具有故障保护功能的阀单元及换流阀系统的制作方法

1.本实用涉及柔性直流输电领域，特别涉及具有故障保护功能的阀单元及换流阀系统。


背景技术：

2.在柔直直流输电领域，换流阀由多个阀单元级联而成，当出现阀单元故障时，要求故障阀单元呈现短路状态，以防止故障阀单元中电容电压过高或电容短路放电导致危险，令其余阀单元能够正常工作。
3.在换流阀初次启动时，如果出现阀单元取能电源无法工作，此阀单元对于上级阀控系统来说是一个黑模块，该阀单元无法触发旁路呈现短路状态，势必造成更大的故障。或者，当阀单元出现故障时，旁路开关由于机械故障或者驱动模块故障等原因，导致旁路开关无法动作令阀单元呈现短路状态，也势必会造成更大的故障，因此，要求在出现黑模块的情况或者在旁路开关无法动作等情况下，能够采取其他办法使阀单元呈现短路状态。
4.现有技术中，部分换流阀在阀单元中设置有钳位电路，钳位电路与阀单元中的功率器件连接，在故障时，钳位电路被击穿，使得功率器件导通，进而功率器件因电流过大而被损坏击穿，令阀单元呈现短路状态。然而，钳位电路的保护门限较低，导致高电压下钳位电路中的瞬态电压抑制二极管效率低，进而瞬态电压抑制二极管发热严重影响使用寿命和可靠性，同时，钳位电路较低得保护门限会造成阀单元正常工作时最高直流电压不能过高，影响整个阀单元的电压利用率。
5.实用内容
6.本实用旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用提出具有故障保护功能的阀单元，其能够调节钳位单元的门限阈值。
7.本实用还提出换流阀系统，其能够在故障情况下，调节钳位单元的门限阈值，令对应的功率组件损毁击穿呈现短路状态。
8.根据本实用第一方面实施例的具有故障保护功能的阀单元，包括：桥式电路，包括至少两个功率组件；驱动控制模块，与所述功率组件的控制端连接；至少一个钳位单元，所述钳位单元连接在所述功率组件与所述驱动控制模块之间；至少一个调节单元，与所述钳位单元连接，所述调节单元能够调节所述钳位单元的门限阈值。
9.根据本实用实施例的具有故障保护功能的阀单元，至少具有如下有益效果：在出现故障情况时，调节单元降低钳位单元的门限阈值，使得钳位单元更容易被击穿，进而令与该钳位单元连接的功率组件损毁击穿呈现短路状态，能够在故障情况下，通过牺牲损毁功率组件令阀单元呈短路状态，避免故障影响进一步扩大，提高可靠性。在正常工作情况下，调节单元能够提高钳位单元的门限阈值，有利于提高钳位单元的效率，减少钳位单元的发热量，延长实用寿命和可靠性，同时，提高钳位单元的门限阈值，亦有利于提高阀单元的直流电压利用率。以此，通过调节钳位单元的门限阈值，在出现故障的情况和正常工作的情况下均能够满足使用需求。
10.根据本实用的一些实施例，所述钳位单元包括开关管q1以及多个瞬态电压抑制二极管，多个所述瞬态电压抑制二极管串联形成串联链路，所述串联链路的阴极与所述功率组件连接，所述串联链路的阳极与所述驱动控制模块和/或所述功率组件的控制端连接，所述调节单元与所述开关管q1的控制端连接，所述开关管q1与所述串联链路连接，所述开关管q1导通能够使至少一个所述瞬态电压抑制二极管短路。
11.根据本实用的一些实施例，所述钳位单元还包括二极管d13，所述二极管d13的阳极与所述功率组件连接，所述二极管d13的阴极与所述串联链路的阴极连接。
12.根据本实用的一些实施例，所述调节单元包括开关管q2以及电阻r1，所述电阻r1的一端与所述功率组件连接，所述电阻r1的另一端分别与所述开关管q1的控制端以及所述开关管q2的一端连接，所述开关管q2的另一端以及所述开关管q2的控制端均与所述驱动控制模块连接。
13.根据本实用的一些实施例，所述钳位单元还包括电阻r11、电容c11以及电阻r13，所述电阻r11的一端分别与所述电容c11的一端以及所述串联链路的阳极连接，所述电阻r11的另一端分别与所述电容c11的另一端、所述开关管q1的控制端以及电阻r13的一端连接，所述电阻r13的另一端与所述功率组件的控制端连接。
14.根据本实用的一些实施例，所述钳位单元还包括触发电路，所述开关管q1的控制端通过所述触发电路分别与所述功率组件的控制端以及所述驱动控制模块连接。
