一种高压交直流电能变换装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种交直流变换装置，具体讲涉及一种高压交直流电能变换装置及其控制方法。

背景技术：

针对高压DC-AC变换器已经有了很多的研究成果，在原有两电平技术的基础上，模块化多电平技术是目前最流行的适用于高压柔性直流输电技术的换流器技术，在诸多文献中已经得到了广泛的研究，并且实现了高达±320kV/1000MW的工程应用。

现有柔性直流技术主要采用电缆进行功率传输。为了进一步将柔性直流技术推广至架空线系统，必须将其中的半桥子模块结构(图1(a))替换成全桥子模块结构(图1(b))，然而，这种方式造成系统损耗和投资大幅度上升，难以满足工程需求。

针对电缆系统应用的拓扑结构，专利US 20130128629A1的“HYBRID 2-LEVEL AND MULTILEVELHVDC CONVERTER”提出了一种新型的换流器结构，能够大幅度减小所采用的半导体器件和电容，但是控制方式复杂，有很多的技术问题难以解决；

针对架空线系统应用需求，专利WO2014/111164A1的“AMultilevel Converterwith Hybrid Full Bridge Cells”提出了将桥臂改为半桥及全桥混合的结构，使系统损耗和投资得到了降低；专利WO2011/098117A1的“Converter for High voltage DC Transmission”提出了一种倒换桥臂型换流器，通过结合两电平以及模块化多电平的结构，实现了电能变换，但需要复杂并且精确的能量平衡控制，实际实现较为困难。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种高压交直流电能变换装置及其控制方法，该高压交直流电能变换装置通过器件串联结构对级联子模块进行投切操作，实现了交直流的电能变换，部分提出的拓扑通过使用全桥子模块结构还可实现直流故障的自清除，满足架空线的应用需求。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种高压交直流电能变换装置，其改进之处在于，所述交直流电能变换装置由三相结构组成，每相均为单相结构，所述的单相结构由上下两个桥臂变换单元连接组成。

其中，所述桥臂变换单元由两组器件级联结构和子模块级联结构组成，包括三种组成方式：

1)所述两组器件级联结构与子模块级联结构呈星形连接，所述两组器件级联结构串联；其中一组器件级联结构的一端连接至交流端子，另一组器件级联结构的一端作为上桥臂变换单元结构时连接至直流正极端子，作为下桥臂变换单元结构时连接至直流负极端子；所述子模块级联结构的一端连接至两组器件级联结构之间的公共点，另一端连接至接地点；

2)所述两组器件级联结构与子模块级联结构呈星形连接，其中一组器件级联结构的一端连接至交流端子，另一端与子模块级联结构的一端连接；另一组器件级联结构的一端连接至接地点，另一端与子模块级联结构的一端连接；所述子模块级联结构的另一端连接至直流正极端子或直流负极端子；

3)所述两组器件级联结构与子模块级联结构呈星形连接，其中一组器件级联结构的一端连接至直流正极端子或直流负极端子，另一端与子模块级联结构的一端连接；所述子模块级联结构的另一端连接至交流端子；另一组器件级联结构的一端连接至接地点，另一端连接至器件级联结构与子模块级联结构之间的公共点。

其中，所述器件级联结构由电力电子器件串联组成，所述电力电子器件由全控型器件及其反并联二极管组成，所述全控型器件包括绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO、集成门极换流晶闸管IGCT以及电子注入增强栅晶体管IEGT。

其中，所述子模块级联结构半桥子模块或全桥子模块级联组成，所述子模块级联结构的桥臂上串联有电抗器。

其中，当所述子模块级联结构由全桥子模块级联组成，能够实现直流故障的自清除，满足架空线的应用需求。

本发明还提供一种高压交直流电能变换装置的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括下述实现方式：

