CN109245557A - 一种模块式变流装置、组合型换流器以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块式变流装置，所述装置包括至少一个双级变换器、一个正极开关和一个负极开关；所述双极变换器包括一个交直变换器和一个直直变换器，所述交直变换器可实现交流电与直流电的变换，所述直直变换器可实现直流电与直流电之间幅值的变换，所述双级变换器输入端和输出端相互串联；本发明还公开了一种由模块式变流装置构成的组合型换流器以及控制方法，所述组合型换流器可通过开关的切换，实现换流器内模块式变流装置串并联方式的重新组合，对负载的电压和电流需求有更大的适用范围，成本低，可靠性高，且易于实现。

Description

一种模块式变流装置、组合型换流器以及控制方法
技术领域
本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种模块式变流装置、组合型换流器及控制方法。
背景技术
高压大容量的电力电子装置定制性较强，通常是根据实际的应用场合设计参数，拓扑结构一旦确定后，整个装置的适用参数范围就确定了，一旦需求变化，就需要对原有的装置进行改造，改造的成本高、难度大；对于某些特定的应用场合，如利用电力电子装置对直流线路进行融冰，融冰的线路的长度不确定，等效的负载电阻不确定，对装置的工作范围要求更高。因此，需要一种通用性更强的电力电子装置，在不增加太多成本的前提下，满足更高工作范围的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种模块式变流装置、以及利用模块式变流装置构成的组合型换流器，通过开关的切换可实现换流器拓扑结构串并联方式的任意组合，本发明还提出了使用上述装置的控制方法。
为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：
一种模块式变流装置，所述装置包括至少一个双级变换器、一个正极开关和一个负极开关；所述双极变换器包括一个交直变换器和一个直直变换器，所述交直变换器可实现交流电与直流电的变换，所述直直变换器可实现直流电与直流电之间幅值的变换，所述交直变换器的直流输出端与直直变换器的直流输入端连接；所述所有直直变换器的直流输出正极与正极开关的一端连接，正极开关的另一端作为模块式变流装置正极；直流输出负极与负极开关的一端连接，负极开关的另一端作为模块式变流装置负极。
其中，所述交直变换器可以是由至少四组功率半导体开关器件以及电容构成的单相全桥变换器。
其中，所述交直变换器可以是由至少两组功率半导体开关器件以及电容构成的单相半桥变换器。
其中，所述直直变换器包括两组单相全桥变换器以及隔离变压器，第一单相全桥变换器的直流输入侧为直直变换器的直流输入端，输出交流侧与隔离变压器的原边连接，隔离变压器的副边与第二单相全桥变换器的交流输入侧连接，第二单相全桥变换器的直流输出侧为直直变换器的直流输出端。
其中，所述直直变换器还包括电感与电容的串联连接，所述串联连接连接在第一单相全桥变换器的输出交流侧与隔离变压器的原边之间。
其中，所述装置还包括第一旁路开关，所述第一旁路开关并联在装置的交流输入端口。
其中，所述装置还包括第二旁路开关，所述第二旁路开关并联在直直变换器的直流输出正极与负极之间。
本发明还公开了一种组合型换流器，所述组合型换流器包含N个模块式变流装置，其中N为大于等于2的整数，所述组合型换流器还包括N-1个连接开关；所述N个模块式变流装置的交流输入端口依次串联连接，首端和尾端定义为组合型换流器的交流输入端口；所述N个模块式变流装置的正极相连，构成组合型换流器的直流输出正端，所述N个模块式变流装置的负极相连，构成组合型换流器的直流输出负端；第一个直直变换器的直流输出负极通过第一连接开关与第二个直直变换器的直流输出正极连接，第二个直直变换器的直流输出负极通过第二连接开关与第三个直直变换器的直流输出正极连接，依次类推，第N-1直直变换器的直流输出负极通过第N-1连接开关与第N个直直变换器的直流输出正极连接。
