一种混合式换流器拓扑结构及其控制方法与流程

1.本发明涉及电力电子中的换流技术领域，具体涉及一种混合式换流器拓扑结构及其控制方法。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种混合式换流器拓扑结构及其控制方法，以解决换相失败影响电网稳定安全运行的问题。
5.根据第一方面，本发明实施例提供了一种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：至少一相主支路，每相主支路包括上桥臂主支路和下桥臂主支路，所述上桥臂主支路上设置有第一晶闸管阀，所述下桥臂主支路上设置有第二晶闸管阀；所述主支路的一端接入直流母线，另一端接入所述换流变压器的输出端；至少一相辅助支路，每相辅助支路包括上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路，所述上桥臂辅助支路上设置有第一辅助换向阀，所述下桥臂辅助支路上设置有第二辅助换向阀；所述辅助支路与所述主支路并联，用于在所述主支路换相失败时，辅助所述主支路进行强迫换相；可关断阀，设置在所述主支路或者辅助支路上，用于强迫换相时，将所述主支路的电流转移至所述辅助支路。
6.结合第一方面，在第一方面的第一实施方式中，所述上桥臂辅助支路与所述上桥臂主支路并联，所述下桥臂辅助支路与所述下桥臂主支路并联；所述可关断阀设置在每相上桥臂主支路和每相下桥臂主支路上；其中，设置在上桥臂主支路上的所述可关断阀的一端连接所述第一晶闸管阀，另一端连接所述换流变压器的输出端；设置在下桥臂主支路上的所述可关断阀的一端连接所述第二晶闸管阀，另一端连接直流母线负极。
7.结合第一方面，在第一方面的第二实施方式中，所述上桥臂辅助支路与所述上桥臂主支路并联，所述下桥臂辅助支路与所述下桥臂主支路并联；所述可关断阀分别设置在所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路上；其中，设置在所述上桥臂辅助支路上的所述可关断阀的一端连接所述第一辅助换向阀，另一端连接所述换流变压器的输出端；设置在所述下桥臂辅助支路上的所述可关断阀的一端连接所述第二辅助换向阀，另一端连接直
流母线负极。
8.结合第一方面，在第一方面的第三实施方式中，所述上桥臂主支路和下桥臂主支路串联；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路串联；所述可关断阀的一端连接所述上桥臂主支路和所述下桥臂主支路的连接端，另一端连接所述换流变压器的输出端；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路的连接端与所述换流变压器的输出端连接。
9.结合第一方面，在第一方面的第四实施方式中，所述上桥臂主支路和下桥臂主支路串联；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路串联；所述可关断阀的一端连接所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路的连接端，另一端连接所述换流变压器的输出端；所述上桥臂主支路和所述下桥臂主支路的连接端与所述换流变压器的输出端连接。
10.结合第一方面，在第一方面的第五实施方式中，所述拓扑结构包括两个可关断阀，所述上桥臂主支路和下桥臂主支路串联；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路串联；其中，第一可关断阀的一端与每相上桥臂主支路连接，另一端与每相上桥臂辅助支路连接；第二可关断阀的一端与每相下桥臂主支路连接，另一端与每相下桥臂辅助支路连接。
11.结合第一方面，在第一方面的第六实施方式中，所述拓扑结构还包括：至少一个隔离阀，设置在交流母线上，用于隔离所述主支路和所述辅助支路之间的电压。
12.结合第一方面第六实施方式，在第一方面的第七实施方式中，所述至少一个隔离阀的第一端分别连接每相上桥臂主支路和每相下桥臂主支路的连接端，第二端连接所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路的连接端；所述拓扑结构包括两个可关断阀，所述上桥臂主支路和下桥臂主支路串联；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路串联；其中，第一可关断阀的一端与每相上桥臂主支路连接，另一端与每相上桥臂辅助支路连接；第二可关断阀的一端与下桥臂主支路连接，另一端与下桥臂辅助支路连接。
13.结合第一方面第六实施方式，在第一方面的第八实施方式中，所述上桥臂主支路和下桥臂主支路串联；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路串联；所述上桥臂主支路和下桥臂主支路均设置有所述可关断阀；每相上桥臂主支路的可关断阀与每相下桥臂主支路的可关断阀之间的连接端与所述隔离阀的第一端连接。
14.结合第一方面第六实施方式，在第一方面的第九实施方式中，所述上桥臂主支路和下桥臂主支路串联；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路串联；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路均设置有所述可关断阀，所述上桥臂辅助支路的可关断阀与所述下桥臂辅助支路的可关断阀之间的连接端与所述至少一个隔离阀的第二端连接。
15.结合第一方面第六实施方式，在第一方面的第十实施方式中，所述上桥臂主支路和下桥臂主支路串联；所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路串联；所述可关断阀的一端与所述至少一个隔离阀的第一端连接，另一端连接所述上桥臂辅助支路和所述下桥臂辅助支路的连接端。
