能量均衡调节换流链及控制方法、多段式换流链、换流器转让专利
申请号 : CN201911129125.3
文献号 : CN112825451B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 谢晔源 , 王宇 , 曹冬明 , 姜田贵 , 孙乐 , 李海英
申请人 : 南京南瑞继保电气有限公司 , 南京南瑞继保工程技术有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种能量均衡调节换流链,包括:至少一个耗能单元,所述耗能单元包括:串联连接的第一开关和第一电阻;
第二直流电容,与所述第一开关与所述第一电阻的串联电路并联连接,所述第一开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关;
M个均衡子模块,M为大于等于1的整数,M个所述均衡子模块均包括:第一功率单元,包括并联连接的第一直流电容与功率组件;
平衡单元,包括第一功率半导体器件,所述平衡单元的一端连接所述第一功率单元,另一端引出,与所述耗能单元相邻的所述均衡子模块的平衡单元的另一端与所述耗能单元连接,其他所述平衡单元的另一端与相邻的均衡子模块连接;
所述耗能单元一端与相邻的均衡子模块的所述平衡单元连接,另一端与相邻的均衡子模块的所述第一功率单元的交流端连接。
2.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述功率组件包括:上管,与所述第一直流电容正极连接;
下管,与所述第一直流电容负极连接,所述下管与所述上管串联连接后与所述第一直流电容构成半桥连接形式,所述上管的集电极和发射极或所述下管的发射极和集电极引出作为所述第一功率单元的交流端。
3.根据权利要求2所述的能量均衡调节换流链,其中,所述上管和所述下管均为全控型功率半导体器件,所述上管或所述下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。
4.根据权利要求2所述的能量均衡调节换流链,其中,所述上管为全控型功率半导体器件,所述下管为二极管,所述上管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。
5.根据权利要求2所述的能量均衡调节换流链,其中,所述下管为全控型功率半导体器件,所述上管为二极管,所述下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。
6.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述均衡子模块还包括:均压电阻或/和非线性电阻,与所述第一直流电容并联连接。
7.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述功率组件包括:第一桥臂,与所述第一直流电容并联连接;所述第一桥臂包括串联连接的第一上管和第一下管,所述第一上管与所述第一直流电容正极连接;所述第一下管与所述第一直流电容负极连接;
第二桥臂,与所述第一直流电容并联连接;所述第二桥臂包括串联连接的第二上管和第二下管,所述第二上管与所述第一直流电容正极连接;所述第二下管与所述第一直流电容负极连接;
其中,所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点引出作为所述第一功率单元的交流端。
8.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述耗能单元还包括:第二功率半导体器件,所述第一开关与所述第一电阻的串联电路与所述第二直流电容并联连接后与所述第二功率半导体器件串联连接。
9.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述耗能单元还包括:第二电阻,与所述第二直流电容并联连接,所述第二电阻包括均压电阻或/和非线性电阻。
10.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述耗能单元包括:串联连接的第二开关和第三电阻;
第二功率单元,与所述第二开关和所述第三电阻的串联电路并联连接;
所述第二功率单元的直流端的一端与相邻均衡子模块的平衡单元连接,交流端与相邻均衡子模块的第一功率单元的交流端级联;所述第二开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。
11.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述第一功率半导体器件为二极管。
12.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述平衡单元还包括:熔丝,与所述第一功率半导体器件串联连接。
13.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述平衡单元还包括:第四电阻,与所述第一功率半导体器件串联连接。
14.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,其中,所述平衡单元还包括:第三开关,与所述第一功率半导体器件串联连接,所述第三开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。
