一种可关断直流换流器及其多级保护方法和系统

1.本发明涉及直流输电技术领域，特别涉及一种可关断直流换流器及其多级保护方法和系统。


背景技术：

2.近年来，高压直流输电技术得到高速发展，传统电网换相换流器直流输电技术（line-commutated converterbased high voltage direct current, lcc-hvdc）在直流输电中占据重要地位。但是lcc直流输电技术在交流电网发生短路故障导致电压跌落时会出现换相失败的问题。由于换流器的每个桥臂是多级串联结构，同时需要应对换流器的多种极端工况，在极端工况下仍需要保障功率器件和换流器的安全可靠运行。功率器件可能由于光纤通讯异常、信号丢失、信号延时等非正常现象而无法通过正常信号开通，此时大多数器件导通后压降为0，未导通的器件上会承受整阀电压，此时如果不采取保护措施会造成器件短时过压击穿。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提供了一种可关断直流换流器及其多级保护方法和系统。
4.第一方面，本发明实施例提供一种可关断直流换流器，包括：
5.可关断管阀串和过压击穿二极管；
6.所述可关断直流换流器的每个桥臂多级串联，每个所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件；
7.所述可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通。
8.在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器，还包括：
9.金属氧化物避雷器；
10.所述可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护。
11.在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器，还包括：
12.阀避雷器；
13.所述桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护。
14.在一些具体的实施例中，所述桥臂，还包括：
15.饱和电抗器，所述饱和电抗器与所述桥臂中的可关断管阀串串联。
16.在一些具体的实施例中，所述桥臂，还包括：
17.晶闸管阀串，所述晶闸管阀串与所述桥臂中的可关断管阀串串联或混联。
18.在一些具体的实施例中，所述可关断器件，包括：
19.绝缘栅型双极晶体管igbt，或门极关断晶闸管gto，或集成门极换流晶闸管igct，或注入增强栅晶体管iegt。
20.在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：
[0021][0022]
或
[0023]
其中，v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数，n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x》n且x是n的整数倍。
[0024]
第二方面，本发明实施例提供一种可关断直流换流器多级保护方法，包括：
[0025]
对可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通；
[0026]
对可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护；
[0027]
对桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护；
[0028]
其中，所述可关断直流换流器的每个桥臂多级串联，每个所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件。
[0029]
在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：
[0030][0031]
或
[0032]
其中，v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数，n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x》n且x是n的整数倍。
[0033]
第三方面，本发明实施例提供一种可关断直流换流器多级保护系统，包括：
[0034]
功率器件保护模块，用于对可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通；
[0035]
模组保护模块，用于对可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物
避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护；
[0036]
桥臂保护模块，用于对桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护，所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件。
[0037]
在一些具体的实施例中，所述桥臂，还包括：
[0038]
饱和电抗器，所述饱和电抗器与所述桥臂中的可关断管阀串串联。
[0039]
在一些具体的实施例中，所述桥臂，还包括：
[0040]
晶闸管阀串，所述晶闸管阀串与所述桥臂中的可关断管阀串串联或混联。
[0041]
在一些具体的实施例中，所述可关断器件，包括：
[0042]
绝缘栅型双极晶体管igbt，或门极关断晶闸管gto，或集成门极换流晶闸管igct，或注入增强栅晶体管iegt。
[0043]
在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：
