一种低电压穿越的AC/DC换流器的制作方法

本实用新型属于电力电子领域，特别涉及一种低电压穿越的ac/dc换流器。

背景技术：

在现今的风力发电系统，太阳能发电系统，及火力发电系统等系统及相关的并网系统中，低电压穿越(lowvoltageridethrough，lvrt)是影响所述各系统的重要因素。

低电压穿越lvrt，是指当换流器发生输出短路故障时，换流器不跳闸，保持持续并网状态，不间断的向负载或电网提供有功或无功功率，支持故障的快速恢复，从而“穿越”这个低电压故障。

现有的低压ac/dc换流器多采用三相两电平或三相三电平换流器，当换流器的直流侧发生短路故障时，由于二极管的整流效应，使得换流器的交流侧的电流快速增加，换流器的直流侧和交流侧均产生过电流，过电流保护动作，将换流器从负载或电网切除，从而间断了向负载或电网持续供电，这很大程度上不利于故障的快速恢复，降低了系统的可靠性。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种低电压穿越的ac/dc换流器。

本实用新型提供的低电压穿越的ac/dc换流器，所述换流器包括：ac/dc组件、第一开关器件、第二开关器件和电感，

其中，

所述ac/dc组件的阳极端连接所述第一开关器件的第二极；

所述第一开关器件的第三极通过所述电感连接至直流母线的阳极；

所述第一开关器件的第三极连接至所述第二开关器件的阴极；

所述第二开关器件的阳极与所述ac/dc组件的阴极端均连接至所述直流母线的阴极。

进一步，所述ac/dc组件为三相两电平换流器或三相三电平换流器。

进一步，所述三相两电平换流器包括第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件和第一电容，

其中，

所述第三开关器件至第八开关器件分别各自反并联一个第九开关器件，所述第三开关器件至第八开关器件的第二极分别连接对应的所述第九开关器件的阴极，且所述第三开关器件至第八开关器件各自的第三极分别连接对应的所述第九开关器件的阳极；

所述第三开关器件的第三极与所述第四开关器件的第二极连接并形成所述三相两电平换流器的第一三相端；

所述第五开关器件的第三极与所述第六开关器件的第二极连接并形成所述三相两电平换流器的第二三相端；

所述第七开关器件的第三极与所述第八开关器件的第二极连接并形成所述三相两电平换流器的第三三相端；

所述第三开关器件，第五开关器件，第七开关器件三者的第二极与所述第一电容的一端连接并作为所述三相两电平换流器的阳极端；

所述第四开关器件，第六开关器件，第八开关器件三者的第三极与所述第一电容的另一端连接并作为所述三相两电平换流器的阴极端。

进一步，所述三相三电平换流器包括第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十三开关器件、第十四开关器件、第十五开关器件、第十六开关器件、第十七开关器件、第十八开关器件、第十九开关器件、第二十开关器件、第二十一开关器件、第二十二开关器件、第二十三开关器件、第二十四开关器件、第二十五开关器件、第二十六开关器件、第二十七开关器件、第二电容和第三电容，