本发明还公开了一种组合型换流器的控制方法
(1)当组合型换流器启动时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤1：定义N＝m×n，m为串联连接的模块式变流装置的数量，n为并联连接的模块式变流装置的数量，m和n均为整数，列出所有可能的串并联组合情况；
步骤2：定义每个模块式变流装置的输出电压调节范围为：0～Uc，组合型换流器的输出直流电压给定值为Uo，计算获得m’＝UO/UC，在所有串并联组合中，找出大于m’且与m’最接近的m值，确定串联数m后，通过n＝N/m计算获得并联数量n值；设定每个模块式变流装置的电压给定值为U’c,U'C＝UO/m；
步骤3：将数量为m的模块式变流装置相互串联构成一组，共分为n组，闭合每组内部的连接开关，分开每组之间外部的连接开关；将每组的第一模块式变流装置中的正极开关和第m模块式变流装置中的负极开关闭合，分开其他正极开关和负极开关；
步骤4：组合型换流器的交流电源启动；
步骤5：模块式变流装置中的交直变换器启动；
步骤6：模块式变流装置中的直直变换器启动；
步骤7：控制n组模块式变流装置的输出均流，每组内m个模块式变流装置的输出均压，每个装置输出电压为U’c，根据指令值调节组合型换流器的输出直流电压Uo；
(2)当组合型换流器运行时，当检测到换流器内部有故障发生时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤21：找出发生故障的模块式变流装置；
步骤22：闭锁发生故障的模块式变流装置的交直变换器以及直直变换器；
步骤23：当换流装置有第一旁路开关和/或第二旁路开关时，闭合发生故障的模块式变流装置的第一旁路开关和/或第二旁路开关；
步骤24：调整控制目标，维持组合型换流器输出电压稳定。
(3)当组合型换流器输出交流电压时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤31：定义N＝m×n，m为串联连接的模块式变流装置的数量，n为并联连接的模块式变流装置的数量，m和n均为整数，列出所有可能的串并联组合情况；
步骤32：定义每个模块式变流装置的输出电压调节范围为：0～Uc，组合型换流器的输出直流电压给定值为Uo，计算获得m’＝UO/UC，在所有串并联组合中，找出大于m’且与m’最接近的m值，确定串联数m后，通过n＝N/m计算获得并联数量n值；设定每个模块式变流装置的电压给定值为U’c,U'C＝UO/m；
步骤33：将数量为m的模块式变流装置相互串联构成一组，共分为n组，闭合每组内部的连接开关，分开每组之间外部的连接开关；将每组的第一模块式变流装置中的正极开关和第m模块式变流装置中的负极开关闭合，分开其他正极开关和负极开关；
步骤34：定义m组模块式变流装置的中部作为交流输出端，定义正母线到交流输出端为上桥臂，定义负母线到交流输出端为下桥臂；
步骤35：组合型换流器的交流电源启动；
步骤36：模块式变流装置中的交直变换器启动；
步骤37：模块式变流装置中的直直变换器启动；
步骤38：控制n组模块式变流装置的输出均流，以交流输出端为正负对称的交流电压为目标，调节m组模块的输出电压为0或Uc。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的模块式变流装置以及组合型换流器通过开关的切换可实现换流器拓扑结构串并联方式的任意组合，使组合型换流器的输出电压以及输出电流覆盖更大的范围，本发明的思想实现了电力电子拓扑结构的重构，无需对装置进行硬件改造，仅增加了成本低且可靠性高的开关，性价比高。
