CN108258715A - 一种旁通晶闸管阀组巡检方法和控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种旁通晶闸管阀组巡检方法和控制装置，用于巡检旁通晶闸管阀组中的子模块，具体为：将旁通晶闸管阀组分为N个子模块，其中N大于等于2，N为自然数；每个子模块由一个或多个晶闸管串联组成，在晶闸管阀组承受正常正向电压情况下，旁通晶闸管阀组控制装置按照一定时间周期依次触发各个子模块，检测各个子模块是否能够正常工作，如果不能正常工作，则发出报警信号。上述旁通晶闸管阀组巡检方法和控制装置有效解决了旁通晶闸管阀组在长期不工作情况下的晶闸管性能监测问题，保证所保护的电压源换流器安全运行。

Description

一种旁通晶闸管阀组巡检方法和控制装置
技术领域
本发明属于柔性直流输电、高压直流输电领域，具体涉及一种旁通晶闸管阀组巡检方法和控制装置。
背景技术
基于电压源换流器的直流输电优点为可控性高，可接入无源***，不需要无功补偿装置；缺点为换流器开关损耗大，当逆变侧交流***或换流器发生故障时，特别是换流器与换流变压器之间的阀区发生故障时，会对换流器产生较大的电压和电流冲击，严重时甚至会损坏换流器。为了避免整流侧带来的直流电压和直流电流冲击，一般通过在电压源换流器桥臂并联避雷器，由于在电压源换流器桥臂并联避雷器需要的容量较大，工程实现难度较大。专利“一种混合直流输电换流器及直流输电装置”，申请号为CN201510010158.1，提出了一种混合直流输电换流器，其中，电压源型阀组与电感连接后再与旁通开关并联电路，旁通开关采用电力电子开关，此方案保护换流器效果更优，但是需要对电力电子开关进行监测，保证在严重故障工况下能正常导通，从而保护电压源换流器。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种旁通晶闸管阀组巡检方法，用于巡检在电压源换流器直流侧两端并联的旁通晶闸管阀组中的子模块，保证在严重故障工况下旁通晶闸管阀组能正常导通；同时提供一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，用于控制旁通晶闸管阀组来实现上述巡检方法。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：一种旁通晶闸管阀组巡检方法，用于巡检旁通晶闸管阀组中的子模块，将旁通晶闸管阀组分为N个子模块，其中N大于等于2，N为自然数；每个子模块由一个或多个晶闸管串联组成，在旁通晶闸管阀组承受正常运行时的正向电压情况下，按照一定时间周期依次触发各个子模块，检测各个子模块是否能够正常工作，如果不能正常工作，则发出报警信号。
上述方案中：旁通晶闸管阀组只包含一个桥臂，由多个晶闸管串联组成，并包含相应的控制保护电路；旁通晶闸管阀组用于旁通与其并联的电压源换流器或者与其并联支路上的电压源换流器。旁通晶闸管阀组分为N个子模块的原则是：满足单个子模块导通时，剩余没有导通的子模块能够承受正常运行时的正向电压。
上述按照一定时间周期依次触发各个子模块是按照顺序触发各个子模块，或者是按照一定概率算法触发各个子模块，需要保证在所述一定时间周期中每个子模块至少触发一次；上述一定时间周期是秒级、或者分钟级、或者小时级、或者天级、或者月级、或者年级。
上述检测各个子模块是否能够正常工作是通过检测各个子模块从断态到通态、或者处于通态、或者从通态到断态来判断。
上述子模块正常工作是指子模块中所有晶闸管都能正常导通，或者子模块设置一定的冗余度，当检测到子模块中不能导通的晶闸管个数少于该冗余度时，继续巡检；需要投入旁通晶闸管阀组时，不能导通的晶闸管通过保护性触发或者击穿来实现流过电流。
上述电压源换流器是以下任一种或多种：两电平换流器、二极管箝位型多电平换流器、模块化多电平换流器MMC、混合多电平换流器HMC、两电平级联型换流器CSL或堆叠式两电平换流器CTL，其由可关断的全控型功率半导体组成。可关断的全控型功率半导体是以下任一种或多种：绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力场效应管Power MOSFET、电子注入增强栅晶体管IEGT、门极换流晶闸管GCT或碳化硅增强型结型场效应晶体管SiC-JFET。
