专利名称：一种mmc阀子模块的高位取能电源装置及其实现方法
技术领域：
本发明涉及开关电源的设计领域，具体涉及一种MMC阀子模块的高位取能电源装置及其实现方法。
背景技术：
模块化多电平柔性直流输电换流阀子模块具有电压等级高，工作的电磁环境恶劣等特点。因此，子模块内部的控制器、驱动器和保护装置的供电有一定的困难。子模块内部的供电必须采用隔离、可靠的方式，如果使用常规的外接开关电源则隔离电压值为换流阀的母线电压，该电压极大为几十kV或几百kV，目前还没有技术能够达到如此高的隔离电压。因此子模块内部的供电只能通过内部的储能电容单独取能，给各自的控制器、驱动器和保护装置供电。此时的隔离耐压值仅为每个子模块承受的电压，仅为几kV使得设计成了可能。子模块电容电压等级 受现有IGBT可关断器件的耐压等级限制，但也高达3000V以上；而子模块内部控制器、驱动器和保护装置的供电要求需要子模块电容电压为300V时仍能正常供电，因此高位取能电源具有较宽的输入工作电压范围为300V-3000V，输入最高最低电压比为10:1。如此宽的输入最高最低电压比，是开关电源设计的难点之一。模块化多电平柔性直流输电技术不同于传统的高压直流输电，其子模块控制器、驱动器和保护装置的供电所需功率较大，不能通过常规的取能方式实现。亟需一种功率大的开关电源为子模块控制器、驱动器和保护装置的供电。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种MMC阀子模块的高位取能电源装置及其实现方法，本发明具有宽输入电压范围、高隔离电压和高可靠性的特点。通过多路反激电路的串联输入，降低了输入电压应力，提高了电路的可靠性，改善了电源的电磁兼容EMC特性。两级隔离使得各路电路输出相互隔离，且输出短路不会对输入造成影响。本发明的目的是采用下属技术方案实现的一种MMC阀子模块的高位取能电源装置，所述高位取能电源装置为MMC阀子模块的控制器、驱动器和保护装置供电，其改进之处在于，所述高位取能电源装置包括主电路，分别设置在主电路输入输出端的抗电磁干扰电路，以及设置在主电路输出端的故障输出电路；所述故障输出电路的故障输出接口通过光纤与子模块控制器连接。其中，所述主电路包括两级开关电源电路，其中第一级开关电源电路将输入的3000V的高压直流电压转换为200V的中低压直流电源；第二级开关电源电路将第一级输出的200V的中低压直流电源转换为所需的15V或者5V低电压等级的直流电源。其中，所述第一级开关电源电路第二级开关电源电路均为DC-DC变换电路。其中，所述第一级开关电源电路拓扑采用η路反激电路拓扑，所述η路反激电路的输入端依次串联，输出端依次并联；所述第二级开关电源电路拓扑采用反激电路拓扑、双管正激电路拓扑、推挽电路拓扑或移相全桥电路拓扑，用于实现中低压电源至低电压等级的电源转换。其中，所述反激电路包括变压器，串联在变压器原边的MOSFET管，串联在变压器副边的二极管及电容和电阻串联吸收回路；所述电容和电阻串联吸收回路用于吸收器件上的过电压尖峰，个数为2，其中一个电容和电阻串联吸收回路并联在变压器原边的MOSFET管两端；另一个电容和电阻串联吸收回路并联在变压器副边的二极管两端。其中，所述抗电磁干扰电路用于抑制子模块中的电容前端和子模块驱动器后端带来的电磁干扰，所述抗电磁干扰电路包括主电路输入端的抗共模电磁干扰电路和主电路输出端的抗浪涌电磁干扰电路。其中，所述抗共模电磁干扰电路包括共模电感；所述共模电感位于子模块电容与高位取能电源装置之间，用于抑制子模块电容电压波动对所述装置输入的干扰；所述抗浪涌电磁干扰电路包括至少两个并联的瞬态抑制二极管TVS ;所述至少两个并联的瞬态抑制二极管TVS位于高位取能电源装置的后端，用于吸收来至负载侧的浪涌电压。