2、本发明每个模块式变流装置均包含隔离变压器，可实现原副边的电气隔离，原副边电压完全解耦，以实现副边的串并联组合，模块化的方式有利于实现各种拓扑形式的组合，除了可实现直流输出，也可以实现交流输出，根据输出电压给定值，通过公式计算和查表的方法获得串并联数量，再通过开关进行切换，方法简单，适用广泛。
3、本发明组合型换流器的交流侧构成一个换流链，换流链的组合可以在交流侧由6个换流链构成的电压源型换流器，也可以由3个换流链构成星型连接的或者角型连接的静止无功发生器，兼有DC/DC，AC/DC以及无功补偿的功能。
4、本发明的模块式变流装置输入侧和输出侧还并联旁路开关，在模块发生故障时可以将故障模块切除，而不影响其他部分运行，极大的提高了装置的可靠性。
附图说明
图1为本发明含有模块式变流装置的组合型换流器的拓扑结构。
图2为本发明的交直变换器的第一实施例。
图3为本发明的交直变换器的第二实施例。
图4为本发明的组合型换流器的第一实施例。
图5为本发明的组合型换流器的第二实施例。
图6为本发明的组合型换流器的第三实施例。
图7为本发明的组合型换流器的第四实施例。
图中标号名称：1、模块式变流装置；2、双级变换器；3、交直变换器；4、直直变换器；5、正极开关；6、负极开关；7、连接开关；8、第一旁路开关；9、第二旁路开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种模块式变流装置1，所述装置包括至少一个双级变换器2、一个正极开关5和一个负极开关6；所述双极变换器包括一个交直变换器3和一个直直变换器4，所述交直变换器可实现交流电与直流电的变换，所述直直变换器可实现直流电与直流电之间幅值的变换；所述交直变换器的直流输出端与直直变换器的直流输入端连接；所述所有直直变换器的直流输出正极与正极开关的一端连接，正极开关的另一端作为模块式变流装置正极；直流输出负极与负极开关的一端连接，负极开关的另一端作为模块式变流装置负极。
如图2所示，所述交直变换器可以是由至少四组功率半导体开关器件以及电容构成的单相全桥变换器。在本实施例中为四组带有反并联二极管的IGBT构成。
如图3所示，所述交直变换器可以是由至少两组功率半导体开关器件以及电容构成的单相半桥变换器。在本实施例中为二组带有反并联二极管的IGBT构成。
其中，所述直直变换器包括两组单相全桥变换器以及隔离变压器，第一单相全桥变换器的直流输入侧为直直变换器的直流输入端，输出交流侧与隔离变压器的原边连接，隔离变压器的副边与第二单相全桥变换器的交流输入侧连接，第二单相全桥变换器的直流输出侧为直直变换器的直流输出端。
其中，所述直直变换器还包括电感与电容的串联连接，所述串联连接连接在第一单相全桥变换器的输出交流侧与隔离变压器的原边之间。
其中，所述装置还包括第一旁路开关8，所述第一旁路开关并联在装置的交流输入端口。
其中，所述装置还包括第二旁路开关9，所述第二旁路开关并联在装置的直直变换器输出正极与负极之间。
如图1所示，本发明还公开了一种组合型换流器，所述组合型换流器包含N个模块式变流装置，其中N为大于等于2的整数，所述组合型换流器还包括N-1个连接开关；所述N个模块式变流装置的交流输入端口依次串联连接，首端和尾端定义为组合型换流器的交流输入端口；所述N个模块式变流装置的正极相连，构成组合型换流器的直流输出正端，所述N个模块式变流装置的负极相连，构成组合型换流器的直流输出负端；第一个直直变换器的直流输出负极通过第一连接开关与第二个直直变换器的直流输出正极连接，第二个直直变换器的直流输出负极通过第二连接开关与第三个直直变换器的直流输出正极连接，依次类推，第N-1直直变换器的直流输出负极通过第N-1连接开关与第N个直直变换器的直流输出正极连接。
如图5所示，本发明还公开了第二种组合型换流器，所述组合型换流器包含N个如权利要求1-7所述的模块式变流装置，其中N为大于等于2的整数，所述组合型换流器还包括N-1个连接开关；所述N个模块式变流装置的交流输入端口依次串联连接，首端和尾端定义为组合型换流器的交流输入端口；N个模块式变流装置的输出侧通过N-1个连接开关依次级联，构成一个换流链，取换流链中部的模块式变流装置的正极或负极引出作为组合型换流器的交流输出端。
