專利名稱：一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路及方法。
背景技術(shù)：
柔性直流輸電技術(shù)是一種基于電壓源換流器的新型的高壓直流輸電技術(shù)，憑借其沒(méi)有換向失敗問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的快速解耦控制以及諧波含量低的優(yōu)越性間更廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電并網(wǎng)、交流系統(tǒng)的異步互聯(lián)、多端直流輸電和城市配電網(wǎng)增容等領(lǐng)域。模塊化多電平換流器作為實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電工程化的電壓源型換流器拓?fù)渲?近年來(lái)受到極大關(guān)注。其基本電路單元為子模塊，結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，包括兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管(Tl和T2)、與每個(gè)IGBT反向并聯(lián)的二極管(Dl和D2)、與T2反向并聯(lián)的晶閘管(D3)、旁路開(kāi)關(guān)(K)、均壓電阻(R)、支撐電容(C)等，上層控制系統(tǒng)通過(guò)控制T1、T2的開(kāi)通和關(guān)斷，子模塊輸出Uc或O (Uc為支撐電容器電壓，即直流側(cè)電壓)。其中，D3的功能為在直流側(cè)發(fā)生短路故障后、斷路器斷開(kāi)前這段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通，以承擔(dān)本應(yīng)流過(guò)二極管的過(guò)電流，起到保護(hù)續(xù)流二極管的作用；Κ能實(shí)現(xiàn)冗余子模塊和故障模塊的快速切換，而且一旦閉合即不能通過(guò)控制斷開(kāi)，只有當(dāng)變流器停電檢修時(shí)通過(guò)手動(dòng)復(fù)位；R為子電容電壓提供一個(gè)靜態(tài)均壓作用，也可用于變流器停機(jī)后支撐電容放電。通過(guò)控制各子模塊的投入和退出就可生成穩(wěn)定的交流與直流輸出電壓，從而改變換流器的輸出電壓及功率等級(jí)。但是，當(dāng)子模塊處于Tl關(guān)斷、Τ2開(kāi)通的切出工作狀態(tài)，此時(shí)若Tl發(fā)生故障短路，為保護(hù)子模塊中的其他元器件，子模塊控制器會(huì)對(duì)Τ2發(fā)送脈沖封鎖信號(hào)，閉合K，旁路故障子模塊，系統(tǒng)電流i從K直接流過(guò)，不再進(jìn)入子模塊。但是從故障發(fā)生到T2脈沖封鎖的反應(yīng)時(shí)間為IOus左右，而K的合閘時(shí)間約為IOms左右，由于K的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)故障電流擴(kuò)散至系統(tǒng)，將會(huì)影響同一橋臂或其他橋臂電壓和電流的變化。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路及方法，為晶閘管D3反向并聯(lián)一個(gè)晶閘管D4，在開(kāi)啟T2脈沖封鎖和閉合K時(shí)同步導(dǎo)通，子模塊輸入電流i通過(guò)晶閘管D4換流，將該故障子模塊迅速旁路，由于晶閘管反應(yīng)時(shí)間與T2相近，比旁路開(kāi)關(guān)要快，這樣能夠避免將故障電流擴(kuò)散至換流器中，保障了系統(tǒng)的準(zhǔn)確、安全和可靠運(yùn)行。一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路，包括支撐電容C、均壓電阻R、第一開(kāi)關(guān)管Tl、第二開(kāi)關(guān)管T2、第一二極管D1、第二二極管D2、第一晶閘管D3、旁路開(kāi)關(guān)K、第二晶閘管D4和子模塊控制器101 ；其中，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl通過(guò)支撐電容C與所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El相連；
所述均壓電阻R與所述支撐電容C并聯(lián)；所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El與所述第一二極管Dl的正極相連，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl與所述第一二極管Dl的負(fù)極相連；所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第二二極管D2的正極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第二二極管D2的負(fù)極相連；所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第一晶閘管D3的陽(yáng)極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第一晶閘管D3的陰極相連；所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第二晶閘管D4的陽(yáng)極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第二晶閘管D4的陰極相連；所述旁路開(kāi)關(guān)K與所述第二晶閘管D4并聯(lián)； 所述子模塊控制器101，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷子模塊中各電氣量及故障狀態(tài)，當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，發(fā)送控制第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖的封鎖信號(hào)和控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的閉合信號(hào)將所述子模塊旁路。上述的子模塊故障保護(hù)電路，優(yōu)選的，所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，當(dāng)所述子模塊控制器101監(jiān)測(cè)到所述子模塊電氣量滿足第一預(yù)設(shè)值或第二預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通所述第二晶閘管D4。