一种模块化多电平换流器子模块过电压保护装置的制作方法

本发明涉及一种保护装置，具体涉及一种模块化多电平换流器子模块过电压保护装置。

背景技术：

柔性直流输电(vsc-hvdc)是基于可关断器件的新一代直流输电技术，不存在换相失败问题，无需配置滤波及无功补偿设备，易于构建多端直流网络，可以改善风电、太阳能等新能源接入性能，极大提高低电压穿越能力和系统稳定性等多方面的优点。

基于可关断器件的电压源换流器是柔性直流输电系统的核心部件，用于实现交、直流功率变换。根据拓扑类型的不同，换流器主要有两种技术路线。“开关”型换流器，由大量的同步投切器件串联而成，直流侧采用集中式电容器，与阀本体完全分离，控制上通常采用脉宽调制pwm技术以获得更加接近正弦波的输出电压波形，常见的拓扑有两电平、二极管箝位多电平和多电平飞跨电容器等拓扑结构；而“可控电压源”型换流器，由大量非同步投切的子模块级联而成，采用分布式电容器，与阀本体无法单独分离，即使控制上不使用脉宽调制技术也能得到近似正弦波的输出电压。“可控电压源”型换流器凭借损耗低、无需配置滤波器、电压变化率小、易于实现高压大容量应用等有点，逐渐成为主流技术路线。目前在建柔性直流输电工程均采用“可控电压源”型换流器。

子模块“可控电压源”型换流器的基本功能单元，它由可关断器件、直流储能电容器等元器件构成。当柔性直流输电系统发生单相接地、直流单极接地等故障时，子模块电容器会被快速充电，必须为子模块合理配置过电压保护手段，以避免子模块内部元器件发生过电压损坏。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种模块化多电平换流器子模块过电压保护装置，可灵活采用不可控器件、半控器件和全控器件的形式，灵活性高，可根据保护速度和经济性灵活配置，适应性好。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种模块化多电平换流器子模块过电压保护装置，所述模块化多电平换流器子模块包括直流储能电容器；所述装置包括二极管和直流放电电阻器；所述直流放电电阻器的第一端与二极管的阳极连接，其第二端与直流储能电容器的第二端连接，所述二极管的阴极与直流储能电容器的第一端连接；所述装置设有正极直流出口和负极直流出口，分别与直流储能电容器的第一端和第二端连接；所述直流储能电容器的第一端为正极，第二端为负极。

所述直流放电电阻器为冲击功率型电阻器。

本发明还提供另一种模块化多电平换流器子模块过电压保护装置，所述模块化多电平换流器子模块包括直流储能电容器；所述装置包括晶闸管、直流放电电阻器以及触发电路；所述直流放电电阻器的第一端与晶闸管的阴极连接，其第二端与子模块中直流储能电容器的第二端连接，所述晶闸管的阳极与直流储能电容器的第一端连接，所述触发电路通过电缆或光纤连接晶闸管；所述装置设有正极直流出口和负极直流出口，分别与直流储能电容器的第一端和第二端连接；所述直流储能电容器的第一端为正极，第二端为负极。

所述直流放电电阻器为冲击功率型电阻器。

所述触发电路包括bod1元件、储能电容c1、储能电容c2、二极管d1、二极管d2、分压电阻r1、分压电阻r2、回路放电电阻r3、限流电阻r4和限流电阻r5；

所述分压电阻r1和r2之间的连接线上依次连接二极管d1、bod1元件、限流电阻r4和限流电阻r5；所述储能电容c1与二极管d1的阳极连接；所述回路放电电阻r3连接在bod1元件和限流电阻r4之间；所述储能电容c2连接在限流电阻r4和限流电阻r5之间；所述二极管d2连接在限流电阻r5的一端；所述分压电阻r2、储能电容c1、回路放电电阻r3、储能电容c2和二极管d2依次并联；所述晶闸管和二极管d2并联。

本发明最后提供一种模块化多电平换流器子模块过电压保护装置，所述模块化多电平换流器子模块包括直流储能电容器；所述装置包括全控器件、直流放电电阻器以及触发电路；所述全控器件的第一端与直流储能电容器的第一端连接，其第二端与直流放电电阻器的第一端连接，所述直流放电电阻器的第二端与直流储能电容器的第二端连接，所述触发电路通过电缆或光纤连接全控器件；所述装置设有正极直流出口和负极直流出口，分别与直流储能电容器的第一端和第二端连接；所述直流储能电容器的第一端为正极，第二端为负极。