[0044][0045]
或
[0046]
其中，v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数，n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x》n且x是n的整数倍。
[0047]
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
[0048]
能够应对多种极端工况下的过压保护和保障功率器件的安全运行。提出的多级保护包含所用功率器件的过压击穿二极管bod保护、模组并联避雷器过压保护以及阀避雷器过压保护，形成了多级保护的体系。通过这样的保护设计关系，可以对换流阀起到由内到外逐级递增的保护作用，同时对可关断换流器的各种极端工况进行过压保护。
[0049]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0050]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0051]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。在附图中：
[0052]
图1为本发明实施例中一种可关断换流器拓扑图；
[0053]
图2为本发明实施例中另一种可关断换流器拓扑图；
[0054]
图3为本发明实施例中多级保护的作用位置示意图。
具体实施方式
[0055]
下面将参照附图更详细地描述本公开示例性实施例。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明技术方案而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0056]
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种可关断直流换流器及其多级保护方法和系统。
[0057]
实施例一
[0058]
本发明实施例一提供一种可关断直流换流器，其结构如图1或2所示，包括：
[0059]
可关断管阀串和过压击穿二极管；
[0060]
所述可关断直流换流器的每个桥臂多级串联，每个所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件；
[0061]
所述可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通。
[0062]
在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器，还包括：
[0063]
金属氧化物避雷器；
[0064]
所述可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护。
[0065]
在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器，还包括：
[0066]
阀避雷器；
[0067]
所述桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护。
[0068]
在一些具体的实施例中，如图3所示，所述桥臂，还包括：
[0069]
饱和电抗器，所述饱和电抗器与所述桥臂中的可关断管阀串串联。
[0070]
在一些具体的实施例中，如图1所示，所述桥臂，还包括：
[0071]
晶闸管阀串，所述晶闸管阀串与所述桥臂中的可关断管阀串串联或混联。
[0072]
在一些具体的实施例中，所述可关断器件，包括：
[0073]
绝缘栅型双极晶体管igbt，或门极关断晶闸管gto，或集成门极换流晶闸管igct，或注入增强栅晶体管iegt。
[0074]
在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：
[0075][0076]
或
[0077]
其中，v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的
残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数，n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x》n且x是n的整数倍。
[0078]
在一些具体的实施例中，可关断直流换流器与传统电网换相换流器的区别在于其每个桥臂由可关断管阀串组成，将传统换流器阀串中一部分（0%~100%，包含100%）晶闸管用可关断器件替代，如图1所示，形成可关断器件-晶闸管串联结构，或如图2所示的纯可关断器件串联结构，可关断器件包括但不限于绝缘栅型双极晶体管igbt、门极关断晶闸管gto、集成门极换流晶闸管igct、注入增强栅晶体管iegt等。这里的可关断换流器可以是绝缘栅型双极晶体管igbt、门极关断晶闸管gto、集成门极换流晶闸管igct、注入增强栅晶体管iegt的串联以及它们之间的混联、它们和晶闸管、二极管的混联。
[0079]
由于可关断换流器的每个桥臂是多级串联结构，同时需要应对换流器的多种极端工况，在极端工况下仍需要保障功率器件和换流器的安全可靠运行，因此在不同工况下需要不同的保护方法。
[0080]
