CN113872458B - 一种轻型模块化换流阀及其控制方法 - Google Patents

一种轻型模块化换流阀及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种轻型模块化换流阀及其控制方法。所述轻型模块化换流阀包括至少1个桥臂，桥臂包括相互串联的N个子模块以及桥臂电抗器，N≥1，子模块包括功率单元、直流电容、旁路开关和子模块控制单元，功率单元包括由功率半导体器件构成的半桥结构或全桥结构，功率单元的交流端并联旁路开关；桥臂电抗器包括M个串联电抗，1≤M≤N，串联电抗分别布置于M个子模块内部并串联连接在所述子模块的交流端口与旁路开关之间，或/和分别布置于两个子模块交流端口之间，或/和布置于K个子模块串联组成的阀段首端或尾端，1≤K≤N，串联电抗为耦合电感，包括主绕组和控制绕组，主绕组与子模块串联，控制绕组与受控电源连接。

Description

一种轻型模块化换流阀及其控制方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种轻型模块化换流阀及其控制方法。
背景技术
现有随着电力电子技术在电力系统中的应用和发展，电力电子设备向着高电压模块化级联方向发展，尤其在高压大容量柔性直流输电技术中广泛应用，设备的容量以及电压等级增长迅速，目前已经达到±800kV/5000MW。
设备容量增长带来的问题是设备体积和重量的增加。一方面，现有用地紧张，新建的工程征地难度大；另一方面，有一些特殊应用场合，如海上风电，由于海上平台的空间有限，运输和安装难度大，对设备占地和重量有很高的要求。由此可见，减小换流阀的占地和重量对于该项技术的发展意义重大。
现有技术中，存在以下三个问题制约轻型化换流阀的发展。
第一，桥臂电抗器布置于换流阀塔外部，留有很大空气间距，造成成套设备占地面积大，布局难度增加等问题。
第二，电容器在整个换流阀的占地和重量占地最大，其容值计算一方面要考虑平抑稳态状态下电压的波动，另一方面，在故障条件下，可以抑制暂态过电压，而故障条件下的电容值需求要远高于稳态电容值需求。
第三，IGBT器件的抗浪涌能力和耐压能力都不足，如果电容器取值较小，则故障穿越能力弱，容易损坏器件。
发明内容
本申请实施例提供一种轻型模块化换流阀，包括至少1个桥臂，所述桥臂包括相互串联的N个子模块以及桥臂电抗器，N≥1，所述子模块包括功率单元、直流电容、旁路开关和子模块控制单元，所述功率单元包括由功率半导体器件构成的半桥结构或全桥结构，所述功率单元的交流端并联所述旁路开关；所述桥臂电抗器包括M个串联电抗，1≤M≤N，所述串联电抗分别布置于M个子模块内部并串联连接在所述子模块的交流端口与旁路开关之间，或/和分别布置于两个子模块交流端口之间，或/和布置于K个子模块串联组成的阀段首端或尾端，1≤K≤N，所述串联电抗为耦合电感，包括主绕组和控制绕组，所述主绕组与所述子模块串联，所述控制绕组与受控电源连接，N、M、K为自然数。
根据一些实施例，所述桥臂还包括阀支架，所述阀支架用于支撑所述子模块和所述串联电抗；所述阀支架包括用于支撑地电位的绝缘子或绝缘框架，所述阀支架、所述子模块和所述串联电抗组合成集成式阀塔。
根据一些实施例，所述集成式阀塔还包括水冷管道，所述串联电抗的冷却回路与所述水冷管道直接连接，或所述串联电抗的冷却回路与所述子模块的冷却回路串联后与所述水冷管道连接。
根据一些实施例，所述M个串联电抗中两个电感值最大的串联电抗，布置在所述集成式阀塔中距离地电位最近的一层两端，其余串联电抗均匀分布在所述集成式阀塔中。
根据一些实施例，所述受控电源位于串联电抗相邻的子模块的内部，受所述子模块控制单元控制；或/和位于串联电抗内部，具有独立的受控电源控制单元，所述受控电源控制单元受相邻的子模块控制单元控制或直接受阀控制器控制。
根据一些实施例，所述受控电源包括电压源和全桥控制单元，所述电压源来自于所述子模块的直流电容或对所述子模块的直流电容进行DC/DC变换或对所述串联电抗的主绕组进行电流耦合；所述全桥控制单元包括四个全控半导体器件，所述全桥控制单元的直流端连接所述电压源，所述全桥控制单元的交流端连接所述串联电抗的控制绕组。
根据一些实施例，所述串联电抗的主绕组和控制绕组共铁芯绕制，所述控制绕组的匝数大于所述主绕组的匝数。
根据一些实施例，所述串联电抗的主绕组两端并联过电压保护装置，所述过电压保护装置具备双向过电压保护能力。
