一种用于电力专用芯片的双向换流电路的制作方法

1.本发明属于数字电网技术领域，尤其涉及一种用于电力专用芯片的双向换流电路。


背景技术：

2.在数字电网领域，换流电路是换流站中用以实现交、直流电能相互转换的电路，是最核心的能量转换单元。实现交流电转换为直流电的电路称作整流电路，而直流电转换为交流电的电路称作逆变电路，二者统称为换流电路。
3.目前的换流电路大多数只能实现一侧的电压向另一侧传递电压，电路无法逆向工作，即电路无法实现输入输出互换使用，无法进行双向换流，导致其功能单一，限制了换流电路的使用范围。少数涉及到双向换流的方案中，可以达到交流到直流、直流到交流的转换，但拓扑结构过于复杂，功耗较高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种用于电力专用芯片的双向换流电路，以解决现有技术换流电路双向换流中，拓扑结构过于复杂，功耗较高等技术问题。
5.本发明技术方案：
6.一种用于电力专用芯片的双向换流电路，包括主控制模块、换向控制模块、换流控制模块和双向换流模块，主控制模块分别与换向控制模块和换流控制模块电连接，换向控制模块和换流控制模块均与双向换流模块电连接；
7.主控制模块用于向换向控制模块下发换向指令，还用于向换流控制模块下发换流指令；
8.换向控制模块用于根据所述换向指令，控制双向换流模块的换流方向；
9.换流控制模块用于根据所述换流指令，按照换流方向控制双向换流模块的换流动作；
10.双向换流模块均用于根据换流方向和换流动作，完成双向换流。
11.双向换流模块包括换流阀f1、换流阀f2、电桥电路h、电抗l1、电抗l2、电容c1和电容c2；
12.换流阀f1的第一输入端通过电抗l2与换向控制模块电连接，换流阀f1的第一输入端还通过电容c2与换流阀f2的第一输入端电连接，换流阀f1的第二输入端和换流阀f2的第二输入端均与换流控制模块电连接；换流阀f1的第一输出端和换流阀f2的第一输出端均与电桥电路h的第一输入端电连接，换流阀f1的第二输出端和换流阀f2的第二输出端均与电桥电路h的第二输入端电连接，电桥电路h的第三输入端与换流控制模块电连接；电桥电路h的第一输出端通过电抗l1与换向控制模块电连接，电容c1的一端与电抗l1电连接，电容c1的另一端与电桥电路h的第二输出端电连接。
13.换流阀f1包括开关管s1、开关管s2和电流互感器l3，换流阀f2包括开关管s3、开关管
s4和电流互感器l4，所述开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4均设有控制端子、第一输出端子和第二输出端子；
14.开关管s1的第一输出端子与开关管s3的第一输出端子电连接，且电桥电路h的第一输入端连接在开关管s1与所述开关管s3的公共连接端上；
15.开关管s1的第二输出端子通过电流互感器l3与开关管s2的第一输出端子电连接，且电抗l2的一端和换流控制模块均连接在电流互感器l3与开关管s2的公共连接端上，电抗l2的另一端与电容c2的一端电连接；
16.开关管s3的第二输出端子通过电流互感器l4与开关管s4的第一输出端子电连接，且电容c
i2
的另一端和换流控制模块均连接在电流互感器l4与开关管s4的公共连接端上；
17.开关管s2的第二输出端子与开关管s4的第二输出端子电连接，且电桥电路h的第二输入端连接在开关管s2与开关管s4的公共连接端上；
18.开关管s1的控制端子、开关管s2的控制端子、开关管s3的控制端子和开关管s4的控制端子均与换流控制模块电连接。
19.电桥电路h包括电容c3、电容c4、开关管s5、开关管s6和电流互感器l5，所述开关管s5和开关管s6均设有控制端子、第一输出端子和第二输出端子；
20.电容c3的一端和开关管s5的第一输出端子均连接在开关管s1与开关管s3的公共连接端上；
21.电容c3的另一端与电容c4的一端电连接，电容c1的一端连接在所述电容c3与电容c4的公共连接端上，电容c1的另一端与电抗l1的一端电连接；
