CN106602908B - 一种级联式模块化电流源型变流器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种级联式模块化电流源型变流器及其调制方法，采用模块化结构，包含若干变流器子模块作为被控基本单元，每个子模块单元均可进行独立的控制；子模块之间采用直流侧串联接入直流电网，交流侧通过多绕组变压器分组并联接入交流电网，每个子模块单元内部均包含有直流电感、三相变流桥，以及并联功率开关和二极管；功率开关和二极管相串联后并联连接于三相变流桥的直流两端，连接点外侧为直流电感。本发明新型级联式模块化电流源型变流器扩展容易，维护成本低，不仅根除了换相失败问题，可对每个模块的有功和无功进行独立控制，而且能够有效减少工作损耗，提高系统的整体工作效率，同时降低直流侧电流纹波，并具备更优异的可靠性。

Description

一种级联式模块化电流源型变流器及其调制方法
技术领域
本发明涉及变流器技术领域，具体涉及一种级联式模块化电流源型变流器及其调制方法。
背景技术
传统的变流器拓扑结构和运行技术在高压直流输电应用领域的表现越来越力不从心，为此必须探索新的变流器技术来满足未来能源发展的深刻变化。
目前，组成直流电网的最为常用变流器可分为两种类型：电网电压换相变流器(Line-commutated converter,LCC)和电压源型变流器(Voltage source converter,VSC)。LCC变流器采用半可控的晶闸管，需要交流系统提供换相电压，不能给无源网络供电，连接弱交流系统时容易引起换相失败。VSC变流器能够对有功和无功进行独立控制，但是一般容量较小，且具有难以抑制直流侧故障电流的缺陷。因此，基于VSC的直流电网对直流线路两端的直流断路器要求很高，必须能切除很大的直流故障电流，导致直流断路器过于昂贵。
此外，与VSC成对偶形式的电流源型变流器结构(Current source converter,CSC)，近年来在动态无功补偿、风电并网等领域得到理论发展或工程验证。但是由于其工作损耗相对较大，效率较低，目前其在直流电网领域的应用发展受到了限制。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种级联式模块化电流源型变流器，通过模块化级联结构，使电路随着变流器子模块单元数目的增加，满足直流电压的应用需求。同时能够实现对每个变流器模块的独立控制。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种级联式模块化电流源型变流器，采用模块化结构，包含若干变流器子模块作为被控基本单元，每个子模块单元均可进行独立的控制；
所述子模块之间采用直流侧串联接入直流电网，交流侧通过多绕组变压器分组并联接入交流电网，每个子模块单元内部均包含有直流电感、三相变流桥，以及并联功率开关和二极管；
功率开关和二极管相串联后并联连接于三相变流桥的直流两端，连接点外侧为直流电感。
进一步的，每个子模块中，三相变流桥中及并联功率开关S1-S7均采用全控型半导体功率器件，由S1-S6和D1-D6构成传统三相变流桥结构。
进一步的，在每个变流子模块的调制中，零状态替换规则：使用并联功率开关S7闭合操作替代传统CSC调制序列中的所有零状态({S1,S4}，{S3,S6}，{S5,S2})，同时保持非零状态的实现方法保持不变，由变流桥中的S1-S6实现，非零状态包括：状态1、状态2、状态3、状态4、状态5和状态6，分别对应开关导通状态{S1,S2}，{S2,S3}，{S3,S4}，{S4,S5}，{S5,S6}，{S6,S1}；零状态为状态7，通过{S7}闭合导通实现。
