CN216390813U - 一种主动换相单元以及混合式换流器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种主动换相单元以及混合式换流器拓扑结构，其中，该主动换相单元包括：主支路，其上设置有晶闸管阀；辅助支路，与主支路并联设置，其上设置有第一控制阀，第一控制阀具备正向电流可控关断和正反向电压阻断功能；第二控制阀，与晶闸管阀连接或与第一控制阀连接，包括至少一个功率单元，该功率单元包括：第一支路，其上依次串联设置第一二极管和第一功率器件；第二支路，与第一支路并联设置，其上依次串联设置第二功率器件和第二二极管；第一支路与第二支路构成全桥形式，第一功率器件和第二功率器件为具有可关断功能的电力电子器件。通过实施本实用新型，实现了各桥臂的主动换相，避免了换相失败，保障了电网的稳定安全运行。

Description

一种主动换相单元以及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，具体涉及一种主动换相单元以及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。

目前通常采用电容换相换流器或可关断器件与晶闸管串联构成混合换流器实现交、直流电能转换。其中，电容换相换流器是通过电容电压来增大阀换相电压时间面积保证其可靠关断，但是通过电力电子开关与电容组合构成可控电容模块来实现电容投入和电压方向可控，为了保证可靠换相则需要单级电容取值较大，由此增大了核心部件晶闸管的电压电流应力，该拓扑结构工程实现难度较大；通过可关断器件与晶闸管串联构成混合换流器，使得换流器每一个桥臂具备可关断能力，避免了换相失败的发生，但是由于常规直流输电输送容量大，换流器每个桥臂承受高电压、大电流，该实现成本和难度均较高。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主动换相单元以及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主动换相单元，设置在换流器的桥臂电路中，其一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，该主动换相单元包括：主支路，所述主支路上设置有晶闸管阀；辅助支路，与所述主支路并联设置，所述辅助支路上设置有第一控制阀，所述第一控制阀具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能；第二控制阀，与所述主支路的晶闸管阀连接或与所述辅助支路的第一控制阀连接，所述第二控制阀包括至少一个功率单元，所述功率单元包括：第一支路，所述第一支路上依次串联设置第一二极管和第一功率器件；第二支路，与所述第一支路并联设置，所述第二支路上依次串联设置第二功率器件和第二二极管；所述第一支路与所述第二支路构成全桥形式，所述第一功率器件和所述第二功率器件为具有可关断功能的电力电子器件。

结合第一方面，在第一方面的第一实施方式中，所述功率单元还包括：第一电容元件，所述电容元件的一端连接在所述第一二极管和所述第一功率器件之间，另一端连接在所述第二功率器件和所述第二二极管之间。

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，所述功率单元还包括：防护元件，与所述第二支路以及所述第一支路并联设置，所述防护元件用于瞬态过电压保护。

结合第一方面第二实施方式，在第一方面的第三实施方式中，所述防护元件为避雷器。

结合第一方面，在第一方面的第四实施方式中，所述功率单元还包括：至少一个缓冲部件，所述缓冲部件并联设置于所述功率器件中；所述缓冲部件包括：由第二电容元件组成的第一缓冲支路；或，第一电阻和第三电容元件串联的第二缓冲支路；或，所述第一电阻和所述第三电容元件并联的第三缓冲支路；或，第一电阻和第三二极管并联，再与第四电容元件串联构成的第四缓冲支路；或，第二电阻和第五电容元件并联，再与第四二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。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面的第五实施方式中，所述缓冲部件并联设置于所述第一二极管的两端和所述第二二极管的两端。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面的第六实施方式中，所述缓冲部件并联设置于所述第一功率器件的两端和所述第二功率器件的两端。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面的第七实施方式中，所述缓冲部件并联设置于所述第一二极管的两端、所述第二二极管的两端、所述第一功率器件的两端以及所述第二功率器件的两端。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面的第八实施方式中，所述缓冲部件并联设置于所述第一支路的两端以及所述第二支路的两端。

根据第二方面，本实用新型实施例提供了一种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，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有第一方面或第一方面任一实施方式所述的主动换相单元。