16.结合第一方面第六实施方式，在第一方面的第十一实施方式中，所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀均包括：至少一个可控器件，用于反向电压阻断，所述至少一个可控器件串联设置；至少一个第一辅助部件，与所述至少一个可控器件并联设置；所述可控器件包括晶闸管、gto、逆阻型igct中的一种或多种。
17.结合第一方面，在第一方面的第十二实施方式中，所述可关断阀包括：至少一个第一功率单元，用于所述转移支路的导通控制和关断控制；第二辅助部件，与所述第一功率单
元并联设置。
18.结合第一方面第十二实施方式，在第一方面的第十三实施方式中，所述第一功率单元包括：第一支路，所述第一支路上设置有第一功率器件；或，第二支路和第三支路；其中，所述第二支路上设置有至少一个所述第一功率器件，所述至少一个所述第一功率器件串联设置；所述第三支路与所述第二支路的结构相同，且所述第三支路与所述第二支路并联设置；或，第四支路和第五支路；其中，所述第四支路上设置有至少一个第一二极管，所述至少一个第一二极管串联设置；所述第五支路与所述第四支路的结构相同，且所述第四支路与所述第五支路并联设置；或，第六支路和第七支路；其中，所述第六支路上设置有所述第一功率器件；所述第七支路上设置有所述第一功率器件和所述第二辅助部件，所述第一功率器件和所述第二辅助部件并联；所述第六支路与所述第七支路并联设置。
19.结合第一方面，在第一方面的第十四实施方式中，所述第一辅助换向阀和所述第二辅助换向阀包括：至少一个第二功率单元，所述至少一个第二功率单元串联；至少一个第三辅助部件，与所述至少一个第二功率单元并联。
20.结合第一方面第十四实施方式，在第一方面的第十五实施方式中，所述第二功率单元包括：第一连接支路，所述第一连接支路上设置有第二功率器件；或，第二连接支路；所述第二连接支路上设置有至少一个所述第二功率器件，所述至少一个所述第二功率器件反向串联；或，至少一个第三连接支路和至少一个第四连接支路；其中，所述第三连接支路与所述第一连接支路的结构相同，所述第四连接支路上设置有第二二极管或第一晶闸管；所述至少一个第三连接支路与所述至少一个第四连接支路交错串联设置；或，第五连接支路和第六连接支路；其中，所述第五连接支路上设置有至少一个所述第二功率器件，所述至少一个所述第二功率器件串联设置；所述第六连接支路与所述第五连接支路的结构相同，且所述第五连接支路与所述第六连接支路并联设置；所述第五连接支路、所述第六连接支路和所述第三辅助部件构成全桥结构；或，第七连接支路、第八连接支路和第九连接支路；其中，第七连接支路上设置有至少一个第三二极管，所述至少一个第三二极管串联设置；第八连接支路上设置有至少一个所述第二功率器件，所述至少一个所述第二功率器件串联设置；所述第九连接支路和所述第七连接支路的结构相同，所述第九连接支路和所述第八连接支路及所述第七连接支路并联；所述第七连接支路、第八连接支路、第九连接支路和所述第三辅助部件构成h桥结构。
21.结合第一方面第十一实施方式或第十二实施方式或第十四实施方式，在第一方面的第十六实施方式中，第一辅助部件、第二辅助部件和第三辅助部件包括：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种并联构成的第七缓冲支路。
22.根据第二方面，本发明实施例提供了一种混合式换流器拓扑结构的控制方法，用于第一方面或第一方面任一实施方式所述的混合式换流器拓扑结构，包括如下步骤：关断混合式换流器拓扑结构的辅助支路和/或可关断阀；导通混合式换流器拓扑结构的主支路和/或可关断阀；导通混合式换流器拓扑结构的辅助支路和/或可关断阀；关断混合式换流
器拓扑结构的辅助支路和/或可关断阀；经过一个控制周期后，导通混合式换流器拓扑结构的主支路的晶闸管阀，其中，i∈[1,6]。
[0023]
结合第二方面，在第二方面的第一实施方式中，所述方法还包括：所述混合式换流器拓扑结构的主支路与辅助支路周期性交替运行。
[0024]
本发明技术方案，具有如下优点：
[0025]
1.本发明实施例提供的混合式换流器拓扑结构，包括至少一相主支路、至少一相辅助支路以及可关断阀，且主支路与辅助支路并联设置，可关断阀设置在主支路或辅助支路上。在正常运行时，辅助支路可保持关断状态，只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时导通辅助支路，结合可关断阀的关断或导通将主支路的电流转移至辅助支路。通过在主支路的基础上并联可提供反向电压和具备自关断能力的辅助支路，实现主支路的可靠关断和每相桥臂的主动换相，从而在较短时间内实现辅助换相功能，避免换相失败的发生，从而保证电网的稳定安全运行。
[0026]
2.本发明实施例提供的混合式换流器拓扑结构，辅助支路可提前关断主支路电流，同时为主支路提供反向电压，保证其可靠关断，以避免出现换相失败的问题。
[0027]
3.本发明实施例提供的混合式换流器拓扑结构，可随时导通辅助支路，有效降低了主支路的损耗，同时可实现低电压和低关断角运行，从而降低了逆变侧无功功率。
[0028]