本发明还提供一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，用于巡检旁通晶闸管阀组中的子模块，控制装置包括阀组控制单元、阀基电子单元和晶闸管控制单元，其中：
阀组控制单元，将旁通晶闸管阀组分为N个子模块，其中N大于等于2，N为自然数；每个子模块由一个或多个晶闸管串联组成，检测旁通晶闸管阀组承受正常运行时的正向电压，按照一定时间周期依次向旁通晶闸管阀组不同子模块的阀基电子单元发送控制脉冲，接收阀基电子单元的子模块导通信号，如果未收到阀基电子单元的子模块导通信号，则发出报警信号；
阀基电子单元，接收阀组控制单元的控制脉冲和晶闸管控制单元的晶闸管承受正向电压信号，接收晶闸管控制单元的晶闸管导通信号，并向晶闸管控制单元发送触发脉冲，向阀组控制单元发送子模块导通信号；
晶闸管控制单元，包括控制电路、取能回路和阻容放电回路；控制电路用于接收阀基电子单元的触发脉冲，并向阀基电子单元发送晶闸管承受正向电压信号，向阀基电子单元发送晶闸管导通信号；取能回路至少包括两个静态均压电阻和一个储能电容，在晶闸管开通前，能获得足够的能量保证晶闸管正常开通；阻容放电回路至少包括一个电阻和一个电容，二者串联，在晶闸管开通后，能获得足够的能量保证晶闸管正常导通。
上述旁通晶闸管阀组只包含一个桥臂，由多个晶闸管串联组成，并包含相应的控制保护电路；所述旁通晶闸管阀组用于旁通与其并联的电压源换流器或者与其并联支路上的电压源换流器。上述旁通晶闸管阀组分为N个子模块的原则是：满足单个子模块导通时，剩余没有导通的子模块能够承受正常运行时的正向电压。
上述按照一定时间周期依次向旁通晶闸管阀组不同子模块的阀基电子单元发送控制脉冲是指：按照顺序触发各个子模块，或者是按照一定概率算法触发各个子模块，需要保证在所述一定时间周期中每个子模块至少触发一次；所述一定时间周期是秒级、或者分钟级、或者小时级、或者天级、或者月级、或者年级。
上述阀组控制单元接收阀基电子单元的子模块导通信号是子模块中所有晶闸管都导通，或者设置一定的冗余度，子模块中不超过上述冗余度的晶闸管都导通；上述未收到阀基电子单元的子模块导通信号是子模块中任一个或多个晶闸管不导通，或者子模块中超过上述冗余度的晶闸管不导通。
上述晶闸管控制单元向阀基电子单元发送的晶闸管导通信号是通过晶闸管承受正向电压信号消失或者晶闸管流过电流或者晶闸管承受正向电压信号重新出现。上述晶闸管控制单元的控制电路具有保护性触发功能，当晶闸管未收到阀基电子单元的触发脉冲，在晶闸管被击穿前，对晶闸管进行保护性触发。
本发明的有益效果是：提出一种旁通晶闸管阀组巡检方法和控制装置，用于在旁通晶闸管阀组不导通时检测旁通晶闸管阀组每个子模块状态，如果子模块状态异常则发出报警信号，有效解决了旁通晶闸管阀组在长期不导通状态下的晶闸管性能监测问题。
附图说明
图1是送端是基于电网换相换流器、受端是基于电压源换流器的混合直流输电电路结构；
图2是送端是基于电网换相换流器、受端是基于电压源换流器的混合直流输电电路结构；
图3是本发明的一种旁通晶闸管阀组巡检方法；
图4是本发明的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置；
图5是本发明的一种晶闸管控制单元电路。
具体实施方式
借助以下附图对本发明的实施例进行描述，其中，相同的组件使用相同的附图标记。
基于电压源换流器的直流输电***在逆变侧交流***或换流器发生故障时，特别是换流器与换流变压器之间的阀区发生故障时，会对换流器产生较大的电压和电流冲击，严重时甚至会损坏换流器。为了避免整流侧带来的直流电压和直流电流冲击，采用在电压源换流器直流侧两端并联旁通电力电子开关，如旁通晶闸管阀组。由于并联在电压源换流器直流侧两端的旁通晶闸管阀组只有在严重故障工况下才导通泄流，正常工作时不导通。为了确保旁通晶闸管阀组始终处于正常状态，需要按照一定时间周期对旁通晶闸管阀组进行检测，保证在严重故障工况下能正常导通，保护电压源换流器。
