CN112803798A - 主动换相单元、强迫换相的混合式换流器拓扑结构及方法 - Google Patents

主动换相单元、强迫换相的混合式换流器拓扑结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动换相单元、强迫换相的混合式换流器拓扑结构及方法，其中，主动换相单元设置在换流器的桥臂电路中，其一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，包括：主支路，设置有晶闸管阀和第一控制阀，第一控制阀至少具备单向电压输出或单向可控关断功能；辅助支路，与主支路并联设置，辅助支路上设置有第二控制阀，第二控制阀具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能。通过实施本发明，避免换相失败的发生，保证电网的稳定安全运行。

Description

主动换相单元、强迫换相的混合式换流器拓扑结构及方法
技术领域
本发明涉及电力电子中的换流技术领域，具体涉及一种主动换相单元、强迫换相的混合式换流器拓扑结构及方法。
背景技术
传统的电网换相高压直流(line commutated converter high voltage directcurrent，LCC-HVDC)输电系统具有远距离大容量输电、有功功率可控等优势，在世界范围内广泛应用。换流器作为直流输电的核心装备，是实现交、直流电能转换的核心功能单元，其运行可靠性很大程度上决定了特高压直流电网的运行可靠性。
由于传统换流器多采用半控型器件晶闸管作为核心部件构成六脉动桥换流拓扑，每个桥臂由多级晶闸管及其缓冲部件串联组成，由于晶闸管不具备自关断能力，在交流系统故障等情况下容易发生换相失败，导致直流电流激增和直流传输功率迅速大量损失，影响电网的稳定安全运行。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种主动换相单元、强迫换相的混合式换流器拓扑结构及方法，以解决换相失败而影响电网稳定运行的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种主动换相单元，设置在换流器的桥臂电路中，其一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，包括：主支路，所述主支路上设置有晶闸管阀和第一控制阀，所述第一控制阀至少具备单向电压输出或单向可控关断功能；辅助支路，与所述主支路并联设置，所述辅助支路上设置有第二控制阀，所述第二控制阀具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能。
结合第一方面，在第一方面的第一实施方式中，所述第二控制阀包括：至少一个第一功率单元，所述至少一个功率单元串联设置，所述第一功率单元用于正向电流的可控关断以及正反向电压的阻断；第一缓冲部件，与所述第一功率单元并联设置。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第二实施方式中，所述第一功率单元包括：第一支路，所述第一支路上设置有第一功率器件和第一晶闸管，所述第一功率器件与所述第一晶闸管串联；所述第一功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第三实施方式中，所述第一功率单元包括：第二支路，所述第二支路上设置有至少一个所述第二功率器件，所述至少一个所述第二功率器件串联设置；所述第一功率器件与所述第一晶闸管串联；所述第一功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件；第三支路，与所述第二支路串联；所述第三支路上设置有至少一个第二晶闸管，所述至少一个第二晶闸管串联设置，所述晶闸管具有反向阻断功能。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第四实施方式中，所述第一功率单元包括：第四支路，所述第四支路上设置有两个第三功率器件和一个第三晶闸管，所述两个第三功率器件串联设置；所述两个第三功率器件与所述第三晶闸管串联设置；所述第三功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第五实施方式中，所述第一功率单元包括：第五支路，所述第五支路上设置有至少一个第四功率器件，所述至少一个第四功率器件串联设置，所述第四功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件；第六支路，所述第六支路上设置有至少一个第五功率器件和至少一个第四晶闸管；所述至少一个第五功率器件和所述至少一个第四晶闸管交替设置；所述第五功率器件为具有反向阻断功能的电力电子器件。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第六实施方式中，所述第一功率单元包括：第七支路，所述第七支路上设置有两个第六功率器件、一个第一二极管和一个第五晶闸管，所述两个第三功率器件串联设置；所述两个第六功率器件、所述第一二极管与所述第五晶闸管依次串联；所述第六功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第七实施方式中，所述第一功率单元包括：第八支路，所述第八支路上设置有至少一个第七功率器件，所述至少一个第七功率器件串联设置，所述第七功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件；第九支路，所述第九支路上设置有至少一个第八功率器件、至少一个第二二极管和至少一个第六晶闸管；所述至少一个第八功率器件、所述至少一个第二二极管和所述至少一个第六晶闸管按照所述第八功率器件、所述第二二极管和所述第六晶闸管的顺序依次串联设置；所述第八功率器件为具有反向阻断功能的电力电子器件。