根据一些实施例，所述全桥控制单元的触发采用高频调制方法，按一定频率和占空比触发相应位置器件，使所述串联电抗的控制绕组流过不同方向的电流。
根据一些实施例，所述子模块的功率单元包括IGCT混合子模块，所述IGCT混合子模块包括上管、下管和限流电抗，所述上管与交流侧端口串联，所述上管为绝缘栅双极型晶体管IGBT；所述下管与交流侧端口并联，所述下管为集成门极换流晶闸管IGCT，所述下管与二极管反并联，所述下管与所述二极管整体定义为IGCT对管；所述限流电抗用于限制流过所述下管的电流变化率。
根据一些实施例，所述IGCT混合子模块的限流电抗串联于所述直流电容与所述功率单元之间或/和串联于下管IGCT对管所在支路。
根据一些实施例，所述IGCT混合子模块还包括钳位电路，所述钳位电路包括电容、电阻以及二极管，所述电容用于限制过电压，所述电阻提供阻尼限流功能，所述二极管提供续流回路。
根据一些实施例，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述电容并联连接后的第一端连接所述直流电容的负极，所述第二电阻的第一端连接所述第一电阻和所述电容并联连接的第二端，所述第二电阻的第二端连接所述直流电容的正极，所述二极管的正极连接所述第一电阻和所述电容并联连接的第二端，所述二极管的负极连接所述下管IGCT对管的发射极。
本申请实施例还提供一种如上所述的轻型模块化换流阀的控制方法，包括正常模式、限流模式和旁通模式三种控制方式，所述正常模式下，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流在正常值范围内时，所述轻型模块化换流阀的阀控制器接收所述轻型模块化换流阀的控制保护系统的指令后，控制子模块的功率单元中的功率器件开通和关断；所述限流模式下，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第一过流门槛值时，所述阀控制器根据所述桥臂的电流方向，触发所述受控电源的全桥控制单元的对应器件，使所述串联电抗的主绕组耦合出阻断电压，降低故障电流；所述旁通模式下，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第二过流门槛值时，所述阀控制器控制所有子模块的功率单元的上管闭锁，下管导通。
根据一些实施例，所述正常模式下，所述子模块的直流电容存在电压波动；所述旁通模式下，所述子模块的直流电容不注入电流，电容电压不会升高；所述子模块的直流电容的取值方法为正常模式下电压波动不超过阈值，不考虑旁通模式下故障电流的充电过压效应。
本申请实施例提供的技术方案，将桥臂电抗器分为多个串联电抗，并将串联电抗优化的分布于换流阀中，串联电抗设计为耦合电感，一个主绕组与子模块串联；另一个控制绕组与受控电源连接，电抗器在流过故障电流时避免磁饱和，并输出反向阻断电压，在暂态时有效抑制故障电流，避免子模块电容的暂态过电压，以减少容值，稳态时不影响换流器正常运行，解决了限流问题。同时，串联电抗还起到抑制共模电流在子模块间流动的作用。可应用于柔性直流换流阀、UPFC、SVG等模块化多电平拓扑，具有占地小、重量轻、布置方便等优势。
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1A是本申请实施例提供的一种轻型模块化换流阀构成示意图。
图1B是本申请实施例提供的另一种轻型模块化换流阀构成示意图。
图1C是本申请实施例提供的又一种轻型模块化换流阀构成示意图。
图2A是本申请实施例提供的一种串联阻抗绕组与受控电源接线示意图。
图2B是本申请实施例提供的另一种串联阻抗绕组与受控电源接线示意图。
图2C是本申请实施例提供的又一种串联阻抗绕组与受控电源接线示意图。
图3是本申请实施例提供的一种集成式阀塔构成示意图。
图4A是本申请实施例提供的一种串联电抗的冷却回路与水冷管道连接方式示意图。
图4B是本申请实施例提供的另一种串联电抗的冷却回路与水冷管道连接方式示意图。
图5是本申请实施例提供的一种串联电抗在集成式阀塔中的布置示意图。
图6A是本申请实施例提供的一种IGCT混合子模块限流电抗连接方式示意图。
图6B是本申请实施例提供的另一种IGCT混合子模块限流电抗连接方式示意图。
图7是本申请实施例提供的一种钳位电路示意图。
图8是本申请实施例提供的一种轻型模块化换流阀的控制方法示意图。