4.本发明实施例提供的混合式换流器拓扑结构的控制方法，混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路保持关断状态，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路和/或可关断阀，由此实现了强迫换相的混合式换流器拓扑结构能够工作于正常换相运行模式，即在暂时换相的运行模式下，辅助支路在混合式换流器正常运行时处于关断状态，只承受电压应力，减少了长期运行下的换流器损耗的增加量。当出现换相失败或交流短路故障时，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路和/或可关断阀，将主支路的电流强迫转移至辅助支路，当电流转移完成时，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路和/或可关断阀，实现混合式换流器的强迫换相。经过一个控制周期后，返回导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路和/或可关断阀的步骤，继续由主支路独立正常运行，从而实现保证了辅助支路仅在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。
[0029]
5.本发明实施例提供的强迫换相的控制方法，通过主支路与辅助支路的周期性交替运行，不仅能够抵御换相失败，而且无需对换相失败进行预测。同时保证了混合式换流器工作于小关断角的运行模式，降低了混合式换流器的无功消耗。
附图说明
[0030]
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。
[0031]
图1a是根据本发明实施例的混合式换流器拓扑结构的原理框图；
[0032]
图1b是根据本发明实施例的混合式换流器拓扑结构的另一原理框图；
[0033]
图2是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的结构框图；
[0034]
图3是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的另一结构框图；
[0035]
图4是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的另一结构框图；
[0036]
图5是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的另一结构框图；
[0037]
图6是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的另一结构框图；
[0038]
图7是根据本发明实施例的混合式换流器拓扑结构的另一原理框图；
[0039]
图8是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的另一结构框图；
[0040]
图9是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的另一结构框图；
[0041]
图10是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的另一结构框图；
[0042]
图11是根据本发明实施例可选的混合式换流器拓扑结构的另一结构框图；
[0043]
图12是根据本发明实施例的主支路的结构框图；
[0044]
图13是根据本发明实施例的可关断阀的结构框图；
[0045]
图14是根据本发明实施例的辅助换相阀的结构框图；
[0046]
图15是根据本发明实施例的缓冲部件的结构框图；
[0047]
图16是根据本发明实施例的混合式换流器拓扑结构的控制方法的流程图；
[0048]
图17是根据本发明实施例的正常运行状态的桥臂电流流通路径；
[0049]
图18是根据本发明实施例的主支路向辅助支路换流的电流流通过程；
[0050]
图19是根据本发明实施例的主支路和辅助支路周期性的触发控制时序；
[0051]
图20是根据本发明实施例的主支路的正常触发控制时序；
[0052]
图21是根据本发明实施例的正常运行状态的桥臂电流流通路径；
[0053]
图22是根据本发明实施例的主支路换相失败或短路故障的触发控制时序；
[0054]
图23是根据本发明实施例的主支路向辅助支路换流的电流流通过程；
[0055]
图24是根据本发明实施例的主支路和辅助支路周期性的触发控制时序；
[0056]
图25是根据本发明实施例的正常运行状态的桥臂电流流通路径；
[0057]
图26是根据本发明实施例的各阀触发控制时序；
[0058]
图27是根据本发明实施例的主支路向辅助支路换流的电流流通过程；
[0059]
图28是根据本发明实施例的主支路和辅助支路周期性的触发控制时序；
[0060]
图29是根据本发明实施例的各阀触发控制时序；
[0061]
图30是根据本发明实施例的主支路向辅助支路换流的电流流通过程；
[0062]
图31是根据本发明实施例的主支路和辅助支路周期性的触发控制时序；
[0063]
图32是根据本发明实施例的各阀触发控制时序；
[0064]
图33是根据本发明实施例的主支路向辅助支路换流的电流流通过程；
[0065]
图34是根据本发明实施例的主支路和辅助支路周期性的触发控制时序；
[0066]
图35是根据本发明实施例的各阀触发控制时序；
[0067]
图36是根据本发明实施例的主支路向辅助支路换流的电流流通过程；
[0068]
图37是根据本发明实施例的主支路和辅助支路周期性的触发控制时序。
[0069]
附图说明，1
‑
主支路，2
‑
辅助支路，3
‑
可关断阀，4
‑
隔离阀，11
‑
第一晶闸管阀，12
‑
第二晶闸管阀，21
‑
第一辅助换相阀，22
‑
第二辅助换相阀。
具体实施方式
[0070]
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。
[0071]
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。
[0072]
基于此，本发明技术方案在主支路的基础上设置辅助支路，并利用可关断阀的可关断能力，实现主支路的可靠关断，避免出现换相失败，保证了电网运行的稳定性和安全性。