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第八实施方式中，所述第一功率单元包括：第十支路，所述第十支路包括第一子支路、第二子支路和第三子支路；所述第一子支路、所述第二子支路、所述第三子支路和所述第一缓冲部件构成H桥结构；所述第一子支路，设置有至少一个第七晶闸管，所述至少一个第七晶闸管串联设置；所述第七晶闸管为单向晶闸管或双向晶闸管；所述第二子支路，并联在所述第一子支路和所述第三子支路之间，所述第二子支路上设置有至少一个第九功率器件，所述至少一个第九功率器件串联设置，所述第九功率器件为全控型电力电子器件；所述第三子支路，与所述第一子支路的结构相同，且所述第三子支路与所述第二子支路并联。
结合第一方面，在第一方面的第九实施方式中，所述晶闸管阀包括：至少一个晶闸管，所述至少一个晶闸管串联设置；至少一个第二缓冲部件，与所述至少一个晶闸管并联或串联。
结合第一方面，在第一方面的第十实施方式中，所述第一控制阀包括：至少一个第二功率单元，所述至少一个第二功率单元串联设置；至少一个第三缓冲部件，与所述至少一个第一功率单元并联。
结合第一方面第十实施方式，在第一方面的第十一实施方式中，所述第二功率单元包括：第十一支路，所述第一支路上设置有第一功率器件，所述第二功率器件为全控型电力电子器件；第十二支路，与所述第一支路并联，所述第二支路上设置有第一电容元件和所述第一功率器件，所述第一功率器件和所述第一电容元件串联。
结合第一方面第十实施方式，在第一方面的第十二实施方式中，所述第二功率单元包括：第十三支路，所述第十三支路上设置有至少一个第十功率器件，所述至少一个第十功率器件串联设置；所述第十功率器件为全控型电力电子器件。
结合第一方面第一实施方式或第九实施方式或第十实施方式，在第一方面的第十三实施方式中，第一缓冲部件和第二缓冲部件均包括：由电容组成的第一缓冲支路；或，电阻和所述电容串联的第二缓冲支路；或，所述电容和所述电阻并联的第三缓冲支路；或，所述电阻和第五二极管并联，再与所述电容串联构成的第四缓冲支路；或，所述电阻和所述电容并联，再与所述第五二极管串联构成的第五缓冲支路；或，避雷器组成的第六缓冲支路；或，所述第一缓冲支路、所述第二缓冲支路、所述第三缓冲支路、所述第四缓冲支路、所述第五缓冲支路和所述第六缓冲支路中的多个并联组成的第七缓冲支路。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种强迫换相的混合式换流器拓扑结构，所述拓扑结构通过换流变压器接入交流电网，所述拓扑结构包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有第一方面或第一方面任一实施方式所述的主动换相单元。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种强迫换相的控制方法，用于如第二方面所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，包括如下步骤：导通强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀；导通所述强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀；关断所述强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的第一控制阀；关断所述强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀；经过一个控制周期后，返回导通所述强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀的步骤，其中，i∈[1,6]。
结合第三方面，在第三方面的第一实施方式中，所述方法还包括：当检测到混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂发生换相失败或短路故障时，获取换相失败或短路故障的持续时长；在所述持续时长达到第一预设时长时，导通第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀以及在持续时长达到第二预设时长时，导通第i个桥臂的主支路的第一控制阀，进行主支路向辅助支路的换流，其中，所述第二预设时长大于等于所述第一预设时长；当第i个桥臂的主支路的电流降低至零时，且所述持续时长达到第三预设时长时，关断第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀和主支路的第一控制阀，其中，第三预设时长大于第二预设时长；在下一控制周期导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀时，导通第i个桥臂的主支路的第一控制阀。