①对于方式1)中桥臂变换单元作为上桥臂变换单元时，当交流电压输出为正半波时，其中一组器件级联结构S1p导通，另一组器件级联结构S2p关断，子模块级联结构输出交流电压正半波Uc，用于支撑交流电压；当交流电压输出为负半波时，另一组器件级联结构S2p导通，其中一组器件级联结构S1p关断，子模块级联结构输出直流电压Vd/2，用于支撑正极直流电压。

对于方式1)中桥臂变换单元作为下桥臂变换单元时，当交流电压输出为正半波时，其中一组器件级联结构S1n导通，另一组器件级联结构S2n关断，子模块级联结构SMn输出直 流电压Vd/2，用于支撑负极直流电压；当交流电压输出为负半波时，其中一组器件级联结构S1n关断，另一组器件级联结构S2n导通，子模块级联结构SMn输出交流电压绝对值|Uc|，用于支撑交流电压；

②对于方式2)中桥臂变换单元作为上桥臂变换单元时，当交流电压输出为正半波时，其中一组器件级联结构S1p导通，另一组器件级联结构S2p关断，子模块级联结构输出直流正极电压与交流电压的差Vd/2-Uc，用于支撑交流电压；当交流电压输出为负半波时，另一组器件级联结构S2p导通，其中一组器件级联结构S1p关断，子模块级联结构输出直流电压Vd/2，用于支撑正极直流电压；

对于方式2)中桥臂变换单元作为下桥臂变换单元时，当交流电压输出为正半波时，其中一组器件级联结构S1n导通，另一组器件级联结构S2n关断，子模块级联结构SMn输出直流电压Vd/2，用于支撑负极直流电压；当交流电压输出为负半波时，其中一组器件级联结构S1n关断，另一组器件级联结构S2n导通，子模块级联结构SMn输出交流电压与直流负极电压的差Vd/2+Uc，用于支撑交流电压；

③对于方式3)中桥臂变换单元作为上桥臂变换单元时，当交流电压输出为正半波时，其中一组器件级联结构S1p导通，另一组器件级联结构S2p关断，子模块级联结构输出直流正极电压与交流电压的差Vd/2-Uc，用于支撑交流电压；当交流电压输出为负半波时，另一组器件级联结构S2p导通，其中一组器件级联结构S1p关断，子模块级联结构输出交流电压绝对值|Uc|，用于支撑交流电压；

对于方式3)中桥臂变换单元作为下桥臂变换单元时，当交流电压输出为正半波时，其中一组器件级联结构S1n导通，另一组器件级联结构S2n关断，子模块级联结构SMn输出交流电压Uc，用于支撑交流电压；当交流电压输出为负半波时，S1n关断，S2n导通，子模块级联结构SMn输出交流电压与直流负极电压的差Vd/2+Uc，用于支撑交流电压。

本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1、仅采用器件串联结构和一定数量的子模块串联实现电能变换，投资少，损耗小，占地少；

2、交流侧和直流侧的波形质量高，所需要的滤波器容量少，甚至不需要滤波器；

3、通过使用全桥子模块，部分结构能够有效实现直流故障的隔离，适用于架空线系统；

3、通过在器件级联结构开通或者关断时刻，调整子模块级联结构投入的数量，可以有效实现器件级联结构的软开关。

附图说明

图1是本发明提供的子模块级联结构拓扑图，其中：(a)为半桥结构拓扑图，(b)为全桥结构拓扑图，(c)为子模块级联结构图；

图2是本发明提供的桥臂变换单元结构图，其中：(a)为上桥臂变换单元实现方式一结构图，(b)为上桥臂变换单元实现方式二结构图，(c)为上桥臂变换单元实现方式三结构图；(a’)为下桥臂变换单元实现方式一结构图，(b’)为下桥臂变换单元实现方式二结构图，(c’)为下桥臂变换单元实现方式三结构图；