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主动换相单元包括并联的主支路和辅助支路，以及设置在主支路或辅助支路的第二控制阀，其中主支路设置有晶闸管阀，辅助支路上设置有具备正反向电压阻断能力的第一控制阀，第二控制阀与主支路上的晶闸管阀连接或与辅助支路上的第一控制阀连接，其包括至少一个功率单元，该功率单元包括并联设置的第一支路和第二支路，且第一支路与第二支路构成全桥形式。其中，第一支路上依次串联设置第一二极管和第一功率器件，第二支路上依次串联设置第二功率器件和第二二极管，第一功率器件和第二功率器件为具有可关断功能的电力电子器件，由此使得功率器件具备正向电流的可控关断以及正反向电压的阻断，使得第二控制阀具备单向电压输出或单向可控关断的能力，保证第二控制阀具有较大的通流能力，承载正常运行电流，以便通过第二控制阀将电流从主支路转移到辅助支路上。该主动换相单元通过第二控制阀控制正向关断电压延长主支路晶闸管阀的反向恢复时间，从而保证其可靠关断，进而实现各个桥臂的主动换相，避免换相失败，保障了电网的稳定安全运行。

2.本实用新型实施例提供的混合式换流器拓扑结构，包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有主动换相单元。主动换相单元中的第二控制阀可提前关断主支路电流，同时提供反向电压，增大了主支路晶闸管阀换相电压-时间面积，保证其可靠关断，避免出现换相失败的问题，从而保证电网的稳定安全运行。

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的主动换相单元的结构框图；

图2是本实用新型实施例的第二控制阀的结构框图；

图3是本实用新型实施例的第二控制阀的另一结构框图；

图4是本实用新型实施例的第二控制阀的另一结构框图；

图5是本实用新型实施例的第二控制阀的另一结构框图；

图6是本实用新型实施例的缓冲部件的结构框图；

图7是本实用新型实施例的第二控制阀的另一结构框图；

图8是本实用新型实施例的第二控制阀的另一结构框图；

图9是本实用新型实施例的第二控制阀的另一结构框图；

图10是本实用新型实施例的第二控制阀的另一结构框图；

图11是本实用新型实施例的晶闸管阀的结构框图；

图12是本实用新型实施例的第一控制阀的结构框图；

图13是本实用新型实施例的混合式换流器拓扑图；

图14是本实用新型实施例的混合式换流器另一拓扑图；

图15是本实用新型实施例的混合式换流器另一拓扑图；

图16是本实用新型实施例的正常运行状态的电流流通路径；

图17是本实用新型实施例的正常运行状态的触发控制时序；

图18是本实用新型实施例的主支路向辅助支路换流的电流路径示意图；

图19是本实用新型实施例的换相失败或短路故障的触发控制时序；

图20是本实用新型实施例预先检测到换相失败或短路故障的控制触发时序。

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利用利用了晶闸管以及第一控制阀可关断和第二控制阀可关断的优点，采用两条支路并联，通过在主支路的基础上并联可提供反向电压和具备自关断能力的辅助支路，实现主支路的可靠关断和整个桥臂的主动换相，从而在较短时间内实现辅助换相功能，避免换相失败的发生，保障电网的稳定安全运行。

根据本实用新型实施例，提供了一种主动换相单元的实施例，该主动换相单元设置在换流器的桥臂电路中。该主动换相单元的一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，如图1所示，该主动换相单元包括：主支路和辅助支路。其中，主支路上设置有晶闸管阀V11，如图11所示，晶闸管阀V11包括至少一个晶闸管J1以及与分别与晶闸管J1并联或串联的缓冲部件12，其中，至少一个晶闸管J1串联设置，缓冲部件12用于晶闸管器件以免遭受高压大电流而损坏。

其中，辅助支路与主支路并联设置，在辅助支路上沿换流变压器的输出端至直流母线的方向上设置有第一控制阀V13，第一控制阀V13具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能。如图12所示，第一控制阀V13包括串联设置的功率器件W以及晶闸管J2，其中，晶闸管J2具有反向阻断功能，功率器件W具有正向电流的可控关断以及正反向电压的阻断功能，且功率器件W为具有可关断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。

第一控制阀V13为高压可关断阀，当然，第一控制阀V13还可以为多个功率器件以及晶闸管的串联形式，只要能够实现正向电流可控关断和正反向电压阻断能力这一功能的拓扑形式即可，本申请对第一控制阀V13的拓扑形式不作限定。