结合第三方面第一实施方式，在第三方面的第二实施方式中，所述方法还包括：第i个桥臂的主支路与辅助支路周期性交替运行。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明实施例提供的主动换相单元包括并联的主支路和辅助支路，主支路设置有晶闸管阀和第一控制阀，第一控制阀至少具备单向电压输出或单向可控关断功能，具有较大的通流能力，承载正常运行电流；辅助支路的第二控制阀具备正反向电压阻断能力。该主动换相单元利用了晶闸管以及第一控制阀可关断和第二控制阀可关断的优点，采用两条支路并联，通过辅助支路实现电流的转移，第二控制阀用于故障时承受较大的关断电压应力，无需长期承受电流应力，从而避免了器件损耗的增加，提高了第二控制阀的利用率。通过在主支路的基础上并联可提供反向电压和具备自关断能力的辅助支路，实现主支路的可靠关断和整个桥臂的主动换相。该主动换相单元正常运行时，辅助支路可保持关断状态，只需承担电压应力；主动换相单元换相失败时立即导通辅助支路，第二控制阀能够将电流转移至辅助支路并为主支路的晶闸管阀提供反向电压，并代替主支路完成换相，从而在较短时间内实现辅助换相功能，避免换相失败的发生。
2.本发明实施例提供的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有主动换相单元。主动换相单元的主支路的第一控制阀可提前关断主支路电流，同时提供反向电压，增大了主支路晶闸管阀换相电压-时间面积，保证其可靠关断，避免出现换相失败的问题，从而保证电网的稳定安全运行。
3.本发明实施例提供的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有主动换相单元。主动换相单元的辅助支路的第二控制阀能够快速转移换相电流，并灵活的控制换相时间。在换相失败时，将主支路的电流转移至辅助支路，通过第二控制阀完成两桥臂间换相，加快了换相失败后换流器的恢复时间。
4.本发明实施例提供的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有主动换相单元。该强迫换相的混合式换流器拓扑结构可随时导通辅助支路，有效降低了主支路的损耗，同时可实现低电压和低关断角运行，从而降低了逆变侧无功功率。
5.本发明实施例提供的强迫换相的控制方法，混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀保持关断状态，通过导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀，实现了强迫换相的混合式换流器拓扑结构能够工作于正常换相运行模式。当出现换相失败或短路故障时，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的第一控制阀，将主支路的电流强迫转移至辅助支路，当电流转移完成时，再关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀，实现强迫换相。经过一个控制周期后，返回导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀的步骤，其中，i∈[1,6]。由此实现了强迫换相的混合式换流器拓扑结构能够工作于正常换相运行模式，即在暂时换相的运行模式下，辅助支路在混合式换流器正常运行时处于关断状态，只承受电压应力，减少了长期运行下的换流器损耗的增加量。辅助支路仅在故障时承受关断电压应力，降低了器件损耗，进而延长了器件的使用寿命。
6.本发明实施例提供的强迫换相的控制方法，在换相失败或短路故障时，控制混合式换流器拓扑结构开启强迫换相的运行模式，避免了换相失败的发生，并在混合式换流器换相过程恢复正常时退出强迫换相的运行模式，辅助支路继续保持关断状态，由主支路独立正常运行，从而实现保证了辅助支路仅在故障时承受关断电压应力，降低了器件损耗，进而延长了器件的使用寿命。
7.本发明实施例提供的强迫换相的控制方法，通过主支路与辅助支路的周期性交替运行，不仅能够抵御换相失败，而且无需对换相失败进行预测。同时保证了混合式换流器工作于小关断角的运行模式，降低了混合式换流器的无功消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是根据本发明实施例的主动换相单元的结构框图；
图2是根据本发明实施例的晶闸管阀的结构框图；
图3是根据本发明实施例的第二控制阀的结构框图；
图4是根据本发明实施例的第二控制阀的另一结构框图；
图5是根据本发明实施例的第二控制阀的另一结构框图；
图6是根据本发明实施例的第二控制阀的另一结构框图；
图7是根据本发明实施例的第二控制阀的另一结构框图；
图8是根据本发明实施例的第二控制阀的另一结构框图；
图9a是根据本发明实施例的第二控制阀的另一结构框图；
图9b是根据本发明实施例的第二控制阀的另一结构框图；
图10是根据本发明实施例的第一控制阀的结构框图；
图11是根据本发明实施例的第一控制阀的另一结构框图；
图12是根据本发明实施例的缓冲部件的结构框图；
图13是根据本发明实施例的强迫换相的混合式换流器拓扑结构的框图；
图14是根据本发明实施例的强迫换相的控制方法的流程图；
图15是根据本发明实施例的正常运行状态的电流流通路径；
图16是根据本发明实施例的正常运行状态的触发控制时序；
图17a是根据本发明实施例的主支路向辅助支路换流的电流流通路径；
图17b是根据本发明实施例的辅助支路通流阶段的电流流通路径；