进一步的，在每个变流子模块的调制时，将所有零状态即S7闭合导通配置于不同非零状态的切换之间，使变流桥中功率开关(S1-S6)的所有开通与关断动作，均在零电流操作下完成。
进一步的，不同非零状态的切换时间计算为：
其中，T1和T2分别为该载波周期内，2个非零状态的时间长度，Ts为载波周期时间长度，不同非零状态的切换时间设为Tact时刻。
进一步的，变流子模块之间的联合操作，应遵循分散零状态原则，通过对调制过程中的三角载波的相角进行时间配置，使不同子模块的调制载波之间存在相位差别，进而令不同子模块的零状态出现在不同时刻，且在每个开关周期内分散交错开。
进一步的，载波配置采用交错PWM技术，令每个模块的载波相角做时间偏移，偏移的时间长度可计算为:
其中，Ts为载波周期时间长度，N为应用的子模块单元数量。
进一步的，当某一变流器子模块由于功率器件失效、滤波电容损坏或者电路遭到破坏原因，探知发生交流侧故障时，立即采取闭合功率开关S7的操作，通过S7将此单元的后级电路短路切除，使其退出工作，同时维持直流链路完好导通。
进一步的，子模块的保护策略的具体过程为：
工作正常开始后，当检测到发生交流侧故障时，首先要判断该故障是来自变流器外部电网还是来自变流器内部的子模块；
当判定为子模块故障后，将执行子模块的旁路操作，令该子模块的功率开关S7立即闭合，对故障子模块单元进行切除隔离，此时，其它单元仍然能够正常工作，并且中央控制器需要将新计算的控制参数重新分配给其余正常子模块，进而系统的正常运行可以得到保证。
一种级联式模块化电流源型变流器的调制方法，包括：
每个变流器子模块内的调制步骤：在每个变流子模块内部的调制过程中，调制规则：零状态替换规则，具体为：使用并联功率开关的闭合操作替代传统CSC调制序列中的所有零状态，同时保持非零状态的实现方法不变；
满足前述零状态替换规则，将所有零状态配置于不同非零状态的切换之间，使变流桥中功率开关的所有开通与关断动作，均在零电流操作下完成；
变流子模块之间的联合操作步骤：应遵循对零状态配置时间进行适当分散的原则，通过对调制过程中的三角载波的相角进行时间配置，使不同子模块的调制载波之间存在相位差别，进而令不同子模块的零状态出现在不同时刻，且在每个开关周期内分散交错开；
子模块的保护策略的控制步骤：工作正常开始后，当检测到发生交流侧故障时，首先要判断该故障是来自变流器外部电网还是来自变流器内部的子模块，当判定为子模块故障后，将执行子模块的旁路操作，令子模块的功率开关S7立即闭合，对故障子模块单元进行切除隔离，此时，其它单元仍然能够正常工作，并且中央控制器需要将新计算的控制参数重新分配给其余正常子模块，进而系统的正常运行可以得到保证。
本发明的有益效果：
本发明电路能够随着变流器子模块单元级联数目的增加，满足直流电压需求。传统的直流侧电感被分散在每个子模块单元内部，通过模块化拓扑结构，使电路的生产、制造、封装更加简单，扩展容易，同时减小了系统的维护成本和设备体积。
电路控制方面，通过设计的调制方法和交错控制策略，可减少开关次数并有效降低直流侧电流纹波；根除了同桥臂上功率开关的重叠时间配置问题，简化了驱动控制设计。
系统保护方面，具备直流故障自清除处理能力，极大降低直流断路器的投入成本；对于系统交流侧，能够通过功率开关S7对故障子模块进行切除，而不影响电路的正常运行，使系统具备更优秀的可靠性。
本发明与传统应用于高压直流电能传输领域的变流器结构相比，新型级联式模块化电流源型变流器扩展容易，维护成本低，不仅根除了换相失败问题，可对每个模块的有功和无功进行独立控制，而且能够有效减少工作损耗，提高系统的整体工作效率，同时降低直流侧电流纹波，并具备更优异的可靠性。
附图说明
图1：传统电流源型变流器(CSC)结构示意图；
图2：传统电流源型变流器调制空间矢量图；
图3：本发明的拓扑结构示意图；