15.根据权利要求14所述的能量均衡调节换流链,其中,所述第一功率单元还包括:第四开关,并联连接所述第一功率单元的交流端。
16.根据权利要求15所述的能量均衡调节换流链,其中,所述第四开关为机械开关,当所述第三开关为机械开关时,所述第四开关与所述第三开关联动,所述第四开关闭合时,所述第三开关自动分开。
17.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链,还包括:至少一个直流端口,连接所述第一直流电容的正极和负极;所述直流端口用于连接电力电子变换器的直流侧或引出作为备用端口。
18.一种多段式换流链,其中,所述多段式换流链由N个如权利要求1‑17所述的能量均衡调节换流链串联构成,所述N为大于等于2的整数。
19.一种三相换流器,所述三相换流器具有直流正极和直流负极,其中,所述三相换流器的每一相均包括一个桥臂,每个所述桥臂的中点引出作为所述三相换流器的交流端;其中,每个所述桥臂均包括如权利要求1‑17所述的能量均衡调节换流链。
20.一种星型换流器,其中,所述星型换流器包含至少三个如权利要求1‑17所述的能量均衡调节换流链,所述能量均衡调节换流链的一端连接在一起,另一端分别连接电网的ABC三相,构成星型连接方式。
21.一种角型换流器,其中,所述角型换流器包含至少三个如权利要求1‑17所述的能量均衡调节换流链,所述能量均衡调节换流链首尾相互连接构成闭环,闭环中取三个节点分别连接电网的ABC三相,构成角型连接方式。
22.根据权利要求21所述的角型换流器,其中,每个所述能量均衡调节换流链首尾的平衡单元相互连接,构成闭环。
23.一种基于权利要求1‑17所述能量均衡调节换流链的控制方法,包括:当所述能量均衡调节换流链中一均衡子模块中的所述第一直流电容电压高于相邻均衡子模块的电压或耗能单元的电压,且所述一均衡子模块中的功率组件导通时,所述一均衡子模块的第一直流电容启动向所述相邻均衡子模块的第一直流电容充电;
当所述耗能单元的第二直流电容的电压或第三直流电容的电压高于动作门槛值时,闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关启动耗能;
当所述耗能单元的第二直流电容的电压或第三直流电容的电压低于返回门槛值时,断开所述耗能单元的所述第一开关或所述第二开关停止耗能。
24.根据权利要求23所述的控制方法,其中,所述能量均衡调节换流链发生故障或承受严重过电压时,所述方法还包括:闭锁所述能量均衡调节换流链的所述第一功率半导体器件、所述功率组件与能耗单元的第二功率单元;
闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关,使所述耗能单元启动耗能;
导通所述均衡子模块的所述第一功率单元中的功率组件,使多个所述均衡子模块之间的直流电压均衡。
25.根据权利要求23所述的控制方法,其中,所述能量均衡调节换流链发生故障或承受非严重过电压时,所述方法还包括:闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关,使所述耗能单元启动耗能;
以预设规则轮流导通多个均衡子模块中的功率组件,使多个所述均衡子模块之间的直流电压均衡。
26.根据权利要求23所述的控制方法,其中,所述均衡子模块包括第四开关且所述第四开关闭合将所述均衡子模块旁路时,所述方法还包括:被旁路的所述均衡子模块的第一直流电容被相邻的均衡子模块充电;
分开被旁路的所述均衡子模块中的第三开关,切断充电回路,使旁路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。
27.根据权利要求23所述的控制方法,其中,所述均衡子模块包括第四开关且所述第四开关闭合将所述均衡子模块旁路时,所述方法还包括:通过机构联动分开被旁路的所述均衡子模块中的第三开关,切断充电回路,使旁路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。
28.根据权利要求23所述的控制方法,其中,所述换流链中任意一个均衡子模块发生短路时,所述方法还包括:
相邻均衡子模块的第一直流电容通过短路的所述均衡子模块放电;
分开短路的所述均衡子模块中的第三开关,切断短路放电回路,使短路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。
说明书 :
能量均衡调节换流链及控制方法、多段式换流链、换流器
技术领域
背景技术
子模块承受过电压,会造成器件损坏,故障扩大后会导致整个换流链故障损坏。
间的充放电通道,利用三相桥臂相间的辅助回路使所有子模块之间构成了闭环,实现直流
电压平衡控制的功能,但换流器的总能量是无法消耗的,只是在换流器的子模块之间流动。
上述方式的不足之处在于:第一,过压带来的能量无法消耗,只能在各个模块之间进行转
移,当过压严重时,总能量无法消耗,仍然会损坏设备;第二,整个闭环一旦中间一个环节出
现故障,整个闭环系统断开,能量将会在换流链断开处的子模块积累,造成子模块过压损
坏,可靠性低。
的成本和占地。
发明内容
一功率单元和平衡单元,所述第一功率单元包括并联连接的第一直流电容与功率组件;所