图17c是根据本发明实施例的辅助支路关断阶段的电流流通路径；
图18是根据本发明实施例的换相失败或短路故障的触发控制时序；
图19是根据本发明实施例的预先检测到换相失败或短路故障时的控制触发时序。
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、完整地描述，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。
换流器作为直流输电的核心装备，是实现交、直流电能转换的核心功能单元，其运行可靠性很大程度上决定了特高压直流电网的运行可靠性。然而，由于传统换流器多采用半控型器件晶闸管作为核心部件构成六脉动桥换流拓扑，每个桥臂由多级晶闸管及其缓冲部件串联组成，由于晶闸管不具备自关断能力，在交流系统故障等情况下容易发生换相失败，导致直流电流激增和直流传输功率迅速大量损失，影响电网的稳定安全运行。
基于此，本发明技术方案利用晶闸管以及具有可关断能力的控制阀的优点，通过提前关断控制阀以保证晶闸管阀拥有足够的关断时间恢复关断能力，实现换流器的可靠关断，避免出现换相失败而影响电网的稳定安全运行。
根据本发明实施例，提供了一种主动换相单元的实施例，该主动换相单元设置在换流器的桥臂电路中。该主动换相单元的一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，如图1所示，该主动换相单元包括：主支路和辅助支路。其中，主支路上设置有晶闸管阀V11和第一控制阀V12；辅助支路与主支路并联设置，在辅助支路上沿换流变压器的输出端至直流母线的方向上设置有第二控制阀V13。第一控制阀V12具备单向电压输出可控关断功能，第二控制阀V13具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能。
本实施例提供的主动换相单元包括并联的主支路和辅助支路，主支路设置有晶闸管阀和第一控制阀，第一控制阀至少具备单向电压输出或单向可控关断功能，具有较大的通流能力，承载正常运行电流；辅助支路的第二控制阀具备正反向电压阻断能力。该主动换相单元利用了晶闸管以及第一控制阀可关断和第二控制阀可关断的优点，采用两条支路并联，通过辅助支路实现电流的转移，第二控制阀用于故障时承受较大的关断电压应力，无需长期承受电流应力，从而避免了器件损耗的增加，提高了第二控制阀的利用率。通过在主支路的基础上并联可提供反向电压和具备自关断能力的辅助支路，实现主支路的可靠关断和整个桥臂的主动换相。该主动换相单元正常运行时，辅助支路可保持关断状态，只需承担电压应力；主动换相单元换相失败时立即导通辅助支路，第二控制阀能够将电流转移至辅助支路并为主支路的晶闸管阀提供反向电压，并代替主支路完成换相，从而在较短时间内实现辅助换相功能，避免换相失败的发生。
可选地，晶闸管阀V11包括至少一个晶闸管11以及与分别与晶闸管11并联或串联的第三缓冲部件12，其中，至少一个晶闸管串联设置，第三缓冲部件12用于晶闸管器件以免遭受高压大电流而损坏。如图2所示，晶闸管阀V11包括至少一个晶闸管11以及与分别与晶闸管11并联的第三缓冲部件12。
可选地，第二控制阀V13包括：至少一个第一功率单元131以及至少一个第一缓冲部件132。其中，至少一个缓冲部件132分别与至少一个功率单元131并联设置，即缓冲部件132的数目与第一功率单元131的数目相同。至少一个功率单元131串联设置，用于正向电流的可控关断以及正反向电压的阻断。
具体地，如图3所示，第一功率单元131可以为第一支路组成的电力电子单元。
第一支路设置有第一功率器件和第一晶闸管，第一功率器件与第一晶闸管串联设置。其中，第一功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。
具体地，如图4所示，第一功率单元131可以为第二支路和第三支路组成的电力电子单元。
第二支路上设置有至少一个第二功率器件，至少一个第二功率器件串联设置。其中，第二功率为不具有反向阻断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。第三支路与第二支路串联，第三支路上设置有至少一个第二晶闸管，且至少一个第二晶闸管串联设置。其中，第二晶闸管具有反向阻断功能。
具体地，如图5所示，第一功率单元131可以为第四支路组成的电力电子单元。
第四支路上设置有两个第三功率器件和一个第三晶闸管，两个第三功率器件串联设置，两个第三功率器件与第三晶闸管串联设置。其中，第三功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。
具体地，如图6所示，第一功率单元131可以为第五支路和第六支路组成的电力电子单元。
第五支路上设置有至少一个第四功率器件，且至少一个第四功率器件串联设置。其中，第四功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。第六支路上设置有至少一个第五功率器件和至少一个第四晶闸管，且至少一个第五功率器件和至少一个第四晶闸管交替设置。其中，第五功率器件为具有反向阻断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。
具体地，如图7所示，第一功率单元131可以为第七支路组成的电力电子单元。
第七支路上设置有两个第六功率器件、一个第一二极管和一个第五晶闸管，且两个第三功率器件串联设置，两个第六功率器件、第一二极管与第五晶闸管依次串联。其中，第六功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。