第二控制阀V12可以与主支路的晶闸管阀V11连接，也可以与辅助支路上的第一控制阀V13连接，第一控制阀V12为具备单向电压可控输出能力或单向可控关断功能的低压可关断阀，如图2所示，第二控制阀V12包括：至少一个功率单元11，该功率单元11包括：第一支路和第二支路。

第一支路上依次串联设置第一二极管D1和第一功率器件W1；第二支路与第一支路并联设置，第二支路上依次串联设置有第二功率器件W2和第二二极管D2，第一支路与第二支路构成全桥形式。具体地，功率单元11包括第一连接端O1和第二连接端O2，第一二极管D1的正极与第一连接端O1连接，第一二极管D1的负极与第一功率器件W1的一端连接，第一功率器件W1的另一端与第二连接端O2连接，第二功率器件W2的一端与第一连接端O1连接，第二功率器件W2的另一端与第二二极管D2的正极连接，第二二极管D2的负极第二连接端O2连接，第一二极管D1、第一功率器件W1、第二功率器件W2和第二二极管D2构成全桥形式。第一功率器件W1和第二功率器件W2为具有可关断功能的电力电子器件，电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT、GTO或MOSFET等可关断器件中的一种或多种。该功率单元11能够实现正向电流的可控关断以及正反向电压的阻断，以使第一控制阀V12具备单向电压输出可控关断功能，以关断主支路电流并为其提供反向电压，保障主支路的晶闸管阀拥有足够的关断时间进行可靠关断。

本实施例提供的主动换相单元包括并联的主支路和辅助支路，以及设置在主支路或辅助支路的第二控制阀，其中主支路设置有晶闸管阀，辅助支路上设置有具备正反向电压阻断能力的第一控制阀，第二控制阀与主支路的晶闸管阀连接或与辅助支路的第一控制阀连接，其包括至少一个功率单元，该功率单元包括并联设置的第一支路和第二支路，且第一支路与第二支路构成全桥形式。其中，第一支路上依次串联设置第一二极管和第一功率器件，第二支路上依次串联设置第二功率器件和第二二极管，第一功率器件和第二功率器件为具有可关断功能的电力电子器件，由此使得功率器件具备正向电流的可控关断以及正反向电压的阻断，使得第二控制阀具备单向电压输出或单向可控关断的能力，保证第二控制阀具有较大的通流能力，承载正常运行电流，以便通过第二控制阀将电流从主支路转移到辅助支路上。该主动换相单元通过第二控制阀控制正向关断电压延长主支路晶闸管阀的反向恢复时间，从而保证其可靠关断，进而实现各个桥臂的主动换相，避免换相失败，保障了电网的稳定安全运行。

可选地，如图3所示，该功率单元11还可以包括：第一电容元件C1。该第一电容元件C1的一端连接在第一二极管D1和第一功率器件W1之间，第一电容元件C1的另一端连接在第二功率器件W2和第二二极管D2之间。

可选地，如图4所示，该功率单元11还可以包括：防护元件B。该防护元件B防护元件用于瞬态过电压保护。具体地，该防护元件B与第二支路以及第一支路并联设置。

如图5所示，该防护元件B还可以一端连接第一个功率单元11的第一连接端O1，另一端连接最后一个功率单元11的第二连接端O2。

可选地，该防护元件B可以为避雷器，当然也可以为其他能够实现过电压保护的元件，此处不作具体限定。

可选地，该功率单元11还可以包括：至少一个缓冲部件12，该缓冲部件12并联设置于功率单元11中，避免第二控制阀遭受高压大电流而损坏，以保证第二控制阀V12工作稳定。如图6所示，上述缓冲部件12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，缓冲部件12可以是由第二电容元件组成的第一缓冲支路；可以是由第一电阻和第三电容元件串联的第二缓冲支路；可以是由第一电阻和第三电容元件并联的第三缓冲支路；可以是由第一电阻和第三二极管并联，再与第四电容元件串联构成的第四缓冲支路RCD1；可以是由第二电阻和第五电容元件并联，再与第四二极管串联构成的第五缓冲支路RCD2；也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的多个并联构成的第七缓冲支路。

