CN111600497A - 抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥换流器 - Google Patents

抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥换流器 Download PDF

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Abstract

本发明应用于直流输电领域，公开了一种抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥换流器，包括：换流变压器、串联二极管桥辅助电路及多个桥臂；串联二极管桥辅助电路，电性连接于换流变压器；串联二极管桥辅助电路电性连接于每一桥臂的交流端；串联二极管桥辅助电路为具有双向耐压和双向通流能力的拓扑结构，在即将发生换相失败的时刻，通过直接增大换相电压，获得更大的换相面积，以提高串联双向二极管桥换流器的抵御换相失败能力。本发明的串联双向二极管桥换流器利用具有双向耐压和双向通流能力的二极管桥辅助电路，提高混合换流器的抵御换相失败能力。

Description

抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥换流器
技术领域
本发明属于直流输电领域，尤其涉及一种抑制高压直流换相失败的串 联双向二极管桥换流器。
背景技术
高压直流输电技术(HVDC，High-Voltage Direct Current)利用稳定的直 流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远 距离直流输电。高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电， 然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。 它基本上由两个换流站和直流输电线组成，两个换流站与两端的交流系统 相连接。高压直流输电系统的设备包括：换流器、换流变压器、平波电抗 器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。换流器是高压直流输电 的核心设备，是影响HVDC系统性能、运行方式、设备成本以及运行损耗等 的关键因素。换流器实现直流电交流电相互转换，当其工作在整流(或逆变) 状态时，又称为整流器(或逆变器)。一般由两个或多个换流桥组成换流系统， 实现交流变直流、流变交流的功能。
高压直流输电技术由于其输送容量大、损耗低、可靠性高等优势，目 前被广泛应用。而换相失败是直流输电系统发生概率较高的故障之一。在 换流器中，退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力， 或者在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变成正向时，被换 相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况称为换相失败。将 会导致换流阀闭锁，中断直流系统的输电通道，严重的情况下可能会导致 电网崩溃。
传统高压直流输电换流器采用晶闸管组成三相桥式整流作为基本单 元，每个桥臂均由晶闸管阀串组成，由于晶闸管阀串无法主动控制电流关 断，换流器具有较大的换流电流和无功支撑，存在换相失败的风险，可靠 性有待提高。
因此，急需开发一种克服上述缺陷的抑制高压直流换相失败的串联双 向二极管桥换流器。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种抑制高压直流换相失败的串联双向二 极管桥换流器，其中，包括：
换流变压器；
串联二极管桥辅助电路，电性连接于所述换流变压器；
多个桥臂，所述串联二极管桥辅助电路电性连接于每一所述桥臂的交 流端；
其中，所述串联二极管桥辅助电路为具有双向耐压和双向通流能力的 拓扑结构，在即将发生换相失败的时刻，通过直接增大换相电压，获得更 大的换相面积，以提高串联双向二极管桥换流器的抵御换相失败能力。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，所述串联二极管桥辅助电路 包括对应于多个所述桥臂的多个耐压单元，每一所述耐压单元对应地电性 连接于每一所述桥臂的交流端。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，每一所述耐压单元包括电性 连接的至少一耐压模块，每一所述耐压模块包括至少一逆阻型电力电子器 件，至少一所述逆阻型电力电子器件串联连接后的一端电性连接于所述换 流变压器，至少一所述逆阻型电力电子器件串联连接后的另一端电性连接 于所述桥臂。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，每一所述耐压模块还包括至 少一双向二极管桥结构，每一所述逆阻型电力电子器件应地电性连接于每 一所述双向二极管桥结构。