具体地，如图8所示，第一功率单元131可以为第八支路和第九支路组成的电力电子单元。
第八支路上设置有至少一个第七功率器件，且至少一个第七功率器件串联设置。其中，第七功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。第九支路上设置有至少一个第八功率器件、至少一个第二二极管和至少一个第六晶闸管，且至少一个第八功率器件、至少一个第二二极管和至少一个第六晶闸管按照第八功率器件、第二二极管和第六晶闸管的顺序依次串联设置。其中，第八功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。
具体地，如图9a和图9b所示，第一功率单元131可以为第十支路组成的电力电子单元。
第十支路包括第一子支路、第二子支路和第三子支路，且第一子支路、第二子支路、第三子支路和第一缓冲部件构成H桥结构。第一子支路上设置有至少一个第七晶闸管，且至少一个第七晶闸管串联设置，其中，第七晶闸管为单向晶闸管(图9a)或双向晶闸管(图9b)；第二子支路并联在第一子支路和第三子支路之间，第二子支路上设置有至少一个第九功率器件，且至少一个第九功率器件串联设置，其中，第九功率器件为全控型电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种；第三子支路与第一子支路的结构相同，且第三子支路与第二子支路并联设置。
上述的第二控制阀V13为高压可关断阀，具有正向电流可控关断和正反向电压阻断能力，本申请对第二控制阀V13的拓扑形式不作限定，只要是具备正向电流可控关断和正反向电压阻断这一功能的拓扑形式即可。
可选地，第一控制阀V12包括至少一个第二功率单元121以及至少一个第三缓冲部件122，至少一个第一功率单元121串联设置，第二缓冲部件用于限制电压电流应力。其中，至少一个第三缓冲部件122分别与至少第二功率单元121并联，即第三缓冲部件122的数目与第二功率单元的数目相同。对于本领域技术人员而言，其可以得知第三缓冲部件122与第二功率单元121的并联连接方式，在第一控制阀V12的各个示意图中未示出第三缓冲部件122。
具体地，如图10所示，第二功率单元121可以为第十一支路和第十二支路组成的电力电子单元。
第十一支路上设置有第十功率器件，第十二支路与第十一支路并联设置，第十二支路上设置有第一电容元件和第十功率器件，且第十功率器件和第一电容元件串联设置。其中，第十功率器件为全控型电力电子器件，全控型电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件的一种或多种。
具体地，如图11所示，第二功率单元121还可以为第十三支路组成的电力电子单元。
第十三支路上设置有第十一功率器件，第十一功率器件为全控型电力电子器件，第十一功率器件为全控型电力电子器件，全控型电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET中的一种或多种。
第一功率单元的拓扑形式还可以为不具有反向阻断功能的电力电子器件与二极管的配合，可由单级不具有反向阻断功能的电力电子器件和单级二极管以及缓冲部件配合构成多级串联结构形式，可由多级不具有反向阻断功能的电力电子器件及其缓冲部件组合与多级二极管及其缓冲部件组合串联，也可由多级不具有反向阻断功能的电力电子器件和多级二极管交替串联，当然也可以是其他的拓扑形式，此处不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际需要确定。
上述的第一控制阀V12为低压可关断阀，具备单向电压可控输出能力或单向可控关断功能，主要用于关断主支路电流并为其提供反向电压，保障主支路的晶闸管阀拥有足够的关断时间进行可靠关断。本申请对第一控制阀V12的拓扑形式不作限定，只要是具备单向电压可控输出或单向可控关断功能的拓扑形式即可。
可选地，上述第一缓冲部件、第二缓冲部件和第三缓冲部件均由电容、阻容回路、二极管、电感或避雷器等部件的一种或多种形式构成。
具体地，如图12所示，第一缓冲部件、第二缓冲部件和第三缓冲部件可以是由电容组成的第一缓冲支路；可以是由电阻和电容串联的第二缓冲支路；可以是由电容和电阻并联的第三缓冲支路；可以是由电阻和第五二极管并联，再与电容串联构成的第四缓冲支路RCD1；可以是由电阻和电容并联，再与第五二极管串联构成的第五缓冲支路RCD2；也可以是由避雷器组成的第六缓冲支路；还可以是上述第一缓冲支路、第二缓冲支路、第三缓冲支路、第四缓冲支路、第五缓冲支路和第六缓冲支路中的多个并联构成的第七缓冲支路。
根据本发明实施例，提供了一种强迫换相的混合式换流器拓扑结构，该拓扑结构通过换流变压器接入交流电网。如图13所示，该强迫换相的混合式换流器拓扑结构包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，且其至少一个上桥臂或下桥臂上设置有上述实施例所述的主动换相单元。
