CN113676061A - 动态平衡式换流器系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供动态平衡式换流器系统及其控制方法。所述动态平衡式换流器系统串联连接在输电线路中，所述换流器系统包括换流链、M个电力电子单元和K个平衡单元，所述换流链包括N个子模块，所述N个子模块的交流端串联连接，N为大于等于1的整数，所述子模块包括并联连接的直流电容与功率单元，首端子模块的交流端与尾端子模块的交流端为换流链交流端，所述换流链交流端与所述输电线路串联连接；所述电力电子单元的直流端与所述直流电容并联连接，M为大于等于1小于等于N的整数；所述平衡单元连接相邻子模块的直流电容的正极或负极，K为大于等于1小于等于N的整数。

Description

动态平衡式换流器系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子变流技术领域，具体涉及动态平衡式换流器系统及其控制方法。

背景技术

串联补偿装置用于输电线路的串联补偿或通过调节电压实现潮流控制。为了实现更高电压等级的输出，通常采用模块化级联的方式。

由于串联补偿装置直接串联在输电线路中，设备安装在高电位处，取能问题难以解决，主要体现在以下两个方面，在启动之前控制系统无法工作，从一次回路取能又受到输电线路的电流影响，启动成功率受限；另一方面，由于没有有功功率的补充，在运行过程中以无功注入方式补偿，造成补偿的效果受限。

现有技术中，通常采用从线路电流互感器CT取能的方式，如图1所示，这种方式的主要问题在于，受限于线路电流的大小，小电流启动难实现，稳定性不高；由于取能功率小，当有功功率供给不足时，难以从CT快速获取能量。

发明内容

本申请实施例提供一种动态平衡式换流器系统，串联连接在输电线路中，所述换流器系统包括换流链、M个电力电子单元和K个平衡单元；换流链包括N个子模块，所述N个子模块的交流端串联连接，N为大于等于1的整数，所述子模块包括并联连接的直流电容与功率单元，首端子模块的交流端与尾端子模块的交流端为换流链交流端，所述换流链交流端与所述输电线路串联连接；所述电力电子单元的直流端与所述直流电容并联连接，M为大于等于1小于等于N的整数；所示平衡单元连接相邻子模块的直流电容的正极或负极，K为大于等于1小于等于N的整数。

根据一些实施例，所述换流器系统还包括P个隔离变压器，所述P个隔离变压器共包括M个副边绕组，所述隔离变压器的原边连接交流电源，所述副边绕组连接所述电力电子单元的交流端，P为大于等于1小于等于M的整数。

根据一些实施例，所述隔离变压器的外壳以所述交流电源的电位或所述输电线路的电位为参考电位；所述子模块的外壳以所述输电线路的电位为参考电位。

根据一些实施例，所述以所述输电线路的电位为参考电位的部分安装于固定平台，或固定在车辆的平台或者安装在已有的电力杆塔上，平台与地电位之间由绝缘子支撑。

根据一些实施例，所述交流电源为单相交流电源或三相交流电源，所述单相交流电源来自变电站的单相电源或一端取自输电线路A、B、C三相中的任意一相，另一端取自地电位或中性线。

根据一些实施例，所述隔离变压器为双绕组变压器或多绕组变压器。

根据一些实施例，所述隔离变压器包括逐级串联连接的多级变压器。

根据一些实施例，所述隔离变压器放置于真空或充满SF6气体或绝缘油的绝缘套管内。

根据一些实施例，所述换流器系统还包括至少三个功率电阻，所述功率电阻的一端连接所述电力电子单元的交流端，所述功率电阻的另一端相互连接。

根据一些实施例，所述换流器系统还包括电抗器，所述电抗器串联在所述换流链的交流端。

根据一些实施例，所述换流器系统还包括串联变压器，所述串联变压器的副边与换流链交流端连接，所述串联变压器的原边与所述输电线路串联连接。

根据一些实施例，所述功率单元包括桥式电路，所述桥式电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一功率半导体器件与第二功率半导体器件；所述第二桥臂包括串联连接的第三功率半导体器件与第四功率半导体器件；所述第一功率半导体器件的集电极和第三功率半导体器件的集电极与所述直流电容的正极连接，所述第二功率半导体器件的发射极和第四功率半导体器件的发射极与所述直流电容的负极连接，所述第一桥臂的中点和第二桥臂的中点引出作为所述功率单元的交流端，所述功率单元的交流端与所述子模块的交流端连接。

