CN103650319A

CN103650319A - 用于激励链式变换器的方法，控制器，计算机程序以及计算机程序产品

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Publication number: CN103650319A
Application number: CN201180072311.3A
Authority: CN
Inventors: J-P·哈斯勒
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: ABB Grid Switzerland AG
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: CA2838775C; EP2719067B1; BR112013031674A2; WO2012167835A1; US8860380B2; CA2838775A1; US20140097804A1; EP2719067A1; CN103650319B

Abstract

本发明涉及一种在控制器50中用于激励包含一个或多个相臂L1、L2、L3的链式变换器30的方法60，每个相臂L1、L2、L3包含多个串联连接的变换器单元31₁、31₂、…、31_n，每个变换器单元31₁、31₂、…、31_n包含被布置为与DC电容器34₁、34₂、…、34_n连接成H桥的四个阀。每个阀依次包含与二极管33₁、33₂、33₃、33₄并联的半导体开关32₁、32₂、32₃、32₄。所述方法60包含以下步骤：将每个变换器单元31₁、31₂、…、31_n的所述DC电容器34₁、34₂、…、34_n充电61到所述半导体开关是可控制的但是低于其标称电压的电压电平；诊断62所述变换器单元31₁、31₂、…、31_n，以便检测其故障组件；以控制的方式旁路63故障组件；将所述DC电容器34₁、34₂、…、34_n充电64到其标称电压。本发明还涉及控制器、计算机程序以及计算机程序产品。

Description

用于激励链式变换器的方法,控制器,计算机程序以及计算机程序产品

技术领域

本发明一般涉及电网设备领域，并且特别是涉及基于链式变换器的静态补偿器。

背景技术

现今，基于链式拓扑的STATCOM（静态补偿器）变换器是新兴的技术。为电压源变换器（VSC）设备的三相链式变换器包含三个相臂，每个相臂包含多个串联连接的单元变换器。图1图示了此类包含电压源变换器2的三相链式变换器1。三个相臂表示为L1、L2、L3，并且连接成三角形布置，但是在其他设置中连接成y形布置。每个相臂包含多个串联连接的变换器单元，例如相臂L1包含变换器单元10、11、12、…、n。有时表示变换器链的每个变换器单元10、11、12、…、n包含与电容器部件13连接成H桥布置的四个阀。每个阀包含晶体管开关19，诸如具有与其并联连接的续流二极管20（还表示为反并联二极管）的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

链式变换器1，并且特别是其每个相臂，经由相电抗器15连接到电网14，在图示的情况下为三相网络。此外，每个相臂经由与开关16并联连接的启动电阻器17以及经由AC断路器18连接到电网14。

一般来说，当激励和启动此类链式变换器，并且使用相臂L1作为示例时，使断路器18切换，以便提供从电网14通过启动电阻器17、相电抗器15以及通过链式变换器1的二极管的电流路径，从而对电容器13进行充电。当电容器电压已经到达预定电平时，通过闭合并联连接的开关16使启动电阻器17短路。然后，电容器电压将进一步增加，并且开关变成可控制的。

此类链式变换器的启动涉及若干注意事项。例如，在WO2010/051854中解决了变换器启动的一个方面。在这个出版物中，公开了一种用于启动链式变换器的方法，其中电源连接到相臂中的至少一个变换器单元，从而例如通过减少施加在诸如二极管的组件上的压力改进了启动。

在另一个方面中，在链式变换器的启动期间，电子开关中的一些可能是有缺陷的，它们例如可能是处于开路或短路。如果只通过借助于相电抗器15限制涌入电流来激励链式变换器1，则处于开路的故障的电子开关可能遭受到高于其耐压能力的电压电平，从而造成其它电子开关的损坏。

鉴于上述，提供链式变换器的启动程序，以避免其它组件的相继故障是期望的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激励链式变换器的方法，以解决上述问题。

所述目的是根据本发明的第一方面，通过控制器中的用于激励包含一个或多个相臂的链式变换器的方法来实现。每个相臂包含若干串联连接的变换器单元，并且每个变换器单元包含被布置为与DC电容器连接成H桥的四个阀。每个阀依次包含与二极管并联的半导体开关。所述方法包含以下步骤：将每个变换器单元的所述DC电容器充电到所述半导体开关是可控制的但是低于其标称电压的电压电平；诊断所述变换器单元，以便检测其故障组件；以控制的方式旁路故障组件；以及将所述DC电容器充电到其标称电压。