其中，

所述第十开关器件的第三极连接所述第十一开关器件的第二极；

所述第十一开关器件的第三极与所述第十二开关器件的第二极连接并形成所述三相三电平换流器的第一三相端；

所述第十二开关器件的第三极连接所述第十三开关器件的第二极；

所述第十四开关器件的第三极连接所述第十五开关器件的第二极；

所述第十五开关器件的第三极与所述第十六开关器件的第二极连接并形成所述三相三电平换流器的第二三相端；

所述第十六开关器件的第三极连接所述第十七开关器件的第二极；

所述第十八开关器件的第三极连接所述第十九开关器件的第二极；

所述第十九开关器件的第三极与所述第二十开关器件的第二极连接并形成所述三相三电平换流器的第三三相端；

所述第二十开关器件的第三极连接所述第二十一开关器件的第二极；

所述第十开关器件，第十四开关器件，第十八开关器件的第二极均与所述第二电容的一端连接并形成所述三相三电平换流器的阳极端；

所述第二电容的另一端连接所述第三电容的一端；

所述第十三开关器件，第十七开关器件，第二十一开关器件的第三极均与所述第三电容的另一端连接并形成所述三相三电平换流器的阴极端；

所述第二十二开关器件的阴极连接所述第十开关器件的第三极；

所述第二十二开关器件的阳极与所述第二十三开关器件的阴极连接并连接至所述第二电容的另一端；

所述第二十三开关器件的阳极连接至所述第十二开关器件的第三极；

所述第二十四开关器件的阴极连接所述第十四开关器件的第三极；

所述第二十四开关器件的阳极与所述第二十五开关器件的阴极连接并连接至所述第二电容的另一端；

所述第二十五开关器件的阳极连接至所述第十六开关器件的第三极；

所述第二十六开关器件的阴极连接所述第十八开关器件的第三极；

所述第二十六开关器件的阳极与所述第二十七开关器件的阴极连接并连接至所述第二电容的另一端；

所述第二十七开关器件的阳极连接至所述第二十开关器件的第三极。

进一步，所述第三开关器件至第八开关器件为功率开关管；

所述第九开关器件为二极管。

进一步，所述第十开关器件至第二十一开关器件为功率开关管；

所述第二十二开关器件至第二十七开关器件为二极管。

进一步，所述第一开关器件为功率开关管。

进一步，所述第二开关器件为二极管。

进一步，所述电感为直流电感。

进一步，所述功率开关管为全控型电力电子开关器件。

进一步，所述全控型电力电子开关器件为igbt，mosfet、iegt或igct，

其中，

当所述全控型电力电子开关器件为igbt或iegt时，所述第二极为集电极，所述第三极为发射极；

当所述全控型电力电子开关器件为igct时，所述第二极为阴极，所述第三极为阳极；

当所述全控型电力电子开关器件为mosfet时，所述第二极为源极，所述第三极为漏极。

本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器具有了低电压穿越功能，有利于系统的快速恢复，提高了系统的可靠性。本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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示出了根据本实用新型实施例的低电压穿越的ac/dc换流器结构图一；

图2示出了根据本实用新型实施例的低电压穿越的ac/dc换流器结构图二；

图3示出了根据本实用新型实施例的低电压穿越的ac/dc换流器在直流微电网的应用示意图；

图4示出了根据本实用新型实施例的低电压穿越的ac/dc换流器正常运行时的等效电路；

图5示出了根据本实用新型实施例的低电压穿越的ac/dc换流器当直流低电压时sd开通及电流流通示意图；

图6示出了根据本实用新型实施例的低电压穿越的ac/dc换流器当直流低电压时sd关断及电流流通示意图；

图7示出了根据本实用新型实施例的低电压穿越的ac/dc换流器控制流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种低电压穿越的ac/dc换流器。图1所示为本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器结构图。由图1可知本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器由三相两电平换流器inv1即ac/dc组件，功率开关管sd，二极管vd和直流电感ld构成，

其中，

三相两电平换流器inv1中，sa1，sa2，sb1，sb2，sc1，sc2为功率开关管，所述各功率开关管分别各自反并联一个二极管：所述功率开关管sa1，sa2，sb1，sb2，sc1，sc2的集电极分别连接各自反并联的二极管的阴极，且所述功率开关管sa1，sa2，sb1，sb2，sc1，sc2各自的发射极分别连接各自反并联的二极管的阳极；sa1的发射极与sa2的集电极连接并形成三相两电平换流器inv1的第一三相端a，sb1的发射极与sb2的集电极连接并形成三相两电平换流器inv1的第二三相端b，sc1的发射极与sc2的集电极连接并形成三相两电平换流器inv1的第三三相端c；sa1，sb1，sc1三者的集电极与电容c的一端连接并作为三相两电平换流器inv1的阳极端p，sa2，sb2，sc2三者的发射极与所述电容c的另一端连接并作为三相两电平换流器inv1的阴极端n；

所述三相两电平换流器inv1的阳极端p连接所述功率开关管sd的集电极，所述功率开关管sd的发射极通过直流电感ld连接至直流母线的阳极dc+，所述功率开关管sd的发射极还连接至所述二极管vd的阴极，而所述二极管vd的阳极与三相两电平换流器inv1的阴极端n均连接至直流母线的阴极dc-。

图2所示为本实用新型另一实施例的低电压穿越的ac/dc换流器结构图。图2与图1的差别在于用三相三电平换流器inv2替换了图1中的三相两电平换流器inv1作为所述内部ac/dc换流器，

其中，

三相三电平换流器inv2中，sa11，sa22，sa33，sa44，sb11，sb22，sb33，sb44，sc11，sc22，sc33，sc44为功率开关管；sa11的发射极连接sa22的集电极，sa22的发射极与sa33的集电极连接并形成三相三电平换流器inv2的第一三相端a1，sa33的发射极连接sa44的集电极；sb11的发射极连接sb22的集电极，sb22的发射极与sb33的集电极连接并形成三相三电平换流器inv2的第二三相端b1，sb33的发射极连接sb44的集电极；sc11的发射极连接sc22的集电极，sc22的发射极与sc33的集电极连接并形成三相三电平换流器inv2的第三三相端c1，sc33的发射极连接sc44的集电极；sa11，sb11，sc11的集电极均与电容ca的一端连接并形成三相三电平换流器inv2的阳极端p1，电容ca的另一端连接电容cb的一端，sa44，sb44，sc44的发射极均与电容cb的另一端连接并形成三相三电平换流器inv2的阴极端n1；二极管da1的阴极连接sa11的发射极，二极管da1的阳极与二极管da2的阴极连接并连接至所述电容ca的另一端，二极管da2的阳极连接至sa33的发射极；二极管db1的阴极连接sb11的发射极，二极管db1的阳极与二极管db2的阴极连接并连接至所述电容ca的另一端，二极管db2的阳极连接至sb33的发射极；二极管dc1的阴极连接sc11的发射极，二极管dc1的阳极与二极管dc2的阴极连接并连接至所述电容ca的另一端，二极管dc2的阳极连接至sc33的发射极。

