JP2021534714A - バイポーラ双方向直流変換器およびその制御方法と制御装置 - Google Patents

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Abstract

バイポーラ双方向直流変換器およびその制御方法と制御装置である。バイポーラ双方向直流変換器は、少なくとも２つのバルブグループストリング（１０１、１０２）と少なくとも６つの磁気素子（１０３）とを備え、バルブグループストリングと双方向直流変換器の低圧側ポートとの接続関係に従って、Ｉ型バルブグループストリング（１０２）とＩＩ型バルブグループストリング（１０１）とに区分され、Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極はバイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの正極を構成し、ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極はＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極に接続され、バイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの中性点を構成し、ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極はバイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの負極を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力電子の応用分野に属し、直流グリッドと双方向直流変換器に関し、特に、バイポーラ双方向直流変換器およびその制御方法と制御装置に関する。
双方向直流変換器は直流グリッドの中で電圧変換を実現する重要な構成設備として、直流グリッド分野の学者たちの注目を集めている。高圧直流変換の場合、スイッチング管の応力とコストの影響を受け、このように応用される双方向直流変換器はＩＳＯＰ、ＩＳＯＳ構造またはＭＭＣバックツーバック構造に基づく電気エネルギー変換装置を多く使用している。ここで、ＭＭＣバックツーバック構造に基づく電気エネルギー変換装置は、高から高／中圧直流給電システム間の電気エネルギー変換により適している。
直流給電システムの接地絶縁応力を低減するために、一般的にシステムの直流母線に対してバイポーラ配線パターンを採用し、即ち、直流母線の正極と負極の接地絶縁電圧は正負極間電圧の半分である。バイポーラ配線パターンには、疑似バイポーラと真のバイポーラの２種類の配線パターンがある。疑似バイポーラ配線パターンでは、直流システムの母線に一極が停止すると、他極も停止しなければならない。一方、真のバイポーラ配線パターンでは、直流システムの母線に一極が停止しても、他極の運行に影響しない。ＭＭＣバックツーバック構造は、分離型の双方向直流変換器であり、組み合わせによって様々な真のまたは疑似のバイポーラなど異なる母線配線パターンで、直流母線間の電気エネルギーの双方向伝達を簡単に実現することができる。
しかしながら、ＭＭＣバックツーバック構造は、２つのＭＭＣ変流バルブグループと１つの大電力周波数または中間周波数交流変圧器を備え、建設コストは比較的高い。ＭＭＣバックツーバック構造から進化したＡＵＴＯ−ＤＣ構造の双方向直流変換器を研究した文献があるが、この変換器の原理は交流単巻変圧器と似ており、非分離型の双方向直流変換器である。ＭＭＣバックツーバック構造と比べると、交流変圧器と変流バルブグループの容量を低減することができ、分離に対する要求が高くない場合に適用している。しかしながら、ＡＵＴＯ−ＤＣ構造は非分離型回路であり、直接に交流単巻変圧器を参照して得られたＡＵＴＯ−ＤＣ構造は、バイポーラシステムに直接適用することができない。例えば、高圧側ポートの直流母線が疑似バイポーラ配線パターンを採用するとき、ＡＵＴＯ−ＤＣ構造により変換した後、低圧側ポートの負極または正極が高圧側ポートの負極または正極と同じ点になるため、その接地絶縁電圧は高圧側正負極間電圧の半分になり、設備の低圧側における接地絶縁応力が増加してしまう。
現在、中国特許出願公開第１０５０４８８１３号明細書は、ＡＵＴＯ−ＤＣ構造を最適化し、最適化後のＡＵＴＯ−ＤＣ構造は、高圧側直流母線が疑似バイポーラであり、かつ低圧側直流母線も同様に疑似バイポーラである直流給電システム間の電気エネルギー変換を実現することができる。しかしながら、実際の直流システムにおいて、高圧側直流母線が疑似バイポーラであるが、低圧側直流母線が真のバイポーラ配線パターンである場合、中国特許出願公開第１０５０４８８１３号明細書に係る発明を使用すると、低圧側ポートの両端を低圧直流母線の正負両極に接続するしかなく、低圧側に一極の母線が停止すると、当該方式は他極が中性点に対する回路を提供していないため、システム全体を停止するしかない。
本発明の実施形態では、少なくとも２つのバルブグループストリングを備えるバイポーラ双方向直流変換器を提供し、前記バルブグループストリングと前記双方向直流変換器の低圧側ポートとの接続関係に従って区分され、少なくとも２つのバルブグループストリングと少なくとも６つの磁気素子とを備え、バルブグループストリングと双方向直流変換器の低圧側ポートとの接続関係に従ってＩ型バルブグループストリングとＩＩ型バルブグループストリングとに区分され、Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極はバイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの正極を構成し、ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極はＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極に接続され、バイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの中性点を構成し、ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極はバイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの負極を構成し、各バルブグループストリングは、高圧直流ポートと、低圧直流ポートと、少なくとも３つの交流ポートとを備え、すべての前記高圧直流ポートの正極を接続して、前記バイポーラ双方向直流変換器の高圧側ポートの正極とし、すべての前記高圧直流ポートの負極を接続して、前記バイポーラ双方向直流変換器の高圧側ポートの負極とし、各交流ポートは１つの磁気素子に接続され、同じバルブグループストリング内の全ての交流ポートに接続されている磁気素子の他端が接続されている。
ある実施形態では、前記バイポーラ双方向直流変換器は、第１分離スイッチと、第２分離スイッチと、第３分離スイッチと、第４分離スイッチと、第５分離スイッチと、第６分離スイッチとをさらに備え、前記第１分離スイッチは前記バルブグループストリングの高圧直流ポートの正極と高圧直流母線の正端の間に接続され、前記第２分離スイッチは前記バルブグループストリングの高圧直流ポートの負極と高圧直流母線の負端との間に接続され、前記第３分離スイッチは前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流母線の正端との間に接続され、前記第４分離スイッチは前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と低圧直流母線の中性点との間に接続され、前記第５分離スイッチは、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流母線の中性点との間に接続され、前記第６分離スイッチは前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と低圧直流母線の負極との間に接続されている。
ある実施形態では、前記磁気素子が電気リアクトルである。
ある実施形態では、前記磁気素子が交流変圧器である。
ある実施形態では、前記バルブグループストリングはいずれも前記バルブグループストリングの交流ポートと同じ数の電圧源型変流器を備え、前記電圧源型変流器は、少なくとも１つの交流ポートと１つの直流ポートを有する交流−直流変換回路を含む。
ある実施形態では、前記バルブグループストリングにおけるすべての前記電圧源型変流器の直流ポートは首尾が順次に直列接続され、最初の電圧源型変流器の直流ポートの正極は前記バルブグループストリングの高圧直流ポートの正極となり、最後の電圧源型変流器の直流ポートの負極はバルブグループストリングの高圧直流ポートの負極となり、すべての前記交流ポートは前記バルブグループストリングの交流ポートとなる。
ある実施形態では、前記バルブグループストリングから２つの電圧源型変流器の直流ポートの正極を選択して引き出し、前記バルブグループストリングの低圧直流ポートとし、ここで、電圧の高い正極は低圧直流ポートの正端とし、電圧の低い正極は低圧直流ポートの負端とし、Ｉ型バルブグループストリングの場合、選択した負端は高圧側直流母線の中性点の電位に相等し、ＩＩ型バルブグループストリングの場合、選択した正端は高圧側直流母線の中性点の電位に相等する。
