WO2022160927A1 - 直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构及其方法 - Google Patents

直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构及其方法。其中，该拓扑结构包括：三相六桥臂电路；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；至少一个上桥臂辅助阀，其第一端与第一可关断阀的第二端连接；至少一个下桥臂辅助阀，其第一端与第二可关断阀的第二端连接；选择单元，其第一连接端与至少一个上桥臂辅助阀的第二端和至少一个下桥臂辅助阀的第二端连接；第二连接端与换流变压器的输出端连接；第一选择端与上桥臂的晶闸管阀阳极端连接，第二选择端与下桥臂的晶闸管阀阴极端连接。通过实施本发明，避免了换相失败的发生，保证电网运行的稳定安全。

Description

直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构及其方法
相关申请的交叉引用
本发明基于申请号为202110139566.2、申请日为2021年02月01日的中国专利申请提出，并要求该中国专利申请的优先权，该中国专利申请的全部内容在此引入本公开作为参考。
技术领域
本发明涉及电力电子中的换流技术领域，具体涉及一种直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构及其方法。
背景技术
传统的电网换相高压直流(line commutated converter high voltage direct current，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。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构及其方法，以解决换相失败影响电网稳定安全运行的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种直流侧共母线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；至少一个上桥臂辅助阀，其第一端与第一可关断阀的第二端连接；至少一个下桥臂辅助阀，其第一端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；选择单元，包括两个连接端和至少两个选择端，第一连接端与所述至少一个上桥臂辅助阀的第二端和所述至少一个下桥臂辅助阀的第二端连接；第二连接端与所述换流变压器的输出端连接；第一选择端与上桥臂的晶闸管阀阳极端连接，第二选择端与下桥臂的晶闸管阀阴极端连接。
结合第一方面，在第一方面的第一实施方式中，所述选择单元包括：三个双向阀，所述三个双向阀分别设置在三相交流母线的各相交流母线上；各个所述双向阀用于双向开通和双向耐压。
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，所述拓扑结构包括：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；所述三个上桥臂辅助阀的第二端分别与所述三个双向阀的第一连接端连接；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；所述三个下桥臂辅助阀的第二端分别与所述三个双向阀的第一连接端连接。
结合第一方面，在第一方面的第三实施方式中，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。
结合第一方面第三实施方式，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。
结合第一方面第三实施方式，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。
结合第一方面第三实施方式，在第一方面的第六实施方式中，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。
结合第一方面第三实施方式，在第一方面的第七实施方式中，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。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第八实施方式中，所述双向阀包括：至少一个第一晶闸管，所述至少一个晶闸管正反向并联；所述第一晶闸管为单向晶闸管或双向晶闸管；第二缓冲部件，与所述至少一个晶闸管并联或串联。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第九实施方式中，所述双向阀包括：第一选择支路，包括至少一个第六功率器件，所述至少一个第六功率器件串联设置；所述第六功率器件为全控型电力电子器件；第二选择支路，与所述第一选择支路反向并联，所述第二选择支路与所述第一选择支路的结构相同。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第十实施方式中，所述双向阀包括：第三选择支路，设置有多个串联的第二二极管；第四选择支路，与所述第三选择支路的结构一致，且与所述第三选择支路并联；第五选择支路，并联在所述第三选择支路和所述第四选择支路之间，所述第五选择支路上设置有多个串联的第七功率器件，所述第七功率器件为全控型电力电子器件。
结合第一方面，在第一方面的第十一实施方式中，所述晶闸管阀包括：多个晶闸管；多个第三缓冲部件，分别与所述多个晶闸管串联或并联。
结合第一方面第五实施方式或第八实施方式或第十一实施方式，在第一方面的第十二实施方式中，第一缓冲部件、第二缓冲部件和第三缓冲部件均包括：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。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种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，用于如第一方面或第一方面任一实施方式所述的直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构，所述方法包括：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，关断与所述第i个桥臂连接的选择单元，和/或，与所述第i个桥臂对应的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀；导通所述第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]。
结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述选择单元包括三个双向阀，所述控制方法还包括：当检测到所述第i个桥臂发生换相失败或短路故障时，导通与所述第i个桥臂连接的双向阀以及与所述第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；当完成所述换流时，导通与所述第i个桥臂对应的可关断阀，关断与所述第i个桥臂连接的双向阀以及与所述第i个桥臂相连的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀。
本发明技术方案具有如下优点：
1.本发明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及其方法，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，由选择单元承受电压应力，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.本发明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包括三个双向阀，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，每个上桥臂和下桥臂共用一个双向阀。该的直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构可随时导通上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀，有效降低了每相桥臂的损耗。
3.本发明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，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个桥臂连接的选择单元，和/或，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共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构工作于正常换相模式。
