一种模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置的制作方法

本实用新型涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置。

背景技术：

柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。[1]基于电压源换流器的高压直流输电(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrenttransmission，vsc-hvdc)技术由加拿大mcgill大学的boon-teckooi等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(pwm)技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。

现有的柔性直流输电工程普遍采用模块化多电平拓扑作为换流阀的基本结构形式，在该拓扑中换流阀的每个桥臂由一个个功率模块串联构成，每个功率模块含有igbt器件、电容、放电电阻、自取能电源、机械式的旁路开关和功率模块控制器等构成。每个功率模块仅通过一对光纤与处于地电位的阀级控制保护装置连接，功率模块内控制器等二次元件工作电源和机械式旁路开关的驱动电源由功率模块内部自取能电源提供，自取能电源的原边从功率模块电容两端进行取电。

当功率模块内一次、二次元件发生故障影响功率模块正常工作后，由功率模块控制器向机械式旁路开关下发旁路命令，使旁路开关闭合，从而将该功率模块从串联回路中切除，在功率模块冗余数量范围内换流阀可以继续维持运行。现有柔性直流输电中的机械式旁路开关闭合需要满足两个条件：一是机械式旁路开关内用于驱动开关闭合的储能电容储能充足；二是机械式旁路开关正确收到控制器下方的旁路命令。因此当功率模块内自取能电源或控制器发生故障后，当上述两个条件不同时满足，机械式旁路开关将会产生拒动，拒动后产生的电流、电压会击穿igbt器件等电子器件，甚至还会发生爆炸破裂等破坏性后果，对换流阀的安全产生严重威胁，导致柔性直流输电的可靠性低以及安全性能差。

如图7所示，现有换流阀的功率模块上含有一个用于驱动旁路开关k闭合的驱动电路，以图6视图的方向作为参考方向，驱动电路包括磁力线圈l1、第二储能电容c2、第一可控开关器件t1和控制器，磁力线圈l1的第一端与第一可控开关器件t1的第二端连接，磁力线圈l1的第二端分别与第二储能电容c2的正极和自取能电源vc的正极连接，第一可控开关器件t1的第二端分别与第二储能电容c2的负极和自取能电源vc的负极连接，第一可控开关器件t1的控制端与控制器连接。其中，自取能电源vc给第二储能电容c2提供电能。第一可控开关器件t1为用于触发的晶闸管，当功柔性直流输电中换流阀的功率模块产生故障时，由控制器控制第一可控开关器件t1触发导通，迫使第二储能电容c2向磁力线圈l1放电，磁力线圈l1产生磁力驱动旁路开关k闭合。因此当旁路开关k闭合需要第二储能电容c2中具有储存的电能和第一可控开关器件t1导通同时满足，旁路开关k才会闭合。如果功率模块内自取能电源vc或控制器发生故障后，第一可控开关器件t1未被触发导通或第二储能电容c2没有存储电能，旁路开关k将会产生拒动，拒动后，由于全控开关元件组合s中的二极管的单向导通性，第一储能电容c1将会在功率模块中的桥臂电流下持续充电，甚至会超过耐压值，产生击穿放电、爆炸破裂等，从而会导致柔性直流输电的安全产生严重威胁。又因，自取能电源vc和控制器属于换流阀中功率模块内复杂程度较高的二次部件，其故障概率相对其他换流阀中功率模块的全控开关元件组合、电容、电阻电能一次部件相对较高，因此上述问题属于换流阀中功率模块内不可忽视的安全风险点。

因此，针对上述情况，如何提高柔性直流输电的可靠性和安全性成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置，用于解决现有柔性直流输电的换流阀功率模块中存在安全隐患，导致柔性直流输电的可靠性低以及安全性能差的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：

