一种柔性直流换流阀子模块供电装置和换流阀的制作方法

1.本发明涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种柔性直流换流阀子模块供电装置和换流阀。


背景技术：

2.柔性直流输电由于具有可控性强、所需无功少、可向无源受端供电等优势在我国得到了广泛应用。换流站作为柔性直流输电的重要组成部分，其可靠性对柔性直流输电工程能否稳定运行起到了重要作用。
3.柔性直流输电的换流站内既有换流阀等一次设备，又有能够实现监测、控制和保护的二次设备，因此柔直换流站内电磁环境更为复杂，具有多方来源的电磁干扰、震动等不利的环境因素，使得柔性直流换流阀子模块的供电装置易出现故障，出现故障之后，导致柔性直流换流阀子模块无法再进行工作。
4.相关技术中，对于柔性直流换流阀子模块的供电通常通过交叉取能或冗余供能的方式进行取能方式的改进，但其存在的问题是，交叉取能时，当其中一个柔性直流换流阀子模块出现取能故障，相邻的性直流换流阀子模块为其提供能量，会造成隔壁柔性直流换流阀子模块充电电压不均衡的问题，同时，仅相邻模块两两交叉取能，相邻两只模块均取能故障时，两只模块均不能正常工作；冗余供能时，当其中一个柔性直流换流阀子模块出现取能故障，冗余供能电路也仅能实现短暂时间的供电。


技术实现要素：

5.本发明公开一种柔性直流换流阀子模块供电装置和换流阀，通过将柔性直流换流阀阀段两端的交直流电压用于本阀段中所有子模块的隔离型冗余供能，进而在子模块中的取能电源板卡故障后，阀段电压能为该阀段中的子模块继续供能，从而在不影响其他子模块工作状态的基础上，故障子模块能够继续运行，以大幅提升换流阀子模块的供电可靠性。
6.本发明一方面实施例提供了一种柔性直流换流阀子模块供电装置，包括：
7.多个柔性直流换流阀子模块本体，多个柔性直流换流阀子模块本体串联连接形成阀段；
8.供电单元，供电单元的输入侧与阀段的首个端点和末尾端点连接，供电单元的输出侧与低压母线连接，自所述阀段取电，并向所述柔性直流换流阀子模块本体供电。
9.进一步地，上述供电单元包括：
10.电源转换单元和变压器，电源转换单元的第一输出端与第一低压母线连接，电源转换单元的第二输出端与第二低压母线连接；电源转换单元的第一输入端与变压器的第一输出端连接，电源转换单元的第二输入端与变压器的第二输出端连接；变压器的第一输入端与阀段的首个端点连接，变压器的第二输入端与阀段的末尾端点连接，电源转换单元用于将低压交流电转换为低压母线直流电。
11.可选地，柔性直流换流阀子模块供电装置，具体包括：与每个所述柔性直流换流阀
子模块本体一一对应设置的取能电源板卡，所述取能电源板卡的输入端与所述柔性直流换流阀子模块本体连接，用于自所述柔性直流换流阀子模块本体取电，并向所述柔性直流换流阀子模块本体供电。
12.进一步地，柔性直流换流阀子模块供电装置，具体包括：
13.第一二极管，所述第一二极管的阳极连接第一低压母线，第一二极管的阴极连接连接所述柔性直流换流阀子模块本体。
14.可选地，柔性直流换流阀子模块供电装置，具体还包括：第二二极管，第二二极管的阳极连接第二低压母线，第二二极管的阴极连接连接所述柔性直流换流阀子模块本体。
15.可选地，第一低压母线的电压为15v；第二低压母线的电压为400v。
16.可选地，每个柔性直流换流阀子模块本体包括换流阀半桥子模块本体或换流阀全桥子模块本体。
17.进一步地，上述换流阀半桥子模块本体具体包括：
18.旁路开关、晶闸管、第一igbt管、第二igbt管、电容、电阻和控制板卡；
19.旁路开关、晶闸管、第二igbt管并联，并联的一端为柔性直流换流阀子模块的交流正端点，另一端为柔性直流换流阀子模块的交流负端点；第一igbt管与第二igbt管串联，电容与电阻并联，并联的一端与第一igbt管的集电极连接，另一端与第二igbt管的发射极连接；