根据一些实施例，所述换流器系统还包括第一旁路开关，所述第一旁路开关并联连接在所述换流链的交流端，所述第一旁路开关常闭，受控分合。

根据一些实施例，所述子模块还包括第二旁路开关，所述第二旁路开关并联连接在所述子模块的交流端，所述第二旁路开关常闭，受控分合。

根据一些实施例，所述第一旁路开关或二旁路开关包括机械开关或/和由功率半导体器件构成的固态开关。

根据一些实施例，所述平衡单元包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与相邻平衡单元的第二端口连接；所述第二端口与另一相邻平衡单元的第一端口连接；所述第三端口与所述子模块的直流电容的正极或负极连接。

根据一些实施例，所述平衡单元还包括第五功率半导体器件和第六功率半导体器件，所述第五功率半导体器件连接在所述第一端口与所述第三端口之间；所述第六功率半导体器件连接在所述第二端口与所述第三端口之间。

根据一些实施例，所述平衡单元还包括第三旁路开关，所述第三旁路开关并联连接在所述第五功率半导体器件或/和第六功率半导体器件两端。

根据一些实施例，所述第三旁路开关与所述第二旁路开关的开关状态保持一致。

根据一些实施例，所述平衡单元还包括二极管，所述二极管连接在所述第一端口与所述第三端口之间，所述第二端口和所述第三端口之间短接。

根据一些实施例，所述平衡单元还包括限流单元，所述限流单元连接在所述第一端口与所述第三端口，或/和所述第二端口与所述第三端口之间，所述限流单元包括电阻或/和电感。

根据一些实施例，所述换流器系统还包括隔离开关，所述隔离开关连接在所述第三端口与所述直流电容的正极或负极之间。

根据一些实施例，所述电力电子单元包括桥式电路，所述桥式电路将交流电变换为直流电，所述桥式电路包括功率半导体器件。

根据一些实施例，所述子模块还包括滤波单元，所述滤波单元串联在所述功率单元的交流端与所述子模块的交流端之间，所述滤波单元包括L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器的至少一种；所述L滤波器包括第一滤波电感，串联连接在所述滤波单元的输入端与输出端之间；所述LC滤波器包括第二滤波电感和滤波电容，所述第二滤波电感串联连接在所述滤波单元的输入正端与输出正端之间，所述滤波电容并联连接在所述滤波单元的输出正端和输出负端之间；所述LCL滤波器包括第一滤波电感、第二滤波电感与滤波电容，所述第一滤波电感与所述第二滤波电感串联连接在所述滤波单元的输入正端和输出正端之间，所述滤波电容并联连接在所述第一滤波电感和所述第二滤波电感的连接点以及所述滤波单元的输出负端之间。

本申请实施例还提供一种如上所述动态平衡式换流器系统的控制方法，当所述换流器系统启动前，所述控制方法包括：启动交流电源，使电力电子单元启动工作，与其连接的子模块直流电容电压升高，达到允许所述子模块工作的电压；先启动的子模块的直流电容通过平衡单元向其他子模块充电，直到所有子模块电容电压达到允许子模块工作的电压；控制各个子模块中的功率单元开始工作，进入运行状态。

根据一些实施例，当所述换流器系统进入运行状态时，所述控制方法包括均压法或有功功率平衡法，所述均压法包括：当各个子模块的直流电容电压不均时，电压较高的子模块的直流电容通过平衡单元向电压较低的子模块的直流电容充电；所述有功功率平衡法包括：当所述换流器系统的有功功率供给不足时，所有子模块的直流电容平均电压低于注入门槛值，电力电子单元启动，交流电源通过电力电子单元向所有子模块直流电容充电；当所述换流器系统的有功功率供给过剩时，所有子模块的直流电容平均电压高于耗能门槛值，电力电子单元启动，交流电源通过电力电子单元使所有子模块的直流电容放电，通过功率电阻消耗或回馈到隔离变压器原边。