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1A是本申请实施例提供的一种轻型模块化换流阀构成示意图。
轻型模块化换流阀包括至少1个桥臂。桥臂包括相互串联的N个子模块1以及桥臂电抗器，N≥1，N为自然数。
子模块1包括功率单元、直流电容C1、旁路开关2和子模块控制单元(未示出)。功率单元是由功率半导体器件构成的半桥结构或全桥结构，功率单元的交流端并联旁路开关2。
桥臂电抗器包括M个串联电抗3，1≤M≤N，M为自然数。桥臂电抗器的布置方法为以下三种方式之一或其组合。
第一种方式为串联电抗3分别布置于M个子模块1内部并串联连接在子模块1的交流端口与旁路开关2之间，如图1A所示。
第二种方式为串联电抗3分别布置于两个子模块1的交流端口之间，如图1B所示。
第三种方式为串联电抗3布置于K个子模块1串联组成的阀段首端或尾端，如图1C所示，1≤K≤N，K为自然数。
串联电抗3为耦合电感，包括主绕组3A和控制绕组3B，主绕组3A与子模块1串联，控制绕组3B与受控电源4连接，N、M、K为自然数，如图2A所示。
具体而言，串联电抗3的主绕组3A和控制绕组3B共铁芯绕制，控制绕组3B的匝数大于主绕组3A的匝数。
串联电抗3的主绕组3A两端并联过电压保护装置，过电压保护装置具备双向过电压保护能力。
本实施例提供的技术方案，将桥臂电抗器分为多个串联电抗，并将串联电抗优化的分布于换流阀中，串联电抗设计为耦合电感，一个主绕组与子模块串联；另一个控制绕组与受控电源连接，电抗器在流过故障电流时避免磁饱和，并输出反向阻断电压，在暂态时有效抑制故障电流，避免子模块电容的暂态过电压，以减少容值，稳态时不影响换流器正常运行，解决了限流问题。同时，串联电抗还起到抑制共模电流在子模块间流动的作用。可应用于柔性直流换流阀、UPFC、SVG等模块化多电平拓扑，具有占地小、重量轻、布置方便等优势。
根据一些实施例，受控电源4为以下两种方式之一或其组合。
根据一些实施例，受控电源4位于串联电抗3相邻的子模块1的内部，受子模块控制单元控制。
根据一些实施例，受控电源4位于串联电抗3内部，具有独立的受控电源控制单元，受控电源控制单元受相邻的子模块控制单元控制或直接受阀控制器控制。
其中，受控电源4包括电压源和全桥控制单元。
电压源有以下几种来源。
电压源来自于子模块1的直流电容C1，如图2A所示。
电压源来自于对子模块1的直流电容C1进行DC/DC变换，如图2B所示。
电压源来自于对串联电抗3的主绕组3A进行电流耦合，如图2C所示。
全桥控制单元包括四个全控半导体器件，全桥控制单元的直流端连接电压源，全桥控制单元的交流端连接串联电抗3的控制绕组3B。
全桥控制单元的触发采用高频调制方法，按一定频率和占空比触发相应位置器件，使串联电抗3的控制绕组3B流过不同方向的电流。
根据一些实施例，桥臂还包括阀支架5，阀支架5用于支撑子模块1和串联电抗3，阀支架5包括用于支撑地电位的绝缘子或绝缘框架。集成式阀塔包括阀支架5、子模块1和串联电抗3，如图3所示。
根据一些实施例，还可以采用屏柜式安装，多个桥臂相互叠放，用绝缘框架隔开。
上述安装方式可以用作多种设备的换流阀，包括柔性直流输电换流阀、静止无功发生器以及统一潮流控制器。
集成式阀塔还包括水冷管道。串联电抗3的冷却回路与水冷管道直接连接，如图4A所示。或者串联电抗3的冷却回路与子模块1的冷却回路串联后与水冷管道连接，如图4B所示。
根据一些实施例，M个串联电抗中两个电感值最大的串联电抗，定义为3M1和3M2，布置在集成式阀塔中距离地电位最近的一层两端，其余串联电抗3均匀分布在集成式阀塔中，如图5所示。
子模块的功率单元包括IGCT混合子模块，IGCT混合子模块包括上管、下管和限流电抗6。
上管与交流侧端口串联，上管为绝缘栅双极型晶体管IGBT。下管与交流侧端口并联，下管为集成门极换流晶闸管IGCT，下管与二极管反并联，下管和二极管整体定义为IGCT对管。限流电抗6用于限制流过下管的电流变化率。
IGCT混合子模块的限流电抗6的连接方式为以下两种之一或两种方式的组合。
第一种方式为IGCT混合子模块的限流电抗6串联于直流电容C1与功率单元之间，如图6A所示。
第二种方式为IGCT混合子模块的限流电抗6串联于下管IGCT对管所在支路，如图6B所示。