上述的子模塊故障保護(hù)電路，優(yōu)選的，所述子模塊控制器101包括監(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷所述子模塊的電氣量及故障狀態(tài)；第一驅(qū)動(dòng)電路，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，發(fā)送控制第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖的封鎖信號(hào)；第二驅(qū)動(dòng)電路，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，發(fā)送控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的閉合信號(hào)；第三驅(qū)動(dòng)電路，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，當(dāng)所述監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第一預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通所述第二晶閘管D4。 上述的子模塊故障保護(hù)電路，優(yōu)選的，還包括第三晶閘管D5，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl與所述第三晶閘管D5的陽(yáng)極相連，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El與所述第三晶閘管D5的陰極相連，當(dāng)所述子模塊控制器101監(jiān)測(cè)得到子模塊電氣量滿足第二預(yù)設(shè)值時(shí)，所述第三晶閘管D5導(dǎo)通。上述的子模塊故障保護(hù)電路，優(yōu)選的，所述子模塊控制器101還包括第四驅(qū)動(dòng)電路，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，當(dāng)所述監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第二預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通所述第二晶閘管D4的同時(shí)導(dǎo)通所述第三晶閘管D5。一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法，包括當(dāng)模塊化多電平換流器的子模塊發(fā)生第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，鎖閉第二開(kāi)關(guān)管T2、導(dǎo)通第二晶閘管D4 ；關(guān)閉旁路開(kāi)關(guān)K，將所述子模塊旁路。上述的子模塊故障保護(hù)方法，優(yōu)選的，還包括當(dāng)模塊化多電平換流器的子模塊發(fā)生第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，在導(dǎo)通第二晶閘管D4的同時(shí)導(dǎo)通第三晶閘管D5。
本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路，包括支撐電容C、均壓電阻R、第一開(kāi)關(guān)管Tl、第二開(kāi)關(guān)管T2、第一二極管D1、第二二極管D2、第一晶閘管D3、旁路開(kāi)關(guān)K、第二晶閘管D4和子模塊控制器101 ;當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖，第二晶閘管D4導(dǎo)通，系統(tǒng)電流通過(guò)第二晶閘管D4流過(guò)該產(chǎn)生故障子模塊，相當(dāng)于將該故障子模塊旁路，同時(shí)子模塊控制器發(fā)送控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的閉合信號(hào)，旁路開(kāi)關(guān)K閉合，系統(tǒng)電流流過(guò)K，正式將所述子模塊旁路，再投入冗余子模塊。采用本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路及方法，當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，能夠有效防止故障電流擴(kuò)大至系統(tǒng)。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是現(xiàn)有技術(shù)中模塊化多電平換流器的子模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例I的第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障發(fā)生在橋臂電流i大于零的上半周期時(shí)電流流向圖；圖4是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例I的第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障發(fā)生在橋臂電流i小于零的下半周期時(shí)電流流向圖；圖5是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例I中子模塊控制器101的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例2的第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障發(fā)生在橋臂電流i小于零的下半周期時(shí)電流流向圖；圖8是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例2中子模塊控制器101的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法實(shí)施例I的流程圖；圖10是本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法實(shí)施例2的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。