CN103441677B - 模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子电能变换装置，具体提供了一种带隔离的模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器。本发明包括多个并联的换流器子模块，每个子模块内包括依次连接的充放电电路、三电平全桥逆变单元、中频变压单元、不控整流单元和滤波单元，充放电电路的输入端为换流器子模块的输入端，滤波单元的输出端为换流器子模块的输出端。本发明采用模块化设计，降低功率器件电流应力、模块之间互为冗余，最大程度的提高供电连续性和易于维护性，而且可以通过增加模块方便的对换流器系统扩容。

Description

模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器

技术领域

本发明属于电力电子电能变换装置，具体涉及一种带隔离的模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器。

背景技术

兆瓦级中压中频三电平直流换流器能够将中高压直流电变换为低压直流电，并实现了中高压直流电网与低压直流电网之间的电气隔离。随着直流电制在陆地电力系统以及机车、船舶、孤岛等独立电力系统的广泛应用，兆瓦级中压中频三电平直流换流器有着广阔的市场前景。其研究成果还可以推广应用到电力系统分布式发电、智能电网、清洁能源等场合，具有潜在的巨大社会经济效益。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，实现实现中压直流电网至低压直流电网能量传送。

本发明提供了一种模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，包括多个并联的换流器子模块，每个子模块内包括依次连接的充放电电路、三电平全桥逆变单元、中频变压单元、不控整流单元和滤波单元，充放电电路的输入端为换流器子模块的4000V直流电源输入端，滤波单元的输出端为换流器子模块的710V直流电源输出端。换流器子模块利用三电平全桥逆变单元将直流电源转换为交流电源，然后利用中频变压器实现降压，再利用不控整流单元将交流电转换为直流电输出，能量流形式为一种功率密度集成式的中频链，达到以较小换流器体积实现较大能量传送，即功率密度集成的目的。本发明采用中点箝位型三电平全桥结构应对中压直流接入，同时具备支撑电容的充放电电路。换流器模块采用PWM移相调制，将开关频率提高至1kHz，以减小中频变压器体积重量。

所述的模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，换流器子模块设置有用于实现PWM移相调制的分层控制器。基于层次化设计思想，依据时间尺度划分控制层，设计了换流器子模块的标准化层次化控制器。所述分层控制器包括包括硬件控制层、开关控制层、换流器控制层、应用控制层和系统控制层。

所述硬件控制层包括用于采集电路工作信息并反馈至系统控制层、应用控制层或换流器控制层的AD采样电路和用于接收来自开关控制层的PWM调制信号的驱动电路，驱动电路通过光纤与用于接收其发送的状态信号开关控制层相连接，硬件控制层响应时间介于0.1us至1us之间。该层主要功能为实现硬件保护，AD采样，并反馈状态信息至更高控制层。

所述开关控制层响应时间介于1us至10us之间，开关控制层包括用于接收换流器控制层发送的控制信号并将该控制信号基于一定的调制原理生成PWM信号的数字控制系统和用于通过光纤传输驱动信号至驱动电路的光纤信号发送电路。该控制层的主要任务是将得到的控制信号基于一定的调制原理生成PWM信号。

所述换流器控制层响应时间介于10us至1ms之间，换流器控制层包括用于接收AD采样电路采样信息和应用控制层发送的控制信息并执行控制算法的数字信号处理器（DSP）以及用于接收DSP计算后的电量信息并利用计数器和比较器生成控制信号的现场可编程逻辑器件（FPGA），数字信号处理器（DSP）和现场可编程逻辑器件（FPGA）通过数据和地址总线相连接，换流器控制层通过CAN网络与应用控制层相连接，换流器控制层设置有用于控制计算的多功能子模块。DSP和FPGA组成的数字控制系统通过CAN网络与应用控制层进行信息传送。软件模块化在这一控制层得到极大程度的体现，该控制层根据被控制对象的功能实现要求，具有较多功能子模块，例如PI控制模块，并联控制算法模块等，根据需求可进行灵活配置。该控制层的主要任务是对变流器进行功能控制。