可选地，如图7所示，该缓冲部件12可以分别并联设置于第一二极管D1的两端和第二二极管D2的两端。

可选地，如图8所示，该缓冲部件12可以分别并联设置于第一功率器件W1的两端和第二功率器件W2的两端。

可选地，如图9所示，该缓冲部件12可以分别并联设置于第一二极管D1的两端、第二二极管D2的两端、第一功率器件W1的两端以及第二功率器件W2的两端。

可选地，如图10所示，该缓冲部件12还可以并联设置于第一支路的两端以及第二支路的两端。

上述的第二控制阀V12为低压可关断阀，具备单向电压可控输出能力或单向可控关断功能，主要用于关断主支路电流并为其提供反向电压，保障主支路的晶闸管阀拥有足够的关断时间进行可靠关断。本申请对第二控制阀V12的拓扑形式不作限定，只要是具备单向电压可控输出或单向可控关断功能的拓扑形式即可。功率单元的拓扑形式还可以为不具有反向阻断功能的电力电子器件与二极管的配合，可由单级不具有反向阻断功能的电力电子器件和单级二极管以及缓冲部件配合构成多级串联结构形式，可由多级不具有反向阻断功能的电力电子器件及其缓冲部件组合与多级二极管及其缓冲部件组合串联，也可由多级不具有反向阻断功能的电力电子器件和多级二极管交替串联，当然也可以是其他的拓扑形式，此处不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际需要确定。

根据本实用新型实施例，提供了一种混合式换流器拓扑结构，该拓扑结构通过换流变压器接入交流电网。该混合式换流器拓扑结构包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，且其至少一个上桥臂或下桥臂上设置有上述实施例所述的主动换相单元。

具体地，如图13所述的混合式换流器拓扑结构包括3个上桥臂和3个下桥臂。每个主动换相单元作为一个换流阀，针对图13所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，即包括换流阀V1、换流阀V2、换流阀V3、换流阀V4、换流阀V5和换流阀V6。3个上桥臂的主支路分别包括晶闸管阀V11、V31、V51以及第二控制阀V12、V32和V52，3个上桥臂的辅助支路分别包括第一控制阀V13、V33和V53。3个下桥臂的主支路分别包括晶闸管阀V21、V41、V61和第二控制阀V22、V42和V62，3个下桥臂的辅助支路分别包括第一控制阀V23、V43和V63。通过控制触发控制系统控制晶闸管阀、第一控制阀和第二控制阀的关断与导通。

具体地，如图14所述的混合式换流器拓扑结构包括3个上桥臂和3个下桥臂。每个主动换相单元作为一个换流阀，针对图14所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，即包括换流阀V1、换流阀V2、换流阀V3、换流阀V4、换流阀V5和换流阀V6。3个上桥臂的主支路分别包括晶闸管阀V11、V31和V51，3个上桥臂的辅助支路分别包括第一控制阀V13、V33、V53以及第二控制阀V12、V32、V52。3个下桥臂的主支路分别包括晶闸管阀V21、V41、V61，3个下桥臂的辅助支路分别包括第一控制阀V23、V43、V63以及第二控制阀V22、V42、V62。通过控制触发控制系统控制晶闸管阀、第一控制阀和第二控制阀的关断与导通。

具体地，如图15所示的混合式换流器拓扑结构包括3个上桥臂和3个下桥臂。每个主动换相单元作为一个换流阀，针对图15所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，即包括换流阀V1、换流阀V2、换流阀V3、换流阀V4、换流阀V5和换流阀V6。3个上桥臂的主支路分别包括晶闸管阀V11、V31和V51，3个上桥臂的辅助支路分别包括第一控制阀V13、V33和V53。3个下桥臂的主支路分别包括晶闸管阀V21、V41、V61，3个下桥臂的辅助支路分别包括第一控制阀V23、V43和V63。换相控制阀Va2、Vb2和Vc2的一端分别连接在上桥臂和下桥臂之间，另一端分别接入换流变压器的输出端，换相控制阀Va2、Vb2和Vc2可以同时具备正反向电流关断功能和正反向电压输出功能，其可以是上述实施例中第二控制阀V12正反向串联构成，以供每相上下桥臂共用，减少了第二控制阀的设置个数，简化了混合式换流器拓扑结构。通过控制触发控制系统控制晶闸管阀、第一控制阀以及第二控制阀的关断与导通，进而实现主支路的可靠关断和整个桥臂的主动换相。