本实施例的技术方案，IGCT混合子模块的下管为IGCT，结合限流作用的串联电抗，在故障电流流过时由于IGCT维持导通状态，故障电流不会流过直流电容形成充电状态，避免了强行关断故障电流导致的直流电容过电压，因此，直流电容在选型时，不需要考虑暂态情况，在保证设备安全的前提下，大大降低了直流电容的容值。
根据一些实施例，IGCT混合子模块还包括钳位电路，钳位电路包括电容、电阻和二极管。电容用于限制过电压，第一电阻提供阻尼限流功能，二极管提供续流回路。
根据一些实施例，钳位电路包括电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2和二极管D1。
电容C2用于限制子模块中功率器件过电压和直流电容C1的过电压。第一电阻R1提供阻尼限流功能，第一电阻R1与电容C2并联连接后的第一端连接直流电容C1的负极。第一电阻R1和电容C2并联连接的第二端连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端连接直流电容C1的正极。二极管D1提供续流回路，第一电阻R1和电容C2并联连接的第二端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接下管IGCT对管的发射极，如图7所示。
图8是本申请实施例提供的一种轻型模块化换流阀的控制方法示意图，包括正常模式、限流模式和旁通模式三种控制模式。
S11为正常模式，轻型模块化换流阀流过子模块电流在正常值范围内时，轻型模块化换流阀的阀控制器接收轻型模块化换流阀的控制保护系统的指令后，控制子模块的功率单元中的功率器件开通和关断。
S12为限流模式，轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第一过流门槛值时，阀控制器根据桥臂的电流方向，触发受控电源4的全桥控制单元的对应器件，使串联电抗3的主绕组3A耦合出阻断电压，降低故障电流。
S13为旁通模式，轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第二过流门槛值时，阀控制器控制所有子模块的功率单元的上管闭锁，下管导通。
其中，正常模式下，子模块的直流电容存在电压波动。旁通模式下，子模块1的直流电容C1不注入电流，电容电压不会升高。
子模块的直流电容的取值方法为正常模式下电压波动不超过阈值，不考虑旁通模式下故障电流的充电过压效应。
本实施例的技术方案，提出了换流阀控制方法的三种控制模式：正常模式下换流阀阀控制器接收控制保护系统指令后控制功率单元中的功率器件开通和关断；限流模式下换流阀阀控制器根据桥臂电流的方向，触发全桥控制单元的对应器件，使串联电抗的主绕组耦合出阻断电压，降低故障电流；旁通模式下换流阀流阀控制器控制功率单元中的所有子模块的上管闭锁，下管IGCT导通，如下管IGCT已经处于导通状态则维持导通，将故障电流旁路。三种控制模式可根据换流阀运行状态灵活切换，充分利用了换流阀中的IGCT器件以及串联电抗，实现了换流阀的轻型化目标。
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 (13)

1.一种轻型模块化换流阀，包括：
至少1个桥臂，所述桥臂包括：
相互串联的N个子模块，N≥1，所述子模块包括功率单元、直流电容、旁路开关和子模块控制单元，所述功率单元包括由功率半导体器件构成的半桥结构或全桥结构，所述功率单元的交流端并联所述旁路开关；
桥臂电抗器，所述桥臂电抗器包括M个串联电抗，1≤M≤N，所述串联电抗分别布置于M个子模块内部并串联连接在所述子模块的交流端口与旁路开关之间，或/和分别布置于两个子模块交流端口之间，所述串联电抗为耦合电感，包括主绕组和控制绕组，所述主绕组与所述子模块串联，所述控制绕组与受控电源连接，N、M为自然数，
其中，所述受控电源包括：
电压源，来自于所述子模块的直流电容或对所述子模块的直流电容进行DC/DC变换或对所述串联电抗的主绕组进行电流耦合；
全桥控制单元，包括四个全控半导体器件，所述全桥控制单元的直流端连接所述电压源，所述全桥控制单元的交流端连接所述串联电抗的控制绕组，
其中，所述全桥控制单元的触发采用高频调制方法，按一定频率和占空比触发相应位置器件，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第一过流门槛值时，阀控制器根据所述桥臂的电流方向，触发所述受控电源的全桥控制单元的对应器件，使所述串联电抗的主绕组耦合出阻断电压，降低故障电流。
