JP6951542B2 - チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置及び制御方法 - Google Patents

チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置及び制御方法 Download PDF

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Description

本発明は電力電子変換器の分野に属し、特にチェーン構造のマルチポートグリッド接続インターフェース装置及び制御方法に関する。
近年、分散型発電技術の進歩と電力電子技術の成熟が進み、分散型発電は電力グリッドにおける適用範囲がますます広がり、大電力グリッドの効果的な補充になりつつあり、分散型電源、負荷及びエネルギー貯蔵装置はマイクログリッドを構成し、多くの分散型電源、負荷、及びエネルギー貯蔵装置のタイプが違い、直流或いは交流が含まれ、電圧レベル、容量も違うため、上記のユニットをどのように経済的、効果的にアクセスして統合管理するかが難しい問題である。従来の技術で開示されている技術案は以下のいくつかある。従来の技術１：北京交通大学の王雨ティン氏の修士論文「エネルギーインターネット向けのマルチポート双方向エネルギールータ研究」の中、では伝統的な解決策を示している。上記の論文の図１〜図７は、直流マイクログリッドの基本的な構造を示しており、この構造は複雑であり、大量のＤＣ／ＤＣとＤＣ／ＡＣ変換器が存在し、直流送電の利点を具現するためには、通常、直流母線は３５ｋＶ／１０ｋＶなどの中電圧レベルであるが、分散型電源の電圧範囲は２００〜１０００Ｖであり、この場合では、高変圧比の直流変圧器または高変圧比の交直流変換器が必要となり、コストが高くなり、このような方式はまた信頼性に欠け、直流母線が故障したり、或いは直流母線に掛かっている設備が故障したりした場合、同母線の設備全体が影響を受け、直流遮断器を配置して故障を隔離する必要がある。従来の技術２：湖南大学の黄双萍氏の修士論文「カスケード型電力電子変圧器に基づくビルマイクログリッド研究」では別の解決案を提出し、上記論文の図１〜７および図１〜８は、この解決策の考え方を述べ、即ち、図１〜８は、高電圧交流が低電圧直流に変換される変換器の構造を示し、このトポロジーの主な利点は、高電圧直流母線の使用を避けることであり、大量の高変圧比の変換器も必要とせず、１台の大きい容量の変換器でたくさんの小さい容量の変換器に取って代わるが、しかし、このトポロジ構造は一つ低電圧の直流ポートしか提供できないため、低電圧の交流ポートはもう一つのＤＣ／ＡＣ変換器を介する必要がある。図１〜７から分かるように、直流ポートは直流母線を構成し、交流ポートは交流母線を構成し、大量の分散型電源は変換器を通じて直流ポートに接続される。このような構造の主な欠点は、（１）構造が複雑である。図１〜８の変換器の主な役割は直流母線ポートを提供し、この変換器自体は複雑度が高く、チェーン構造の後段には大量のＤＣ／ＤＣ変換器が必要で、変換器の出力側は直接に並列に接続し、制御上の複雑度が高く、低電圧の交流母線ポートは直流母線ポートインバータから得るもので、電気エネルギーは直流母線に由来し、直流母線の使用容量を占有しているが、交流直流用電気は完全にデカップリングされておらず、同様に協調制御の難しさが増した。（２）環節が多く、効率が低い：効率は電力電子設備の重要な指標であり、図１〜８の構造には複数の環節の電力電子変換器があり、設備全体の効率が低い。（３）設備の信頼性が低い：チェーン構造の後段は大量のＤＣ／ＤＣ変換器が必要になり、変換器の出力側は並列に接続しているので、故障の隔離に不利であり、一旦低電圧直流母線が故障したら、前段のすべてのＤＣ／ＤＣ変換器及び後段のＤＣ／ＡＣインバータに影響する。
従来の技術の本質的な欠陥は、ポートが単一であり、単一のポートを使用して各タイプの異なるユニットを互換することにより、複雑度が高く、コストパフォーマンスが低いことである。上記の方案はいずれも直流母線が存在し、故障を隔離しにくく、信頼性が低い。
本発明は、上記方案の欠点を解決することを目的とし、低電圧電源、負荷、およびエネルギー貯蔵ユニットのアクセスのため、複数の互いに独立したポートを提供し、各低電圧ユニットを高い信頼性で高電圧交流電力グリッドにアクセスさせることを可能にし、プラグアンドプレイを実現することにより、実現の難しさとコストを大幅に低減する。
上記の目的を達成するために、本発明は、以下のようにチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を提供する。
チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置であって、一つの整流チェーンを含み、前記整流チェーンは互いに直列に接続された少なくとも二つのサブモジュールユニットによって構成され、前記サブモジュールユニットは、電力変換ユニットと静電容量とを含み、静電容量の正極、負極が引き出され、サブモジュールユニットの直流端と定義され、電力変換ユニットの一端は静電容量と並列に接続され、他端はサブモジュールユニットの交流端と定義され、各サブモジュールの交流端のヘッドとテールは順次接続され、前記チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置は、また少なくとも一つの直流変換器と、少なくとも一つの直交流変換器とを含み、前記直流変換器は、一つの直流電気をもう一つの異なる出力特性を持つ直流電気に変換することができ、直流変換器の一端はサブモジュールユニットの直流端に接続され、他端はグリッド接続インターフェース装置の直流インタラクションポートと定義され、前記直交流変換器は直流電気を交流電気に変換することができ、直交流変換器の直流電気接続端はサブモジュールユニットの直流端に接続され、交流電気接続端はグリッド接続インターフェース装置の交流インタラクションポートと定義されている。