[0073]
根据本发明实施例，提供了一种混合式换流器拓扑结构的实施例，该混合式换流器拓扑结构通过换流变压器接入交流电网。具体地，如图1a和图1b所示，该混合式换流器拓扑结构包括：至少一相主支路、至少一相辅助支路和可关断阀。其中，主支路的一端接入直流母线，另一端接入换流变压器的输出端，每相主支路包括上桥臂主支路和下桥臂主支路，在上桥臂主支路上设置有第一晶闸管阀，下桥臂主支路上设置有第二晶闸管阀，第一晶闸管阀和第二晶闸管阀主要用于通流；辅助支路与主支路并联，用于在主支路换相失败时，辅助主支路进行强迫换相，每相辅助支路包括上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路，上桥臂辅助支路上设置有第一辅助换向阀，下桥臂辅助支路上设置有第二辅助换向阀，第一辅助换向阀和第二辅助换向阀具备正向电流可控关断和正反向电压阻断功能；可关断阀可以设置在主支路上，如图1a所示；可关断阀也可以设置在辅助支路上，如图1b所示。需要说明的是，图中的虚线框表示为多个同样的单元。
[0074]
当混合式换流器在正常运行时，辅助支路可保持关断状态，只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时导通辅助支路，结合可关断阀的关断或导通将主支路的电流转移至辅助支路。
[0075]
本实施例提供的混合式换流器拓扑结构在主支路的基础上并联可提供反向电压和具备自关断能力的辅助支路，实现主支路的可靠关断和每相桥臂的主动换相，从而在较短时间内实现辅助换相功能，避免换相失败的发生，从而保证电网的稳定安全运行。
[0076]
具体地，如图2所示，所述拓扑结构为三相六桥臂电路，每相桥臂对应的上桥臂辅助支路与上桥臂主支路并联，下桥臂辅助支路与下桥臂主支路并联设置，可关断阀设置在每相上桥臂主支路和每相下桥臂主支路上。其中，设置在上桥臂主支路上的所述可关断阀的一端连接第一晶闸管阀，另一端连接换流变压器的输出端；设置在下桥臂主支路上的可关断阀的一端连接第二晶闸管阀，另一端连接直流母线负极。
[0077]
当混合式换流器在正常运行时，辅助支路可保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和可关断阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，关断可关断阀，导通辅助支路，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断辅助支路，实现主支路的强迫
换相。
[0078]
具体地，如图3所示，所述拓扑结构为三相六桥臂电路，上桥臂辅助支路与上桥臂主支路并联，下桥臂辅助支路与下桥臂主支路并联，可关断阀分别设置在上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路上。其中，设置在上桥臂辅助支路上的可关断阀的一端连接第一辅助换向阀，另一端连接换流变压器的输出端，且设置在下桥臂辅助支路上的可关断阀的一端连接第二辅助换向阀，另一端连接直流母线负极。
[0079]
当混合式换流器在正常运行时，辅助支路可保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，导通辅助支路的可关断阀以及上桥臂辅助换相阀，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断上桥臂辅助换相阀以及可关断阀，实现主支路的强迫换相。
[0080]
具体地，如图4所示，所述拓扑结构包括三相六桥臂电路，上桥臂主支路和下桥臂主支路串联，上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路串联，可关断阀的一端连接上桥臂主支路和下桥臂主支路之间的连接端，另一端连接换流变压器的输出端，上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路的连接端与换流变压器的输出端连接。与图2的构思类似，相当于将可关断阀设置在主支路上，通过将上桥臂主支路和下桥臂主支路串联，并将可关断阀的一端连接上桥臂主支路和下桥臂主支路之间的连接端，另一端连接换流变压器的输出端，实现了上桥臂主支路和下桥臂主支路可以共用一个可关断阀，减少了可关断阀的串联级数。
[0081]
当混合式换流器在正常运行时，辅助支路可保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和可关断阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，关断可关断阀，导通辅助支路，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断辅助支路，实现主支路的强迫换相。
[0082]
具体地，如图5所示，所述拓扑结构包括三相六桥臂电路，上桥臂主支路和下桥臂主支路串联，上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路串联，可关断阀的一端连接上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路的连接端，另一端连接换流变压器的输出端，上桥臂主支路和下桥臂主支路的连接端与换流变压器的输出端连接。与图3的构思类似，相当于将可关断阀设置在辅助支路上，通过将上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路串联，并将可关断阀的一端连接上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路的连接端，另一端连接换流变压器的输出端，实现了上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路可以共用一个可关断阀，减少了可关断阀的串联级数。