其中，故障形式包括输入过欠压形式、输出过欠压形式和输出短路形式中的一种或一种以上的耦合；所述故障输出电路包括故障输出接口，当故障发生后，所述故障输出接口通过将光纤上报给子模块控制器，使得故障子模块安全退出。其中，所述高位取能电源装置的供电维持到子模块控制器做出保护动作时结束。本发明基于另一目的提供的一种MMC阀子模块的高位取能电源装置的实现方法，其改进之处在于，所述实现方法包含下述步骤A、高位取能电源装置从子模块电容取能，依次经过抗共模电磁干扰电路、第一级开关电源电路将3000V直流电压转换为200V直流电压的低压电源；B、第一级开关电源电路的输出经第二级开关电源电路，将200V直流电压电压转换为所述需的15V直流电压或5V直流电压，在经过抗浪涌电磁干扰电路给负载子模块的控制器、驱动器及保护装置供电；C、输入过欠压信号、输出过欠压信号、输出短路信号故障信号合成以后,通过光纤输出，将故障信号上报给子模块控制器。与现有技术比，本发明达到的有益效果是1、本发明为模块化多电平柔性直流输电换流阀(MMC阀)子模块的控制器、驱动器和保护装置的供电提供了一种供电装置。该装置具有宽输入电压范围、高隔离电压和高可靠性的特点。通过多路反激电路的串联输入，降低了输入电压应力，提高了电路的可靠性，改善了电源的电磁兼容EMC特性。两级隔离使得各路电路输出相互隔离，且输出短路不会对输入造成影响。2、本发明适用于不同电压等级的模块化多电平柔性直流输电换流阀子模块的供电，具有普遍应用性，两级电路使得输入输出有一个缓冲的作用，负载发生故障不会对输入源造成影响，提高了电路的可靠性。同时，第一级电路采用多路反激电路输入串联输出并联的形式，解决了宽输入电压范围的难题。输入串联输出并联的电路拓扑将输入电压应力平均的分配给这个串联电路，可以用较小耐压值的开关器件实现较大功率的能量变换，降低成本的同时也提高了电源的效率。3、本发明具有很强的电磁抗干扰能力，特别适用于电磁环境恶劣的柔性直流输电系统中。
4、本发明采用光纤连接故障输出接口，抗干扰能力强，且装置的供电能维持到保护动作结束，确保子模块在运行中安全退出前，子模块控制器、驱动器和保护装置均能正常工作。
图1是本发明提供的一种MMC阀子模块的高位取能电源装置电路拓扑图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。本发明提供的一种MMC阀子模块的高位取能电源装置电路拓扑如图1所示，包括主电路，分别设置在主电路输入输出端的电磁干扰电路，以及设置在主电路输出端的故障输出电路。1、主电路设计本发明主电路采用两级开关电源电路拓扑的方式，其中第一级开关电源电路将输入的高压为3000V的直流电压转换为200V的低压直流电源；第二级开关电源电路将第一级输出的200V的中低压直流电源转换为所需的15V或者5V低电压等级的直流电源。两级电路使得输入输出有一个缓冲的作用，负载发生故障不会对输入源造成影响，提高了电路的可靠性。，第一级电路采用多路反激电路输入串联输出并联的形式，输入串联输出并联的电路拓扑将输入电压应力平均的分配给这个串联电路，用耐压值较小的开关器件实现较大功率的能量变换。第一级开关电源拓扑采用开关电源中结构简单可靠的反激电路拓扑，第一级开关电源电路拓扑采用η路反激电路拓扑，η路反激电路的输入端依次串联，输出端依次并联；降低了开关管的电压应力 。传统的单级电路拓扑由于输入电压应力较高，现有的开关管能承受的电压难以满足，因此难以满足模块化多电平柔性直流输电系统中子模块电压越来越高的要求。串联电路拓扑使用低压的开关器件，通过串联的方式实现在高压系统的电压变换，打破了现有器件耐压应力不能满足高压需求的瓶颈。同时增加了电源的冗余，当某一路电路出现故障时能够将该路需要提供的功率通过其它路正常的电路产生，从而实现同等功率的输出。