CN102427270A - 一种电压源换流器混合取能电路 - Google Patents

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乔尔敏
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Abstract

本发明设计一种电压源换流器混合取能电路，通过二极管将直流取能装置和交流取能装置结合起来。本发明使电压源换流器在低输入交流电压时工作在直流取能状态；高输入交流电压时，工作在交流取能状态，从而有效的克服了交流取能低电压工作时工作不正常而直流取能在高压工作时成本高的缺点，提高了取能电源的可靠性，降低了取能电源的成本。

Description

一种电压源换流器混合取能电路
技术领域：
本发明涉及一种取能电路，具体设计一种电压源换流器混合取能电路。
背景技术：
基于全控器件的IGBT链节功率单元在高压APF、静止无功发生器STATCOM中获得了广泛应用。目前厂商设计的链节功率单元采用的控制能量获取方式都是交流侧取能或者直流侧取能。高压静止无功发生器链结功率单元的原理如图1所示。
静止无功发生器的链结功率单元包括直流支撑电容单元4、逆变单元5、取能单元6和链结控制器7和吸收电容Cs，201和202组成链结功率单元直流端，203和204组成链结功率单元交流端。由图1级联组成的静止无功发生器原理图如图2所示。
对高压静止无功发生器而言，要实施交流侧取能，只能在链结功率单元的交流侧203、204进行。交流侧取能原理如图3所示，交流端口通过链结取能变压器601和AC/DC变换器602获取能量后，供给链结控制器7和门级驱动保护单元501～504，然后驱动图1中由T1～T4构成的逆变桥进行工作。
交流侧取能的优点是取能方式简单，但是交流取能存在较大的技术风险。一方面，在供电系统电压发生电压质量问题时，如跌落时，交流取能有可能获取不到控制板卡所需的能量，使控制系统掉电，从而装置处于一种危险状态；而骤升时，可能使取能变压器绝缘损坏，从而造成装置的损坏。为了保证链结控制单元在很宽的范围内能够取得能量，必须保证变压器在很宽的范围内线性工作，从而增加了取能变压器的设计难度和制造成本。
直流取能的原理图如图4所示。从图1中的直流母线侧203和204，经过DC/DC变换器后供给链结控制器7和门级驱动保护单元501～504。因直流侧存在大的储能电容，可以避免交流取能导致的问题，因此从原理上说更为可靠。但是直流取能也存在较大的问题，一方面直流侧取能通常需要采用高输入电压辅助DC/DC变换器，控制复杂；再有就是限于现有功率器件的发展水平，辅助DC/DC变换器通常工作在高输入电压，低输出电流状态，而当前很少有高电压、小电流功率器件，从而使辅助DC/DC的开关器件选择要么是大体积高成本，要么是通过增加器件数量来解决。
发明内容：
针对上述技术的不足，本发明提供一种电压源换流器混合取能电路，即将交流取能与直流取能结合起来，使电压源换流器在低输入交流电压时工作在直流取能状态；高输入交流电压时，工作在交流取能状态，从而有效的克服了交流取能低电压工作时工作不正常而直流取能在高压工作时成本高的缺点，提高了取能电源的可靠性，降低了取能电源的成本。
本发明提供的一种电压源换流器混合取能电路，其改进之处在于，所述电路包括无功发生器链节功率单元和功率二极管I、II；所述无功发生器链节功率单元包括直流支撑电容单元4、逆变单元5、取能单元6和链节控制器7；所述直流支撑电容单元4与所述逆变单元5并联；所述逆变单元5与所述门级驱动保护单元与连接；
无功发生器链节功率单元的直流端依次与所述取能单元6、所述功率二极管I和所述链节控制器7连接；
无功发生器链节功率单元的交流端依次与所述取能单元6、所述功率二极管II和所述链节控制器7连接；
所述链节控制器7与所述门级驱动保护单元连接；所述功率二极管I、II分别与所述门级驱动保护单元连接。
本发明提供的第一优选方案的电压源换流器混合取能电路，其改进之处在于，所述取能单元6包括DC/DC变换器。
本发明提供的第二优选方案的电压源换流器混合取能电路，其改进之处在于，所述取能单元6包括变压器和AD/DC变换器。
本发明提供的第三优选方案的电压源换流器混合取能电路，其改进之处在于，所述直流支撑电容单元4包括并联的电容和电阻。
本发明提供的第四优选方案的电压源换流器混合取能电路，其改进之处在于，所述逆变单元5为H桥结构，所述H桥结构包括两个桥臂，每个桥臂包括上下两个串联的IGBT模块。
本发明提供的第五优选方案的电压源换流器混合取能电路，其改进之处在于，所述无功发生器链节功率单元包括吸收电容，所述吸收电容与所述桥臂并联。
本发明提供的较优选方案的电压源换流器混合取能电路，其改进之处在于，所述IGBT模块由IGBT和与所述IGBT反并联的二极管构成。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明采用了交直流混合取能，双路供电模式，保证了链节功率单元的供电可靠性；
本发明交流取能和直流取能分别工作在不同的区域，仅有很窄的范围内相交，从而可以使交流取能工作在额定交流电压附近，而直流取能工作在远低于额定交流电压范围内，同时降低了交流供电成本和直流供电成本；
本发明直流取能方式的存在，保证了装置整体的可靠性，即使系统电压发生大的跌落、甚至短时掉电，也不会影响到控制回路的供电。
本发明链结控制器的两路供电电源切换通过功率二极管实现了连续切换，切换时间快，不会影响到控制器的正常工作。
本发明明确了两路供电电源的工作范围：交流供电工作在交流额定电压的90％～120％范围内(如需要，上限可以再扩展，以电压骤升的幅值为限)，而直流供电工作在30％～100％的直流范围内。
本发明交流取能后面的AC/DC电源采用了带功率因数校正的开关电源，提高了交流供电的范围和效率。
本发明直流取能后级的DC/DC变换器采用宽范围DC/DC，且具有较高的隔离强度。
本发明解决了高压侧的单一取能方式。
为进一步提高供电电源的可靠性，AC/DC和DC/DC后级增加了大容量储能电容，可以维持短时掉电工作。
附图说明
图1为本发明提供的无功发生器链节单元的原理图。
图2为本发明提供的级联链结功率单元组成的静止无功发生器原理图。
图3为本发明提供的交流侧取能的原理图。
图4为本发明提供的直流侧取能的原理图。
图5为本发明提供的混合取能的原理图。
具体实施方式
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。
本实施例的混合取能电路图如图5所示，电路包括无功发生器链节功率单元和功率二极管；无功发生器链节功率单元包括直流支撑电容单元4、逆变单元5、取能单元6和链节控制器7；直流支撑电容单元4与逆变单元5并联；链节控制器7与取能单元6串联后与逆变单元5连接；无功发生器链节功率单元的直流端201和202依次与取能单元6、功率二极管I和链节控制器7连接；无功发生器链节功率单元的交流端203和204依次与取能单元6、功率二极管II和链节控制器7连接；链节控制器7与逆变单元5的门级驱动保护单元501～504连接；功率二极管I和II分别与门级驱动保护单元501～504连接，控制IGBT的导通或关断，从而输出系统所需要的无功功率。门级驱动保护单元为接口电路，作用是将单元控制器输出的控制信号进行功率放大，实现强电和弱电的接口。
其中，与无功发生器链节功率单元的直流端201、202连接的取能单元6包括DC/DC变换器；与无功发生器链节功率单元的直流端203和204连接的取能单元6包括变压器和AD/DC变换器。
链结功率单元的203和204通过链结交流取能变压器经AC/DC变换器后，给直流供电的链结控制器7和门级驱动保护单元501～504的提供直流弱电电压。链节功率单元的201和202通过DC/DC变换器后获取另一路供电电源，再给直流供电的链结控制器7和门级驱动保护单元501～504的供电电源。两路供电电源的切换通过功率二极管进行连续切换。当201和202两端输出经DC/DC变换器后的电压高于203和204两端输出经AC/DC变换器后的电压，功率二极管II导通，使其链节控制器7和门级驱动保护单元501～504工作；当201和202两端输出经DC/DC变换器后的电压低于203和204两端输出经AC/DC变换器后的电压，功率二极管I导通，使其链节控制器7和门级驱动保护单元501～504工作。
混合取能方法明确了两路供电电源的工作范围：交流供电工作在交流额定电压的90％～120％范围内(如需要，上限可以再扩展，以电压骤升的幅值为限)，而直流供电工作在30％～100％的直流范围内。
混合取能的交流取能后面的AC/DC电源采用了带功率因数校正的开关电源。
混合取能的直流取能后级的DC/DC变换器采用宽范围DC/DC，且具有较高的隔离强度。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (7)