图4：本发明中，每个变流器子模块的调制空间矢量图；
图5：本发明中，空间矢量区段I内，子模块调制方法的开关序列动作示意图；
图6：本发明中，子模块间采用交错PWM控制技术的驱动控制示意图(2子模块，空间矢量区段I内)；
图7：本发明中，子模块发生故障时，切除操作示意图。
图8：本发明中，子模块保护策略的控制流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
传统的电流源型变流器结构如图1所示，适用的调制方法种类众多，在此并不赘述，而其基本的调制序列由9种操作状态组成，包含6个非零状态和3个零状态。传统电流源型变流器调制序列的空间矢量如图2所示。其中零状态是电流源型变换器所特有的短路状态，其配置方法为现有技术。
本发明的一种级联式模块化电流源型变流器拓扑结构，由若干变流器子模块单元级联组合而成，如图3所示。子模块单元之间，直流侧串联连接于直流电网，交流侧通过多绕组变压器分组并联接入交流电网。多绕组变压器配置方式为现有技术。
电路结构中的变流器子模块是受控的基本单元，其结构如图3所示。该子模块中，功率开关S1-S7均采用全控型半导体功率器件，其种类、结构及使用方法为现有技术；D1-D7是二极管。由S1-S6和D1-D6构成传统三相变流桥结构。S7应选择具备优秀开关能力、低损耗性能的开关器件；开关S7与二极管D7串联组合，且并联连接于逆变桥的直流两端，连接点外侧为直流电感LDC。Ca、Cb、Cc为交流滤波电容。子模块之间在直流侧首尾相连，直流电流由A点流入，B点流出。每个变流器子模块的调制空间矢量图如图4所示。
一种级联式模块化电流源型变流器的调制方法，包含以下内容：
1、每个变流器子模块内的调制方法
(1)零状态替换规则：
零状态替换规则，是子模块结构内的最基本调制规则，代表了子模块调制方法的最基本思想。
通过该规则，可以直接对传统电流源型变流器的调制方法进行改造，使其适用于新的子模块结构。
表1
空间矢量区段 工作状态序列
I [6][7][7][1][1][7][7][6]
II [1][7][7][2][2][7][7][1]
III [2][7][7][3][3][7][7][2]
IV [3][7][7][4][4][7][7][3]
V [4][7][7][5][5][7][7][4]
VI [5][7][7][6][6][7][7][5]
“变流器子模块之间的调制配合方法”，是所发明的级联式模块化电流源型变流器的子模块之间的操作规则。
在每个变流子模块内部的调制过程中，本发明使用开关S7的闭合操作替代传统CSC调制序列中的所有零状态({S1,S4}，{S3,S6}，{S5,S2})，同时保持非零状态的实现方法不变(由变流桥中的S1-S6实现)。调制的空间矢量示意图如图3所示，非零状态包括：状态1、状态2、状态3、状态4、状态5和状态6，分别对应开关导通状态{S1,S2}，{S2,S3}，{S3,S4}，{S4,S5}，{S5,S6}，{S6,S1}；零状态为状态7，通过{S7}闭合导通实现。
(2)级联式模块化电流源型变流器调制方法：
本发明提出了一种新型调制方法，配套于所发明的级联式模块化电流源型变流器子模块结构。该调制方法满足前述零状态替换规则，不同于已有的其它传统调制方法。
其基本思想是：将所有零状态(S7闭合导通)配置于不同非零状态的切换之间，使变流桥中功率开关(S1-S6)的所有开通与关断动作，均在零电流操作下完成。通过使用该调制方法，可以将子模块调制过程中的所有开通与关断损耗集中于开关管S7上。由于在硬件设计上，功率开关S7的选型得到了优化配置，具备优秀的开关能力和低损耗性能，因此，整体变流器的开关损耗得以降低。这样，在硬件结构维持传统换流桥的基础上，仅通过添加一个高性能功率开关S7，便可以大幅度提高变流子模块的工作效率。这种设计具有极高的性价比。