[0083]
当混合式换流器在正常运行时，辅助支路可保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，导通辅助支路的可关断阀以及上桥臂辅助换相阀，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断上桥臂辅助换相阀以及可关断阀，实现主支路的强迫换相。
[0084]
具体地，如图6所示，所述拓扑结构中包括三相主支路和三相辅助支路，且三相主支路以及三相辅助支路均为三相六桥臂结构，此时可以在该拓扑结构中设置两个可关断阀。其中，第一可关断阀的一端与每相上桥臂主支路连接，另一端与每相上桥臂辅助支路连接；第二可关断阀的一端与每相下桥臂主支路连接，另一端与每相下桥臂辅助支路连接。
[0085]
当混合式换流器在正常运行时，辅助支路可保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和可关断阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，关断可关断阀，导通辅助支路的上桥臂辅助换相阀，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断辅助支路的上桥臂辅助换相阀，实现主支路的强迫换相。
[0086]
通过将两个可关断阀分别设置在主支路与辅助支路连接的直流母线上，实现了三相上桥臂主支路可以共用一个可关断阀以及三相下桥臂主支路可以共用一个可关断阀，减少了可关断阀的串联级数。
[0087]
具体地，如图7所示，所述拓扑结构还可以包括至少一个隔离阀。该隔离阀设置在交流母线上，该交流母线与换流变压器的输出端连接。其中，隔离阀用于隔离主支路和辅助支路之间产生的高电压。
[0088]
具体地，如图8所示，所述拓扑结构中包括三相主支路和一相辅助支路，且三相主支路为三相六桥臂结构，上桥臂主支路和下桥臂主支路串联，上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路串联，此时可以在该拓扑结构中设置两个可关断阀。其中，第一可关断阀的一端与每相上桥臂主支路连接，另一端与上桥臂辅助支路连接；第二可关断阀的一端与每相下桥臂主支路连接，另一端与下桥臂辅助支路连接。三个隔离阀的第一端分别连接每相上桥臂主支路和每相下桥臂主支路的连接端，第二端均与上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路之间的连接端连接。
[0089]
当混合式换流器在正常运行时，关断隔离阀，辅助支路保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和可关断阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，关断可关断阀，导通隔离阀以及辅助支路的上桥臂辅助换相阀，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断辅助支路的上桥臂辅助换相阀，实现主支路的强迫换相。
[0090]
具体地，如图9所示，所述拓扑结构中包括三相主支路和一相辅助支路，且三相主支路为三相六桥臂结构，上桥臂主支路和下桥臂主支路串联，上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路串联，此时可以在该拓扑结构中设置六个可关断阀，即在上桥臂主支路和下桥臂主支路均设置有一可关断阀。每相上桥臂主支路的可关断阀与每相下桥臂主支路的可关断阀之间的连接端分别与三个隔离阀的第一端连接；上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路之间的连接端与各个隔离阀的第二端连接。
[0091]
图9与图8的构思类似，为了精准控制每个主支路的运行，在各相的上桥臂主支路和下桥臂主支路均设置可关断阀。当混合式换流器在正常运行时，关断隔离阀，辅助支路保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和可关断阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，关断可关断阀，导通隔离阀以及辅助支路的上桥臂辅助换相阀，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断辅助支路的上桥臂辅助换相阀，实现主支路的强迫换相。在下个控制周期启动导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀之前或同时关断隔离阀，由主支路独立运行。
[0092]
具体地，如图10所示，所述拓扑结构中包括三相主支路和一相辅助支路，且三相主支路为三相六桥臂结构，上桥臂主支路和下桥臂主支路串联，上桥臂辅助支路和下桥臂辅
助支路串联，此时可以在该拓扑结构中设置两个可关断阀，即在上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路上均设置有一可关断阀。每相上桥臂主支路的可关断阀与每相下桥臂主支路的可关断阀之间的连接端分别与三个隔离阀的第一端连接；各个隔离阀的第二端连接上桥臂辅助支路的可关断阀与下桥臂辅助支路的可关断阀之间的连接端。
[0093]