所述直流放电电阻器为冲击功率型电阻器。

所述全控器件为绝缘栅双极型晶体管igbt；

所述直流放电电阻器的第一端与绝缘栅双极型晶体管igbt的发射极连接，其第二端与直流储能电容器的负极连接，所述绝缘栅双极型晶体管igbt的集电极与直流储能电容器的正极连接。

所述全控器件为集成门极换流晶闸管igct或可关断晶闸管gto；

所述直流放电电阻器的第一端与集成门极换流晶闸管igct或可关断晶闸管gto的阴极连接，其第二端与子模块中直流储能电容器的负极连接，所述集成门极换流晶闸管igct或可关断晶闸管gto的阳极与直流储能电容器的正极连接。

所述全控器件为金氧半场效晶体管mosfet；

所述直流放电电阻器的第一端与金氧半场效晶体管mosfet的源极连接，其第二端与子模块中直流储能电容器的负极连接，所述金氧半场效晶体管mosfet的漏极与直流储能电容器的正极连接。

所述触发单元包括隔离单元、脉冲发生单元以及测量单元；

所述隔离单元与模块化多电平换流器子模块的供电单元连接；所述测量单元跨接于直流储能电容器的正极和负极；所述脉冲发生单元与全控器件的栅极连接。

所述隔离单元采用隔离变压器；

所述测量单元采用电阻分压电路或电容分压电路。

所述脉冲发生单元包括fpga。

所述脉冲发生单元包括cpld。

所述脉冲发生单元包括电压比较器和运算放大器。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明所提出的电压源换流器子模块过电压保护装置结构简单，易于实现；

(2)可灵活采用不控器件、半控器件和全控器件，灵活性高，可根据保护速度和经济性灵活配置，适应性好；

(3)提升故障工况下电压源换流器子模块耐受过电压的能力，避免了子模块内部绝缘栅双极型晶体管igbt-二极管对、直流储能电容器等核心部件遭受过高的电压应力，提高了设备可靠性，对于延长设备使用寿命具备一定的作用；

(4)不控器件过电压保护设计最简单、投资最小，不需要复杂的触发电路；半控器件耐受过电流冲击能力最强，子模块直流储能电容器电能泄放速度最快，但需要配合复杂的缓冲电路来关断晶闸管；全控器件的过电压保护可控性最高，可灵活调节直流储能电容器能量泄放时间与次数。

附图说明

图1是本发明实施例中模块化多电平换流器子模块过电压保护装置应用示意图；

图2是本发明实施例中模块化多电平换流器子模块半桥电路图；

图3是本发明实施例中模块化多电平换流器子模块全桥电路图；

图4是本发明实施例1中模块化多电平换流器子模块过电压保护装置示意图；

图5是本发明实施例2中模块化多电平换流器子模块过电压保护装置示意图；

图6是本发明实施例3中模块化多电平换流器子模块过电压保护装置示意图；

图中，1-交流出口，2-直流出口，3-模块化多电平换流器子模块，31-直流储能电容器，32-绝缘栅双极型晶体管-二极管对串联构成的桥式电路，4-过电压保护装置，41-半导体器件，42-直流放电电阻器，43-触发电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，子模块包括绝缘栅双极型晶体管(绝缘栅双极型晶体管igbt)-二极管对串联构成的桥式电路32以及与其并联的直流储能电容器31；直流储能电容器31两端引出线为直流出口2，直流出口2包括正极直流出口和负极直流出口。与子模块绝缘栅双极型晶体管igbt-二极管对连接的引出线为交流出口1；交流出口1包括正极交流出口和负极交流出口。

半导体器件41可以为二极管、晶闸管、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或金氧半场效晶体管mosfet。

图2和图3分别为子模块半桥电路和全桥电路。

实施例1

如图4，本实施例提供的模块化多电平换流器子模块过电压保护装置包括二极管和直流放电电阻器；其中模块化多电平换流器子模块包括直流储能电容器。二极管与直流放电电阻器串联，设定直流储能电容器的第一端为正极，第二端为负极；具体的连接关系为：直流放电电阻器的正极与二极管的阳极连接，负极与直流储能电容器的负极连接，二极管的阴极与直流储能电容器的正极连接；该过电压保护装置设有正极直流出口和负极直流出口，正极直流出口和负极直流出口分别与直流储能电容器的正极和负极连接。

其中，直流放电电阻器为冲击功率型电阻器。

本实施例提供的模块化多电平换流器子模块过电压保护装置工作原理如下：故障状态下，直流储能电容器31被持续充电出现较高的过电压，当过电压水平超过过电压保护装置4的阀值时，半导体器件41导通，直流储能电容器31通过直流放电电阻器42放电，直流储能电容器31的过电压得到抑制。

