主动换相单元、混合式换流器拓扑结构及换流控制方法与流程

1.本发明涉及电力电子换流技术领域，具体涉及一种主动换相单元、混合式换流器拓扑结构及换流控制方法。


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。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。
3.目前存在一种具有可关断能力的混合式换流器，该混合式换流器具有可控换流模式和常规换流模式，其以晶闸管阀串联少量全控型器件为主支路，由多级具有反向阻断能力的可关断器件构成的全控型阀为辅助支路，两条支路并联连接，主支路全控型阀至少具备单向可关断能力，通过少量的可关断器件关断晶闸管阀电流，将电流转移至辅助支路，由辅助支路代替主支路进行各桥臂间换相，避免换相失败的发生。尽管其能够在出现故障时进入可控换流模式以实现各桥臂之间的换相，但若其常规换流模式能够稳定运行，则无需触发可控关断模式，其常规换流模式的稳定依赖于主支路全控型阀的稳定运行，当主支路全控型阀出现故障或是电流超限时，则难以保证混合式换流器在常规换流模式下的可靠运行。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种主动换相单元、混合式换流器拓扑结构及换流控制方法，以解决主支路全控型阀出现故障或是电流超限时，难以保证混合式换流器在常规换流模式下的可靠运行的问题。
5.根据第一方面，本发明实施例提供了一种主动换相单元，设置在换流器的桥臂电路中，其一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，该主动换相单元包括：主支路，所述主支路上设置有晶闸管阀和第一控制阀，所述第一控制阀用于正向电流的可控关断；辅助支路，与所述主支路并联设置，所述辅助支路上设置有第二控制阀，所述第二控制阀具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能；旁路支路，与所述第一控制阀并联设置，所述旁路支路用于保护所述第一控制阀或替代所述第一控制阀进行主支路通流。
6.结合第一方面，在第一方面的第一实施方式中，所述第一控制阀包括：多个控制子模块，所述多个控制子模块串联设置，所述控制子模块用于正向电流关断。
7.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，所述旁路支路包括：多个第一旁路子支路，所述第一旁路子支路分别并联设置在所述控制子模块的两端。
8.结合第一方面第一实施方式，在第一方面的第三实施方式中，所述旁路支路还包括：第二旁路子支路，所述第二旁路子支路的第一端与第一个控制子模块的第一端连接，所述第二旁路子支路的第二端与最后一个控制子模块的第一端连接。
9.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，所述第一旁路子支路和/或第二旁路子支路，包括：至少一个第一开关单元，所述至少一个第一开关单元串联设置。
10.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，所述第一旁路子支路和/或第二旁路子支路，包括：至少一个第一晶闸管，所述至少一个第一晶闸管串联设置。
11.根据第二方面，本发明技术方案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，所述拓扑结构包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，其特征在于，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有第一方面或第一方面任一实施方式所述的主动换相单元。
12.根据第三方面，本发明技术方案提供了一种混合式换流器拓扑结构的换流控制方法，用于如第二方面所述的混合式换流器拓扑结构，所述方法包括：获取主支路上设置的第一控制阀的工作状态；判断所述工作状态是否出现异常；当所述工作状态出现异常时，导通旁路支路。
13.结合第三方面，在第三方面的第一实施方式中，在获取主支路上设置的第一控制阀的工作状态之前，还包括：获取所述混合式换流器的换流模式，所述换流模式包括常规换流模式和可控换流模式；判断所述混合式换流器的换流模式是否为常规换流模式；当混合式换流器的换流模式为常规换流模式时，获取主支路上设置的第一控制阀的工作状态。
14.结合第三方面第一实施方式，在第三方面的第二实施方式中，所述方法还包括：当混合式换流器的换流模式为可控换流模式时，控制所述旁路支路处于关断状态，进行主支路与辅助支路之间的可控换流。
15.本发明技术方案具有如下优点：