图10的拓扑结构相当于将可关断阀设置在辅助支路上，当混合式换流器在正常运行时，关断隔离阀，辅助支路保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，导通隔离阀、可关断阀以及辅助支路的上桥臂辅助换相阀，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断可关断阀以及助支路的上桥臂辅助换相阀，实现主支路的强迫换相。在下个控制周期启动导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀之前或同时关断隔离阀，由主支路独立运行。
[0094]
具体地，如图11所示，所述拓扑结构中包括三相主支路和一相辅助支路，且三相主支路为三相六桥臂结构，上桥臂主支路和下桥臂主支路串联，上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路串联，此时可以在该拓扑结构中设置一个可关断阀，即可关断阀的一端分别与三个隔离阀的第一端连接，另一端连接上桥臂辅助支路和下桥臂辅助支路的连接端。
[0095]
当混合式换流器在正常运行时，关断隔离阀和可关断阀，辅助支路保持关断状态，导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀，此时辅助支路只需承担电压应力，由主支路承载正常运行电流；当主支路换相失败或交流短路故障时，导通隔离阀、可关断阀以及辅助支路的上桥臂辅助换相阀，将主支路的电流转移至辅助支路，当主支路上的电流完全转移至辅助支路时，关断可关断阀以及助支路的上桥臂辅助换相阀，实现主支路的强迫换相。在下个控制周期启动导通第i个桥臂的主支路的晶闸管阀之前或同时关断隔离阀，由主支路独立运行。
[0096]
可选地，图1至图11中的上桥臂主支路设置有第一晶闸管阀，下桥臂主支路设置有第二晶闸管阀。具体地，如图12所示，第一晶闸管阀以及第二晶闸管阀均可以包括：至少一个可控器件以及至少一个第一辅助部件，其中，至少一个可控器件串联设置，至少一个第一辅助部件分别与至少一个可控器件并联设置，即第一辅助部件的数目与可控器件的数目相等。可控器件主要用于反向电压阻断，可以包括晶闸管、gto、逆阻型igct中的一种或多种，此处不作具体限定。
[0097]
可选地，图1至图11中的可关断阀可以包括：至少一个第一功率单元以及第二辅助部件，其中，第一功率单元用于转移支路的导通控制和关断控制，第二辅助部件与第一功率单元并联设置。
[0098]
具体地，如图13a所示，第一功率单元可以为第一支路组成的电力电子单元，其中，第一支路上设置有第一功率器件。如图13b所示，第一功率单元可以为第二支路和第三支路组成的电力电子单元。其中，第二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；第三支路与第二支路的结构相同，且第三支路与第二支路并联设置。如图13c所示，第一功率单元可以为第四支路和第五支路组成的电力电子单元。其中，第四支路上设置有至少一个第一二极管，且至少一个第一二极管串联设置；第五支路与第四支路的结构相同，且第四支路与第五支路并联设置。如图13d所示，第一功率单元还可以为第六支路和第七支路组成的电力电子单元。其中，第六支路上设置有第一功率器件；第七支路上与第六支路并联设置，第七支路上设置有第一功率器件和第二辅助部件，且第一功率器件和
第二辅助部件并联。其中，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可以为igbt、igct、gto以及mosfet中的一种或多种，此处不作限定。
[0099]
可选地，图1至图11中的上桥臂辅助支路设置有第一辅助换向阀，下桥臂辅助支路设置有第二辅助换向阀。第一辅助换向阀和第二辅助换向阀均可以包括：至少一个第二功率单元和至少一个第三辅助部件，且至少一个第二功率单元串联，至少一个第三辅助部件与至少一个第二功率单元并联，即第三辅助部件的数目与第二功率器件的数目相同。
[0100]
具体地，如图14a所示，第二功率单元可以为第一连接支路组成的电力电子单元，其中，第一连接支路上设置有第二功率器件。如图14b所示，第二功率单元可以为第二连接支路组成的电力电子单元，其中，第二连接支路上设置有至少一个所述第二功率器件，且至少一个第二功率器件反向串联。如图14c所示，第二功率单元可以为至少一个第三连接支路和至少一个第四连接支路组成的电力电子单元，其中，第三连接支路与第一连接支路的结构相同，第四连接支路上设置有第二二极管或第一晶闸管，至少一个第三连接支路与至少一个第四连接支路交错串联设置。如图14d所示，第二功率单元可以为第五连接支路和第六连接支路组成的电力电子单元，其中，第五连接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，第六连接支路与第五连接支路的结构相同，且第五连接支路与第六连接支路并联设置，第五连接支路、第六连接支路和第三辅助部件构成全桥结构。如图14e所示，第二功率单元可以为第七连接支路、第八连接支路和第九连接支路组成的电力电子单元，其中，第七连接支路上设置有至少一个第三二极管，且至少一个第三二极管串联设置，第八连接支路上设置有至少一个所述第二功率器件，且至少一个第二功率器件串联设置，第九连接支路和第七连接支路的结构相同，第九连接支路和第八连接支路及第七连接支路并联，第七连接支路、第八连接支路、第九连接支路和第三辅助部件构成h桥结构。其中，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可以为igbt、igct、gto以及mosfet中的一种或多种，此处不作限定。
[0101]