4.本发明实施例提供的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个桥臂连接的双向阀以及与第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个桥臂连接的双向阀以及与第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，从而实现保证了双向阀与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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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是本发明实施例直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构的示意图；
图2是本发明实施例直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构的另一示意图；
图3是根据本发明实施例的晶闸管阀的结构框图；
图4是根据本发明实施例的可关断阀的结构框图；
图5是根据本发明实施例的可关断阀的另一结构框图；
图6是根据本发明实施例的可关断阀的另一结构框图；
图7是根据本发明实施例的可关断阀的另一结构框图；
图8是根据本发明实施例的双向阀的结构框图；
图9是根据本发明实施例的双向阀的另一结构框图；
图10是根据本发明实施例的双向阀的另一结构框图；
图11是根据本发明实施例的缓冲部件的结构框图；
图12是根据本发明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13是根据本发明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14是根据本发明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15是根据本发明实施例的正常运行时晶闸管阀周期性触发的电流流通路径；
图16是根据本发明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17是根据本发明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
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
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，本发明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。
根据本发明实施例，提供了一种直流侧共母线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、至少一个上桥臂辅助阀、至少一个下桥臂辅助阀和选择单元。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。至少一个上桥臂辅助阀的第一端与第一可关断阀的第二端连接，至少一个下桥臂辅助阀的第一端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。选择单元包括两个连接端和至少两个选择端，第一连接端与至少一个上桥臂辅助阀的第二端和至少一个下桥臂辅助阀的第二端连接；第二连接端与换流变压器的输出端连接；第一选择端与上桥臂的晶闸管阀阳极端连接，第二选择端与下桥臂的晶闸管阀阴极端连接。对于三相六桥臂电路而言，选择单元的第一连接端可以包括三个连接端口，分别与上桥臂辅助阀的第二端和下桥臂辅助阀的第二端连接；同理，选择单元的第二连接端也可以包括三个连接端口，分别与与换流变压器的三相输出端连接。此处对选择单元的第一连接端和第二连接端的端口不作限定，本领域技术人员可以根据实际需要确定。
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。对于三相六桥臂电路，选择单元可以6个选择端，每个选择端与晶闸管阀阳极端或晶闸管阀阴极端连接。
如图1所示，选择单元可以包括三个双向阀，用于双向导通和双向耐压。在三相六桥臂的每相交流母线上分别设置双向阀DVa、DVb和DVc，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。
Vp为上桥臂辅助阀，Vp的第一端与第一可关断阀的第二端连接，Vp的第二端分别与双向阀DVa、DVb和DVc的第一连接端连接；Vq为下桥臂辅助阀，Vq的第一端与第二可关断阀的第二端连接，Vq的第二端分别与双向阀DVa、DVb和DVc的第一连接端连接。
双向阀DVa、DVb和DVc的第二连接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；双向阀DVa的第一选择端与V1阀中晶闸管阀的阳极端连接；双向阀DVa的第二选择端与V4阀中晶闸管阀的阴极端连接；双向阀DVb的第一选择端与V3阀中晶闸管阀的阳极端连接；双向阀DVb的第二选择端与V6阀中晶闸管阀的阴极端连接；双向阀DVc的第一选择端与V5阀中晶闸管阀的阳极端连接；双向阀DVc的第二选择端与V2阀中晶闸管阀的阴极端连接。
本发明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，由选择单元承受电压应力，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，如图2所示，上述混合式换流器的拓扑结构可以包括：三个上桥臂辅助阀和三个下桥臂辅助阀。其中，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，三个上桥臂辅助阀的第二端分别与三个双向阀的第一连接端连接；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，三个下桥臂辅助阀的第二端分别与三个双向阀的第一连接端连接。
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三缓冲部件，其中， 至少一个晶闸管串联设置，第三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3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三缓冲部件。
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4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5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6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7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，选择单元为三个双向阀，具备双向开通和双向耐压的能力。三个双向阀分别设置在三相六桥臂电路的各相交流母线中，每相的上桥臂和下桥臂共用一个双向阀。具体地，以双向阀DVa为例，如图8所示，双向阀DVa可以包括：至少一个第一晶闸管以及与至少一个第一晶闸管并联或串联的第一缓冲部件。其中，至少一个晶闸管分为两路进行正反向并联以保证其能够双向导通和双向耐压。第一晶闸管可以为单向晶闸管，也可以为双向晶闸管，此处不作具体限定。
具体地，以双向阀DVa为例，如图9所示，双向阀DVa可以包括：第一选择支路和第二选择支路。
其中，第一选择支路包括至少一个第六功率器件，且至少一个第六功率器件串联设置。此处的第六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。需要说明的是，若全控型电力电子器件不具有反向电压阻断功能，则需要在全控型电力电子器件上反向并联一个二极管以实现单向电压阻断功能。第二选择支路的结构与第一选择支路的结构相同，与第一选择支路反向并联以保证其能够双向导通和双向耐压。
具体地，以双向阀DVa为例，如图10所示，双向阀DVa可以包括：第三选择支路、第四选择支路和第五选择支路。
其中，第三选择支路上设置有多个串联的第二二极管；第四选择支路与第三选择支路的结构一致；第五选择支路并联在第三选择支路和第四选择支路之间。第五选择支路上设置有多个串联的第七功率器件，第七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、第二缓冲部件和第三缓冲部件均由电容、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11所示，第一缓冲部件、第二缓冲部件、第三缓冲部件和第四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；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；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。
