CN113949296A - 一种换流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种换流电路，涉及电流变换电路技术领域。所述电路包括滤波电容、换流电抗器和换流器；所述滤波电容与交流端口并联连接；所述换流电抗器与交流端口串联连接；所述换流器包括与换流电抗器连接的桥臂，所述桥臂由一个或多干个串联的单元电路组成，所述单元电路包括并联连接的电流通断控制部件和过电压抑制部件。本发明所提出的换流电路，不仅可靠性高，而且利于电路参数的设计。

Description

一种换流电路
技术领域
本发明属于电流变换电路技术领域，尤其涉及一种换流电路。
背景技术
电流源型换流器直流侧具有降压特性，每个桥臂承受电压最大值为线电压峰值，小于电压源型器件中2倍相电压峰值，可以降低串联器件数目。每次换流过程中，桥臂电压变化低，使得均压RC损耗降低。电流源型换流器可以用于高压直流输电以解决换相失败问题，还可以用于中低压场合，如交流电网合环、直流配电、电网融冰等。但是电流源型换流器的弊端在于一侧始终存在一个桥臂需要流过直流电流，当采用IGBT等器件时，换流器中通态损耗占比过高，效率较低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种换流电路。
所述电路包括滤波电容、换流电抗器和换流器；所述滤波电容与交流端口并联连接；所述换流电抗器与交流端口串联连接；所述换流器包括与换流电抗器连接的桥臂，所述桥臂由一个或多干个串联的单元电路组成，所述单元电路包括并联连接的电流通断控制部件和过电压抑制部件。
所述电流通断控制部件包括串联连接的一个非对称型IGCT和一个快恢复二极管。
所述电流通断控制部件为一个逆阻型IGCT。
所述过电压抑制部件包括串联连接的一个吸收电阻和一个吸收电容。
所述单元电路还包括静态均压电阻，所述静态均压电阻与电流通断控制部件和过电压抑制部件并联连接。
所述换流电路还包括平波电抗器，所述平波电抗器一端与桥臂连接，另一端与直流负载连接。
当所述交流端口为交流三相电网端口的时候，所述换流器主拓扑为三相全控桥。
所述IGCT为P-N-P-N结构。
当所述桥臂由多个串联的单元电路组成的时候，所单元电路的数量n的计算公式为：
Figure BDA0003307629240000021
所述Uac为换流器交流侧线电压有效值，UN为器件设计的工作电压。
所述换流电抗器的感值LC的计算公式为：
Figure BDA0003307629240000022
所述Uac为换流器交流侧线电压有效值，(di/dt)max为IGCT及二极管电流变化率耐受值中较低的值。
所述静态均压电阻Ra的的选取应符合
Figure BDA0003307629240000023
所述U为器件阻断电压或换流器正常工作时桥臂阻断态下每个单元承受的最大电压；
所述Ioff为关断状态电流通断控制部件正反向漏电流中较高的一个。
所述U的计算公式为
Figure BDA0003307629240000024
所述Uac为换流器交流侧线电压有效值；
所述n为每个桥臂上串联的单元电路的数量。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
1、利用IGCT作为新型流控型全控器件，因双向电导调制效应而具有极低的通态压降，使得换流器具有很高的效率；IGCT器件具有可靠的故障短路和防爆特性，利于在串联应用中设置冗余。
2、所述的电路参数设计方案具有很好的可实施性，能对IGCT器件在开通、关断过程中给予充分的保护，提高器件和设备寿命与可靠性。同时，参数设计不至于裕量过多，成本、体积和效率上也具有优势。
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为本发明第一个实施例的示意图。
图2为本发明第二个实施例的示意图。
图3为桥臂单元电路端产生的过电压图。
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。
应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件、单元、线路和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了对本发明的实施例进行详细的说明，这里主要对交流三相电网所涉及的换流电路进行说明。
本发明实施例所涉及的换流电路包括滤波电容、换流电抗器和换流器；所述滤波电容与交流端口并联连接；所述换流电抗器与交流端口串联连接；所述换流器包括与换流电抗器连接的桥臂，所述桥臂由一个或多干个串联的单元电路组成，所述单元电路包括并联连接的电流通断控制部件和过电压抑制部件。