前記インターフェース装置は、直交流変換器に接続されておらず、直流変換器にも接続されていない少なくとも一つサブモジュールユニットの直流端を含み、前記空きの直流端が予備ポートとして定義されている。
前記インターフェース装置は、少なくとも二つの直流インタラクションポートと、少なくとも二つの交流インタラクションポートとを含む。
前記インターフェース装置は、少なくとも二つの交流インタラクションポートを含み、前記交流インタラクションポートはマルチ巻線変圧器と接続され、マルチ巻線変圧器の各巻線の一次側はすべて一つの交流インタラクションポートと接続され、マルチ巻線変圧器の二次側が第一の中電圧交流ポートとして定義されている。
前記インターフェース装置は、少なくとも二つの交流インタラクションポートを含み、前記交流インタラクションポートは直列に接続され前記直列に接続された後のポートが第ニの中電圧交流ポートとして定義されている。
前記インターフェース装置は、少なくとも二つの直流インタラクションポートを含み、前記直流インタラクションポートは直列に接続され中電圧直流ポートとして定義されている。
前記インターフェース装置における交流インタラクションポートの出力電圧振幅と位相は独立に調整でき、直流インタラクションポートの出力電圧の振幅は独立に調整できる。
前記サブモジュールユニットは、４セットの全制御型パワー半導体デバイスからなるＨブリッジパワーモジュールユニットである。
前記サブモジュールユニットは、２セットの全制御型パワー半導体デバイスからなるハーフブリッジパワーモジュールユニットである。
前記インターフェース装置は、少なくとも一つのバイパススイッチをさらに含み、前記バイパススイッチはサブモジュールユニットの交流端と並列に接続されている。
前記インターフェース装置は、少なくとも一つの直流スイッチをさらに含み、前記直流スイッチはサブモジュールユニットと直流変換器または直交流変換器の間に直列に接続されている。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置が起動命令を受信すると、前記制御方法は、
前記グリッド接続インターフェース装置の整流チェーンにおけるサブモジュールユニットのパワー変換器ユニットが起動する（１）と、
各サブモジュールの直流端電圧を閉ループ制御し、各サブモジュールの直流端電圧を安定させるように制御する（２）と、
サブモジュールの直流端電圧が安定したら、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を起動し、直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を０とする（３）と、
直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を目標値に達するまで徐々に増加させる（４）と、のステップを含む。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置が停止命令を受信すると、前記制御方法は、
直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を０に達するまで徐々に減少させる（１）と、
チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を停止し、パワー半導体デバイスを閉じる（２）と、
グリッド接続インターフェース装置整流チェーンにおけるサブモジュールユニットを停止し、装置全体の運転が停止する（３）と、のステップを含む。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置におけるサブモジュールユニットが故障した場合、前記制御方法は、
故障したサブモジュールユニットのパワー半導体デバイスは動作を停止し、サブモジュールユニットと並列に接続されたバイパススイッチを閉じる（１）と、
チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を停止しながら、パワー半導体デバイスを閉じる（２）と、のステップを含む。好ましくは、パワー半導体デバイスを閉じると同時に、対応する直流スイッチを分けるようにしてもよい。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置における直流変換器または直交流変換器が故障した場合、前記制御方法は、
故障した直流変換器または直交流変換器のパワー半導体デバイスは動作を停止する（１）と、
対応する直流スイッチを分ける（２）と、のステップを含む。
本発明はまた前記チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含むシステムであって、前記システムは、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置と、直流電源、交流電源、エネルギー貯蔵ユニット、直流負荷または交流負荷の５種類の低電圧ユニットを含み、前記インターフェース装置に含まれている交流インタラクションポートおよび直流インタラクションポートは、少なくとも前記の２種類の低電圧ユニットと接続され、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置のシステムを構成し、その中に、直流電源、エネルギー貯蔵ユニットと直流負荷は直流インタラクションポートと接続され、交流電源と交流負荷は交流インタラクションポートと接続されている。