オプションとして、前記バルブグループストリングから２つの電圧源型変流器の直流ポートの負極を選んで引き出し、前記バルブグループストリングの低圧直流ポートとし、ここで、電圧の高い負極は低圧直流ポートの正端とし、電圧の低い負極は低圧直流ポートの負端とし、Ｉ型バルブグループストリングの場合、選択した負端は高圧側直流母線の中性点の電位に相等し、ＩＩ型バルブグループストリングの場合、選択した正端は高圧側直流母線の中性点の電位に相等する。
ある実施形態では、前記電圧源型変流器は、ふたつずつ直列接続されているバルブアームを少なくとも２組の合計４つ備え、ここで、各バルブアームは直列に接続されているバルブアームリアクタンスとパワーモジュールとを備え、各組の上下に直列接続されているバルブアームの両端が並列に接続され、前記電圧源型変流器の直流ポートとし、各組の上下に直列接続されているバルブアームの中間点を引き出し、前記電圧源型変流器の交流ポートとする。
ある実施形態では、前記パワーモジュールがハーフブリッジプラスコンデンサ構造を備える。
オプションとしては、前記パワーモジュールがフルブリッジプラスコンデンサ構造を備える。
オプションとしては、前記パワーモジュールがフルブリッジプラスコンデンサおよびハーフブリッジプラスコンデンサ構造を備える。
また、本発明の実施形態では、上記のようなバイポーラ双方向直流変換器の制御方法を提供し、正常に動作する時には、すべてのバルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチを閉じるステップを含む。
ある実施形態では、前記方法は、Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第１電位差を検出するステップと、前記第１電位差が第１目標値から逸脱した時、前記第１電位差が前記第１目標値になるまで、前記Ｉ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節するステップと、ここで、前記電圧源型変流器は、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間に位置しており、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第２電位差を検出するステップと、前記第２電位差が第２目標値から逸脱した時、前記第２電位差が前記第２目標値になるまで、前記Ｉ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節するステップと、をさらに含み、ここで、前記電圧源型変流器は、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間に位置している。
ある実施形態では、前記第１目標値は前記バイポーラ双方向直流変換器の低圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分であり、前記第２目標値は前記バイポーラ双方向直流変換器の高圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。
ある実施形態では、前記方法は、ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第３電位差を検出するステップと、前記第３電位差が第３目標値から逸脱した時、前記第３電位差が前記第３目標値になるまで、前記ＩＩ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節するステップと、ここで、前記電圧源型変流器は、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間に位置しており、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第４電位差を検出するステップと、前記第４電位差が第４目標値から逸脱した時、前記第４電位差が前記第４目標値になるまで、前記ＩＩ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節するステップと、をさらに含み、ここで、前記電圧源型変流器は、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間に位置している。
ある実施形態では、前記第３目標値は前記バイポーラ双方向直流変換器の低圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分であり、前記第４目標値は前記バイポーラ双方向直流変換器の高圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。
ある実施形態では、前記方法は、高圧直流母線に短時間的な故障が発生した時、すべてのバルブグループストリングにおけるフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記モジュールのスイッチング状態を復元するステップをさらに含む。
ある実施形態では、前記方法は、低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべてのＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポート間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記モジュールのスイッチング状態を復元するステップをさらに含む。
ある実施形態では、前記方法は、低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべてのＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調節し、故障が回復すると、前記モジュールのスイッチング状態を復元するステップをさらに含む。
ある実施形態では、前記方法は、低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、Ｉ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、Ｉ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、前記故障を分離するステップと、ＩＩ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の負端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成するステップと、をさらに含む。
ある実施形態では、前記方法は、低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、ＩＩ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、ＩＩ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、前記故障を分離するステップと、Ｉ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の正端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成するステップと、をさらに含む。
また、本発明の実施形態は、上記のようなバイポーラ双方向直流変換器の制御装置を提供し、前記バイポーラ双方向直流変換器が正常に動作する時には、すべてのバルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチを閉じるように制御する正常動作ユニットを備える。
ある実施形態では、前記制御装置は、Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第１電位差を検出し、前記第１電位差が第１目標値から逸脱した時、第１調整ユニットを有効にする第１検出ユニットと、前記第１電位差が前記第１目標値になるまで、前記Ｉ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節する第１調節ユニットと、ここで、前記電圧源型変流器は、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間に位置しており、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第２電位差を検出し、前記第２電位差が第２目標値から逸脱した時、第２調整ユニットを有効にする第２検出ユニットと、前記第２電位差が前記第２目標値になるまで、前記Ｉ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節する第２調節ユニットと、をさらに備え、ここで、前記電圧源型変流器は、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間に位置している。