22.开关管s5的第二输出端子通过电流互感器l5与开关管s6的第一输出端子电连接，电抗l1的另一端和换流控制模块均连接在开关管s5与电流互感器l5的公共连接端上，
23.电容c4的另一端与开关管s6的第二输出端子均连接在开关管s2与开关管s4的公共连接端上；
24.开关管s5的控制端子和开关管s6的控制端子均与换流控制模块电连接。
25.所述开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、开关管s5和开关管s6均为mos管。
26.所述换流控制模块包括开关控制器和6个驱动电路；
27.所述开关控制器分别与主控制器和6个驱动电路电连接，开关控制器还连接在开关管s1与电流互感器l3的公共连接端上，开关控制器还连接在开关管s3与电流互感器l4的公共连接端上，开关控制器还连接在开关管s5与所述电流互感器l5的公共连接端上；6个驱动电路分别与开关管s1的控制端子、开关管s2的控制端子、开关管s3的控制端子、开关管s4的控制端子、开关管s5的控制端子和开关管s6的控制端子一一对应电连接。
28.所述换向控制模块包括换向控制器、可控硅scr1和可控硅scr2；
29.换向控制器与主控制模块电连接，可控硅scr1的一端和可控硅scr2的一端均与换向控制器电连接，可控硅scr1的另一端与双向换流模块中的电抗l2电连接，可控硅scr2的另一端与双向换流模块中的所述电抗l1电连接。
30.换向控制模块还包括互锁电路，换向控制器通过互锁电路分别与可控硅scr1的一端和可控硅scr2的一端电连接。
31.互锁电路包括一个译码器。
32.一种电力专用芯片包括所述的双向换流电路。
33.本发明的有益效果：
34.本发明将主控制模块作为双向换流电路的主控制核心，实现双向换流模块与电力系统的协调控制，为双向换流模块实现双向换流提供换向指令，该换向指令即为指示电压向哪一侧流动的指令；以及换流指令，该换流指令即为指示双向换流模块中各开关器件所采取开关动作的指令；换向控制模块作为电压流动方向的控制核心，根据主控制模块下发的换向指令实现双向换流模块的电流流向(即换流方向)的控制；换流控制模块作为换流动作的控制核心，根据下发的换流指令实现双向换流模块中的各开关器件的开关(即换流动作)的控制；通过换向控制模块控制的换流方向以及换流控制模块控制的换流动作，一方面双向换流模块可以根据所需顺利实现双向换流，换流方向自由切换；另一方面拓扑结构与传统技术相比，得到了简化，大大降低了功耗，极其适用于电力专用芯片的设计。
35.解决了现有技术换流电路双向换流中，拓扑结构过于复杂，功耗较高等技术问题。
附图说明
36.图1为本发明实施例一中一种用于电力专用芯片的双向换流电路的结构示意图；
37.图2为本发明实施例一中另一种用于电力专用芯片的双向换流电路的结构示意图；
38.图3为本发明实施例一中又一种用于电力专用芯片的双向换流电路的结构示意图；
39.图4为本发明实施例一中所采用的译码器的芯片结构图。
具体实施方式
40.下面结合附图，对本发明进行说明。
41.实施例一、如图1所示，一种用于电力专用芯片的双向换流电路，包括主控制模块、换向控制模块、换流控制模块和双向换流模块，主控制模块分别与换向控制模块和换流控制模块电连接，换向控制模块和换流控制模块均与双向换流模块电连接；
42.主控制模块用于向换向控制模块下发换向指令，还用于向换流控制模块下发换流指令；
43.换向控制模块用于根据换向指令，控制双向换流模块的换流方向；
44.换流控制模块用于根据所述换流指令，按照换流方向控制双向换流模块的换流动作；
45.双向换流模块均用于根据换流方向和所述换流动作，完成双向换流。