6个空间矢量区间内的详细工作状态序列，如表1所示。
以空间矢量区段I内的工作状态为例，调制方法中开关序列的动作关系示意图如图5所示。在该区间内，2个非零状态分别为{S1,S2}和{S1,S6}，二者切换时间设为Tact时刻。零状态{S7}开始于Tn1时刻，结束于Tn2时刻。Ts为载波周期时间长度。
时间配置的计算方法为：
其中，T1和T2分别为该载波周期内，2个非零状态的时间长度，其计算方法为现有技术。
2、变流器子模块之间的调制配合方法
变流子模块之间的联合操作，应遵循对零状态配置时间进行适当分散的原则。通过对调制过程中的三角载波的相角进行时间配置，使不同子模块的调制载波之间存在相位差别，进而令不同子模块的零状态出现在不同时刻，且在每个开关周期内分散交错开。通过这种调制配合方法，可以减小流过功率开关的电流的升降斜率和时长，减少直流侧电流的纹波，同时可因此降低直流侧电感的配置需求，减少电感量，缩小直流电感体积，并节约成本。
载波配置采用交错PWM技术，令每个模块的载波相角做时间偏移，偏移的时间长度可计算为:
其中，Ts为载波周期时间长度，N为应用的子模块单元数量。
采用交错技术方法的驱动控制示意图(2子模块，空间矢量区段I内)，以及与原始方法的比较，如图6所示。IDC为直流侧电流。在原始方法中，子模块#1和#2的调制载波是同步的，调制序列的开关状态也是同时产生的。在零状态条件下({S1,S4})，电路呈现为直流侧被直接短路，导致电流会快速上升。当采用所提出的变流器子模块之间交错调制配合方法时，模块#1与模块#2的载波相位相差为1/4个载波周期，使得#1的调制状态序列与#2的调制状态序列同样错开1/4个载波周期。因此，2个子模块的零状态将不会同时发生，进而直流侧电流上升会减缓，对外表现为直流侧纹波大幅度减小。
3、级联式模块化电流源型变流器保护策略
当系统中某一变流器子模块由于功率器件失效、滤波电容损坏或者电路遭到破坏等原因，探知发生交流侧故障时，可立即采取闭合功率开关S7的操作，通过S7将此单元的后级电路短路切除，使其退出工作，同时维持直流链路完好导通。故障切除操作示意图如图7所示，子模块的保护策略的控制流程图如图8所示。
工作正常开始后，当检测到发生交流侧故障时，首先要判断该故障是来自变流器外部电网还是来自变流器内部的子模块。当判定为子模块故障后(图7中子模块#2故障)，将执行子模块的旁路操作，令子模块#2的功率开关S7立即闭合，对故障子模块单元进行切除隔离。此时，其它单元仍然能够正常工作，并且中央控制器需要将新计算的控制参数重新分配给其余正常子模块，进而系统的正常运行可以得到保证。
调制方法所述特点1-(1)为：子模块单元内，使用S7闭合导通，替代调制序列中的零状态。该特点同样适用于基于本发明结构的其它任何调制方法。
调制方法所述特点1-(2)、特点2中，图5、图6的描述示例均基于空间矢量区段I内的工作状态。在其它空间矢量区段内(II-VI)，其工作原理与所述特点的分析是一致的。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种级联式模块化电流源型变流器，其特征是，采用模块化结构，包含若干变流器子模块作为被控基本单元，每个变流器子模块均可进行独立的控制；
子模块之间采用直流侧串联接入直流电网，交流侧通过多绕组变压器分组并联接入交流电网，每个子模块内部均包含有直流电感、三相变流桥，以及并联功率开关S7和二极管；
功率开关S7和二极管相串联后并联连接于三相变流桥的直流两端，连接点外侧为直流电感；