述平衡单元包括第一功率半导体器件,所述平衡单元的一端连接所述第一功率单元,另一
端引出,与相邻的均衡子模块或所述耗能单元连接。
述第一直流电容构成半桥连接形式,所述上管的集电极和发射极或所述下管的发射极和集
电极引出作为所述第一功率单元的交流端。
管与所述第一直流电容正极连接;所述第一下管与所述第一直流电容负极连接;所述第二
桥臂与所述第一直流电容并联连接;所述第二桥臂包括串联连接的第二上管和第二下管,
所述第二上管与所述第一直流电容正极连接;所述第二下管与所述第一直流电容负极连
接;其中,所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点引出作为所述第一功率单元的交流端。
接的第一开关和第一电阻;所述第一开关与所述第一电阻的串联电路与所述第二直流电容
并联连接,所述第一开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。
连接。
二功率单元的直流端的一端与相邻均衡子模块的平衡单元连接,交流端与相邻均衡子模块
的第一功率单元的交流端级联;所述第二开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械
开关。
侧或引出作为备用端口。
相换流器的交流端;其中,每个所述桥臂均包括如上所述的换流链。
的ABC三相,构成星型连接方式。
点分别连接电网的ABC三相,构成角型连接方式。。
模块的电压或耗能单元的电压,且所述一均衡子模块中的功率组件导通时,所述一均衡子
模块的第一直流电容启动向所述相邻均衡子模块的第一直流电容充电;当所述耗能单元的
第二直流电容的电压或第三直流电容的电压高于动作门槛值时,闭合所述耗能单元的第一
开关或第二开关启动耗能;当所述耗能单元的第二直流电容的电压或第三直流电容的电压
低于返回门槛值时,断开所述耗能单元的所述第一开关或所述第二开关停止耗能。
电压均衡控制。耗能单元仅布置在换流链的顶部或底部,当均衡子模块循环工作时,不断将
过电压的剩余能量向顶部或底部传递,再通过顶部或底部耗能单元将过剩的能量消耗掉;
均衡子模块与耗能单元相互配合,确保了每个换流链子模块的直流电压都在安全范围内,
能够解决了换流链短时承受过电压的问题,减小每个子模块中电容容值,减少设备的成本
和占地。
附图说明
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。
12、熔丝;13、第二电阻;14、第三电阻;15、第二开关;16、第二功率半导体器件;17、均压电
阻;18、第二功率单元;19、第三功率半导体器件。
具体实施方式
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。
中使用的术语“包括”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。
8。
一直流电容C1正极连接。下管与第一直流电容C1负极连接,下管与上管串联连接后与第一直
流电容C1构成半桥连接形式。上管或下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元1的交
流端。在本实施例中,下管的发射极和集电极引出作为第一功率单元1的交流端。各个交流
端相互级联。上管和下管为功率半导体器件IGBT,但并不以此为限。
衡子模块或耗能单元9连接。
第一电阻7。第一开关6与第一电阻7的串联电路与第三直流电容C3并联连接。第一开关6包
括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关,并不以此为限,如图3A所示,图3A是本申请
实施例提供的耗能单元构成示意图之一。耗能单元9具有消耗有功功率的能力。当第一开关
6闭合时,启动耗能功能。
一直流电容C1的正极连接,平衡单元2的另一端与相邻子模块的平衡单元连接,连接点在第
一功率半导体器件与第一功率单元1之间。顶部的均衡子模块10的平衡单元2与耗能单元9
连接,耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中第一
功率半导体器件3为二极管,二极管的阴极连接靠近顶部的子模块,阳极连接靠近底部的子
模块。
器件3串联连接,如图5B所示,图5B是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之二。可选
地,第三开关4可以用第四电阻11和熔丝12代替,如图5C、图5D所示。可选地,平衡单元2也可
以包括串联连接的第一功率半导体器件3、第三开关4和第四电阻11,如图5E所示。可选地平
衡单元2也可以包括串联连接的第一功率半导体器件3、第三开关4和熔丝12,如图5F所示。
可选地,平衡单元2也可以包括串联连接的第一功率半导体器件3、第三开关4、第四电阻11
和熔丝12,如图5G所示。
括但不限于带有反并联二极管的IGBT,第一电阻7为耗能电阻,第二功率半导体器件16包括
但不限于二极管。第一开关6与第一电阻7的串联电路与第二直流电容5并联连接后与第二
功率半导体器件16串联连接。如图3B所示,图3B是本申请实施例提供的耗能单元构成示意
图之二,图3B的耗能单元9包括可选的第二功率半导体器件16。如图3C所示,图3C是本申请
