CN211744342U - 一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路 - Google Patents

一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，所述均压电路包括可关断管和稳压电路，且所述可关断管与所述稳压电路连接。本实用新型的均压电路采用简单的电路拓扑结构，实现了所述新型高压直流输电混合换流器的桥臂的可关断管的电压均衡设计，从而在所述新型高压直流输电混合换流器正常运行和抵御换相失败故障时能够钳制电压过电压，保护好可关断管不受过电压损坏。

Description

一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路
技术领域
本实用新型属于直流输电领域，特别涉及一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路。
背景技术
现有的高压直流输电技术(HVDC，High-Voltage Direct Current)由于其输送容量大、损耗低、可靠性高等优势，目前被广泛应用。而换相失败是直流输电系统发生概率较高的故障之一。在直流输电系统使用的换流器中，退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变成正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况称为换相失败。将会导致换流阀闭锁，中断直流系统的输电通道，严重的情况下可能会导致电网崩溃。
传统高压直流输电换流器采用晶闸管组成三相桥式整流作为基本单元，每个桥臂均由晶闸管阀串组成，由于晶闸管阀串无法主动控制电流关断，换流器具有较大的换流电流和无功支撑，存在换相失败的风险，可靠性有待提高。
针对现有的高压直流输电换流器存在且发生的换相失败的故障问题，采用新型的高压直流输电混合换流器，可以提高换流器的抵御换相失败能力，从而减少换相失败故障发生次数。
新型高压直流输电混合换流器包含晶闸管和可关断管阀串的混合串联，其中，可关断管阀串中的可关断管阀可为具有反向阻断能力的IGCT(集成门极换流晶闸管)或GTO(门极可关断晶闸管)或IGBT(绝缘栅双极晶体管)等改进型可关断器件中的一种或多种，也可为不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可关断器件与二极管串联组合。所述新型高压直流输电混合换流器设有可关断管阀串，所述可关断管阀串中的可关断管在所述新型高压直流输电混合换流器正常运行和抵御换相失败故障时会面临受到过电压，从而容易损坏的问题。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提出一种用于抵御换相失败的用于高压直流输电混合换流器的均压电路。
本实用新型提出的用于高压直流输电混合换流器的均压电路包括可关断管和稳压电路，
其中，
所述可关断管与所述稳压电路连接。
进一步，
所述稳压电路包括金属氧化物避雷器MOV，所述金属氧化物避雷器MOV的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述金属氧化物避雷器MOV的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
进一步，
所述稳压电路还包括静态均压电阻Rp，所述静态均压电阻Rp与所述金属氧化物避雷器MOV并联连接。
进一步，
所述稳压电路还包括缓冲阻容电路，
所述缓冲阻容电路与所述金属氧化物避雷器MOV并联连接；
所述缓冲阻容电路包括串联的电阻Rs和电容Cs，所述电阻Rs的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述电阻Rs的另一端连接至所述电容Cs的一端，所述电容Cs的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
进一步，
所述稳压电路包括静态均压电阻Rp和缓冲电路，所述静态均压电阻Rp和所述缓冲电路并联连接。
进一步，
所述缓冲电路包括串联连接的电阻Rs和电容Cs，所述电阻Rs的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述电阻Rs的另一端连接至所述电容Cs的一端，所述电容Cs的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
进一步，
所述缓冲电路包括串联连接的金属氧化物避雷器MOV和电容Cs，所述金属氧化物避雷器MOV的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述金属氧化物避雷器MOV的另一端连接至所述电容Cs的一端，所述电容Cs的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