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，所述逆阻型电力电子器件为 具有双向阻断能力的IGCT、GTO及IGBT改进型可关断器件中的至少一个。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，所述逆阻型电力电子器件为 不具有双向阻断能力的IGCT或GTO或GBT可关断器件与二极管串联组合。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，每一桥臂均由可关断管阀串 组成，每个可关断管阀串由m个可关断管串联组成，m为大于1的正整数， 其中，前一个可关断管的阳极与后一个可关断管的阴极相连实现串联；其 中，每一所述桥臂中的第一桥臂中可关断管阀串第一端的可关断管的阴极 与直流电压正极连接，可关断管阀串第二端的可关断管的阳极与三相交流 电连接点连接；每一所述桥臂中的第二桥臂中可关断管阀串第一端的可关断管的阴极与三相交流电连接点连接，可关断管阀串第二端的可关断管的 阳极与直流电压负极连接。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，每一桥臂均由一个可关断管 组成，其中，每一所述桥臂中的第一桥臂中可关断管的阴极与直流电压正 极连接，阳极与三相交流电连接点连接，每一所述桥臂中第二桥臂中可关 断管的阴极与三相交流电连接点连接，阳极与直流电压负极；其中，可关 断管为一个不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可关断器件与一 个二极管串联组合，其中，二极管的阳极与可关断器件的阴极相连，可关 断管中的二极管的阴极为可关断管的阴极，可关断管中的可关断器件的阳 极为可关断管的阳极。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，每一桥臂均由晶闸管阀串和 一个可关断管阀串组成，每个晶闸管阀串由k个晶闸管串联组成，k为大于 等于1的整数，其中，前一个晶闸管的阳极与后一个晶闸管的阴极相连实 现串联；其中，每一所述桥臂中的第一桥臂中晶闸管阀串的阴极与直流电 压正极连接，晶闸管阀串的阳极与可关断管阀串的阴极相连；每一所述桥 臂中的第二桥臂中晶闸管阀串的阴极与三相交流电连接点连接，晶闸管阀 串的阳极与可关断管阀串的阴极相连。
上述的串联双向二极管桥换流器，其中，所述可关断管为具有反向阻 断能力的IGCT或GTO或IGBT改进型可关断器件中的一种或多种，或， 所述可关断管为不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可关断器件 与二极管串联组合。
本发明针对于现有技术其功效在于：利用具有双向耐压和双向通流能 力的二极管桥辅助电路，串联在换流器每相桥臂的交流侧和换流变压器阀 侧之间，在即将发生换相失败的时刻，利用器件耐压直接增大换相电压， 从而争取更大的换相面积，增强换流器的换相免疫力，减少换相失败故障 发生次数，提高混合换流器的抵御换相失败能力，从而最终进一步提升直 流电网的可靠性，减少故障率，增加传输容量，提升对国民经济的促进作用。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从 说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其 他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获 得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明联双向二极管桥换流器的结构示意图；
图2为耐压模块的结构示意图；
图3为根据本发明第一种具体实施方式的换流器的可关断管阀串的结 构示意图；
图4为桥臂另一实施例的构示意图；
图5为根据本发明第二种具体实施方式的换流器的可关断管阀串的结 构示意图；
图6为根据本发明第三种具体实施方式的换流器的可关断管阀串的结 构示意图。
其中，附图标记为；
换流变压器：11
串联二极管桥辅助电路：12
耐压单元：121、122、123
耐压模块：SM1…SMn
逆阻型电力电子器件：Q1…Qm
二极管：D1、D2、D3、D4
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说 明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等， 均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”。
关于本文中的“连接”、“电性连接”包括两个元器件之间的直接连 接，也包括两个元器件之间通过其他元器件或电路进行连接的间接连接。
