CN214315080U - 直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构 - Google Patents

直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构 Download PDF

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张娟娟
王治翔
王蒲瑞
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Abstract

本实用新型公开了一种直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构，其中，该拓扑结构包括：三相六桥臂电路，每相桥臂电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂或下桥臂上均设置有晶闸管阀；两个可关断阀，其第一可关断阀的第一端与每相上桥臂的晶闸管阀阴极端连接；第二可关断阀的第一端与每相下桥臂的晶闸管阀阳极端连接；三个上桥臂辅助阀，其第一端均与第一可关断阀的第二端连接；三个下桥臂辅助阀，其第一端均与第二可关断阀的第二端连接；三个上桥臂辅助阀的第二端和三个下桥臂辅助阀的第二端分别与换流变压器的输出端连接。通过实施本实用新型，避免了换相失败的发生，保证电网运行的稳定性和安全性。

Description

直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构
技术领域
本实用新型涉及电力电子中的换流技术领域，具体涉及一种直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构。
背景技术
传统的电网换相高压直流(line commutated converter high voltage directcurrent，LCC-HVDC)输电系统具有远距离大容量输电、有功功率可控等优势，在世界范围内广泛应用。换流器作为直流输电的核心装备，是实现交、直流电能转换的核心功能单元，其运行可靠性很大程度上决定了特高压直流电网的运行可靠性。
由于传统换流器多采用半控型器件晶闸管作为核心部件构成六脉动桥换流拓扑，每个桥臂由多级晶闸管及其缓冲部件串联组成，由于晶闸管不具备自关断能力，在交流系统故障等情况下容易发生换相失败，导致直流电流激增和直流传输功率迅速大量损失，影响电网的稳定安全运行。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构，以解决换相失败而影响电网稳定运行的问题。
根据第一方面，本实用新型实施例提供了一种直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构，所述拓扑结构通过换流变压器接入交流电网，所述拓扑结构包括：三相六桥臂电路，所述三相六桥臂电路的每相桥臂电路包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂或下桥臂上均设置有晶闸管阀；两个可关断阀，第一可关断阀的第一端与每相上桥臂的晶闸管阀阴极端连接；第二可关断阀的第一端与每相下桥臂的晶闸管阀阳极端连接；三个上桥臂辅助阀，所述三个上桥臂辅助阀的第一端均与第一可关断阀的第二端连接；三个下桥臂辅助阀，所述三个下桥臂辅助阀的第一端均与第二可关断阀的第二端连接；所述上桥臂辅助阀和所述下桥臂辅助阀均用于正向电流可控关断以及正向电压阻断；所述三个上桥臂辅助阀的第二端和所述三个下桥臂辅助阀的第二端分别与所述换流变压器的输出端连接。
结合第一方面，在第一方面的第一实施方式中，所述可关断阀、所述上桥臂辅助阀和所述下桥臂辅助阀的结构相同。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第二实施方式中，所述可关断阀包括：第一支路，所述第一支路上设置有至少一个第一功率器件，所述至少一个第一功率器件串联设置，所述第一功率器件为全控型电力电子器件。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第三实施方式中，所述可关断阀包括：第二支路，所述第二支路上设置有至少一个第二功率器件，所述至少一个第二功率器件串联设置，所述第二功率器件为全控型电力电子器件；第三支路，与所述第二支路的结构相同，且与所述第二支路并联设置；第一缓冲部件，并联在所述第二支路和第三支路之间；所述第二支路、所述第三支路和所述第一缓冲部件构成H桥结构。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第四实施方式中，所述可关断阀包括：第四支路，设置有多个串联的第一二极管；第五支路，与所述第四支路的结构一致，且与所述第四支路并联；第六支路，并联在所述第四支路和所述第五支路之间，所述第六支路上设置有多个串联的第三功率器件，所述第三功率器件为全控型电力电子器件。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第五实施方式中，所述可关断阀包括：第七支路，设置有至少一个第四功率器件，所述至少一个第四功率器件串联设置，所述第四功率器件为全控型电力电子器件；第八支路，与所述第七支路并联，所述第八支路设置有至少一个第五功率器件以及一个电容元件，所述至少一个第五功率器件与所述电容元件串联设置，所述至少一个第五功率器件串联设置，所述第五功率器件为全控型电力电子器件。