具体地，如图15所示，第一辅助部件、第二辅助部件和第三辅助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、第四缓冲支路、第五缓冲支路和第六缓冲支路中多个并联构成的第七缓冲支路。
[0102]
根据本发明实施例，提供了一种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。
[0103]
在本实施例中提供了一种混合式换流器拓扑结构的控制方法，可用于上述的混合式换流器拓扑结构，图16是根据本发明实施例的混合式换流器拓扑结构的控制方法流程图，如图16所示，该流程包括如下步骤：
[0104]
s11，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路和/或可关断阀。
[0105]
s12，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路和/或可关断阀；
[0106]
s13，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路和/或可关断阀；
[0107]
s14，经过一个控制周期后，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路和/或可关断阀，其中，i∈[1,6]。
[0108]
具体地，混合式换流器拓扑结构在正常运行条件下主支路周期性承受电压和电流应力，辅助支路一直处于关断状态，只在主支路关断时承受电压应力。混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路保持关断状态，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路和/或可关断阀，由此实现了强迫换相的混合式换流器拓扑结构能够工作于正常换相运行模式，即在暂时换相的运行模式下，辅助支路在混合式换流器正常运行时处于关断状态，只承受电压应力，减少了长期运行下的换流器损耗的增加量。当出现换相失败或交流短路故障时，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路和/或可关断阀，将主支路的电流强迫转移至辅助支路，当电流转移完成时，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路和/或可关断阀，实现混合式换流器的强迫换相。经过一个控制周期后，返回导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路和/或可关断阀的步骤，继续由主支路独立正常运行。
[0109]
本发明实施例提供的混合式换流器拓扑结构的控制方法，实现保证了辅助支路仅在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。
[0110]
对于如图2所示的拓扑结构，该控制方法主要包括如下步骤：
[0111]
s21，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和可关断阀。
[0112]
s22，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路。
[0113]
s23，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的可关断阀。
[0114]
s24，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路。
[0115]
s25，经过一个控制周期后，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路的晶闸管阀和可关断阀，其中，i∈[1,6]。
[0116]
如图17所示为混合式换流器拓扑结构在正常运行条件下的阀电流流通路径，主支路周期性承受电压和电流应力，辅助支路一直处于关断状态，只在主支路的晶闸管阀关断时承受电压应力。
[0117]
图18a、图18b和图18c为主支路向辅助支路换流时关断主支路，辅助支路开始承受电压应力，该过程分为三个阶段，图18a为主支路向辅助支路换流阶段，该阶段辅助支路接收到触发信号导通，紧接着辅助支路接收到导通信号，主支路的可关断阀接收到关断信号，将主支路的电流向辅助支路转移，向主支路施加反向电压；图18b为辅助支路通流阶段，该阶段主支路已完全关断，主支路电流已全部转移至辅助支路；图18c为辅助支路关断阶段，该阶段接收到关断信号时，关断辅助支路，此时的主支路处于关断状态并承受电压。在下个控制周期主支路的晶闸管阀导通之前或同时导通可关断阀。上述运行过程可以在换相故障或预测到换相故障时投入运行。
[0118]
图19为混合式换流器拓扑结构在换相失败或交流短路故障时的触发控制时序。图19中在t
f
时刻监测到主支路换相失败后，经过第一预设时长δt1时导通辅助支路v13阀，经过第二预设时长δt2时关断主支路的可关断阀，执行主支路向辅助支路的换流过程，且δt2≥δt1≥0。主支路电流i11逐渐减小至零，辅助支路电流i12逐渐增大，再经过第三预设时长δt3关断辅助支路，且主支路电流i11过零至辅助支路关断这段时间为晶闸管阀的关断时间t
off
，此处的t
off
大于晶闸管阀的最小关断时间以保证主支路的晶闸管阀拥有足够的时
间进行关断。辅助支路关断后，辅助支路电流将向相邻主支路进行换流直至达到直流电流i12，至此完成主支路的换相，成功抵御了换相失败故障，此后在下一个控制周期的晶闸管阀开通之前或同时导通主支路的可关断阀。在预测到换相失败将要发生或检测到换相失败发生时启动此种运行模式，可成功避免换相失败发生，待换流器换相过程恢复正常时即退出该运行模式，辅助支路保持关断状态，由主支路独立正常运行。
[0119]