20.控制板卡分别与旁路开关的控制端、晶闸管的控制端、第一igbt管的控制端，第二igbt管的控制端电连接。
21.可选地，柔性直流换流阀子模块供电装置中换流阀全桥子模块本体具体包括：
22.旁路开关、晶闸管、第一igbt管、第二igbt管、第三igbt管、第四igbt管、电容、电阻和控制板卡；
23.旁路开关和晶闸管并联，并联的一端为柔性直流换流阀子模块的交流正端点，另一端为柔性直流换流阀子模块的交流负端点；交流正端点分别与第一igbt管的发射极和第二igbt管的集电极连接，交流负端点分别与第三igbt管的发射极和第四igbt管的集电极连接；第一igbt管的集电极和第三igbt管的集电极连接，并连接电容与电阻并联的一端，第二igbt管的发射极和第四igbt管的发射极连接，并连接电容与电阻并联的另一端；
24.控制板卡分别与旁路开关的控制端、晶闸管的控制端、第一igbt管的控制端，第二igbt管的控制端、第三igbt管的控制端，第四igbt管的控制端电连接。
25.本发明另一方面实施例提出了一种换流阀，包括如本发明任一项实施例所述的柔性直流换流阀子模块供电装置。
26.根据本发明提供的柔性直流换流阀子模块供电装置和换流阀，供电装置包括多个柔性直流换流阀子模块本体串联连接形成阀段和用于向柔性直流换流阀子模块本体供电的供电单元，供电单元的输入侧与阀段的首个端点和末尾端点连接，供电单元的输出侧与低压母线连接。通过将柔性直流换流阀阀段两端的交直流电压用于本阀段中所有子模块的隔离型冗余供能，进而在子模块中的取能电源板卡故障后，阀段电压能为该阀段中的子模块继续供能，从而在不影响其他子模块工作状态的基础上，故障子模块能够继续运行，以大幅提升换流阀子模块的供电可靠性。
27.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特
征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是根据本发明实施例提供的柔性直流换流阀子模块供电装置电路原理图；
30.图2是根据本发明一个实施例提供的柔性直流换流阀子模块供电装置电路原理图；
31.图3是根据本发明另一个实施例提供的柔性直流换流阀子模块供电装置电路原理图；
32.图4是根据本发明提供的柔性直流换流阀半桥式子模块本体电路原理图；
33.图5是根据本发明提供的柔性直流换流阀全桥式子模块本体电路原理图；
34.图6是根据本发明一个具体实施例提供的柔性直流换流阀子模块供能装置的电路原理图。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
37.图1为根据本发明实施例提供了柔性直流换流阀子模块供电装置的电路原理图，柔性直流换流阀子模块供电装置包括：
38.多个柔性直流换流阀子模块本体，多个柔性直流换流阀子模块本体串联连接形成阀段；
39.供电单元，供电单元的输入侧与阀段的首个端点和末尾端点连接，供电单元的输出侧与低压母线连接，供电单元用于自阀段取电，并向柔性直流换流阀子模块本体供电。
40.其中，供电单元自多个柔性直流换流阀子模块本体串联形成的阀段来取电，当其中一个柔性直流换流阀子模块本体发生故障时，为短路状态，不影响供电单元自其他柔性直流换流阀子模块本体取电，也不影响相邻多个柔性直流换流阀子模块本体的工作状态，
整体供电装置可靠性好。供电单元取电之后，通过低压母线分别给柔性直流换流阀子模块本体的控制板卡和旁路开关供电。
