电力电子有载分接开关及其控制方法与流程

本申请涉及高压直流输电技术领域，具体涉及电力电子有载分接开关及其控制方法。

背景技术：

随着高压直流输电技术的不断发展，高压直流输电容量也不断提升。在所有高压直流输电工程中，换流变压器属于最重要的设备之一，而其配套使用的有载分接开关也是补偿交流电网电压波动、整流及逆变控制角优化、实现直流降压运行模式的关键设备。

换流变压器与电力变压器不同，电力变压器用有载分接开关在交流正弦波级电压的作用下，开断交流正弦波电流，调压范围不大，一般为±8×1.25％。而换流变压器调压范围大，正负方向一般不对称，正负总的调压范围可达30％～40％；网侧电流为有陡波前的方波电流，电流上升率di/dt大于正弦波，有载分接开关的切换条件更加严厉。

目前，我国高压直流输电工程所使用的机械有载分接开关多为油浸式真空有载分接开关，但其机械结构复杂易引发机械机构断裂、有载开关故障后绝缘油易引发爆炸起火，给高压直流输电运行带来安全隐患。

现有技术的一些方案中，利用电力电子开关替代切换电路的机械开关，使得调压过程中，实现无弧切换，此方案为混合有载分接开关，并没有取消机械切换机构。

现有技术的一些方案中，利用电力电子开关替代分接开关，取消切换电路，通过控制电力电子开关的开通与关断，来控制投入调压绕组的级数，此方案为电力电子有载分接开关，但只适合35kv电压等级以下，调压级数少的变压器有载分接开关。当电压等级提高，调压级数增加，功率半导体模块两端的最大耐受电压也会提高，需要通过增加功率半导体器件串联数来耐受更高的电压。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种电力电子有载分接开关，包括调压支路、通流支路和辅助切换电路，所述调压支路包括串联连接的第一调压电路和第二调压电路，所述第一调压电路包括串联连接的第一功率半导体模块和第一调压绕组；所述第二调压电路包括串联连接的第二功率半导体模块和第二调压绕组，所述第一调压绕组和所述第二调压绕组是变压器的原边绕组；所述通流支路与所述调压支路并联连接在所述电力电子有载分接开关的输入端和输出端之间，所述通流支路包括串联连接的第一通流电路和第二通流电路，所述第一通流电路包括第三功率半导体模块，所述第二通流电路包括第四功率半导体模块；所述辅助切换电路的一端连接于所述第一调压电路和所述第二调压电路的连接点，另一端连接于所述第一通流电路和所述第二通流电路的连接点，所述辅助切换电路包括并联连接的第五功率半导体模块和电阻。

根据一些实施例，所述第一功率半导体模块、所述第二功率半导体模块、所述第三功率半导体模块、所述第四功率半导体模块、所述第五功率半导体模块均包括：至少一个全控型功率开关器件模块和非线性电阻，所述全控型功率开关器件模块包括两只反向串联连接的全控型功率开关器件，所述全控型功率开关器件两端均反并联有二极管；所述非线性电阻并联连接在所述全控型功率开关器件模块两端。

根据一些实施例，所述第一功率半导体模块、所述第二功率半导体模块、所述第三功率半导体模块、所述第四功率半导体模块、所述第五功率半导体模块均包括至少一个全桥模块和非线性电阻，所述全桥模块包括四只全控型功率开关器件及电容器，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管；所述非线性电阻并联连接在串联连接的至少一个所述全桥模块两端。

根据一些实施例，所述第一功率半导体模块、所述第二功率半导体模块、所述第三功率半导体模块、所述第四功率半导体模块、所述第五功率半导体模块均包括反向并联的两组单向通流模块和非线性电阻，所述单向通流模块包括正向串联连接的至少一对全控型功率开关器件和不控器件，所述全控型功率开关器件两端均反并联有二极管；所述非线性电阻与所述反向并联的两组单向通流模块互相并联。

根据一些实施例，所述第一功率半导体模块、所述第二功率半导体模块、所述第三功率半导体模块、所述第四功率半导体模块、所述第五功率半导体模块均包括非线性电阻、全控型功率开关器件串联模块和不控器件全桥模块，所述不控器件全桥模块的每个桥臂包括正向串联连接的至少两个不控器件，两个桥臂的中点作为所述功率半导体模块的输入端和输出端，所述全控型功率开关器件两端均反并联二极管；所述非线性电阻、全控型功率开关器件串联模块和不控器件全桥模块的两个桥臂互相并联连接。

本申请实施例还提供一种如上所述电力电子有载分接开关的控制方法，包括：控制所述第一功率半导体模块、所述第二功率半导体模块、所述第三功率半导体模块、所述第四功率半导体模块、所述第五功率半导体模块的开通与关断，来投入与退出所述第一调压绕组、第二调压绕组，从而调节所述电力电子有载分接开关所处的挡位，使电流从所述调压支路和所述通流支路并联连接的一端流入，从所述调压支路和所述通流支路并联连接的另一端流出。