结合第一方面，在第一方面的第六实施方式中，所述晶闸管阀包括：多个晶闸管；多个第二缓冲部件，分别与所述多个晶闸管串联或并联。
结合第一方面第三实施方式或第六实施方式，在第一方面的第七实施方式中，第一缓冲部件或第二缓冲部件包括：由电容组成的第一缓冲支路；或，电阻和所述电容串联的第二缓冲支路；或，所述电容和所述电阻并联的第三缓冲支路；或，所述电阻和第五二极管并联，再与所述电容串联构成的第四缓冲支路；或，所述电阻和所述电容并联，再与所述第五二极管串联构成的第五缓冲支路；或，避雷器组成的第六缓冲支路；或，所述第一缓冲支路、所述第二缓冲支路、所述第三缓冲支路、所述第四缓冲支路、所述第五缓冲支路和所述第六缓冲支路中的多个并联组成的第七缓冲支路。
本实用新型技术方案具有如下优点：
1.本实用新型实施例提供的直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构，在混合式换流器的直流侧设置可关断阀，可在桥臂换相失败或故障时提前转移桥臂电流，同时为桥臂提供反向电压，增大了晶闸管换相时间面积，以保证其可靠关断。利用可关断阀实现电流的转移，使上桥臂辅助阀和下桥臂辅助阀参与换相，避免了换相失败的发生，进而保证了电网运行的稳定性及安全性。
2.本实用新型实施例提供的直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构的每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，三个上桥臂共用一个可关断阀，三个下桥臂共用一个可关断阀，无需在每个桥臂上串联可关断阀，串联级数较少，降低了器件损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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是本实用新型实施例直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构的示意图；
图2是根据本实用新型实施例的晶闸管阀的结构框图；
图3是根据本实用新型实施例的可关断阀的结构框图；
图4是根据本实用新型实施例的可关断阀的另一结构框图；
图5是根据本实用新型实施例的可关断阀的另一结构框图；
图6是根据本实用新型实施例的可关断阀的另一结构框图；
图7是根据本实用新型实施例的缓冲部件的结构框图；
图8是根据本实用新型实施例的直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构的控制方法；
图9是根据本实用新型实施例的直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构的控制方法的触发控制时序图；
图10是根据本实用新型实施例的直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构的控制方法的另一触发控制时序图；
图11是根据本实用新型实施例的正常运行时的晶闸管阀周期性触发的电流流通路径；
图12是根据本实用新型实施例的晶闸管阀关断和上桥臂辅助阀通流的电流流通路径；
图13是根据本实用新型实施例的晶闸管阀关断和上桥臂辅助阀关断的电流流通路径。
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、完整地描述，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。
换流器作为直流输电的核心装备，是实现交、直流电能转换的核心功能单元，其运行可靠性很大程度上决定了特高压直流电网的运行可靠性。然而，由于传统换流器多采用半控型器件晶闸管作为核心部件构成六脉动桥换流拓扑，每个桥臂由多级晶闸管及其缓冲部件串联组成，由于晶闸管不具备自关断能力，在交流系统故障等情况下容易发生换相失败，导致直流电流激增和直流传输功率迅速大量损失，影响电网的稳定安全运行。
基于此，本实用新型技术方案在直流侧引入可关断阀，保证晶闸管阀具有足够的反向恢复时间以进行可靠关断，同时利用辅助阀支路辅助换相，从根本上解决直流系统的换相失败问题，从而保证了电网的稳定安全运行。
