CN205123611U - 模块化的变流器拓扑及换流器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模块化的变流器拓扑及换流器系统，换流器子模块还包括与储能器并联连接的第一级联电路，所述第一级联电路为6个功率半导体单元组成的三相桥式电路，所述功率半导体单元可通过控制信号触发导通和关断，第一级联电路具有交流接线端子L1、L2和L3；换流器子模块还包括与储能器并联的第二级联电路，所述第二级联电路由熔断器、半导体单元和机械开关组成；所述第二级联电路通过接线端子X1和接线端子X2引出；所述机械开关并联于接线端子X1和线端子X2两端，可以通过合闸控制将X1接线端子和X2接线端子短路。本实用新型的换流器子模块，可以实现换流器的冗余运行，提高换流器运行的可靠性。

Description

模块化的变流器拓扑及换流器系统

技术领域

本实用新型涉及一种采用电压源型换流器单元通过多绕组变压器级联的变流器，尤其涉及一种模块化的变流器拓扑及换流器系统。

背景技术

目前可关断功率开关器件的电压等级最大只有几千伏，采用换流器单元串连的方式，将显著减小换流器对开关器件的电压和电流承受能力的要求。将低电压的电压源型换流器单元直流输出端串连，实现高压直流输出，从而构造出适合直流输电应用的高压直流输电换流器。

采用基本换流器单元串连的直流输电换流器，每个换流器单元具有交流输入端和直流输出端，多个模块的交流侧连接到多绕组变压器，多个模块直流侧的输出端子串连。当其中一个换流器单元发生故障时，整个换流器需要闭锁停运。高压直流输电换流器具有多个模块串连，换流器运行可靠性将受各串连单元的影响。如何在换流器故障时，有效地隔离故障单元，实现单元故障时换流器不间断连续运行，是串连换流器输电系统的关键问题。

当直流输电换流器采用三相两电平全控桥单元的直流输出端直接串连，当串连的换流器单元出现故障时，整个换流器的运行将受到影响。三相全控桥输出端并联有储能电容器，直接在储能电容两端并联开关，开关合闸时电容将通过旁路开关产生几kA～几十kA的放电电流，从而影响换流器的稳定运行。若采用电子式开关旁路故障换流器单元，在换流器单元故障失电的情况下电子开关可能无法可靠旁路故障模块，导致换流器退出运行，且电子式开关造价昂贵。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于提供一种低成本模块化的变流器拓扑及换流器系统，其具有在换流器子模块故障时将故障模块短路，使得发生故障的换流器模块与其它运行模块快速隔离，换流器可以继续维持运行。

本实用新型通过如下方案解决上述技术问题，模块化的变流器拓扑，包括至少两个串联的换流器子模块，所述换流器子模块具有至少一个储能器7和均压电阻8，所述均压电阻并联于储能器两端；所述换流器子模块还包括与储能器并联连接的第一级联电路100，所述第一级联电路100为6个功率半导体单元组成的三相桥式电路，所述功率半导体单元可通过控制信号触发导通和关断，第一级联电路100具有交流第三接线端子、第四接线端子和第五接线端子；其特征在于，所述换流器子模块还包括与储能器并联的第二级联电路200，所述第二级联电路200由熔断器9、半导体单元10和机械开关组成；所述第二级联电路(200)通过第一接线端子和第二接线端子引出；所述机械开关并联于第一接线端子和第二接线端子两端，可以通过合闸控制将第一接线端子和第二接线端子短路。

进一步的，每个换流器子模块通过交流第三接线端子、第四接线端子和第五接线端子与三相交流电路连接；第一接线端子和第二接线端子用于与直流电路连接；

进一步的，半导体单元10是二极管，二极管的阳极与储能器7的负极端子C-相连，二级管的阴极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的C+相连。

进一步的，半导体单元10是二极管，二极管的阴极与储能器7的正极端子C+相连；二级管的阳极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的负极性C-相连。

进一步的，储能器是电容器。

进一步的，机械开关是一个或多个真空开关管。

进一步的，机械开关具有合闸保持功能，保护合闸后即使在失电情况下开关能维持合闸。

进一步的，通过对第一级联电路100采用脉宽调制可以在储能器两端产生稳定的直流电压，机械开关在换流器运行时处于分闸状态，当子模块故障时，通过控制电路将故障子模块的机械开关合闸将第一接线端子和第二接线端子短路，换流器子模块机械开关合闸将第一接线端子和第二接线端子短路后，熔断器流过较大放电电流，快速熔断，将故障模块隔离。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的另一种技术方案为：包括上述的模块化的变流器拓扑的换流器系统，其特征在于：还包括三相交流滤波器F和多绕组变压器T，换流器子模块的第一接线端子、第四接线端子和第五接线端子分别连接到三相交流滤波器F后再分别连接到多绕组变压器T的二次侧绕组，多绕组变压器T的一次侧绕组与电网相连，换流器子模块的第一接线端子和第二接线端子依次级联延伸，首端的子模块第一接线端子连接到直流电路的正极端P，末端的子模块第二接线端子连接到直流电路的负极端N。