根据一些实施例，当所述换流器系统包括第一旁路开关、第二旁路开关时，所述控制各个子模块中的功率单元开始工作，进入运行状态之前，还包括：分开所述第一旁路开关和所述第二旁路开关。

根据一些实施例，当所述换流器系统还包括第三旁路开关时，所述控制方法还包括：在完成启动后，分开所述第三旁路开关。

根据一些实施例，当所述换流器系统还包括隔离开关时，所述控制方法还包括：在完成启动后，分开所述隔离开关；当重新启动或采用所述均压法或所述有功功率平衡法时，重新闭合所述隔离开关。

本申请实施例提供的技术方案，构造了模块间的平衡单元实现各个子模块直流电容电压均衡，通过外接供能回路方便的实现启动。采用隔离变压器连接电力电子单元为位于高电位的换流器子模块的直流电容充电，补充的能量可以来自变电站或者补偿线路本身，装置灵活性进一步提升，与线路CT的充电方式相比稳定性更高，成本更低，取能能力更强。在系统运行时，隔离变压器与电力电子单元向系统中注入有功功率，再通过均衡单元使注入的有功功率均匀分布在各个子模块，拓展了补偿区域。采用功率电阻连接电力电子单元，电阻作为耗能单元可以消耗系统的有功功率，平衡单元的投入可以使每个子模块消耗能量的速度均衡，作为供能方式的有益补充。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是现有技术的一种串联补偿装置系统示意图。

图2是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之一。

图3A-3C是本申请实施例提供的滤波单元的示意图。

图4A-4D是本申请实施例提供的电力电子单元示意图。

图5A-5E是本申请实施例提供的平衡单元示意图。

图6是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之二。

图7是本申请实施例提供的一种隔离变压器示意图。

图8是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之三。

图9是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之四。

图10是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之五。

图11是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之六。

图12是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之七。

图13是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之八。

图14是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之九。

图15是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统示意图之十。

图16是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图2是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统之一，动态平衡式换流器系统串联在输电线路中。

动态平衡式换流器系统包括换流链、M个电力电子单元2、K个平衡单元3、P个隔离变压器5。

可选地，动态平衡式换流器系统还包括第一旁路开关7，第一旁路开关7并联连接在换流链的交流端，第一旁路开关7常闭，受控分合。

换流链包括N个子模块1，N个子模块1的交流端串联连接，N为大于等于1的整数。子模块1包括并联连接的直流电容C与功率单元4，首端子模块的交流端与尾端子模块的交流端为换流链交流端，换流链交流端与输电线路串联连接。

可选地，子模块1还包括第二旁路开关8，第二旁路开关8并联连接在子模块1的交流端，第二旁路开关8常闭，受控分合。第一旁路开关7或二旁路开关8包括机械开关或/和由功率半导体器件构成的固态开关。

在本实施例中，第一旁路开关为机械开关，第二旁路开关为机械开关8与双向晶闸管10并联连接构成，根据需要选择，并不以此为限。

功率单元4包括桥式电路。桥式电路包括第一桥臂和第二桥臂。第一桥臂包括串联连接的第一功率半导体器件与第二功率半导体器件。第二桥臂包括串联连接的第三功率半导体器件与第四功率半导体器件。

第一功率半导体器件的集电极和第三功率半导体器件的集电极与直流电容C的正极连接，第二功率半导体器件的发射极和第四功率半导体器件的发射极与直流电容C的负极连接。第一桥臂的中点和第二桥臂的中点引出作为功率单元4的交流端，功率单元4的交流端与子模块1的交流端连接。

可选地，子模块1还包括滤波单元6。滤波单元6串联在功率单元4的交流端与子模块1的交流端之间。滤波单元6包括L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器的一种。

L滤波器包括第一滤波电感L1，串联连接在滤波单元6的输入端与输出端之间，如图3A所示。

LC滤波器包括第二滤波电感L2和滤波电容C2。第二滤波电感L2串联连接滤波单元6的输入正端与输出正端之间，滤波电容C2并联连接在滤波单元6的输出正端和输出负端之间，如图3B所示。