进一步，
所述缓冲电路包括第一稳压管，
所述第一稳压管的第二电极连接至所述可关断管的第一电极，所述第一稳压管的第一电极连接至所述可关断管的第二电极。
进一步，
所述缓冲电路还包括第二稳压管，
所述第二稳压管与所述第一稳压管反向串联连接，
所述第二稳压管的第一电极连接至所述可关断管的第一电极，所述第二稳压管的第二电极连接至所述第一稳压管的第二电极，所述第一稳压管的第一电极连接至所述可关断管的第二电极。
进一步，
所述第一稳压管和第二稳压管均为二极管；
所述第一稳压管和第二稳压管的第一电极为阳极；
所述第一稳压管和第二稳压管的第二电极为阴极。
进一步，
所述可关断管为门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极晶体管、增强型门极晶体管、电力晶体管、电力场效应晶体管或二极管中的一种或几种，
所述可关断管为门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或二极管时，所述可关断管的第一电极为阳极，所述可关断管的第二电极为阴极，
所述可关断管为绝缘栅双极晶体管、增强型门极晶体管、电力晶体管或电力场效应晶体管时，所述可关断管的第一电极为集电极，所述可关断管的第二电极为发射极。
本实用新型的均压电路采用简单的电路拓扑结构，实现了所述新型高压直流输电混合换流器的桥臂的可关断管的电压均衡设计，从而在所述新型高压直流输电混合换流器正常运行和抵御换相失败故障时能够钳制电压过电压，保护好可关断管不受过电压损坏。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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示出了采用本实用新型的均压电路的新型高压直流输电混合换流器的拓扑结构图；
图2示出了根据本实用新型实施例的均压电路结构图一；
图3示出了根据本实用新型实施例的均压电路结构图二；
图4示出了根据本实用新型实施例的均压电路结构图三；
图5示出了根据本实用新型实施例的均压电路结构图四；
图6示出了根据本实用新型实施例的均压电路结构图五；
图7示出了根据本实用新型实施例的均压电路结构图六；
图8示出了根据本实用新型实施例的均压电路结构图七。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
图1示出了采用本实用新型的均压电路的新型高压直流输电混合换流器的拓扑结构图。由图1可知，所述高压直流输电混合换流器共有6个完全相同的桥臂：Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn；P点和N点分别为直流电压连接点，P为正极，N为负极，A、B和C点为所述新型高压直流输电混合换流器与三相交流电的连接点。
其中，
每个桥臂均由晶闸管阀串和可关断管阀串组成，每个晶闸管阀串由k个晶闸管(S1～Sk)串联组成，k为大于等于1的正整数，每个可关断管阀串由m个可关断管(Q1……Qm)串联组成，m为大于等于1的正整数；每个所述晶闸管阀串中，前一个晶闸管的阳极与后一个晶闸管的阴极相连实现串联；所述晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点为T；所述晶闸管为单向晶闸管，所述可关断管阀串可包含具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT改进型可关断器件中的一种或多种(串联)，也可为不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可关断器件与二极管串联组合，还可由不具有反向阻断能力的IEGT(增强型门极晶体管)、GTR(电力晶体管)、MOSFET(电力场效应晶体管)等与二极管串联组合。
在所述桥臂的三个第一桥臂Ap、Bp和Cp中，晶闸管阀串第一端的晶闸管S1的阴极连接至直流电压正极P，晶闸管阀串第二端的晶闸管Sk的阳极连接至所述晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点T；
在所述桥臂的三个第二桥臂An、Bn和Cn中，晶闸管阀串第一端的晶闸管S1中的晶闸管的阴极连接至所述三相交流电连接点A、B和C，晶闸管阀串第二端的晶闸管Sk的阳极连接至所述晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点T。
所述新型高压直流输电混合换流器为抵御换相失败，需要利用可关断管阀串进行换相失败时的关断操作，从而使换相电流从被换相桥臂向换相桥臂强制换相。但所述可关断管阀串的可关断管串联困难，直串实现难度高，针对这一问题，本实用新型提出一种用于所述新型高压直流输电混合换流器的均压电路。
