本发明涉及一种具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置，物理模拟装置包括设置在子模块模拟板卡上的多个子模块模拟单元；所述子模块模拟单元包括依次连接的供电接口电路、控制电路和级联子模块主电路。本发明提供的装置能够实现模块化多电平换流器阀物理模拟装置中子模块主电路、子模块控制器、录波系统、机箱、屏柜之间的多层次电位隔离，实现高低电位之间、数字控制器和模拟器件之间的安全可靠运行；能够解决单个子模块24V直流低电压电源需求和串联后形成的直流数千伏高电压之间的电势隔离矛盾。
1.一种具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置，其特征在于，所述物理模拟装置包括其上设有子模块模拟单元的子模块模拟板卡；所述子模块模拟单元包括依次连接的供电接口电路、控制电路和级联子模块主电路；
所述子模块模拟板卡上的多个子模块模拟单元进行一体化设计后集成安装于换流阀电气屏蔽柜中，所述换流阀电气屏蔽柜、AC-DC变换器和隔离变压器依次连接；所述隔离变压器设有与电网连接的连接端；
每个所述换流阀电气屏屏蔽柜对应的24V直流电源的输出的0电位与换流阀电气屏屏蔽柜中电位最低的子模块的电容器负极连接；所述24V直流电源的输入电位悬空，输出到各子模块；每个子模块上的隔离电源模块输入0位与24V电源的输出0位连接，所述隔离电源模块的输出0位与每个子模块模块中电容器的负极连接；利用220V隔离变压器承担换流阀电气屏屏蔽柜内的电位差，降低24V直流电源与子模块中的电位差；所述24V直流电源与子模块中的电位差最高不超过1000V；
所述隔离变压器采用单相可调变比1:1绕组方式的隔离变压器，将220V交流电源通过磁耦合将电能传递到所述物理模拟装置的二次侧，削减二次侧高次谐波并隔离二次侧的电气故障影响一次侧。
2.如权利要求1所述的物理模拟装置，其特征在于，所述子模块模拟板卡上的多针插头分别与级联子模块主电路的进线和出线连接形成闭合回路。
3.如权利要求1所述的物理模拟装置，其特征在于，所述级联子模块主电路由N个子模块级联组成；所述子模块包括断路器、晶闸管、两个IGBT、均压电阻和电容器；所述两个IGBT串联后与均压电阻和电容器并联；所述断路器、晶闸管和下管IGBT并联；两个IGBT中的上管IGBT发射极连接下管IGBT源极；所述电容器的正极连接上管IGBT集电极，负极连接下管IGBT发射极；所述上管IGBT和下管IGBT均反并联有二极管。
4.如权利要求3所述的物理模拟装置，其特征在于，所述子模块的上管IGBT和下管IGBT之间用隔离电源模块供电；当子模块中上管IGBT关断且下管IGBT开通时，所述子模块不提供直流电压，桥臂电流从下管IGBT或反并联的二极管流通，电容器被旁路；当子模块中上管IGBT开通且下管IGBT关断时，所述子模块不提供直流电压，桥臂电流从上管IGBT或反并联的二极管流通，电容器被旁路。
5.如权利要求1所述的物理模拟装置，其特征在于，所述控制电路包括数字处理器以及分别与数字处理器连接的电容电压检测电路、模块板状态检测电路和开关元件驱动电路；
所述数字处理器为单片机、CPLD处理器、FPGA处理器或DSP处理器；所述电容电压检测电路用两条引线，将子模块电容电压通过比例缩小电路，引入数字处理器的芯片模拟量输入引脚以采集电压；所述模块状态检测电路用于检测子模块模拟板卡的状态；所述开关元件驱动电路从数字处理器的输出引脚得到开关器件IGBT和晶闸管的控制命令，通过放大和调理，输出驱动信号到IGBT和晶闸管的控制引脚。
6.如权利要求1所述的物理模拟装置，其特征在于，所述供电接口电路包括隔离电源、光纤接口和应用接口；所述光纤接口和应用接口均与控制电路的数字处理器连接；所述隔离电源与多个子模块模拟板卡的同一开关电源提供板连接。
一种具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置
技术领域
[0001] 本发明涉及柔性直流输电的电位隔离装置，具体涉及一种具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置。
背景技术
[0002] 基于电压源变换器的高压直流技术(VSC-HVDC)具有可向孤岛供电、有功和无功功率独立调节、不会出现换相失败、不需无功补偿、可进行长距离海底电缆输电等优点。近年来该类型输电技术理论及工程建设在世界范围内呈迅速发展的趋势。在以往的基础上，基于新型模块化多电平电压源型换流器(Modular Multi-level Converter，MMC)的高压直流输电技术(MMC-HVDC)实现了在高压直流输电技术领域的应用，并在风电场20MVA柔性直流输电示范工程投运成功，随着已经展开更大规模的城市供电直流输电系统建设，迫切需要一种验证该工程的控制策略和控制保护系统，以及阀基电子控制系统的控制策略的电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置。