參見(jiàn)圖2示出了本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的故障保護(hù)電路實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖，包括支撐電容C、均壓電阻R、第一開(kāi)關(guān)管Tl第二開(kāi)關(guān)管T2、第一二極管D1、第二二極管D2、第一晶閘管D3、旁路開(kāi)關(guān)K、第二晶閘管D4和子模塊控制器101 ;圖中虛線表示的控制信號(hào)傳輸路徑。模塊化多電平換流器的基本電路單元為子模塊，多個(gè)子模塊組合組成了換流器的橋臂結(jié)構(gòu)。其中，所述均壓電阻R和所述支撐電容C并聯(lián)；換流器的每個(gè)子模塊的組成結(jié)構(gòu)完全相同，均壓電阻R用于變流器停機(jī)后支撐電容器放電，為實(shí)現(xiàn)均壓控制的電容電壓提供必要的檢測(cè)通道、為子電容電壓提供一個(gè)靜態(tài)均壓作用。 所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl通過(guò)支撐電容C與所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El相連；所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El與所述第一二極管Dl的正極相連，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl與所述第一二極管Dl的負(fù)極相連；所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第二二極管D2的正極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第二二極管D2的負(fù)極相連；所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第一晶閘管D3的陽(yáng)極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第一晶閘管D3的陰極相連；第一晶閘管D3用于系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生短路故障后、斷路器斷開(kāi)前這段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通，承擔(dān)本應(yīng)流過(guò)第二二極管D2的過(guò)電流，對(duì)所述第二二極管D2進(jìn)行分流保護(hù)。當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，第一晶閘管D3處于鎖閉狀態(tài)。所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第二晶閘管D4的陽(yáng)極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第二晶閘管D4的陰極相連；所述旁路開(kāi)關(guān)K與所述第二晶閘管D4并聯(lián)；第二晶閘管D4的反應(yīng)時(shí)間一般為幾十個(gè)us。對(duì)于模塊化多電平換流器的單個(gè)子模塊，其工作狀態(tài)共有三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)(I)閉鎖狀態(tài)第一開(kāi)關(guān)管Tl、第二開(kāi)關(guān)管T2均關(guān)斷，一般在啟動(dòng)前和嚴(yán)重故障時(shí)出現(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)；(2)投入狀態(tài)第一開(kāi)關(guān)管Tl開(kāi)通、第二開(kāi)關(guān)管T2關(guān)斷,此時(shí)子模塊輸出電壓為支撐電容C的電壓；(3)切出狀態(tài)第一開(kāi)關(guān)管Tl關(guān)斷、第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通。第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障，當(dāng)此故障發(fā)生于橋臂電流i大于零的上半周期時(shí)，由于第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路，支撐電容C通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管Tl-第二開(kāi)關(guān)管T2回路迅速放電。此時(shí)流過(guò)第一開(kāi)關(guān)管Tl、第二開(kāi)關(guān)管T2和支撐電容的電流迅速增大，在幾u(yù)s內(nèi)達(dá)到額定電流的幾十倍，會(huì)造成第一開(kāi)關(guān)管Tl和第二開(kāi)關(guān)管T2爆炸。此時(shí)應(yīng)封鎖第一開(kāi)關(guān)管Tl和第二開(kāi)關(guān)管T2的脈沖，電流仍通過(guò)故障的第一開(kāi)關(guān)管Tl對(duì)支撐電容進(jìn)行充電。當(dāng)此故障發(fā)生于橋臂電流i小于零的下半周期時(shí)，電流通過(guò)第二二極管D2導(dǎo)通，由于第一開(kāi)關(guān)管Tl短路使得第二開(kāi)關(guān)管T2的兩端電壓為支撐電容C電壓，第二二極管D2從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)支撐電容C通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管Tl和外部回路放電。故障電流擴(kuò)散至系統(tǒng)，這會(huì)導(dǎo)致同一橋臂或其他橋臂電壓和電流的變化，對(duì)換流器性能造成一定影響。參見(jiàn)圖3和圖4示出了本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例I的第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)的電流流向圖，箭頭方向?yàn)殡娏髁飨?。