[发明专利]一种换流器功率组件的保护电路

说明书

技术领域：

本发明涉及高压电力领域，具体涉及一种换流器功率组件的保护电路。

背景技术：

以高压直流输电(HVDC)技术、灵活交流输电(FACTS)技术和定制电力(Custom Power)技术为代表的先进电力电子技术已经在新能源发电、电力传输和分配、电能质量治理、机车牵引、变频传动等领域得到越来越多的应用，使得大功率电力电子技术成为建设坚强智能电网的重要基础和手段，并将日益发挥更为强大的作用。对于电力系统中的大部分高压或特高压场合，为了适应相联接的交流电压的等级和降低输电损耗，必须突破单只电力电子器件电压低和容量小的限制，采用能够耐受高电压(百kV级)的换流器来进行功率的转换。目前，提升换流器电压有三种解决方案：一是使用多个电力电子器件直接串联作为一个开关运行；二是采用电力电子功率组件级联多电平技术；三是前两者相结合使用。而无论哪种方案，为保证换流器的可靠性，都面临诸多共同问题：1)由于高压换流器各功率组件电位不同且处于较高电路，很难使用地电位送能，通常采用高电位取能供电；2)在串联器件或级联功率组件发生故障时，应隔离故障部分，使其表现为短路失效特性，不影响设备其余部分的正常运行；3)快速有效的短路故障电流保护。

从复杂程度、空间要求、成本和损耗等各方面来说，换流阀是换流器中最为重要设备。图1为高压换流器单相电路原理图，由上下两个桥臂的换流阀组成，换流阀一端连接至直流侧(P或N)，另一端连接只交流侧AC。图中PS代表串联或级联换流阀使用的开关器件单元或功率组件。开关器件可以采用大功率绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)、集成门极换流晶闸管IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor)、晶闸管等电力电子器件，功率组件由电力电子器件按照一定电路拓扑组合形成，目前应用常见的电路拓扑有半桥(图2)和H桥。

通常说来，在换流阀中，电力电子器件、驱动及其监控电子电路部分是最为核心的部分，也是故障率最高的部分。其他部件由于具有较大的使用安全欲度和复杂程度较低而具有较高的可靠性。造成电力电子器件失效的故障有多种，最为常见的有电压过应力、电流过应力及热过应力等。由于电力电子器件内部结构和工艺的不同，器件失效后呈现的特性不同。对于压接型器件，如压接式IGBT、IGCT、晶闸管等，失效后呈现短路特性，而对于焊接式器件，如IGBT模块，失效后则有可能为开路特性。

在串联和级联电路中，器件开路失效特性会使换流阀开路而无法继续运行，此时需要在功率组件使用辅助电路旁路失效组件，使换流器实现继续保持冗余运行。

目前所见的功率组件均采用独立旁路开关，分为常开机械式开关和电子式开关。机械式开关具有旁路后机械保持而无需用电保持的优点，但存在如下缺点：1)合闸速度较慢，通常为ms级，可能会导致旁路过程中电气应力增大而损坏器件；2)机械式开关合闸时需要较大的能量，需要额外增加能量储存电路，增大了高位取能电路的负担；3)合闸次数有限，合闸时有较大振动；4)开关体积大。电子式开关具有旁路速度快、体积小的优点，其闭合需要用电保持，因此目前报道仅用于地电位送能换流器中。

对于功率组件的过电压保护和过电流保护，均分别采用独立的电路完成。功率组件过电压包括器件切换换流过程中瞬时过电压和器件断态时承受的母线过电压。过电压保护方式目前有三种：1)采用无源吸收电路；2)有源电压钳位电路；3)通过电压检测实施保护。

功率组件过电流通常是由于换流器或功率组件中某处发生短路而产生的故障电流，通常有两部分。一部分电流是换流器电容通过短路线路形成的放电电流；另一部分是相连的交流系统通过换流器和直流侧短路点形成的放电电流。该电流会造成半桥组件下方的反并联续流二极管过流损坏，需要采取过电流保护措施。目前有两种保护方法：1)分流电路；2)通过电流检测实施保护。

综上所述，目前功率组件过流保护、过压保护和故障旁路采用不同的的电路完成，使得电路结构复杂、成本增加。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供一种换流器功率组件的保护电路，实现将功率组件短路过流保护和故障功率组件短路失效功能集为一体。

本发明提供的一种换流器功率组件的保护电路，所述换流器由上下两个桥臂的换流阀组成，每个换流阀包括不少于一个的功率组件，其改进之处在于，在每个功率组件的两端(N₁、N₂)并联故障旁路电路、双向晶闸管和过流保护电路；所述双向晶闸管为平板式双向晶闸管。