ある実施形態では、前記制御装置は、ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第３電位差を検出し、前記第３電位差が第３目標値から逸脱した時、第３調節ユニットを有効にする第３検出ユニットと、前記第３電位差が前記第３目標値になるまで、前記ＩＩ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節する第３調節ユニットと、ここで、前記電圧源型変流器は、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間に位置しており、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第４電位差を検出し、前記第４電位差が第４目標値から逸脱した時、第４調整ユニットを有効にする第４検出ユニットと、前記第４電位差が前記第４目標値になるまで、前記ＩＩ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節する第４調節ユニットと、をさらに備え、ここで、前記電圧源型変流器は、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間に位置している。
ある実施形態では、前記制御装置は、高圧直流母線に短時間的な故障が発生した時、すべてのバルブグループストリングにおけるフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記モジュールのスイッチング状態を復元する高圧直流母線の短時間故障処理ユニットと、低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべてのＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポート間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記モジュールのスイッチング状態を復元する低圧側直流母線の正端における短時間故障処理ユニットと、低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべてのＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポート間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記モジュールのスイッチング状態を復元する低圧側直流母線の負端における短時間故障処理ユニットと、をさらに備える。
ある実施形態では、前記制御装置は、低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、Ｉ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、Ｉ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、上記の故障を分離すると同時に、ＩＩ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の負端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成する低圧側直流母線の正端における永久故障処理ユニットと、低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、ＩＩ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、ＩＩ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、上記の故障を分離すると同時に、Ｉ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の正端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成する低圧側直流母線の負端における永久故障処理ユニットと、をさらに備える。
本出願の実施形態に係る発明は、従来応用されているＭＭＣバックツーバック構造を使用する回路と比べると、同様に高圧側の疑似バイポーラ、低圧側の真のバイポーラ構造を構築するとしても、本出願に係る発明によれば、システムのバルブグループと変圧器容量を低減し、システムの設計コストを削減することができる。既存の文献に記載のＡＵＴＯ−ＤＣ方式と比べると、本出願に係る発明によれば、高圧側直流母線は疑似バイポーラ配線方式を採用することができるとともに、低圧側には正負端接地電圧と高圧側接地電圧が同じになり、絶縁応力を向上する問題が存在しない。既存の文献に記載の最適化ＡＵＴＯ−ＤＣ方式と比べると、本出願に係る発明によれば、低圧側直流母線に一極が故障で停止しても、他極の正常運行に影響を与えず、依然として高圧直流母線から低圧直流母線までの電気エネルギー変換を実現し、低圧側直流母線の真のバイポーラ配線を満たすことができる。
本出願の実施形態に係る発明をより明確に説明するために、以下では、実施形態の説明に必要な図面を簡単に紹介するが、以下の説明における図面は本発明の一部の実施形態にすぎず、当業者にとっては、創造的な労働をしない前提で、これらの図面から他の図面を得ることもできることは明らかである。
本発明に係るバイポーラ双方向直流変換器の構成図である。 単一のバルブグループストリングの各ポートの定義を示す概略図である。 ２つのみのバルブグループストリングを備え、かつ各バルブグループストリングは３つのみのＶＳＣを備える双方向直流変換器の構成図である。 単一の電圧源型変換器の構成図である。 ハーフブリッジプラスコンデンサパワーモジュールである。 フルブリッジプラスコンデンサパワーモジュールである。 Ｉ型バルブグループストリングの制御ポリシーの概略図である。 ＩＩ型バルブグループストリングの制御ポリシーの概略図である。 別の実施形態に係るＩ型バルブグループストリングの制御ポリシーの概略図である。 別の実施形態に係るＩＩ型バルブグループストリングの制御ポリシーの概略図である。
本出願の実施形態の目的、発明及び利点をより明確にするために、以下、図面と実施形態を関連付けながら、本発明の具体的な実施形態についてより詳しくかつ明確に説明する。しかしながら、以下に説明する具体的な実施形態および実施例は、説明するための目的だけであり、本明細書に対する限定ではない。これは、本発明の一部の実施形態を含むだけであって、全ての実施形態ではなく、当業者が本発明の様々な変化によって得られる他の実施形態も、全て本発明の保護範囲に属する。
本出願の特許請求の範囲、明細書及び図面で使用される「第１」、「第２」、「第３」及び「第４」などの用語は、異なるオブジェクトを区別するためのものであり、特定の順序を説明するためのものではないことが理解されたい。本明細書および特許請求の範囲で使用される「含む」および「備える」の用語は、説明された特徴、全体、ステップ、操作、要素および／またはコンポーネントの存在を示すものであり、１つまたは複数の他の特徴、全体、ステップ、操作、要素、コンポーネントおよび／またはそれらの集合的存在または追加を除外するものではない。
本出願は、ＡＵＴＯ−ＤＣ変換器において、高圧側直流母線にアクセスするのは疑似バイポーラであるが、低圧側直流母線は真のバイポーラシステムである、という課題を解決するために、バイポーラ双方向直流変換器を提供する。低圧側直流母線に一極が故障して停止しても、他極の正常運行に影響を与えず、依然として高圧直流母線から低圧直流母線までの電気エネルギー変換を実現することができる。同時に、バイポーラ双方向直流変換器の制御方法と制御装置を提供する。
図１は本発明に係るバイポーラ双方向直流変換器の構成図である。
図１に示すように、双方向直流変換器は少なくとも２つのバルブグループストリングと６つの磁気素子から構成されている。
各バルブグループストリングは１つの高圧直流ポート、１つの低圧直流ポートおよび少なくとも３つの交流ポートを有する。すべてのバルブグループストリングの高圧直流ポートの正極が接続され、前記双方向直流変換器の高圧側ポートの正極を構成し、すべてのバルブグループストリングの高圧直流ポートの負極が接続され、前記双方向直流変換器高圧側ポートの負極を構成する。
全てのバルブグループストリングでは、各交流ポートは１つの磁気素子に接続されている。単一のバルブグループストリング内のすべての交流ポートに接続された磁気素子の他端が並列に接続されている。
バルブグループストリングと双方向直流変換器低圧側ポートとの接続関係に従って、バルブグループストリングはＩ型バルブグループストリングとＩＩ型バルブグループストリングに区分される。Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極は前記双方向直流変換器低圧側ポートの正極を構成し、その負端は前記双方向直流変換器低圧側ポートの中性点を構成する。ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極は双方向直流変換器低圧側ポートの中性点を構成し、その負端は双方向直流変換器低圧側ポートの負極を構成する。Ｉ型バルブグループストリングとＩＩ型バルブグループストリングからなる双方向直流変換器低圧側ポートの中性点は同じ点である。