根据本实用新型实施例，提供了一种直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构的实施例，该直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构通过换流变压器接入交流电网，如图1所示，该直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构包括：三相六桥臂电路、两个可关断阀、三个上桥臂辅助阀和三个下桥臂辅助阀。其中，三相六桥臂电路的每相桥臂电路包括上桥臂和下桥臂，且上桥臂或下桥臂上均设置有晶闸管阀。第一可关断阀的第一端与每相上桥臂的晶闸管阀阴极端连接；第二可关断阀的第一端与每相下桥臂的晶闸管阀阳极端连接。三个上桥臂辅助阀的第一端均与第一可关断阀的第二端连接，三个下桥臂辅助阀的第一端均与第二可关断阀的第二端连接，且上桥臂辅助阀和下桥臂辅助阀均用于正向电流可控关断以及正向电压阻断。三个上桥臂辅助阀的第二端和三个下桥臂辅助阀的第二端分别与换流变压器的输出端连接。
具体地，可关断阀用于双向电压输出，能够将三相六桥臂电路各桥臂晶闸管阀中的电流强迫转移至上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀，并为晶闸管阀提供反向恢复电压。如图1所示，三相六桥臂电路的一端连接直流母线正极，另一端连接直流母线负极。三相六桥臂电路包括V1阀、V2阀、V3阀、V4阀、V5 阀和V6阀。其中，V1阀、V3阀和V5阀为上桥臂，且每个上桥臂中均设置有晶闸管阀；V2阀、V4阀和V6阀为下桥臂，且每个下桥臂中均设置有晶闸管阀。V1阀和V4阀串联；V3阀和V6阀串联；V2阀和V5阀串联。
Vpa、Vpb、Vpc为上桥臂辅助阀，Vpa、Vpb、Vpc的第一端均与第一可关断阀的第二端连接，Vpa、Vpb、Vpc的第二端分别与换流变压器的a相输出端、b相输出端和c相输出端连接；Vqa、Vqb、Vqc为下桥臂辅助阀，Vqa、 Vqb、Vqc的第一端均与第二可关断阀的第二端连接，Vqa、Vqb、Vqc的第二端分别与与换流变压器的a相输出端、b相输出端和c相输出端连接。
本实用新型实施例提供的直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构，在混合式换流器的直流侧设置可关断阀，可在桥臂换相失败或故障时提前转移桥臂电流，同时为桥臂提供反向电压，增大了晶闸管换相时间面积，以保证其可靠关断。利用可关断阀实现电流的转移，使上桥臂辅助阀和下桥臂辅助阀参与换相，避免了换相失败的发生，进而保证了电网运行的稳定性及安全性。
可选地，晶闸管阀包括至少一个晶闸管以及与分别与晶闸管并联或串联的第二缓冲部件，其中，至少一个晶闸管串联设置，第二缓冲部件用于晶闸管器件以免遭受高压大电流而损坏。如图2所示，晶闸管阀包括至少一个晶闸管以及与分别与晶闸管并联的第二缓冲部件。
可选地，可关断阀、上桥臂辅助阀和下桥臂辅助阀的结构可以是相同的。
具体地，如图3所示，可关断阀包括：第一支路，在第一支路上设置有至少一个第一功率器件，且至少一个第一功率器件串联设置。该第一功率器件为全控型电力电子器件，全控型电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或 MOSFET等可关断器件的一种或多种。
具体地，如图4所示，可关断阀可以包括：第二支路、第三支路和第一缓冲部件，第二支路、第三支路和第一缓冲部件构成H桥结构。
其中，第二支路上设置有至少一个第二功率器件，且至少一个第二功率器件串联设置。第二功率器件为全控型电力电子器件，全控型电力电子器件为 IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件的一种或多种。第三支路与第二支路的结构相同，且与第二支路并联设置。第一缓冲部件，并联在第二支路和第三支路之间，第二缓冲部件用于限制电压电流应力。
具体地，如图5所示，可关断阀可以包括：第四支路、第五支路和第六支路。
其中，第四支路上设置有多个串联的第一二极管；第五支路与第四支路的结构一致，且第五支路与第四支路并联设置；第六支路并联在第四支路和第五支路之间。第六支路上设置有多个串联的第三功率器件，第三功率器件为全控型电力电子器件，全控型电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET 中的一种或多种。
具体地，如图6所示，可关断阀还可以包括：第七支路和第八支路。
其中，第七支路上设置有至少一个第四功率器件，且至少一个第四功率器件串联设置。第四功率器件为全控型电力电子器件，全控型电力电子器件为 IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET中的一种或多种。第八支路与第七支路并联设置。在第八支路设置上有至少一个第五功率器件以及一个电容元件，且至少一个第五功率器件与电容元件串联设置，以及至少一个第五功率器件串联设置，第五功率器件为全控型电力电子器件，全控型电力电子器件为IGBT、 IGCT、IEGT、GTO或MOSFET中的一种或多种。
可选地，上述第一缓冲部件和第二缓冲部件均由电容、阻容回路、二极管、电感或避雷器等部件的一种或多种形式构成。