16.1.本发明实施例提供的主动换相单元包括主支路、辅助支路以及旁路支路。其中，主支路上设置有晶闸管阀和第一控制阀，辅助支路与主支路并联设置，且辅助支路上设置有第二控制阀，第一控制阀具备正向电流的可控关断功能，第二控制阀具有正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能，采用两条支路并联，以便在交流系统故障时能够进入可控换流模式，由辅助支路完成各桥臂间换相，避免换相失败的发生。通过在第一控制阀的两端并联设置旁路支路，在第一控制阀出现故障时，能够导通旁路支路以维持主支路的正常通流进程，在出现电流故障时，通过导通旁路支路能够有效保护主支路的第一控制阀不被损坏，以便在电流故障时能够继续使用，保证了混合式换流器在常规换流模式下的可靠运行，进而在最大程度上保证了混合式换流器能够应对多种故障，以保证混合式换流器的运行稳定性，保证电网运行安全。
17.2.本发明实施例提供的混合式换流器拓扑结构，包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有主动换相单元，由此既能够保证混合式换流器能够工作于常规换流模式，以降低出现换相失败的概率，无需抵御换相失败，还能够保证不影响混合式换流器拓扑结构的可控换流模式，最大程度上提高了混合式换流器的可靠性和可用率。
18.3.本发明实施例提供的混合式换流器拓扑结构的换流控制方法，通过获取主支路上设置的第一控制阀的工作状态，在第一控制阀的工作状态出现异常时，导通旁路支路，以保护第一控制阀或替代第一控制阀进行主支路的正常通流，由此保证了混合式换流器拓扑结构能够工作于常规换流模式。
19.4.本发明实施例提供的混合式换流器拓扑结构的换流控制方法，在混合式换流器的换流模式为可控换流模式时，将旁路支路置于关断状态，以实现主支路与辅助支路之间的可控换流，且还可以通过导通旁路支路，以使该混合式换流器由可控换流模式切换至常规换流模式，完备混合式换流器的功能，进一步提高了混合式换流器的运行可靠性。
附图说明
20.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。
21.图1是本实施例的主动换相单元的结构框图；
22.图2是本实施例的第一控制阀和旁路支路的结构框图；
23.图3是本实施例的第一控制阀和旁路支路的另一结构框图；
24.图4是本实施例的第一/第二旁路子支路的拓扑结构图；
25.图5是本实施例的第一/第二旁路子支路的另一拓扑结构图；
26.图6是本实施例的第一控制阀的拓扑结构图；
27.图7是本实施例的混合式换流器拓扑结构的示意图；
28.图8是本实施例的混合式换流器拓扑结构的换流控制方法的流程图；
29.图9是本实施例的混合式换流器拓扑结构的换流控制方法的另一流程图。
具体实施方式
30.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。
31.目前具有可关断能力的混合式换流器一般具有可控换流模式和常规换流模式，其以晶闸管阀串联少量全控型器件为主支路，由多级具有反向阻断能力的可关断器件构成的全控型阀为辅助支路，两条支路并联连接，主支路全控型阀至少具备单向可关断能力，通过少量的可关断器件关断晶闸管阀电流，将电流转移至辅助支路，由辅助支路代替主支路进行各桥臂间换相，避免换相失败的发生。尽管其能够在出现故障时进入可控换流模式以实现各桥臂之间的换相，但若其常规换流模式能够稳定运行，则无需触发可控关断模式，其常规换流模式的稳定依赖于主支路全控型阀的稳定运行，当主支路全控型阀出现故障或是电流故障时，则难以保证混合式换流器在常规换流模式下的可靠运行。
32.基于此，本技术方案通过在主支路上设置的第一控制阀上并联旁路之路，以在第一控制阀出现故障或电流故障时，导通旁路支路，以维持有效正常的换流进程，避免第一控
制阀被损坏，保证了混合式换流器的可靠运行。
33.根据本发明实施例，提供了一种主动换相单元的实施例，该主动换相单元设置在换流器的桥臂电路中。该主动换相单元的一端连接换流变压器的输出端，另一端连接直流母线，如图1所示，该主动换相单元包括：主支路1、辅助支路2和旁路支路3，主支路1上沿换流变压器至直流母线的方向上依次设置有晶闸管阀11和第一控制阀12，旁路支路3并联设置于第一控制阀12的两端，在第一控制阀12出现故障而难以维持主支路的正常通流操作时，此时可以导通旁路支路3，由旁路支路3代替第一控制阀12进行主支路的正常通流操作，即通过旁路支路3辅助晶闸管阀11将电流从主支路转移至辅助支路；辅助支路2与主支路1并联设置，在辅助支路2上设置有第二控制阀13。其中，第一控制阀12具备正向电流的可控关断以及正反向电压的可控关断功能，第二控制阀13具备正向电流可控关断功能和正反向电压阻断功能。
34.具体地，第一控制阀12为低压全控阀，该低压全控阀可以为igbt、igct、iegt、gto或mosfet等可关断器件中的一种或多种。该旁路支路3可以由能够实现开关功能的元器件构成，在第一控制阀12出现故障时，导通旁路支路3，并在第一控制阀12恢复正常时予以关闭，由此可以作为第一控制阀12的备用支路以完成主支路的换流操作，还可以在故障电流来临、晶闸管阀v11误触发以及第一控制阀12未触发或误关断等故障时，通过导通旁路支路3以有效保护第一控制阀12不被损坏。在常规换流模式下，第一控制阀12出现故障时，旁路支路3闭合，则主支路上第一控制阀12被短路，同时辅助支路上第二控制阀13闭合，此时由主支路的晶闸管阀负责实现换流操作。