所述应用控制层响应时间介于1ms至1s之间，包括用于实现热能控制和过程控制可编程控制器（PLC），PLC通过工业以太网与系统控制层相连接。该控制层的软件根据功能可以分为热能控制子模块，过程控制子模块。该控制层的主要任务是根据从其他层收集到的各种信息，进行继电器分合闸，启动控制，停机控制等过程控制。

所述系统控制层响应时间大于10ms，包括以多台工业计算机为主体构成用于能量管理、潮流控制和系统保护重构的工业以太网络。该控制层的软件根据功能可以分为能量管理与潮流控制子模块，系统保护与重构子模块。该控制层的主要任务是根据从其他层收集到的各种信息，进行系统级的决策和管理，通过组网控制电能调度以及电力系统的保护与重构。

所述的三电平全桥逆变单元采用移相PWM调制，其静态工作点为导通角θ=2.6357(rad)，移相角α=2.1874(rad)。此工作点下逆变全桥的输出电压基波幅值最大，电压总谐波系数最小，有利于使能量通过中频变压器。

所述换流器控制层与应用控制层的均设置有分别与CAN线和串口线连接的CAN光纤转换器和串口光纤转换器，换流器控制层与应用控制层的CAN光纤转换器通过光纤连接，换流器控制层与应用控制层的串口光纤转换器通过光纤连接。换流器远程监控设计采用CAN通讯转光纤通讯和串口通讯转光纤通讯的方案，可以突破CAN通讯线和串口通讯线抗干扰能力的限制，将通讯距离延展至公里级，同时解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏的问题。

本发明包括多个并联的换流器子模块，采用模块化设计，降低功率器件电流应力、模块之间互为冗余，最大程度的提高供电连续性和易于维护性，而且可以通过增加模块方便的对换流器系统扩容。本发明中的单个换流器模块均采用中频链结构，由于设置有隔离变压器，在实现兆瓦级能量传送的同时能够隔离中压电网和低压电网。单个换流器模块采用移相PWM控制，显著提高了换流器系统的整体工作频率，降低了隔离变压器的体积重量，进而优化了换流器的整体结构设计。换流器控制单元依据持剑尺度划分控制层，采用层次化设计分层控制器，具有控制机构清晰，变化灵活，易于设计整合等优势。换流器内部通信及和监控系统之间均采用CAN2.0通信，具有较好的可靠性和可扩展性，同时当换流器距离监控系统较远时，采用光纤通讯，以获取较远传输距离和较好的电磁兼容性。本发明具有完备的硬件软件保护系统，确保在各种意外条件下的安全保护的实现。

附图说明

图1是兆瓦级中压中频直流换流器模块化设计示意图

图2是兆瓦级中压中频直流换流器单个功能子模块主电路拓扑结构图

图3是换流器的分层控制器示意图

图4是换流器模块的移相PWM生成方式示意图

图5是换流器控制回路示意图

图6是换流器系统与监控系统通信结构示意图

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明提供了一种模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，其特征在于包括多个并联的换流器子模块，每个子模块内包括依次连接的充放电电路、三电平全桥逆变单元、中频变压单元、不控整流单元和滤波单元，充放电电路的输入端为换流器子模块的输入端，滤波单元的输出端为换流器子模块的输出端。