如图1所示，为本发明第一个实施例的示意图。所述滤波电容CAC用于滤波，以及吸收交流电网等效串联电感在关断瞬间中在换流器桥臂上产生的过压。所述换流电抗器LC作用为限制电流通断控制部件开通时的电流变化率，从而保护器件。
换流器主拓扑为三相全控桥，每个桥臂由一个单元电路组成，所述单元电路包括并联连接的电流通断控制部件和过电压抑制部件。
其中电流通断控制部件包括串联连接的一个非对称型IGCT器件Q2和一个快恢复二极管Q1；或者所述电流通断控制部件包括一个逆阻型IGCT(图上未示出)。所述IGCT为集成门极换流晶闸管。所述非对称型IGCT器件Q2是可以控制正向是否通过电流，但无法正向或反向耐受较高电压的IGCT器件，所述逆阻型IGCT是可以控制正向是否通过电流，也可以耐受较高正向电压的IGCT器件。
所述过电压抑制部件包括串联连接的一个吸收电阻Rb和一个吸收电容C，用以实现桥臂关断时对换流电抗器所引起的过电压的抑制，以及在桥臂具有多个串联单元时，开关瞬间的电压均衡。
所述换流器另一端与直流负载或者直流电网连接。
进一步的，所述换流电路还包括平波电抗器LDC，所述平波电抗器一端与桥臂连接，另一端与直流负载或者直流电网连接。
如图2所示，为本发明的第二个实施例的示意图。所述滤波电容CAC用于滤波，以及吸收交流电网等效串联电感在关断瞬间中在换流器桥臂上产生的过压。所述换流电抗器LC作用为限制电流通断控制部件开通时的电流变化率，从而保护器件。
换流器主拓扑为三相全控桥，每个桥臂由多个单元电路组成，所述单元电路包括并联连接的电流通断控制部件、过电压抑制部件和静态均压电阻Ra。
其中电流通断控制部件包括串联连接的一个非对称型IGCT器件Q2和一个快恢复二极管Q1，或者所述电流通断控制部件包括一个逆阻型IGCT(图上未示出)。所述IGCT为集成门极换流晶闸管。所述非对称型IGCT器件Q2是可以控制正向是否通过电流，但无法正向或反向耐受较高电压的IGCT器件，所述逆阻型IGCT是可以控制正向是否通过电流，也可以耐受较高正向电压的IGCT器件。
所述过电压抑制部件包括串联连接的一个吸收电阻Rb和一个吸收电容C，用以实现桥臂关断时对换流电抗器所引起的过电压的抑制，以及在桥臂具有多个串联单元时，开关瞬间的电压均衡。
所述静态均压电阻Ra用以实现桥臂阻断状态下各单元的电压均衡。
所述换流器另一端与直流负载或者直流电网连接。
进一步的，所述换流电路还包括平波电抗器LDC，所述平波电抗器一端与桥臂连接，另一端与直流负载或者直流电网连接。
如图1和图2所示，图上所设计的电路器件的参数的设计结果要能对IGCT器件在开通、关断过程中给予充分的保护，基于这一原则，我们对电路器件的参数进行了详细的设计。
当每个桥臂上的单元电路为多个的时候，串联单元数目n的计算公式为:
Figure BDA0003307629240000061
式中，Uac为换流器交流侧线电压有效值，UN为换流器器件设计的工作电压，需小于其标称直流耐受电压并留有裕量。串联单元可以设置冗余。
所述换流电抗器的感值计算公式为：
Figure BDA0003307629240000062
式中，Uac为换流器交流侧线电压有效值，(didt)max为所选用的IGCT器件及二极管器件电流变化率耐受值中较低的值，且需留有裕量。
所述静态均压电阻Ra的选取原则是：
Figure BDA0003307629240000063
式中，所述U为换流器器件阻断电压或换流器正常工作时桥臂阻断态下每个单元承受的最大电压：
Figure BDA0003307629240000071
Uac为换流器交流侧线电压有效值，n为每个桥臂串联的单元电路数量；
所述Ioff为关断状态电流通断控制部件正反向漏电流中较高的一个，具体的Ioff为关断状态非对称型IGCT器件Q2与二极管Q1串联(或关断状态的逆阻型IGCT)，正反向电压分别为U时，器件正反向漏电流中较高的一个。可以是器件手册标称值或实测值。
吸收电容C和吸收电阻Rb的选取上，我们通过电路仿真或对电路特性编程进行仿真计算，输入变量为吸收电容和吸收电阻的取值，输出变量为交流线电压峰值下开通及关断额定或最高电流时，各桥臂单元端所产生的过电压峰值，进而选取过电压水平满足以下要求的一组参数：
1.关断额定电流时，产生的过压峰值不高于器件标称直流耐受电压，且留有一定裕量。
2.关断最高电流时，产生的过压峰值不高于器件标称瞬时最大耐压，且留有一定裕量。
所述额定电流，指换流器设计额定运行下的直流电流；所述最高电流，是指因暂态过负荷运行，或控制保护冗余需要，所设计的桥臂需要关断的最大电流。所采用的电路仿真软件可以是Simulink或PSCAD，所采用的电路特性编程软件可以是MATLAB。
在电路仿真或电路特性建模中，IGCT器件开通过程可以等效为理想开关，关断过程可以等效为电流以恒定速率由初始值下降至0的电流源，所述恒定速率可由器件数据手册给出或在试验中测量。
在满足过压要求的情况下，电容容值应尽可能小，以降低损耗，提高换流器效率。
