柔性直流输电子模块的旁路开关监测与控制系统及方法与流程

本发明属于直流输电，具体涉及一种柔性直流输电子模块的旁路开关监测与控制系统及方法。

背景技术：

1、在“双碳”的背景下，能源结构、产业结构等方面将面临低碳转型，能源技术也将成为引领能源产业变革、实现创新驱动发展的源动力。目前，我国光伏、风电、水电装机量均已占到全球总装机量的三分之一，为实现“双碳”目标，清洁、绿色能源产业具有极大的发展空间，这也给柔性直流输电带来了巨大的机遇与挑战。柔性直流输电系统根据电压等级不同，由成百上千个如图1所示的子模块组成，为保证系统的持续稳定运行，在单个子模块发生故障时需要及时将其切除系统，旁路开关则是子模块中完成该动作的唯一机械组部件，因此旁路开关的监测与控制对整个系统的可靠性尤为重要。

2、对于应用在柔性直流输电子模块旁路开关的监测与控制，专利公开号为cn113746311a的“一种柔直子模块旁路开关驱动系统”描述了一种适用于柔直子模块旁路开关的驱动系统，该系统具有双电源供电和双储能回路，并具备多种驱动回路，但此驱动系统中设置的bod触发方式一般在子模块电容电压较高时才能动作，存在一定的风险，同时该驱动系统不具备旁路开关状态监测功能。

3、专利公开号为cn 114094614 a的“一种mmc柔性直流输电换流阀子模块旁路开关冗余控制装置及方法”描述了一种mmc柔性直流输电换流阀子模块旁路开关冗余控制装置以及控制方法，着重描述了子模块与相邻子模块以及上位阀控的协同配合情况，未涉及到子模块中旁路开关的状态监测与控制逻辑。

4、专利公开号为cn 110137902 b的“一种防止柔性直流功率模块旁路开关拒合闸电路和方法”描述了一种防止柔性直流功率模块旁路开关拒合闸电路和方法，在功率模块旁路开关拒合闸的情况下通过冗余触发回路下发触发命令，忽略了旁路开关或旁路触发系统故障带来的一系列旁路方式失效情况。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种柔性直流输电子模块的旁路开关监测与控制系统及方法，解决了现有技术存在无法实现旁路开关的状态监测与控制的问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种柔性直流输电子模块的旁路开关监测与控制系统，包括触发电路、状态反馈电路、分压电路、放大电路、比较电路、信息处理电路和主控板卡；

4、触发电路包括储能电容cs、触发晶闸管tk及光电转换器，触发晶闸管tk经光电转换器与主控板卡连接；旁路开关k内的合闸线圈与触发晶闸管tk串联后，再与储能电容cs并联；

5、分压电路并联在储能电容cs两端；

6、分压电路、放大电路和比较电路依次连接，放大电路用于将储能电容cs的电压值进行放大；比较电路用于将储能电容cs的电压值和设定电压阈值进行比较，得到比较结果，将比较结果传输至信息处理电路；