图2至图7示出了本实用新型的用于所述新型高压直流输电混合换流器的均压电路的7种结构，其中，Rp为静态均压电阻，Rs为电阻，Cs为电容，MOV为金属氧化物避雷器，UZ、UZ1和UZ2为稳压管，Q为所述新型高压直流输电混合换流器中可关断管阀串中的可关断管(设为绝缘栅双极晶体管，则可关断管的第一电极为集电极，第二电极为发射极)。稳压管可为二极管。
图2至图7所示的7种结构均包括了相互连接的可关断管Q和稳压电路。
图2所示为本实用新型的均压电路的第一种结构，该均压电路结构中稳压电路仅包括金属氧化物避雷器MOV，金属氧化物避雷器MOV的一端连接至可关断管Q的集电极，金属氧化物避雷器MOV的另一端连接至所述可关断管Q的发射极。所述均压电路的第一种结构采用避雷器MOV严格限制可关断管Q上的过电压，保证了均压效果。
图3所示为本实用新型的均压电路的第二种结构，该均压电路结构中稳压电路包括：静态均压电阻Rp和金属氧化物避雷器MOV，且静态均压电阻Rp与金属氧化物避雷器MOV并联。静态均压电阻Rp的一端连接至可关断管Q的集电极，静态均压电阻Rp的另一端连接至所述可关断管Q的发射极。所述均压电路的第二种结构在第一种结构的基础上，采用静态均压电阻Rp实现了可关断管Q的静态均压。
图4所示为本实用新型的均压电路的第三种结构，该均压电路结构中稳压电路包括：静态均压电阻Rp、电阻Rs、电容Cs和金属氧化物避雷器MOV。静态均压电阻Rp的一端连接至可关断管Q的集电极，静态均压电阻Rp的另一端连接至所述可关断管Q的发射极，静态均压电阻Rp与金属氧化物避雷器MOV并联，静态均压电阻Rp的所述一端连接至电阻Rs的一端，电阻Rs的另一端的连接至电容Cs的一端，而电容Cs的另一端连接至静态均压电阻Rp的所述另一端。其中，电阻Rs和电容Cs串联构成缓冲阻容电路，静态均压电阻Rp与缓冲阻容电路并联。所述均压电路的第三种结构在第二种结构的基础上，并联了由Rs和Cs串联构成的缓冲阻容电路，缓冲阻容电路可减缓可关断管Q关断时电压的上升速度，减小动态压差。
图5所示为本实用新型的均压电路的第四种结构，该均压电路结构中稳压电路由静态均压电阻Rp与缓冲电路并联构成，所述缓冲电路即为前面第三种结构中的缓冲阻容电路。相对于均压电路的第三种结构，去掉MOV为金属氧化物避雷器即为均压电路的第四种结构。所述均压电路的第四种结构同时具有对可关断管Q实现静态均压和减缓可关断管Q关断时电压的上升速度，减小动态压差的效果。
图6所示为本实用新型的均压电路的第五种结构，该均压电路结构中稳压电路包括：静态均压电阻Rp、金属氧化物避雷器MOV和电容Cs。静态均压电阻Rp的一端连接至可关断管Q的集电极，静态均压电阻Rp的另一端连接至所述可关断管Q的发射极，静态均压电阻Rp的所述一端连接至金属氧化物避雷器MOV的一端，金属氧化物避雷器MOV的另一端的连接至电容Cs的一端，而电容Cs的另一端连接至静态均压电阻Rp的所述另一端。均压电路的第五种结构是由金属氧化物避雷器MOV替换均压电路的第四种结构中的电阻Rs得到，即金属氧化物避雷器MOV与电容Cs串联构成缓冲电路。所述均压电路的第五种结构同时具有实现可关断管Q的静态均压和减缓关断时可关断管Q电压的上升速度，减小动态压差的效果，同时，由于采用金属氧化物避雷器MOV替换了上述均压电路的第四种结构中的电阻Rs，由于金属氧化物避雷器MOV和电容Cs构成的缓冲电路不仅能延缓可关断管Q在关断时电压的上升速度，还可以抑制可关断管Q在关断初期，电压初次上升到额定值之后的振荡过程。
图7所示为本实用新型的均压电路的第六种结构，该均压电路结构中稳压电路由静态均压电阻Rp与稳压管UZ并联构成，其中，稳压管UZ的负极连接至可关断管Q的集电极，稳压管UZ的正极连接至可关断管Q的发射极。稳压管UZ独自构成了一个用于稳压的缓冲电路，由于稳压管UZ能够严格限制过电压、箝位过电压，因此所述均压电路的第六种结构对于可关断管Q具有静态均压和严格限制过电压、箝位过电压的效果。
图8所示为本实用新型的均压电路的第七种结构，该均压电路结构中稳压电路由静态均压电阻Rp与稳压管UZ1和UZ2构成，其中，稳压管UZ1的正极连接至可关断管Q的集电极，稳压管UZ1的负极连接稳压管UZ2的负极，稳压管UZ2的正极连接至可关断管Q的发射极，静态均压电阻Rp的两端分别连接至所述可关断管Q的集电极和发射极。其中，稳压管UZ1和UZ2构成了用于稳压的缓冲电路。所述均压电路的第七种结构效果同上述第六种结构相同，即对于可关断管Q具有静态均压和严格限制过电压、箝位过电压的效果。
综上，本实用新型的均压电路通过简单的电路拓扑结构，可减缓新型高压直流输电混合换流器关断时其中的可关断管电压的上升速度，减小动态压差，保证均压效果，实现动静态均压和暂态条件下可关断管的过压和过流保护，提高可关断管的可靠性，增加冗余度，实现了所述新型高压直流输电混合换流器的桥臂的可关断管的电压均衡设计，从而在所述新型高压直流输电混合换流器正常运行和抵御换相失败故障时能够钳制电压过电压，保护好可关断管不受过电压损坏。
尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述均压电路包括可关断管和稳压电路，
