CN108233689B - 一种功率变换装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种功率变换装置，包括1个主模块及N个从模块，所述装置还包括N个第一旁路开关与1个第二旁路开关(N≥1)，所述N个第一旁路开关与N个从模块并联连接，其中第二旁路开关一端与主模块的始端连接，另一端与第N个从模块的尾端连接，还包括一种该装置的控制方法，此种控制方法可以实现主模块外部对应的旁路开关闭合时将所有与其有配合工作关系的附属从模块同时旁路，而任一从模块故障时，只需闭合自身的旁路开关，其他模块正常运行，该装置以及方法简单实用，可靠性高。

Description

一种功率变换装置及控制方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子功率变换领域，特别涉及一种带有旁路开关的功率变换装置及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术发展，通过换流阀子模块单元级联实现高电压输出，不需要开关器件的直接级联，对器件一致触发要求低，此外还具有功率扩展性好等优点，因此大功率电力电子变换器模块化设计技术获得了广泛的研究和应用。

采用模块化设计的电力电子变换器，为了实现子模块故障不影响整个变换器系统的正常运行，引入了冗余设计技术，即某个子模块发生故障时，闭合其外部的旁路开关，旁路开关由于低阻抗特性，电流会从其流过，从而使故障子模块从正常系统退出，不影响整个系统的持续正常运行，提高了系统运行的可靠性。

采用在子模块外部并联旁路开关的模块化冗余设计技术获得了广泛的研究和应用。譬如采用链式子模块级联结构的静态无功补偿装置(SVG)，采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel CoNverter，MMC)拓扑结构的柔性直流输电装置。

由于柔性直流输电网络的低阻尼特性导致系统发生短路故障时，故障初期电流上升率达到数千安每毫秒级别，目前常用的基于半桥结构的模块化多电平换流阀子模块由于全控型开关器件反并联续流二极管的存在，在直流侧故障时，通常无法采用控制或者闭锁换流器的方法来限制短路电流，一般只能通过断开交流侧断路器来分断故障电流，导致了系统故障后无法实现快速恢复，国内学者提出在桥臂中串入一定数量阻尼子模块实现系统的故障阻尼及故障后快速恢复。由于阻尼子模块需要从半桥功率子模块取能，当半桥功率模块故障旁路时，阻尼子模块由于取能失败等原因可能无法跟随旁路，而此时，由于没有供能输入阻尼子模块内部板卡及电力电子半导体器件将不能正常驱动工作，从而导致整个换流站故障停运。

鉴于以上分析，本发明人提出一种功率变换装置，可以实现半桥子模块内部故障，其旁路开关闭合后将需要从其电容取能的附属阻尼模块一起可靠旁路，提高了系统运行的可靠性，此种发明可以延伸至所有类似具有配合工作关系的子模块旁路功能设计。

发明内容

针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是实现主模块外部对应的旁路开关闭合时将所有与其有配合工作关系的附属从模块同时旁路，而任一从模块故障时，只需闭合自身的旁路开关，其他模块正常运行。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种功率变换装置，包括1个主模块及N个从模块，所述1个主模块及所示N个从模块级联连接，所述装置还包括N个第一旁路开关与1个第二旁路开关(N≥1)，所述N个第一旁路开关分别与N个从模块并联连接，其中第二旁路开关一端与主模块的始端连接，另一端与第N个从模块的尾端连接。

其中，装置中还包括1个第三旁路开关，所述第三旁路开关与主模块并联连接。

其中，所述主模块和从模块可以为半桥连接形式的功率模块。

其中，所述主模块和从模块可以为全桥连接形式的功率模块。

其中，所述从模块可以为一个功率半导体开关器件与电阻的并联连接结构单元。

其中，所述从模块工作时可以从主模块取能也可以自身供能。

本发明还包括一种功率变换装置的控制方法：

当主模块发生故障时，包含如下步骤；

步骤1：主模块停止工作；

步骤2：闭合第二旁路开关；

步骤3：闭合N个第一旁路开关。

当任意一个从模块发生故障时，包含如下步骤；

步骤1：发生故障的从模块停止工作；

步骤2：闭合与发生故障的从模块并联的旁路开关。

当装置中还包括1个第三旁路开关时，控制方法如下：

步骤1：对模块进行编号，主模块编号为1，从模块编号为2～M，M≥2；

步骤2：发生故障的模块停止工作；

步骤3：闭合与发生故障的模块并联的旁路开关；

步骤4：记录故障模块的编号；

步骤5：根据模块编号判断故障是主模块还是从模块，如果编号为1即为主模块，其他为从模块；

步骤6：如果是主模块，闭合第二旁路开关，如果是从模块，不做处理。

本发明所述一种功率变换装置及控制方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)可以实现主模块外部对应的旁路开关闭合时将所有与其有配合工作关系的从模块同时旁路，保持了附属从模块与主模块的旁路状态一致性。