本发明还公开了组合型换流器的控制方法：
(1)当组合型换流器启动时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤1：定义N＝m×n，m为串联连接的模块式变流装置的数量，n为并联连接的模块式变流装置的数量，m和n均为整数，列出所有可能的串并联组合情况；
步骤2：定义每个模块式变流装置的输出电压调节范围为：0～Uc，组合型换流器的输出直流电压给定值为Uo，计算获得m’＝UO/UC，在所有串并联组合中，找出大于m’且与m’最接近的m值，确定串联数m后，通过n＝N/m计算获得并联数量n值；设定每个模块式变流装置的电压给定值为U’c,U'C＝UO/m；
步骤3：将数量为m的模块式变流装置相互串联构成一组，共分为n组，闭合每组内部的连接开关，分开每组之间外部的连接开关；将每组的第一模块式变流装置中的正极开关和第m模块式变流装置中的负极开关闭合，分开其他正极开关和负极开关；
步骤4：组合型换流器的交流电源启动；
步骤5：模块式变流装置中的交直变换器启动；
步骤6：模块式变流装置中的直直变换器启动；
步骤7：控制n组模块式变流装置的输出均流，每组内m个模块式变流装置的输出均压，每个装置输出电压为U’c，根据指令值调节组合型换流器的输出直流电压Uo；
以下举例说明本发明的控制方法：
步骤1：在本实施例中，N＝6，即共包含6个模块式变流装置，由5个连接开关将输出侧级联在一起，本实施例中每个模块式变流装置的输出电压调节范围为0～1kV，输出额定电流为1kA。该组合型换流器的串并联数量包括下列组合：
m＝6,n＝1
m＝3,n＝2
m＝2,n＝3
m＝1,n＝6
步骤2：组合型换流器的输出电压给定值为2.7kV，即根据m’＝UO/UC
计算可得m’为2.7，在上面组合中，找出大于m’且与m’最接近的m值，找出m＝3，n＝2，即3串2并，如图2所示。设定每个模块式变流装置的电压给定值为U’c,U'C＝UO/m，U’c为2.7/3＝0.9kV
步骤3：将数量为3的模块式变流装置相互串联构成一组，共分为2组，闭合每组内部的连接开关，分开每组之间外部的连接开关；将每组的第一模块式变流装置中的正极开关和第3模块式变流装置中的负极开关闭合，分开其他正极开关和负极开关；
步骤4：组合型换流器的交流电源启动；
步骤5：模块式变流装置中的交直变换器启动；
步骤6：模块式变流装置中的直直变换器启动；
步骤7：控制2组模块式变流装置的输出均流，每组内3个模块式变流装置的输出均压，每个装置输出电压为0.9kV，根据指令值调节组合型换流器的输出直流电压2.7kV；
由此可见，上述由6个模块式变流装置构成的组合型换流器可以有4种工作组合，在装置总功率守恒的前提下，获得多个电压、电流输出档位，通过指令电压值，可计算出组合型换流器的串并联数量，仅需要开关的切换即可方便的实现串并联组合的调整。
应用场景中，如线路融冰需求，线路长度不同，所需要的融冰电压档位不同，可通过本发明解决电压源型换流器融冰工作范围小的问题。
(2)当组合型换流器运行时，当检测到换流器内部有故障发生时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤21：找出发生故障的模块式变流装置；
步骤22：闭锁发生故障的模块式变流装置的交直变换器以及直直变换器；
步骤23：闭合发生故障的模块式变流装置的第一旁路开关以及第二旁路开关；
步骤24：调整控制目标，维持组合型换流器输出电压稳定。
(3)如图5所示，当组合型换流器输出交流电压时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤31：定义N＝m×n，m为串联连接的模块式变流装置的数量，n为并联连接的模块式变流装置的数量，m和n均为整数，列出所有可能的串并联组合情况；