根据一些实施例，所述电力电子有载分接开关所处的挡位为i挡时，关断所述第一功率半导体模块、所述第二功率半导体模块，开通所述第三功率半导体模块、所述第四功率半导体模块、所述第五功率半导体模块，电流经所述第一通流电路、所述第二通流电路流通，接入变压器的原边的调压绕组级数为0，所述第一功率半导体模块、所述第二功率半导体模块两端压降仅为1级调压绕组的电压。

根据一些实施例，所述变压器的副边电压高于额定电压时，需要所述电力电子有载分接开关挡位从i挡调至ii挡，使电流经所述第一调压电路、所述辅助切换电路、所述第二通流电路流通，接入所述变压器的原边的调压绕组级数为1，所述第二功率半导体模块、所述第三功率半导体模块两端压降仅为1级调压绕组的电压；变压器副边电压高于额定电压时，需要所述电力电子有载分接开关挡位从ii挡调至iii挡，使电流经所述第一调压电路、所述第二调压电路流通，接入变压器原边的调压绕组级数为2，所述第三功率半导体模块、所述第四功率半导体模块两端压降仍仅为1级调压绕组的电压；变压器副边电压低于额定电压时，需要所述电力电子有载分接开关挡位从iii挡调至ii挡，ii挡调至i挡。

根据一些实施例，所述电力电子有载分接开关挡位从i挡调至ii挡，包括：关断所述第五功率半导体模块；开通所述第一功率半导体模块；投入所述电阻和所述第一调压绕组；关断所述第三功率半导体模块；开通所述第五功率半导体模块。

根据一些实施例，所述电力电子有载分接开关挡位从ii挡调至iii挡，包括：关断所述第五功率半导体模块；开通所述第二功率半导体模块；投入所述电阻和所述第二调压绕组；关断所述第四功率半导体模块；开通所述第五功率半导体模块。

本申请实施例提供的技术方案，可将有载分接开关通过串联连接的方式，增加可投入变压器原边的调压绕组级数，提高有载分接开关可调节的挡数。电力电子有载分接开关相比于机械有载分接开关，取消了机械机构，也无需使用绝缘油，消除了目前高压直流输电工程换流变有载分接开关所存在的两大隐患。且功率半导体模块两端压降，在有载调压各个挡位下，均为1级调压绕组的电压，降低所需功率半导体器件串联数。通过控制辅助切换电路中功率半导体模块的开通与关断，投入或退出电阻，能起到限制调压切换过程中的绕组瞬时的短接电流的效果，增加可行性，而且辅助切换电路为三个挡位切换中共用，能够减少电力电子器件的数量，提高经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的一种电力电子有载分接开关示意图。

图2是本申请实施例提供的一种功率半导体模块示意图之一。

图3是本申请实施例提供的一种功率半导体模块示意图之二。

图4是本申请实施例提供的一种功率半导体模块示意图之三。

图5是本申请实施例提供的一种功率半导体模块示意图之四。

图6是本申请实施例提供的一种电力电子有载分接开关的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1是本申请实施例提供的一种电力电子有载分接开关示意图，包括调压支路、通流支路和辅助切换电路e。

调压支路包括串联连接的第一调压电路a和第二调压电路b。第一调压电路a包括串联连接的第一功率半导体模块1和第一调压绕组6。第二调压电路b包括串联连接的第二功率半导体模块2和第二调压绕组7。第一调压绕组和所述第二调压绕组是变压器的原边绕组。

通流支路与调压支路并联连接，调压支路和通流支路并联连接的一端为电力电子有载分接开关的输入端a，另一端为电力电子有载分接开关的输出端b。通流支路包括串联连接的第一通流电路c和第二通流电路d，第一通流电路c包括第三功率半导体模块3，第二通流电路d包括第四功率半导体模块4。

辅助切换电路e一端连接于第一调压电路a和第二调压电路b的连接点，另一端连接于第一通流电路c和第二通流电路d的连接点，辅助切换电路e包括并联连接的第五功率半导体模块5和电阻r。

图2是本申请实施例提供的一种功率半导体模块示意图之一。

如图2所示，第一功率半导体模块1、第二功率半导体模块2、第三功率半导体模块3、第四功率半导体模块4、第五功率半导体模块5均包括非线性电阻r1和至少一个全控型功率开关器件模块。

全控型功率开关器件模块包括两只反向串联连接的全控型功率开关器件，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管，非线性电阻r1并联连接在全控型功率开关器件模块两端。

图3是本申请实施例提供的一种功率半导体模块示意图之二。

如图3所示，第一功率半导体模块1、第二功率半导体模块2、第三功率半导体模块3、第四功率半导体模块4、第五功率半导体模块5均包括非线性电阻r2和至少一个全桥模块。

全桥模块包括四只全控型功率开关器件及电容器c1，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管。非线性电阻r2并联连接在串联连接的至少一个全桥模块两端。