一种模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置，应用于柔性直流输电上，包括全控开关元件组合、第一储能电容、放电电阻、自取能电源和控制器，所述模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置还包括至少两组旁路开关、第一可控开关器件、第二可控开关器件和无源过压触发回路，两组所述旁路开关分别为第一旁路开关和第二旁路开关，所述第一旁路开关包括第一开关元件、第一磁力线圈和第二储能电容，第二旁路开关包括第二开关元件和第二磁力线圈；

所述第一磁力线圈的第一端分别与所述自取能电源的正极和所述第二储能电容的正极连接，所述第一磁力线圈的第二端与所述第一可控开关器件的第二端连接，所述第一可控开关器件的控制端和所述控制器连接，所述第一可控开关器件的第一端和所述第二储能电容的负极均与所述自取能电源的负极连接；

所述第二磁力线圈的第一端与所述放电电阻连接，所述第二磁力线圈的第二端与所述第二可控开关器件的第二端连接，所述第二可控开关器件的控制端与所述无源过压触发回路连接，所述无源过压触发回路与所述第一储能电容连接，所述第二可控开关器件的第一端与所述第一储能电容的负极连接。

优选地，所述无源过压触发回路用于触发所述第二可控开关器件导通工作，所述无源过压触发回路包括第一过电压保护器件、第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和所述第四电阻串联连接且其串联连接点作为第一节点，所述第一过电压保护器件的第二端与所述第一节点连接，所述第一过电压保护器件的第一端与所述第二可控开关元件的控制端连接。

优选地，所述放电电阻包括第一电阻与所述第一电阻串联的第二电阻，所述第一电阻与所述第二电阻串联连接点作为第二节点，所述第二节点与所述第二磁力线圈的第一端连接，第二可控开关器件的第一端分别与所述第二电阻和自取能电源连接。

优选地，所述第一过电压保护器件为击穿二极管。

优选地，所述第一可控开关器件为晶闸管、igbt器件或iegt器件。

优选地，所述无源过压触发回路包括第一过电压保护器件、第三电阻、第四电阻和与所述第一过电压保护器件连接的至少一个第二过电压保护器件，所述第三电阻和所述第四电阻串联连接且其串联连接点作为第一节点，所述第一过电压保护器件的第二端与所述第一节点连接，所述第二过电压保护器件的第一端与所述第二可控开关元件的控制端连接。

优选地，所述第二过电压保护器件为击穿二极管。

优选地，所述第二可控开关器件为一个晶闸管、igbt器件或iegt器件组成的可控开关器件。

优选地，所述第二可控开关器件为至少两个晶闸管、igbt器件或iegt器件串联连接组成的可控开关器件。

优选地，所述全控开关元件组合为半桥子模块、全桥子模块、钳位子模块、串联双子模块、二极管钳位型子模块、增强自阻型子模块中任意一种的全控开关元件连接结构。

从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：该模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置通过第一储能电容给旁路开关提供电源实现闭合，不依赖自取能电源的供能；当自取能电源或控制器故障后导致旁路开关闭合失败，第一储能电容在全控开关元件组合的桥臂电流下持续充电是必然过程，而达到阈值后，采用无源过压触发回路触发导通第二可控开关器件且不受控制器的控制以及第一储能电容存储的电能给第二磁力线圈供电驱第二动旁路开关的闭合，避免自取能电源或控制器故障后导致旁路开关闭合失败情况的发生，解决了现有柔性直流输电的换流阀功率模块中存在安全隐患，导致柔性直流输电的可靠性低以及安全性能差的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例一的电路原理图。

图2为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例一的另一电路原理图。

图3为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例二的电路原理图。

图4为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例三的电路原理图。

图5为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例四的电路原理图。

图6为现有柔性直流输电中换流阀的结构示意图。

图7为现有柔性直流输电中换流阀功率模块驱动旁路开关的结构示意图。

具体实施方式

为使得本实用新型的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型具体实施例中，描述的旁路开关k可以为机械式的磁力开关，描述的全控开关元件组合为igbt、iegt和igct等全控型开关元件的组合。描述的可控开关器件可以为晶闸管，也可以为能够实现触发开通的igbt、iegt等其他可控性器件。过电压保护器件优选选用击穿二极管(breakoverdiode)。