15.根据本实用的一些实施例，所述触发电路包括电阻r12、稳压管zd11以及二极管d12，所述电阻r13的一端分别与所述驱动控制模块以及所述功率组件的控制端连接，所述电阻r13的另一端分别与所述电阻r12的一端以及所述稳压管zd11的阴极连接，所述稳压管zd11的阳极与所述二极管d12的阳极连接，所述电阻r12的另一端分别与所述二极管d12的阴极以及所述开关管q1的控制端连接。
16.根据本实用的一些实施例，所述功率组件的数量为两个，两个所述功率组件连接形成半桥电路，所述钳位单元的数量有两个并且所述钳位单元与所述功率组件一一对应连接，所述调节单元的数量为一个，与所述半桥电路中下管对应连接的所述钳位单元与所述调节单元连接。
17.根据本实用的一些实施例，所述功率组件的数量为四个，四个所述功率组件连接形成全桥电路，所述钳位单元的数量有四个并且与所述功率组件一一对应连接，所述调节单元的数量有两个；
18.与所述全桥电路中两个下管对应连接的两个所述钳位单元分别与所述调节单元一一对应连接；
19.或者，与所述全桥电路中两个上管对应连接的两个所述钳位单元分别与所述调节单元一一对应连接。
20.根据本实用第二方面实施例的换流阀系统，包括：至少两个上述的具有故障保护功能的阀单元，所述桥式电路之间级联，还包括阀控模块以及与所述驱动控制模块一一对应连接的主控模块，所述阀控模块与所述主控模块通信连接。
21.根据本实用实施例的换流阀系统，至少具有如下有益效果：当某个阀单元出现黑故障情况时，故障的阀单元中，调节单元降低钳位单元的门限阈值，使得钳位单元更容易被击穿，进而令与该钳位单元连接的功率组件损毁击穿呈现短路状态，通过牺牲损毁功率组
件令故障的阀单元呈短路状态，令其他正常工作的阀单元不受影响，避免故障进一步扩大，提高可靠性。在正常工作情况下，调节单元能够提高钳位单元的门限阈值，有利于提高钳位单元的效率，减少钳位单元的发热量，延长实用寿命和可靠性，同时，提高钳位单元的门限阈值，亦有利于提高阀单元的直流电压利用率。以此，通过调节钳位单元的门限阈值，在出现故障的情况和正常工作的情况下均能够满足使用需求。
22.本实用的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用的实践了解到。
附图说明
23.本实用的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
24.图1为本实用具有故障保护功能的阀单元其中一种实施例的电路图；
25.图2为本实用半桥电路其中一种实施例的电路图；
26.图3为本实用全桥电路其中一种实施例的电路图；
27.图4为本实用全桥电路另一种实施例的电路图；
28.图5为图3电路图中正向电流流向示意图；
29.图6为图3电路图中反向电流流向示意图；
30.图7为本实用换流阀系统其中一种实施例的结构框图。
具体实施方式
31.下面详细描述本实用的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用，而不能理解为对本实用的限制。
32.在本实用的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用的限制。
33.在本实用的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
34.本实用的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用中的具体含义。
35.如图1至图4所示，根据本实用实施例的具有故障保护功能的阀单元，包括：桥式电路，包括至少两个功率组件100；驱动控制模块200，与功率组件100的控制端连接；至少一个钳位单元300，钳位单元300连接在功率组件100与驱动控制模块200之间；至少一个调节单元400，与钳位单元300连接，调节单元400能够调节钳位单元300的门限阈值。
36.在出现故障情况时，调节单元400降低钳位单元300的门限阈值，使得钳位单元300更容易被击穿，进而令与该钳位单元300连接的功率组件100损毁击穿呈现短路状态，能够
在黑模块或者旁路开关600无法动作等故障情况下，通过牺牲损毁功率组件100令阀单元呈短路状态，避免故障影响进一步扩大，提高可靠性。在正常工作情况下，调节单元400能够提高钳位单元300的门限阈值，有利于提高钳位单元300的效率，减少钳位单元300的发热量，延长实用寿命和可靠性，同时，提高钳位单元300的门限阈值，亦有利于提高阀单元的直流电压利用率。以此，通过调节钳位单元300的门限阈值，在出现故障的情况和正常工作的情况下均能够满足使用需求。
