一种模块化直串式换流链、换流器及控制方法与流程

1.本发明涉及一种模块化直串式换流链、换流器及控制方法，属于大功率电力电子变流技术领域。


背景技术：

2.在大容量大功率电力电子变流技术领域，为了提升换流器的传输能力，通常采用链式多电平技术，即通过大量功率子模块串联的方式解决电压应力的问题。
3.模块化多电平的方式增加了器件的数量，也使控制更加复杂，而现有器件直接串联的技术还不成熟，存在诸多问题：(1)大量器件直接串联，一旦控制同步性不好，会产生短路电流，影响设备安全。(2)器件开通关断不一致也会产生过电压的问题。
4.两种情况都会造成器件的损坏，由于直接串联的数量巨大，因此，不可避免的产生上述问题。另外对于直串式换流器来说，由于没有子模块的直流电容，因此没有稳定的取能方式。
5.以上问题导致直串式的储能换流器未得到广泛应用。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供一种模块化直串式换流链、换流器及控制方法，换流器可应用于直接串联式的静止无功发生器和柔性直流输电换流器等电力电子设备，具有成本低，可靠性高的优点。
7.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
8.一种模块化直串式换流链，包括：n个直串单元，n为大于等于1的整数，当n大于等于2时，n个直串单元依次串联；
9.所述直串单元包括：阀串、限流单元、旁路单元、分布式控制单元、取能电流互感器以及电流取能单元；所述限流单元一端连接所述阀串，另一端连接所述直串单元的外接导线；所述取能电流互感器的原边套在所述直串单元的外接导线上，副边连接所述电流取能单元的输入端；所述电流取能单元的输出端连接所述分布式控制单元的输入端；所述阀串与所述限流单元串联后再与所述旁路单元并联，所述分布式控制单元的输出端连接所述旁路单元；
10.所述直流取能单元从所述取能电流互感器副边取能，并为所述分布式控制单元提供能量；所述分布式控制单元控制所述旁路单元和所述阀串工作。
11.作为本发明的一种优选方案，所述阀串包括m个直接串联的功率半导体器件，m为大于等于1的整数，每个所述功率半导体器件并联缓冲电路。
12.作为本发明的一种优选方案，所述缓冲电路包括缓冲电阻、缓冲电容和二极管，所述缓冲电阻与所述二极管并联后与所述缓冲电容串联。
13.作为本发明的一种优选方案，所述二极管为快恢复二极管。
14.作为本发明的一种优选方案，所述限流单元由限流旁路开关和限流电感并联构
成，且所述限流电感的一端连接所述阀串，另一端连接所述直串单元的外接导线。
15.作为本发明的一种优选方案，所述旁路单元包括旁路开关，所述分布式控制单元的输出端连接所述旁路开关。
16.作为本发明的一种优选方案，所述旁路开关为机械式旁路开关。
17.作为本发明的一种优选方案，所述旁路单元还包括双向可控晶闸管，所述双向可控晶闸管并联在所述旁路开关两端，且所述分布式控制单元的输出端连接所述双向可控晶闸管。
18.作为本发明的一种优选方案，所述双向可控晶闸管双向可控，具备能够被整定的击穿电压值，其击穿电压门槛值为所述直串单元的额定交流电压的1.3倍-2倍。
19.一种模块化直串式换流器，包括至少三个如上所述的模块化直串式换流链，所述换流链构成星型连接或角型连接，或构成三相桥式电路。
20.一种基于所述的模块化直串式换流链的控制方法，所述控制方法包括：
21.所述换流链启动后，所述电流取能单元从所述取能电流互感器取能，并为所述分布式控制单元提供能量；
22.所述分布式控制单元接受上级控制系统指令开始工作；所述分布式控制单元接受上级控制系统开通关断指令控制所述功率半导体器件的开通关断。
23.作为本发明的一种优选方案，所述分布式控制单元检测到流过所述取能电流互感器的电流超过过流保护的动作门槛值时，分开所述限流旁路开关，将所述限流电感投入。
24.作为本发明的一种优选方案，所述直串单元发生故障后，利用所述分布式控制单元闭合所述旁路开关，在故障处理执行过程中，当所述直串单元的交流端电压超过所述双向可控晶闸管的击穿电压门槛值时，所述双向可控晶闸管击穿，将所述直串单元旁路。
25.一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的控制方法的步骤。
26.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的控制方法的步骤。