根据本发明，借助于启动电阻器限制电流，以及在低电压电平执行所述链式变换器单元的监视，以便防止损坏其组件。

在一个实施例中，所述充电步骤包含：闭合布置在电网和所述链式变换器之间的AC断路器，以及通过布置在所述AC断路器和所述链式变换器之间启动电阻器对所述DC电容器进行充电。

在一个实施例中，所述诊断步骤包含：在所述控制器中从连接到所述变换器单元的门极部件的变换器单元控制和保护部件接收数据，以及基于所述数据确定变换器单元是否包含故障组件。

在以上实施例中，故障组件可通过监视健康组件的电压来识别。

在一个实施例中，所述旁路故障组件的步骤包含以下子步骤：对被诊断为包含故障组件的变换器单元的DC电容器进行放电；通过提供通过变换器单元的健康组件的替代电流路径，或通过闭合与包含所述故障组件的所述变换器单元并联布置的开关，旁路包含故障组件的变换器单元。

在一个实施例中，所述方法包含闭合与启动电阻器并联布置的启动电阻器开关的另外步骤，所述启动电阻器被布置在电网和所述链式变换器之间，从而所述DC电容器被充电到其标称电压。

在一个实施例中，所述半导体开关是可控制的所述电压电平包含在其处它们刚刚变成可控制的电压电平。

在不同的实施例中，所述相臂连接成三角形配置或y形配置。

在一个实施例中，所述方法包含在旁路所述故障组件的步骤之前执行的对故障单元的所述DC电容器进行放电的另外步骤。

所述目的是根据本发明的第二方面，通过用于激励包含一个或多个相臂的链式变换器的控制器来实现。每个相臂包含若干串联连接的变换器单元，并且每个变换器单元包含被布置为与DC电容器连接成H桥的四个阀。每个阀依次包含与二极管并联的半导体开关，所述控制器被布置为：使能将每个变换器单元的所述DC电容器充电到在其处所述半导体开关是可控制的但是低于其标称电压的电压电平；诊断所述变换器单元，以便检测其故障组件；使能以控制方式旁路故障组件；使能将所述DC电容器充电到其标称电压。

所述目的是根据本发明的第三方面，通过用于激励这种链式变换器的计算机程序来实现。所述计算机程序包含计算机程序代码，当其在计算机上运行时，使得所述控制器执行以下步骤：使能将每个变换器单元的所述DC电容器充电到在其处所述半导体开关是可控制的但是低于其标称电压的电压电平；诊断所述变换器单元，以便检测其故障组件；使能以控制方式旁路故障组件；使能将所述DC电容器充电到其标称电压。

所述目的是根据本发明的第四方面，通过包含如上述的计算机程序和在其上存储所述计算机程序的计算机可读装置来实现。

根据阅读以下描述和附图，本发明的进一步特征和优点将变得清楚。

附图说明

图1图示现有技术的三相链式变换器。

图2图示可实现本发明的方面的三角形连接的三相链式变换器。

图3图示本发明的一个实施例中的方法的步骤上的流程图。

图4图示可实现本发明的方面的y形连接的三相链式变换器。

图5图示用于控制链式变换器的控制器。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的而非限制，阐述了诸如特定架构、接口、技术等的具体细节，以便提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员来说，本发明可以以不背离这些具体细节的其它实施例来实践是明显的。在其它示例中，省略了众所周知的设备、电路和方法的详细描述，以便不用不必要的细节使本发明的描述不清楚。在整个说明书中，相同的附图标记指相同的元件。

图2图示可实现本发明的方面的三角形连接的三相链式变换器。三相链式变换器30具有参照图1所描述的类型。特别地，链式变换器30包含具有连接成三角形布置的三个相臂L1、L2、L3的电压源变换器。每个相臂包含若干串联连接的变换器单元。以相臂L1作为示例，它包含变换器单元31₁、31₂、…、31_n，每个变换器单元包含被布置为与电容器部件34连接成H桥的四个阀。每个阀依次包含具有与其并联连接的续流二极管33的晶体管开关32，诸如先前提及的 IGBT。在以下中，当描述本发明的方面时使用IGBT，但是也可使用其他半导体设备，例如门极可关断晶体管（GTO）或集成门极换流二极管（IGCT）。

相臂L1经由相电抗器35连接到电网39，例如三相电网。此外，相臂L1经由与启动电阻器开关37并联连接的启动电阻器36以及经由AC断路器38连接到电网39。其他相臂L2、L3以对应的方式进行布置。