本发明的目的是提出一种抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥 换流器。针对现有的高压直流输电换流器存在且发生的换相失败的故障问 题，采用抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥的换流器，可以提高 换流器的抵御换相失败能力，从而减少换相失败故障发生次数。
请参照图1，图1为本发明联双向二极管桥换流器的结构示意图。如图 1所示，本发明的抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥换流器1包括： 换流变压器11、串联二极管桥辅助电路12及多个桥臂；串联二极管桥辅助 电路12电性连接于所述换流变压器11；所述串联二极管桥辅助电路12电 性连接于每一所述桥臂的交流端；其中，所述串联二极管桥辅助电路12为 具有双向耐压和双向通流能力的拓扑结构，在即将发生换相失败的时刻，通过直接增大换相电压，获得更大的换相面积，以提高串联双向二极管桥 换流器的抵御换相失败能力。
具体地说，如图1所示，在本实施例中，换流变压器11为三相换流变 压器，三相换流变压器的阀侧电性连接于串联二极管桥辅助电路12，串联 二极管桥辅助电路12串联连接于每相桥臂的交流端。
进一步地，所述串联二极管桥辅助电路12包括对应于多个所述桥臂的 多个耐压单元，每一所述耐压单元对应地电性连接于每一所述桥臂的交流 端。每一所述耐压单元包括电性连接的至少一耐压模块SM1…SMn，每一 所述耐压模块SM1…SMn包括至少一逆阻型电力电子器件Q1…Qm，至少 一所述逆阻型电力电子器件Q1…Qm串联连接后的一端电性连接于所述换 流变压器11，至少一所述逆阻型电力电子器件Q1…Qm串联连接后的另一 端电性连接于所述桥臂。
具体地说，请参照图3，图3为根据本发明第一种具体实施方式的换流 器的可关断管阀串的结构示意图。如图1和图3所示，在本实施例中，包 括三个耐压单元121、122、123，三个耐压单元121、122、123的一端均电 性连接于三相换流变压器，耐压单元121的另一端分别电性连接于桥臂Ap、 An的交流端，耐压单元122的另一端分别电性连接于桥臂Bp、Bn的交流 端，耐压单元123的另一端分别电性连接于桥臂Cp、Cn的交流端。三个耐 压单元121、122、123中的每一耐压单元均包括多个耐压模块SM1…SMn， 多个耐压模块SM1…SMn串联连接后的一端电性连接于所述换流变压器11， 另一端电性连接于所述桥臂，其中每一耐压模块包括至少一个逆阻型电力 电子器件Q1…Qm，当耐压模块包括多个逆阻型电力电子器件时，逆阻型 电力电子器件Q1…Qm串联连接形成阀串。
在换流器的每相桥臂的交流端与换流变压器阀侧之间，串联进一定数 量的逆阻型电力电子器件，利用其双向耐压的能力，在即将发生换相失败 故障时，直接增大对应相换流阀的换相电压，以抵御换相失败的发生。
其中，需要说明的是，在本发明的一个实施例中，所述逆阻型电力电 子器件为具有双向阻断能力的IGCT、GTO及IGBT改进型可关断器件中的 至少一个。
其中，需要说明的是，在本发明的另一个实施例中，所述逆阻型电力 电子器件为不具有双向阻断能力的IGCT或GTO或GBT可关断器件与二极 管串联组合。
进一步地，请参照图2，图2为耐压模块的结构示意图。如图2所示， 每一所述耐压模块包括至少一双向二极管桥结构，双向二极管桥结构包括 四个二极管D1、D2、D3、D4，每一所述逆阻型电力电子器件应地电性连 接于每一所述双向二极管桥结构。基于此种结构，直接增大交流故障期间 的换相电压，从而更好地抵御换相失败。
由于逆阻型电力电子器件可以双向耐压，但不可双向通流。而串联在 每相桥臂的交流端与换流变压器阀侧之间，需要具备双向通流的能力。为 此，为每个逆阻型电力电子器件配置双向二极管桥结构，使其能够双向通 流。
更进一步地，每一桥臂均由晶闸管阀串和一个可关断管阀串组成，每 个晶闸管阀串由k个晶闸管串联组成，k为大于等于1的整数，其中，前一 个晶闸管的阳极与后一个晶闸管的阴极相连实现串联；其中，多个所述桥 臂中的第一桥臂中晶闸管阀串的阴极与直流电压正极连接，晶闸管阀串的 阳极与可关断管阀串的阴极相连；多个所述桥臂中的第二桥臂中晶闸管阀 串的阴极与三相交流电连接点连接，晶闸管阀串的阳极与可关断管阀串的 阴极相连。
具体地说，再请参照图1，在本实施例中，换流器共有6个完全相同的 桥臂(Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn)，每个桥臂均由晶闸管阀串和可关断管阀 串组成，每个晶闸管阀串由k个晶闸管(S1～Sk)串联组成，k为大于等于1 的正整数，每个可关断管阀串由m个可关断管(Q1……Qm)串联组成，m为 大于等于1的正整数，其中，前一个晶闸管的阳极与后一个晶闸管的阴极 相连实现串联，晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点为T。P点和N点分别 为直流电压连接点，P为正极，N为负极，A、B、C点连接三相交流电。 其中，所述晶闸管为单向晶闸管，所述可关断管可以为上述任一种可关断 管结构。在所述桥臂的第一桥臂(Ap、Bp、Cp)中，晶闸管阀串第一端的晶 闸管(S1)的阴极与直流电压正极(P)连接，晶闸管阀串第二端的晶闸管(Sk) 的阳极与所述晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点T连接；所述多个桥臂中的第二桥臂(An、Bn、Cn)中晶闸管阀串第一端的晶闸管(S1)中的晶闸管 的阴极与三相交流电连接点(A、B、C)连接，晶闸管阀串第二端的晶闸管 (Sk)的阳极与所述晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点T连接。