图1示出了送端是基于电网换相换流器、受端是基于电压源换流器的混合直流输电实施例。整流侧电网换相换流器7将交流***8的交流电经换流变压器10转换为直流电，通过直流线路5经限流电抗4送到逆变侧电压源换流器1，将直流电经主变压器11转换为交流电送给交流***9。其中，电网换相换流器7为六脉动桥式电路或十二脉动桥式电路，其由不可关断的半控型功率半导体组成，一般采用不可关断的晶闸管；电压源换流器1为两电平换流器、二极管箝位型多电平换流器、模块化多电平换流器MMC、混合多电平换流器HMC、两电平级联型换流器CSL或堆叠式两电平换流器CTL，其由可关断的全控型功率半导体如IGBT、IGCT等组成。
当交流***9发生轻微故障，电压源换流器1不需要退出时，如单相交流接地故障，整流侧电网换相换流器7，检测到过压或过流后，调节触发角抑制直流电流增加，通过整流侧的控制能力即可消除过压或过流。
当交流***9发生严重故障，电压源型换流器2需要退出时，如三相交流短路故障，逆变侧电压源换流器1的功率不能正常送出，由于整流侧电网换相换流器调节角度较慢，整流侧电网换相换流器7继续向逆变侧电压源换流器1充电，会导致逆变侧电压源换流器1出现严重过压、过流现象。为了避免逆变侧电压源换流器1损坏，检测到交流***9发生严重故障或者换流器电压、电流超过阈值，投入旁通晶闸管阀组2，断开旁通晶闸管阀组2与电压源换流器1之间的连接开关3，控制旁通晶闸管阀组2电流到零关断，故障消失后，合旁通晶闸管阀组2与电压源换流器1之间的连接开关3，电压源换流器1接入。为了保证旁通晶闸管阀组2快速可靠关断，还可以在直流电流较小或零时断开主回路中性线上的开关6，电流过零后再合上开关6。
图2示出了送端是基于电网换相换流器串联结构、受端是基于电网换相换流器和电压源换流器串联的混合直流输电实施例。整流侧电网换相换流器7将交流***8的交流电经换流变压器10转换为直流电，通过直流线路5送到逆变侧电网换相换流器7和电压源换流器1，将直流电经主变压器11转换为交流电送给交流***9。电网换相换流器7的阴极和电压源换流器1的正极相连。
当交流***9发生轻微故障，电压源换流器1不需要退出时，如单相交流接地故障，逆变侧的电网换相换流器7发生换相失败，电压源换流器1实现故障穿越，整流侧电网换相换流器接收到逆变侧送来的故障信息后，调节触发角抑制直流电流增加，通过整流侧的控制能力即可消除过压或过流。
当交流***9发生严重故障，电压源换流器1需要退出时，如果是瞬时能自恢复的故障，如三相交流瞬时短路故障，逆变侧电压源换流器1的功率瞬时不能正常送出，由于整流侧电网换相换流器7调节角度较慢，逆变侧电网换相换流器7不能送出功率，整流侧电网换相换流器7只向逆变侧电压源换流器1充电，会导致逆变侧电压源换流器1出现更加严重地过压、过流现象；为了避免逆变侧电压源换流器1损坏，检测到交流***发生严重故障引起换流器电压、电流超过阈值，投入旁通晶闸管阀组2，断开旁通晶闸管阀组2与电压源换流器1之间的连接开关3，控制旁通晶闸管阀组2电流到零关断，故障消失后，合旁通晶闸管阀组2与电压源换流器1之间的连接开关3，电压源换流器1接入；为了保证旁通晶闸管阀组2快速可靠关断，还可以在直流电流较小或零时断开主回路中性线上的开关6，电流过零后再合上开关6。
当电压源换流器1发生严重故障，电压源换流器1需要退出时，如果是瞬时不能自恢复的故障，如换流器自身故障，电压源换流器1需要退出，投入旁通晶闸管阀组2，断开旁通晶闸管阀组2与电压源换流器1之间的连接开关3，为了保证电网换相换流器7继续运行，旁通晶闸管阀组2继续流过电流或者合旁通开关13提供电流通路。当逆变侧交流***9或电网换相换流器7发生严重故障，电网换相换流器7需要退出时，投电网换相换流器7的旁通对，合旁通开关12为电压源换流器1提供电流通路。
图3为本发明提出的一种旁通晶闸管阀组巡检方法，巡检图1和图2的电压源换流器1或电压源换流器1串联支路并联的旁通晶闸管阀组2，将旁通晶闸管阀组分为N个子模块，每个子模块由一个或多个晶闸管串联组成，单个子模块导通时，剩余子模块能承受正常运行时的正向电压。初始化程序，计数器t＝0，如果旁通晶闸管阀组承受正常运行时的正向电压，计数器从t开始增加，如果t增加到T1，则触发子模块1，如果子模块1正常导通，则继续巡检其他子模块，如果子模块1故障，则发出子模块1故障报警信号，停止巡检；如果t增加到2*T1，则触发子模块2，如果子模块2正常导通，则继续巡检其他子模块，如果子模块2故障，则发出子模块2故障报警信号，停止巡检；如果无故障，t继续增加，如果t增加到N*T1，则触发子模块N，如果子模块N正常导通，则继续巡检其他子模块，如果子模块N故障，则发出子模块N故障报警信号，停止巡检；如果t>N*T1，则t＝0，重新巡检子模块1。