41.可以理解的是，柔性直流换流阀是在柔性直流输电系统中实现交流与直流的整流和逆变功能的核心设备，此外，在整流站还具有开关的功能，可利用其快速可控性对直流输电的起动和停运进行快速操作，包括但不限于常规晶闸管阀(简称晶闸管阀，或可控硅阀)、低频门极关断晶闸管阀(gto阀)及高频绝缘栅双极晶闸管阀(igbt阀)，阀的触发方式主要有光电转换触发和光直接触发，为其广泛应用提供了多种可能；多个柔性直流换流阀子模块本体串联是指多个柔性直流换流阀子模块本体首尾相连形成串状电路。相关换流站设备中，通过多个柔性直流换流阀子模块本体串联形成阀段，多个阀段串联形成桥臂，换流电路由单桥臂或者双桥臂组成。由此，在每个阀段中，均可以设置供电单元对其取电之后，再对其供电。本发明中的附图1仅示出了一个阀段的供电电路，但并不作为对本发明实施例的限制。
42.需要说明的是，供电单元用于柔性直流换流阀阀段的取能，其输入侧与阀段的首尾两端点连接，输出侧与低压母线相连，供电单元可以对电源起到交流与直流的整流功能及电压转换的作用，将电源电压转换为模块所需电压，供电单元为满足多种不同环境需要包括但不限于单相变压器、整流变压器、抗干扰变压器、试验变压器、转角变压器、励磁变压器及交直流电压耦合变压器等。多种柔性直流换流阀和供电单元的搭配为高压直流输电技术领域的发展提供诸多可能，为其实用化提供基础。
43.图2是根据本发明一个实施例提供的柔性直流换流阀子模块供电装置电路原理图。如图2所示，供电单元包括：
44.电源转换单元110和变压器210，电源转换单元110的第一输出端111与第一低压母线41连接，电源转换单元110的第二输出端112与第二低压母线42连接；电源转换单元110的第一输入端121与变压器210的第一输出端211连接，电源转换单元110的第二输入端122与变压器210的第二输出端212连接；变压器210的第一输入端221与阀段的首个端点311连接，变压器210的第二输入端222与阀段的末尾端点312连接，电源转换单元110用于将低压交流电转换为低压母线直流电。
45.电源转换单元110用于将交流电转换为直流电，变压器210用于将阀段的高压交流电压变压为电源转换单元110需要的低压交流电压。
46.当装置启动，电流经阀段的首个端点311和末尾端点312输入到变压器210的第一输入端221和第二输入端222，再经变压器210的第一输出端211和第二输出端212，转换为电源转换单元110所需的低压交流电，电源转换单元110将低压交流电转换为直流电，分别输出至电源转换单元110的第一输出端111和第二输出端112，再经第一低压母线41和第二低压母线42输入柔性直流换流阀子模块。
47.进一步地，柔性直流换流阀子模块供电装置，具体包括第一二极管，第一二极管的阳极连接第一低压母线41，第一二极管的阴极连接柔性直流换流阀子模块本体。
48.在低压母线40与柔性直流换流阀子模块之间加入二极管元器件，由于二极管具有单向导通特性，在对子模块供电时，一方面可以确保电流由低压母线40输入柔性直流换流阀子模块，另一方面可以保证流入柔性直流换流阀子模块的电流为直流电，同时防止电流反流，加强电路的安全性，为子模块提供更为安全的电路环境，从而提高电路的可靠性。
49.可选地，柔性直流换流阀子模块供电装置，具体还包括：第二二极管，第二二极管的阳极连接第二低压母线42，第二二极管的阴极连接柔性直流换流阀子模块本体。
50.第二二极管与第一二极管为同一类别电路中的区别器件，作用与上述第一二极管作用相同，在此不做赘述。
51.图3是根据本发明另一个实施例提供的柔性直流换流阀子模块供电装置电路原理图，如图3所示，可选地，柔性直流换流阀子模块供电装置，具体包括：
52.与每个所述柔性直流换流阀子模块本体一一对应设置的取能电源板卡，所述取能电源板卡的输入端与所述柔性直流换流阀子模块本体连接，用于自所述柔性直流换流阀子模块本体取电，并向所述柔性直流换流阀子模块本体供电。