其中，
所述可关断管与所述稳压电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述稳压电路包括金属氧化物避雷器MOV，所述金属氧化物避雷器MOV的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述金属氧化物避雷器MOV的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
3.根据权利要求2所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述稳压电路还包括静态均压电阻Rp，所述静态均压电阻Rp与所述金属氧化物避雷器MOV并联连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述稳压电路还包括缓冲阻容电路，
所述缓冲阻容电路与所述金属氧化物避雷器MOV并联连接；
所述缓冲阻容电路包括串联的电阻Rs和电容Cs，所述电阻Rs的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述电阻Rs的另一端连接至所述电容Cs的一端，所述电容Cs的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
5.根据权利要求1所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述稳压电路包括静态均压电阻Rp和缓冲电路，所述静态均压电阻Rp和所述缓冲电路并联连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述缓冲电路包括串联连接的电阻Rs和电容Cs，所述电阻Rs的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述电阻Rs的另一端连接至所述电容Cs的一端，所述电容Cs的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
7.根据权利要求5所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述缓冲电路包括串联连接的金属氧化物避雷器MOV和电容Cs，所述金属氧化物避雷器MOV的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述金属氧化物避雷器MOV的另一端连接至所述电容Cs的一端，所述电容Cs的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
8.根据权利要求5所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述缓冲电路包括第一稳压管，
所述第一稳压管的第二电极连接至所述可关断管的第一电极，所述第一稳压管的第一电极连接至所述可关断管的第二电极。
9.根据权利要求8所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述缓冲电路还包括第二稳压管，
所述第二稳压管与所述第一稳压管反向串联连接，
所述第二稳压管的第一电极连接至所述可关断管的第一电极，所述第二稳压管的第二电极连接至所述第一稳压管的第二电极，所述第一稳压管的第一电极连接至所述可关断管的第二电极。
10.根据权利要求8或9所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述第一稳压管和第二稳压管均为二极管；
所述第一稳压管和第二稳压管的第一电极为阳极；
所述第一稳压管和第二稳压管的第二电极为阴极。
11.根据权利要求1-9任一所述的一种用于高压直流输电混合换流器的均压电路，其特征在于，
所述可关断管为门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极晶体管、增强型门极晶体管、电力晶体管、电力场效应晶体管或二极管中的一种或几种，
所述可关断管为门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或二极管时，所述可关断管的第一电极为阳极，所述可关断管的第二电极为阴极，
所述可关断管为绝缘栅双极晶体管、增强型门极晶体管、电力晶体管或电力场效应晶体管时，所述可关断管的第一电极为集电极，所述可关断管的第二电极为发射极。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112630677A (zh) * 2020-12-08 2021-04-09 清华大学 验证高压直流输电混合换流器功能的测试回路及测试方法

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