上述混合式换流器拓扑结构通过在晶闸管阀的基础上并联可提供反向电压和具备自关断能力的辅助支路，实现主支路的可靠关断和整个桥臂的主动换相，即针对每一个桥臂引入可关断控制阀。

本实施例提供的混合式换流器拓扑结构，包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有主动换相单元。主动换相单元中第二控制阀可提前关断主支路电流，同时提供反向电压，增大了主支路晶闸管阀换相电压-时间面积，保证其可靠关断，避免出现换相失败的问题，从而保证电网的稳定安全运行。

在本实施例中提供了一种换相控制方法，可用于上述的混合式换流器拓扑结构，以第二控制阀V12设置在辅助支路为例，该换相控制方法包括如下步骤：

(1)导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀。

(2)导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第一控制阀和第二控制阀。

(3)关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第一控制阀和第二控制阀。

(4)经过一个控制周期后，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀，其中，i∈[1,6]。

具体地，如图16所示为混合式换流器拓扑结构在正常运行条件下的阀电流流通路径，主支路周期性承受电压和电流应力，辅助支路一直处于关断状态，只在主支路的晶闸管阀关断时承受电压应力。混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第一控制阀和第二控制阀保持关断状态，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀，由此实现了混合式换流器拓扑结构能够工作于正常换相运行模式，即在暂时换相的运行模式下，辅助支路在混合式换流器正常运行时处于关断状态，只承受电压应力，减少了长期运行下的换流器损耗的增加量。

当出现换相失败或交流短路故障时，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第一控制阀和第二控制阀；将主支路的电流强迫转移至辅助支路，当电流转移完成时，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路的第一控制阀和第二控制阀，实现混合式换流器的强迫换相。经过一个控制周期后，返回导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀的步骤，继续由主支路独立正常运行，从而实现保证了辅助支路仅在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。

图17给出了在正常运行模式下的触发控制时序，图中t₀表示初始触发时刻。

图18为主支路向辅助支路换流时关断V1阀，辅助支路开始承受电压应力，该过程分为三个阶段，图18(左)为主支路向辅助支路换流阶段，该阶段辅助支路接收到触发信号导通，紧接着辅助支路V12阀和V13阀接收到导通信号，将主支路的电流向辅助支路转移，向主支路施加反向电压；图18(中)为辅助支路通流阶段，该阶段主支路已完全关断，主支路电流已全部转移至辅助支路；图18(右)为辅助支路关断阶段，该阶段接收到关断信号时，先关断辅助支路V13阀，此时的V1阀处于关断状态用于承受正向电压，随后在下个控制周期主支路的V11阀开通之前或同时关断V12阀。上述运行过程可以在换相故障或预测到换相故障时投入运行。

图19为混合式换流器拓扑结构在在换相失败或交流短路故障时的触发控制时序。图19中在t_f时刻监测到V1阀向V3阀换相失败后，经过第一预设时长Δt₁时导通辅助支路V13阀，经过第二预设时长Δt₂时导通辅助支路V12阀，执行主支路向辅助支路的换流过程，且Δt₂≥Δt₁≥0。主支路电流I11逐渐减小至零，辅助支路电流I12逐渐增大，经过第三预设时长Δt₃关断辅助支路V13阀，且主支路电流过零至V13阀关断这段时间为晶闸管阀的关断时间t_off，此处的t_off大于晶闸管阀的最小关断时间以保证晶闸管阀V11拥有足够的时间进行关断。辅助支路V13阀关断后，辅助支路电流将向V3阀进行换流直至达到直流电流Id，至此完成V1阀向V3阀的换相，成功抵御了换相失败故障，此后在下一个控制周期的V11阀开通之前关断辅助支路V12阀。在预测到换相失败将要发生或检测到换相失败发生时启动此种运行模式，可成功避免换相失败发生，待换流器换相过程恢复正常时即退出该运行模式，辅助支路保持关断状态，由主支路独立正常运行。

在换相失败或短路故障时，控制混合式换流器拓扑结构开启强迫换相的运行模式，避免了换相失败的发生，并在混合式换流器换相过程恢复正常时退出强迫换相的运行模式，辅助支路继续保持关断状态，由主支路独立正常运行，从而实现保证了辅助支路仅在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。