步骤32：定义每个模块式变流装置的输出电压调节范围为：0～Uc，组合型换流器的输出直流电压给定值为Uo，计算获得m’＝UO/UC，在所有串并联组合中，找出大于m’且与m’最接近的m值，确定串联数m后，通过n＝N/m计算获得并联数量n值；设定每个模块式变流装置的电压给定值为U’c,U'C＝UO/m；
步骤33：将数量为m的模块式变流装置相互串联构成一组，共分为n组，闭合每组内部的连接开关，分开每组之间外部的连接开关；将每组的第一模块式变流装置中的正极开关和第m模块式变流装置中的负极开关闭合，分开其他正极开关和负极开关；
步骤34：定义m组模块式变流装置的中部作为交流输出端，定义正母线到交流输出端为上桥臂，定义负母线到交流输出端为下桥臂；
步骤35：组合型换流器的交流电源启动；
步骤36：模块式变流装置中的交直变换器启动；
步骤37：模块式变流装置中的直直变换器启动；
步骤38：控制n组模块式变流装置的输出均流，以交流输出端为正负对称的交流电压为目标，调节m组模块的输出电压为0或Uc。
本发明还包括第三种实施例，如图6所示：
本发明组合型换流器的交流侧构成一个桥臂，由6个桥臂可构成如图6所示的结构，该结构构造了高压直流端口，高压交流端口，与本发明的低压侧的可组合端口之间可实现能量交换，构成高压DC/DC变换器，以及AC/DC变换器，实现了高变比、多端口(高压直流端口、高压交流端口、可组合的低压直流端口)的应用效果。
本发明还包括第四种实施例，如图7所示：
本发明组合型换流器的交流侧构成一个桥臂，由3个桥臂可构成如图7所示的结构，该结构构造了高压交流端口，可用来做无功补偿功能，与本发明的低压直流端口之间可以进行能量传输，除了无功补偿功能外也可以实现有功的传输，具有广阔的应用前景。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种模块式变流装置，其特征在于，所述装置包括至少一个双级变换器、一个正极开关和一个负极开关；所述双极变换器包括一个交直变换器和一个直直变换器，所述交直变换器实现交流电与直流电的变换，所述直直变换器实现直流电与直流电之间幅值的变换，所述交直变换器的直流输出端与直直变换器的直流输入端连接；所述所有直直变换器的直流输出正极与正极开关的一端连接，正极开关的另一端作为模块式变流装置正极；直流输出负极与负极开关的一端连接，负极开关的另一端作为模块式变流装置负极。
2.如权利要求1所述的一种模块式变流装置，其特征在于：所述交直变换器是由至少四组功率半导体开关器件以及电容构成的单相全桥变换器。
3.如权利要求1所述的一种模块式变流装置，其特征在于：所述交直变换器是由至少两组功率半导体开关器件以及电容构成的单相半桥变换器。
4.如权利要求1所述的一种模块式变流装置，其特征在于：所述直直变换器包括两组单相全桥变换器以及隔离变压器，第一单相全桥变换器的直流输入侧为直直变换器的直流输入端，输出交流侧与隔离变压器的原边连接，隔离变压器的副边与第二单相全桥变换器的交流输入侧连接，第二单相全桥变换器的直流输出侧为直直变换器的直流输出端。
5.如权利要求4所述的一种模块式变流装置，其特征在于：所述直直变换器还包括电感与电容的串联连接，所述串联连接连接在第一单相全桥变换器的输出交流侧与隔离变压器的原边之间。
6.如权利要求1所述的一种模块式变流装置，其特征在于：所述装置还包括第一旁路开关，所述第一旁路开关并联在装置的交流输入端口。
7.如权利要求1所述的一种模块式变流装置，其特征在于：所述装置还包括第二旁路开关，所述第二旁路开关并联在直直变换器的直流输出正极与负极之间。