本発明はさらにチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、前記整流器は、三相を含み、各相は上下二つのブリッジアームを含み、各ブリッジアームは、前記インターフェース装置と直列に接続された一つのリアクトルを含み、上下二つのブリッジアームが合わさって一つの相ユニットを構成し、上下二つのブリッジアームの接続点が中点であり、三つの上のブリッジアームの引き出し端が一緒に接続され、前記整流器の正端子として、三つの下のブリッジアームの引き出し端子が一緒に接続され、前記整流器の負端子として、前記整流器の三相ブリッジアームの中点が電力グリッドに接続され、整流器の正端子が直流送電線の正極に接続され、整流器の負端子が直流送電線の負極に接続されている。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、前記整流器は三つの相ユニットを含み、各相ユニットはリアクトルと直列に接続されている一つのインターフェース装置を含み、三つの相ユニットの一端は接続され、星型の接続を構成し、三つの相ユニットの他端はそれぞれ電力グリッド側の三相に対応して接続されている。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、前記整流器は三つの相ユニットを含み、各相ユニットはリアクトルと直列に接続されている一つのインターフェース装置を含み、三つの相ユニットのヘッドとテールは互いに接続され、三角形の接続を構成し、ヘッドとテールが接続された三つの接続点はそれぞれ電力グリッド側の三相に対応して接続されている。
本発明の有益な効果は以下の通りである。
（１）整流チェーンのサブモジュールユニットの直流側を引き出し、低電圧エネルギー交換ユニットのグリッド接続インターフェースとして、エネルギー交換ユニットの直流電圧値をサブモジュールユニットの直流電圧値とマッチングさせ、低電圧直流アクセスを実現し、整流チェーンのサブモジュールユニットの交流側をカスケード接続する方式で高電圧出力を実現し、この方式を利用して低電圧直流が高変圧比で昇圧して交流電力グリッドにアクセスすることを実現し、高変圧比の直流変圧器が不要となる。
（２）グリッド接続インターフェース装置を利用して、例えば、静止型無効電力補償装置やモジュール化マルチレベルに基づく整流器などのチェーン式の整流器を構成することができ、グリッド接続インターフェース装置における低電圧ユニットと電力グリッドとの間で、有効電力インタラクションを実現することができ、また、整流器や静止型無効電力補償装置は、無効補償を行うことができ、有効電力と無効電力のデカップリング制御を実現し、設備の利用率を最大化する。
（３）グリッド接続インターフェース装置における直流インタラクションインターフェースと交流インタラクションインターフェースにアクセスするのは、複数の電源、負荷、およびエネルギー貯蔵ユニットであってもよく、同じ整流チェーンに使用される各アクセスユニットは異なるようにしてもよく、配置される数は、サブモジュールユニットより少なくてもよいし、または同じでもよく、配置はよりフレキシブルで、各ユニットが独立に制御し、プラグアンドプレイを実現する。
（４）直流配電グリッドにおける各構成要素（エネルギー貯蔵ユニット、交流電源、直流電源、交流負荷、直流負荷）は、グリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交変換器を通じてアクセスでき、グリッド接続インターフェース装置を利用して完全なマイクログリッドシステムを構成している。かつ、集中方式を採用し、マイクログリッド全体の制御機能の管理と実現に便利である。
（５）サブモジュールユニットにアクセスすることにより、各サブモジュールユニットの直流母線は互いに独立しており、共通の母線方式に比べて、この方式は故障の隔離を実現するのに有利であり、信頼性がより高い。
（６）冗長性を実現するのに便利で、従来の方案は並列に接続する方式により容量を増加し、冗長性を実現することが困難であり、一旦シングルモジュールに故障が発生したら、システム全体は運転を終了してしまい、本発明はサブモジュールユニットにバイパススイッチを配置し、サブモジュールユニットが故障した時に、故障をバイパスし、直流変換器または直交流変換器が故障した時に、対応する直流スイッチを分けることができ、スイッチで素早く故障範囲を狭めることができる。
（７）グリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器は、サブモジュールユニットと一体化して設計でき、工程が実現する可能性が高く、省スペースである。
（８）独立してエネルギーを取得する必要はない。直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイス及びその制御回路は、適切な電源供給が必要であり、エネルギーの取得回路をサブモジュールユニットと共用することができる。
（９）直流変換器及び直交流変換器には、独立した冷却装置を配置する必要がなく、冷却装置をサブモジュールユニットと共用することができる。