其中，圖3為第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障發(fā)生在橋臂電流大于零的上半周期時(shí)電流流向；當(dāng)子模塊處于切出狀態(tài)，即第一開(kāi)關(guān)管Tl關(guān)斷、第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通，若故障發(fā)生在電流大于零的上半周期，此時(shí)所述子模塊控制器101向第一開(kāi)關(guān)管Tl和第二開(kāi)關(guān)管T2發(fā)送脈沖封鎖信號(hào)，控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的同時(shí)導(dǎo)通第二晶閘管D4。由于第二晶閘管D4的動(dòng)作時(shí)間非?？?，i通過(guò)第二晶閘管D4換向至ik，將所述子模塊快速旁路。 圖4為第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障發(fā)生在橋臂電流小于零的下半周期時(shí)電流流向。若故障發(fā)生在電流小于零的下半周期，此時(shí)所述子模塊控制器101向第一開(kāi)關(guān)管Tl和第二開(kāi)關(guān)管T2發(fā)送脈沖封鎖信號(hào)，控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的同時(shí)導(dǎo)通第二晶閘管D4，此時(shí)支撐電容C通過(guò)故障第一開(kāi)關(guān)管Tl-第二晶閘管D4回路迅速放電。當(dāng)電容電壓降低為零時(shí)(時(shí)間為Ims左右)，第二晶閘管D4截止，電流通過(guò)第二二極管D2繼續(xù)導(dǎo)通，子模塊輸出電壓為零，直至K閉合完畢則所述子模塊旁路。D4的快速導(dǎo)通能防止故障電流擴(kuò)散至系統(tǒng)，導(dǎo)致同一橋臂或其他橋臂電壓和電流發(fā)生變化。參見(jiàn)圖5示出了本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例I中子模塊控制器101的結(jié)構(gòu)示意圖，包括監(jiān)測(cè)模塊1011、第一驅(qū)動(dòng)電路1012、第二驅(qū)動(dòng)電路1013和第三驅(qū)動(dòng)電路1014。所述監(jiān)測(cè)模塊1011，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷所述子模塊的電氣量及故障狀態(tài)；第一驅(qū)動(dòng)電路1012，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，發(fā)送控制第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖的封鎖信號(hào)；第二驅(qū)動(dòng)電路1013，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，發(fā)送控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的閉合信號(hào)；第三驅(qū)動(dòng)電路1014，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊1011監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第一預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通所述第二晶閘管D4。由于旁路開(kāi)關(guān)K的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為IOms作用左右，當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，第二開(kāi)關(guān)管T2接受子模塊控制器101發(fā)送的封鎖信號(hào)，反應(yīng)時(shí)間為IOus左右，電流不再流經(jīng)第二開(kāi)關(guān)管T2。為加快將該故障子模塊旁路、防止故障電流擴(kuò)散至系統(tǒng)，為旁路開(kāi)關(guān)K并聯(lián)一個(gè)第二晶閘管D4。當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，所述子模塊電氣量發(fā)生快速變化并能夠迅速達(dá)到第一預(yù)設(shè)值，當(dāng)所述子模塊控制器101的監(jiān)測(cè)模塊1011監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第一預(yù)設(shè)值時(shí)，第一驅(qū)動(dòng)電路1012發(fā)送對(duì)第二開(kāi)關(guān)管T2進(jìn)行脈沖封鎖的封鎖信號(hào)，第二驅(qū)動(dòng)電路1013發(fā)送閉合旁路開(kāi)關(guān)K的閉合信號(hào)，同時(shí)第三驅(qū)動(dòng)電路1014導(dǎo)通所述第二晶閘管D4，將所述子模塊旁路。實(shí)際實(shí)施中，在該故障子模塊旁路后，冗余設(shè)置的子模塊隨機(jī)投入使用，繼續(xù)該子模塊的動(dòng)作、功能，該模塊化多電平換流器的整體性能不受影響。由上述可知，本發(fā)明實(shí)施例I提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路，包括支撐電容C、均壓電阻R、第一開(kāi)關(guān)管Tl、第二開(kāi)關(guān)管T2、第一二極管D1、第二二極管D2、第一晶閘管D3、旁路開(kāi)關(guān)K、第二晶閘管D4和子模塊控制器101 ;當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，子模塊控制器101控制第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖，第二晶閘管D4導(dǎo)通，同時(shí)旁路開(kāi)關(guān)K閉合。采用本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路，當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)故障子模塊的快速旁路，且能夠有效防止故障電流擴(kuò)大至系統(tǒng)。