在每个变流器子模块的调制中，遵循零状态替换规则：使用并联功率开关S7闭合操作替代传统CSC调制序列中的所有零状态（｛S1,S4｝，｛S3,S6｝，｛S5,S2｝），同时保持非零状态的实现方法保持不变，由变流桥中的功率开关S1-S6实现，非零状态包括：状态1、状态2、状态3、状态4、状态5和状态6，分别对应开关导通状态｛S1,S2｝，｛S2,S3｝，｛S3,S4｝，｛S4,S5｝，｛S5,S6｝，｛S6,S1｝；零状态为状态7｛S7｝，通过功率开关S7闭合导通实现。
2.如权利要求1所述的一种级联式模块化电流源型变流器，其特征是，每个子模块中，三相变流桥中及并联功率开关S1-S7均采用全控型半导体功率器件，由功率开关S1-S6和二极管D1-D6构成传统三相变流桥结构。
3.如权利要求1所述的一种级联式模块化电流源型变流器，其特征是，在每个变流器子模块进行调制时，将所有零状态即功率开关S7闭合导通配置于不同非零状态的切换之间，使变流桥中功率开关S1-S6的所有开通与关断动作，均在零电流操作下完成。
4.如权利要求3所述的一种级联式模块化电流源型变流器，其特征是，不同非零状态的切换时间计算为：
其中，T1和T2分别为载波周期内，2个非零状态的时间长度，Ts为载波周期时间长度，不同非零状态的切换时间设为Tact时刻；Tn1为零状态｛S7｝开始时刻，Tn2为零状态｛S7｝结束时刻。
5.如权利要求1所述的一种级联式模块化电流源型变流器，其特征是，子模块之间的联合操作，应遵循分散零状态原则，通过对调制过程中的三角载波的相角进行时间配置，使不同子模块的调制载波之间存在相位差别，进而令不同子模块的零状态出现在不同时刻，且在每个开关周期内分散交错开。
6.如权利要求5所述的一种级联式模块化电流源型变流器，其特征是，载波配置采用交错PWM 技术，令每个子模块的载波相角做时间偏移，偏移的时间长度可计算为:
其中，Ts为载波周期时间长度，N为应用的变流器子模块数量。
7.如权利要求1所述的一种级联式模块化电流源型变流器，其特征是，当某一变流器子模块由于功率器件失效、滤波电容损坏或者电路遭到破坏原因，探知发生交流侧故障时，立即采取闭合功率开关S7的操作，通过功率开关S7将此子模块的后级电路短路切除，使其退出工作，同时维持直流链路完好导通。
8.如权利要求1所述的一种级联式模块化电流源型变流器，其特征是，所述子模块的保护策略的具体过程为：
工作正常开始后，当检测到发生交流侧故障时，首先要判断该故障是来自变流器外部电网还是来自变流器内部的子模块；
当判定为子模块故障后，将执行子模块的旁路操作，令该子模块的功率开关S7立即闭合，对故障变流器子模块进行切除隔离，此时，其它子模块仍然能够正常工作，并且中央控制器需要将新计算的控制参数重新分配给其余正常子模块，进而级联式模块化电流源型变流器的正常运行可以得到保证。
9.如权利要求1所述的一种级联式模块化电流源型变流器的调制方法，其特征是，包括：
满足前述零状态替换规则，将所有零状态配置于不同非零状态的切换之间，使变流桥中功率开关的所有开通与关断动作，均在零电流操作下完成；
变流器子模块之间的联合操作步骤：应遵循对零状态配置时间进行适当分散的原则，通过对调制过程中的三角载波的相角进行时间配置，使不同子模块的调制载波之间存在相位差别，进而令不同子模块的零状态出现在不同时刻，且在每个开关周期内分散交错开；
子模块的保护策略的控制步骤：工作正常开始后，当检测到发生交流侧故障时，首先要判断该故障是来自变流器外部电网还是来自变流器内部的子模块，当判定为子模块故障后，将执行子模块的旁路操作，令子模块的功率开关S7立即闭合，对故障变流器子模块进行切除隔离，此时，其它子模块仍然能够正常工作，并且中央控制器需要将新计算的控制参数重新分配给其余正常子模块，进而级联式模块化电流源型变流器的正常运行可以得到保证。
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