发明内容
[0003] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置，该装置能够实现模块化多电平换流器阀物理模拟装置中子模块主电路、子模块控制器、机箱、屏柜之间的多层次电位隔离，实现高低电位之间、数字控制器和模拟器件之间的安全可靠运行。
[0004] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0005] 本发明提供一种具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置，其改进之处在于，所述物理模拟装置包括其上设有子模块模拟单元的子模块模拟板卡；所述子模块模拟单元包括依次连接的供电接口电路、控制电路和级联子模块主电路。
[0006] 进一步地，所述子模块模拟板卡上的多针插头分别与级联子模块主电路的进线和出线连接形成闭合回路。
[0007] 进一步地，所述级联子模块主电路由N个子模块级联组成；所述子模块包括断路器、晶闸管、两个IGBT、均压电阻和电容器；所述两个IGBT串联后与均压电阻和电容器并联；所述断路器、晶闸管和下管IGBT并联；两个IGBT中的上管IGBT发射极连接下管IGBT源极；所述电容器的正极连接上管IGBT集电极，负极连接下管IGBT发射极；所述上管IGBT和下管IGBT均反并联有二极管。
[0008] 进一步地，所述子模块的上管IGBT和下管IGBT之间用隔离电源模块供电；当子模块中上管IGBT关断且下管IGBT开通时，所述子模块不提供直流电压，桥臂电流从下管IGBT或反并联的二极管流通，电容器被旁路；当子模块中上管IGBT开通且下管IGBT关断时，所述子模块不提供直流电压，桥臂电流从上管IGBT或反并联的二极管流通，电容器被旁路。
[0009] 进一步地，所述控制电路包括数字处理器以及分别与数字处理器连接的电容电压检测电路、模块板状态检测电路和开关元件驱动电路；所述数字处理器为单片机、CPLD处理器、FPGA处理器或DSP处理器；所述电容电压检测电路用两条引线，将子模块电容电压通过比例缩小电路，引入数字处理器的芯片模拟量输入引脚以采集电压；所述模块状态检测电路用于检测子模块模拟板卡的状态；所述开关元件驱动电路从数字处理器的输出引脚得到开关器件IGBT和晶闸管的控制命令，通过放大和调理，输出驱动信号到IGBT和晶闸管的控制引脚。
[0010] 进一步地，所述供电接口电路包括隔离电源、光纤接口和应用接口；所述光纤接口和应用接口均与控制电路的数字处理器连接；所述隔离电源与多个子模块模拟板卡的同一开关电源提供板连接。
[0011] 进一步地，所述子模块模拟板卡上的多个子模块模拟单元进行一体化设计后集成安装于换流阀电气屏蔽柜中，所述换流阀电气屏蔽柜、AC-DC变换器和隔离变压器依次连接；所述隔离变压器设有与电网连接的连接端。
[0012] 进一步地，所述每个换流阀电气屏屏蔽柜对应的24V直流电源的输出的0电位与换流阀电气屏屏蔽柜中电位最低的子模块的电容器负极连接；所述24V直流电源的输入电位悬空，输出到各子模块；每个子模块上的隔离电源模块输入0位与24V电源的输出0位连接，所述隔离电源模块的输出0位与每个子模块模块中电容器的负极连接；利用220V隔离变压器承担换流阀电气屏屏蔽柜内的电位差，降低24V直流电源与子模块中的电位差；所述24V直流电源与子模块中的电位差最高不超过1000V。
[0013] 进一步地，所述隔离变压器采用单相可调变比1:1绕组方式的隔离变压器，将220V交流电源通过磁耦合将电能传递到所述物理模拟装置的二次侧，削减二次侧高次谐波并隔离二次侧的电气故障影响一次侧。
[0014] 与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
[0015] 本发明提供的具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置，能够实现模块化多电平换流器阀物理模拟装置中子模块主电路、子模块控制器、录波系统、机箱、屏柜之间的多层次电位隔离，实现高低电位之间、数字控制器和模拟器件之间的安全可靠运行。
