CN107707144B - 一种双极性级联式模块化电流源型变流器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极性级联式模块化电流源型变流器及其控制方法，包括前级中性点引入电路和后级模块化级联电路，所述前级中性点引入电路包括分别由电感和电容构成的两个LCL电路，两个所述LCL电路的一侧通过电容与直流侧电网连接，另一侧均连接级联子模块的输入端，两个所述LCL电路通过电容串联连接，且自所述的两个电容之间的中性点上引出中性线；所述中性线与后级模块化级联电路的中点连接，实现了功率的双向流动。本发明采用多个电流源型变流器模块级联，以满足直流侧耐压等级的要求，同时可对单个变流器模块进行独立控制，且可以降低工作损耗，实现功率的双向流动，双极性级联式模块化电流源型变流器还可以工作在直流母线单边故障运行状态。

Description

一种双极性级联式模块化电流源型变流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及变流器技术领域，具体的说，是涉及一种双极性级联式模块化电流源变流器及其控制方法。
背景技术
传统的变流器类型主要分为两大类：电压源型变流器(Voltage sourceconverter,VSC)和电流源型变流器(Current source converter,CSC)。
传统的电压源型变流器可以分别对有功和无功进行控制，但是其功率等级一般不高，并且对直流侧故障电流的抑制相对很难，因此，对外加的直流断路器的要求也就更高，价格也更昂贵。电流源型变流器则允许短路状态的存在，其运行稳定性和可靠性更好，但是其运行损耗也更大，系统效率更低。一般而言，为了提高变流器的直流耐压等级，常采用多个电流源型变流器级联的形式，然而当直流母线单边故障时，级联模块化电流源型变流器将会运行失效，从而使得电流源型变流器的应用受到一定的限制。
此外，采用双极性PWM控制方法的级联变流器，由于每个子模块开关器件的导通压降不同、驱动信号的延时不同步、变压器的变比不同和滤波器参数(电容与电感)的差异会使得每个子模块的分压及其输出电流的幅值与相位存在差异，级联变流器中性点电压也因此发生偏移，影响级联变流器工作的稳定性和可靠性，现如今的对级联变流器每个子模块采用传统的控制算法已经不能解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种双极性级联式模块化电流源型变流器及其控制方法，采用多个电流源型变流器模块级联，以满足直流侧耐压等级的要求，同时可对单个变流器模块进行独立控制，且可以降低工作损耗，实现功率的双向流动，双极性级联式模块化电流源型变流器还可以工作在直流母线单边故障运行状态。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双极性级联式模块化电流源型变流器，包括前级中性点引入电路和后级模块化级联电路，所述前级中性点引入电路包括分别由电感和电容构成的两个LCL电路，两个所述LCL电路的一侧通过电感与直流侧电网连接，另一侧均连接级联子模块的输入端，两个所述LCL电路之间通过电容串联，且自所述的两个电容之间的中性点上引出中性线；所述后级模块化级联电路包括首尾相连的若干个子模块，所述中性线与后级模块化级联电路的中点连接，实现了功率的双向流动。
进一步的，其直流侧通过中性点引入环节串联接入至直流侧电网，交流侧通过变压器绕组并联接入交流电网。
进一步的，所述后级模块化电路中的各个子模块均采用独立控制模式。
进一步的，所述子模块采用包含三相变流桥、双向功率开关器件S7的H7电流源型变流器的拓扑结构。
进一步的，所述三相变流桥与所述双向功率开关器件S7连接，所述三相变流桥包括双向功率开关器件S1-S6。
进一步的，所述双向功率开关器件S7并联在直流侧电网的两端，所述三相变流桥通过变压器与交流电网连接。
进一步的，所述双向功率开关器件S7采用低损耗的SiC MOSFET。H7电流源型变流器拓扑通过S7双向功率器件的加入，使得三相变流器的功率开关器件可以工作在零电流开关状态。此外，S7采用的SiC MOSFET由于开关速度快，电压与电流的重叠区域面积相应减小，从而开关损耗降低，降低了电流源型变流器系统的损耗。
进一步的，每个所述LCL电路均包括相互串联的两个电感及并联在两电感之间的电容。
一种针对上述双极性级联式模块化电流源型变流器的控制方法，当变流器的直流母线单边出现故障时，通过控制中性线与直流母线的另一边实现直流侧的功率输入，进而保证电流源型变流器的正常工作。
一种抑制上述的双极性级联模块化电流源型变流器的中性点偏移的方法，其特征在于：检测中性线两侧电容的电压，若存在电压差，调节每个子模块的有功功率，进而实现对中性点电压偏移的抑制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用多个电流源型变流器作为子模块级联，以满足直流侧耐压等级的要求，同时可对单个子模块进行独立控制，避免了各个子模块之间的相互干扰，提高了电路的稳定性，同时所述的子模块采用H7电流源型变流器拓扑结构，可以明显降低工作损耗。
(2)本发明通过在前级中性点引入电路的两个电容之间的中性点上引出中性线；再将所述中性线与后级模块化级联电路的中点连接，实现功率的双向流动，解决了目前级联电流源型变流器直流母线单边故障时系统运行失效的问题。
(3)本发明提供了一种抑制双极性变流器系统中性点电压偏移的控制方法，通过该方法可实现对中性点两侧电容压差的调节，明显降低系统的故障率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1：传统电流源型变流器(CSC)结构示意图；
图2：子模块H7电流源型变流器单元结构示意图；
图3：本发明的双极性级联式模块化电流源型变流器拓扑结构示意图；
图4：本发明直流母线单边故障时的系统运行示意图；
图5：本发明抑制中性点电压偏移控制流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所介绍的，传统的电流源型变流器结构如图1所示，该拓扑中每个开关器件的损耗较大，导致系统工作效率比较低。有鉴于此，本申请提出了一种双极性级联式模块化电流源型变流器及其控制方法，不仅有效的解决了上述现有技术的不足，同时，通过功率的双向流动，解决了目前级联电流源型变流器直流母线单边故障时系统运行失效的问题。
下述实施例为本申请的一种典型的实施方式，具体的：
电流源型子模块选用的H7电流源型变流器拓扑的结构如图2，是级联式模块化电流源型变流器受控的基本单元。H7电流源型变流器拓扑结构含有三相变流桥和双向功率开关器件。三相变流桥由六个双向功率开关器件S1-S6构成；与三相变流桥并联的是双向功率开关器件S7，S7采用低损耗的SiC MOSFET，双向功率开关器件S7并联在直流侧两端，三相变流桥后接滤波器与交流电网。
H7电流源型变流器拓扑通过S7双向功率器件的加入，使得三相变流器的功率开关器件可以工作在零电流开关状态。此外，S7采用的SiC MOSFET由于开关速度快，电压与电流的重叠区域面积相应减小，从而开关损耗降低，降低了电流源型变流器系统的损耗。
如图3所示，是双极性级联式模块化电流源型变流器拓扑，每个子模块首尾相连，直流电流从A点流入后从B点流出至下一子模块的输入端，实现级联式结构。中性点引入环节通过LCL电路引入电容从而引出中性点，使得中性点电压可观测，并实现了双极性控制。
如图4所示，是直流单边故障时，级联电流源型变流器系统可持续工作的示意图。假设当直流侧V+边发生故障时，传统的级联电流源型变流器将无法正常工作，从而降低了系统运行的稳定性与可靠性。然而本发明的双极性级联电流源型变流器在直流侧V+边发生故障时，其仍可以通过中性点N与直流侧V-边输出直流侧功率。
如图5所示，是抑制级联电流源型变流器中性点偏移的控制结构图。通过检测两个电容C1和C2的电压，若存在电压差，通过每个子模块有功功率的调节消除两个电容之间的电压差，从而抑制中性点电压的偏移。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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 (7)