图6为现有柔性直流输电中换流阀的结构示意图。

如图6所示，现有柔性直流输电中换流阀的功率模块包括旁路开关k、全控开关元件组合s、第一储能电容c1、放电电阻r和自取能电源vc。其中，旁路开关k与电源输入端连接，旁路开关k通过全控开关元件组合s分别与第一储能电容c1、放电电阻r和自取能电源vc连接，第一储能电容c1和放电电阻r分别与自取能电源vc并联。

需要说明的是，全控开关元件组合s可以为半桥子模块中全控开关元件连接结构，也可以为全桥子模块中全控开关元件连接结构、钳位子模块中全控开关元件连接结构、串联双子模块中全控开关元件连接结构、二极管钳位型子模块中全控开关元件连接结构、增强自阻型子模块中全控开关元件连接结构等。上述描述的全控开关元件的连接结构已在2016年4月20日的中国电机工程学报第36卷第8期第2114至2122页的《具有直流故障清除能力的mmc子模块关键性能研究》公开了。

本申请实施例提供了一种模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置，应用于柔性直流输电上，用于解决现有柔性直流输电的换流阀功率模块中存在安全隐患，导致柔性直流输电的可靠性低以及安全性能差的技术问题。

实施例一：

图1为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例一的电路原理图。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置，应用于柔性直流输电上，包括全控开关元件组合s、第一储能电容c1、放电电阻、自取能电源vc、控制器、第一可控开关器件t1、第二储能电容c2、第二可控开关器件t2、无源过压触发回路10和至少两组旁路开关，两组旁路开关分别为第一旁路开关和第二旁路开关，第一旁路开关包括第一开关元件k1、第一磁力线圈l1和第二储能电容c2，第二旁路开关包括第二开关元件k2和第二磁力线圈l2。第一磁力线圈l1的第一端分别与自取能电源vc的正极和第二储能电容c2的正极连接，第一磁力线圈l1的第二端与第一可控开关器件t1的第二端连接，第一可控开关器件t1的控制端和控制器连接，第一可控开关器件t1的第一端和所第二储能电容c2的负极均与自取能电源vc的负极连接。第二磁力线圈l2的第一端与放电电阻连接，第二磁力线圈l2的第二端与第二可控开关器件t2的第二端连接，第二可控开关器件t2的控制端与无源过压触发回路10连接，无源过压触发回路10与第一储能电容c1连接，第二可控开关器件t2的第一端与第一储能电容c1的负极连接。

需要说明的是，第一旁路开关和第二旁路开关均优选为机械式的开关，例如继电器。

在本实用新型的实施例中，该模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置中的第一可控开关元件t1和第二可控开关器件t2均可以是单个晶闸管，也可以是多个晶闸管串联组成，也可以是能够实现触发开通的igbt、iegt等其他可控性器件。

在本实用新型的实施例中，第一储能电容c1是提供两组旁路开关闭合操作结构的能量来源，不依赖自取能电源vc的供能。

在本实用新型的实施例中，第二可控开关元件t2的触发由含bod元件的无源过压触发回路10完成，不依赖控制器控制第二可控开关元件t2触发工作。

在本实用新型的实施例中，自取能电源vc或控制器故障后导致第一旁路开关的第一开关元件k1闭合失败，第一储能电容c1在全控开关元件组合s的桥臂电流下持续充电是必然过程，而达到阈值后无源过压触发回路10实现触发以及第一储能电容c1有储能进行线圈驱动也是必然过程，因此本发明设计提供了一种模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置能够作为现有旁路方案的后备，为给旁路开关k合闸提供可靠旁路启动装置，提高柔性直流输电的直流功率模块运行的可靠性和安全性。