46.主控制模块作为主控制核心，实现双向换流模块与电力系统的协调控制，为双向换流模块实现双向换流提供换向指令(该换向指令即为指示电压向哪一侧流动的指令)以及换流指令(该换流指令即为指示双向换流模块中各开关器件所采取开关动作的指令)；换向控制模块作为电压流动方向的控制核心，根据主控制模块下发的换向指令实现双向换流模块的电流流向(即换流方向)的控制；换流控制模块作为换流动作的控制核心，根据下发的换流指令实现双向换流模块中的各开关器件的开关(即换流动作)的控制；通过换向控制模块控制的换流方向以及换流控制模块控制的换流动作，一方面双向换流模块可以根据所需顺利实现双向换流，换流方向自由切换；另一方面拓扑结构与传统技术相比，得到了简
化，大大降低了功耗。
47.如图2所示，双向换流模块包括换流阀f1、换流阀f2、电桥电路h、电抗l1、电抗l2、电容c1和电容c2；
48.换流阀f1的第一输入端通过电抗l2与换向控制模块电连接，换流阀f1的第一输入端还通过电容c2与换流阀f2的第一输入端电连接，换流阀f1的第二输入端和换流阀f2的第二输入端均与换流控制模块电连接；换流阀f1的第一输出端和换流阀f2的第一输出端均与电桥电路h的第一输入端电连接，换流阀f1的第二输出端和换流阀f2的第二输出端均与电桥电路h的第二输入端电连接，电桥电路h的第三输入端与换流控制模块电连接；电桥电路h的第一输出端通过电抗l1与换向控制模块电连接，电容c1的一端与电抗l1电连接，电容c1的另一端与电桥电路h的第二输出端电连接。
49.在高压直流输电系统中，换流装置的基本功能单元为桥式换流电路(包括全桥型换流电路和半桥型换流电路)，桥式换流电路的每个桥臂称为换流阀。本实施例对于任一个双向换流模块，由上述两个换流阀组成的桥式电路以及电桥电路，能够在换向控制模块和换流控制模块的控制下，分别实现电压从两个换流阀左侧输入并向电桥电路的右侧输出以及电压从电桥电路的右侧输入并从两个换流阀左侧输出，进而便于实现双向换流的自由切换。
50.具体地，当换向控制模块控制交流电压从两个换流阀的左侧输入时，能将输入的交流电压转换为直流电压，两个换流阀所组成的桥式电路起整流的作用；电压从电桥电路的右侧输出，将直流电压转换为交流电压，电桥电路起逆变的作用。而当换向控制模块控制交流电压从电桥电路的右侧输入时，与上述过程相反，电桥电路起整流的作用，两个换流阀组成的桥式电路起逆变的作用，由此实现了双向换流模块的双向换流。
51.如图3所示，换流阀f1包括开关管s1、开关管s2和电流互感器l3，换流阀f2包括开关管s3、开关管s4和电流互感器l4，开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4均设有控制端子、第一输出端子和第二输出端子；
52.开关管s1的第一输出端子与开关管s3的第一输出端子电连接，且电桥电路h的第一输入端连接在开关管s1与开关管s3的公共连接端上；
53.开关管s1的第二输出端子通过电流互感器l3与开关管s2的第一输出端子电连接，且电抗l2的一端和换流控制模块均连接在电流互感器l3与开关管s2的公共连接端上，电抗l2的另一端与电容c2的一端电连接；
54.开关管s3的第二输出端子通过电流互感器l4与开关管s4的第一输出端子电连接，且电容c
i2
的另一端和换流控制模块均连接在电流互感器l4与开关管s4的公共连接端上；
55.开关管s2的第二输出端子与开关管s4的第二输出端子电连接，且电桥电路h的第二输入端连接在开关管s2与开关管s4的公共连接端上；
56.开关管s1的控制端子、开关管s2的控制端子、开关管s3的控制端子和开关管s4的控制端子均与换流控制模块电连接。
57.双向换流模块中的两个换流阀均由两个开关管组成，每个开关管均能在换流控制模块的控制下进行开启和闭合，进而控制交流电压在两个换流阀中的流向，便于实现双向换流，基于开关管所构成的换流阀，拓扑结构和控制机制简单，功耗低。此外，在s1和s2之间接入电流互感器l3，且该电流互感器l3与换流控制模块电连接，能实时检测换流阀f1中的电
流，当该电流异常时，可利用换流控制模块来控制的s1和s2的关闭，实现换流阀f1的闭锁，避免双向换流过程中的短路故障。在s3和s4之间接入电流互感器l4，与此同理，此处不再赘述。