图3是本发明提供的高压交直流电能变换装置的单相结构图；

图4是本发明提供的高压交直流电能变换装置的三相结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

实施例

本发明提供一种高压交直流电能变换装置，由三相结构组成，每相为单相变换结构，单相结构由上下两个桥臂变换单元组成。

桥臂变换单元结构由器件级联结构和子模块级联结构组成，包括三种实现方式：

1)如图2(a)和(a’)，两组器件级联结构与子模块级联结构呈星形连接，器件级联结构S1p(S2n)的其余一端连接至交流端子，另一组器件级联结构S2p(S1n)的其余一端连接至直流正极(负极)端子；子模块级联结构SMp(SMn)其余一端连接至接地点。

2)如图2(b)和(b’)，两组器件级联结构与子模块级联结构呈星形连接，器件级联结构S1p(S2n)的其余一端连接至交流端子，另一组器件级联结构S2p(S1n)的其余一端连接至接地点；子模块级联结构SMp(SMn)其余一端连接至直流正极(负极)端子。

3)如图2(c)和(c’)，两组器件级联结构与子模块级联结构呈星形连接，器件级联结构S1p(S2n)的其余一端连接至直流正极(负极)端子，另一组器件级联结构S2p(S1n)的其余一端连接至接地点；子模块级联结构SMp(SMn)其余一端连接至交流端子。

器件级联结构由多个电力电子器件串联而成，这些器件包括全控型器件(如IGBT，GTO等)及其反并联二极管。

子模块级联结构由多个附图一所示的半桥或者全桥子模块串联而成，子模块级联结构组成的桥臂上串联有电抗器。

本发明还提供一种高压交直流电能变换装置的控制方法，所述的桥臂变换单元结构通过一定的桥臂控制方法实现电能变换功能，包括：

1)对于图2(a)给出的结构，当交流电压输出为正半波时，S1p导通，S2p关断，子模块级联结构SMp输出交流电压正半波Uc，用于支撑交流电压；当交流电压输出为负半波时，S2p导通，S1p关断，子模块级联结构SMp输出直流电压Vd/2，用于支撑正极直流电压。

对于图2(a’)给出的结构，当交流电压输出为正半波时，S1n导通，S2n关断，子模块级联结构SMn输出直流电压Vd/2，用于支撑负极直流电压；当交流电压输出为负半波时，S1n关断，S2n导通，子模块级联结构SMn输出交流电压绝对值|Uc|，用于支撑交流电压。

2)对于图2(b)给出的结构，当交流电压输出为正半波时，S1p导通，S2p关断，子模块级联结构SMp输出直流正极电压与交流电压的差Vd/2-Uc，用于支撑交流电压；当交流电压输出为负半波时，S2p导通，S1p关断，子模块级联结构SMp输出直流电压Vd/2，用于支撑正极直流电压。

对于图2(b’)给出的结构，当交流电压输出为正半波时，S1n导通，S2n关断，子模块级联结构SMn输出直流电压Vd/2，用于支撑负极直流电压；当交流电压输出为负半波时，S1n关断，S2n导通，子模块级联结构SMn输出交流电压与直流负极电压的差Vd/2+Uc，用于支撑交流电压。

3)对于图2(c)给出的结构，当交流电压输出为正半波时，S1p导通，S2p关断，子模块级联结构SMp输出直流正极电压与交流电压的差Vd/2-Uc，用于支撑交流电压；当交流电压输出为负半波时，S2p导通，S1p关断，子模块级联结构SMp输出交流电压绝对值|Uc|，用于支撑交流电压。

对于图2(c’)给出的结构，当交流电压输出为正半波时，S1n导通，S2n关断，子模块级联结构SMn输出交流电压Uc，用于支撑交流电压；当交流电压输出为负半波时，S1n关断，S2n导通，子模块级联结构SMn输出交流电压与直流负极电压的差Vd/2+Uc，用于支撑交流电压。

本发明提供的适用于高压等级的高压交直流电能变换装置，有效减少了换流器中对储能电容的数量需求，减少了系统投资和占地，为柔性直流技术性能的提升提供了一种新的方案。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。