53.其中，柔性直流换流阀是在电压源换流器型直流输电(voltage-sourced converter based hvdc，vsc-hvdc)中具有拓扑结构的采用自关断器件换流器，包括但不限于可控硅阀、gto阀及igbt阀；子模块为换流阀基本单元，可采用半桥式拓扑或全桥式拓扑，由igbt、直流储能电容、晶闸管、旁路开关及其控制系统组成，控制系统可以包括控制板卡及取能电源板卡。取能电源板卡其内部具有多个限流电阻、继电器以及稳压电路，多个电阻并联形成限流电路用于调节并保证电压稳定输出。
54.每个柔性直流换流阀子模块均有唯一对应设置的取能电源板卡，取能电源板卡与电容并联，取能电源板卡用于自柔性直流换流阀子模块本体取电，当电路接通即可直接通过电容进行取能，并向柔性直流换流阀子模块本体供电。
55.进而，每个柔性直流换流阀子模块对应设置的取能电源板卡可以通过其进行取能，当取能电源板卡故障时，供电单元还可以通过阀段取能，最终通过低压母线为每个柔性直流换流阀子模块供电，保证柔性直流换流阀子模块的供电需求。
56.可选地，第一低压母线的电压为15v；第二低压母线的电压为400v。其中，15v可以为柔性直流换流阀子模块本体的控制板卡供电，400v可以为旁路开关合闸供电。
57.可选地，每个柔性直流换流阀子模块本体包括换流阀半桥子模块本体或换流阀全桥子模块本体。
58.进一步地，图4为根据本发明提供的柔性直流换流阀半桥式子模块本体电路原理图，如图4所示，换流阀半桥子模块本体具体包括：
59.旁路开关320、晶闸管330、第一igbt管340、第二igbt管350、电容360、电阻370和控制板卡380；
60.旁路开关320、晶闸管330、第二igbt管350并联，并联的一端为柔性直流换流阀子模块本体的交流正端点，另一端为柔性直流换流阀子模块本体的交流负端点；第一igbt管340与第二igbt管350串联，电容360与电阻370并联，并联的一端与第一igbt管340的集电极连接，另一端与第二igbt管350的发射极连接；
61.控制板卡380分别与旁路开关320的控制端、晶闸管330的控制端、第一igbt管340的控制端和第二igbt管350的控制端电连接。
62.其中，第一igbt管340、第二igbt管350为同一类别电路中的区别器件，igbt管(绝缘栅双极晶体管)是一种新型电力半导体场控自关断器件，包括但不限于低功率igbt、u-tgbt(沟槽结构绝缘栅双极晶体管)、npt-igbt(非传统型绝缘栅双极晶体管)、sdb-igbt(硅片直接键合绝缘栅双极晶体管)、超快速igbt及igbt/frd等。控制卡板380采用硬件和/或软
件的形式实现对旁路开关320、第一igbt管340和第二igbt管350。
63.参考图4所示，柔性直流换流阀正常工作，旁路开关320打开，由取能电源板卡供电输出端流入柔性直流换流阀子模块，通过控制板卡380对旁路开关320、晶闸管330、第一igbt管340和第二igbt管350进行调控；同时，取能电源板卡对电容360进行充电，以使控制板卡380可以自电容360取电。当柔性直流换流阀取能电源板卡故障时，可以通过供电单元对控制板卡380和相关电路进行供电。多个柔性直流换流阀子模块可以相互独立工作，减小外界干扰，大大增加了柔性直流换流阀子模块的可靠性。
64.可选地，图5为根据本发明提供的柔性直流换流阀全桥式子模块本体电路原理图，如图5所示，柔性直流换流阀子模块供电装置中换流阀全桥子模块本体具体包括：
65.旁路开关320、晶闸管330、第一igbt管340、第二igbt管350、第三igbt管390、第四igbt管300、电容360、电阻370和控制板卡380；