參見(jiàn)圖6示出了本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，本結(jié)構(gòu)是在圖2所示的結(jié)構(gòu)上，還包括第三晶閘管D5，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl與所述第三晶閘管D5的陽(yáng)極相連，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El與所述第三晶閘管D5的陰極相連，即所述第三晶閘管D5與所述第一二極管Dl反向并聯(lián)。參見(jiàn)圖7示出了本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例2的第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障發(fā)生在橋臂電流小于零的下半周期時(shí)電流流向。當(dāng)子模塊處于第一開(kāi)關(guān)管Tl關(guān)斷、第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通，若故障發(fā)生在電流小于零的下半周期，此時(shí)所述子模塊控制器101向第一開(kāi)關(guān)管Tl和第二開(kāi)關(guān)管T2發(fā)送脈沖封鎖信號(hào)，控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合，同時(shí)導(dǎo)通第二晶閘管D4和第三晶閘管D5，此時(shí)支撐電容C通過(guò)故障第二晶閘管D4-第三晶閘管D5回路迅速放電。當(dāng)電容電壓降低為零時(shí)(時(shí)間為Ims內(nèi))，第二晶閘管D4截止，電流通過(guò)第二二極管D2續(xù)流，子模塊輸出電壓為零，直至K閉合完畢則所述子模塊旁路。其中第二晶閘管D4的快速導(dǎo)通能防止故障電流擴(kuò)散至系統(tǒng)，導(dǎo)致同一橋臂或其他橋臂電壓和電流發(fā)生變化；第三晶閘管的D5的導(dǎo)通則承擔(dān)了本應(yīng)通過(guò)故障第二開(kāi)關(guān)管的大電流，有效保護(hù)了故障元件不被損壞。參見(jiàn)圖8示出了本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路實(shí)施例2中子模塊控制器101，在圖5所示的結(jié)構(gòu)還包括第四驅(qū)動(dòng)電路1015。所述第四驅(qū)動(dòng)電路1015，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，當(dāng)所述子模塊控制器101的監(jiān)測(cè)模塊1011監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第二預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通所述第二晶閘管D4的同時(shí)導(dǎo)通所述第三晶閘管D5。當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，所述子模塊電氣量發(fā)生快速變化并能夠迅速達(dá)到第二預(yù)設(shè)值，當(dāng)所述子模塊控制器101的監(jiān)測(cè)模塊1011監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第二預(yù)設(shè)值時(shí)，同時(shí)導(dǎo)通第二晶閘管D4和第三晶閘管D5。導(dǎo)通所述第二晶閘管D4，能夠?qū)⑺鲎幽K旁路；由于第三晶閘管D5的導(dǎo)通，第三晶閘管D5對(duì)流經(jīng)第一開(kāi)關(guān)管Tl的過(guò)電流進(jìn)行分流，有效防止故障電流導(dǎo)致第一開(kāi)關(guān)管Tl炸裂，這樣就不會(huì)因某個(gè)元件故障而導(dǎo)致子模塊整體損壞，提高了模塊化多電平換流器本身的可用率。實(shí)際實(shí)施中，在該故障子模塊旁路后，冗余設(shè)置的子模塊隨機(jī)投入使用，繼續(xù)該子模塊的動(dòng)作、功能，該模塊化多電平換流器的整體性能不受影響。與上述的本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路相對(duì)應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法。參見(jiàn)圖9示出了本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊保護(hù)方法實(shí)施例I的流程圖，包括步驟SlOl :當(dāng)所述模塊化多電平換流器的子模塊發(fā)生第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，鎖閉第二開(kāi)關(guān)管T2、導(dǎo)通第二晶閘管D4 ；
當(dāng)所述模塊化多電平換流器的子模塊的第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，子模塊控制器101的第一驅(qū)動(dòng)電路1012發(fā)送封鎖信號(hào)控制所述第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖，其反應(yīng)時(shí)間較快，一般為IOus左右。為了加快將該故障子模塊旁路、啟動(dòng)冗余子模塊的速度，為旁路開(kāi)關(guān)K并聯(lián)一個(gè)第二晶閘管D4。當(dāng)所述模塊化多電平換流器的子模塊的第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，所述子模塊電氣量發(fā)生快速變化并能夠迅速達(dá)到第第一預(yù)設(shè)值，當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊1011監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第一預(yù)設(shè)值時(shí)，第三驅(qū)動(dòng)電路1014導(dǎo)通所述第二晶閘管D4，其反應(yīng)時(shí)間一般為幾個(gè)us，相當(dāng)于將所述故障子模塊旁路，禁止該故障子模塊投入系統(tǒng)。步驟S102 :旁路開(kāi)關(guān)K關(guān)閉，將所述子模塊旁路。由于旁路開(kāi)關(guān)K的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為IOms作用左右，當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖、第二晶閘管D4導(dǎo)通時(shí)，子模塊控制器101的第二驅(qū)動(dòng)電路1013同時(shí)發(fā)送控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的閉合信號(hào)，旁路開(kāi)關(guān)K接收該閉合信號(hào)后經(jīng)過(guò)反應(yīng)時(shí)間(IOms)后，最終旁路開(kāi)關(guān)K閉合將所述故障子模塊真正旁路，能夠有效防止故障電流擴(kuò)大至系統(tǒng)。 