2.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述桥臂还包括：
阀支架，用于支撑所述子模块和所述串联电抗；所述阀支架包括用于支撑地电位的绝缘子或绝缘框架，所述阀支架、所述子模块和所述串联电抗组合成集成式阀塔。
3.如权利要求2所述的轻型模块化换流阀，其中，所述集成式阀塔还包括：
水冷管道，所述串联电抗的冷却回路与所述水冷管道直接连接，或所述串联电抗的冷却回路与所述子模块的冷却回路串联后与所述水冷管道连接。
4.如权利要求2所述的轻型模块化换流阀，其中，所述M个串联电抗中两个电感值最大的串联电抗，布置在所述集成式阀塔中距离地电位最近的一层两端，其余串联电抗均匀分布在所述集成式阀塔中。
5.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述受控电源位于串联电抗相邻的子模块的内部，受所述子模块控制单元控制；或/和位于串联电抗内部，具有独立的受控电源控制单元，所述受控电源控制单元受相邻的子模块控制单元控制或直接受阀控制器控制。
6.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述串联电抗的主绕组和控制绕组共铁芯绕制，所述控制绕组的匝数大于所述主绕组的匝数。
7.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述串联电抗的主绕组两端并联过电压保护装置，所述过电压保护装置具备双向过电压保护能力。
8.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述子模块的功率单元包括IGCT混合子模块，所述IGCT混合子模块包括：
上管，与交流侧端口串联，所述上管为绝缘栅双极型晶体管IGBT；
下管，与交流侧端口并联，所述下管为集成门极换流晶闸管IGCT，所述下管与二极管反并联，所述下管与所述二极管整体定义为IGCT对管；
限流电抗，用于限制流过所述下管的电流变化率。
9.如权利要求8所述的轻型模块化换流阀，其中，所述IGCT混合子模块的限流电抗串联于所述直流电容与所述功率单元之间或/和串联于下管IGCT对管所在支路。
10.如权利要求8所述的轻型模块化换流阀，所述IGCT混合子模块还包括钳位电路，所述钳位电路包括电容、电阻以及二极管，所述电容用于限制过电压，所述电阻提供阻尼限流功能，所述二极管提供续流回路。
11.如权利要求10所述的轻型模块化换流阀，其中，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述电容并联连接后的第一端连接所述直流电容的负极，所述第二电阻的第一端连接所述第一电阻和所述电容并联连接的第二端，所述第二电阻的第二端连接所述直流电容的正极，所述二极管的正极连接所述第一电阻和所述电容并联连接的第二端，所述二极管的负极连接所述下管IGCT对管的发射极。
12.一种如权利要求1至11之任一项所述的轻型模块化换流阀的控制方法，包括：
正常模式，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流在正常值范围内时，所述轻型模块化换流阀的阀控制器接收所述轻型模块化换流阀的控制保护系统的指令后，控制子模块的功率单元中的功率器件开通和关断；
限流模式，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第一过流门槛值时，所述阀控制器根据所述桥臂的电流方向，触发所述受控电源的全桥控制单元的对应器件，使所述串联电抗的主绕组耦合出阻断电压，降低故障电流；
旁通模式，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第二过流门槛值时，所述阀控制器控制所有子模块的功率单元的上管闭锁，下管导通。
13.如权利要求12所述的控制方法，其中，所述正常模式下，所述子模块的直流电容存在电压波动；所述旁通模式下，所述子模块的直流电容不注入电流，电容电压不会升高；
所述子模块的直流电容的取值方法为正常模式下电压波动不超过阈值，不考虑旁通模式下故障电流的充电过压效应。
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