58.如图3所示，电桥电路h包括电容c3、电容c4、开关管s5、开关管s6和电流互感器l5，开关管s5和开关管s6均设有控制端子、第一输出端子和第二输出端子；
59.电容c3的一端和开关管s5的第一输出端子均连接在开关管s1与开关管s3的公共连接端上；
60.电容c3的另一端与电容c4的一端电连接，电容c1的一端连接在所述电容c3与电容c4的公共连接端上，电容c1的另一端与电抗l1的一端电连接；
61.开关管s5的第二输出端子通过电流互感器l5与开关管s6的第一输出端子电连接，电抗l1的另一端和换流控制模块均连接在开关管s5与电流互感器l5的公共连接端上，
62.电容c4的另一端与开关管s6的第二输出端子均连接在开关管s2与开关管s4的公共连接端上；
63.开关管s5的控制端子和开关管s6的控制端子均与换流控制模块电连接。
64.通过上述结构的电桥电路，能够在换流控制模块的控制下，实现开关管s5与开关管s6的开与关，进而控制交流电压在电桥电路中的流向，便于实现双向换流。此外，在s5和s6之间接入电流互感器l5，且该电流互感器l5与换流控制模块电连接，能实时检测s5和s6支路中的电流，当该电流异常时，可利用换流控制模块来控制的s5和s6的关闭，实现电桥电路的闭锁，进一步避免双向换流过程中的短路故障。
65.具体地，图3所示的双向换流模块的换流过程如下：
66.(1)交流电压从两个换流阀所组成的桥式电路左侧(即电抗l2左侧)输入，桥式电路能将输入的交流电压变换为直流电压，此时桥式电路起整流的作用。当输入的交流电压为上正下负(即正半周期)时，换流控制模块控制换流阀f1中的s1和换流阀f2中的s4导通(具体为通过换流控制模块分别给s1的控制端子和s4的控制端子以驱动信号)，此时电流从l3和s2的公共连接端流入，经过l3→
s1→
c3→
c4→
s4流回l4和s4的公共连接端，构成回路；当输入的交流电压为上负下正(即负半周期)时，换流控制模块控制换流阀f1中的s2和换流阀f2中的s3导通(具体为通过换流控制模块分别给s2的控制端子和s3的控制端子以驱动信号)，此时电流从l4和s4的公共连接端流入，经过l4→
s3→
c3→
c4→
s2流回l3和s2的公共连接端，构成回路，因此在交流电的整个周期里，c3和c4这个支路上一直保持为上端为高电位。
67.电容c3和c4起储能的作用。通过换流控制模块控制电桥电路h中的s5和s6的交替导通(具体为通过换流控制模块交替给s5的控制端子和s6的控制端子以驱动信号)，当s5导通、s6断开时，电桥电路输出的电压为c3两端电压，s5和l5的公共连接端的电压为正，c3和c4的公共连接端的电压为负；当s6导通、s5断开时，电桥电路输出的电压为c4两端电压，c3和c4的公共连接端的电压为正，s5和l5的公共连接端的电压为负，电桥电路起到逆变器的作用，将直流电压变换为交流电压；具体地，本实施例中c3和c4完全相同，由于c3和c4完全相同，电桥电路输出的电压为输入电压的一半，能够在换流的基础上实现降压。
68.(2)交流电压从电桥电路的右侧(即电抗l
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右侧)输入，电桥电路能将输入的交流电压变换为直流电压，此时电桥电路起整流的作用。当输入的交流电压为上正下负(即正半周期)时，换流控制模块控制电桥电路h的s6导通(具体为通过换流控制模块分别给s6的控制端子以驱动信号)，电流从s5和l5的公共连接端流入，经过l5→
s6→
c4流回c3和c4的公共连接
端，形成回路，电容c4反向充电；当输入的交流电压为上负下正(即负半周期)时，控制换流控制模块控制电桥电路h的s5导通(具体为通过换流控制模块分别给s5的控制端子以驱动信号)，电流从c3和c4的公共连接端流入、经过c3→
s5流回s5和l5的公共连接端，形成回路，电容c3反向充电，在c4→
c3支路上的电压保持下正上负。