35.本实施例提供的主动换相单元，通过在第一控制阀的两端并联设置旁路支路，在第一控制阀出现故障时，能够通过导通旁路支路以维持主支路的正常通流进程；在出现电流故障时，通过导通旁路支路能够有效保护主支路的第一控制阀不被损坏，以便在电流故障时能够继续使用，保证了混合式换流器在常规换流模式下的可靠运行，进而在最大程度上保证了混合式换流器能够应对多种故障，以保证混合式换流器的运行可靠性，保证电网运行安全。
36.可选地，如图2所示，第一控制阀12可以包括多个控制子模块121，且多个控制子模块121串联设置，多个控制子模块121串联设置以实现正向电流关断的功能。具体地，如图6所示，该控制子模块121可以为两个并联支路构成的电力电子单元，其一支路上设置有功率器件w，另一支路上串联设置有电容元件c和功率器件w，其中功率器件w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。当然该控制子模块121还可以为其他拓扑形式，此处不作具体限定。
37.如图2所示，在第一控制阀12包括有多个控制子模块121时，旁路支路3可以包括多个第一旁路子支路31，且各个第一旁路子支路31并联设置在各个控制子模块121的两端，由此为第一控制阀12的各个控制子模块提供保护，当某一控制子模块出现故障时，闭合与其并联的第一旁路子支路，则整个第一控制阀12仍可正常运行。
38.可选地，如图3所示，在第一控制阀12包括有多个控制子模块121时，旁路支路3还可以包括第二旁路子支路32，第二旁路子支路32可以并联在多个控制子模块121构成的第一控制阀12的两端。具体地，控制子模块121包括第一端和第二端，第一个控制子模块121的第一端与晶闸管阀的一端连接，第一个控制子模块121的第二端与第二个控制子模块121的
第一端连接，第二个控制子模块121的第二端与第三个控制子模块121的第一端连接，依次类推，串联各个控制子模块121得到的第一控制阀12，即第二旁路子支路32的一端连接第一个控制子模块121的第一端，第二旁路子支路32的另一端连接最后一个控制子模块121的第二端。由此在为第一控制阀12的各个控制子模块提供保护的基础上，当各个控制子模块121均出现故障时，闭合与第一控制阀12并联的第二旁路子支路31，则第一控制阀12的各个控制模块121同时被短路，此时由主支路的晶闸管阀负责实现换流操作。
39.可选地，如图4所示，第一旁路子支路31和/或第二旁路子支路32可以包括：至少第一个第一开关单元k1，且各个第一开关单元k1串联设置，该第一开关单元k1为开关元器件。
40.可选地，如图5所示，第一旁路子支路31和/或第二旁路子支路32可以包括：至少第一个第一晶闸管j1，且各个第一晶闸管j1串联设置。在常规换流模式下，控制第一控制阀12和第二控制阀13全部闭合，并同步触发主支路的晶闸管阀1以及第二旁路子支路31中的第一晶闸管j1，此时由第二旁路子支路31中的第一晶闸管j1配合主支路的晶闸管阀1以实现换流操作。
41.根据本发明实施例，提供了一种强迫换相的混合式换流器拓扑结构，该拓扑结构通过换流变压器接入交流电网。如图7所示，该强迫换相的混合式换流器拓扑结构包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，且其至少一个上桥臂或下桥臂上设置有上述实施例所述的主动换相单元。
42.具体地，如图7所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构包括3个上桥臂和3个下桥臂。每个主动换相单元作为一个换流阀，针对图7所述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，即包括换流阀v1、换流阀v2、换流阀v3、换流阀v4、换流阀v5和换流阀v6。3个上桥臂的主支路分别包括晶闸管阀v11、v31和v51，还包括与晶闸管阀串联设置的第一控制阀v12、v32和v52；3个上桥臂的辅助支路分别包括第一控制阀v13、v33和v53；3个下桥臂的主支路分别包括晶闸管阀v21、v41和v61，还包括与晶闸管阀串联设置的第一控制阀v22、v42和v62，3个下桥臂的辅助支路分别包括第一控制阀v23、v43和v63，并在各个第一控制阀v12、v32、v52、v22、v42和v62的两端并联旁路支路3。通过触发控制系统控制晶闸管阀、第一控制阀、第二控制阀以及旁路支路的关断与导通，以实现混合式换流器拓扑结构的换流操作。
43.本实施例提供的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，包括三相六桥臂电路，每相桥臂分别包括上桥臂和下桥臂，至少一个上桥臂或下桥臂上设置有主动换相单元，由此既能够保证混合式换流器能够工作于常规换流模式，以降低出现换相失败的概率，无需抵御换相失败，还能够保证不影响混合式换流器拓扑结构的可控换流模式，最大程度上提高了混合式换流器的运行稳定性。