図１に示すように、コンポーネント１０１はＩ型バルブグループストリングであり、コンポーネント１０２はＩＩ型バルブグループストリングであり、コンポーネント１０３は磁気素子である。
図１に示すように、コンポーネント１０４〜コンポーネント１１１は分離スイッチである。ここで、コンポーネント１０４〜コンポーネント１０７は、バルブグループストリング高圧側ポートに接続されている分離スイッチであり、コンポーネント１０８〜コンポーネント１１１は、バルブグループストリング低圧側ポートに接続されている分離スイッチである。分離スイッチは完全制御型スイッチを含むが、これに限らない。
第１分離スイッチ１０６、１０４はそれぞれＩ型バルブグループストリングおよびＩＩ型バルブグループストリングの高圧直流ポートの正極と高圧直流母線の正端との間に接続されている。第２分離スイッチ１０７、１０５はそれぞれＩ型バルブグループストリングおよびＩＩ型バルブグループストリングの高圧直流ポートの負極と高圧直流母線の負端との間に接続されている。第３分離スイッチ１１０は、Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流母線の正端との間に接続されている。第４分離スイッチ１１１は、Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と低圧直流母線の中性点との間に接続されている。第５分離スイッチ１０８は、ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流母線の中性点との間に接続されている。第６分離スイッチ１０９は、前記ＩＩ型のバルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と低圧直流母線の負極との間に接続されている。
図２は単一のバルブグループストリングの各ポートの定義を示す概略図である。
図２に示すように、コンポーネント２０１は、高圧直流ポートと、低圧直流ポートと、少なくとも３つの交流ポートとを備えるバルブグループストリングの構成である。
双方向直流変換器のすべてのバルブグループストリングの高圧直流ポートの正極はそれぞれ分離スイッチを経てから接続され、高圧直流母線の正端に接続されている。すべてのバルブグループストリングの高圧直流ポートの負極はそれぞれ分離スイッチを経てから接続され、高圧直流母線の負端に接続されている。双方向直流変換器Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と負極はそれぞれ分離スイッチを経た後、低圧直流母線の正端と中性点を接続する。双方向直流変換器ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と負極はそれぞれ分離スイッチを経た後、低圧直流母線の中性点と負端を接続する。
図２に示すように、コンポーネント２０２は電気リアクトルであり、単一のバルブグループストリングに接続された磁気素子は電気リアクトルであり、交流ポートの各リード端子には電気リアクトルが接続されている。コンポーネント２０３は交流変圧器である。単一のバルブグループストリングに接続された磁気素子は交流変圧器であり、各交流ポートに一つの交流変圧器が接続されている。
双方向直流変換器のＩ型およびＩＩ型バルブグループストリングはいずれも交流ポートと同じ数の電圧源型変流器を備え、すべての電圧源型変流器は交流−直流変換回路を用いて実現され、交流−直流変換回路は少なくとも１つの交流ポートと１つの直流ポートとを備える。
双方向直流変換器のＩ型およびＩＩ型バルブグループストリングでは、すべての電圧源型変流器の直流ポートは首尾が順次に直列接続され、最初の電圧源型変流器の直流ポートの正極と最後の電圧源型変流器の直流ポートの負極は１つのバルブグループストリングの高圧直流ポートを構成し、すべての電圧源型変流器内部には少なくとも１つの交流ポートを備え、すべての交流ポートは即ち前記バルブグループストリングの交流ポートである。
簡略化するために、電圧源型変流器はＶＳＣとも呼ばれ、図３は、２つのみのバルブグループストリングを有し、かつ各バルブグループストリングは３つのみの電圧源型変流器を有する双方向直流変換器を示している。図３に示すように、コンポーネント３０１〜３６６は、２つのバルブグループストリングの電圧源型変流器、すなわちＶＳＣ１−ＶＳＣ６から構成されている。ここで、ＶＳＣ１、ＶＳＣ２、およびＶＳＣ３は直列に接続されて、ＩＩ型バルブグループストリングを構成し、ＶＳＣ４、ＶＳＣ５、ＶＳＣ６は直列に接続されて、Ｉ型バルブグループストリングを構成している。コンポーネント３０７は交流変圧器を表す。
バルブグループストリングのすべての電圧源型変流器において、２つの電圧源型変流器直流ポートの正極を選択して引き出し、前記バルブグループストリングの低圧直流ポートとする。ここで、電圧の高い正極は低圧直流ポートの正端として、電圧の低い正極は低圧直流ポートの負端とする。Ｉ型バルブグループストリングの場合、選択した負端は高圧側直流母線の中性点電位に相等する。ＩＩ型バルブグループストリングの場合、選択した正端は高圧側直流母線の中性点電位に相等する。図３に示す。
前記バルブグループストリングのすべての電圧源型変流器において、２つの電圧源型変流器の直流ポートの負極を選択して引き出し、前記バルブグループストリングの低圧直流ポートとする。ここで、電圧の高い負極は低圧直流ポートの正端として、電圧の低い負極は低圧直流ポートの負端とする。Ｉ型バルブグループストリングの場合、選択した負端は高圧側直流母線の中性点電位に相等する。ＩＩ型バルブグループストリングの場合、選択した正端は高圧側直流母線の中性点電位に相等する。図３に示す。
バルブグループストリングの電圧源型変流器は、二つずつ直列に接続されているバルブアームを少なくとも２組の合計４つ備える。各バルブアームはバルブアームリアクタンスとパワーモジュールが順次に直列接続されることにより構成されている。各組の上下に直列接続されているバルブアームの両端が並列に接続され、電圧源型変流器の直流ポートを構成する。各組の上下に直列接続されているバルブアームの中間点を引き出し、交流ポートを構成する。
図４は一つのバルブグループストリングにおける電圧源型変流器の構成図を詳細に示す。
図４に示すように、コンポーネント４０１はバルブアームリアクタンスを表し、４０２はパワーモジュールを表す。１つのバルブアームリアクタンスは複数のパワーモジュールＳＭと直列に接続され、１つのバルブアームを構成する。図４において、６つのバルブアームを用いて、１つの電圧源型変流器、すなわちＭＭＣ構造を構成し、すべての上下２つ直列に接続されているバルブアームの接続点を引き出し、三相交流電流を出力することができ、いずれか一対のバルブアームを除いたら、前記電圧源型変流器は単相交流電流を出力することができる。
バルブアームリアクタンスの電圧源型変流器において、そのバルブアームはバルブアームリアクタンスとパワーモジュールが順次に直列接続されて構成されている。全てのパワーモジュールはハーフブリッジプラスコンデンサ構造で構成されている。図５はハーフブリッジプラスコンデンサ構造のパワーモジュールである。図５に示すように、Ｑ１とＱ２はハーフブリッジ回路の２つの完全制御型スイッチデバイスを表す。
オプションとして、すべてのパワーモジュールはフルブリッジプラスコンデンサ構造で構成されている。図６はフルブリッジプラスコンデンサ構造のパワーモジュールである。図６に示すように、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、およびＱ４は、フルブリッジ回路の４つの完全制御型スイッチデバイスを表す。
オプションとして、すべてのパワーモジュールは、フルブリッジプラスコンデンサおよびハーフブリッジプラスコンデンサ構造を混合して採用する。
図７はＩ型バルブアームリアクタンスの制御ポリシーの概略図であり、図８はＩＩ型バルブアームリアクタンスの制御ポリシーの概略図であり、図７、図８を参照して、バイポーラ双方向直流変換器の制御方法を説明する。
図７、図８に示すように、正常に動作する時には、すべてのバルブアームリアクタンスの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチを閉じる。図６に示すように、正常に動作する時には、Ｑ１、Ｑ４をオンにし、Ｑ２、Ｑ３をオフにして、フルブリッジパワーモジュールを投入し、Ｑ１、Ｑ３をオンにし、Ｑ２、Ｑ４をオフにして、または、Ｑ２、Ｑ４をオンにし、Ｑ１、Ｑ３をオフにして、フルブリッジパワーモジュールを終了する。
図７に示すように、単一のＩ型バルブアームリアクタンスは、次のような制御方法を使用する。