图20所示为混合式换流器拓扑结构预先检测到换相失败或短路故障时的控制触发时序，V1阀的主支路与辅助支路周期性交替运行时的各阀控制触发时序，具体运行过程如图18所示。在V1阀和V3阀换相开始时刻，即V1阀触发脉冲Sg1延时120°，或者在此刻附近触发辅助支路V13阀，并经过较短时间(例如1s、5s等)开通辅助支路V12阀，实现主支路向辅助支路的换流。主支路电流过零之后，主支路V11阀关断并承受反向电压，且主支路电流过零至辅助支路V13阀关断这段时间为晶闸管阀的关断时间t_off，且t_off大于晶闸管阀的最小关断时间保证其可靠关断，至此，V1阀电流全部转移至辅助支路，经过Δt后辅助支路V13阀开始关断，V1阀开始承受正向电压，然后在下一个工作周期V11阀开通之前或同时关断辅助支路V12阀。该种运行模式下，强迫换相的混合式换流器拓扑结构的桥臂中的主支路与辅助支路周期性交替运行，在具备抵御换相失败能力的基础上，无需预测换相失败，同时可以使混合式换流器处于小关断角运行模式，减少混合式换流器的无功消耗。

本实施例提供的换相控制方法，通过主支路与辅助支路的周期性交替运行，不仅能够抵御换相失败，而且无需对换相失败进行预测。同时保证了混合式换流器工作于小关断角的运行模式，降低了混合式换流器的无功消耗。

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 (10)

1.一种主动换相单元，设置在换流器的桥臂电路中，其一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，其特征在于，包括：

主支路，所述主支路上设置有晶闸管阀；

辅助支路，与所述主支路并联设置，所述辅助支路上设置有第一控制阀，所述第一控制阀具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能；

第二控制阀，与所述主支路的晶闸管阀连接或与所述辅助支路的第一控制阀连接，所述第二控制阀包括至少一个功率单元，所述功率单元包括：

第一支路，所述第一支路上依次串联设置第一二极管和第一功率器件；

第二支路，与所述第一支路并联设置，所述第二支路上依次串联设置第二功率器件和第二二极管；

所述第一支路与所述第二支路构成全桥形式，所述第一功率器件和所述第二功率器件为具有可关断功能的电力电子器件。

2.根据权利要求1所述的主动换相单元，其特征在于，所述功率单元还包括：

第一电容元件，所述第一电容元件的一端连接在所述第一二极管和所述第一功率器件之间，另一端连接在所述第二功率器件和所述第二二极管之间。

3.根据权利要求2所述的主动换相单元，其特征在于，所述功率单元还包括：

防护元件，与所述第二支路以及所述第一支路并联设置，所述防护元件用于瞬态过电压保护。

4.根据权利要求3所述的主动换相单元，其特征在于，所述防护元件为避雷器。

5.根据权利要求1所述的主动换相单元，其特征在于，所述功率单元还包括：

至少一个缓冲部件，所述缓冲部件并联设置于所述功率器件中；

所述缓冲部件包括：

由第二电容元件组成的第一缓冲支路；

或，第一电阻和第三电容元件串联的第二缓冲支路；

或，所述第一电阻和所述第三电容元件并联的第三缓冲支路；

或，第一电阻和第三二极管并联，再与第四电容元件串联构成的第四缓冲支路；

或，第二电阻和第五电容元件并联，再与第四二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。

6.根据权利要求5所述的主动换相单元，其特征在于，所述缓冲部件并联设置于所述第一二极管的两端和所述第二二极管的两端。

7.根据权利要求5所述的主动换相单元，其特征在于，所述缓冲部件并联设置于所述第一功率器件的两端和所述第二功率器件的两端。

8.根据权利要求5所述的主动换相单元，其特征在于，所述缓冲部件并联设置于所述第一二极管的两端、所述第二二极管的两端、所述第一功率器件的两端以及所述第二功率器件的两端。

9.根据权利要求5所述的主动换相单元，其特征在于，所述缓冲部件并联设置于所述第一支路的两端以及所述第二支路的两端。

10.一种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，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，其特征在于，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有权利要求1-9任一项所述的主动换相单元。

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