如果旁通晶闸管阀组承受很低的正向电压，则不触发子模块导通，并发出电压低报警信号。如果旁通晶闸管阀组承受很高的正向电压但低于投旁通晶闸管阀组定值，则不触发子模块导通，发出电压高报警信号；如果电压高于投旁通晶闸管阀组定值，则触发整个旁通晶闸管阀组的子模块；如果收到电压源换流器投入旁通晶闸管阀组命令，则停止巡检，触发整个旁通晶闸管阀组的子模块。上述子模块正常导通是子模块中所有晶闸管都导通，或者子模块设置一定的冗余度，当检测到子模块中不能导通的晶闸管个数少于该冗余度时，继续巡检；需要投入旁通晶闸管阀组时，不能导通的晶闸管通过保护性触发或者击穿来实现流过电流。
图4为本发明提出的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，包括：阀组控制单元VCU14、阀基电子单元VBE15和晶闸管控制单元TCU16，巡检图1和图2的电压源换流器1并联的旁通晶闸管阀组2。旁通晶闸管阀组分为子模块1、子模块2、……子模块N，每个子模块由一个或多个晶闸管串联组成；单个子模块导通时，剩余没有导通的子模块能够承受正常运行时的正向电压。
阀组控制单元VCU14，检测旁通晶闸管阀组承受正常运行时的正向电压，按照一定时间周期向旁通晶闸管阀组子模块1、子模块2、……子模块N的阀基电子单元VBE15发送控制脉冲CP并接收阀基电子单元的子模块导通信号，如果未收到阀基电子单元的子模块导通信号，则发出报警信号。
阀基电子单元VBE 15，接收阀组控制单元VCU14的控制脉冲CP和晶闸管控制单元TCU16的晶闸管承受正向电压信号IP和晶闸管导通信号CS，并向晶闸管控制单元TCU16发送触发脉冲FP和向阀组控制单元发送子模块导通信号。子模块导通信号是子模块中所有晶闸管都导通。
晶闸管控制单元TCU16，图5示出了其一种电路结构图，包括控制电路17、取能回路18和阻容放电回路19；控制电路17接收阀基电子单元VBE15的触发脉冲FP，并向阀基电子单元VBE15发送晶闸管承受正向电压信号IP、晶闸管导通信号CS；取能回路18至少包括两个静态均压电阻R1、R2和一个储能电容C1，在晶闸管开通前，能获得足够的能量保证晶闸管T1正常开通；阻容放电回路19，至少包括一个电阻R3和一个电容C2，二者串联，在晶闸管T1开通后，能获得足够的能量保证晶闸管正常导通。
可选地，晶闸管导通信号CS用晶闸管承受正向电压信号IP间接判断，当阀组控制单元VCU14发送控制脉冲CP，在短时间内检测到晶闸管控制单元TCU16出现晶闸管承受正向电压信号IP，证明晶闸管T1发生了一次从导通到关断承受正向电压的过程。
晶闸管控制单元TCU16的控制电路17具有保护性触发功能，当晶闸管T1未收到阀基电子单元的触发脉冲，在晶闸管T1被击穿前，对晶闸管T1进行保护性触发。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (14)

1.一种旁通晶闸管阀组巡检方法，用于巡检旁通晶闸管阀组中的子模块，其特征在于：将旁通晶闸管阀组分为N个子模块，其中N大于等于2，N为自然数；每个子模块由一个或多个晶闸管串联组成，在旁通晶闸管阀组承受正常运行时的正向电压情况下，按照一定时间周期依次触发各个子模块，检测各个子模块是否能够正常工作，如果不能正常工作，则发出报警信号。
2.如权利要求1所述的一种旁通晶闸管阀组巡检方法，其特征在于：所述旁通晶闸管阀组只包含一个桥臂，由多个晶闸管串联组成，并包含相应的控制保护电路；所述旁通晶闸管阀组用于旁通与其并联的电压源换流器或者与其并联支路上的电压源换流器。
3.如权利要求1所述的一种旁通晶闸管阀组巡检方法，其特征在于：所述旁通晶闸管阀组分为N个子模块的原则是：满足单个子模块导通时，剩余没有导通的子模块能够承受正常运行时的正向电压。
4.如权利要求1所述的一种旁通晶闸管阀组巡检方法，其特征在于：所述按照一定时间周期依次触发各个子模块是指：按照顺序触发各个子模块，或者是按照一定概率算法触发各个子模块，需要保证在所述一定时间周期中每个子模块至少触发一次；所述一定时间周期是秒级、或者分钟级、或者小时级、或者天级、或者月级、或者年级。