进一步的，当换流器子模块开关合闸将第一接线端子和第二接线端子短路，退出运行后，通过控制可以使其它子模块的电压提高从而使直流母线电压维持不变，换流器具有冗余运行能力。

交流滤波器F可以是单电感、LC滤波器、LCL滤波器或一段导线。

本实用新型的有益效果是：

1)按照本实用新型提出的子模块构成换流器系统，每个换流器子模块具有交流输入端和直流输出端，多个子模块在交流侧连接到多绕组变压器，直流侧多个模块的输出端子串连，采用本实用新型子模块构成的换流器可以实现较高电压等级的双向能量AC/DC变换。

2)换流器通过多个子模块串连提高输出直流电压等级，通过构造熔断器、半导体单元和机械开关组成的电路结构可以在子模块故障时将故障模块短路，通过调整换流器其它子模块的控制参数，可以维持换流器继续运行，解决换流器冗余运行难题。

3)本实用新型电路简洁，能够方便地对换流器单元进行电气接线，采用机械开关作为换流器的旁路开关具有良好的经济性。换流器运行时开关处于分闸状态，当子模块故障时，可以通过控制电路将故障子模块的机械开关合闸将第一接线端子和第二接线端子短路，有效地将故障模块旁路。

4)将熔断器与机械开关配合使用实现子模块冗余运行利用熔断器物理特性限制储能器的放电，熔断器运行损耗低，可以采用自然冷却方式，另外无需附加驱动电路，具有成本低等优点。子模块的熔断器同时也可对系统发生直流侧短路的故障进行保护。

5)具有不少于两个串连的三相电压源型换流器模块，可以实现高压直流输出，并具有冗余运行能力。

附图说明

图1是本实用新型一种串联型AC\DC换流器拓扑的原理示意图；

图2是本实用新型换流器的串联子模块的一种实施例；

图3是本实用新型的子模块另外一种实施例；

图2中X1为第一接线端子，X2为第二接线端子，L1为第三接线端子，L2为第四接线端子，L3为第五接线端子；

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

实施例1

图1给出本换流器系统的一种示例。换流器具有不少于2个串连的子模块单元，子模块的第一接线端子、第四接线端子和第五接线端子分别连接到三相交流滤波器F后再分别连接到多绕组变压器T的二次侧绕组，多绕组变压器的一次侧绕组与电网相连，子模块的第一接线端子、第二接线端子依次级联延伸，首端子模块单元经由第一接线端子连接到直流电路的正极P，末端模块经由第二接线端子连接至直流电路的负极性端N，构成AC\DC换流器。多绕组变压器可以是普通多绕组变压器、带辅助绕组的多绕组变压器、移相变压器或带辅助绕组的移相变压器。具有初级绕组和次级绕组的多绕组变压器用于在换流器和交流电网之间隔离。交流滤波器F可以是单电感、LC滤波器、LCL滤波器或一段导线。

实施例2

在图2给出的模块化的变流器拓扑一种是实力，通过变压器连接至交流电网，实现交流-直流变换及能量的传输。需要指出的是本实用新型提出换流器还可以是用于电力传动的换流器。

构成AC/DC换流器拓扑的子模块单元12如图2所示，包括第一级联电路100、第二级联电路200、储能器7和均压电阻8。与储能器并联连接的第一级联电路100，为6个可关断功率半导体T1、T2、T3、T4、T5和T6及与之反并联的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6组成的三相桥式电路，每个半导体单元可通过控制信号触发导通和关断，第一级联电路具有与三相交流电路接线的第一接线端子、第四接线端子和第五接线端子，通过对第一级联电路100采用脉宽调制可以在储能电容产生稳定的直流电压；所述均压电阻并联于储能器两端，用以实现换流器多个串联子模块的均压；与储能器并联的第二级联电路200，包含熔断器9、半导体单元10、机械开关11、直流接线引出第一接线端子和第二接线端子，所述半导体单元10与熔断器9串联后连接于储能器7两端。半导体单元10是二极管，二极管的阳极与储能器7的负极端子C-相连；二级管的阴极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的C+相连。半导体单元10用于限制熔断器9两端的电位差。分别在子模块半导体单元10两端引出直流电路第一接线端子和第二接线端子，第一接线端子连接到半导体单元10的阴极，第二接线端子连接到半导体单元10的阳极，第一接线端子和第二接线端子之间并联机械开关，机械开关可以一个或多个真空开关管，机械开关在换流器运行时处于分闸状态，当子模块故障时，可以通过控制电路使机械开关合闸，将第一接线端子和第二接线端子短路，从而将故障模块退出运行。机械开关可以设计为具有合闸保持功能，保护合闸后即使在失电情况下开关能维持合闸。