上述技术方案中，换流器子模块设置有用于实现PWM移相调制的分层控制器，所述分层控制器包括包括硬件控制层、开关控制层、换流器控制层、应用控制层和系统控制层，硬件控制层包括用于采集电路工作信息并反馈至系统控制层、应用控制层或换流器控制层的AD采样电路和用于接收来自开关控制层的PWM调制信号的驱动电路，驱动电路通过光纤与用于接收其发送的状态信号开关控制层相连接，硬件控制层响应时间介于0.1us至1us之间；开关控制层响应时间介于1us至10us之间，开关控制层包括用于接收换流器控制层发送的控制信号并将该控制信号基于一定的调制原理生成PWM信号的数字控制系统和用于通过光纤传输驱动信号至驱动电路的光纤信号发送电路；换流器控制层响应时间介于10us至1ms之间，换流器控制层包括用于接收AD采样电路采样信息和应用控制层发送的控制信息并执行控制算法的数字信号处理器（DSP）以及用于接收DSP计算后的电量信息并利用计数器和比较器生成控制信号的现场可编程逻辑器件（FPGA），数字信号处理器（DSP）和现场可编程逻辑器件（FPGA）通过数据和地址总线相连接，换流器控制层通过CAN网络与应用控制层相连接，换流器控制层设置有用于控制计算的多功能子模块；应用控制层响应时间介于1ms至1s之间，包括用于实现热能控制和过程控制可编程控制器（PLC），PLC通过工业以太网与系统控制层相连接；系统控制层响应时间大于10ms，包括以多台工业计算机为主体构成用于能量管理与潮流控制的工业以太网络。

上述技术方案中，三电平全桥逆变单元采用移相PWM调制，其静态工作点为导通角θ=2.6357(rad)，移相角α=2.1874(rad)。

上述技术方案中，换流器控制层与应用控制层的均设置有分别与CAN线和串口线连接的CAN光纤转换器和串口光纤转换器，换流器控制层与应用控制层的CAN光纤转换器通过光纤连接，换流器控制层与应用控制层的串口光纤转换器通过光纤连接。

如图1所示，根据功率需求不同，换流器可以由一至多个功能、结构完全相同的DC/DC子模块并联组成。每一个子模块的额定功率为750kW，各模块之间采用高速CAN总线通讯。子模块的输入电压为直流4000V等级，输出电压为直流710V等级。

如图2所示，换流器子模块主要由充放电电路、输入侧平波电抗器、输入侧熔断器、输入二极管、直流支撑电容、三电平全桥逆变单元、中频隔离变压器、不控整流单元、滤波电容器、滤波电抗器、输出侧熔断器和输出二极管组成。其中输入侧平波电抗器采用空心结构，对输入电流进行滤波；充放电电路为支撑电容提供电源；三电平全桥逆变单元采用移相PWM控制将直流电逆变成为脉宽可控的中频双极性五电平方波输出给变压器；中频隔离变压器主要起降压和隔离的作用；滤波单元包括滤波电抗器和电容器，滤波电抗器采用铁芯电抗器，以便减小装置的体积，提高装置的功率密度；滤波电容器全部采用损耗小、寿命长的金属膜电容器，保证装置的使用寿命；输入侧熔断器为变流器提供后备保护；输入二极管能够防止能量回流，将各子模块的输出进行隔离。

如图3所示换流器的分层控制器具体包括：（1）硬件控制层：硬件控制层的硬件主要由AD采样电路和驱动电路构成。驱动电路接收来自开关控制层的PWM调制信号，通过光纤发送状态信号至开关控制层。该层主要功能为实现硬件保护，AD采样，并反馈状态信息至更高控制层，该控制层响应时间介于0.1us至1us之间。（2）开关控制层：开光控制层硬件组成为数字控制系统和光纤信号发送电路。开光控制层的调制信息通过光纤传输驱动信号给硬件控制层。该控制层的主要任务是将得到的控制信号基于一定的调制原理生成PWM信号。该控制层响应时间介于1us至10us之间。（3）换流器控制层：硬件主要是由数字信号处理器（DSP）和现场可编程逻辑器件（FPGA）为主体构建的数字控制系统。该数字控制系统通过CAN网络与应用控制层进行信息传送。软件模块化在这一控制层得到极大程度的体现，根据被控制对象的功能实现要求，具有较多功能子模块，例如PI控制模块，并联控制算法模块等，根据需求可进行灵活配置。该控制层的主要任务是对变流器进行功能控制。该控制层响应时间介于10us至1ms之间。（4）应用控制层：硬件以可编程控制器（PLC）为主体构成，PLC通过工业以太网接入系统控制层，软件根据功能可以分为热能控制子模块，过程控制子模块。该控制层的主要任务是根据从其他层收集到的各种信息，进行继电器分合闸，启动控制，停机控制等过程控制。该控制层响应时间介于1ms至1s之间。（5）系统控制层：硬件以多台工业计算机为主体构成工业以太网络，软件根据功能可以分为能量管理与潮流控制子模块，系统保护与重构子模块。该控制层的主要任务是根据从其他层收集到的各种信息，进行系统级的决策和管理，通过组网控制电能调度以及电力系统的保护与重构。该控制层响应时间大于10ms。