實(shí)際實(shí)施中，在該故障子模塊旁路后，冗余設(shè)置的子模塊隨機(jī)投入使用，繼續(xù)該子模塊的動(dòng)作、功能，該模塊化多電平換流器的整體性能不受影響。由上述可知，本發(fā)明實(shí)施例I提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法，包括當(dāng)所述模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路的第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，第二開(kāi)關(guān)管T2鎖閉、第二晶閘管D4導(dǎo)通，快速旁路該故障子模塊；控制旁路開(kāi)關(guān)K關(guān)閉，將所述子模塊真正旁路。采用本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法，當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，能夠有效防止故障電流擴(kuò)大至系統(tǒng)。參見(jiàn)圖10示出了本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法實(shí)施例2的流程圖，本流程圖是在圖9的步驟SlOl和步驟S102之間還包括步驟S103 :當(dāng)模塊化多電平換流器的子模塊發(fā)生第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，在導(dǎo)通第二晶閘管D4的同時(shí)導(dǎo)通第三晶閘管D5。當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，所述子模塊電氣量發(fā)生快速變化并能夠迅速達(dá)到第二預(yù)設(shè)值，當(dāng)所述子模塊控制器101的監(jiān)測(cè)模塊1011監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第二預(yù)設(shè)值時(shí)，同時(shí)導(dǎo)通第二晶閘管D4和第三晶閘管D5。當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，若只采取導(dǎo)通第二晶閘管D4，支撐電容C通過(guò)短路的第一開(kāi)關(guān)管Tl-第二晶閘管D4迅速放電，此時(shí)過(guò)大的電流可能會(huì)損壞第一開(kāi)關(guān)管Tl，因此將所述第三晶閘管D5與第一二極管Dl反向并聯(lián)，在導(dǎo)通第二晶閘管D4的同時(shí)導(dǎo)通第三晶閘管D5，該大電流分流到第三晶閘管D5，保護(hù)了第一開(kāi)關(guān)管Tl，防止該故障的第一開(kāi)關(guān)管Tl炸裂。由上述可知，本發(fā)明實(shí)施例2提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法，還包括導(dǎo)通第三晶閘管D5，所述第三晶閘管D5分流流經(jīng)故障的第一開(kāi)關(guān)管Tl的電流，防止該故障的第一開(kāi)關(guān)管Tl炸裂，有效保護(hù)故障元件。在本發(fā)明實(shí)施例中，當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊判斷出子模塊電氣量滿足第一預(yù)設(shè)值時(shí)，所述第二晶閘管D4導(dǎo)通，當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊判斷出子模塊電氣量滿足第二預(yù)設(shè)值時(shí)，第三晶閘管D5導(dǎo)通，所述第一預(yù)設(shè)值和第二預(yù)設(shè)值只是用于表示第二晶閘管D4和第三晶閘管D5應(yīng)導(dǎo)通時(shí)電流的臨界值，一般情況下二者相等，但不排除個(gè)別不相等情況。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。 ·
權(quán)利要求
1.一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路，其特征在于，包括支撐電容C、均壓電阻R、第一開(kāi)關(guān)管Tl、第二開(kāi)關(guān)管T2、第一二極管D1、第二二極管D2、第一晶閘管D3、旁路開(kāi)關(guān)K、第二晶閘管D4和子模塊控制器101 ； 其中，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl通過(guò)支撐電容C與所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El相連； 所述均壓電阻R與所述支撐電容C并聯(lián)； 所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El與所述第一二極管Dl的正極相連，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl與所述第一二極管Dl的負(fù)極相連； 所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第二二極管D2的正極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第二二極管D2的負(fù)極相連； 所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第一晶閘管D3的陽(yáng)極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第一晶閘管D3的陰極相連； 所述第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C2與所述第二晶閘管D4的陽(yáng)極相連，所述第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E2與所述第二晶閘管D4的陰極相連； 所述旁路開(kāi)關(guān)K與所述第二晶閘管D4并聯(lián)； 