(2)任一从模块内部发生故障，其外部对应旁路开关闭合后，只有其自身从系统中旁路，其他模块保持不旁路状态，继续流过系统电流，保证了系统持续运行可靠性。

(3)通过主模块旁路开关与从旁路开关配合，实现了对任意故障的有效隔离，大大提高了装置的可靠性。

附图说明

图1是本发明功率变换装置的第一实施例；

图2是本发明功率变换装置的第二实施例；

图3是本发明功率变换装置中主模块的第一实施例；

图4是本发明功率变换装置中主模块的第二实施例；

图5是本发明功率变换装置中从模块的实施例。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

一种功率变换装置，第一实施例如图1所示，包括1个主模块及N个从模块，所述1个主模块及所示N个从模块级联连接，所述装置还包括N个第一旁路开关与1个第二旁路开关(N≥1)，所述N个第一旁路开关分别与N个从模块并联连接，其中第二旁路开关一端与主模块的始端连接，另一端与第N个从模块的尾端连接，从模块的输出端AB与旁路开关的输出端CD并联连接，第二旁路开关的一端C与主模块的始端A连接，另一端D与第N个从模块的尾端B连接。

其中，本发明还包括第二实施例，如图2所示，包括1个主模块及N个从模块，所述装置还包括N个第一旁路开关与1个第二旁路开关(N≥1)，所述N个第一旁路开关与N个从模块并联连接，其中第二旁路开关一端与主模块的始端连接，另一端与第N个从模块的尾端连接，如图1所示，从模块的输出端AB与旁路开关的输出端CD并联连接，第二旁路开关的一端C与主模块的始端A连接，另一端D与第N个从模块的尾端B连接；还包括第三旁路开关，第三旁路开关的输出端CD与主模块的输出端AB并联连接。

其中，所述主模块和从模块可以为半桥连接形式的功率模块，如图3所示。

其中，所述主模块和从模块可以为全桥连接形式的功率模块，如图4所示。

其中，所述从模块可以为一个功率半导体开关器件与电阻的并联连接结构单元，如图5所示。

其中，所述从模块工作时可以从主模块取能也可以自身供能。

本发明还包括功率变换装置的控制方法，其中针对实施例一，方法如下：

当主模块发生故障时，包含如下步骤；

步骤1：主模块停止工作；

步骤2：闭合第二旁路开关；

步骤3：闭合N个第一旁路开关。

当任意一个从模块发生故障时，包含如下步骤；

步骤1：发生故障的从模块停止工作；

步骤2：闭合与发生故障的从模块并联的旁路开关。

其中针对实施例二，方法如下：

当主模块或任意一个从模块发生故障时，包含如下步骤；

步骤1：对模块进行编号，主模块编号为1，从模块编号为2～M，M≥2；

步骤2：发生故障的模块停止工作；

步骤3：闭合与发生故障的模块并联的旁路开关；

步骤4：记录故障模块的编号；

步骤5：根据模块编号判断故障是主模块还是从模块，如果编号为1即为主模块，其他为从模块；

步骤6：如果是主模块，闭合第二旁路开关，如果是从模块，不做处理。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。

Claims (8)

1.一种功率变换装置，包括1个主模块及N个从模块，所述1个主模块及所述N个从模块级联连接，其特征在于，所述装置还包括N个第一旁路开关与1个第二旁路开关，N为大于1的自然数，所述N个第一旁路开关分别与N个从模块并联连接，其中第二旁路开关一端与主模块的始端连接，另一端与第N个从模块的尾端连接，所述从模块工作时从主模块取能；当主模块发生故障时，闭合第二旁路开关，任一从模块故障时，闭合对应的第一旁路开关。

2.如权利要求1所述的一种功率变换装置，其特征在于：装置中还包括1个第三旁路开关，所述第三旁路开关与主模块并联连接。

3.如权利要求1所述的一种功率变换装置，其特征在于：所述主模块和从模块为半桥连接形式的功率模块。

4.如权利要求1所述的一种功率变换装置，其特征在于：所述主模块和从模块为全桥连接形式的功率模块。

5.如权利要求1所述的一种功率变换装置，其特征在于：所述从模块为一个功率半导体开关器件与电阻的并联连接结构单元。

6.如权利要求1所述的一种功率变换装置的控制方法，其特征在于：当主模块发生故障时，控制方法包含如下步骤；

步骤1：主模块停止工作；

步骤2：闭合第二旁路开关

步骤3：闭合N个第一旁路开关。

7.如权利要求1所述的一种功率变换装置的控制方法，其特征在于：当任意一个从模块发生故障时，控制方法包含如下步骤；

步骤1：发生故障的从模块停止工作；

步骤2：闭合与发生故障的从模块并联的旁路开关。

8.如权利要求2所述的一种功率变换装置的控制方法，其特征在于：当任意一个模块发生故障时，控制方法包含如下步骤；

步骤1：对模块进行编号，主模块编号为1，从模块编号为2～M，M≥2；

步骤2：发生故障的模块停止工作；

步骤3：闭合与发生故障的模块并联的旁路开关；

步骤4：记录故障模块的编号；

步骤5：根据模块编号判断故障是主模块还是从模块，如果编号为1即为主模块，其他为从模块；

步骤6：如果是主模块，闭合第二旁路开关，如果是从模块，不做处理。

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