当系统所需子模块电压较高时，则只需要增加电路串联的数量便可以实现电压的变换，增强了该发明的普遍应用性。第二级开关电源电路拓扑采用反激电路拓扑、双管正激电路拓扑、推挽电路拓扑或移相全桥电路拓扑，用于实现中低压电源至低电压等级的电源转换。如DC-DC变换器产品可以实现。其中，反激电路包括变压器，串联在变压器原边的MOSFET管，串联在变压器副边的二极管及电容和电阻串联吸收回路；所述电容和电阻串联吸收回路用于吸收器件上的过电压尖峰，个数为2，其中一个电容和电阻串联吸收回路并联在变压器原边的MOSFET管两端；另一个电容和电阻串联吸收回路并联在变压器副边的二极管两端。两级电路拓扑可以使得输入输出具有一个缓冲作用，输入的剧烈变化对于输出的影响较小，同时输出的变化也不会影像输入。2、电磁干扰电路设计
本发明为模块化多电平柔性直流输电系统的子模块内部的控制器、驱动器和保护装置供电，其工作所处的电磁环境及其恶劣。子模块电容电压波动较大，且负载为驱动器，为动态负载。取能电源的工作环境中，存在工频左右的开关器件的动作和数千安级别的直流母排。所述抗电磁干扰电路用于抑制子模块中的电容前端和子模块驱动器后端带来的电磁干扰，所述抗电磁干扰电路包括主电路输入端的抗共模电磁干扰电路和主电路输出端的抗浪涌电磁干扰电路。抗共模电磁干扰电路包括共模电感；所述共模电感位于子模块电容与高位取能电源装置之间，用于抑制子模块电容电压波动对所述装置输入的干扰；所述抗浪涌电磁干扰电路包括至少两个并联的瞬态抑制二极管TVS ;所述至少两个并联的瞬态抑制二极管TVS位于高位取能电源装置的后端，用于吸收来至负载侧的浪涌电压。具体数量的确定取决于吸收浪涌能量的大小。抗电磁干扰电路对于子模块电容前端和负载后端带来的电磁干扰问题有很好的抑制作用。3、故障输出电路设计故障输出设计包括输入过欠压、输出过欠压、输出短路等故障形式耦合以后通过光纤输出，具有较强的抗干扰能力。故障输出电路的故障输出接口与子模块控制器之间通过光纤连接，当故障发生后通过光纤及时上报给子模块控制器，使得故障子模块安全退出，不对系统造成其它影响，且该电源装置的供电能维持到子模块控制器做出相应的保护动作时结束。本发明还提供了 MMC阀子模块的高位取能电源装置的实现方法，包括下述步骤A、高位取能电源装置从子模块电容取能，依次经过抗共模电磁干扰电路、第一级开关电源电路将3000V直流电压转换为200V直流电压的低压电源；B、第一级开关电源电路的输出经第二级开关电源电路，将200V直流电压电压转换为所述需的15V直流电压或5V直流电压，在经过抗浪涌电磁干扰电路给负载子模块的控制器、驱动器及保护装置供电；C、输入过欠压信号、输出过欠压信号、输出短路信号等故障信号合成以后，通过光纤输出，将故障信号上报给子模块控制器。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种MMC阀子模块的高位取能电源装置，所述高位取能电源装置为MMC阀子模块的控制器、驱动器和保护装置供电，其特征在于，所述高位取能电源装置包括主电路，分别设置在主电路输入输出端的抗电磁干扰电路，以及设置在主电路输出端的故障输出电路；所述故障输出电路的故障输出接口通过光纤与子模块控制器连接。
2.如权利要求1所述的MMC阀子模块的高位取能电源装置，其特征在于，所述主电路包括两级开关电源电路，其中第一级开关电源电路将输入的3000V的高压直流电压转换为 200V的中低压直流电源；第二级开关电源电路将第一级输出的200V的中低压直流电源转换为所需的15V或者5V低电压等级的直流电源；
3.如权利要求1所述的MMC阀子模块的高位取能电源装置，其特征在于，所述第一级开关电源电路第二级开关电源电路均为DC-DC变换电路。