控制器50被布置为控制链式变换器1，例如控制变换器单元的IGBT的切换。每个变换器单元的每个IGBT连接到门极部件。例如，相臂L3的变换器单元46的IGBT连接到各自的门极部件41、42、43、44，它们依次连接到变换器单元控制和保护部件45。变换器单元控制和保护部件（例如，相臂L3的变换器单元和保护部件45）能够与控制器50进行通信，例如通过连接到通信总线（未示出）。

根据本发明的一方面，提供了一种能够安全启动链式变换器30的方法。简略地，在完全加载链式变换器的DC电容器之前，检测并旁路故障单元。然后，链式变换器30可以与故障单元一起运行而没有随后使其他组件故障的风险。

根据一个实施例，链式变换器30根据以下顺序来激励，针对第一相臂L1来描述以使描述清楚和简洁。以相应的方式同时激励链式变换器30的第二相臂L2和第三相臂L3。

当激励链式变换器30时，闭合相臂L1的主AC电路断路器38，并且断开与启动电阻器36并联连接的启动电阻器开关37。从而，DC电容器34₁、34₂、…、34_n以低电压率被充电到某一充电电平。选择将DC电容器34₁、34₂、…、34_n充电到的充电电平，使得刚刚达到电子开关（例如IGBT32）是可控制的电压电平。作为一个示例，对于具有2、4kV额定值的组件来说，此种电压电平可以是大约600V。应当意识到，电压电平取决于组件的额定值。

然后，借助于门极部件41、42、43、44和变换器单元控制和保护部件以及控制器50，检测故障变换器单元组件，例如电子开关。特别地，控制器50从变换器单元控制和保护部件45接收数据，其依次从门极部件41、42、43、44接收数据。控制器50被布置为基于数据检测故障组件，该数据诸如变换器单元DC电压或变换器单元AC电流，或从这些部件接收的变换器AC电压。

当检测到故障时，对具有故障组件的变换器单元，进入到零输出电压模式。这是通过控制器50将控制信号传送到此端得以完成。特别地，链式变换器30的输出电压由应用于变换器单元的控制信号来控制。可通过控制器50将控制信号传送到此端，将变换器单元置于零电压模式，即传送控制信号使得在变换器单元的输出电压AC端子处提供零输出电压。

具有故障组件（如果有，例如故障电子开关或门极部件）的变换器单元的DC电容器以控制的方式进行放电。以控制的方式对DC电容器进行放电的一种方式是通过启动健康变换器单元的零电压模式，以及通过使用故障变换器单元的健康组件。借助于充电电阻器36来限制相臂电流。

在题为“Method in a voltage source chain-link converter,computer programs and computer program products(电压源链式变换器中的方法，计算机程序以及计算机程序产品)”（PCT/EP2011/056153），并指定了与本申请相同的申请人的共同待决专利申请中描述了通过与有故障IGBT（其是处于短路模式）并联的相对支路中的健康IGBT，为故障单元中的相电流提供电流路径。在该相同申请中，描述了当故障IGBT处于开路模式时对单元进行放电的一种方式，其中如果故障IGBT处于开路模式，则通过剩余的三个健康的IGBT对单元的DC电容器进行放电。

对具有故障组件的IGBT位置的DC电容器进行放电的另一种方式是提供用于使能放电的外部电源。特别地，控制IGBT开关的电子电路由跨该开关的电压进行供电。在低DC电压处，电子电路将停止工作并且需要外部电源以操作处于低电压的开关。外部电源可以由健康的相邻单元的开关来提供，或者通过借助于高能量激光将控制开关的电路板连接到主控的光纤链路来提供。

一旦故障变换器单元的DC电容器的电压是零，则对于该故障变换器单元启动旁路模式，并且借助于包含故障设备的变换器单元的健康电子开关短路其DC电容器。

可以以不同的方式来完成对故障变换器单元的旁路。

替代地，可以通过机械旁路开关旁路变换器单元，当检测到变换器单元的故障组件时，闭合该机械旁路开关，从而将其旁路。可以通过控制器50中的合适软件来完成对此类机械开关的控制。特别地，如先前所描述的，控制器50从门极部件41、42、43、44和变换器单元控制和保护部件45接收数据，并且当检测到变换器单元有故障组件时，将信号发送到与该变换器单元并联连接的机械开关用于闭合机械开关，从而旁路该变换器单元。

在激励顺序的下一个步骤中，健康变换器单元的零电压模式被禁用，并且这些健康变换器单元的DC电容器被充电到其标称电压。

当DC电容器34₁、34₂、…、34_n到达其标称电压时，闭合启动电阻器开关37，从而短路启动电阻器36。现在，链式变换器30准备进入操作，以使所有（如果有）不健康的变换器单元旁路。