具体地，如图7所示，第一缓冲部件和第二缓冲部件可以是由电容组成的第一缓冲支路；可以是由电阻和电容串联的第二缓冲支路；可以是由电容和电阻并联的第三缓冲支路；可以是由电阻和第五二极管并联，再与电容串联构成的第四缓冲支路RCD1；也可以是由电阻和电容并联，再与第五二极管串联构成的第五缓冲支路RCD2；还可以是由避雷器组成的第六缓冲支路；还可以是上述第一缓冲支路、第二缓冲支路、第三缓冲支路、第四缓冲支路、第五缓冲支路和第六缓冲支路中多个并联构成的第七缓冲支路。
根据本实用新型实施例，提供了一种直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构的控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中提供了一种直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构的控制方法，可用于上述的直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构，图8是根据本实用新型实施例的流程图，如图8所示，该流程包括如下步骤：
S21，导通直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂对应的可关断阀，关断与所述第i个桥臂对应的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀。
S22，导通第i个桥臂的晶闸管阀。
S23，经过一个控制周期后，返回导通第i个桥臂的晶闸管阀的步骤；其中， i∈[1,6]。
具体地，如图11所示为混合式换流器拓扑结构在正常运行条件下的电流流通路径，晶闸管阀周期性承受电压和电流应力，上桥臂辅助阀和下桥臂辅助阀一直处于关断状态，只在桥臂的晶闸管阀关断时承受电压应力。
本实施例提供的直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构的控制方法，通过导通直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂对应的可关断阀，关断与第i个桥臂对应的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀；导通第i个桥臂的晶闸管阀；经过一个控制周期后，返回导通所述第i个桥臂的晶闸管阀的步骤；其中，i∈[1,6]。由此实现了的直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构工作于正常换相模式。
以图1所示的混合式换流器中的V1阀向V3阀换相，Sg1为晶闸管阀V1 的触发信号，Sg12为可关断阀阀Vg1的触发信号，Sap为上桥臂辅助阀Vpa 的触发信号。
图9为换相失败或短路故障时的触发控制时序。正常运行时晶闸管阀V11 周期性触发，上桥臂辅助阀Vpa、可关断阀阀Vg1均处于关断状态，如图11 所示。tf时刻V1阀发生换相失败或短路故障时，触发上桥臂辅助阀Vpa使其导通；在tf+Δt1时刻关断可关断阀阀Vg1，向晶闸管阀V11所在桥臂输出反向电压，实现V11阀向上桥臂辅助阀Vpa的换流，如图12所示；V11阀所在桥臂的电流I11过零之后，V11关断并开始承受反向电压，V1阀电流全部转移至上桥臂辅助阀Vpa，如图13所示；在tf+Δt2时刻，上桥臂辅助阀Vpa开始关断，电流全部转移至V3阀，完成V1阀向V3阀的换相。从晶闸管阀所在桥臂的电流过零至上桥臂辅助阀Vpa关断这段时间为晶闸管承受反压的关断时间toff，该时间可控，只需大于晶闸管的最小关断时间即可保证其可靠关断。其中，Δt1 为关断可关断阀阀的延迟时长，Δt2为关断上桥臂辅助阀的延迟时长。
图10为预先检测到换相失败或短路故障时的控制触发时序，其中，主支路与辅助支路周期性交替运行。每个工作周期中，V1阀和V3阀的换相起始时刻 t0，在V11阀触发脉冲Sg1延时t0+T/3触发上桥臂辅助阀Vpa，在t0+T/3+Δt1关断可关断阀，使其向V11阀所在桥臂施加反向电压，实现V11阀向上桥臂辅助阀Vpa所在辅助桥臂的换流，如图12所示；V11阀所在桥臂的电流过零之后， V11阀所在桥臂的晶闸管阀关断并承受反向电压，V11阀电流全部转移至上桥臂辅助阀Vpa，如图13所示；待V11阀所在桥臂的电流恢复后，在t0+T/3+Δt2 关断上桥臂辅助阀Vpa，电流全部转移至V3阀，完成换相。由于晶闸管阀反向承压时间可控，因此可以保证其有足够时间恢复阻断能力，且上桥臂辅助阀可控关断并能承受高压，可以保障主动换相过程顺利完成，从而避免换相失败的发生。其中，Δt1为关断可关断阀的延迟时长，Δt2为关断上桥臂辅助阀的延迟时长，T为一个控制周期，例如，T＝2π。
