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一种模块化多电平换流 阀的高可靠功率单元模组

阅读：385发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，包括一个换流阀控制器和多个换流阀的功率单元；由功率单元A1～An组成功率单元模组，模组内的功率单元数量大于等于2，每个功率模组只需两对光纤和换流阀控制器通讯。所述的功率单元模组内的多个功率单元A1～An的控制部分通过光纤就地组成环网：环网内传输阀控下发的控制命令和功率模组工作状态。模组内功率单元的控制可简化，与阀控通讯的数据量减少，并且因功率单元间供电有效互联和储能部分的加入，模组内功率单元的供电可靠性大大提升。适用于模块化多电平换流阀级数多，可靠性要求高的场合，特别是在有成本控制的同时有高可靠性需求的场合。，下面是一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，其特征在于，包括一个换流阀控制器和多个换流阀的功率单元；由功率单元A1～功率单元An组成功率单元模组，模组内的功率单元数量大于等于2，每个功率模组只需两对光纤和换流阀控制器通讯；
所述的功率单元模组内的多个功率单元A1～功率单元An的控制部分通过光纤就地组成环网：功率单元A1通过收发一对通讯光纤和功率单元A2相连、功率单元A2通过一对通讯光纤和功率单元A3相连……功率单元An-1通过一对通讯光纤和功率单元An相连，功率单元An通过一对通讯光纤和功率单元A1连起来；环网内传输阀控下发的控制命令和功率模组工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，其特征在于，所述的功率单元包括功率单元内的取能电源，还包括充电电路和储能电池；取能电源从自身功率单元内高压电容取电，隔离降压后输出两路隔离电压，一路供给单元控制等二次部分，一路供给储能电池，取能电源还通过跨单元取能线从邻近的功率单元取电，同样经过隔离降压，一路供给单元控制等二次部分，一路供给储能电池；取能电源两路高压输入隔离电压不低于两倍的最高输入电压。
3.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，其特征在于，功率单元内的储能电池放置在功率单元控制板上，当取能电源对二次控制电路有低压供电时，储能电池处于浮充状态；当取能电源故障无输出，或处于运行状态的功率单元掉电时，储能电池开始工作。
4.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，其特征在于，模组内的功率单元两两互相取电，当组内功率单元数量为奇数时，单独的一个模块可以和相邻功率模组的相邻功率单元进行两两相互取电。
5.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，其特征在于，多个功率单元模组中，每个功率单元模组中的功率模块还通过跨模组取能线与临近的功率单元模组的互相取能。
6.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，其特征在于，将功率单元的控制部分被划分为主控部分和单元通讯两部分，在单元控制板卡上有冗余备份的power1、power2两路电源，板上有主控部分和通讯部分两大块，主控部分为原功率模块控制板卡部分，主要负责和阀控的高速通讯、功率模组的控制和上报功率模组的状态信息；通讯部为通讯光纤接口电路和协处理器，负责功率模块的状态信息传输和功率模块的控制等。主控部分和通讯部分通过SPI接口和互联通讯。

说明书全文

一种模块化多电平换流 阀的高可靠功率单元模组

技术领域

[0001] 本发明涉及模块化多电平换流阀技术领域，特别涉及一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组。

背景技术

[0002] 模块化多电平换流阀(MMC:Modular Multilevel Converter)广泛应用于柔性直流输电、静止同步无功补偿等高压电力系统中，因对比传统直流阀有占地面积小，开关损耗、模块化批量生产方便及灵活可配置等优势，近年来逐步兴起。换流阀是模块化多电平换流器的核心组件，在换流站内负责根据上级换流器等下发的调制参数，通过开通投切功率单元子模块完成有功、无功等的功率输出，从而完成换流阀进口和出口侧的能量交换、传输。

[0003] 当前应用的模块化多电平换流阀中最小的基本单元是功率单元(子模块)，功率单元的级联组成了换流阀。功率单元的通讯及二次电路取能拓扑示意如图1所示，功率单元A内部有单元控制板卡和取能电源，单元控制板是功率单元控制核心，在功率单元中实现单元的控制、保护、监测及通讯功能，单元控制板卡和换流阀控制器间通过一组收发光纤对连接通讯。取能电源A从A功率单元内部的高压电容上取能，隔离降压后供给A单元控制板卡和功率单元内部其它二次板卡。功率单元B到功率单元X都有相同的内部结构及通讯、供电方式。

