具有冗余运行能力的ac/dc换流器子模块及换流器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种构成AC/DC换流器的换流器子模块单元，所述换流器子模块(12)包括第一级联电路、第二级联电路、储能器和均压电阻。与储能器并联连接的第一级联电路(100)，为6个功率半导体单元组成的三相桥式电路，第一级联电路具有交流电压接线端子(L1，L2，L3)；所述均压电阻并联于储能器两端；与储能器并联的第二级联电路(200)由第一半导体单元(9)、第二半导体单元(10)和机械开关(11)组成，通过接线端子X1和X2输出，所述机械开关(11)并联于直流接线端子X1和X2两端，可以通过合闸控制将接线端子X1和X2短路。本发明构造的换流器子模块，可以实现换流器的冗余运行，提高其运行的可靠性。
【专利说明】
具有冗余运行能力的AC/DC换流器子模块及换流器
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种采用三相电压源型换流器单元串联的 AC/DC换流器子模块及换流器。
【背景技术】
[0002] 柔性直流输电是基于电压源换流器、全控电力电子器件和脉宽调制技术的新型 直流输电技术。目前可关断功率开关器件的电压等级最大只有几千伏，通过多个基本电压 源型换流器单元串联是提升换流器的容量和直流输出电压等级的有效途径。采用换流器单 元串连的方式，将显著减小换流器对开关器件的电压和电流承受能力的要求。将低电压的 电压源型换流器单元直流输出端串连，实现高压直流输出，从而构造出适合直流输电应用 的高压直流输电换流器。根据不同的应用需求，串联的基本换流器单元可以采用三相全控 桥两电平换流器、三电平换流器、三相不控整流桥等多种结构。
[0003] 采用基本换流器单元串连的直流输电换流器，每个换流器单元具有交流输入端和 直流输出端，多个模块在交流侧连接到多绕组变压器，直流侧多个模块的输出端子串连。当 其中一个串连单元发生故障时，整个换流器需要闭锁停运。高压直流输电换流器具有多个 模块串连，换流器运行可靠性将受各串连单元的影响。如何在换流器故障时，有效地隔离故 障单元，实现换流器串连单元故障时换流器不至闭锁停运、从交流电网切除，是串连换流器 输电系统的关键问题。
[0004] 当直流输电换流器采用三相两电平全控桥单元的直流输出端直接串连，当串连的 换流器单元出现故障时，整个换流器的运行将受到影响。三相全控桥输出端并联有储能器， 直接在储能器两端并联机械开关，机械开关合闸时电容将通过旁路开关产生几 kA~几十 kA的放电电流，从而影响换流器的稳定运行。若采用电子式开关旁路故障换流器单元，在换 流器单元故障失电的情况下电子开关可能无法可靠旁路故障模块，导致换流器退出运行， 且电子式开关造价昂贵。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的，在于提供一种串连型换流器子模块拓扑及换流器，其具有在换流 器子模块故障时将故障模块短路，使得发生故障的换流器模块与其它运行模块快速隔离， 换流器可以继续维持运行。
[0006] 本发明通过如下方案解决上述技术问题，具有冗余运行能力的AC/DC换流器子模 块，具有至少一个储能器（7)和均压电阻（8)，所述均压电阻并联于储能器两端；所述换流 器子模块还包括与储能器并联连接的第一级联电路（100)，所述第一级联电路（100)为6个 功率半导体单元组成的三相桥式电路，所述功率半导体单元可通过控制信号触发导通和关 断，第一级联电路（100)具有交流接线端子（Ll，L2, L3);
[0007] 其特征在于，所述换流器子模块还包括与储能器并联的第二级联电路（200)，所述 第二级联电路（200)由第一半导体单元（9)、第二半导体单元（10)和机械开关组成，通过接 线端子XI和接线端子X2引出，所述机械开关并联于接线端子XI和接线端子X2两端，可以 通过合闸控制将XI接线端子和X2接线端子短路。
[0008] 上述方案中，每个换流器子模块具有交流电压接头（Ll，L2, L3)与三相交流电路 连接，具有直流接线端子XI和X2,能够与直流电路连接。