具体地，如图13所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构包括3个上桥臂和3个下桥臂。每个主动换相单元作为一个换流阀，针对图13所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，即包括换流阀V1、换流阀V2、换流阀V3、换流阀V4、换流阀V5和换流阀V6。3个上桥臂的主支路分别包括V11和V12、V31和V32、V51和V52，3个上桥臂的辅助支路分别包括V13、V33和V53。其中，V11、V31和V51为晶闸管阀，V12、V32和V52为第一控制阀，V13、V33和V53为第二控制阀。3个下桥臂的主支路分别包括V12和V22、V41和V42、V61和V62，3个下桥臂的辅助支路分别包括V23、V43和V63。其中，V21、V41和V61为晶闸管阀，V22、V42和V62为第一控制阀，V23、V43和V63为第二控制阀。通过控制触发控制系统控制晶闸管阀、第一控制阀和第二控制阀的关断与导通。
上述强迫换相的混合式换流器拓扑结构通过在晶闸管阀的基础上并联可提供反向电压和具备自关断能力的辅助支路，实现主支路的可靠关断和整个桥臂的主动换相。其中，辅助支路由具有双向承压能力的第二控制阀串联构成，即针对每一个桥臂引入可关断阀。
本实施例提供的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有主动换相单元。主动换相单元的主支路的第一控制阀可提前关断主支路电流，同时提供反向电压，增大了主支路晶闸管阀换相电压-时间面积，保证其可靠关断，避免出现换相失败的问题，从而保证电网的稳定安全运行。
根据本发明实施例，提供了一种强迫换相的控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中提供了一种强迫换相的控制方法，可用于上述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，图14是根据本发明实施例的强迫换相的控制方法的流程图，如图14所示，该流程包括如下步骤：
S21，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀。
S22，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀。
S23，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的第一控制阀。
S24，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀。
S25，经过一个控制周期后，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀，其中，i∈[1,6]。
具体地，如图15所示为混合式换流器拓扑结构在正常运行条件下的阀电流流通路径，主支路周期性承受电压和电流应力，辅助支路一直处于关断状态，只在主支路的晶闸管阀关断时承受电压应力。
本实施例提供的强迫换相的控制方法，混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀保持关断状态，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀。由此实现了强迫换相的混合式换流器拓扑结构能够工作于正常换相运行模式，即在暂时换相的运行模式下，辅助支路在混合式换流器正常运行时处于关断状态，只承受电压应力，减少了长期运行下的换流器损耗的增加量。
当出现换相失败或短路故障时，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的第一控制阀，将主支路的电流强迫转移至辅助支路，当电流转移完成时，再关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀，实现混合式换流器的强迫换相。经过一个控制周期后，返回导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀的步骤，继续由主支路独立正常运行，从而实现保证了辅助支路仅在故障时承受关断电压应力，降低了器件损耗，进而延长了器件的使用寿命。
图16给出了V12阀和V13阀在正常运行模式下的触发控制时序，图中t0表示初始触发时刻。
图17a、图17b和图17c为主支路向辅助支路换流时关断V1阀，辅助支路开始承受电压应力，该过程分为三个阶段，图17a为主支路向辅助支路换流阶段，该阶段辅助支路接收到触发信号导通，紧接着辅助支路V13接收到导通信号，主支路V12阀接收到关断信号，将主支路的电流向辅助支路转移，向主支路施加反向电压；图17b为辅助支路通流阶段，该阶段主支路已完全关断，主支路电流已全部转移至辅助支路；图17c为辅助支路关断阶段，该阶段接收到关断信号时，关断辅助支路的V13阀，此时的V1阀处于关断状态并承受电压。在下个控制周期主支路的V11阀导通之前或同时导通V12阀。上述运行过程可以在换相故障或预测到换相故障时投入运行。
图18为强迫换相的混合式换流器拓扑结构在换相失败或交流短路故障时的触发控制时序。图18中在tf时刻监测到V1阀向V3阀换相失败后，经过第一预设时长Δt1时导通辅助支路V13阀，经过第二预设时长Δt2时关断主支路V12阀，执行主支路向辅助支路的换流过程，且Δt2≥Δt1≥0。主支路电流I11逐渐减小至零，辅助支路电流I12逐渐增大，再经过第三预设时长Δt3关断辅助支路V13阀，且主支路电流I11过零至V13阀关断这段时间为晶闸管阀的关断时间toff，此处的toff大于晶闸管阀的最小关断时间以保证晶闸管阀V11拥有足够的时间进行关断。辅助支路V13阀关断后，辅助支路电流将向V3阀进行换流直至达到直流电流I12，至此完成V1阀向V3阀的换相，成功抵御了换相失败故障，此后在下一个控制周期的V11阀开通之前或同时导通主支路V12阀。在预测到换相失败将要发生或检测到换相失败发生时启动此种运行模式，可成功避免换相失败发生，待换流器换相过程恢复正常时即退出该运行模式，辅助支路保持关断状态，由主支路独立正常运行。