在本实用新型的实施例中，全控开关元件组合s可以选为半桥子模块、全桥子模块、钳位子模块、串联双子模块、二极管钳位型子模块、增强自阻型子模块中任意一种的全控开关元件连接结构。

本实用新型提供的一种模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置通过第一储能电容给旁路开关提供电源实现闭合，不依赖自取能电源的供能；当自取能电源或控制器故障后导致旁路开关闭合失败，第一储能电容在全控开关元件组合的桥臂电流下持续充电是必然过程，而达到阈值后，采用无源过压触发回路触发导通第二可控开关器件且不受控制器的控制以及第一储能电容存储的电能给第二磁力线圈供电驱动第二旁路开关的闭合，避免自取能电源或控制器故障后导致第一旁路开关闭合失败情况的发生，解决了现有柔性直流输电的换流阀功率模块中存在安全隐患，导致柔性直流输电的可靠性低以及安全性能差的技术问题。

图2为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例一的另一电路原理图。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，无源过压触发回路10用于触发第二可控开关器件t2导通工作，无源过压触发回路10包括第一过电压保护器件bod1、第三电阻r3和第四电阻r4，第三电阻r3和第四电阻r4串联连接且其串联连接点为第一节点a，第一过电压保护器件bod1的第二端与第一节点a连接，第一过电压保护器件bod1的第一端与第二可控开关元件t2的控制端连接。其中，第三电阻r3和第四电阻r4串联后与自取能电源vc并联连接。

需要说明的是，第一过电压保护器件bod1优选选用击穿二极管。在本实施例中，无源过压触发回路10上可以设置一个击穿二极管，也可以设置多个串联连接的击穿二极管。在其他的实施例中，第一过电压保护器件bod1也可以是能够实现特定电压稳定击穿特性的其他元件。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，放电电阻r包括第一电阻r1与第一电阻r1串联的第二电阻r2，第一电阻r1与第二电阻r2串联连接点作为第二节点b，第二节点b与第二磁力线圈l2的第一端连接，第二可控开关器件t2的第一端分别与第二电阻r2和自取能电源vc连接。其中，第一电阻r1与第二电阻r2串联后分别与第一储能电容c1和自取能电源vc并联连接。

需要说明的是，第一电阻r1用于限制第二可控开关器件t2被触发导通后第一储能电容c1向磁力线圈l1放电的电流大小，第一电阻r1的阻值可根据旁路开关k驱动所需电流大小来确定。第二电阻r2取高阻值，用于限制正常运行时换流阀中功率模块的回路电流大小，同时第二电阻r2也与第一电阻r1串联构成功率模块的放电电阻。不同的工程第一储能电容c1和第二可控开关器件t2的选值各不相同，因此的第三电阻r3参数也无法在本实用新型中确定，但其原理和作用是相同的。比如：第一电阻r1用于限制磁力线圈l2的电流至数十a，所以第一电阻r1的电阻阻值可以为100～200ω。第二电阻r2取高阻值，用于限制正常运行时换流阀中功率模块的电流大小，第二电阻r2的电阻可以阻值为20k～50kω。第三电阻r3用于限制第二可控开关器件t2触发导通时的触发电流大小，一般触发电流在数十ma，所以第三电阻r3的电阻阻值可以为50k～100kω。第四电阻r4取高阻值，用于限制正常运行时换流阀中功率模块的回路电流大小，第四电阻r4的电阻可以阻值为不小于100kω。