Ｉ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との電位差をリアルタイムに検出する。この電位差を第１目標値と比較し、第１目標値は双方向直流変換器の低圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。検出値が第１目標値から逸脱した時、Ｉ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変換器およびＩ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間の電圧源型変換器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節し、検出値を第１目標値になるように調節する。
Ｉ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との電位差をリアルタイムに検出する。この電位差を第２目標値と比較し、前記第２目標値は双方向直流変換器の高圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。検出値が第２目標値から逸脱した時、Ｉ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変換器およびＩ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変換器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節し、検出値を第２目標値になるように調節する。
図８に示すように、単一のＩＩ型バルブアームリアクタンスは、次のような制御方法を使用する。
ＩＩ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との電位差をリアルタイムに検出する。この電位差を第３目標値と比較し、前記第３目標値は双方向直流変換器の低圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。検出値が第３目標値から逸脱した時、ＩＩ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変換器およびＩＩ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変換器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節し、検出値を第３目標値になるように調節する。
ＩＩ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との電位差をリアルタイムに検出する。この電位差を第４目標値と比較し、前記第４目標値は双方向直流変換器の高圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。検出値が第４目標値から逸脱した時、ＩＩ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変換器およびＩＩ型バルブアームリアクタンスの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間の電圧源型変換器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節し、検出値を第４目標値になるように調節する。
図７、図８に示すように、高圧直流母線に短時間的な故障が発生した時、すべてのバルブアームリアクタンスにおけるフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整する。故障が回復すると、上記モジュールのスイッチング状態を復元する。
低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべてのＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整する。故障が回復すると、上記モジュールのスイッチング状態を復元する。
低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべてのＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整する。故障が回復すると、上記モジュールのスイッチング状態を復元する。
短時間的な故障が発生した時、Ｑ１、Ｑ４をオンにしてＱ２、Ｑ３をオフにすることと、Ｑ２、Ｑ３をオンにしてＱ１、Ｑ４をオフにすることとの高周波スイッチングにより、フルブリッジ出力電流、つまり故障電流の大きさを制御する。故障が回復すると、前記正常な動作状態に戻す。
図７、図８に示すように、低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、Ｉ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、Ｉ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチをオフにして、上記の故障を分離する。同時に、ＩＩ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の負端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成する。
低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、ＩＩ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、ＩＩ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチをオフにして、上記の故障を分離する。Ｉ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の正端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成する。
図１に示すように、コンポーネント１０４、１０５、１０８、および１０９に示されているスイッチをオフにすると、Ｉ型バルブグループストリングを分離することができる。コンポーネント１０６、１０７、１１０、および１１１に示されているスイッチをオフにすると、ＩＩ型バルブグループストリングを分離することができる。
また、本発明の実施形態は、バイポーラ双方向直流変換器の制御装置を提供する。図７はＩ型バルブグループストリングの制御ポリシーの概略図であり、図８はＩＩ型バルブグループストリングの制御ポリシーの概略図である。制御装置はパワー分配器とも呼ばれる。図９はある実施形態に係るＩ型バルブグループストリングの制御ポリシーの概略図であり、図１０はある実施形態に係るＩＩ型バルブグループストリングの制御ポリシーの概略図である。
制御装置は、正常動作ユニットを備える。正常動作ユニットは、バイポーラ双方向直流変換器が正常に動作する時には、すべてのバルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチを閉じるように制御する。
オプションとして、バイポーラ双方向直流変換器の制御装置は、第１検出ユニットと、第１調節ユニットと、第２検出ユニットと、第２調節ユニットとを備える。
第１検出ユニットは、Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第１電位差をリアルタイムに検出する。第１電位差を第１目標値と比較し、第１目標値は双方向直流変換器の低圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。第１電位差が第１目標値から逸脱した時、第１調節ユニットを有効にする。第１調節ユニットは、Ｉ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変流器およびＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間の電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節し、第１電位差を第１目標値になるように調節する。
第２検出ユニットは、Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第２電位差をリアルタイムに検出する。第２電位差を第２目標値と比較し、第２目標値は双方向直流変換器の高圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。第２電位差が第２目標値から逸脱した時、第２調節ユニットを有効にする。第２調節ユニットは、Ｉ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変流器およびＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節し、第２電位差を第２目標値になるように調節する。
オプションとして、バイポーラ双方向直流変換器の制御装置は、第３検出ユニットと、第３調節ユニットと、第４検出ユニットと、第４調節ユニットとをさらに備える。