5.如权利要求1所述的一种旁通晶闸管阀组巡检方法，其特征在于：所述检测各个子模块是否能够正常工作是通过检测各个子模块从断态到通态、或者处于通态、或者从通态到断态来判断。
6.如权利要求1所述的一种旁通晶闸管阀组巡检方法，其特征在于：所述子模块正常工作是指子模块中所有晶闸管都能正常导通，或者子模块设置一定的冗余度，当检测到子模块中不能导通的晶闸管个数少于该冗余度时，继续巡检；需要投入旁通晶闸管阀组时，不能导通的晶闸管通过保护性触发或者击穿来实现流过电流。
7.一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，用于巡检旁通晶闸管阀组中的子模块，其特征在于：所述控制装置包括阀组控制单元、阀基电子单元和晶闸管控制单元，其中：
阀组控制单元，将旁通晶闸管阀组分为N个子模块，其中N大于等于2，N为自然数；每个子模块由一个或多个晶闸管串联组成，检测旁通晶闸管阀组承受正常运行时的正向电压，按照一定时间周期依次向旁通晶闸管阀组不同子模块的阀基电子单元发送控制脉冲，接收阀基电子单元的子模块导通信号，如果未收到阀基电子单元的子模块导通信号，则发出报警信号；
阀基电子单元，接收阀组控制单元的控制脉冲和晶闸管控制单元的晶闸管承受正向电压信号，接收晶闸管控制单元的晶闸管导通信号，并向晶闸管控制单元发送触发脉冲，向阀组控制单元发送子模块导通信号；
晶闸管控制单元，包括控制电路，用于接收阀基电子单元的触发脉冲，并向阀基电子单元发送晶闸管承受正向电压信号，向阀基电子单元发送晶闸管导通信号。
8.如权利要求7所述的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，其特征在于：所述晶闸管控制单元还包括取能回路和阻容放电回路；所述取能回路至少包括两个静态均压电阻和一个储能电容，在晶闸管开通前，能获得足够的能量保证晶闸管正常开通；所述阻容放电回路至少包括一个电阻和一个电容，二者串联，在晶闸管开通后，能获得足够的能量保证晶闸管正常导通。
9.如权利要求7所述的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，其特征在于：所述旁通晶闸管阀组只包含一个桥臂，由多个晶闸管串联组成，并包含相应的控制保护电路；所述旁通晶闸管阀组用于旁通与其并联的电压源换流器或者与其并联支路上的电压源换流器。
10.如权利要求7所述的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，其特征在于：所述旁通晶闸管阀组分为N个子模块的原则是：满足单个子模块导通时，剩余没有导通的子模块能够承受正常运行时的正向电压。
11.如权利要求7所述的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，其特征在于：所述按照一定时间周期依次向旁通晶闸管阀组不同子模块的阀基电子单元发送控制脉冲是指：按照顺序触发各个子模块，或者是按照一定概率算法触发各个子模块，需要保证在所述一定时间周期中每个子模块至少触发一次；所述一定时间周期是秒级、或者分钟级、或者小时级、或者天级、或者月级、或者年级。
12.如权利要求7所述的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，其特征在于：所述阀组控制单元接收阀基电子单元的子模块导通信号是子模块中所有晶闸管都导通，或者设置一定的冗余度，子模块中不超过所述冗余度的晶闸管都导通；所述未收到阀基电子单元的子模块导通信号是子模块中任一个或多个晶闸管不导通，或者子模块中超过所述冗余度的晶闸管不导通。
13.如权利要求7所述的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，其特征在于：所述晶闸管控制单元向阀基电子单元发送的晶闸管导通信号是通过晶闸管承受正向电压信号消失或者晶闸管流过电流或者晶闸管承受正向电压信号重新出现。
14.如权利要求7所述的一种旁通晶闸管阀组巡检控制装置，其特征在于：所述晶闸管控制单元的控制电路具有保护性触发功能，当晶闸管未收到阀基电子单元的触发脉冲，在晶闸管被击穿前，对晶闸管进行保护性触发。
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