本発明に係るチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置のトポロジ概略図である。 本発明に係るチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置におけるサブモジュールユニットのトポロジ図である。 本発明に係るチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置におけるＤＣ／ＤＣ変換装置の一実施形態である。 本発明に係るチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置におけるＤＣ／ＡＣ変換装置の一実施形態である。 本発明の変換器の第１の実施形態である。 本発明の変換器の第２の実施形態である。 本発明の変換器の第３の実施形態である。 応用シーン１における従来技術の実施形態である。 応用シーン１における本発明の実施形態である。 応用シーン２における本発明の実施形態である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１に示すように、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置であって、一つの整流チェーンを含み、前記整流チェーンは互いに直列に接続された少なくとも二つのサブモジュールユニットによって構成され、前記サブモジュールユニットは、電力変換ユニット及び静電容量を含み、静電容量の正極、負極が引き出され、サブモジュールユニットの直流端と定義され、電力変換ユニットの一端は静電容量と並列に接続され、他端はサブモジュールユニットの交流端と定義され、各サブモジュールの交流端のヘッドとテールは順次接続され、前記チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置はさらに、少なくとも一つの直流変換器と、少なくとも一つの直交流変換器とを含み、前記直流変換器は、一つの直流電気を別の一つの異なる出力特性を持つ直流電気に変換することができ、直流変換器の一端はサブモジュールユニットの直流端に接続され、他端はグリッド接続インターフェース装置の直流インタラクションポートと定義され、前記直交流変換器は直流電気を交流電気に変換することができ、直交流変換器の直流電気接続端はサブモジュールユニットの直流端に接続され、交流電気接続端はグリッド接続インターフェース装置の交流インタラクションポートと定義されている。
本実施形態は、二つの直流インタラクションポートと、二つの交流インタラクションポートとを含む。直流変換器のトポロジ構造を図３に示し、直交流変換器のトポロジ構造を図４に示す。
前記インターフェース装置は、直交流変換器に接続されておらず、直流変換器にも接続されていない少なくとも一つサブモジュールユニットの直流端を含み、前記空きの直流端が予備ポートとして定義されている。
図１に示すように、本実施形態は一つの予備ポートを含む。
好ましくは、インターフェース装置は、少なくとも二つの直流インタラクションポート、及び少なくとも二つの交流インタラクションポートを含む。
前記インターフェース装置は、少なくとも二つの交流インタラクションポートを含み、前記交流インタラクションポートがマルチ巻線変圧器と接続され、マルチ巻線変圧器の各巻線の一次側はすべて一つの交流インタラクションポートと接続され、マルチ巻線変圧器の二次側が第一の中電圧交流ポートとして定義されている。
前記インターフェース装置は、少なくとも二つの交流インタラクションポートを含み、前記交流インタラクションポートが直列に接続され前記直列に接続された後のポートが第２の中電圧交流ポートとして定義されている。
前記インターフェース装置は、少なくとも二つの直流インタラクションポートを含み、前記直流インタラクションポートが直列に接続され、中電圧直流ポートとして定義されている。
前記インターフェース装置における交流インタラクションポートの出力電圧の振幅と位相は独立に調整でき、直流インタラクションポートの出力電圧の振幅は独立に調整できる。
図２（ａ）に示すように、前記サブモジュールユニットは、４セットの全制御型パワー半導体デバイスからなるＨブリッジパワーモジュールユニットである。
図２（ｂ）に示すように、前記サブモジュールユニットは、２セットの全制御型パワー半導体デバイスからなるハーフブリッジパワーモジュールユニットである。
好ましくは、前記インターフェース装置は、少なくとも一つのバイパススイッチをさらに含み、前記バイパススイッチはサブモジュールユニットの交流端と並列に接続されている。
好ましくは、前記インターフェース装置は、少なくとも一つの直流スイッチをさらに含み、前記直流スイッチはサブモジュールユニットと直流変換器或いは直交流変換器の間に直列に接続されている。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置が起動指令を受信すると、前記制御方法は、
前記グリッド接続インターフェース装置整流チェーンにおけるサブモジュールユニットのパワー変換器ユニットが起動する（１）と、
各サブモジュールの直流端電圧を閉ループ制御し、各サブモジュールの直流端電圧を安定させるように制御する（２）と、
サブモジュールの直流端電圧が安定したら、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を起動し、直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を０とする（３）と、
直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を目標値に達するまで徐々に増加させる（４）と、のステップを含む。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置が停止指令を受信すると、前記制御方法は、
直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を０に達するまで徐々に減少させる（１）と、
チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を停止し、パワー半導体デバイスを閉じる（２）と、
グリッド接続インターフェース装置整流チェーンにおけるサブモジュールユニットを停止し、装置全体の運転が停止する（３）と、のステップを含む。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置におけるサブモジュールユニットが故障した場合、前記制御方法は、
故障したサブモジュールユニットのパワー半導体デバイスは動作を停止すると同時に、サブモジュールユニットと並列に接続されたバイパススイッチを閉じる（１）と、
チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を停止しながら、パワー半導体デバイスを閉じる（２）と、のステップを含む。好ましくは、パワー半導体デバイスを閉じると同時に、対応する直流スイッチを分けるようにしてもよい。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置における直流変換器或いは直交流変換器が故障した場合、前記制御方法は、
故障した直流変換器或いは直交流変換器のパワー半導体デバイスの動作を停止する（１）と、
対応する直流スイッチを分ける（２）と、のステップを含む。
本発明は前記チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含むシステムであって、前記システムは、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置と、直流電源、交流電源、エネルギー貯蔵ユニット、直流負荷または交流負荷の５種類の低電圧ユニットと、を含み、前記インターフェース装置に含まれる交流インタラクションポートおよび直流インタラクションポートは、少なくとも前記の２種類の低電圧ユニットと接続され、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置のシステムを構成し、その中に、直流電源、エネルギー貯蔵ユニット、直流負荷は直流インタラクションポートと接続され、交流電源と交流負荷は交流インタラクションポートと接続されている。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、図５に示すように、前記整流器は、三相を含み、各相は上下二つのブリッジアームを含み、各ブリッジアームは、前記インターフェース装置と直列に接続された一つのリアクトルを含み、上下二つのブリッジアームが合わさって一つの相ユニットを構成し、上下二つのブリッジアームの接続点が中点であり、三つの上のブリッジアームの引き出し端が一緒に接続され、前記整流器の正端子として、三つの下のブリッジアームの引き出し端が一緒に接続され、前記整流器の負端子として、前記整流器の三相ブリッジアームの中点が電力グリッドに接続され、整流器の正端子が直流送電線の正極に接続され、整流器の負端子が直流送電線の負極に接続されている。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、図６に示すように、前記整流器は三つの相ユニットを含み、各相ユニットはインターフェース装置とリアクトルとの直列接続を含み、三つの相ユニットの一端は接続され、星型接続を構成し、三つの相ユニットの他端はそれぞれ電力グリッド側の三相に対応して接続されている。
本発明はチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、図７に示すように、前記整流器は三つの相ユニットを含み、各相ユニットは一つのインターフェース装置とリアクトルの直列接続を含み、三つの相ユニットのヘッドとテールは互いに接続され、三角形接続を構成し、ヘッドとテールが接続された三つの接続点はそれぞれ電力グリッド側の三相に対応して接続されている。
本発明は、直流電力グリッド、交流直流混合電力グリッド、マイクログリッドなどの低電圧ユニットを中高圧電力グリッド網にアクセスする必要がある応用シーンに適用でき、中電圧交流負荷、例えば中電圧モーターインバータの応用シーンにも適用できる。
以下、海島のマイクログリッドシステムの応用シーン及び中電圧モーターインバータをもって本発明の具体的な実施形態を説明する。
シーン１：海島のマイクログリッドシステムは以下のニーズを含む。
（１）中電圧送電：海島の電気エネルギーは１０ｋＶで交流形式を以って送出される。
（２）交流電源：３セット（３００ｋＷ）の風力発電ユニットを含み、出力は交流三相６９０Ｖである。
（３）直流電源：２セット（５００ｋＷ）のPVパワーを含み、出力は直流６００Ｖである。
（４）エネルギー貯蔵ユニット：１セットのナトリウム硫黄電池からなるエネルギー貯蔵ユニット（８００ｋＷ）、出力は直流７００Ｖである。
（５）交流負荷：２セットの交流負荷を含み、海島内の給電に用い、１セットは単相２２０Ｖの交流負荷（２００ｋＷ）であり、１セットは三相３８０Ｖの交流負荷（３００ｋＷ）である。
整流器を構成するには通常三つのチェーンマルチポートグリッド接続装置が必要で、それぞれ１相を構成し、ＡＢＣ三相を構成するが、このシーンは分析を簡略化するために、１相だけが列挙される。
従来技術における方案を用いて応用シーンの問題を解決すると、図８に示すように、総容量は３２００ｋＷにも達し、高電圧側電圧は１０ｋＶであり、１０個のサブモジュールユニットを含み、各サブモジュールユニットにＤＣ／ＤＣユニットが配置され、ＤＣ／ＤＣユニットの設計容量は３２０ｋＷであり、ＤＣ／ＤＣユニットは出力して並列し、１１１０Ｖの直流母線を提供し、直流母線の総容量は３２００ｋＷであり、電力ニーズは多種の電気規格を含むため、１１００Ｖの直流母線に基づいて、複数のＤＣ／ＤＣユニットとＤＣ／ＡＣユニットが異なる電気規格の電源と負荷をマッチングする必要があり、全体的な構造は複雑であり、このシーンでは、全部で１３個のＤＣ／ＤＣ変換器、５つのＤＣ／ＡＣ変換器が必要である。