第３検出ユニットは、ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第３電位差をリアルタイムに検出する。第３電位差を第３目標値と比較し、第３目標値は双方向直流変換器の低圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。第３電位差が第３目標値から逸脱した時、第３調節ユニットを有効にする。第３調節ユニットは、ＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変流器およびＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節し、第３電位差を第３目標値になるように調節する。
第４検出ユニットは、ＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第４電位差をリアルタイムに検出する。第４電位差を第４目標値と比較し、第４目標値は双方向直流変換器の高圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である。第４電位差が第４目標値から逸脱した時、第４調節ユニットを有効にする。第４調節ユニットは、ＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間の電圧源型変流器およびＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間の電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節し、第４電位差を第４目標値になるように調節する。
オプションとして、制御装置は、高圧直流母線の短時間故障処理ユニットと、低圧側直流母線の正端における短時間故障処理ユニットと、低圧側直流母線の負端における短時間故障処理ユニットとをさらに備える。
高圧直流母線の短時間故障処理ユニットは、高圧直流母線に短時間的な故障が発生した時、すべてのバルブグループストリングにおけるフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整する。故障が回復すると、上記モジュールのスイッチング状態を復元する。低圧側直流母線の正端における短時間故障処理ユニットは、低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべてのＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整する。故障が回復すると、上記モジュールのスイッチング状態を復元する。低圧側直流母線の負端における短時間故障処理ユニットは、低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべてのＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整する。故障が回復すると、上記モジュールのスイッチング状態を復元する。
オプションとして、制御装置は、低圧側直流母線の正端における永久故障処理ユニットと、低圧側直流母線の負端における永久故障処理ユニットとをさらに備える。
低圧側直流母線の正端における永久故障処理ユニットは、低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して永久故障が発生した時、Ｉ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、Ｉ型バルブグループストリングにおける高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、上記の故障を分離する。同時に、ＩＩ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の負端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成する。
低圧側直流母線の負端における永久故障処理ユニットは、低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、ＩＩ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、ＩＩ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、上記の故障を分離する。同時に、Ｉ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の正端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成する。
本発明の調節原理を定量的に説明するために、図３に示す回路を例にして、定量パラメータの確定方法を紹介する。高圧側電圧レベルが±Ｅ１の疑似バイポーラであると仮定すると、高圧側ポートの正負端電圧は２Ｅ１である。低圧側電圧レベルは±Ｅ２の真のバイポーラであり、すなわち低圧側ポートの正負端電圧は２Ｅ２であり、Ｅ１＞Ｅ２を満たし、ｎ＝Ｅ１／Ｅ２を設定すれば、ｎ＞１である。この双方向直流変換器の定格電力はＰであると仮定すると、即ち、高圧側ポートの出入電力はＰであるが、低圧側両極の各極の出力電力はＰ／２である。
電圧レベル区分によって、ＶＳＣ１とＶＳＣ６の直流ポートの定格電圧が同じであるように設計する必要があり、いずれもＥ１であり、ＶＳＣ２とＶＳＣ５の直流ポートの定格電圧が同じであるように設計する必要があり、いずれもＥ２であり、したがって、ＶＳＣ３とＶＳＣ４の定格電圧はＥ２−Ｅ１である。
キルヒホッフ（ＫＣＬ）の法則から分かるように、ＶＳＣ１、ＶＳＣ２およびＶＳＣ３、ならびにＶＳＣ４、ＶＳＣ５およびＶＳＣ６はそれぞれ直列に接続されているため、直流ポートの電流は同じなので、ＶＳＣ１およびＶＳＣ６の定格電力はＰ／４であり、ｎ＝Ｅ１／Ｅ２により、ＶＳＣ３およびＶＳＣ４の定格設計電力は（Ｎ−１）／ｎ×（Ｐ／４）であり、ＶＳＣ１およびＶＳＣ６並びにＶＳＣ３およびＶＳＣ４の交流ポートパワーは、それぞれ磁気素子を介してＶＳＣ２およびＶＳＣ５に伝達されるので、ＶＳＣ２およびＶＳＣ５の定格電力は（２ｎ−１）／Ｎ×（Ｐ／４）である。
各ＶＳＣの定格電力、直流ポート電圧がわかった後、既存のＭＭＣ構造電圧源型変流器に基づく設計方法を参照してＶＳＣ本体を設計することができる。
各ＶＳＣに接続された交流変圧器の定格有効は、それに対応するＶＳＣの定格電力と同じなので、変圧器電圧はＶＳＣ交流から直流への変圧変調比によって確定することができる。
これまで、本発明に基づいて、高圧側が疑似バイポーラ配線であり、低圧側が真のバイポーラ配線であるものに実際に適用する双方向直流変換器を設計することができる。
本出願の実施形態に係る発明は、従来の応用においてＭＭＣバックツーバック構造を採用している回路と比べると、同様に高圧側の疑似バイポーラ、低圧側の真のバイポーラ構造を構築するとしても、本出願に係る発明によれば、システムのバルブグループと変圧器容量を低減し、システム設計コストを削減することができる。既存の文献に記載のＡＵＴＯ−ＤＣ方式と比べると、本出願に係る発明によれば、高圧側直流母線は疑似バイポーラ配線方式を採用することができると同時に、低圧側には正負端接地電圧と高圧側接地電圧が同じとなり、絶縁応力の向上という問題が存在しない。既存の文献に記載の最適化ＡＵＴＯ−ＤＣ方式と比べると、本出願に係る発明によれば、低圧側直流母線に一極が故障で停止した時、他極の正常運行に影響を与えず、依然として高圧直流母線から低圧直流母線までの電気エネルギー変換を実現し、低圧側直流母線の真のバイポーラ配線を満たすことができる。
なお、以上のように図面を参照しながら説明した各実施形態は、本発明を説明するためのものだけであり、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しないことを前提に、本発明に対する修正または均等置換を行うものは、全て本発明の範囲内に含まれるべきであることを、当業者は理解すべきである。また、文脈で別を示すものを除く、単数で表す用語は複数の形を含み、逆も同様である。さらに、特に説明しない限り、任意の実施形態の全部または一部は、他の実施形態の全部または一部と結合して使用されてもよい。

Claims (27)

  1. バルブグループストリングと双方向直流変換器の低圧側ポートとの接続関係に従って区分される少なくとも２つの該バルブグループストリングを備えるバイポーラ双方向直流変換器であって、
    Ｉ型バルブグループストリングと、
    ＩＩ型バルブグループストリングと、を備え、
    ここで、各前記バルブグループストリングは、
    低圧直流ポートと、
    すべての正極が接続され、前記バイポーラ双方向直流変換器の高圧側ポートの正極とし、すべての負極が接続され、前記バイポーラ双方向直流変換器の高圧側ポートの負極とする高圧直流ポートと、
    １つの磁気素子にそれぞれ接続されている少なくとも３つの交流ポートと、
    各前記磁気素子の一端が前記交流ポートに接続され、同じ前記バルブグループストリング内の全ての前記交流ポートに接続された前記磁気素子の他端が接続されている少なくとも６つの磁気素子と、を備え、