[0009] 上述方案中，第一半导体单元（9)是可反向导通的功率半导体器件，第一半导体 单元（9)的集电极C极与储能器（7)的C+接线端子相连，第一半导体单元（9)的发射极E 极与XI接线端子相连。
[0010] 上述方案中，第一半导体单元（9)是绝缘栅双极型晶体管IGBT，第一半导体单元 (9)的集电极C极与储能器（7)的C+接线端子相连，第一半导体单元（9)的发射极E极与 XI接线端子相连。
[0011] 上述方案中，第一半导体单元（9)是二极管，二极管的阳极与XI接线端子相连，二 极管的阴极与储能器（7)的C+接线端子相连。
[0012] 上述方案中，第二半导体单元（10)是二极管，二极管的阴极与XI接线端子相连， 二极管的阳极与储能器（7)的负极端子C-相连。
[0013] 上述方案中，第二半导体单元（10)是二极管与电阻的串连电路，二极管的阴极与 第一半导体单元（9)发射极相连，二极管的阳极与电阻一端相连，电阻的另一端与储能器 (7)的负极端子C-相连。
[0014] 上述方案中，其特征在于，储能器是电容器。
[0015] 上述方案中，机械开关是一个或多个真空开关管。
[0016] 上述方案中，机械开关具有合闸保持功能，保护合闸后即使在失电情况下开关能 维持合闸。
[0017] 上述方案中，通过对第一级联电路（100)采用脉宽调制在储能器两端产生稳定的 直流电压，第一半导体单元（9)处于维持导通状态，在于机械开关在换流器运行时处于分 闸状态，当换流器子模块故障时，通过控制电路将故障换流器子模块的机械开关合闸将XI 接线端子和X2接线端子短路，换流器子模块机械开关合闸将接线端子XI和X2短路后，第 一半导体单元（9)阻断储能器（7)的放电电流，从而将故障模块安全退出运行。
[0018] 本发明还提供一种由权利1所述的换流器子模块的构成的AC/DC换流器，其特征 在于，包括至少两个串联的换流器子模块、三相交流滤波器（F)和多绕组变压器（T)，换流 器子模块的交流电压接头（L1，L2，L3)分别连接到三相交流滤波器（F)后再分别连接到多 绕组变压器（T)的二次侧绕组，多绕组变压器（T)的一次侧绕组与电网相连，换流器子模块 的接线端子XI、X2依次级联延伸，首端的换流器子模块XI端子连接到直流电路的正极端 (P)，末端的换流器子模块X2端子连接到直流电路的负极端（N)。
[0019] 上述方案中，当换流器子模块开关合闸将XI端子和X2端子短路，退出运行后，通 过控制使其它换流器子模块的电压提高从而使直流母线电压维持不变，换流器具有冗余运 行能力。
[0020] 本发明的有益效果是：
[0021] 1)按照本发明提出的换流器子模块构成换流器，每个换流器子模块具有交流输入 端和直流输出端，多个换流器子模块在交流侧连接到多绕组变压器，直流侧多个模块的输 出端子串连，可以实现较高电压等级的AC\DC变换。
[0022] 2) -种多级换流器，采用换流器子模块串连提高输出直流电压等级，通过构造半 导体单元和机械开关组成的电路结构可以实现对三相全控桥模块运行状态的控制。在换流 器子模块故障时将故障模块短路，通过调整换流器其他换流器子模块的控制参数，可以维 持换流器继续运行，解决换流器冗余运行难题。
[0023] 3)本发明电路简洁，能够方便地对换流器单元进行电气接线，采用机械开关作为 换流器的旁路开关具有良好的经济性。换流器运行时开关处于分闸状态，当换流器子模块 故障时，可以通过控制电路将故障换流器子模块的机械开关合闸将XI线端子和X2接线端 子短路，第一半导体单元可以阻断储能器的放电电流，实现换流器子模块的安全隔离。
[0024] 4)本发明电路可适用于双向AC\DC变换应用，也可应于单向AC\DC变换应用。海 岛供电、海上钻井平台、海上风电、船舶离岸电源供电等应用场合，能量基本都是单向传输， 整流站和逆变站的电路拓扑可以根据本发明提供的方案进行优化处理，节约投资。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明一种具有冗余运行能力的AC\DC换流器原理示意图；