8.一种组合型换流器，其特征在于，所述组合型换流器包含N个如权利要求1-7任一项所述的模块式变流装置，其中N为大于等于2的整数，所述组合型换流器还包括N-1个连接开关；所述N个模块式变流装置的交流输入端口依次串联连接，首端和尾端定义为组合型换流器的交流输入端口；所述N个模块式变流装置的正极相连，构成组合型换流器的直流输出正端，所述N个模块式变流装置的负极相连，构成组合型换流器的直流输出负端；第一个直直变换器的直流输出负极通过第一连接开关与第二个直直变换器的直流输出正极连接，第二个直直变换器的直流输出负极通过第二连接开关与第三个直直变换器的直流输出正极连接，依次类推，第N-1直直变换器的直流输出负极通过第N-1连接开关与第N个直直变换器的直流输出正极连接。
9.一种基于权利要求8所述组合型换流器的控制方法，其特征在于：当组合型换流器启动时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤1：定义N＝m×n，m为串联连接的模块式变流装置的数量，n为并联连接的模块式变流装置的数量，m和n均为整数，列出所有可能的串并联组合情况；
步骤2：定义每个模块式变流装置的输出电压调节范围为：0～Uc，组合型换流器的输出直流电压给定值为Uo，计算获得m’＝UO/UC，在所有串并联组合中，找出大于m’且与m’最接近的m值，确定串联数m后，通过n＝N/m计算获得并联数量n值；设定每个模块式变流装置的电压给定值为U'c,U'C＝UO/m；
步骤3：将数量为m的模块式变流装置相互串联构成一组，共分为n组，闭合每组内部的连接开关，分开每组之间外部的连接开关；将每组的第一模块式变流装置中的正极开关和第m模块式变流装置中的负极开关闭合，分开其他正极开关和负极开关；
步骤4：组合型换流器的交流电源启动；
步骤5：模块式变流装置中的交直变换器启动；
步骤6：模块式变流装置中的直直变换器启动；
步骤7：控制n组模块式变流装置的输出均流，每组内m个模块式变流装置的输出均压，每个装置输出电压为U’c，根据指令值调节组合型换流器的输出直流电压Uo。
10.一种基于权利要求8所述组合型换流器的控制方法，其特征在于：组合型换流器运行时，当检测到换流器内部有故障发生时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤21：判断发生故障的模块式变流装置；
步骤22：闭锁发生故障的模块式变流装置的交直变换器以及直直变换器；
步骤23：所述换流装置有第一旁路开关和/或第二旁路开关时，闭合发生故障的模块式变流装置的第一旁路开关和/或第二旁路开关；
步骤24：调整控制目标，维持组合型换流器输出电压稳定。
11.一种基于权利要求8所述组合型换流器的控制方法，其特征在于：当组合型换流器输出交流电压时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤31：定义N＝m×n，m为串联连接的模块式变流装置的数量，n为并联连接的模块式变流装置的数量，m和n均为整数，列出所有可能的串并联组合情况；
步骤32：定义每个模块式变流装置的输出电压调节范围为：0～Uc，组合型换流器的输出直流电压给定值为Uo，计算获得m’＝UO/UC，在所有串并联组合中，找出大于m’且与m’最接近的m值，确定串联数m后，通过n＝N/m计算获得并联数量n值；设定每个模块式变流装置的电压给定值为U’c,U'C＝UO/m；
步骤33：将数量为m的模块式变流装置相互串联构成一组，共分为n组，闭合每组内部的连接开关，分开每组之间外部的连接开关；将每组的第一模块式变流装置中的正极开关和第m模块式变流装置中的负极开关闭合，分开其他正极开关和负极开关；
步骤34：定义m组模块式变流装置的中部作为交流输出端，定义正母线到交流输出端为上桥臂，定义负母线到交流输出端为下桥臂；
步骤35：组合型换流器的交流电源启动；
步骤36：模块式变流装置中的交直变换器启动；
步骤37：模块式变流装置中的直直变换器启动；
步骤38：控制n组模块式变流装置的输出均流，以交流输出端为正负对称的交流电压为目标，调节m组模块的输出电压为0或Uc。
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