以上是参照图3概述图示在本发明的一个实施例中的方法的步骤上的流程图。

方法60可在控制器50中实现，并且用于激励如所描述的链式变换器30。方法60包含第一步骤，其将每个变换器单元31₁、31₂、…、31_n的DC电容器34₁、34₂、…、34_n充电61到半导体开关是可控制的但是低于其标称电压的电压电平。这可通过闭合处在低电压率的AC电路断路器38以及将启动电阻器开关保持在断开位置来实现。启动电阻器36限制通过各自相臂L1、L2、L3的电流。

方法60包含诊断62变换器单元的31₁、31₂、…、31_n以便检测其故障组件的第二步骤。一旦电容器的电压电平使得半导体开关是可控制的就可实现该步骤。先前所描述的变换器单元控制和保护部件45和变换器单元31₁、31₂、…、31_n的门极部件41、42、43、44是用于此目的的。例如，可以监测健康组件的电压，以便识别故障组件。例如，可以通过确定在主控制和IGBT控制之间没有通信来检测故障的IGBT。可以通过健康IGBT的电压监测或通过在同一脚中的健康IGBT的短路检测（直通检测器）来检测故障的IGBT。

方法60包含以控制的方式旁路63故障组件的第三步骤。如先前所描述的，首先通过对被诊断包含故障组件的变换器单元的DC电容器34₁、34₂、…、34_n进行放电，并且然后通过提供穿过其健康组件的替代电流路径或者通过闭合与包含故障组件的变换器单元31₁、31₂、…、31_n并联布置的开关来旁路包含故障组件的变换器单元31₁、31₂、…、31_n，可以实现第三步骤。

方法60包含将DC电容器34₁、34₂、…、34_n充电64到其标称电压的第四步骤。闭合启动电阻器开关37，从而短路启动电阻器36，并且将DC电容器34₁、34₂、…、34_n充电到其标称电压。

在一个实施例中，诊断步骤62包含：

-对主控制器和每个单独的开关控制之间的控制通信执行诊断，

-通过替代地接通连接到同一ac输出端子的一对开关启动零电压输出模式，以便检测未能接通的开关，

-通过替代地接通连接到同一ac输出端子的其它一对开关启动零电压模式，以便检测未能接通的开关，

-如果故障开关被检测为断开（未短路），则通过接通该有故障开关的相同支路中的开关完成零电压模式，以便对dc电容器进行放电。

-检测到故障开关将立即启动零电压模式，直到通过使用一对健康开关启动零电压模式对dc电容器进行完全放电，

-当dc电容器是零（或闭合）时，则通过连续接通上面的一对健康开关或下面的一对健康开关来启动旁路模式。

方法60还可包含对故障单元的DC电容器进行放电的步骤，然后，可在旁路故障组件的步骤之前优选地执行该步骤。

需要注意的是，启动电阻器和开关对（例如相臂L1的启动电阻器36和开关37）可被布置在如图2中所图示的三角形侧中，或被布置在如由用虚线画出的框47所图示的包含也用虚线画出的启动电阻器和开关对的线路侧上。如果启动电阻器和相关联的开关被连接在三角形侧中（与相电抗器串联），则当链式变换器关断时，启动电阻器可用于对DC电容器进行放电。

图4图示了可实现本发明的方面的y形连接的三相链式变换器。特别地，图4图示了连接成y形布置的三相链式变换器30，并且包含调谐零序滤波器。如所述的方法还可应用于此类配置。

图5图示用于实现如所述的方法的装置，并且特别是用于控制如所述的链式变换器的控制器50。控制器50包含能够执行存储在例如以存储器的形式的计算机程序产品54中的软件指令的处理器52，例如，中央处理单元、微控制器、数字信号处理器（DSP）等。处理器52连接到输入设备51，其例如从先前描述的连接到变换器单元31₁、31₂、…、31_n的门极部件41、42、43、44的变换器单元控制和保护部件45接收输入。需要注意的是，虽然在图5中仅图示了一个处理器52，但是实现方式可以包含分布式硬件，以便当运行软件时使用若干CPU而不是一个CPU。同样，虽然只图示了一个输入设备51，但是可以有若干输入设备。

例如可以通过处理器52中的软件和/或专用集成电路来实现用于激励链式变换器30的所述方法和算法或其部分。为此，控制器50还可包含存储在计算机程序产品54上的计算机程序53。