在三相桥输出端构造一个由熔断器、半导体器件和机械开关构成的电路，机械开关可以将第一接线端子和第二接线端子短接，机械开关11合闸后熔断器9流过较大放电电流，快速熔断，将故障模块隔离。故障子模块退出运行后，通过控制可以使其它子模块的电压提高从而使直流母线电压维持不变，换流器具有冗余运行能力。

实施例2

图3给出本模块化的变流器拓扑另一种实例。子模块包括第一级联电路100、第二级联电路200、储能器7和均压电阻8。与储能器并联连接的第一级联电路100，为6个可关断功率半导体T1、T2、T3、T4、T5、T6及与之反并联的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成的三相桥式电路，每个半导体可通过控制信号触发导通和关断，第一级联电路具有与三相交流电路接线的第一接线端子、第四接线端子和第五接线端子，通过对第一级联电路100采用脉宽调制可以在储能电容产生稳定的直流电压；所述均压电阻并联于储能器两端，用以实现换流器多个串联子模块的均压；与储能器并联的第二级联电路200，由熔断器9、半导体单元10、机械开关11、直流接线引出第一接线端子和第二接线端子，所述半导体单元10与熔断器9串联后连接于储能器7两端。换流器子模块的半导体单元10是二极管，二极管的阴极与储能器7的正极端子C+相连；二级管的阳极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的负极性C-相连。分别在子模块导体单元10两端引出直流电路第一接线端子和第二接线端子，第一接线端子连接到半导体单元10的阴极，第二接线端子连接到半导体单元10的阳极。第一接线端子和第二接线端子之间并联机械开关，机械开关可以一个或多个真空开关管。

按照本实用新型的子模块的换流器的优点可以总结如下：换流器采用模块化子模块串连实现高压交流直流变换和能量传输，换流器的子模块可以在故障情况下控制机械开关合闸，实现故障模块的旁路。采用熔断器作为子模块冗余运行过程中储能器的放电回路的保护元件，可以有效地隔离故障模块，限制储能器的放电，熔断器运行损耗低，可以采用自然冷却方式，另外无需附加驱动电路，具有成本低等优点。本实用新型电路简洁，能够方便地对换流器单元进行电气接线。换流器通过配置一定数量的冗余模块，可以实现冗余运行，从而提高了串连换流器的可靠性。

换流器的直流输出电压其中U_dc为换流器的直流输电压，U_dci为每个串联模块单元的直流输出电压。

当其中一个子模块冗余退出运行后，通过控制使其他子模块的电压U_dci提高从而使直流母线电压维持不变。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (7)

1.模块化的变流器拓扑，包括至少两个串联的换流器子模块，所述换流器子模块具有至少一个储能器（7）和均压电阻（8），所述均压电阻（8）并联于储能器（7）两端；

所述换流器子模块还包括与储能器（7）并联连接的第一级联电路（100），所述第一级联电路（100）为6个功率半导体单元组成的三相桥式电路，所述功率半导体单元可通过控制信号触发导通和关断，第一级联电路（100）具有交流第三接线端子、第四接线端子和第五接线端子；

其特征在于，所述换流器子模块还包括与储能器并联的第二级联电路（200），所述第二级联电路（200）由熔断器（9）、半导体单元（10）和机械开关组成；所述第二级联电路（200）通过第一接线端子和第二接线端子引出；所述机械开关并联于第一接线端子和第二接线端子两端，可以通过合闸控制将第一接线端子和第二接线端子短路。

2.根据上述权利要求1所述模块化的变流器拓扑，其特征在于：每个换流器子模块通过交流第三接线端子、第四接线端子和第五接线端子与三相交流电路连接；第一接线端子和第二接线端子用于与直流电路连接。

3.根据上述权利要求1所述模块化的变流器拓扑，其特征在于：半导体单元（10）是二极管，二极管的阳极与储能器（7）的负极端子C-相连，二级管的阴极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的C+相连。

4.根据上述权利要求1所述模块化的变流器拓扑，其特征在于：半导体单元（10）是二极管，二极管的阴极与储能器（7）的正极端子C+相连；二级管的阳极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的负极性C-相连。

5.根据上述权利要求1所述模块化的变流器拓扑，其特征在于：储能器是电容器。

6.根据上述权利要求1所述模块化的变流器拓扑，其特征在于：机械开关是一个或多个真空开关管。

7.一种包括权利1所述的模块化的变流器拓扑的换流器系统，其特征在于：还包括三相交流滤波器F和多绕组变压器T，换流器子模块的第一接线端子、第四接线端子和第五接线端子分别连接到三相交流滤波器F后再分别连接到多绕组变压器T的二次侧绕组，多绕组变压器T的一次侧绕组与电网相连，换流器子模块的第一接线端子和第二接线端子依次级联延伸，首端的子模块第一接线端子连接到直流电路的正极端P，末端的子模块第二接线端子连接到直流电路的负极端N。