需要说明的是，所述可关断管阀串中的可关断管为具有反向阻断能力 的IGCT或GTO或IGBT改进型可关断器件中的一种或多种，或，所述可 关断管阀中的可关断管为不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可 关断器件与二极管串联组合，其中，二极管的阳极与可关断器件的阴极相 连，可关断管中的二极管的阴极为可关断管的阴极，可关断管中的可关断 器件的阳极为可关断管的阳极。
具体地说，请参照图5-图6，图5是示出根据本发明第二种具体实施方 式的换流器的可关断管阀串的结构示意图；图6是示出根据本发明第三种 具体实施方式的换流器的可关断管阀串的结构示意图。
如图3所示，更具体地，在该实施例中，所述可关断管为具有双向阻 断能力的IGCT或GTO或IGBT等改进型可关断器件(如3所示)。当所述 可关断管阀串为一个所述可关断管结构时，可关断管Q1的阴极(或发射极) 与连接点T相连。当所述可关断管阀串为两个或两个以上所述可关断管结 构串联时，Qi的阴极(或发射极)与Qi-1的阳极(或集电极)相连，可关断管 阀中可关断管Q1的阴极(或发射极)与连接点T相连。
如图6所示，更具体地，在该实施例中，所述可关断管阀串中的可关 断管结构为不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT等可关断器件与 二极管串联的组合(如图6所示)。其中，二极管的阳极与可关断器件的阴 极(或发射极)相连，形成一个可关断管结构Qi。本实施例中，可关断管阀 串可以为一个所述可关断管结构，也可以为两个或以上的所述可关断管结 构串联而成。更具体地，当所述可关断管阀串为一个所述可关断管结构， 可关断管结构Q1中二极管的阴极与连接点T相连；当所述可关断管阀串为
更具体地，在该实施例中，所述可关断管阀串中的可关断管结构为不具有 反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT等可关断器件与二极管反并联组合(如 图6所示)。其中，所述反并联组合具体指，二极管的阳极与可关断器件的阴极 (或发射极)相连，二极管的阴极与可关断器件的阳极(或集电极)相连。本实施例 中，可关断管阀串可以为一个所述可关断管结构，也可以为两个或以上的所述 可关断管结构串联而成，更具体地，当所述可关断管阀串为一个所述可关断管 结构，可关断管Q1中二极管的阴极与连接点T相连；当所述可关断管阀串为 两个或两个以上可关断管串联时，Qi中可关断器件的阳极(或集电极)与Qi-1 中可关断器件的阴极(或发射极)相连，可关断管阀串中可关断管Q1中的可关断 器件的阳极(或集电极)与连接点T相连，也即可关断管阀串中可关断管Q1中的 二极管的阴极(或发射极)与连接点T相连。
本发明提供的混合换流器，因为采用了特定可关断管结构的桥臂，以 及可关断管阀串与晶闸管阀串串联结构的桥臂，以及特定的连接方式，因 而减少换相失败风险。
请参照图4，图4为桥臂另一实施例的构示意图。如图4所示，在本实 施例中，每一桥臂均由可关断管阀串组成，每个可关断管阀串由m个可关 断管串联组成，m为大于1的正整数，其中，前一个可关断管的阳极与后 一个可关断管的阴极相连实现串联；其中，多个所述桥臂中的第一桥臂中 可关断管阀串第一端的可关断管的阴极与直流电压正极P连接，可关断管 阀串第二端的可关断管的阳极与三相交流电连接点连接；多个所述桥臂中 的第二桥臂中可关断管阀串第一端的可关断管的阴极与三相交流电连接点 连接，可关断管阀串第二端的可关断管的阳极与直流电压负极N连接。
在本发明的又一实施例中，每一桥臂均由一个可关断管组成，其中， 多个所述桥臂中的第一桥臂中可关断管的阴极与直流电压正极连接，阳极 与三相交流电连接点连接，多个所述桥臂中第二桥臂中可关断管的阴极与 三相交流电连接点连接，阳极与直流电压负极；其中，可关断管为一个不 具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可关断器件与一个二极管串联 组合，其中，二极管的阳极与可关断器件的阴极相连，可关断管中的二极 管的阴极为可关断管的阴极，可关断管中的可关断器件的阳极为可关断管 的阳极。