66.旁路开关320和晶闸管330并联，并联的一端为柔性直流换流阀子模块的交流正端点，另一端为柔性直流换流阀子模块的交流负端点；交流正端点分别与第一igbt管340的发射极和第二igbt管350的集电极连接，交流负端点分别与第三igbt管390的发射极和第四igbt管300的集电极连接；第一igbt管340的集电极和第三igbt管390的集电极连接，并连接电容360与电阻370并联的一端，第二igbt管350的发射极和第四igbt管300的发射极连接，并连接电容360与电阻370并联的另一端；
67.控制板卡380分别与旁路开关320的控制端、晶闸管330的控制端、第一igbt管340的控制端，第二igbt管350的控制端、第三igbt管390的控制端，第四igbt管300的控制端连接。
68.参考图5所示，图5为根据本发明提供的柔性直流换流阀全桥式子模块本体示意图，柔性直流换流阀正常工作，旁路开关打开，由取能电源板卡输出端流入柔性直流换流阀子模块，通过控制板卡380的对旁路开关320、晶闸管330、第一igbt管340和第二igbt管350、第三igbt管390、第四igbt管300进行调控；同时，取能电源板卡对电容进行充电，以使控制板卡可以自电容取电。当柔性直流换流阀取能电源板卡故障时，可以通过供电单元对控制板卡380和相关电路进行供电。而多个柔性直流换流阀子模块可以相互独立工作，减小外界干扰，大大增加了柔性直流换流阀子模块的可靠性，电容的存在提高了电路的效率，节约了能源。
69.另一方面，本技术实施例还提供了一种换流阀，图6是根据本发明一个具体实施例提供的柔性直流换流阀子模块供能装置的电路原理图，参考图6，该换流阀包括上述实施例提供的任一项柔性直流换流阀子模块供电装置。
70.其中，多个柔性直流换流阀子模块编号依次为sm1、sm2
……
smn，电源转换单元110的输出侧的第一输出端111和第二输出端112与低压母线40相连，电源转换单元110的输入侧的第一输入端121和第二输入端122分别连接变压器210的输出侧的第一输出端211和第二输出端212，变压器210的输入侧的第一输入端221和第二输入端222分别连接柔性直流换流阀阀段的两端，即阀段的首个端点311与阀段的末尾端点312，用于柔性直流换流阀子模块供电装置的取能；取能电源板卡的供电输出侧与供电单元的供电输出侧并联；15v低电压用于给子模块的控制板卡供电，400v低电压用于给子模块的旁路开关回路供电。
71.另外，若某个柔性直流换流阀子模块的取能电源板卡故障，则供电单元可以为柔
性直流换流阀子模块进行供电，并且若某个柔性直流换流阀子模块故障，旁路开关闭合，变为导线，不影响其他的柔性直流换流阀子模块的工作和供电，也不影响供电单元的取能。
72.即言，供电单元自阀段取能后输出至低压母线，低压母线通过防反流二极管输出至子模块的控制板卡或旁路开关。取能电源板卡自子模块取能，并供电给子模块的控制板卡或旁路开关。两种供电装置可以仅采用供电单元，或者采用供电单元和取能电源板卡，避免子模块供电故障。
73.综上所述，根据本发明提供的柔性直流换流阀子模块供电装置和换流阀，供电装置包括多个柔性直流换流阀子模块本体串联连接形成阀段和用于向阀段供电的供电单元，供电单元的输入侧与阀段的首个端点和末尾端点连接，供电单元的输出侧与低压母线连接。通过将柔性直流换流阀阀段两端的交直流电压用于本阀段中所有子模块的隔离型冗余供能，进而在子模块中的取能电源板卡故障后，阀段电压能为该阀段中的子模块继续供能，从而在不影响其他子模块工作状态的基础上，故障子模块能够继续运行，以大幅提升换流阀子模块的供电可靠性。
74.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。