图4是本申请实施例提供的一种功率半导体模块示意图之三。

如图4所示，第一功率半导体模块1、第二功率半导体模块2、第三功率半导体模块3、第四功率半导体模块4、第五功率半导体模块5均包括非线性电阻r3和反向并联的两组单向通流模块。

单向通流模块包括正向串联连接的至少一对全控型功率开关器件和不控器件，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管。非线性电阻r3与反向并联的两组单向通流模块互相并联。

图5是本申请实施例提供的一种功率半导体模块示意图之四。

如图5所示，第一功率半导体模块1、第二功率半导体模块2、第三功率半导体模块3、第四功率半导体模块4、第五功率半导体模块5均包括非线性电阻r4、全控型功率开关器件串联模块和不控器件全桥模块。

不控器件全桥模块的每个桥臂包括正向串联连接的至少两个不控器件，两个桥臂的中点作为功率半导体模块的输入端和输出端。全控型功率开关器件两端均反并联二极管。非线性电阻r4、全控型功率开关器件串联模块和不控器件全桥模块的两个桥臂互相并联连接。

本申请上述实施例提供的技术方案，可将有载分接开关可以通过串联连接的方式，增加可投入变压器原边的调压绕组级数，提高有载分接开关可调节的挡数。本申请提出的电力电子有载分接开关，相比于机械有载分接开关，取消了机械机构，也无需使用绝缘油，消除了目前高压直流输电工程换流变有载分接开关所存在的两大隐患。且功率半导体模块两端压降，在有载调压各个挡位下，均为1级调压绕组的电压，降低所需功率半导体器件串联数。

图6是本申请实施例提供的一种电力电子有载分接开关的控制方法流程示意图。

控制第一功率半导体模块1、第二功率半导体模块2、第三功率半导体模块3、第四功率半导体模块4、第五功率半导体模块5的开通与关断，来投入与退出第一调压绕组6、第二调压绕组7，从而调节所述电力电子有载分接开关所处的挡位，使电流从调压支路和通流支路并联连接的一端a流入，从调压支路和通流支路并联连接的另一端b流出。

电力电子有载分接开关所处的挡位为i挡时，关断第一功率半导体模块1、第二功率半导体模块2，开通第三功率半导体模块3、第四功率半导体模块4、第五功率半导体模块5，电流经第一通流电路c、第二通流电路d流通，接入变压器的原边的调压绕组级数为0，第一功率半导体模块1、第二功率半导体模块2两端压降仅为1级调压绕组的电压。

在s601中，变压器的副边电压高于额定电压时，需要电力电子有载分接开关挡位从i挡调至ii挡，使电流经第一调压电路a、所述辅助切换电路e、第二通流电路d流通，接入变压器的原边的调压绕组级数为1，第二功率半导体模块2、第三功率半导体模块3两端压降仅为1级调压绕组的电压。副边电压额定电压具体值根据变压器的参数确定，副边电压的值决定了原边调压绕组的级数。

在s602中，关断第五功率半导体模块5，开通第一功率半导体模块1，投入电阻r和第一调压绕组6。电阻r的投入可以抑制第一调压绕组6、第一功率半导体模块1、第三功率半导体模块3所组成回路的短路电流。

在s603中，关断第三功率半导体模块3，再次开通第五功率半导体模块5，调档完成。

在s604中，变压器副边电压高于额定电压时，需要电力电子有载分接开关挡位从ii挡调至iii挡，使电流经第一调压电路a、第二调压电路b流通，接入变压器原边的调压绕组级数为2，第三功率半导体模块3、第四功率半导体模块4两端压降仍仅为1级调压绕组的电压。

在s605中，关断第五功率半导体模块5，开通第二功率半导体模块2，投入电阻r和第二调压绕组7。电阻r的投入可以抑制第二调压绕组7、第二功率半导体模块2、第四功率半导体模块4所组成回路的短路电流。

在s606中，关断第四功率半导体模块4，再次开通第五功率半导体模块5，调档完成。

变压器副边电压低于额定电压时，需要电力电子有载分接开关挡位从iii挡调至ii挡，ii挡调至i挡。控制方法与挡位升高时类似。

本申请实施例提供的技术方案，电力电子有载分接开关的功率半导体模块两端压降，在有载调压各个挡位下，均为1级调压绕组的电压，降低所需功率半导体器件串联数。另外通过控制辅助切换电路中功率半导体模块的开通与关断，投入与退出电阻r，来抑制挡位切换过程的短路电流，挡位i挡与ii挡、ii挡与iii挡的调节共用同一辅助切换电路，减少功率半导体模块和电阻的数量，提高经济性。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。