    前記Ｉ型バルブグループストリングは、前記低圧直流ポートの正極が前記バイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの正極を構成し、
    前記ＩＩ型バルブグループストリングは、前記低圧直流ポートの正極が前記Ｉ型バルブグループストリングの該低圧直流ポートの負極に接続され、前記バイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの中性点を構成し、前記低圧直流ポートの負極が前記バイポーラ双方向直流変換器の低圧側ポートの負極を構成するバイポーラ双方向直流変換器。
  2. 前記バルブグループストリングの高圧直流ポートの正極と高圧直流母線の正端との間に接続されている第１分離スイッチと、
    前記バルブグループストリングの高圧直流ポートの負極と高圧直流母線の負端との間に接続されている第２分離スイッチと、
    前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流母線の正端との間に接続されている第３分離スイッチと、
    前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と低圧直流母線の中性点との間に接続されている第４分離スイッチと、
    前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流母線の中性点との間に接続されている第５分離スイッチと、
    前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と低圧直流母線の負極との間に接続されている第６分離スイッチと、をさらに備える請求項１に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  3. 前記磁気素子は電気リアクトルである請求項１に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  4. 前記磁気素子は交流変圧器である請求項１に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  5. 前記バルブグループストリングはいずれも該バルブグループストリングの交流ポートと同じ数の電圧源型変流器を備え、
    前記電圧源型変流器は、少なくとも１つの交流ポートと１つの直流ポートを含む交流−直流変換回路を備える請求項１に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  6. 前記バルブグループストリングにおけるすべての前記電圧源型変流器の直流ポートは首尾が順次に直列接続され、最初の前記電圧源型変流器の直流ポートの正極は前記バルブグループストリングの高圧直流ポートの正極であり、最後の前記電圧源型変流器の直流ポートの負極はバルブグループストリングの高圧直流ポートの負極であり、
    すべての前記交流ポートは前記バルブグループストリングの交流ポートである請求項５に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  7. 前記バルブグループストリングから２つの前記電圧源型変流器の直流ポートの正極を選択して引き出し、前記バルブグループストリングの低圧直流ポートとし、ここで、電圧の高い正極は低圧直流ポートの正端として、電圧の低い正極は低圧直流ポートの負端とし、
    前記Ｉ型バルブグループストリングの場合、選択した負端は高圧側直流母線の中性点の電位に相等し、前記ＩＩ型バルブグループストリングの場合、選択した正端は高圧側直流母線の中性点の電位に相等する、請求項５に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  8. 前記バルブグループストリングから２つの前記電圧源型変流器の直流ポートの負極を選択して引き出し、前記バルブグループストリングの低圧直流ポートとし、ここで、電圧の高い負極は低圧直流ポートの正端とし、電圧の低い負極は低圧直流ポートの負端とし、
    前記Ｉ型バルブグループストリングの場合、選択した負端は高圧側直流母線の中性点の電位に相等し、前記ＩＩ型バルブグループストリングの場合、選択した正端は高圧側直流母線の中性点の電位に相等する、請求項５に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  9. 前記電圧源型変流器は、二つずつ直列接続されたバルブアームを少なくとも２組の合計４つ備え、各前記バルブアームは直列に接続されているバルブアームリアクタンスとパワーモジュールとを備え、各組の上下に直列接続されている前記バルブアームの両端が並列に接続され、前記電圧源型変流器の直流ポートとし、各組の上下に直列接続されている前記バルブアームの中間点を引き出し、前記電圧源型変流器の交流ポートとする請求項５に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  10. 前記パワーモジュールはハーフブリッジプラスコンデンサ構造を備える請求項９に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  11. 前記パワーモジュールはフルブリッジプラスコンデンサ構造を備える請求項９に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  12. 前記パワーモジュールはフルブリッジプラスコンデンサおよびハーフブリッジプラスコンデンサ構造を備える請求項９に記載のバイポーラ双方向直流変換器。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のバイポーラ双方向直流変換器の制御方法であって、
    正常に動作する時には、すべての前記バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチを閉じるステップを含む方法。
  14. 前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第１電位差を検出するステップと、
    前記第１電位差が第１目標値から逸脱した時、前記第１電位差が前記第１目標値に相等するようになるまで、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間に位置している前記Ｉ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節するステップと、
    前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第２電位差を検出するステップと、
    前記第２電位差が第２目標値から逸脱した時、前記第２電位差が前記第２目標値に相等するようになるまで、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間に位置している前記Ｉ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節するステップと、をさらに含む請求項１３に記載の方法。
  15. 前記第１目標値は前記バイポーラ双方向直流変換器の低圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分であり、前記第２目標値は前記バイポーラ双方向直流変換器の高圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である請求項１４に記載の方法。
  16. 前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第３電位差を検出するステップと、
    前記第３電位差が第３目標値から逸脱した時、前記第３電位差が前記第３目標値に相等するようになるまで、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間に位置している前記ＩＩ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節するステップと、
    前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第４電位差を検出するステップと、
    前記第４の電位差が第４目標値から逸脱した時、前記第４電位差が前記第４目標値に相等するようになるまで、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間に位置している前記ＩＩ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節するステップと、をさらに含む請求項１３に記載の方法。
  17. 前記第３目標値は前記バイポーラ双方向直流変換器の低圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分であり、