在本实用新型实施例中，当柔性直流输电中换流阀上的功率模块自取能电源vc和控制器正常时，由自取能电源vc为第二储能电容c2供电，由控制器控制第一可控开关器件t1触发导通，实现旁路开关k闭合的正常工作。本实用新型的第二功率模块20的工作原理为：当柔性直流输电中换流阀上功率模块的自取能电源vc或者控制器发生故障后，旁路开关k无法实现闭合时，第一储能电容c1将在换流阀的桥臂电流下持续充电，当第一储能电容c1的电压达到一定阈值(一般为功率模块内全控开关元件组合的全控开关元件耐压值以下，不同工程可根据一次部件耐压值进行调整)后，无源过压触发回路10中的第一过电压保护器件bod1被击穿，第一储能电容c1通过第三电阻r3实现对第二可控开关器件t2的触发导通，第二可控开关器件t2触发导通后使得第一储能电容c1通过第一电阻r1对第二磁力线圈l2进行放电，第二磁力线圈l2得到产生磁力使得第二旁路开关的第二开关元件k2闭合，从而可以不依赖自取能电源实现两组旁路开关闭合，该模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置能够在自取能电源和或控制器故障后仍实现旁路开关的闭合，对柔性直流输电上的功率模块和换流阀进行保护，从而提高柔性直流输电的可靠性和安全性。

实施例二：

如图3所示，图3为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例二的电路原理图。

实施例二和实施例一的工作原理是相同，不同之处是，无源过压触发回路10是由至少两个连接的过电压保护器件bod、第三电阻r3和第四电阻r4组成的。其中，两个过电压保护器件bod可以串联连接，也可以并联连接。

本实施例是以两个串联连接的过电压保护器件bod作为案例进行说明，两个过电压保护器件bod1分别为第一过电压保护器件bod1和第二过电压保护器件bod2，第一过电压保护器件bod1与第二过电压保护器件bod2串联连接后再分别与第一节点a和第二可控开关器件t2的控制端连接。

实施例二中模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置的工作原理与实施例一的相同或相似，因此在此实施例中不在一一阐述了。

实施例三：

如图4所示，图4为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例三的电路原理图。

实施例三和实施例一的工作原理是相同，不同之处是，该模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置中包括至少两个可控开关器件t串联连接，并由组成两个可控开关器件t串联组成并作为第二可控开关器件t2。本实施例是以两个串联连接的可控开关器件t作为案例进行说明，两个可控开关器件t分别为第三可控开关器件t3和第四可控开关器件t4，第三可控开关器件t3与第四可控开关器件t4串联连接后再分别与磁力线圈t2的第一端和可控开关器件的第一端连接。

需要说明的是，可控开关器件t可以为晶闸管，也可以为igbt器件、iegt器件等具有相同功能或作用的可控开关器件。

实施例三中模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置的工作原理与实施例一的相同或相似，因此在此实施例中不在一一阐述了。

实施例四：

如图5所示，图5为本实用新型实施例所述的模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置实施例四的电路原理图。

实施例四和实施例一的工作原理是相同，不同之处是，无源过压触发回路10是由至少两个串联连接的过电压保护器件bod、第三电阻r3和第四电阻r4组成的。本实施例是以两个串联连接的过电压保护器件bod作为案例进行说明，两个过电压保护器件bod1分别为第一过电压保护器件bod1和第二过电压保护器件bod2，第一过电压保护器件bod1与第二过电压保护器件bod2串联连接后再分别与第一节点a和第二可控开关器件t2的控制端连接。该模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置中包括至少两个可控开关器件t串联连接，并由组成两个可控开关器件t串联组成并作为第二可控开关器件t2。本实施例是以两个串联连接的可控开关器件t作为案例进行说明，两个可控开关器件t分别为第三可控开关器件t3和第四可控开关器件t4，第三可控开关器件t3与第四可控开关器件t4串联连接后再分别与磁力线圈l1的第一端连接。

实施例四中模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置的工作原理与实施例一的相同或相似，因此在此实施例中不在一一阐述了。

需要说明的是，该模块化多电平换流阀的功率模块无源旁路装置中还可以包括至少两个可控开关器件t串联连接，并由组成两个可控开关器件t串联组成并作为第一可控开关器件t1。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。