69.电容c3和c4起储能的作用。在两个换流阀构成的桥式电路中，通过换流控制模块控制s1和s4导通，则l4和s4的公共连接端为高电位、l3和s2的公共连接端为低电位，使桥式电路输出的电压为下正上负；通过换流控制模块控制s2和s3导通，则l3和s2的公共连接端为高电位、l4和s4的公共连接端为低电位，使桥式电路输出的电压为上正下负，进而将直流电压变换成交流电压，此时桥式电路作为逆变器工作。同理，由于c3和c4完全相等，使得桥式电路输出的电压为输入电压的一倍，在换流的基础上实现升压。
70.具体地，本实施例的双向换流模块中的l1和c1回路、以及l2和c2回路均能起到滤波作用。
71.具体地，所述开关管s1、所述开关管s2、所述开关管s3、所述开关管s4、所述开关管s5和所述开关管s6均具体为mos管。
72.由4个mos管构成桥式电路和2个mos管构成电桥电路，能大大降低双向换流过程中的控制难度，易于实现，并能降低功耗。
73.具体地，各mos管的控制端子具体是指各mos管对应的栅极，各mos管的第一输出端子具体是指各mos管对应的漏极，各mos管的第一输出端子具体是指各mos管对应的源极。
74.如图3所示，换流控制模块包括开关控制器和6个驱动电路；
75.开关控制器分别与主控制器和6个驱动电路电连接，开关控制器还连接在开关管s1与电流互感器l3的公共连接端上，开关控制器还连接在开关管s3与电流互感器l4的公共连接端上，开关控制器还连接在开关管s5与电流互感器l5的公共连接端上；
76.6个驱动电路分别与开关管s1的控制端子、开关管s2的控制端子、开关管s3的控制端子、开关管s4的控制端子、开关管s5的控制端子和开关管s6的控制端子一一对应电连接。
77.通过上述开关控制器作为换流控制的控制核心，分别为6个驱动电路提供换流指令(具体为开关触发信号)，进而再利用各驱动电路为对应连接的开关管提供驱动信号，控制各开关管的闭合与断开，一方面有助于以简单的控制机制实现双向换流，另一方面以单独的控制核心来实现开关管的控制，能有助于整个换流电路的稳定运行，提高可靠性。
78.具体地，驱动电路的具体电路设计可以采用常规设计，具体细节此处不再赘述。
79.优选地，如图3所示，换向控制模块包括换向控制器、可控硅scr1和可控硅scr2；
80.换向控制器与主控制模块电连接，可控硅scr1的一端和可控硅scr2的一端均与换向控制器电连接，可控硅scr1的另一端与双向换流模块中的电抗l2电连接，可控硅scr2的另一端与双向换流模块中的电抗l1电连接。
81.换向控制器作为换流方向的控制核心，为两个可控硅提供开关信号，分别控制每个可控硅的开与关；可控硅scr1的两端分别与换向控制器和电抗l2连接，可控硅scr2的两端分别与换向控制器和电抗l1连接，可以分别通过可控硅scr1和可控硅scr2的开与关来实现双向换流模块的电压输入方向，当可控硅scr1开启时，电压输入方向从电抗l2左侧输入；而当可控硅scr2开启时，电压输入方向从电抗l1右侧输入，进而实现换流方向的自由切换。
82.优选地，如图3所示，换向控制模块还包括互锁电路，换向控制器通过互锁电路分
别与可控硅scr1的一端和可控硅scr2的一端电连接。
83.通过与两个可控硅对应连接的互锁电路，可以控制两个可控硅在一个时刻只允许其中一个可控硅为开启状态，另一个可控硅为断开状态，进而避免两个可控硅同时处于开启状态，对两个可控硅进行互锁，更便于实现双向换流。
84.优选地，所述互锁电路包括一个译码器。
85.本实施例选用74hc138型号的译码器，该74hc138型号的译码器的芯片结构图如图4所示，该译码器预先设置的逻辑关系表如下表所示，通过该型号的译码器所构成的互锁电路，能确保对应的两个可控硅为互锁状态，在同一个时刻只允许其中一个为开启状态。
86.表74hc138型号的译码器的逻辑关系表
[0087][0088]
实施例二、一种电力专用芯片，包括实施例一的双向换流电路。
[0089]
基于实施例一所述的双向换流电路，能以简单的拓扑结构和较低的功耗，提供电力系统更优化的核心能量转换单元，优化电力专用芯片的设计，极其适用于电力专用芯片。