还参照图5，本发明还包含用于处理激励链式变换器的此类计算机程序53。计算机程序53包含计算机程序代码，当其在控制器50，并且特别是其处理器52上运行时，使得控制器50执行如所述的方法。

因此，还提供了计算机程序产品54，其包含计算机程序53和在其上存储计算机程序53的计算机可读装置。计算机程序产品54可以是读写存储器（RAM）或只读存储器（ROM）的任何组合。计算机程序产品54还可包含持久存储器，例如其可以是磁存储器、光存储器、或固态存储器中的任何单一个体或组合。

Claims

1.一种用于激励包含一个或多个相臂（L1、L2、L3）的链式变换器（30）的方法（60），每个相臂（L1、L2、L3）包含多个串联连接的变换器单元（31₁、31₂、…、31_n），每个变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）包含被布置为与DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）连接成H桥的四个阀，以及每个阀依次包含与二极管（33₁、33₂、33₃、33₄）并联的半导体开关（32₁、32₂、32₃、32₄），所述方法（60）包含以下步骤：

-将每个变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）的所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）充电（61）到所述半导体开关是可控制的但是低于其标称电压的电压电平，

-诊断（62）所述变换器单元（31₁、31₂、…、31_n），以便检测其故障组件，

-以控制的方式旁路（63）故障组件，

-将所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）充电（64）到其标称电压。

2.根据权利要求1所述的方法（60），其中所述充电（61）步骤包含：闭合布置在电网（39）和所述链式变换器（30）之间的AC断路器（38），以及通过布置在所述AC断路器（38）和所述链式变换器（30）之间的启动电阻器（36）对所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）进行充电。

3.根据权利要求1或2所述的方法（60），其中所述诊断（62）步骤包含：在所述控制器（50）中从连接到所述变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）的门极部件（41、42、43、44）的变换器单元控制和保护部件（45）接收数据，以及基于所述数据确定变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）是否包含故障组件。

4.根据权利要求3所述的方法（60），其中通过监测健康组件的电压来识别故障组件。

5.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法（60），其中所述旁路（63）故障组件步骤包含以下子步骤：

-对被诊断为包含故障组件的变换器单元的所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）进行放电；

-由提供通过变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）的健康组件的可替换电流路径，或通过闭合与包含所述故障组件的所述变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）并联布置的开关，旁路包含所述故障组件的所述变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）。

6.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法（60），包含闭合与启动电阻器（36）并联布置的启动电阻器开关（37）的另一步骤，所述启动电阻器被布置在电网（39）和所述链式变换器（30）之间，从而将所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）充电到其标称电压。

7.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法（60），其中所述半导体开关是可控制的所述电压电平包含它们恰好变成可控制的电压电平。

8.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法（60），其中所述相臂（L1、L2、L3）连接成三角形配置或y形配置。

9.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法（60），包含对所述故障单元的所述DC电容器进行放电的附加步骤，其在所述旁路所述故障组件的步骤之前执行。

10.一种用于激励包含一个或多个相臂（L1、L2、L3）的链式变换器（30）的控制器（50），每个相臂（L1、L2、L3）包含多个串联连接的变换器单元（31₁、31₂、…、31_n），每个变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）包含被布置为与DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）连接成H桥的四个阀，并且每个阀依次包含与二极管（33₁、33₂、33₃、33₄）并联的半导体开关（32₁、32₂、32₃、32₄），所述控制器（50）被布置为：

-使得每个变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）的所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）充电到所述半导体开关是可控制的但是低于其标称电压的电压电平，

-诊断所述变换器单元（31₁、31₂、…、31_n），以便检测其故障组件，

-使以控制的方式旁路故障组件，

-使将所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）充电到其标称电压。

11.一种用于激励包含一个或多个相臂（L1、L2、L3）的链式变换器（30）的计算机程序（53），每个相臂（L1、L2、L3）包含多个串联连接的变换器单元（31₁、31₂、…、31_n），每个变换器单元（31₁、31₂、…、31_n）包含被布置为与DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）连接成H桥的四个阀，以及每个阀依次包含与二极管（33₁、33₂、33₃、33₄）并联的半导体开关（32₁、32₂、32₃、32₄），所述计算机程序（53）包含计算机程序代码，当其在控制器（50）上执行时，使得所述控制器（50）执行以下步骤：

-使故障单元的所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）放电，

-使得以控制的方式旁路故障组件，

-使得所述DC电容器（34₁、34₂、…、34_n）充电到其标称电压。

12.一种计算机程序产品（54），包含如权利要求11中所要求的计算机程序（53）、以及在其上存储所述计算机程序（53）的计算机可读装置。