LCL滤波器包括第一滤波电感L1、第二滤波电感L2与滤波电容C1，第一滤波电感L1与第二滤波电感L2串联连接在滤波单元6的输入正端和输出正端之间。滤波电容C1并联连接在第一滤波电感L1和第二滤波电感L2的连接点以及滤波单元6的输出负端之间，如图3C所示。

电力电子单元2的直流端与直流电容C并联连接，M为大于等于1小于等于N的整数。电力电子单元2包括桥式电路，将交流电变换为直流电，桥式电路包括功率半导体器件。由二极管构成的三相桥式电路如图4A所示。二极管构成的单相桥式电路如图4B所示。由全控型功率半导体器件IGBT构成的三相桥式电路如图4C所示。由全控型功率半导体器件IGBT构成的单相桥式电路如图4D所示。

K个平衡单元3连接相邻子模块的直流电容的正极或负极，K为大于等于1小于等于N的整数。

平衡单元3包括第一端口D1、第二端口D2、第三端口D3。第一端口D1与相邻平衡单元的第二端口连接。第二端口D2与另一相邻平衡单元的第一端口连接。第三端口D3与子模块1的直流电容C的正极或负极连接。其中，位于换流链首尾两端的平衡单元3可不配置第一端口D1或第二端口D2以及与第三端口D3之间对应的元件。如图2所示，最右边尾端的平衡单元3仅有第一端口D1和第三端口D3，最左边的首端平衡单元仅有第二端口D2和第三端口D3。也可以全部配置所有端口，没有连接关系的端口作为预留端口。

可选地，平衡单元3还包括第五功率半导体器件和第六功率半导体器件。第五功率半导体器件连接在第一端口D1与第三端口D3之间。第六功率半导体器件连接在第二端口D2与第三端口D3之间。

在本实施例中，第五功率半导体器件和第六功率半导体器件为带有反并联二极管的IGBT，如图5A所示。第五功率半导体器件和第六功率半导体器件的类型根据需要选择，并不以此为限。其中，第五功率半导体器件IGBT的集电极与第一端口D1连接，发射极与第三端口D3连接，第六功率半导体器件IGBT的集电极与第二端口D2连接，发射极与第三端口D3连接。

可选地，平衡单元3还包括第三旁路开关9，第三旁路开关9并联连接在第五功率半导体器件或/和第六功率半导体器件两端。第五功率半导体器件、第六功率半导体器件的两端是否并联第三旁路开关9，取决于启动时充电电流的方向，即与具有供能能力的交流电源以及电力电子单元2的位置有关。如图6所示，交流电源以及电力电子单元位于换流链的最右端，在启动时需要向左边的子模块充电，充电回路如图6中所示，充电电流需要经过第六功率半导体器件，由于第六功率半导体器件在子模块电源未启动时，第六功率半导体器件无法开通，因此需要并联一个常闭的第三旁路开关9。同理，如果交流电源以及电力电子单元位于换流链的最左端，则第五功率半导体器件需要并联一个常闭的第三旁路开关9。当平衡单元3的两端均有充电回路时，第五功率半导体器件、第六功率半导体器件的两端均并联一个第三旁路开关9，如图5B所示。

可选地，第三旁路开关9与第二旁路开关8的开关状态保持一致。

可选地，平衡单元3还包括二极管12，二极管12连接在第一端口D1与第三端口D3之间，第二端口D2和第三端口D3之间短接，如图5C所示。其中，当平衡单元3的第三端口D3与直流电容C的正极连接时，二极管12的阳极与第三端口D3连接，二极管12的阴极与第一端口D1连接。当平衡单元3的第三端口D3与直流电容C的负极连接时，二极管12的阴极与第三端口D3连接，二极管12的阳极与第一端口D1连接，如图6所示。

可选地，平衡单元3还包括限流单元13，限流单元13连接在第一端口D1与第三端口D3之间，如图5D所示。限流单元13也可以连接在第二端口D2与第三端口D3之间，如图5E所示。限流单元13也可以同时连接在第一端口D1与第三端口D3之间和第二端口D2与第三端口D3之间。限流单元13包括电阻或/和电感。