本实施例提供的强迫换相的控制方法，在换相失败或短路故障时，控制混合式换流器拓扑结构开启强迫换相的运行模式，避免了换相失败的发生，并在混合式换流器换相过程恢复正常时退出强迫换相的运行模式，辅助支路继续保持关断状态，由主支路独立正常运行，从而实现保证了辅助支路仅在故障时承受关断电压应力，降低了器件损耗，进而延长了器件的使用寿命。
图19所示为强迫换相的混合式换流器拓扑结构预先检测到换相失败或短路故障时的控制触发时序，其中，主支路与辅助支路周期性交替运行。具体运行过程如图17a、图17b和图17c所示。在V1阀和V3阀换相开始时刻，即V1阀触发脉冲Sg1延时120°，或者在此刻附近触发辅助支路V13阀，并经过较短时间(例如1s、5s等)关断主支路V12阀，实现主支路向辅助支路的换流。主支路电流过零之后，主支路V11阀关断并承受反向电压，且主支路电流过零至辅助支路V13阀关断这段时间为晶闸管阀的关断时间toff，且toff大于晶闸管阀的最小关断时间保证其可靠关断，至此，V1阀电流全部转移至辅助支路，经过Δt后辅助支路V13阀开始关断，V1阀开始承受正向电压，然后在下一个工作周期V11阀开通之前导通主支路V12阀。该种运行模式下，强迫换相的混合式换流器拓扑结构的桥臂中的主支路与辅助支路周期性交替运行，在具备抵御换相失败能力的基础上，无需预测换相失败，同时可以使混合式换流器处于小关断角运行模式，减少混合式换流器的无功消耗。
本实施例提供的强迫换相的控制方法，通过主支路与辅助支路的周期性交替运行，不仅能够抵御换相失败，而且无需对换相失败进行预测。同时保证了混合式换流器工作于小关断角的运行模式，降低了混合式换流器的无功消耗。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (18)

1.一种主动换相单元，设置在换流器的桥臂电路中，其一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，其特征在于，包括：
主支路，所述主支路上设置有晶闸管阀和第一控制阀，所述第一控制阀至少具备单向电压输出或单向可控关断功能；
辅助支路，与所述主支路并联设置，所述辅助支路上设置有第二控制阀，所述第二控制阀具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能。
2.根据权利要求1所述的主动换相单元，其特征在于，所述第二控制阀包括：
至少一个第一功率单元，所述至少一个功率单元串联设置，所述第一功率单元用于正向电流的可控关断以及正反向电压的阻断；
至少一个第一缓冲部件，分别与所述至少一个第一功率单元并联设置。
3.根据权利要求2所述的主动换相单元，其特征在于，所述第一功率单元包括：
第一支路，所述第一支路上设置有第一功率器件和第一晶闸管，所述第一功率器件与所述第一晶闸管串联；所述第一功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件。
4.根据权利要求2所述的主动换相单元，其特征在于，所述第一功率单元包括：
第二支路，所述第二支路上设置有至少一个第二功率器件，所述至少一个第二功率器件串联设置；所述第二功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件；
第三支路，与所述第二支路串联；所述第三支路上设置有至少一个第二晶闸管，所述至少一个第二晶闸管串联设置，所述第二晶闸管具有反向阻断功能。
5.根据权利要求2所述的主动换相单元，其特征在于，所述第一功率单元包括：
第四支路，所述第四支路上设置有两个第三功率器件和一个第三晶闸管，所述两个第三功率器件串联设置；所述两个第三功率器件与所述第三晶闸管串联设置；所述第三功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件。
6.根据权利要求2所述的主动换相单元，其特征在于，所述第一功率单元包括：
第五支路，所述第五支路上设置有至少一个第四功率器件，所述至少一个第四功率器件串联设置，所述第四功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件；
第六支路，所述第六支路上设置有至少一个第五功率器件和至少一个第四晶闸管；所述至少一个第五功率器件和所述至少一个第四晶闸管交替设置；所述第五功率器件为具有反向阻断功能的电力电子器件。
7.根据权利要求2所述的主动换相单元，其特征在于，所述第一功率单元包括：
第七支路，所述第七支路上设置有两个第六功率器件、一个第一二极管和一个第五晶闸管，所述两个第三功率器件串联设置；所述两个第六功率器件、所述第一二极管与所述第五晶闸管依次串联；所述第六功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件。
8.根据权利要求2所述的主动换相单元，其特征在于，所述第一功率单元包括：
第八支路，所述第八支路上设置有至少一个第七功率器件，所述至少一个第七功率器件串联设置，所述第七功率器件为不具有反向阻断功能的电力电子器件；