综上所述，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明提出的新型的抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥的换 流器，利用具有双向耐压和双向通流能力的拓扑结构，串联在换流器每相 桥臂的交流侧和换流变压器阀侧之间，在即将发生换相失败的时刻，利用 器件耐压直接增大换相电压，从而争取更大的换相面积，增强换流器的换 相免疫力，减少换相失败故障发生次数，提高混合换流器的抵御换相失败 能力，从而最终进一步提升直流电网的可靠性，减少故障率，增加传输容 量，提升对国民经济的促进作用。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相 应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，包括：
换流变压器；
串联二极管桥辅助电路，电性连接于所述换流变压器；
多个桥臂，所述串联二极管桥辅助电路电性连接于每一所述桥臂的交流端；
其中，所述串联二极管桥辅助电路为具有双向耐压和双向通流能力的拓扑结构，在即将发生换相失败的时刻，通过直接增大换相电压，获得更大的换相面积，以提高串联双向二极管桥换流器的抵御换相失败能力。
2.如权利要求1所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，所述串联二极管桥辅助电路包括对应于多个所述桥臂的多个耐压单元，每一所述耐压单元对应地电性连接于每一所述桥臂的交流端。
3.如权利要求2所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，每一所述耐压单元包括电性连接的至少一耐压模块，每一所述耐压模块包括至少一逆阻型电力电子器件，至少一所述逆阻型电力电子器件串联连接后的一端电性连接于所述换流变压器，至少一所述逆阻型电力电子器件串联连接后的另一端电性连接于所述桥臂。
4.如权利要求3所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，每一所述耐压模块还包括至少一双向二极管桥结构，每一所述逆阻型电力电子器件应地电性连接于每一所述双向二极管桥结构。
5.如权利要求3所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，所述逆阻型电力电子器件为具有双向阻断能力的IGCT、GTO及IGBT改进型可关断器件中的至少一个。
6.如权利要求3所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，所述逆阻型电力电子器件为不具有双向阻断能力的IGCT或GTO或GBT可关断器件与二极管串联组合。
7.如权利要求1所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，每一桥臂均由可关断管阀串组成，每个可关断管阀串由m个可关断管串联组成，m为大于1的正整数，其中，前一个可关断管的阳极与后一个可关断管的阴极相连实现串联；其中，每一所述桥臂中的第一桥臂中可关断管阀串第一端的可关断管的阴极与直流电压正极连接，可关断管阀串第二端的可关断管的阳极与三相交流电连接点连接；每一所述桥臂中的第二桥臂中可关断管阀串第一端的可关断管的阴极与三相交流电连接点连接，可关断管阀串第二端的可关断管的阳极与直流电压负极连接。
8.如权利要求1所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，每一桥臂均由一个可关断管组成，其中，每一所述桥臂中的第一桥臂中可关断管的阴极与直流电压正极连接，阳极与三相交流电连接点连接，每一所述桥臂中第二桥臂中可关断管的阴极与三相交流电连接点连接，阳极与直流电压负极；其中，可关断管为一个不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可关断器件与一个二极管串联组合，其中，二极管的阳极与可关断器件的阴极相连，可关断管中的二极管的阴极为可关断管的阴极，可关断管中的可关断器件的阳极为可关断管的阳极。
9.如权利要求1所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，每一桥臂均由晶闸管阀串和一个可关断管阀串组成，每个晶闸管阀串由k个晶闸管串联组成，k为大于等于1的整数，其中，前一个晶闸管的阳极与后一个晶闸管的阴极相连实现串联；其中，每一所述桥臂中的第一桥臂中晶闸管阀串的阴极与直流电压正极连接，晶闸管阀串的阳极与可关断管阀串的阴极相连；每一所述桥臂中的第二桥臂中晶闸管阀串的阴极与三相交流电连接点连接，晶闸管阀串的阳极与可关断管阀串的阴极相连。
10.如权利要求7-9中任一项所述的串联双向二极管桥换流器，其特征在于，所述可关断管为具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT改进型可关断器件中的一种或多种，或，所述可关断管为不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可关断器件与二极管串联组合。
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