P个隔离变压器5共包括M个副边绕组，隔离变压器5的原边连接交流电源，隔离变压器5的副边绕组连接电力电子单元2的交流端，P为大于等于1小于等于M的整数。

隔离变压器5为双绕组变压器或多绕组变压器，并不以此为限。隔离变压器5也可以由多级变压器逐级串联组成，如图7所示。优选地，当隔离变压器5由多级变压器逐级串联组成时，可放置于真空或充满SF6气体或绝缘油的绝缘套管内。

隔离变压器5的外壳以交流电源的电位或输电线路的电位为参考电位。子模块1的外壳以输电线路的电位为参考电位，以输电线路的电位为参考电位的部分安装于固定平台，或固定在车辆的平台或者安装在已有的电力杆塔上，平台与地电位之间由绝缘子支撑。

图2中的交流电源为三相交流电源。可选地，交流电源为单相交流电源或三相交流电源，并不以此为限。单相交流电源来自变电站的单相电源或一端取自输电线路A、B、C三相中的任意一相，另一端取自地电位或中性线。

可选地，动态平衡式换流器系统还包括电抗器30，串联在换流链交流端，以改变线路对外呈现的电抗，如图8所示。

可选地，动态平衡式换流器系统还包括隔离开关，隔离开关连接在第三端口D3与直流电容C的正极或负极之间，如图9所示。

本实施例提供的技术方案，构造了模块间的平衡单元实现各个子模块直流电容电压均衡，通过外接供能回路方便的实现启动，与线路CT的充电方式相比稳定性更高，成本更低，取能能力更强；采用隔离变压器与电力电子单元为位于高电位的换流器子模块的直流电容充电，补充的能量可以来自变电站或者补偿线路本身，装置灵活性进一步提升；在系统运行时，隔离变压器与电力电子单元向系统中注入有功功率，再通过均衡单元使注入的有功功率均匀分布在各个子模块，拓展了补偿区域。

图10是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统之五，动态平衡式换流器系统串联在输电线路中。

在本实施例中，动态平衡式换流器系统包括换流链、M个电力电子单元2、K个平衡单元3、至少三个功率电阻20。

与图2提供的实施例相比较，本实施例用三个功率电阻代替了隔离变压器。功率电阻20的一端连接电力电子单元2的交流端，功率电阻20的另一端相互连接。

本实施例提供的技术方案，由于无法从交流电源取能，需要借助CT取能。但是电阻作为耗能单元可以消耗系统的有功功率，平衡单元的投入可以使每个子模块消耗能量的速度均衡，作为供能方式的有益补充。

图11是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统之六，动态平衡式换流器系统串联在输电线路中。

在本实施例中，动态平衡式换流器系统包括换流链、M个电力电子单元2、K个平衡单元3、P个隔离变压器5。

隔离变压器5的外壳以交流电源的电位或输电线路的电位为参考电位。子模块1的外壳以输电线路的电位为参考电位，以输电线路的电位为参考电位的部分安装于固定平台，或固定在车辆的平台或者安装在已有的电力杆塔上，平台与地电位之间由绝缘子支撑。

与图2提供的实施例相比较，图11的交流电源为单相交流电源，单相交流电源来自系统连接的输电线路，另一端取自地电位或中性线。地电位或中性线的另一端还串联了一个高压开关16。

图12是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统之七，动态平衡式换流器系统串联在输电线路中。

在本实施例中，动态平衡式换流器系统包括换流链、M个电力电子单元2、K个平衡单元3、P个隔离变压器5，M＝2，P＝2。

与图2提供的实施例相比较，在本实施例中，电力电子单元2的数量是2，隔离变压器5数量也是2。

2个隔离变压器5共包括2个副边绕组，隔离变压器5的原边连接交流电源，隔离变压器5的副边绕组连接电力电子单元2的交流端。

隔离变压器5为双绕组变压器。隔离变压器5的外壳以交流电源的电位或输电线路的电位为参考电位。子模块1的外壳以输电线路的电位为参考电位，以输电线路的电位为参考电位的部分安装于固定平台，或固定在车辆的平台或者安装在已有的电力杆塔上，平台与地电位之间由绝缘子支撑。