本实施例提供的强迫换相的控制方法，在换相失败或短路故障时，控制混合式换流器拓扑结构开启强迫换相的运行模式，避免了换相失败的发生，并在混合式换流器换相过程恢复正常时退出强迫换相的运行模式，辅助支路继续保持关断状态，由主支路独立正常运行，从而实现保证了辅助支路仅在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。
[0120]
图20所示为混合式换流器拓扑结构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。具体运行过程如图18a、图18b和图18c所示。在主支路换相开始时刻，即主支路的晶闸管阀触发脉冲sg1延时120
°
，或者在此刻附近触发辅助支路，并经过较短时间(例如1s、5s等)关断主支路的可关断阀，实现主支路向辅助支路的换流。主支路电流过零之后，主支路关断并承受反向电压，且主支路电流过零至辅助支路关断这段时间为晶闸管阀的关断时间t
off
，且t
off
大于晶闸管阀的最小关断时间保证其可靠关断，至此，v1阀电流全部转移至辅助支路，经过δt后辅助支路阀开始关断，主支路开始承受正向电压，然后在下一个工作周期主支路的晶闸管阀开通之前导通主支路的可关断阀。该种运行模式下，混合式换流器拓扑结构的桥臂中的主支路与辅助支路周期性交替运行，在具备抵御换相失败能力的基础上，无需预测换相失败，同时可以使混合式换流器处于小关断角运行模式，减少混合式换流器的无功消耗。
[0121]
对于如图3所示的拓扑结构，该控制方法主要包括如下步骤：
[0122]
s31，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路。
[0123]
s32，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路和可关断阀。
[0124]
s33，关断混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的辅助支路和可关断阀。
[0125]
s34，经过一个控制周期后，导通混合式换流器拓扑结构的第i个桥臂的主支路，其中，i∈[1,6]。
[0126]
具体地，如图21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，主支路周期性承受电压和电流应力，辅助支路一直处于关断状态，只在主支路的晶闸管阀关断时承受电压应力。
[0127]
图22为混合换流器拓扑结构的触发控制时序，图中t0表示初始触发时刻。
[0128]
图23a、图23b和图24c为主支路向辅助支路换流时，辅助支路开始承受电压应力，该过程分为三个阶段，图23a为主支路向辅助支路换流阶段，该阶段辅助支路接收到触发信号导通，紧接着设置在辅助支路的可关断阀接收到开通信号，向主支路施加反向电压，将主支路的电流向辅助支路转移；图23b为辅助支路通流阶段，该阶段主支路已完全关断，主支路电流全部转移至辅助支路；图23c为辅助支路关断阶段，该阶段接收到关断信号时，先关断辅助支路的上桥臂辅助换相阀，此时的主支路处于关断状态用于承受正向电压，随后在下个控制周期主支路的晶闸管阀开通之前关断可关断阀。上述运行过程可以在换相故障或预测换相故障时投入运行。
[0129]
图24所示为强迫换相的混合式换流器拓扑结构预先检测到换相失败或短路故障时的控制触发时序，主支路与辅助支路周期性交替运行时的各阀控制触发时序，具体运行过程如图23a、图23b和图24c所示。该种运行模式下，强迫换相的混合式换流器拓扑结构的桥臂中的主支路与辅助支路周期性交替运行，在具备抵御换相失败能力的基础上，无需预测换相失败，同时可以使混合式换流器处于小关断角运行模式，减少混合式换流器的无功消耗。
[0130]
基于上述的控制方法，对于如图5所示的拓扑结构，其正常运行模式如图25所示。图26为混合换流器拓扑结构的触发控制时序，图中t0表示初始触发时刻。图27a、图27b和图27c为主支路向辅助支路换流过程。图28为主支路与辅助支路周期性交替运行时的各阀控制触发时序，具体运行过程如图图27a、图27b和图27c。
[0131]
图4所示的拓扑结构，其控制方法与图5所示的拓扑结构的控制方法类似，此次不再赘述。
[0132]
基于上述的控制方法，对于如图6所示的拓扑结构，图29为混合换流器拓扑结构的触发控制时序，图中t0表示初始触发时刻。图30a、图30b和图30c为主支路向辅助支路换流过程。图31为主支路与辅助支路周期性交替运行时的各阀控制触发时序，具体运行过程如图图30a、图30b和图30c。
[0133]
基于上述的控制方法，对于如图8所示的拓扑结构，图32为混合换流器拓扑结构的触发控制时序，图中t0表示初始触发时刻。图33a、图33b和图33c为主支路向辅助支路换流过程。图34为主支路与辅助支路周期性交替运行时的各阀控制触发时序，具体运行过程如图33a、图33b和图33c。
[0134]
图9和图10所示的拓扑结构，其控制方法与图8所示的拓扑结构的控制方法类似，此次不再赘述。
[0135]
基于上述的控制方法，对于如图11所示的拓扑结构，图35为混合换流器拓扑结构的触发控制时序，图中t0表示初始触发时刻。图36a、图36b和图36c为主支路向辅助支路换流过程。图37为主支路与辅助支路周期性交替运行时的各阀控制触发时序，具体运行过程如图36a、图36b和图36c。
[0136]
上述混合式拓扑结构的控制方法构思相同，均是在正常运行状态时保持辅助支路处于关断状态，由主支路进行独立工作。当主支路换相失败或交流短路故障时启动辅助支路，以辅助主支路进行换相，避免换相失败。
[0137]
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。