1.一种双极性级联式模块化电流源型变流器，其特征在于：包括前级中性点引入电路和后级模块化级联电路，所述前级中性点引入电路包括分别由电感和电容构成的两个LCL电路，两个所述LCL电路的一侧通过电感与直流侧电网连接，另一侧均连接级联子模块的输入端，两个所述LCL电路之间通过电容串联，且自所述的两个电容之间的中性点上引出中性线；所述后级模块化级联电路包括首尾相连的若干个子模块，所述中性线与后级模块化级联电路的中点连接，实现了功率的双向流动；
每个所述LCL电路均包括相互串联的两个电感及并联在两电感之间的电容；
所述子模块采用包含三相变流桥、双向功率开关器件S7的H7电流源型变流器的拓扑结构；
所述三相变流桥与所述双向功率开关器件S7连接，所述三相变流桥包括双向功率开关器件S1-S6。
2.根据权利要求1所述的一种双极性级联式模块化电流源型变流器，其特征在于：其直流侧通过中性点引入电路接入至直流侧电网，交流侧通过变压器绕组并联接入交流电网。
3.根据权利要求1所述的一种双极性级联式模块化电流源型变流器，其特征在于：所述后级模块化电路中的各个子模块均采用独立控制模式。
4.根据权利要求1所述的一种双极性级联式模块化电流源型变流器，其特征在于：所述双向功率开关器件S7并联在直流侧电网的两端，所述三相变流桥通过变压器与交流电网连接。
5.根据权利要求1所述的一种双极性级联式模块化电流源型变流器，其特征在于：所述双向功率开关器件S7采用低损耗的SiC MOSFET。
6.根据权利要求1所述的一种双极性级联式模块化电流源型变流器的控制方法，其特征在于：当变流器的直流母线单边出现故障时，通过控制中性线与直流母线的另一边实现直流侧的功率输入，进而保证电流源型变流器的正常工作。
7.一种抑制权利要求1所述的双极性级联模块化电流源型变流器的中性点偏移的方法，其特征在于：检测中性点两侧电容的电压，若存在电压差，调节每个子模块的有功功率，进而实现对中性点电压偏移的抑制。
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CN103647298A (zh) * 2013-11-27 2014-03-19 中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心 一种全电流型复合高压直流输电系统

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