交流电源为单相交流电源或三相交流电源，单相交流电源来自变电站的单相电源或一端取自输电线路A、B、C三相中的任意一相，另一端取自地电位或中性线。

图13是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统之八，动态平衡式换流器系统串联在输电线路中。

在本实施例中，动态平衡式换流器系统包括换流链、M个电力电子单元2、K个平衡单元3、P个隔离变压器5，P＝1，M＝2。

与图2提供的实施例相比较，在本实施例中，电力电子单元2的数量是2，隔离变压器5数量是1。

隔离变压器5为三绕组变压器，1个隔离变压器5共包括2个副边绕组，隔离变压器5的原边连接交流电源，交流电源为三相交流电源。隔离变压器5的2个副边绕组分别连接2个电力电子单元2的交流端。

隔离变压器5的外壳以交流电源的电位或输电线路的电位为参考电位。子模块1的外壳以输电线路的电位为参考电位，以输电线路的电位为参考电位的部分安装于固定平台，或固定在车辆的平台或者安装在已有的电力杆塔上，平台与地电位之间由绝缘子支撑。

图14是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统之九，动态平衡式换流器系统通过串联变压器11连接输电线路。

动态平衡式换流器系统包括换流链、M个电力电子单元2、K个平衡单元3、P个隔离变压器5和串联变压器11。

换流链包括N个子模块1，N个子模块1的交流端串联连接，N为大于等于1的整数。子模块1包括并联连接的直流电容C与功率单元4，首端子模块的交流端与尾端子模块的交流端为换流链交流端。

与图2提供的实施例相比较，在本实施例中，增加了串联变压器11，串联变压器11的副边与换流链交流端连接，串联变压器11的原边与输电线路串联连接。

图15是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统之十，动态平衡式换流器系统通过串联变压器11连接输电线路。

动态平衡式换流器系统包括换流链、M个电力电子单元2、P个隔离变压器5和串联变压器11。

换流链包括N个子模块1，N个子模块1的交流端串联连接，N为大于等于1的整数。子模块1包括并联连接的直流电容C与功率单元4，首端子模块的交流端与尾端子模块的交流端为换流链交流端。串联变压器11的副边与换流链交流端连接，串联变压器11的原边与输电线路串联连接。

与图2提供的实施例相比较，在本实施例中，动态平衡式换流器系统不包括平衡单元，每个电力电子单元2均连接隔离变压器的副边绕组。P个隔离变压器5共包括M个副边绕组，隔离变压器5的原边连接交流电源，隔离变压器5的副边绕组连接电力电子单元2的交流端，P为大于等于1小于等于M的整数。

隔离变压器5的外壳以交流电源的电位或输电线路的电位为参考电位。子模块1的外壳以输电线路的电位为参考电位，以输电线路的电位为参考电位的部分安装于固定平台，或固定在车辆的平台或者安装在已有的电力杆塔上，平台与地电位之间由绝缘子支撑。

图16是本申请实施例提供的动态平衡式换流器系统的控制方法流程示意图，当换流器系统启动前，控制方法如下。

在S110中，启动交流电源，使电力电子单元启动工作，与其连接的子模块直流电容电压升高，达到允许子模块工作的电压。

在S120中，先启动的子模块的直流电容通过平衡单元向其他子模块充电，直到所有子模块电容电压达到允许子模块工作的电压。

在S130中，控制各个子模块中的功率单元开始工作，进入运行状态。

当换流器系统进入运行状态时，控制方法包括均压法或有功功率平衡法。

均压法为：当各个子模块的直流电容电压不均时，电压较高的子模块的直流电容通过平衡单元向电压较低的子模块的直流电容充电。

有功功率平衡法为：当换流器系统的有功功率供给不足时，所有子模块的直流电容平均电压低于注入门槛值，电力电子单元启动，交流电源通过电力电子单元向所有子模块直流电容充电。当换流器系统的有功功率供给过剩时，所有子模块的直流电容平均电压高于耗能门槛值，电力电子单元启动，交流电源通过电力电子单元使所有子模块的直流电容放电，通过功率电阻消耗或回馈到隔离变压器原边。