[0004] 换流阀中每个功率单元可独立工作，单元间没有互联，单元的控制依靠一组与阀控连接的光纤对完成。其优点是电器绝缘、通讯网络等设计简单。但由于每个功率单元独立供电并且只有一组光纤和阀控通讯，没有冗余备份的情况下单个功率单元故障率较高，为了提高换流阀整体的可靠性，只能增加功率单元的数量，提高了换流阀的成本。另外如果换流阀级联的功率单元较多，每功率单元都有一组光纤和换流阀连接，光缆众多，加工及施工成本也较高。同时因被控对象——功率单元众多，工程对阀控的时序及软硬件要求都有所提高，又会增加成本及工程难度。

发明内容

[0005] 为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，模组内功率单元的控制可简化，与阀控通讯的数据量减少，并且因功率单元间供电有效互联和储能部分的加入，模组内功率单元的供电可靠性大大提升。适用于模块化多电平换流阀级数多，可靠性要求高的场合，特别是在有成本控制的同时有高可靠性需求的场合。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0007] 一种模块化多电平换流阀的高可靠功率单元模组，包括一个换流阀控制器和多个换流阀的功率单元；由功率单元A1～An组成功率单元模组，模组内的功率单元数量大于等于2，每个功率模组只需两对光纤和换流阀控制器通讯。

[0008] 所述的功率单元模组内的多个功率单元A1～An的控制部分通过光纤就地组成环网：A1通过收发一对通讯光纤和A2相连、A2通过一对通讯光纤和A3相连……An-1通过一对通讯光纤和An相连，An通过一对通讯光纤和A1连起来；环网内传输阀控下发的控制命令和功率模组工作状态。

[0009] 所述的功率单元包括功率单元内的取能电源，还包括充电电路和储能电池；取能电源从自身功率单元内高压电容取电，隔离降压后输出两路隔离电压，一路供给单元控制等二次部分，一路供给储能电池，取能电源还通过跨单元取能线从邻近的功率单元取电，同样经过隔离降压，一路供给单元控制等二次部分，一路供给储能电池；取能电源两路高压输入隔离电压不低于两倍的最高输入电压。

[0010] 功率单元内的储能电池放置在功率单元控制板上，当取能电源对二次控制电路有低压供电时，储能电池处于浮充状态；当取能电源故障无输出，或处于运行状态的功率单元掉电时，储能电池开始工作。

[0011] 模组内的功率单元两两互相取电，当组内功率单元数量为奇数时，单独的一个模块可以和相邻功率模组的相邻功率单元进行两两相互取电。

[0012] 多个功率单元模组中，每个功率单元模组中的功率模块还通过跨模组取能线与临近的功率单元模组的互相取能。

[0013] 将功率单元的控制部分被划分为主控部分和单元通讯两部分，在单元控制板卡上有冗余备份的power1、power2两路电源，板上有主控部分和通讯部分两大块，主控部分为原功率模块控制板卡部分，主要负责和阀控的高速通讯、功率模组的控制和上报功率模组的状态信息；通讯部为通讯光纤接口电路和协处理器，负责功率模块的状态信息传输和功率模块的控制等。主控部分和通讯部分通过SPI接口和互联通讯。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0015] 1)本发明为解决上述功率单元为最小基本单元时造成的控制要求高、生产成本上升的问题，提出了功率单元模组(功率单元模块组合的简称)概念，模组内功率单元的控制可简化，与阀控通讯的数据量减少，并且因功率单元间供电有效互联和储能部分的加入，模组内功率单元的供电可靠性大大提升。