7、状态反馈电路，用于将旁路开关的分合闸状态转化为电平信号传输至信息处理电路；

8、信息处理电路，用于将所获取的比较结果和分合闸状态进行汇总，传输给主控板卡；同时接收主控板卡的指令，执行旁路开关k的触发动作；

9、主控板卡，用于判定旁路开关的工作状态，并执行相应的控制逻辑。

10、进一步，触发电路还包括防误电路，防误电路用于根据应用工况不同，通过调整防误电路的硬件参数改变防误检测时间，避免在启动阶段出现的旁路开关无法合闸情况。

11、进一步，防误电路和光电转换器通过与逻辑门电路后与触发晶闸管tk连接。

12、进一步，分压电路包括串联的分压电阻r1和分压电阻r2，放大电路的输入端口连接在分压电阻r1和分压电阻r2之间。

13、进一步，比较电路中设置了分别为vth1和vth2的两个阈值电压；

14、vth1为旁路开关能够动作的最小储能电容电压，该阈值通过旁路开关的实际触发测试获取；

15、vth2为储能电容cs所能承受的最大电压；

16、旁路开关的工作状态包括休眠状态、就绪状态、警戒状态和过载状态；

17、当储能电容cs的电压值小于vth1时，旁路开关不具备触发动作能力，旁路开关的工作状态处于休眠状态；

18、当储能电容cs的电压值大于vth2时，旁路开关的工作状态处于过载状态；

19、当储能电容cs的电压值在vth1附近波动时，旁路开关的工作状态处于警戒状态；

20、警戒状态与过载状态之间的状态为就绪状态。

21、进一步，vth1附近的波动范围为±5％。

22、进一步，主控板卡通过旁路开关的工作状态，执行相应的控制逻辑，具体如下：

23、(1)当处于休眠状态时，不执行主控板卡的触发命令；

24、(2)当处于就绪状态时，正常执行主控板卡的各种指令；

25、(3)当处于过载状态时，由主控板卡结合柔性直流输电子模块内可控开关器件t1状态进行适时触发；

26、(4)当处于警戒状态时，若警戒状态在预设时间内转为就绪状态，则正常执行主控板卡的各种指令；

27、若警戒状态在预设时间转为休眠状态，则主控板卡结合柔性直流输电子模块内可控开关器件t1状态进行适时触发。

28、进一步，信息处理电路中设置有旁路开关能够正常工作时储能电容cs的额定电压值vrate，信息处理电路开始工作的电压值记为启动电压vstart，该时刻记为t1时刻，储能电容cs的电压达到vth1的时刻记为t2时刻，t2与t1的差值为δt；

29、根据电容充电公式，将vth1、vrate带入下式计算得到t3：

30、

31、其中τ为电容充电时间常数；

32、通过比较δt和t3获取储能电容cs的容值状态，在充电回路电阻确定的前提下，δt越小，则储能电容的容值衰减越大。

33、本发明还公开了基于所述一种柔性直流输电子模块的旁路开关监测与控制系统的旁路开关监测与控制方法，包括以下步骤：

34、放大电路将储能电容cs的电压值进行处理后，传输给比较电路；

35、比较电路将放大后的储能电容cs的电压值和设定电压阈值进行比较，得到比较结果，将比较结果传输至信息处理电路；同时，状态反馈电路将旁路开关的分合闸状态转化为电平信号传输至信息处理电路；

36、信息处理电路将所获取的比较结果和分合闸状态进行汇总，传输给主控板卡；

37、主控板卡判定旁路开关的工作状态，并执行相应的控制逻辑：

38、(1)当处于休眠状态时，不执行主控板卡的触发命令；

39、(2)当处于就绪状态时，正常执行主控板卡的各种指令；

40、(3)当处于过载状态时，由主控板卡结合柔性直流输电子模块内可控开关器件t1状态进行适时触发；

41、(4)当处于警戒状态时，若警戒状态在预设时间内转为就绪状态，则正常执行主控板卡的各种指令；

42、若警戒状态在预设时间转为休眠状态，则主控板卡结合柔性直流输电子模块内可控开关器件t1状态进行适时触发。

43、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

44、本发明公开的一种柔性直流输电子模块的旁路开关监测与控制系统，包括触发电路、状态反馈电路、分压电路、放大电路、比较电路、信息处理电路和主控板卡；触发电路包括储能电容cs、触发晶闸管tk、光电转换器，主控板卡下发触发指令，触发指令为光信号，经由光电转换器后送至触发晶闸管tk；旁路开关k内的合闸线圈与触发晶闸管tk串联后，再与储能电容cs并联；比较电路将储能电容cs的电压值和设定电压阈值进行比较，得到比较结果，将比较结果传输至信息处理电路；状态反馈电路将旁路开关的分合闸状态转化为电平信号传输至信息处理电路；信息处理电路将所获取的比较结果和分合闸状态进行汇总，传输给主控板卡，主控板卡判定旁路开关的工作状态，并执行相应的控制逻辑。由于柔性直流输电子模块旁路开关的动作能量来自触发回路中的储能电容cs，动作指令来自主控板卡，如果仅增加额外电路而不配置相应的监测与控制系统，旁路开关仍可能无法正常工作，例如在储能回路失电或主控板卡失电的情况下，旁路开关都无法完成动作。针对以上问题，本发明通过增加储能电容的状态监测功能避免了旁路开关缺少动作所需的能量；本发明还能根据储能电容的不同状态进行灵活控制，即使在主控板卡失电情况下，也能自行完成旁路触发。该系统可实时监测柔直子模块旁路开关的状态，并根据不同的状态执行相应的控制逻辑，能在故障时及时控制旁路开关完成合闸动作，将故障子模块切出系统，保证系统长期稳定可靠持续运行。

45、进一步，旁路开关的工作状态包括休眠状态、就绪状态、警戒状态和过载状态，能够根据旁路开关的不同工作状态执行相应的控制逻辑。

46、进一步，主控板卡下发的控制指令存在四种形式，即：主控板卡未工作、不触发旁路开关、触发旁路开关、强触发旁路开关，四种控制指令覆盖了所有工况，保证旁路开关能够完成动作。

47、进一步，能够获取储能电容的容值状态，提升柔性直流输电子模块的运行可靠性。该功能可以获取旁路开关监测与控制系统中储能电容的健康状态，若存在容值衰减问题，可以在换流阀检修期间进行更换，保证运行期间子模块具备正常旁路的能力。