方法实施流程图。
具体实施方式
40.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。
41.下面对本发明的技术方案进行详细说明，根据本发明的一个实施例，提供了一种旁路开关拒动不跳闸子模块，该子模块的设计原理示意图如图1所示。子模块包括：子模块本体模块和旁路保护模块。子模块本体模块与现有技术中常见的mmc子模块相同，可以为半桥子模块、全桥子模块、或者其他的常见子模块拓扑结构。本实施例中以半桥子模块拓扑为例来说明本实施例的技术方案，如图1所示，子模块本体模块包括直流电容c、2个可控开关t1和t2构成半桥结构、以及与所述可控开关t1和t2反并联连接的二极管d1和d2。旁路保护模块包括旁路保护元件和旁路保护触发控制模块。所述旁路保护元件，包括旁路晶闸管thy和旁路开关k，旁路晶闸管thy，为反向过压击穿旁路晶闸管，当所述子模块本体模块过压值达到该旁路晶闸管的过压击穿值时，所述反向过压击穿旁路晶闸管击穿形成短路通路；旁路开关k，通常为机械式旁路开关。所述旁路晶闸管thy反向并联于所述子模块本体模块的半桥桥口，所述旁路开关k与所述晶闸管thy并联。旁路保护触发控制模块，包括sm控制板卡触发控制模块和bod触发合闸控制模块。其中，所述sm控制板卡触发控制模块，根据所述子模块本体模块的故障状态，触发所述旁路开关合闸。所述bod触发合闸控制模块，当所述子模块本体模块过压值达到bod保护整定值时，触发所述旁路开关合闸。
42.本实施例提供的子模块通过上述结构的设置，旁路晶闸管具备反向过压击穿功能，过压击穿后可长期稳定通流；机械式旁路开关k具备两套合闸控制模块配合两套合闸线圈，两套合闸控制模块完全独立，一路sm控制板卡触发控制模块为由sm控制板卡下发合闸控制指令，另一路bod触发合闸控制模块，当mmc子模块本体模块过压值达到bod保护整定值后，依赖bod触发机械式旁路开关k合闸，实现mmc子模块本体模块旁路。从而实现了在旁路工况下，机械式旁路开关k触发合闸不再仅仅依赖sm控制板卡；更进一步，即使旁路开关k本体故障，仍可通过击穿旁路晶闸管thy实现。
43.图2示出了本发明旁路开关拒动不跳闸子模块故障后过压产生机理示意图，当子模块本体发生故障后，首先闭锁可控开关t1、t2，并触发旁路。若桥臂电流为充电方向，桥臂电流经d1向直流电容c充电，若此时子模块本体不快速旁路，子模块本体直流电压不断上升，将危害设备安全。
44.图3示出了本发明旁路开关拒动不跳闸子模块旁路过压击穿通流回路示意图，如
果旁路开关k正常且sm控制板卡正常，子模块本体故障后立即闭锁子模块本体，由sm控制板卡触发合闸机械开关k，来实现子模块本体旁路。如果旁路开关k正常、sm控制板卡异常，子模块本体故障后，立即闭锁子模块本体，如果sm控制板卡无法下发合闸指令，由bod触发合闸控制模块检测子模块本体电压达到第一阈值后触发机械开关k合闸，来实现子模块本体旁路。如果旁路开关本体k故障，子模块本体故障后，立即闭锁子模块本体，sm控制板卡无法下发合闸指令，当子模块电压达到后，旁路晶闸管thy反向击穿实现子模块本体旁路，子模块本体旁路后，旁路晶闸管thy长期稳定通流。其中，第一阈值可根据子模块igbt安全工作区以及柔性直流输电系统交直流故障穿越需求设置，第二阈值可根据旁路晶闸管thy的过压击穿值设置，通常为4000v-4500v，第一阈值小于第二阈值。
45.根据本发明的第二个实施例，提供了一种换流阀，该换流阀的拓扑结构图如图4所示，用于柔性直流输电系统。如图4所示，该换流阀由三相6个桥臂组成，每个桥臂又由n个功率单元sm(即mmc子模块)和一个相电抗器larm串联而成。其中，每个桥臂上的功率单元sm的个数由工程的电压等级及功率器件等条件决定，不同的工程n的值不同。其中，该换流阀内部的所述子模块均为如本发明第一实施例提供的旁路开关拒动不跳闸子模块。
46.根据本发明的第三个实施例，提供一种子模块的故障旁路控制方法，以用于控制上述旁路开关拒动不跳闸子模块，该控制方法的实施流程图如图5所示，所述控制方法包括如下步骤：
47.当子模块本体模块发生故障时，判断旁路开关以及sm控制板卡是否正常；
48.若旁路开关正常，且sm控制板卡正常，所述sm控制板卡下发合闸指令，触发所述旁路开关合闸；
49.若旁路开关正常，sm控制板卡发生故障，当所述子模块本体模块中的电容电压达到第一阈值时，所述旁路保护触发控制模块中的bod触发合闸控制模块触发所述旁路开关合闸；
50.若所述旁路开关发生故障，当所述子模块本体模块中的电容电压达到第二阈值时，所述旁路晶闸管击穿形成短路通路。
51.根据本发明的第四个实施例，提供了一种子模块的故障旁路控制方法，以用于控制上述具备双合闸机制的子模块，该控制方法的实施流程图如图6所示，所述控制方法包括如下步骤：
52.当子模块本体模块发生故障时，判断工况状态；
53.除去已知旁路的子模块，在换流阀运行过程中一直未上传信息的子模块，定义为黑模块。引起黑模块的原因主要有通信故障或者是板卡掉电。
54.若为非黑模块工况，判断所述旁路开关是否正常；
55.若旁路开关正常，触发所述旁路开关合闸；
56.若旁路开关发生故障，所述旁路晶闸管击穿形成短路通路；
57.若为黑模块故障工况，判断旁路开关以及sm控制板卡是否正常；
58.若sm控制板卡正常，所述sm控制板卡下发合闸指令，触发所述旁路开关合闸；
59.若sm控制板卡发生故障，所述旁路保护触发控制模块中的bod触发合闸控制模块触发所述旁路开关合闸；
60.若旁路开关发生故障，所述旁路晶闸管击穿形成短路通路。
61.综上所述，本发明涉及一种旁路开关拒动不跳闸子模块及其换流阀，通过在子模块中设置两套合闸电路以及两套合闸控制机制，提高了子模块的旁路响应速度、实现故障子模块的可靠旁路，有效地解决了黑模块及单一元件故障导致系统闭锁问题，在很大程度上提高了mmc柔性直流输电的供电可靠性与可用率，促进柔性直流输电技术的发展与应用。
62.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。