所述子模塊控制器101，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷子模塊中各電氣量及故障狀態(tài)，當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，發(fā)送控制第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖的封鎖信號(hào)和控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的閉合信號(hào)將所述子模塊旁路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的子模塊故障保護(hù)電路，其特征在于，所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，當(dāng)所述子模塊控制器101監(jiān)測(cè)到所述子模塊電氣量滿足第一預(yù)設(shè)值或第二預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通所述第二晶閘管D4。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的子模塊故障保護(hù)電路，其特征在于，所述子模塊控制器101包括 監(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷所述子模塊的電氣量及故障狀態(tài)； 第一驅(qū)動(dòng)電路，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，發(fā)送控制第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖的封鎖信號(hào)； 第二驅(qū)動(dòng)電路，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，發(fā)送控制旁路開(kāi)關(guān)K閉合的閉合信號(hào)； 第三驅(qū)動(dòng)電路，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，當(dāng)所述監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第一預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通所述第二晶閘管D4。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的子模塊故障保護(hù)電路，其特征在于，還包括第三晶閘管D5，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的集電極Cl與所述第三晶閘管D5的陽(yáng)極相連，所述第一開(kāi)關(guān)管Tl的發(fā)射極El與所述第三晶閘管D5的陰極相連，當(dāng)所述子模塊控制器101監(jiān)測(cè)得到子模塊電氣量滿足第二預(yù)設(shè)值時(shí)，所述第三晶閘管D5導(dǎo)通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的子模塊故障保護(hù)電路，其特征在于，所述子模塊控制器101還包括 第四驅(qū)動(dòng)電路，用于當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，當(dāng)所述監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)得到所述子模塊電氣量滿足第二預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通所述第二晶閘管D4的同時(shí)導(dǎo)通所述第三晶閘管D5。
6.一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)方法，其特征在于，包括 當(dāng)模塊化多電平換流器的子模塊發(fā)生第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，鎖閉第二開(kāi)關(guān)管T2、導(dǎo)通第二晶閘管D4 ； 關(guān)閉旁路開(kāi)關(guān)K，將所述子模塊旁路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的子模塊故障保護(hù)方法，其特征在于，還包括 當(dāng)模塊化多電平換流器的子模塊發(fā)生第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管Tl短路故障時(shí)，在導(dǎo)通第二晶閘管D4的同時(shí)導(dǎo)通第三晶閘管D5。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路，當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管T1關(guān)斷，而第一開(kāi)關(guān)管T1短路故障時(shí)，子模塊控制器101控制第二開(kāi)關(guān)管T2封鎖脈沖和第二晶閘管D4導(dǎo)通，同時(shí)向旁路開(kāi)關(guān)發(fā)送閉合信號(hào)。由于旁路開(kāi)關(guān)K的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，第二晶閘管D4的導(dǎo)通可實(shí)現(xiàn)故障子模塊的快速旁路。本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的子模塊故障保護(hù)電路及方法，當(dāng)所述第二開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通、第一開(kāi)關(guān)管T1短路故障時(shí)，能夠有效防止故障電流擴(kuò)大至系統(tǒng)，保證了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定且滿足系統(tǒng)高可靠性及安全運(yùn)行要求。
文檔編號(hào)H02M1/32GK102801295SQ201210282768
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者敬華兵, 吳強(qiáng), 龔芬, 唐劍釗, 鄧明, 翟文杰 申請(qǐng)人:株洲變流技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限公司