[0026] 图2a~图2c是本发明换流器的串联换流器子模块的三种实施例；
[0027] 图3a~图3c是本发明的换流器子模块另外三种实施例；
[0028] 图4是本发明的换流器冗余运行的一个实例。
【具体实施方式】
[0029] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0030] 图1给出本发明换流器的一种示例。换流器具有不少于2个串连的换流器子模块 单元，换流器子模块的交流电压接头（Ll，L2, L3)分别连接到三相交流滤波器（F)后再分 别连接到多绕组变压器（T)的二次侧绕组，多绕组变压器的一次侧绕组与电网相连，换流 器子模块的直流侧接线端子X1、X2依次级联延伸，首端换流器子模块单元经由端子XI连接 到直流电路的正极（P)，末端模块经由端子X2连接至直流电路的负极性端（N)，构成AC\DC 换流器。多绕组变压器可以是普通多绕组变压器、带辅助绕组的多绕组变压器、移相变压器 或带辅助绕组的移相变压器。具有初级绕组和次级绕组的多绕组变压器用于在换流器和交 流电网之间隔离。三相交流滤波器（F)可以是L型滤波器、LC滤波器、LCL滤波器或一段导 线。
[0031] 在图1给出的实例中换流器是高压直流输电设备的部件，并且通过变压器连接至 交流电网，实现交流-直流变换及能量的传输。需要指出的是本发明提出换流器还可以是 用于电力传动的换流器。
[0032] 构成AC/DC换流器的换流器子模块单元（12)如图2a所示，包括第一级联电路 (100)、第二级联电路（200)、储能器（7)和均压电阻（8)。与储能器（7)并联连接的第一级 联电路（100)，为6个可关断功率半导体（T1、T2、T3、T4、T5、T6)及与之反并联的续流二极 管（D1、D2、D3、D4、D5、D6)组成的三相桥式电路，每个半导体单元可通过控制信号触发导通 和关断，第一级联电路（100)具有与三相交流电路接线的端子（Ll，L2, L3)，通过对第一级 联电路（100)采用脉宽调制可以在储能电容产生稳定的直流电压；所述均压电阻并联于储 能器两端，用以实现换流器多个串联换流器子模块的均压；与储能器并联的第二级联电路 (200)包含第一半导体单元（9)、第二半导体单元（10)、机械开关（11)、直流接线引出端子 XI和X2,所述机械开关（11)并联于直流接线端子XI和X2两端；半导体单元（10)与半导 体单元（9)串联后连接于储能器（7)两端。
[0033] 第一半导体单元（9) 一端与储能器（7) C+相连，一端与第二半导体（10)相连，第 一半导体单元（9)是可反向导通的功率半导体，此时半导体单元无需反并联续流二极管， 第一半导体单元（9)的集电极连接至储能器（7)C+端。当系统正常运行时，第一半导体单元 (9)可以双向导通直流电流可以流入AC/DC变换流器模块单元（12)也可以流出换流器模块 单元（12)，换流器可以双向能量流动。第二半导体单元（10)用于电压钳位，以限制第一半 导体单元（9)两端的电位差，第二半导体单元（10)可以是二极管，也可以是二极管与电阻 的串连电路。当第二半导体单元（10)是二极管与电阻的串连电路时，二极管的阴极与第一 半导体单元（9)发射极相连，二极管的阳极与电阻一端相连，电阻的另一端与储能器（7)的 负极端子C-相连。当第二半导体单元（10)是二极管时，二极管的阳极与储能器（7)的负 极端子C-相连，二极管的阴极与第一半导体单元（9)发射极相连二极管。
[0034] 分别在换流器子模块第二半导体单元（10)两端引出直流电路接线端子XI和X2， XI连接到第二半导体单元（10)的阴极，X2连接到第二半导体单元（10)与二极管串联的电 阻，XI和X2之间并联机械开关。机械开关可以一个或多个真空开关管。机械开关在换流 器运行时处于分闸状态，当换流器子模块故障时，可以通过控制电路将故障换流器子模块 的机械开关合闸将XI线端子和X2接线端子端子短路，从而将故障模块退出运行；机械开关 可以设计为具有合闸保持功能，保护合闸后即使在失电情况下开关能维持合闸。
[0035] 换流器子模块机械开关合闸将接线端子端子短路后，第一半导体单元（9)可以阻 断储能器（7)的放电电流。当其中一个换流器子模块冗余退出运行后，通过控制使其它换 流器子模块的电压提高从而是直流母线电压维持不变。