三级保护各自作用位置如图3所示，可关断直流换流器中的功率器件可能由于通讯异常、信号丢失、信号延时等非正常现象而无法通过正常信号开通，此时大多数器件由于正常工作导通后压降为0，未导通的器件上会承受整阀电压，此时如果不采取保护措施会造成器件短时过压击穿，因此采取过压击穿二极管（break-over diode, bod）保护方法，当器件阴阳极电压超过bod保护阈值时，二极管主动击穿从而使得功率器件触发开通，以此来保证单个功率器件的过压保护安全。在可关断换流器执行主动关断时，桥臂的电流进行主动换流的过程，由于可关断换流器主动关断电流会将桥臂等效电感（含饱和电抗器）上的电流截断，产生较大的电流变化率，从而引发过电压。应对此过压，保护器件，提出了在多级器件串联之后的模组之间并联金属氧化物避雷器mov（metal oxide varistor）进行模组过电压的钳位，保护模组的过压安全。面对可关断换流器可能面对的操作过电压、雷电过电压等，提出了在桥臂（含饱和电抗器）两侧使用阀避雷器mov，以此进行操作过电压、雷电过电压等的过压保护。针对多级保护之间的配合关系，本专利进一步提出了多级保护配合方法，n只可关断器件串联后形成模组，n≥2。具体保护参数设计示例如下，这里取v
bod
为bod保护动作电压，v
movs
为避雷器movs的动作电压，v
movs, res
为避雷器movs的残压，v
mov
为阀避雷器mov的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器mov的残压，同时设换流器每桥臂串联级数为x，x》n且n|x，多级保护的配合关系可有两种：
[0081][0082]
或
[0083]
通过这样的保护设计关系，可以对换流阀起到由内到外逐级递增的保护作用，同时对可关断换流器的各种极端工况进行过压保护。
[0084]
本实施例中，能够应对多种极端工况下的过压保护和保障功率器件的安全运行。提出的多级保护包含所用功率器件的过压击穿二极管bod保护、模组并联避雷器过压保护以及阀避雷器过压保护，形成了多级保护的体系。通过这样的保护设计关系，可以对换流阀
起到由内到外逐级递增的保护作用，同时对可关断换流器的各种极端工况进行过压保护。
[0085]
实施例二
[0086]
本发明实施例二提供一种可关断直流换流器多级保护方法，包括如下步骤：
[0087]
步骤s1：对可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通。
[0088]
步骤s2：对可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护。
[0089]
步骤s3：对桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护。
[0090]
其中，所述可关断直流换流器的每个桥臂多级串联，每个所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件。
[0091]
在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：
[0092][0093]
或
[0094]
其中，v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数，n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x》n且x是n的整数倍。
[0095]
本领域技术人员能够对上述顺序进行变换而并不离开本发明的保护范围。
[0096]
本实施例中，能够应对多种极端工况下的过压保护和保障功率器件的安全运行。提出的多级保护包含所用功率器件的过压击穿二极管bod保护、模组并联避雷器过压保护以及阀避雷器过压保护，形成了多级保护的体系。通过这样的保护设计关系，可以对换流阀起到由内到外逐级递增的保护作用，同时对可关断换流器的各种极端工况进行过压保护。
[0097]
实施例三
[0098]
本发明实施例三提供一种可关断直流换流器多级保护系统，包括：
[0099]
功率器件保护模块，用于对可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通；
[0100]
模组保护模块，用于对可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护；
[0101]
桥臂保护模块，用于对桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护，所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件。
[0102]
在一些具体的实施例中，所述桥臂，还包括：
[0103]
饱和电抗器，所述饱和电抗器与所述桥臂中的可关断管阀串串联。
[0104]
在一些具体的实施例中，所述桥臂，还包括：
[0105]
晶闸管阀串，所述晶闸管阀串与所述桥臂中的可关断管阀串串联或混联。
[0106]
在一些具体的实施例中，所述可关断器件，包括：
[0107]
绝缘栅型双极晶体管igbt，或门极关断晶闸管gto，或集成门极换流晶闸管igct，或注入增强栅晶体管iegt。
[0108]
在一些具体的实施例中，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：
[0109][0110]
或
[0111]
其中，v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数，n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x》n且x是n的整数倍。
[0112]
本实施例中，能够应对多种极端工况下的过压保护和保障功率器件的安全运行。提出的多级保护包含所用功率器件的过压击穿二极管bod保护、模组并联避雷器过压保护以及阀避雷器过压保护，形成了多级保护的体系。通过这样的保护设计关系，可以对换流阀起到由内到外逐级递增的保护作用，同时对可关断换流器的各种极端工况进行过压保护。
[0113]
关于上述实施例中的多级保护方法和系统，其中具体实施方式已经在有关可关断直流换流器的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0114]
凡在本发明技术方案的原则范围内做的任何修改、补充和等同替换等，均应仍归属于本发明技术方案的专利涵盖范围内。