下面结合具体的非对称型IGCT器件CAC5000-45 Plus，以及串联二极管器件D2700U进行详细举例说明。
这里设定额定交流电压10kV，额定直流电流1kA，最高关断电流1.5kA，标称直流耐受电压为2800V，标称瞬时最大耐压4500V。标称电流变化率耐受水平5000A/us，器件工作电压2.5kV。
那么串联单元电路数目n计算结果为：
Figure BDA0003307629240000081
考虑冗余后每个桥臂选用7个单元电路串联。
换流电抗器取值：
Figure BDA0003307629240000082
留有裕量后，可以设为3.5uH。
静态均压电阻Ra的选取：
Figure BDA0003307629240000083
留有裕量后，可选为100kΩ。
我们通过MATLAB编程分析不同元件参数选取，在线电压峰值14.14kV下关断和开通额定直流电流1kA或最高关断电流1.5kA，在桥臂各单元电路端产生的过电压图，如图3所示，考虑两种情况下的过压水平，参比器件标称值并留有裕量，同时尽量降低吸收电容取值，选用0.6uF吸收电容和2.6Ω吸收电阻。
本发明实施例所给出的缓冲电路参数设计方案具有很好的可实施性。设计结果能对IGCT器件在开通、关断过程中给予充分的保护，提高器件和设备寿命与可靠性。同时，参数设计不至于裕量过多，成本、体积和效率上具有优势。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例所记载的技术方案进行的修改或者对其中部分技术特征进行的等同替换，均在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种换流电路，其特征在于，所述电路包括滤波电容、换流电抗器和换流器；
所述滤波电容与交流端口并联连接；
所述换流电抗器与交流端口串联连接；
所述换流器包括与换流电抗器连接的桥臂，所述桥臂由一个或多干个串联的单元电路组成，所述单元电路包括并联连接的电流通断控制部件和过电压抑制部件。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电流通断控制部件包括串联连接的一个非对称型IGCT和一个快恢复二极管。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电流通断控制部件为一个逆阻型IGCT。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述过电压抑制部件包括串联连接的一个吸收电阻和一个吸收电容。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述单元电路还包括静态均压电阻，所述静态均压电阻与电流通断控制部件和过电压抑制部件并联连接。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述换流电路还包括平波电抗器，所述平波电抗器一端与桥臂连接，另一端与直流负载连接。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，当所述交流端口为交流三相电网端口的时候，所述换流器主拓扑为三相全控桥。
8.根据权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述IGCT为P-N-P-N结构。
9.根据权利要求5所述的电路，其特征在于:
当所述桥臂由多个串联的单元电路组成的时候，所单元电路的数量n的计算公式为：
Figure FDA0003307629230000021
所述Uac为换流器交流侧线电压有效值，UN为器件设计的工作电压。
10.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：
所述换流电抗器的感值LC的计算公式为：
Figure FDA0003307629230000022
所述Uac为换流器交流侧线电压有效值，(di/dt)max为IGCT及二极管电流变化率耐受值中较低的值。
11.根据权利要求9所述的电路，其特征在于：
所述静态均压电阻Ra的的选取应符合
Figure FDA0003307629230000023
所述U为器件阻断电压或换流器正常工作时桥臂阻断态下每个单元承受的最大电压；
所述Ioff为关断状态电流通断控制部件正反向漏电流中较高的一个。
12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于：
所述U的计算公式为
Figure FDA0003307629230000024
所述Uac为换流器交流侧线电压有效值；
所述n为每个桥臂上串联的单元电路的数量。
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