当换流器系统包括第一旁路开关、第二旁路开关时，控制各个子模块中的功率单元开始工作，进入运行状态之前，还包括：分开第一旁路开关和第二旁路开关。

当换流器系统还包括第三旁路开关时，控制方法还包括：在完成启动后，分开第三旁路开关。

当换流器系统还包括隔离开关时，控制方法还包括：在完成启动后，分开隔离开关。当重新启动或采用均压法或有功功率平衡法时，重新闭合隔离开关。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (29)

1.一种动态平衡式换流器系统，串联连接在输电线路中，所述换流器系统包括：

换流链，包括N个子模块，所述N个子模块的交流端串联连接，N为大于等于1的整数，所述子模块包括并联连接的直流电容与功率单元，首端子模块的交流端与尾端子模块的交流端为换流链交流端，所述换流链交流端与所述输电线路串联连接；

M个电力电子单元，所述电力电子单元的直流端与所述直流电容并联连接，M为大于等于1小于等于N的整数；

K个平衡单元，连接相邻子模块的直流电容的正极或负极，K为大于等于1小于等于N的整数。

2.如权利要求1所述的换流器系统，其中，所述换流器系统还包括：

P个隔离变压器，共包括M个副边绕组，所述隔离变压器的原边连接交流电源，所述副边绕组连接所述电力电子单元的交流端，P为大于等于1小于等于M的整数。

3.如权利要求2所述的换流器系统，其中，所述隔离变压器的外壳以所述交流电源的电位或所述输电线路的电位为参考电位；所述子模块的外壳以所述输电线路的电位为参考电位。

4.如权利要求3所述的换流器系统，其中，所述以所述输电线路的电位为参考电位的部分安装于固定平台，或固定在车辆的平台或者安装在已有的电力杆塔上，平台与地电位之间由绝缘子支撑。

5.如权利要求2所述的换流器系统，其中，所述交流电源为单相交流电源或三相交流电源，所述单相交流电源来自变电站的单相电源或一端取自输电线路A、B、C三相中的任意一相，另一端取自地电位或中性线。

6.如权利要求2所述的换流器系统，其中，所述隔离变压器为双绕组变压器或多绕组变压器。

7.如权利要求2所述的换流器系统，其中，所述隔离变压器包括逐级串联连接的多级变压器。

8.如权利要求2所述的换流器系统，其中，所述隔离变压器放置于真空或充满SF6气体或绝缘油的绝缘套管内。

9.如权利要求1所述的换流器系统，其中，所述换流器系统还包括：

至少三个功率电阻，所述功率电阻的一端连接所述电力电子单元的交流端，所述功率电阻的另一端相互连接。

10.如权利要求1所述的换流器系统，还包括：

电抗器，串联在所述换流链的交流端。

11.如权利要求1所述的换流器系统，还包括：

串联变压器，所述串联变压器的副边与换流链交流端连接，所述串联变压器的原边与所述输电线路串联连接。

12.如权利要求1所述的换流器系统，所述功率单元包括：

桥式电路，所述桥式电路包括：

第一桥臂，包括串联连接的第一功率半导体器件与第二功率半导体器件；

第二桥臂，包括串联连接的第三功率半导体器件与第四功率半导体器件；

所述第一功率半导体器件的集电极和第三功率半导体器件的集电极与所述直流电容的正极连接，所述第二功率半导体器件的发射极和第四功率半导体器件的发射极与所述直流电容的负极连接，所述第一桥臂的中点和第二桥臂的中点引出作为所述功率单元的交流端，所述功率单元的交流端与所述子模块的交流端连接。