第九支路，所述第九支路上设置有至少一个第八功率器件、至少一个第二二极管和至少一个第六晶闸管；所述至少一个第八功率器件、所述至少一个第二二极管和所述至少一个第六晶闸管按照所述第八功率器件、所述第二二极管和所述第六晶闸管的顺序依次串联设置；所述第八功率器件为具有反向阻断功能的电力电子器件。
9.根据权利要求2所述的主动换相单元，其特征在于，所述第一功率单元包括：
第十支路，所述第十支路包括第一子支路、第二子支路和第三子支路；所述第一子支路、所述第二子支路、所述第三子支路和所述第一缓冲部件构成H桥结构；
所述第一子支路，设置有至少一个第七晶闸管，所述至少一个第七晶闸管串联设置；所述第七晶闸管为单向晶闸管或双向晶闸管；
所述第二子支路，并联在所述第一子支路和所述第三子支路之间，所述第二子支路上设置有至少一个第九功率器件，所述至少一个第九功率器件串联设置，所述第九功率器件为全控型电力电子器件；
所述第三子支路，与所述第一子支路的结构相同，且所述第三子支路与所述第二子支路并联。
10.根据权利要求1所述的主动换相单元，其特征在于，所述晶闸管阀包括：
至少一个晶闸管，所述至少一个晶闸管串联设置；
至少一个第二缓冲部件，与所述至少一个晶闸管并联或串联。
11.根据权利要求1所述的主动换相单元，其特征在于，所述第一控制阀包括：
至少一个第二功率单元，所述至少一个第二功率单元串联设置；
至少一个第三缓冲部件，与所述至少一个第二功率单元并联。
12.根据权利要求11所述的主动换相单元，其特征在于，所述第二功率单元包括：
第十一支路，所述第一支路上设置有第十功率器件，所述第十功率器件为全控型电力电子器件；
第十二支路，与所述第十一支路并联，所述第十二支路上设置有第一电容元件和所述第十功率器件，所述第十功率器件和所述第一电容元件串联。
13.根据权利要求11所述的主动换相单元，其特征在于，所述第二功率单元包括：
第十三支路，所述第十三支路上设置有至少一个第十一功率器件，所述至少一个第十一功率器件串联设置；所述第十一功率器件为全控型电力电子器件。
14.根据权利要求2或10或11所述的主动换相单元，其特征在于，第一缓冲部件、第二缓冲部件和第三缓冲部件均包括：
由电容组成的第一缓冲支路；
或，电阻和所述电容串联的第二缓冲支路；
或，所述电容和所述电阻并联的第三缓冲支路；
或，所述电阻和第五二极管并联，再与所述电容串联构成的第四缓冲支路；
或，所述电阻和所述电容并联，再与所述第五二极管串联构成的第五缓冲支路；
或，避雷器组成的第六缓冲支路；
或，所述第一缓冲支路、所述第二缓冲支路、所述第三缓冲支路、所述第四缓冲支路、所述第五缓冲支路和所述第六缓冲支路中的多个并联组成的第七缓冲支路。
15.一种强迫换相的混合式换流器拓扑结构，所述拓扑结构通过换流变压器接入交流电网，所述拓扑结构包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，其特征在于，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有权利要求1-14任一项所述的主动换相单元。
16.一种强迫换相的控制方法，用于如权利要求15所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，其特征在于，包括如下步骤：
导通强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀；
导通所述强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀；
关断所述强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的第一控制阀；
关断所述强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀；
经过一个控制周期后，返回导通所述强迫换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和第一控制阀的步骤，其中，i∈[1,6]。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
当检测到混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂发生换相失败或短路故障时，获取换相失败或短路故障的持续时长；
在所述持续时长达到第一预设时长时，导通第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀以及在持续时长达到第二预设时长时，导通第i个桥臂的主支路的第一控制阀，进行主支路向辅助支路的换流，其中，所述第二预设时长大于等于所述第一预设时长；
当第i个桥臂的主支路的电流降低至零时，且所述持续时长达到第三预设时长时，关断第i个桥臂的辅助支路的第二控制阀和主支路的第一控制阀，其中，第三预设时长大于第二预设时长；
在下一控制周期导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀时，导通第i个桥臂的主支路的第一控制阀。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：
第i个桥臂的主支路与辅助支路周期性交替运行。
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