本発明を採用して応用シーンの問題を解決すると、図９に示すように、本実施形態においては、整流チェーンは、互いに直列に接続された１０個のサブモジュールユニットからなり、１０個のサブモジュールの交流端のヘッドとテールは順次接続され、１０ｋＶ交流高電圧側に接続され、本実施形態は、５セットのＤＣ／ＡＣ変換器、４セットのＤＣ／ＤＣ変換器を含み、５つの独立した交流インタラクションポートと、４つの独立した直流インタラクションポートとを提供する。交流インタラクションポート接続は３セット（３００ ｋＷ）の風力発電ユニット、１セットの単相負荷、１セットの三相負荷を含み、直流インタラクションポートは２セットの光起電力ユニット、１セットのエネルギー貯蔵ユニットを接続する。
本発明によれば、総容量を考慮する必要はなく、各サブモジュールユニットおよびＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ変換器の容量は、ポートに必要な容量以上であればよく、通常は、各サブモジュールの容量は、同じように設計されており、工事の設計と生産に有利で、このシーンについて、大部の必要なアクセスのユニット容量は５００ｋＷ以下で、エネルギー貯蔵ユニットについて、容量は８００ｋＷで、二つのユニットが並列に接続する方式を採用でき、配置は非常にフレキシブルで、工事設計が簡単である。各ＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ変換器は独立に制御され、かつポート電圧は調整可能であり、各変換器制御策略及び制御対象の調整によって、動作範囲内で異なる電気規格ユニットにアクセスする適応性が実現される。従来の技術に比べて、以下のようなメリットがある。
（１）従来技術の方案に比べて、本発明は三つのＤＣ／ＤＣ変換器、５つのＤＣ／ＡＣ変換器を必要とし、コストは大幅に低減される。
（２）一つの電力変換部分が減らされ、従来技術の方案はサブモジュールユニットからアクセスユニットへ、二つの電力変換部分を含むが、本発明は一つの電力変換部分のみを必要とし、効率的に著しい利点がある。
（３）従来技術の方案に低電圧直流母線が存在し、この母線は前段の１０個のＤＣ／ＤＣ変換器の二次側と接続され、後段のＤＣ／ＤＣ変換器、ＤＣ／ＡＣ変換器の一次側と接続され、一旦直流母線が故障すると、すべての１３個の電力変換器が影響を受け、設備全体が動作を停止することに至り、単一の電力変換器が故障すると、システムから完全に切除するのは難しくて、各電力変換器に対して母線側に直流スイッチを設置する必要があるため、コストと費用が高い。本発明は、共通の母線が存在せず、各ユニットが相対的に独立しているため、サブモジュールが故障した場合は、バイパスによりシステムから切除することができ、影響を受けるのは一つのユニットだけであり、パワー変換器が故障した場合は、対応する直流スイッチを分けることができ、直流スイッチはオプションであり、たとえ直流スイッチを配置しなくても、バイパススイッチを通して故障ユニットを切除すれば、故障範囲を迅速に短縮できる。本発明は、従来技術の方案と比較して、信頼性に顕著な利点を有する。
（４）本発明は、従来技術の方案と比較して、容量をより拡張し易く、この応用シーンにおいて、仮に新たな光起電力ユニットがシステムにアクセスする必要がある場合、新たなユニットの追加によって、デバイスの総容量が増加し、前段の１０個のＤＣ／ＤＣ変換器の容量の合計が既存の設計範囲を超えてしまい、このとき、再び容量を増加するのは困難となり、また、１０個のＤＣ／ＤＣ変換器の容量を追加するのは費用が高くなり、整流チェーンのサブモジュールユニットを追加するのは既存のシステム構造に対して多いに変更する必要がある。本発明の装置には予備ポートが残っており、予備ポートのために一つのＤＣ／ＤＣ変換器を追加するだけで、新しい光起電力ユニットをアクセスすることができる。通常、一つの変換器は、ＡＢＣ三相の三つの整流チェーンを有しているので、より多くの予備ポートがあり、上記の予備ポートを予め残すと、いかなるコストも増やさず、設備の利用率は影響を受けず、従来技術の方案では、もし予備容量を残すなら、１０個のＤＣ／ＤＣ変換器の容量を増やし、余計なコストを増加させる必要がある。
シーン２：中電圧モーターインバータ
図１０に示すように、本発明の方案は、交流インタラクションポートを介してマルチ巻線変圧器の一次側を接続することができ、本実施形態は、１０個のサブモジュールユニットを含み、６セットのＤＣ／ＡＣ変換器を含み、６つの交流インタラクションポートを提供することができ、マルチ巻線変圧器は６つの一次側を含み、６つの交流インタラクションポートにそれぞれ対応して接続し、マルチ巻線変圧器の二次側が６ｋＶの中電圧交流モーターに接続され、サブモジュールに接続されたＤＣ／ＡＣインバータのデューティサイクルを制御することにより、出力交流周波数を制御し、中電圧交流モーターの負荷の回転速度またはトルクを調節することができる。また、本実施形態は容量を追加するため、或いは他のタイプの電源または負荷にアクセスするために、さらに四つの予備ポートを含む。
上記実施例は、本発明の技術考案を説明するためのものにすぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明に提示された技術方案を基に行われる種々の修正、均等置換え、改善などは全て本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