37.功率组件100包括功率管以及与功率管反向并联的二极管。参考图1至图4，在本实用的一些实施例中，功率管为igbt，igbt的集电极与二极管的阴极连接，igbt的发射极与二极管的阳极连接，igbt的门极即为控制端。
38.驱动控制模块200可以是包括单片机、fpga、dsp、cpld或嵌入式芯片等器件的实施方式。
39.参照图1至图4，在本实用的一些实施例中，钳位单元300包括开关管q1以及多个瞬态电压抑制二极管，多个瞬态电压抑制二极管串联形成串联链路310，串联链路310的阴极与功率组件100连接，串联链路310的阳极与驱动控制模块200和/或功率组件100的控制端连接，调节单元400与开关管q1的控制端连接，开关管q1与串联链路310连接，开关管q1导通能够使至少一个瞬态电压抑制二极管短路。
40.瞬态电压抑制二极管(tvs)的两端电压大于击穿电压时，流经瞬态电压抑制二极管的电流会陡增，同时瞬态电压抑制二极管的两端电压基本稳定不变，以此实现钳位效果。通过将多个瞬态电压抑制二极管串联形成串联链路310，串联链路310的击穿电压等于每个瞬态电压抑制二极管的击穿电压之和，以此能够根据需求设置瞬态电压抑制二极管的数量，以设定击穿电压的大小，结构简单，便于实施。
41.在故障情况下，调节单元400控制开关管q1导通，令至少一个瞬态电压抑制二极管短路，进而减少串联链路310的击穿电压大小，使得串联链路310更容易被击穿，进而在串联链路310被击穿后，大电流经串联链路310有流至驱动控制模块200和/或功率组件100的控制端，令功率组件100导通，在大电流工作状态下功率组件100被损毁击穿，呈短路状态。
42.在正常工作情况下，调节单元400控制开关管q1截止，令串联链路310的击穿电压增大，能够在正常工作情况下，防止误触发，令阀单元正常工作时最高直流电压能够满足使用需求，有利于提高电压利用率。
43.参照图1，在本实用的一些实施例中，钳位单元300还包括二极管d13，二极管d13的阳极与功率组件100连接，二极管d13的阴极与串联链路310的阴极连接。
44.通过设置有二极管d13，利用二极管d13的单向导通特性，令电流只能流向串联链路310，有利于令电流流向更加稳定，提高可靠性。
45.串联链路310中，多个瞬态电压抑制二极管同向串联，串联链路310的阴极是指与瞬态电压抑制二极管阴极连接的一端，串联链路310的阳极是指与瞬态电压抑制二极管阳极连接的一端。
46.参照图1，在本实用的一些实施例中，调节单元包括开关管q2以及电阻r1，电阻r1的一端分别与功率组件100连接，电阻r1的另一端分别与开关管q1的控制端以及开关管q2的一端连接，开关管q2的另一端以及开关管q2的控制端均与驱动控制模块200连接。
47.在出现旁路开关600无法动作等故障时，驱动控制模块200能够正常工作，驱动控
制模块200能够通过电阻r21以及开关管q2控制开关管q1导通，使得钳位单元300的击穿电压减小，进而使得功率组件100，即功率管被损毁击穿呈短路状态该。以此，在旁路开关600故障情况下，驱动控制模块200能够根据阀单元工作状态或上级指令，主动使得功率管被损毁击穿，有利于提高可靠性。
48.参照图1，在本实用的一些实施例中，钳位单元300还包括电阻r11、电容c11以及电阻r13，电阻r11的一端分别与电容c11的一端以及串联链路310的阳极连接，电阻r11的另一端分别与电容c11的另一端、开关管q1的控制端以及电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端与开关管q1的控制端连接。
49.当出现黑模块的情况下，即阀单元中取能电源无法工作时，驱动控制模块200不能正常工作驱使功率组件100导通，此时，当功率组件100承受电压超过串联链路310的击穿电压时，大电流经串联链路310流向电阻r11和电容c11，驱使开关管q1导通，进一步使电流增大，同时电流经电阻r13形成驱使功率组件100即功率管导通的电压，功率管在大电流工作环境下长时间导通，进而被损毁击穿，呈短路状态。以此结构，能够在出现黑模块的情况下，驱动控制模块200不能正常工作时，亦能够使功率组件100被损毁击穿呈短路状态，有利于提高可靠性。
50.参照图1，在本实用的一些实施例中，钳位单元300还包括触发电路320，开关管q1的控制端通过触发电路320分别与功率组件100的控制端以及驱动控制模块200连接。