27.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
28.1、本发明将大量直串的功率半导体器件分解为直串单元，每个单元配置了限流单元、旁路单元、以及分布式控制单元，将器件分组，本地分布式控制，避免了过多器件直串的风险。
29.2、本发明提出的限流单元可以在换流器遭受过电流时投入，避免了过电流风险。
30.3、本发明提出的旁路单元中包括机械式旁路开关的主动旁路，以及双向晶闸管的被动旁路，双重旁路避免了直串单元遭受过电压损坏。
附图说明
31.图1是本发明提供的一直串单元的示意图；
32.其中，1-取能电流互感器，2-限流旁路开关，3-限流电感，4-功率半导体器件，5-二极管，6-机械式旁路开关，7-双向可控晶闸管，8-电流取能单元，9-分布式控制单元，10-直串单元，11-缓冲电阻，12-缓冲电容。
33.图2是本发明实施例提供的一种模块化直串式换流器的示意图。
具体实施方式
34.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
35.本发明提出一种模块化直串式换流链，包括：n个直串单元，n为大于等于1的整数，当n大于等于2时，n个直串单元相互串联，如图1所示，直串单元10包括：
36.m个直接串联的功率半导体器件4构成阀串，其中，功率半导体器件4并联缓冲电路；
37.限流单元，由限流旁路开关2和限流电感3并联构成；
38.旁路单元，旁路单元并联在阀串两端，旁路单元包括旁路开关；
39.分布式控制单元9，控制旁路单元和功率半导体器件4工作；
40.直串单元还包括取能电流互感器1，原边套在直串单元外侧导线，副边连接电流取能单元8；
41.电流取能单元8，从取能电流互感器1副边取能，并为分布式控制单元9提供能量。
42.进一步地，缓冲电路包括缓冲电阻11、缓冲电容12以及二极管5，缓冲电阻11和二极管5并联后与缓冲电容12串联；其中，二极管为快恢复二极管。
43.进一步地，旁路开关为机械式旁路开关6，具备快速分合闸的能力。
44.进一步地，旁路单元还包括双向可控晶闸管7，双向可控晶闸管7并联在机械式旁路开关6两端，双向可控晶闸管双向可控，具备可被整定的击穿电压值，双向可控晶闸管的击穿电压值为所述直串单元的额定交流电压的1.3倍-2倍。
45.本发明还提出一种模块化直串式换流器，包括至少三个模块化直串式换流链，换流链构成星型连接或角型连接，或构成三相桥式电路。图2为构成三相桥式电路的实施例。
46.本发明还提供了一种模块化直串式换流链的控制方法，具体包括：
47.换流链启动后，电流取能单元从取能电流互感器取能，并为分布式控制单元提供能量；
48.分布式控制单元接受上级控制系统指令开始工作；
49.分布式控制单元接受上级控制系统指令控制功率半导体器件开通关断。
50.模块化直串式换流器根据直流电压和电流实际采样值，确定各换流链中开通的直串单元个数，使各个直串单元之间协调运行，闭合调节开通关断命令，使系统稳定运行。
51.分布式控制单元检测到流过取能电流互感器的电流超过动作门槛值时，分开限流旁路开关，将限流电感投入。
52.直串单元发生故障后，闭合机械式旁路开关，在故障处理执行过程中，当直串单元的交流端电压超过双向可控晶闸管的击穿电压门槛值后，双向可控晶闸管击穿，将直串单元旁路。
53.基于同一发明构思，本技术实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现前述的模块化直串式换流链的控制方法的步骤。
54.基于同一发明构思，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现前述的模块化直串式换流链的控制方法的步骤。
55.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
56.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
57.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
58.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
59.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。