4.如权利要求3所述的MMC阀子模块的高位取能电源装置，其特征在于，所述第一级开关电源电路拓扑采用η路反激电路拓扑，所述η路反激电路的输入端依次串联，输出端依次并联；所述第二级开关电源电路拓扑采用反激电路拓扑、双管正激电路拓扑、推挽电路拓扑或移相全桥电路拓扑，用于实现中低压电源至低电压等级的电源转换。
5.如权利要求4所述的MMC阀子模块的高位取能电源装置，其特征在于，所述反激电路包括变压器，串联在变压器原边的MOSFET管，串联在变压器副边的二极管及电容和电阻串联吸收回路；所述电容和电阻串联吸收回路用于吸收器件上的过电压尖峰，个数为2，其中一个电容和电阻串联吸收回路并联在变压器原边的MOSFET管两端；另一个电容和电阻串联吸收回路并联在变压器副边的二极管两端。
6.如权利要求1所述的MMC阀子模块的高位取能电源装置，其特征在于，所述抗电磁干扰电路用于抑制子模块中的电容前端和子模块驱动器后端带来的电磁干扰，所述抗电磁干扰电路包括主电路输入端的抗共模电磁干扰电路和主电路输出端的抗浪涌电磁干扰电路。
7.如权利要求6所述的MMC阀子模块的高位取能电源装置，其特征在于，所述抗共模电磁干扰电路包括共模电感；所述共模电感位于子模块电容与高位取能电源装置之间，用于抑制子模块电容电压波动对所述装置输入的干扰；所述抗浪涌电磁干扰电路包括至少两个并联的瞬态抑制二极管TVS ;所述至少两个并联的瞬态抑制二极管TVS位于高位取能电源装置的后端，用于吸收来至负载侧的浪涌电压。
8.如权利要求1所述的MMC阀子模块的高位取能电源装置，其特征在于，故障形式包括输入过欠压形式、输出过欠压形式和输出短路形式中的一种或一种以上的耦合；所述故障输出电路包括故障输出接口，当故障发生后，所述故障输出接口通过将光纤上报给子模块控制器，使得故障子模块安全退出。
9.如权利要求1所述的MMC阀子模块的高位取能电源装置，其特征在于，所述高位取能电源装置的供电维持到子模块控制器做出保护动作时结束。
10.一种MMC阀子模块的高位取能电源装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法包含下述步骤Α、高位取能电源装置从子模块电容取能，依次经过抗共模电磁干扰电路、第一级开关电源电路将3000V直流电压转换为200V直流电压的低压电源；B、第一级开关电源电路的输出经第二级开关电源电路，将200V直流电压电压转换为所述需的15V直流电压或5V直流电压，在经过抗浪涌电磁干扰电路给负载子模块的控制器、驱动器及保护装置供电；C、输入过 欠压信号、输出过欠压信号、输出短路信号故障信号合成以后,通过光纤输出，将故障信号上报给子模块控制器。
全文摘要
本发明涉及开关电源的设计领域，具体涉及一种MMC阀子模块的高位取能电源装置及其实现方法。高位取能电源装置为MMC阀子模块的控制器、驱动器和保护装置供电，其特征在于，所述高位取能电源装置包括主电路，分别设置在主电路输入输出端的电磁干扰电路，以及设置在主电路输出端的故障输出电路；所述故障输出电路的故障输出接口通过光纤与子模块控制器连接。本发明具有宽输入电压范围、高隔离电压和高可靠性的特点。通过多路反激电路的串联输入，降低了输入电压应力，提高了电路的可靠性，改善了电源的电磁兼容EMC特性。两级隔离使得各路电路输出相互隔离，且输出短路不会对输入造成影响。
文档编号H02M1/32GK103051174SQ20121052464
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者邓卫华, 吕铮, 杨卫刚, 客金坤, 冯静波 申请人:国网智能电网研究院, 中电普瑞电力工程有限公司, 上海市电力公司, 国家电网公司