[0036] 图2b给出本发明的换流器子模块另一种实例。换流器子模块包括第一级联电路 (100)、第二级联电路（200)、储能器（7)和均压电阻（8)。与储能器并联连接的第一级联 电路（100)，为6个可关断功率半导体（T1、T2、T3、T4、T5、T6)及与之反并联的续流二极管 (Dl、D2、D3、D4、D5、D6)组成的三相桥式电路，每个半导体单元可通过控制信号触发导通 和关断，第一级联电路具有与三相交流电路接线的端子（Ll，L2, L3)，通过对第一级联电路 (100)采用脉宽调制可以在储能电容产生稳定的直流电压；所述均压电阻并联于储能器两 端，用以实现换流器多个串联换流器子模块的均压；与储能器并联的第二级联电路（200)， 包含第一半导体单元（9)、第二半导体单元（10)、机械开关（11)和直流接线引出端子XI和 Χ2,所述机械开关（11)并联于直流接线端子XI和Χ2两端；第二半导体单元（10)与第一半 导体单元（9)串联后连接于储能器（7)两端。
[0037] 第一半导体单元（9) 一端与储能器（7) C+相连，一端与第二半导体（10)相连，第 一半导体单元（9)是具有可接通和关断的功率半导体IGBT，与之反并联连接的续流二极 管，此时IGBT的集电极连接至储能器（7)C+端。第二半导体单元（10)是二极管与电阻的串 连电路，二极管的阴极与第一半导体单元（9)发射极相连，二极管的阳极与电阻一端相连， 电阻的另一端与储能器（7)的负极端子C-相连二极管二极管；第二半导体单元（10)用于 限制半导体单元（9)两端的电压。
[0038] 分别在换流器子模块第二半导体单元（10)两端引出直流电路接线端子XI和X2， XI连接到第二半导体单元（10)的阴极，X2连接到第二半导体单元（10)与二极管串联的电 阻，XI和X2之间并联机械开关。机械开关可以一个或多个真空开关管。
[0039] 海岛供电、海上钻井平台、海上风电、船舶离岸电源供电等应用场合，能量基本都 是单向传输，因此换流器的电路拓扑可以根据本发明提供的方案进行优化处理。图2c给出 一种可在能量单向传输的换流器子模块实例，其与图2a、图2b不同点在于第一半导体单元 (9)是二极管，此时二极管的阴极与储能器（7)的C+相连。二极管的阳极与第二半导体单 元（10)相连，第二半导体单元（10)是二极管与电阻的串连电路，二极管的阴极与第一半导 体单元（9)阳极相连，二极管的阳极与电阻一端相连，电阻的另一端与储能器（7)的负极端 子C-相连二极管二极管，第二半导体单元（10)用于限制第一半导体单元（9)两端的电压。 分别在换流器子模块第二半导体单元（10)两端引出直流电路接线端子XI和X2，X1连接到 第二半导体单元（10)的阴极，X2连接到第二半导体单元（10)与二极管串联的电阻。XI和 X2之间并联机械开关。机械开关可以一个或多个真空开关管。第一半导体单元采用二极管 时无需驱动电路，具有运行损耗小，成本低等优点。
[0040] 图3a~图3c是根据本发明的另外几种【具体实施方式】。图3a的实施方式中第一半 导体单元（9)是可反向导通的功率半导体如RC-IGBT，此时半导体单元无需反并联续流二 极管，第一半导体单元（9)的发射极连接至电容C-端。第一半导体单元（9)集电极与第二 半导体单元（10)相连，第二半导体单元（10)是二极管与电阻的串连电路，二极管的阴极与 储能器（7)的正极端子C+相连，二极管的阳极与电阻一端相连，电阻的另一端与第一半导 体单元（9)集电极相连二极管二极管，第二半导体单元（10)用于限制第一半导体单元（9) 两端的电压，同时可以提供续流回路。
[0041] 分别在换流器子模块第二半导体单元（10)两端引出直流电路接线端子XI和X2， XI连接到第二半导体单元（10)中二极管的阴极，X2连接到第二半导体单元（10)与二极管 串联的电阻，XI和X2之间并联机械开关。机械开关可以一个或多个真空开关管。