Claims (19)

  1. 一つの整流チェーンを含み、前記整流チェーンは互いに直列に接続された少なくとも二つのサブモジュールユニットによって構成され、前記サブモジュールユニットは電力変換ユニットと静電容量とを含み、静電容量の正極、負極が引き出されて、サブモジュールユニットの直流端と定義され、電力変換ユニットの一端は静電容量と並列に接続され、他端はサブモジュールユニットの交流端と定義され、各サブモジュールの交流端のヘッドとテールは順次接続されているチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置であって、
    前記チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置は、少なくとも一つの直流変換器と、少なくとも一つの直交流変換器とを含み、前記直流変換器は一つの直流電気をもう一つ別の異なる出力特性を持つ直流電気に変換することを実現し、直流変換器の一端はサブモジュールユニットの直流端に接続され、他端はグリッド接続インターフェース装置の直流インタラクションポートと定義され、前記直交流変換器は直流電気を交流電気に変換することを実現し、直交流変換器の直流電気接続端はサブモジュールユニットの直流端に接続され、交流電気接続端はグリッド接続インターフェース装置の交流インタラクションポートと定義されており、
    前記チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置は、前記サブモジュールユニットの少なくとも一つの空きの直流端を含み、前記サブモジュールユニットの空きの直流端は直交流変換器に接続されず、直流変換器にも接続されない、予備ポートとして定義されていることを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  2. 前記インターフェース装置は、少なくとも二つの直流インタラクションポートと、少なくとも二つの交流インタラクションポートとを含むことを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  3. 前記インターフェース装置は、少なくとも二つの交流インタラクションポートを含み、前記交流インタラクションポートはマルチ巻線変圧器と接続され、マルチ巻線変圧器のそれぞれの一次側が一つの交流インタラクションポートと接続され、マルチ巻線変圧器の二次側が第一中電圧交流ポートとして定義されていることを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  4. 前記インターフェース装置は、少なくとも二つの交流インタラクションポートを含み、前記交流インタラクションポートが直列に接続され、前記直列に接続された後のポートは第ニ中電圧交流ポートとして定義されていることを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  5. 前記インターフェース装置は、少なくとも二つの直流インタラクションポートを含み、前記直流インタラクションポートは直列に接続され、中電圧直流ポートとして定義されていることを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  6. 前記インターフェース装置における交流インタラクションポートの出力電圧の振幅と位相は独立に調整でき、直流インタラクションポートの出力電圧の振幅は独立に調整できることを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  7. 前記サブモジュールユニットは、４セットの全制御型パワー半導体デバイスからなるＨブリッジパワーモジュールユニットであることを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  8. 前記サブモジュールユニットは、２セットの全制御型パワー半導体デバイスからなるハーフブリッジパワーモジュールユニットであることを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  9. 前記インターフェース装置は、少なくとも一つのバイパススイッチをさらに含み、前記イパススイッチはサブモジュールユニットの交流端と並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  10. 前記インターフェース装置は、少なくとも一つの直流スイッチをさらに含み、前記直流スイッチはサブモジュールユニットと直流変換器または直交流変換器の間に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置が起動指令を受信すると、前記制御方法は、
    前記グリッド接続インターフェース装置整流チェーンにおけるサブモジュールユニットのパワー変換器ユニットが起動するステップ１と、
    各サブモジュールの直流端の電圧を閉ループ制御し、各サブモジュールの直流端の電圧を安定させるように制御するステップ２と、
    サブモジュールの直流端の電圧が安定したら、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を起動し、直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を０とするステップ３と、
    直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を目標値に達するまで徐々に増加させるステップ４と、を含むことを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法。