[0016] 本发明提供的具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置，能够解决单个子模块24V直流低电压电源需求和串联后形成的直流数千伏高电压之间的电势隔离矛盾。
附图说明
[0017] 图1是本发明提供的换流阀物理模拟装置子模块结构图；
[0018] 图2是本发明提供的换流阀子模块模拟板卡布局图；
[0019] 图3是本发明提供的模块化多电平换流器子模块电气接线图；
[0020] 图4是本发明提供的换流阀电气屏蔽柜通过市电AC220V和隔离变压器进行电气隔离示意图。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0022] 本发明提供一种具有电位隔离的模块化多电平换流器物理模拟装置，所述物理模拟装置包括设置在子模块模拟板卡上的多个子模块模拟单元；所述子模块模拟单元包括依次连接的供电接口电路、控制电路和级联子模块主电路。多个模块于同一板卡上级联的结构如图1所示。多电平电压源换流器的电路板集成多个等效缩小的多电平电压源换流器MMC子模块，
[0023] 子模块模拟板卡上的多针插头通过级联子模块主电路进线与级联子模块主电路连接，再通过级联子模块主电路出线连接至多针插头形成闭合回路。
[0024] 级联子模块主电路由N个子模块级联组成；所述子模块包括断路器、晶闸管、两个IGBT(S1和S2)、均压电阻(R1)和作为可投入可切除的有极性电解电容器(C)；所述两个IGBT串联后与均压电阻和电容器并联；所述断路器、晶闸管和下管IGBT并联；两个IGBT中的上管IGBT发射极连接下管IGBT源极；所述电容器的正极连接上管IGBT集电极，负极连接下管IGBT发射极；所述上管IGBT和下管IGBT均反并联有二极管D1和D2。
[0025] 子模块的上管IGBT和下管IGBT之间采取隔离电源模块供电；当子模块中上管IGBT关断且下管IGBT开通时，所述子模块不提供直流电压，桥臂电流从下管IGBT或反并联的二极管流通，电容器被旁路；当子模块中上管IGBT开通且下管IGBT关断时，所述子模块不提供直流电压，桥臂电流从上管IGBT或反并联的二极管流通，电容器被旁路。
[0026] 换流阀子模块采用1个控制器控制和驱动1个子模块的集成式整体布局，每个FPGA控制一个半桥。由于模拟每个子模块板卡的电位不同，需要通过隔离电源模块从同一电源取电，然后通过隔离驱动驱动主电路。
[0027] 控制电路包括数字处理器以及分别与数字处理器连接的电容电压检测电路、模块板状态检测电路和开关元件驱动电路；所述数字处理器为单片机、CPLD处理器、FPGA处理器或DSP处理器。上述电容电压检测电路通过两个短引线，将子模块电容电压通过比例缩小电路，引入数字处理器芯片的模拟量输入引脚，进行电压采集。模块状态检测电路的工作原理与电容电压检测电路类似。开关元件驱动电路从数字处理器的输出引脚得到开关器件IGBT和晶闸管的控制命令，通过放大和调理，输出驱动信号到IGBT和晶闸管的控制引脚。
[0028] 供电接口电路包括隔离电源、光纤接口和应用接口；所述光纤接口和应用接口均与控制电路的数字处理器连接；所述隔离电源与多个子模块模拟板卡的同一开关电源提供板连接。
[0029] 子模块模拟板卡上的多个子模块模拟单元进行一体化设计后集成安装于换流阀电气屏蔽柜中，所述换流阀电气屏蔽柜、AC-DC变换器和隔离变压器依次连接；所述隔离变压器接入电网。隔离变压器为单相可调变比1:1绕组方式的隔离变压器，将220V交流电源通过磁耦合将电能传递到二次侧，消减二次侧高次谐波并避免二次侧的电气故障影响一次侧。
[0030] 考虑到动模平台模拟单级接地短路时阀模块对地电压达到峰值，并考虑设计余量，控制电路供电电源和主电路部分电气隔离要求为大于5000V，要求子模块板卡在PCB设计时主电路和控制电路布分开局。
[0031] 由于在每个子模块上配置具有高绝缘能力的模块电源导致成本急剧增加，因此采用为每个屏柜配置隔离变压器的方式提供10kV以上的隔离能力。
[0032] 每个换流阀电气屏蔽柜对应的24V直流电源的输出的0电位与屏柜中电位最低的子模块的电容器的负极相连接。24V直流电源的输入电位已经悬空，输出到各个模块。每个模块上都有隔离电源模块，隔离电源模块输入0位与24V电源的输出0位连在一起，隔离电源模块的输出0位与每个子模块模块中电容器的负极相连。这样利用220V隔离变压器承担一个平柜内的绝大部分电位差，24V直流电源与子模块中的电位差相应降低，最高不超过1000V。
[0033] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