51.由于功率组件100，即功率管在关闭时会产生尖峰波动，可能会影响电路中的其他器件。对此，通过设置有触发电路320，使得驱动控制模块200控制功率组件100，即功率管导通时，触发电路320令开关管q1导通，进而令钳位单元300的击穿电压减小，在驱动控制模块200在控制功率管截止产生尖峰波动时，钳位单元300的击穿电压还处于减小的状态，尖峰波动击穿钳位单元300，而被钳位单元300吸收，降低尖峰波动对其他器件的影响，有利于提高可靠性。在功率管截止关断后，开关管q1亦接着关断，使得钳位单元300的击穿电压增大，有利于提高电压利用率。
52.参照图1，在本实用的一些实施例中，触发电路320包括电阻r12、稳压管zd11以及二极管d12，电阻r13的一端分别与驱动控制模块200以及功率组件100的控制端连接，电阻r13的另一端分别与电阻r12的一端以及稳压管zd11的阴极连接，稳压管zd11的阳极与二极管d12的阳极连接，电阻r12的另一端分别与二极管d12的阴极以及开关管q1的控制端连接。
53.在驱动控制模块200驱使功率管导通时，驱动控制模块200通过电阻r13、稳压管zd11以及二极管d12驱使开关管q1导通，即在功率管导通时，令钳位单元300的击穿电压减小，以此，在驱动控制模块200在控制功率管截止并且产生尖峰波动时，由于电容c11等器件以及开关管q1型号等因素，开关管q1的截止时间点迟于功率管的截止时间点，使产生尖峰波动时，钳位单元300的击穿电压还处于减小的状态，尖峰波动能够击穿钳位单元300，进而被钳位单元300吸收，降低尖峰波动对其他器件的影响，有利于提高可靠性。
54.参考图1，在本实用的一些实施例中，还包括二极管d11以及二极管d21，二极管d11的阳极分别与电阻r11的另一端、电容c11的另一端、电阻r12的另一端以及二极管d12的阴极连接，二极管d11的阴极与开关管q1的控制端连接；二极管d21的阳极分别与电阻r1的另一端以及开关管q2的一端连接，二极管d21的阴极与开关管q1的控制端连接。
55.通过设置有二极管d11和二极管d21，根据二极管的单向导通特性，能够限制电流
的流动方向，进而使得流经电阻r1的电流与流经电阻r11或流经电阻r13的电流不互相干扰，有利于提高可靠性。
56.参考图1，在本实用的一些实施例中，还包括稳压管zd21，稳压管zd21的阳极分别与电阻r11的一端、电容c11的一端以及串联链路310的阳极连接，稳压管zd21的阴极分别与电阻r1、开关管q2的一端以及开关管q1的控制端连接。
57.通过设置有稳压管zd21，能够防止开关管q1的控制端电压过高，以保护开关管q1，有利于提高可靠性。
58.参照图1和图2，在本实用的一些实施例中，功率组件100的数量为两个，两个功率组件100连接形成半桥电路，钳位单元300的数量有两个并且钳位单元300与功率组件100一一对应连接，调节单元400的数量为一个，与半桥电路中下管对应连接的钳位单元300与调节单元400连接。
59.两个功率组件100，即两个功率管串联构成半桥电路，半桥电路与直流电容700并联，并且两个功率管均连接有钳位单元300，同时作为半桥电路下管的功率管，与其连接的钳位单元300还与调节单元400连接，在此结构情况下，当出现故障情况时，无论输入电流方向如何，在故障导致直流电容700电压上升的过程中，必然是作为半桥电路下管的功率管首先承受直流电容700的电压。此时调节单元400降低下管对应的钳位单元300的击穿电压，上管对应的钳位单元300击穿电压大于下管对应钳位单元300的击穿电压，使得作为下管的功率管被损毁击穿呈短路状态，即形成系统电流的通路，直流电容700的电压不再上升，并且作为上管的功率管仍是正常截止状态，直流电容700的电流不会释放形成大电流，对其他器件造成影响导致故障范围扩大，此时故障的阀单元相当于被切除，故障的阀单元不再影响整体系统的运行，亦不会出现直流电容700短路放电的危险情况。以损毁击穿一个功率管为代价，维持系统的正常安全工作，有利于提高可靠性。
60.参照图1、图3和图4，在本实用的一些实施例中，功率组件100的数量为四个，四个功率组件100连接形成全桥电路，钳位单元300的数量有四个并且与功率组件100一一对应连接，调节单元400的数量有两个；
61.与全桥电路中两个下管对应连接的两个钳位单元300分别与调节单元400一一对应连接；