44.根据本发明实施例，提供了一种混合式换流器拓扑结构的换流控制方法的实施例，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。
45.在本实施例中提供了一种混合式换流器拓扑结构的换流控制方法，可用于上述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，图8是根据本发明实施例的混合式换流器拓扑结构的换流控制方法的流程图，如图8所示，该流程包括如下步骤：
46.s21，获取主支路上设置的第一控制阀的工作状态。
47.第一控制阀的工作状态用于表征第一控制阀是否出现运行异常，例如主支路晶闸管阀误触发、主支路第一控制阀未触发或误关断等。混合式换流器通过其相应的触发控制系统检测换流进程，以获取第一控制阀的工作状态。
48.s22，判断工作状态是否出现异常。
49.混合式换流器根据触发控制系统检测到的第一控制阀的工作状态，以确定工作状态是否出现故障电流、主支路晶闸管阀误触发、主支路第一控制阀出现未触发或误关断等故障。当工作状态出现异常时，执行步骤s23，否则执行其他操作，该其他操作可以是继续维持当前换流操作的运行，还可以是继续检测工作状态是否出现异常，此处对其他操作不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需要确定。
50.s23，导通旁路支路。
51.当工作状态出现异常时，表示第一控制阀出现了运行异常，此时可以导通旁路支路，以将第一控制阀短路，使得旁路支路保护第一控制阀或替代第一控制阀进行主支路的正常通流，避免第一控制阀运行异常而影响主支路的通流操作。例如，当出现电流故障时，此时可以导通旁路支路以对第一控制阀进行有效保护，避免第一控制阀被损坏。
52.本实施例提供的混合式换流器拓扑结构的换流控制方法，通过获取主支路上设置的第一控制阀的工作状态，在第一控制阀的工作状态出现异常时，导通旁路支路，以保护第一控制阀或替代第一控制阀进行主支路的正常通流，由此保证了混合式换流器拓扑结构能够工作于常规换流模式。
53.在本实施例中提供了一种混合式换流器拓扑结构的换流控制方法，可用于上述的强迫换相的混合式换流器拓扑结构，图9是根据本发明实施例的混合式换流器拓扑结构的换流控制方法的流程图，如图9所示，该流程包括如下步骤：
54.s31，获取混合式换流器的换流模式，换流模式包括常规换流模式和可控换流模式。
55.混合式换流器能够实时检测其换流所采用的换流模式，该换流模式包括常规换流模式和可控换流模式。常规换流模式为换流阀处于整流运行(功率反送)的状态，无需抵御换相失败，此时换流阀可闭合旁路支路，并控制辅助支路的第二控制阀闭合，由此换流阀能够和传统换流阀一样通过晶闸管阀的动作实现正常的换流操作。
56.可控换流模式包括正常运行和交流故障强迫换相运行，正常运行时主支路周期性导通，流过直流电流，当主支路导通120
°
后，在低电流下关断主支路第一控制阀，导通辅助支路，主支路第一控制阀建立正向电压，主支路晶闸管阀承受反压可靠关断；当逆变侧交流故障时，换流阀运行于强迫换相，在换流阀换相开始后导通辅助支路，关断主支路第一控制阀，将电流转移至辅助支路，同时主支路晶闸管阀建立反压，待主支路晶闸管阀关断后，关断辅助支路第二控制阀，电流转移至辅助支路，进而成功完成桥臂间换相。
57.s32，判断混合式换流器的换流模式是否为常规换流模式。
58.混合式换流器能够基于常规换流模式和可控换流模式的运行区别，确定其当前的换流模式是否为常规换流模式。当换流模式为常规换流模式时，执行步骤s33，当换流模式为可控换流模式时，执行步骤s36。
59.s33，获取主支路上设置的第一控制阀的工作状态。
60.当混合式换流器的换流模式为常规换流模式时，获取第一控制阀的工作状态，以
确定第一控制阀的工作状态是否正常。对获取第一控制阀的工作状态的详细说明参见上述实施例对应步骤s21的相关描述，此处不再赘述。
61.s34，判断工作状态是否出现异常。详细说明参见上述实施例对应步骤s22的相关描述，此处不再赘述。
62.s35，当工作状态出现异常时，导通旁路支路。详细说明参见上述实施例对应步骤s23的相关描述，此处不再赘述。
63.s36，控制旁路支路处于关断状态，进行主支路与辅助支路之间的可控换流。
64.当混合式换流器的换流模式为可控换流模式时，控制旁路支路处于关断状态，由此主支路和辅助支路之间可以进行可控换流，并不会受旁路支路的影响。
65.本实施例提供的混合式换流器拓扑结构的换流控制方法，在混合式换流器的换流模式为可控换流模式时，将旁路支路置于关断状态，以实现主支路与辅助支路之间的可控换流，且还可以通过导通旁路支路，以使该混合式换流器由可控换流模式切换至常规换流模式，完备混合式换流器的功能，进一步提高了混合式换流器的运行可靠性。
66.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。