本实施例提供的实施例提供的直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构的控制方法，当检测到第i个桥臂发生换相失败或短路故障时，导通与第i 个桥臂相连的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀，触发与第i个桥臂的晶闸管阀对应的可关断阀，进行第i个桥臂向与其相连的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀的换流，当完成换流时，导通与第i个桥臂对应的可关断阀，关断与第i个桥臂相连的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀，由各相桥臂独立正常运行，从而实现保证了上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀仅在换相失败或故障时承受关断电压应力，降低了器件损耗，进而延长了器件的使用寿命。
虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构，所述拓扑结构通过换流变压器接入交流电网，其特征在于，所述拓扑结构包括：
三相六桥臂电路，所述三相六桥臂电路的每相桥臂电路包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂或下桥臂上均设置有晶闸管阀；
两个可关断阀，第一可关断阀的第一端与每相上桥臂的晶闸管阀阴极端连接；第二可关断阀的第一端与每相下桥臂的晶闸管阀阳极端连接；
三个上桥臂辅助阀，所述三个上桥臂辅助阀的第一端均与第一可关断阀的第二端连接；
三个下桥臂辅助阀，所述三个下桥臂辅助阀的第一端均与第二可关断阀的第二端连接；所述上桥臂辅助阀和所述下桥臂辅助阀均用于正向电流可控关断以及正向电压阻断；
所述三个上桥臂辅助阀的第二端和所述三个下桥臂辅助阀的第二端分别与所述换流变压器的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述可关断阀、所述上桥臂辅助阀和所述下桥臂辅助阀的结构相同。
3.根据权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，所述可关断阀包括：
第一支路，所述第一支路上设置有至少一个第一功率器件，所述至少一个第一功率器件串联设置，所述第一功率器件为全控型电力电子器件。
4.根据权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，所述可关断阀包括：
第二支路，所述第二支路上设置有至少一个第二功率器件，所述至少一个第二功率器件串联设置，所述第二功率器件为全控型电力电子器件；
第三支路，与所述第二支路的结构相同，且与所述第二支路并联设置；
第一缓冲部件，并联在所述第二支路和第三支路之间；
所述第二支路、所述第三支路和所述第一缓冲部件构成H桥结构。
5.根据权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，所述可关断阀包括：
第四支路，设置有多个串联的第一二极管；
第五支路，与所述第四支路的结构一致，且与所述第四支路并联；
第六支路，并联在所述第四支路和所述第五支路之间，所述第六支路上设置有多个串联的第三功率器件，所述第三功率器件为全控型电力电子器件。
6.根据权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，所述可关断阀包括：
第七支路，设置有至少一个第四功率器件，所述至少一个第四功率器件串联设置，所述第四功率器件为全控型电力电子器件；
第八支路，与所述第七支路并联，所述第八支路设置有至少一个第五功率器件以及一个电容元件，所述至少一个第五功率器件与所述电容元件串联设置，所述至少一个第五功率器件串联设置，所述第五功率器件为全控型电力电子器件。
7.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述晶闸管阀包括：
多个晶闸管；
多个第二缓冲部件，分别与所述多个晶闸管串联或并联。
8.根据权利要求4或7所述的拓扑结构，其特征在于，第一缓冲部件或第二缓冲部件包括：
由电容组成的第一缓冲支路；
或，电阻和所述电容串联的第二缓冲支路；
或，所述电容和所述电阻并联的第三缓冲支路；
或，所述电阻和第五二极管并联，再与所述电容串联构成的第四缓冲支路；
或，所述电阻和所述电容并联，再与所述第五二极管串联构成的第五缓冲支路；
或，避雷器组成的第六缓冲支路；
或，所述第一缓冲支路、所述第二缓冲支路、所述第三缓冲支路、所述第四缓冲支路、所述第五缓冲支路和所述第六缓冲支路中的多个并联组成的第七缓冲支路。
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CN112803797A (zh) * 2021-02-01 2021-05-14 全球能源互联网研究院有限公司 直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构及其控制方法

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CN112803797A (zh) * 2021-02-01 2021-05-14 全球能源互联网研究院有限公司 直流侧辅助换相的混合式换流器拓扑结构及其控制方法
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