13.如权利要求1所述的换流器系统，还包括：

第一旁路开关，所述第一旁路开关并联连接在所述换流链的交流端，所述第一旁路开关常闭，受控分合。

14.如权利要求1所述的换流器系统，所述子模块还包括：

第二旁路开关，所述第二旁路开关并联连接在所述子模块的交流端，所述第二旁路开关常闭，受控分合。

15.如权利要求13或14所述的换流器系统，所述第一旁路开关或二旁路开关包括机械开关或/和由功率半导体器件构成的固态开关。

16.如权利要求1或14所述的换流器系统，所述平衡单元包括：

第一端口，与相邻平衡单元的第二端口连接；

第二端口，与另一相邻平衡单元的第一端口连接；

第三端口，与所述子模块的直流电容的正极或负极连接。

17.如权利要求16所述的换流器系统，所述平衡单元还包括：

第五功率半导体器件，连接在所述第一端口与所述第三端口之间；

第六功率半导体器件，连接在所述第二端口与所述第三端口之间。

18.如权利要求17所述的换流器系统，所述平衡单元还包括：

第三旁路开关，并联连接在所述第五功率半导体器件或/和第六功率半导体器件两端。

19.如权利要求18所述的换流器系统，所述第三旁路开关与所述第二旁路开关的开关状态保持一致。

20.如权利要求16所述的换流器系统，所述平衡单元还包括：

二极管，所述二极管连接在所述第一端口与所述第三端口之间，所述第二端口和所述第三端口之间短接。

21.如权利要求16所述的换流器系统，所述平衡单元还包括：

限流单元，所述限流单元连接在所述第一端口与所述第三端口，或/和所述第二端口与所述第三端口之间，所述限流单元包括电阻或/和电感。

22.如权利要求16所述的换流器系统，还包括：

隔离开关，所述隔离开关连接在所述第三端口与所述直流电容的正极或负极之间。

23.如权利要求1所述的换流器系统，所述电力电子单元包括：

桥式电路，将交流电变换为直流电，所述桥式电路包括功率半导体器件。

24.如权利要求1所述的换流器系统，所述子模块还包括：

滤波单元，所述滤波单元串联在所述功率单元的交流端与所述子模块的交流端之间，所述滤波单元包括：

L滤波器，包括第一滤波电感，串联连接在所述滤波单元的输入端与输出端之间；或

LC滤波器，包括第二滤波电感和滤波电容，所述第二滤波电感串联连接在所述滤波单元的输入正端与输出正端之间，所述滤波电容并联连接在所述滤波单元的输出正端和输出负端之间；或

LCL滤波器，包括第一滤波电感、第二滤波电感与滤波电容，所述第一滤波电感与所述第二滤波电感串联连接在所述滤波单元的输入正端和输出正端之间，所述滤波电容并联连接在所述第一滤波电感和所述第二滤波电感的连接点以及所述滤波单元的输出负端之间。

25.一种如权利要求1至24之任一项所述动态平衡式换流器系统的控制方法，当所述换流器系统启动前，所述控制方法包括：

启动交流电源，使电力电子单元启动工作，与其连接的子模块直流电容电压升高，达到允许所述子模块工作的电压；

先启动的子模块的直流电容通过平衡单元向其他子模块充电，直到所有子模块电容电压达到允许子模块工作的电压；

控制各个子模块中的功率单元开始工作，进入运行状态。

26.如权利要求25所述的控制方法，其中，当所述换流器系统进入运行状态时，所述控制方法包括均压法或有功功率平衡法，

所述均压法包括：

当各个子模块的直流电容电压不均时，电压较高的子模块的直流电容通过平衡单元向电压较低的子模块的直流电容充电；或

所述有功功率平衡法包括：

当所述换流器系统的有功功率供给不足时，所有子模块的直流电容平均电压低于注入门槛值，电力电子单元启动，交流电源通过电力电子单元向所有子模块直流电容充电；

当所述换流器系统的有功功率供给过剩时，所有子模块的直流电容平均电压高于耗能门槛值，电力电子单元启动，交流电源通过电力电子单元使所有子模块的直流电容放电，通过功率电阻消耗或回馈到隔离变压器原边。

27.如权利要求25所述的控制方法，其中，当所述换流器系统包括第一旁路开关、第二旁路开关时，所述控制各个子模块中的功率单元开始工作，进入运行状态之前，还包括：

分开所述第一旁路开关和所述第二旁路开关。

28.一种如权利要求25至27之任一项所述的控制方法，当所述换流器系统还包括第三旁路开关时，所述控制方法还包括：

在完成启动后，分开所述第三旁路开关。

29.一种如权利要求25至27之任一项所述的控制方法，当所述换流器系统还包括隔离开关时，所述控制方法还包括：

在完成启动后，分开所述隔离开关；

当重新启动或采用所述均压法或所述有功功率平衡法时，重新闭合所述隔离开关。

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