图4是换流器子模块的移相PWM生成方式示意图，移相PWM脉冲主要由DSP和FPGA生成，其中DSP通过采集的电量信息执行控制算法后通过数据和地址总线传送给FPGA，FPGA通过一系列的计数器和比较器等生成了控制脉冲u_g1至u_g8，分别控制G1至G8，实现移相PWM控制，其中d_α为移相占空比，d_θ为导通占空比。

图5是换流器控制回路示意图，控制回路硬件主要由PLC、人机接口（HMI）、DSP、FPGA、传感器以及控制电源组成。PLC和HMI主要完成外围通讯、人机交互、状态检测、过程控制、故障隔离和报警和电源管理等功能。PLC和HMI主要完成内部通讯，接收指令或上传数据，功率单元控制，内部故障监测与报警隔离。控制回路内外部信号接口表如表1所示。

表1控制回路内外部信号接口表

图6是换流器系统与监控系统通信结构示意图，为了实现对换流器系统的远程监控，采用CAN通讯转光纤和串口通讯转光纤的方案，该方案可以突破CAN通讯线和串口通讯线抗干扰能力的限制，将通讯距离延展至公里级，同时解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，其特征在于包括多个并联的换流器子模块，每个子模块内包括依次连接的充放电电路、三电平全桥逆变单元、中频变压单元、不控整流单元和滤波单元，充放电电路的输入端为换流器子模块的输入端，滤波单元的输出端为换流器子模块的输出端；

换流器子模块设置有用于实现PWM移相调制的分层控制器，所述分层控制器包括包括硬件控制层、开关控制层、换流器控制层、应用控制层和系统控制层；

硬件控制层包括用于采集电路工作信息并反馈至系统控制层、应用控制层或换流器控制层的AD采样电路和用于接收来自开关控制层的PWM调制信号的驱动电路，驱动电路通过光纤与用于接收其发送的状态信号开关控制层相连接，硬件控制层响应时间介于0.1us至1us之间；

开关控制层响应时间介于1us至10us之间，开关控制层包括用于接收换流器控制层发送的控制信号并将该控制信号基于一定的调制原理生成PWM信号的数字控制系统和用于通过光纤传输驱动信号至驱动电路的光纤信号发送电路；

换流器控制层响应时间介于10us至1ms之间，换流器控制层包括用于接收AD采样电路采样信息和应用控制层发送的控制信息并执行控制算法的数字信号处理器(DSP)以及用于接收数字信号处理器(DSP)计算后的电量信息并利用计数器和比较器生成控制信号的现场可编程逻辑器件(FPGA)，数字信号处理器(DSP)和现场可编程逻辑器件(FPGA)通过数据和地址总线相连接，换流器控制层通过CAN网络与应用控制层相连接，换流器控制层设置有用于控制计算的多功能子模块；

应用控制层响应时间介于1ms至1s之间，包括用于实现热能控制和过程控制的可编程控制器(PLC)，可编程控制器(PLC)通过工业以太网与系统控制层相连接；

系统控制层响应时间大于10ms，包括以多台工业计算机为主体构成的用于能量管理与潮流控制的工业以太网络。

2.根据权利要求1所述的模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，其特征在于三电平全桥逆变单元采用移相PWM调制，其静态工作点为导通角θ＝2.6357rad，移相角α＝2.1874rad。

3.根据权利要求2所述的模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，其特征在于换流器控制层与应用控制层的均设置有分别与CAN线和串口线连接的CAN光纤转换器和串口光纤转换器，换流器控制层与应用控制层的CAN光纤转换器通过光纤连接，换流器控制层与应用控制层的串口光纤转换器通过光纤连接。