  12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置が停止指令を受信すると、前記制御方法は、
    直流変換器及び直交流変換器におけるパワー半導体デバイスのオン・オフを制御することにより、直流変換器及び直交流変換器を流れる電流を０に達するまで徐々に減少させるステップ１と、
    チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を停止し、パワー半導体デバイスを閉じるステップ２と、
    グリッド接続インターフェース装置整流チェーンにおけるサブモジュールユニットを停止し、装置全体の運転が停止するステップ３と、を含むことを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法。
  13. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置におけるサブモジュールユニットが故障した場合、
    前記制御方法は、
    故障したサブモジュールユニットのパワー半導体デバイスの動作を停止すると同時に、サブモジュールユニットと並列に接続されたバイパススイッチをオフにするステップ１と、
    チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を停止し、パワー半導体デバイスを閉じるステップ２と、を含むことを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法。
  14. ステップ２は、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置における直流変換器及び直交流変換器を停止し、パワー半導体デバイスを閉じると同時に、対応する直流スイッチを分けることであることを特徴とする請求項１３に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法。
  15. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法であって、装置における直流変換器または直交流変換器が故障した場合、前記制御方法は、
    故障した直流変換器または直交流変換器のパワー半導体デバイスの動作を停止するステップ１と、
    対応する直流スイッチを分けるステップ２と、を含むことを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置の制御方法。
  16. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含むシステムであって、前記システムは、チェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置と、それに接続された低電圧ユニットと、を含み、前記低電圧ユニットの種類は直流電源、交流電源、エネルギー貯蔵ユニット、直流負荷または交流負荷を含み、その中で、インターフェース装置における直流インタラクションポートは、直流電源、エネルギー貯蔵ユニットまたは直流負荷と接続され、インターフェース装置における交流インタラクションポートは交流電源または交流負荷と接続されていることを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含むシステム。
  17. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、前記整流器は、三相を含み、各相は上下の二つのブリッジアームを含み、各ブリッジアームは、前記インターフェース装置と直列に接続された一つのリアクトルを含み、上下の二つのブリッジアームが合わさって一つの相ユニットを構成し、上下の二つのブリッジアームの接続点が中点であり、三つの上のブリッジアームの引き出し端が一緒に接続され、前記整流器の正端子として、三つの下のブリッジアームの引き出し端が一緒に接続され、前記整流器の負端子として、前記整流器の三相ブリッジアームの中点が電力グリッドに接続され、整流器の正端子が直流送電線の正極に接続され、整流器の負端子が直流送電線の負極に接続されていることを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器。
  18. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、前記整流器は三つの相ユニットを含み、各相ユニットはインターフェース装置とリアクトルの直列接続を含み、三つの相ユニットの一端は接続され、星型接続を構成し、三つの相ユニットの他端はそれぞれ電力グリッド側の三相に対応して接続されていることを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器。
  19. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器であって、前記整流器は三つの相ユニットを含み、各相ユニットはインターフェース装置とリアクトルの直列接続を含み、三つの相ユニットのヘッドとテールは互いに接続され、三角形接続を構成し、ヘッドとテールが接続された三つの接続点はそれぞれ電力グリッド側の三相に対応して接続されていることを特徴とするチェーンマルチポートグリッド接続インターフェース装置を含む整流器。
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