实施例2

本实施例提供的模块化多电平换流器子模块过电压保护装置包括晶闸管、直流放电电阻器以及触发电路；晶闸管与直流放电电阻器串联，触发电路通过电缆或光纤连接晶闸管。模块化多电平换流器子模块包括直流储能电容器，该直流储能电容器的第一端为正极，第二端为负极。晶闸管、直流放电电阻器以及触发电路三者的具体连接关系为：

直流放电电阻器的正极与晶闸管的阴极连接，其负极与直流储能电容器的负极连接，晶闸管的阳极与直流储能电容器的正极连接，触发电路通过电缆或光纤连接晶闸管；该过电压保护装置装置还设有正极直流出口和负极直流出口，正极直流出口和负极直流出口分别与直流储能电容器的正极和负极连接。

其中，直流放电电阻器为冲击功率型电阻器。

上述触发电路包括bod1元件、储能电容c1、储能电容c2、二极管d1、二极管d2、分压电阻r1、分压电阻r2、回路放电电阻r3、限流电阻r4和限流电阻r5；器件之间的具体连接关系如下：

分压电阻r1和r2之间的连接线上依次连接二极管d1、bod1元件、限流电阻r4和限流电阻r5；储能电容c1与二极管d1的阳极连接；回路放电电阻r3连接在bod1元件和限流电阻r4之间；储能电容c2连接在限流电阻r4和限流电阻r5之间；二极管d2连接在限流电阻r5的一端；分压电阻r2、储能电容c1、回路放电电阻r3、储能电容c2和二极管d2依次并联；晶闸管和二极管d2并联。

本实施例提供的模块化多电平换流器子模块过电压保护装置工作原理如下：故障状态下，直流储能电容器31被持续充电出现较高的过电压，当过电压水平超过过电压保护装置4的阀值时，半导体器件41导通，直流储能电容器31通过直流放电电阻器42放电，直流储能电容器31的过电压得到抑制。

实施例3

本实施例提供的模块化多电平换流器子模块过电压保护装置包括全控器件、直流放电电阻器以及触发电路；全控器件与直流放电电阻器串联，触发电路通过电缆或光纤连接全控器件。其中模块化多电平换流器子模块包括直流储能电容器，设定直流储能电容器的第一端为正极，第二端为负极；全控器件、直流放电电阻器以及触发电路之间具体的连接关系如下：

其中，直流放电电阻器为冲击功率型电阻器。

全控器件的第一端与直流储能电容器的正极连接，其第二端与直流放电电阻器的正极连接，直流放电电阻器的负极与直流储能电容器的负极连接；该过电压保护装置还设有正极直流出口和负极直流出口，分别与直流储能电容器的正极和负极连接。

过电压保护装置的第一端与直流储能电容器的正极连接；其第二端与直流储能电容器的负极连接。

触发单元包括隔离单元、脉冲发生单元以及测量单元；其中，隔离单元与模块化多电平换流器子模块的供电单元连接；测量单元跨接于直流储能电容器的正极和负极；脉冲发生单元与全控器件的栅极连接。

隔离单元可以采用隔离变压器，测量单元可以采用电阻分压电路或电容分压电路。脉冲发生单元可以包括fpga及其辅助电路，或采用复杂可编程逻辑电路cpld及其辅助电路。脉冲发生单元包括电压比较器、运算放大器及其辅助电路。

全控器件可以为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或金氧半场效晶体管mosfet；具体如下：

1)全控器件为绝缘栅双极型晶体管igbt，直流放电电阻器的第一端与绝缘栅双极型晶体管igbt的发射极连接，其第二端与子模块中直流储能电容器的第二端连接，所述绝缘栅双极型晶体管igbt的集电极与直流储能电容器的第一端连接。

2)全控器件为集成门极换流晶闸管igct或可关断晶闸管gto，直流放电电阻器的第一端与集成门极换流晶闸管igct或可关断晶闸管gto的阴极连接，其第二端与子模块中直流储能电容器的第二端连接，所述集成门极换流晶闸管igct或可关断晶闸管gto的阳极与直流储能电容器的第一端连接。

3)全控器件为金氧半场效晶体管mosfet，直流放电电阻器的第一端与金氧半场效晶体管mosfet的源极连接，其第二端与子模块中直流储能电容器的第二端连接，所述金氧半场效晶体管mosfet的漏极与直流储能电容器的第一端连接。

本实施例提供的模块化多电平换流器子模块过电压保护装置工作原理如下：故障状态下，直流储能电容器31被持续充电出现较高的过电压，当过电压水平超过过电压保护装置4的阀值时，半导体器件41导通，直流储能电容器31通过直流放电电阻器42放电，直流储能电容器31的过电压得到抑制。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。