本实用新型的实施例中虽然只给出采用三相两电平换流器inv1和三相三电平换流器inv2的低电压穿越的ac/dc换流器，但并不限于这两种换流器，还可以采用其它类型的换流器组件。

上述实施例中的各功率开关管可为绝缘栅双极型晶体管(igbt)或电子注入增强门极晶体管(iegt)。所述各功率开关管也可为mosfet，当上述各功率开关管取为mosfet时，上述实施例中各功率开关管的集电极应为源极，各功率开关管的发射极应为漏极。所述各功率开关管也可以为集成门极换流晶闸管(igct)，当上述各功率开关管取为igct时，上述实施例中各功率开关管的集电极应为阴极，各功率开关管的发射极应为阳极。

本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器的交流侧和直流侧没有电气隔离，可以通过配电变压器隔离，用于连接直流微电网和交流公共电网，如图3所示。图3中，本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器交流端可通过变压器连接至交流公共电网，低电压穿越的ac/dc换流器的直流端可连接至直流微电网，具体地，可通过dc/dc换流器连接至充电桩、光伏装置、储能装置，也可连接至其它直流负载，或者用于其他不需要电气隔离的应用场景。

本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器的工作过程为：

一、当采用所述低电压穿越的ac/dc换流器的系统正常工作时，低电压穿越的ac/dc换流器中的功率开关管sd闭合，所述低电压穿越的ac/dc换流器等效于图4所示的ac/dc换流器结构，即等效为所述直流电感ld串联在直流回路中，所述ld起到直流滤波的作用，所述二极管vd则用于箝位保护所述直流电容c的电压。

二、当所述低电压穿越的ac/dc换流器发生直流侧低电压故障时，通过调节功率开关管sd的占空比，输出低电压，并限制所述低电压穿越的ac/dc换流器的输出电流小于额定电流，可以长期运行，穿越低电压故障。如图5和图6所示分别为功率开关管sd开通和关断时，所述低电压穿越的ac/dc换流器通流和续流的电流流通示意图。由图5可知，当功率开关管sd开通时，电流由所述低电压穿越的ac/dc换流器中的所述阳极端p1端先后经过功率开关管sd和直流电感ld向连接于所述直流母线的阳极dc+和阴极dc-间的负载供电后流回至所述阴极端n1，电流呈上升趋势。由图6可知，当功率开关管sd关断时，电感中的电流向连接于所述直流母线的阳极dc+和阴极dc-间的负载后供电后，经所述二极管vd后流回至所述直流电感ld，电流呈下降趋势。当所述低电压穿越的ac/dc换流器进行低电压限流输出时，功率开关管sd占空比越小，输出至所述负载的电压越小，功率开关管sd占空比越大，则输出至所述负载的电压越大，通过调节功率开关管sd占空比的大小，就可以调节低电压穿越ac/dc换流器的输出电压和电流，从而保证换流器运行，穿越直流侧的低电压故障。

基于所述低电压穿越的ac/dc换流器的工作过程，本实用新型还提供所述低电压穿越的ac/dc换流器的控制方法，如图7所示，所述方法包括：

1、采用所述低电压穿越的ac/dc换流器的系统开始工作后，判断所述低电压穿越的ac/dc换流器是否发生直流低电压故障；

2、若发生所述直流低电压故障，则调节所述功率开关管sd的占空比，使得所述低电压穿越的ac/dc换流器进行低电压限电流输出；

3、判断所述直流低电压故障是否消失，若未消失，即还存在所述直流低电压故障，则重复步骤2；

4、若不存在所述直流低电压故障，或所述直流低电压故障消失，则闭合所述功率开关管sd，控制所述低电压穿越的ac/dc换流器进行如三相两电平或三相三电平的换流工作。

由上述工作过程和控制方法可知：本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器当正常运行时功率开关管sd闭合，可四象限运行，实现ac/dc换流器的全部功能，包括双向有功功率和双向无功功率传输；当本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器发生直流侧短路故障时，功率开关管sd周期性的开关和关断，可以向直流侧提供低电压限电流的有功功率输出，保持换流器的持续工作，交流和直流侧也不会发生过电流，从而穿越直流侧短路故障。

相对于传统的低压ac/dc换流器，本实用新型的低电压穿越的ac/dc换流器及其控制方法，通过增加功率开关管、二极管和电感，并施加一定的控制方法，从而具有了低电压穿越的功能，可用于所有传统低压ac/dc换流器的应用场景。

本实用新型的第一、第二、…只是用于区分不同器件，不是用于标记器件的连接顺序。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。