根据本发明实施例，提供了一种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共母线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共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构，图12是根据本发明实施例的流程图，如图12所示，该流程包括如下步骤：
S21，关断主动换相的混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂连接的可关断阀、选择单元与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15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共母线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个桥臂连接的选择单元，和/或，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共母线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，Sga1为双向阀DVa的触发信号，Sap为上桥臂辅助阀Vp的触发信号。
图13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Vp、双向阀DVa均处于关断状态，如图15所示。t f时刻V1阀发生换相失败或短路故障时，触发双向阀DVa和上桥臂辅助阀Vp使其导通；在t f+Δt1时刻关断可关断阀阀Vg1使其向晶闸管阀V11所在桥臂输出反向电压，实现V1阀向上桥臂辅助阀Vp的换流，如图16所示；晶闸管阀所在桥臂的电流I11过零之后，V1阀所在桥臂的晶闸管阀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Vp，如图17所示；在t f+Δt2时刻，上桥臂辅助阀Vp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Vp关断这段时间为晶闸管承受反压的关断时间t off，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14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阀换的相起始时刻t 0，在V11阀触发脉冲Sg1延时t 0+T/3触发双向阀DVa和上桥臂辅助阀Vp，在t 0+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Vp所在辅助桥臂的换流，如图16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Vp，如图17所示；待V11阀所在桥臂的电流恢复后，在t 0+T/3+Δt2关断上桥臂辅助阀Vp，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个桥臂连接的双向阀以及与第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个桥臂连接的双向阀以及与第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，从而实现保证了双向阀与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发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明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 (15)

  1. 一种直流侧共母线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；
    至少一个上桥臂辅助阀，其第一端与第一可关断阀的第二端连接；
    至少一个下桥臂辅助阀，其第一端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；
    选择单元，包括两个连接端和至少两个选择端，第一连接端与所述至少一个上桥臂辅助阀的第二端和所述至少一个下桥臂辅助阀的第二端连接；第二连接端与所述换流变压器的输出端连接；第一选择端与上桥臂的晶闸管阀阳极端连接，第二选择端与下桥臂的晶闸管阀阴极端连接。
  2. 根据权利要求1所述的拓扑结构，其中，所述选择单元包括：
    三个双向阀，所述三个双向阀分别设置在三相交流母线的各相交流母线上；各个所述双向阀用于双向开通和双向耐压。
  3. 根据权利要求2所述的拓扑结构，其中，所述拓扑结构包括：
    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；所述三个上桥臂辅助阀的第二端分别与所述三个双向阀的第一连接端连接；
    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；所述三个下桥臂辅助阀的第二端分别与所述三个双向阀的第一连接端连接。
  4. 根据权利要求1所述的拓扑结构，其中，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。
  5. 根据权利要求4所述的拓扑结构，其中，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。
  6. 根据权利要求4所述的拓扑结构，其中，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。
  7. 根据权利要求4所述的拓扑结构，其中，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。
  8. 根据权利要求4所述的拓扑结构，其中，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。
  9. 根据权利要求2所述的拓扑结构，其中，所述双向阀包括：
    至少一个第一晶闸管，所述至少一个晶闸管正反向并联；所述第一晶闸管为单向晶闸管或双向晶闸管；
    第二缓冲部件，与所述至少一个晶闸管并联或串联。
  10. 根据权利要求2所述的拓扑结构，其中，所述双向阀包括：
    第一选择支路，包括至少一个第六功率器件，所述至少一个第六功率器件串联设置；所述第六 功率器件为全控型电力电子器件；
    第二选择支路，与所述第一选择支路反向并联，所述第二选择支路与所述第一选择支路的结构相同。
  11. 根据权利要求2所述的拓扑结构，其中，所述双向阀包括：
    第三选择支路，设置有多个串联的第二二极管；
    第四选择支路，与所述第三选择支路的结构一致，且与所述第三选择支路并联；
    第五选择支路，并联在所述第三选择支路和所述第四选择支路之间，所述第五选择支路上设置有多个串联的第七功率器件，所述第七功率器件为全控型电力电子器件。
  12. 根据权利要求1所述的拓扑结构，其中，所述晶闸管阀包括：
    多个晶闸管；
    多个第三缓冲部件，分别与所述多个晶闸管串联或并联。
  13. 根据权利要求6或9或12所述的拓扑结构，其中，第一缓冲部件、第二缓冲部件和第三缓冲部件均包括：
    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。
  14. 一种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，用于如权利要求1～13任一项所述的直流侧共母线辅助换相的混合式换流器拓扑结构，所述方法包括：
    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，关断与所述第i个桥臂连接的选择单元，和/或，与所述第i个桥臂对应的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀；
    导通所述第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]。
  15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述选择单元包括三个双向阀，所述控制方法还包括：
    当检测到所述第i个桥臂发生换相失败或短路故障时，导通与所述第i个桥臂连接的双向阀以及与所述第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；
    当完成所述换流时，导通与所述第i个桥臂对应的可关断阀，关断与所述第i个桥臂连接的双向阀以及与所述第i个桥臂相连的上桥臂辅助阀或下桥臂辅助阀。
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