62.或者，与全桥电路中两个上管对应连接的两个钳位单元300分别与调节单元400一一对应连接。
63.四个功率组件100，即四个功率管连接形成全桥电路，每个功率管均连接有钳位单元300。参考图3，作为一种实施例，功率组件100包括igbt以及二极管，igbt2和igbt4作为全桥电路两个下管，与其对应连接的两个钳位单元300还分别与调节单元400一一对应连接。
64.当出现故障并且旁路开关600失效的情况下，外部输入电流为正向时，参考图3和图5，电流依次流经二极管d1、直流电容700、二极管d4，此时，由于二极管d1以及二极管d4导通，igbt1和igbt4两端的电压趋近于零，直流电容700的电压由igbt2以及igbt3承受。随着直流电容700充电而使得电压升高，当电压大于igbt2对应的钳位单元300的击穿电压后，igbt2导通，调节单元400降低钳位单元300的击穿电压，令流经igbt2的电流进一步增大，进而使得igbt2升温被损毁击穿，由于调节单元400的存在，igbt2会被快速损毁击穿，而igbt3不会被击穿，此时igbt1仍为截止关断状态，因此直流电容700不会短路放电。
65.在igbt2被损毁击穿后，外部输入电流为反向时，参考图3和图6，电流依次流经二极管d3、直流电容700以及二极管d2，由于二极管d3和二极管d2导通，直流电容700的电压由igbt1和igbt4承受。随着直流电容700充电而使得电压升高，当电压大于igbt4对应的钳位单元300的击穿电压后，igbt4导通，调节单元400降低钳位单元300的击穿电压，令流经igbt4的的电流进一步增大，进而使得igbt4升温被损毁击穿，由于调节单元400的存在，igbt4会被快速损毁击穿，而igbt1不会被击穿。
66.经过上述过程，igbt2和igbt4都被损毁击穿，形成电流正向和反向流通通道，能够令故障的阀单元呈短路状态，不影响整体系统的运行，故障的阀单元中直流电容700的电压亦不会再度上升，并且直流电容700不会出现短路放电的危险情况，以此通过牺牲两个igbt管为代价，保障了系统在出现黑模块或旁路开关600不能工作等极端故障情况下的安全运行，提高可靠性。
67.参考图4，作为另一种实施例，功率组件100包括igbt管以及二极管，igbt1和igbt3作为全桥电路两个上管，与其对应连接的两个钳位单元300还分别与调节单元400一一对应连接。与上述igbt2和igbt4对应连接的钳位单元300还与调节单元400连接的实施例类似，同理，通过igbt1和igbt3被损毁击穿，形成电流的正向和反向流通通道，以牺牲igbt1和igbt3作为代价，令故障的阀单元呈短路状态，维持整体系统的运行。
68.参照图1和图7，根据本实用的第二方面实施例的换流阀系统，包括：至少两个上述的具有故障保护功能的阀单元，桥式电路之间级联，阀控模块800以及与驱动控制模块200一一对应连接的主控模块500，阀控模块800与主控模块500通信连接。
69.当某个阀单元故障情况时，故障的阀单元中，调节单元400降低钳位单元300的门限阈值，使得钳位单元300更容易被击穿，进而令与该钳位单元300连接的功率组件100损毁击穿呈现短路状态，通过牺牲损毁功率组件100令故障的阀单元呈短路状态，令其他正常工作的阀单元不受影响，避免故障进一步扩大，提高可靠性。在正常工作情况下，调节单元400能够提高钳位单元300的门限阈值，有利于提高钳位单元300的效率，减少钳位单元300的发热量，延长实用寿命和可靠性，同时，提高钳位单元300的门限阈值，亦有利于提高阀单元的直流电压利用率。以此，通过调节钳位单元300的门限阈值，在出现故障的情况和正常工作的情况下均能够满足使用需求。
70.主控模块500与驱动控制模块200连接，主控模块500与阀控模块800之间可以是通过光纤通信连接。阀控模块800与各个主控模块500交换数据，以协多个阀单元之间正常工作，令整体换流阀稳定可靠地运行。
71.主控模块500和阀控模块800可以是包括单片机、fpga、dsp、cpld或嵌入式芯片等器件的实施方式。
72.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
73.当然，本实用创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。