    前記第４目標値は前記バイポーラ双方向直流変換器の高圧直流ポートの正負端電圧基準値の半分である請求項１６に記載の方法。
  18. 高圧直流母線に短時間的な故障が発生した時、すべてのバルブグループストリングにおけるフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記パワーモジュールのスイッチング状態を復元するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
  19. 低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべての前記Ｉ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記パワーモジュールのスイッチング状態を復元するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
  20. 低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべての前記ＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記パワーモジュールのスイッチング状態を復元するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
  21. 低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、前記Ｉ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、前記Ｉ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、前記故障を分離するステップと、
    前記ＩＩ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の負端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成するステップと、をさらに含む請求項１３に記載の方法。
  22. 低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、前記ＩＩ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、前記ＩＩ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、前記故障を分離するステップと、
    前記Ｉ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の正端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成するステップと、をさらに含む請求項１３に記載の方法。
  23. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のバイポーラ双方向直流変換器の制御装置であって、
    前記バイポーラ双方向直流変換器が正常に動作する時には、すべての前記バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチを閉じるように制御する正常動作ユニットを備える制御装置。
  24. 前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第１電位差を検出し、前記第１電位差が第１目標値から逸脱した時、第１調節ユニットを有効にする第１検出ユニットと、
    前記第１電位差が前記第１目標値になるまで、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間に位置している前記Ｉ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節する第１調節ユニットと、
    前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第２電位差を検出し、前記第２電位差が第２目標値から逸脱した時、第２調節ユニットを有効にする第２検出ユニットと、
    前記第２電位差が前記第２目標値になるまで、前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間に、または前記Ｉ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間に位置している前記Ｉ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節する第２調節ユニットと、をさらに備える請求項２３に記載の制御装置。
  25. 前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極と低圧直流ポートの負極との第３電位差を検出し、前記第３電位差が第３目標値から逸脱した時、第３調整ユニットを有効にする第３検出ユニットと、
    前記第３電位差が前記第３目標値になるまで、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極から高圧直流ポートの負極までの間に位置している前記ＩＩ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節する第３調節ユニットと、
    前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの負極と高圧直流ポートの負極との第４電位差を検出し、前記第４電位差が第４目標値から逸脱した時、第４調節ユニットを有効にする第４検出ユニットと、
    前記第４電位差が前記第４目標値になるまで、前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から低圧直流ポートの負極までの間、または前記ＩＩ型バルブグループストリングの低圧直流ポートの正極から高圧直流ポートの正極までの間に位置している前記ＩＩ型バルブグループストリングの電圧源型変流器が磁気素子を介して伝達されたパワーを調節する第４調節ユニットと、をさらに備え、請求項２３に記載の制御装置。
  26. 高圧直流母線に短時間的な故障が発生した時、すべてのバルブグループストリングにおけるフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記パワーモジュールのスイッチング状態を復元する高圧直流母線における短時間故障処理ユニットと、
    低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべての前記Ｉ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記パワーモジュールのスイッチング状態を復元する低圧側直流母線の正端における短時間故障処理ユニットと、
    低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して短時間的な故障が発生した時、すべての前記ＩＩ型バルブグループストリングにおける低圧直流ポートの間の電圧源型変流器のフルブリッジプラスコンデンサ構造からなるパワーモジュールのスイッチング状態を調整し、故障が回復すると、前記パワーモジュールのスイッチング状態を復元する低圧側直流母線の負端における短時間故障処理ユニットと、をさらに備える請求項２３に記載の制御装置。
  27. 低圧側直流母線の正端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、前記Ｉ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、前記Ｉ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、前記故障を分離すると同時に、前記ＩＩ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の負端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成する低圧側直流母線の正端における永久故障処理ユニットと、
    低圧側直流母線の負端が接地または中性点に対して永久的な故障が発生した時、前記ＩＩ型バルブグループストリングを閉鎖するとともに、前記ＩＩ型バルブグループストリングの高圧直流ポートおよび低圧直流ポートの正極と負極に接続されている分離スイッチまたは完全制御型スイッチをオフにして、前記故障を分離すると同時に、前記Ｉ型バルブグループストリングの動作状態をそのまま維持し、引き続き高圧直流母線からの低圧直流母線の正端と中性点に対する電気エネルギー変換を完成する低圧側直流母線の負端における永久故障処理ユニットと、をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載の制御装置。
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