1.一种电压源换流器混合取能电路，其特征在于，所述电路包括无功发生器链节功率单元和功率二极管(I、II)；所述无功发生器链节功率单元包括直流支撑电容单元(4)、逆变单元(5)、取能单元(6)和链节控制器(7)；所述直流支撑电容单元(4)与所述逆变单元(5)并联；所述逆变单元(5)与所述门级驱动保护单元与连接；
无功发生器链节功率单元的直流端依次与所述取能单元(6)、所述功率二极管I和所述链节控制器(7)连接；
无功发生器链节功率单元的交流端依次与所述取能单元(6)、所述功率二极管II和所述链节控制器(7)连接；
所述链节控制器(7)与所述门级驱动保护单元连接；所述功率二极管(I、II)分别与所述门级驱动保护单元连接。
2.如权利要求1所述的电压源换流器混合取能电路，其特征在于，所述取能单元(6)包括DC/DC变换器。
3.如权利要求1所述的电压源换流器混合取能电路，其特征在于，所述取能单元(6)包括变压器和AD/DC变换器。
4.如权利要求1所述的电压源换流器混合取能电路，其特征在于，所述直流支撑电容单元(4)包括并联的电容和电阻。
5.如权利要求1所述的电压源换流器混合取能电路，其特征在于，所述逆变单元(5)为H桥结构，所述H桥结构包括两个桥臂，每个桥臂包括上下两个串联的IGBT模块。
6.如权利要求1所述的电压源换流器混合取能电路，其特征在于，所述无功发生器链节功率单元包括吸收电容，所述吸收电容与所述桥臂并联。
7.如权利要求5所述的电压源换流器混合取能电路，其特征在于，所述IGBT模块由IGBT和与所述IGBT反并联的二极管构成。
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