[0016] 2)功率模组内的功率模块通过控制算法的投切控制，能做到电压自动平衡等，实现的效果是：当功率模组内有n个功率模块时，从功率模组与阀控的通讯、控制等来看，功率模组相当于一个n倍于功率模块电压的可控高电压源。相比于阀控单独控制n个功率模块，阀控和功率模组的通讯数据量可压缩到1/n，阀控自身的运算量也会相应降低，从在保证实时性的同时而降低了阀控的性能要求。附图说明

[0017] 图1背景技术中提及的功率单元的通讯及二次电路取能拓扑示意图；

[0018] 图2本发明的功率单元模组示意框图；

[0019] 图3本发明实施例的3个功率模块组成的功率模组跨组交叉取能框图；

[0020] 图4本发明的功率模块单元控制部分示意框图。

具体实施方式

[0021] 以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

[0022] 功率单元模组的框图如图2所示，功率单元模组由功率单元A1～An组成，模组内的功率单元数量大于等于2，具体数量由换流阀的电压等级和控制策略及功率单元耐压综合决定。每个功率模组只需两对光纤和换流阀控制器通讯，如光纤对AA、AB，光纤对传输的数据相同，互为冗余备份，提高通讯可靠性。当功率模组内功率单元数量等于2时，互为冗余的阀控通讯光纤对可提高通讯可靠性；当功率模组内功率单元数量大于2时，可有效减少和换流阀控制器的通讯光纤数量，保证可靠性的同时节省成本。

[0023] 功率模组内的功率单元控制部分通过光纤就地组成环网，如图2中的A1通过收发一对通讯光纤和A2相连、A2通过一对通讯光纤和A3相连……An-1通过一对通讯光纤和An相连，An会通过一对通讯光纤和A1连起来。环网内传输阀控下发的控制命令和功率模组工作状态等。

[0024] 功率单元A1内除了传统功率单元内的取能电源外，加入了充电电路和储能电池。A1取能电源从A1单元内高压电容取电，隔离降压后输出两路隔离电压，一路供给单元控制等二次部分，一路供给储能电池，A1取能电源还可以通过跨单元取能线A21从邻近的功率单元A2取电，同样需要经过隔离降压，一路供给单元控制等二次部分，一路供给储能电池。取能电源两路高压输入隔离电压不低于两倍的最高输入电压。

[0025] 功率单元A1内的储能电池放置在功率单元控制板上，当取能电源对二次控制电路有低压供电时，储能电池处于浮充状态；当取能电源故障无输出，或处于运行状态的功率单元掉电时，储能电池开始工作。同样的功率单元A2也可通过跨单元取能线A12从邻近的功率单元A1取电，其它内部供电同A1。组内的A3至An功率单元供电相同，都有取能电源、取能电源充电部分和储能单元及跨单元取能线。模组内功率单元两两互相取电，当组内功率单元数量为奇数时，单独的一个模块可以和相邻功率模组的相邻功率单元进行两两相互取电。如图3所示为3个功率模块组成的功率模组A和B，功率模块A3和B1间通过跨模组取能B1A3和A3B1互相取能，在实际工程中根据单元的位置可灵活安排就近的两个单元互为取能。

[0026] 为了使控制部分更好的适应光纤环网，并提高通讯可靠性，减少阀控通讯数据，功率单元的控制部分被划分为主控部分和单元通讯两部分，如图4所示，在单元控制板卡上有冗余备份的power1、power2两路电源，板上有主控部分和通讯部分两大块，主控部分为原功率模块控制板卡部分，主要负责和阀控的高速通讯、功率模组的控制和上报功率模组的状态信息。通讯部为通讯光纤接口电路和协处理器，负责功率模块的状态信息传输和功率模块的控制等。主控部分和通讯部分通过SPI接口和互联通讯。

[0027] 功率模组内的功率模块通过控制算法的投切控制，能做到电压自动平衡等，实现的效果是：当功率模组内有n个功率模块时，从功率模组与阀控的通讯、控制等来看，功率模组相当于一个n倍于功率模块电压的可控高电压源。相比于阀控单独控制n个功率模块，阀控和功率模组的通讯数据量可压缩到1/n，阀控自身的运算量也会相应降低，从在保证实时性的同时而降低了阀控的性能要求。

[0028] 以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

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