[0042] 图3b的实施方式中第一半导体单元（9)是具有可接通和关断的功率半导体IGBT， 与之反并联连接的续流二极管二极管，此时IGBT的发射极连接至储能器（7)C-端。第一半 导体单元（9)集电极与第二半导体单元（10)相连，第二半导体单元（10)是二极管与电阻 的串连电路，二极管的阴极与储能器（7)的正极端子C+相连，二极管的阳极与电阻一端相 连，电阻的另一端与第一半导体单元（9)集电极相连二极管二极管；第二半导体单元（10) 用于限制第一半导体单元（9)两端的电压，同时可以提供续流回路。分别在换流器子模块 第二半导体单元（10)两端引出直流电路接线端子XI和X2，X1连接到第二半导体单元（10) 的阴极，X2连接到第二半导体单元（10)与二极管串联的电阻。XI和X2之间并联机械开 关。机械开关可以一个或多个真空开关管。
[0043] 图3c的实施方式中第一半导体单元（9)是二极管，此时二极管的阳极与储能器 (7)的C-相连。第一半导体单元（9)集电极端与第二半导体单元（10)相连，第二半导体 单元（10)是二极管与电阻的串连电路，二极管的阴极与储能器（7)的正极端子C+相连，二 极管的阳极与电阻一端相连，电阻的另一端与第一半导体单元（9)阴极相连二极管二极管 第二半导体单元（10)用于限制第一半导体单元（9)两端的电压，同时可以提供续流回路。 分别在换流器子模块第二半导体单元（10)两端引出直流电路接线端子XI和X2，X1连接到 第二半导体单元（10)的阴极，X2连接到第二半导体单元（10)与二极管串联的电阻。XI和 X2之间并联机械开关。机械开关可以一个或多个真空开关管。
[0044] 按照本发明的换流器子模块的换流器的优点可以总结如下：换流器采用模块化换 流器子模块串连实现交流直流变换和能量传输，换流器的换流器子模块可以在故障情况下 控制机械开关合闸，实现故障模块的隔离。换流器通过配置一定数量的冗余模块，可以实现 冗余运行，从而提高了串连换流器的可靠性。
[0045] 通过本发明的设计换流器子模块的旁路时，通过半导体器件有效阻断了储能器 (7)通过旁路开关的放电电路，从而可以实现故障模块的安全短路，避免储能器的放电对换 流器运行带来冲击。换流器的直流输出电J3
其中Ud。为换流器的直流输电 压，Ud"为每个串联模块单元的直流输出电压。
[0046] 当其中一个换流器子模块冗余退出运行后
通过控制使其它换流 器子模块的电压Udm提高从而使直流母线电压维持不变。
[0047] 图4给出本发明所述换流器的一种典型运行工况，对换流器子模块的第一级联电 路（1〇〇)采用脉宽调制，在储能器两端产生稳定的直流电压，第一半导体单元（9)处于维持 导通状态，旁路开关分闸。换流器串联换流器子模块1运行中出现故障后，换流器的控制单 元检测出故障，下发控制信号使换流器子模块1的机械开关合闸，通过第一半导体单元（9) 阻断储能器（7)的放电电流。换流器子模块1机械开关合闸成功后，直流电流流经机械开 关而将换流器子模块1输出短路。通过控制使其它换流器子模块的直流电压提高从而可以 直流母线电压维持不变。假设换流器子模块故障前后，各换流器子模块的直流电压均分，则 换流器子模块1故障合闸前各串联换流器子模块的直流电压为U d(：/n，换流器子模块1故障 合闸后各换流器子模块的电压为Udy (n-1)。
[0048] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
【主权项】
1. 具有冗余运行能力的AC/DC换流器子模块，具有至少一个储能器（7)和均压电阻 (8)，所述均压电阻并联于储能器两端；所述换流器子模块还包括与储能器并联连接的第一 级联电路（100)，所述第一级联电路（100)为6个功率半导体单元组成的三相桥式电路，所 述功率半导体单元可通过控制信号触发导通和关断，第一级联电路（100)具有交流接线端 子（Ll，L2, L3); 其特征在于，所述换流器子模块还包括与储能器并联的第二级联电路（200)，所述第二 级联电路（200)由第一半导体单元（9)、第二半导体单元（10)和机械开关组成，通过接线端 子XI和接线端子X2引出，所述机械开关并联于接线端子XI和接线端子X2两端，可以通过 合闸控制将XI接线端子和X2接线端子短路。2. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，每个换流器子模块具有交流电压 接头（L1，L2，L3)与三相交流电路连接，具有直流接线端子XI和X2,能够与直流电路连接。3. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，第一半导体单元（9)是可反向导通 的功率半导体器件，第一半导体单元（9)的集电极C极与储能器（7)的C+接线端子相连， 第一半导体单元（9)的发射极E极与XI接线端子相连。4. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，第一半导体单元（9)是绝缘栅双极 型晶体管IGBT，第一半导体单元（9)的集电极C极与储能器（7)的C+接线端子相连，第一 半导体单元（9)的发射极E极与XI接线端子相连。5. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，第一半导体单元（9)是二极管，二 极管的阳极与XI接线端子相连，二极管的阴极与储能器（7)的C+接线端子相连。6. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，第二半导体单元（10)是二极管，二 极管的阴极与XI接线端子相连，二极管的阳极与储能器（7)的负极端子C-相连。7. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，第二半导体单元（10)是二极管与 电阻的串连电路，二极管的阴极与第一半导体单元（9)发射极相连，二极管的阳极与电阻 一端相连，电阻的另一端与储能器（7)的负极端子C-相连。8. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，储能器是电容器。9. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，机械开关是一个或多个真空开关 管。10. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，机械开关具有合闸保持功能，保 护合闸后即使在失电情况下开关能维持合闸。11. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，通过对第一级联电路（100)采用 脉宽调制在储能器两端产生稳定的直流电压，第一半导体单元（9)处于维持导通状态，在 于机械开关在换流器运行时处于分闸状态，当换流器子模块故障时，通过控制电路将故障 换流器子模块的机械开关合闸将XI接线端子和X2接线端子短路，换流器子模块机械开关 合闸将接线端子XI和X2短路后，第一半导体单元（9)阻断储能器（7)的放电电流，从而将 故障模块安全退出运行。12. -种由权利1所述的换流器子模块的构成的AC/DC换流器，其特征在于，包括至少 两个串联的换流器子模块、三相交流滤波器（F)和多绕组变压器（T)，换流器子模块的交流 电压接头（Ll，L2, L3)分别连接到三相交流滤波器（F)后再分别连接到多绕组变压器（T) 的二次侧绕组，多绕组变压器（T)的一次侧绕组与电网相连，换流器子模块的接线端子XI、 X2依次级联延伸，首端的换流器子模块XI端子连接到直流电路的正极端（P)，末端的换流 器子模块X2端子连接到直流电路的负极端（N)。13.根据权利要求12所述AC/DC换流器，其特征在于，当换流器子模块开关合闸将XI 端子和X2端子短路，退出运行后，通过控制使其它换流器子模块的电压提高从而使直流母 线电压维持不变，换流器具有冗余运行能力。
【文档编号】H02H7/26GK105991055SQ201510099144
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年3月6日
【发明人】姜田贵, 方太勋, 谢晔源, 连建阳, 欧阳有鹏, 朱铭炼, 段军, 刘洪德, 殷冠贤
【申请人】南京南瑞继保电气有限公司, 南京南瑞继保工程技术有限公司