技术特征：
1.一种可关断直流换流器，其特征在于，包括：可关断管阀串和过压击穿二极管；所述可关断直流换流器的每个桥臂多级串联，每个所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件；所述可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通。2.如权利要求1所述的可关断直流换流器，其特征在于，所述可关断直流换流器，还包括：金属氧化物避雷器；所述可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护。3.如权利要求2所述的可关断直流换流器，其特征在于，所述可关断直流换流器，还包括：阀避雷器；所述桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护。4.如权利要求3所述的可关断直流换流器，其特征在于，所述桥臂，还包括：饱和电抗器，所述饱和电抗器与所述桥臂中的可关断管阀串串联。5.如权利要求1至4任一所述的可关断直流换流器，其特征在于，所述桥臂，还包括：晶闸管阀串，所述晶闸管阀串与所述桥臂中的可关断管阀串串联或混联。6.如权利要求1所述的可关断直流换流器，其特征在于，所述可关断器件，包括：绝缘栅型双极晶体管igbt，或门极关断晶闸管gto，或集成门极换流晶闸管igct，或注入增强栅晶体管iegt。7.如权利要求3所述的可关断直流换流器，其特征在于，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：或，其中， v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数， n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x>n且x是n的整数倍。8.一种可关断直流换流器多级保护方法，其特征在于，包括：对可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通；对可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护；对桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护；
其中，所述可关断直流换流器的每个桥臂多级串联，每个所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件。9.如权利要求8所述的可关断直流换流器多级保护方法，其特征在于，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：或，其中， v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数， n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x>n且x是n的整数倍。10.一种可关断直流换流器多级保护系统，其特征在于，包括：功率器件保护模块，用于对可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，所述过压击穿二极管主动击穿，使所述功率器件触发开通；模组保护模块，用于对可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；所述金属氧化物避雷器对所述可关断器件模组进行过压钳位保护；桥臂保护模块，用于对桥臂并联阀避雷器；所述阀避雷器对所述桥臂进行过压保护，所述桥臂包括可关断管阀串，所述可关断管阀串包括可关断器件模组，所述可关断器件模组包括串联或混联的可关断器件。11.如权利要求9所述的可关断直流换流器多级保护系统，其特征在于，所述桥臂，还包括：饱和电抗器，所述饱和电抗器与所述桥臂中的可关断管阀串串联。12.如权利要求9所述的可关断直流换流器多级保护系统，其特征在于，所述桥臂，还包括：晶闸管阀串，所述晶闸管阀串与所述桥臂中的可关断管阀串串联或混联。13.如权利要求9所述的可关断直流换流器多级保护系统，其特征在于，所述可关断器件，包括：绝缘栅型双极晶体管igbt，或门极关断晶闸管gto，或集成门极换流晶闸管igct，或注入增强栅晶体管iegt。14.如权利要求10至13任一所述的可关断直流换流器多级保护系统，其特征在于，所述可关断直流换流器中动作电压的关系为：或
其中， v
bod
为过压击穿二极管保护动作电压，v
movs
为金属氧化物避雷器的动作电压，v
movs, res
为金属氧化物避雷器的残压，v
mov
为阀避雷器的动作电压，v
mov, res
为阀避雷器的残压，x为所述可关断直流换流器中每个桥臂的串联级数， n个可关断器件串联形成可关断器件模组，n≥2，x>n且x是n的整数倍。

技术总结
本发明公开了一种可关断直流换流器及其多级保护方法和系统。包括：对可关断直流换流器中的功率器件设置过压击穿二极管；当功率器件阴阳极电压超过过压击穿二极管保护阈值时，过压击穿二极管主动击穿，使功率器件触发开通；对可关断器件模组并联金属氧化物避雷器；金属氧化物避雷器对可关断器件模组进行过压钳位保护；对桥臂并联阀避雷器；阀避雷器对桥臂进行过压保护。能够应对多种极端工况下的过压保护和保障功率器件的安全运行，形成了多级保护的体系。通过这样的保护设计关系，可以对换流阀起到由内到外逐级递增的保护作用，同时对可关断换流器的各种极端工况进行过压保护。对可关断换流器的各种极端工况进行过压保护。对可关断换流器的各种极端工况进行过压保护。


技术研发人员：曾嵘 余占清 许超群 屈鲁 赵彪 王宗泽 吴锦鹏 甘之正 张龙
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.01.29
技术公布日：2023/7/11