实施例提供的耗能单元构成示意图之三,图3B的耗能单元9包括可选的第二电阻13。如图3D
所示,图3D是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之四,图3D的耗能单元9同时包括可
选的第二电阻13和第二功率半导体器件16。
一直流电容C1的正极连接,平衡单元2的另一端连接相邻平衡子模块的平衡单元的第一功
率半导体器件3与第三开关4的连接点。顶部的均衡子模块10的平衡单元2的另一端与耗能
单元9连接,耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中
第一功率半导体器件3为二极管,二极管的阴极连接靠近顶部的子模块,阳极连接靠近底部
的子模块。
二。
是本申请实施例提供的均衡子模块构成示意图之二。
导体器件16包括但不限于二极管。第一开关6与第一电阻7的串联电路与第二直流电容5并
联连接后与第二功率半导体器件16串联连接。
一直流电容C1的负极连接,平衡单元2的另一端连接相邻子模块的平衡单元的第一功率半
导体器件3与第三开关4之间的连接点。底部的均衡子模块10的平衡单元2的另一端与耗能
单元9连接,耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中
第一功率半导体器件3为二极管,二极管的阴极连接靠近顶部的子模块,阳极连接靠近底部
的子模块。
单元18的直流端或交流端。在本实施例中,第二开关15与第三电阻14串联后并联在直流端,
相当于在的第三直流电容C3处并联一个带有耗能功能的回路。第三电阻14为耗能电阻。当
第二开关闭合时,启动耗能功能。第二开关15包括但不限于功率半导体器件IGBT或快速的
机械开关,如图3E所示,图3E是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之五。可选地,由
第二开关15和第三电阻14构成的串联电路也可以并联在第二功率单元18的交流端,如图3F
所示,图3F是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之六。
元1的第一直流电容C1的正极连接,平衡单元2的另一端连接相邻子模块的平衡单元的第一
功率半导体器件3与第三开关4之间的连接点。顶部的均衡子模块10的平衡单元2的另一端
与耗能单元9连接,耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连
接。其中第一功率半导体器件3包括但不限于二极管,二极管的阴极连接靠近顶部的子模
块,阳极连接靠近底部的子模块。耗能单元中的第二功率单元18的第三直流电容C3正极与
相邻均衡子模块的平衡单元连接,交流端与相邻均衡子模块第一功率单元1的交流端级联。
与第一功率单元1的第一直流电容C1的负极连接。
或交流端。在本实施例中,第二开关15与第三电阻14串联后并联在直流端,相当于在第二功
率单元18的第三直流电容C3处并联一个带有耗能功能的回路。第三电阻14为耗能电阻。当
第二开关闭合时,启动耗能功能。第二开关15包括但不限于功率半导体器件IGBT或快速的
机械开关。
一直流电容C1的负极连接,平衡单元2的另一端连接相邻子模块的平衡单元的第一功率半
导体器件3与第三开关4之间的连接点。底部的均衡子模块10的平衡单元2的另一端与耗能
单元9连接,耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中
第一功率半导体器件3为二极管,二极管的阴极连接靠近顶部的子模块,阳极连接靠近底部
的子模块。
臂与第一直流电容C1并联连接,第一桥臂包括串联连接的第一上管T1和第一下管T2,第一
上管T1与第一直流电容C1正极连接,第一下管T2与第一直流电容C1负极连接。第二桥臂与第
一直流电容C1并联连接,第二桥臂包括串联连接的第二上管T3和第二下管T4,第二上管T3
与第一直流电容C1正极连接,第二下管T4与第一直流电容C1负极连接。第一桥臂和第二桥臂
的中点引出作为第一功率单元1的交流端。第一功率单元1的交流端还并联了第四开关8,如
图2C所示,图2C是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之三。
一功率单元1输出零电平时,通过第一功率半导体器件3搭建的直流侧回路,构成第一直流
电容C1的短路放电通道,此时,需要迅速关断第三开关4,闭锁短路放电通道。
一直处于导通状态,这种情况下,第三开关4可以使用可关断功率半导体器件或机械开关。
的集电极和发射极引出作为第一功率单元1的交流端。下管为全控型功率半导体器件时,上
管为二极管,下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元1的交流端。
四。上管为全控型功率半导体器件时,下管为二极管,上管的集电极和发射极引出作为第一
功率单元1的交流端,如图2E所示,图2E是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之
五。
联二极管的IGBT。
第K均衡子模块与第K+1均衡子模块之间,1≤K≤M‑1,其中底部的均压单元为第1个均压单
元。耗能单元的一端与第K均衡子模块的平衡单元中的第一功率半导体器件连接,定义为直
流连接点,耗能单元的另一端与第K均衡子模块第一功率单元1的交流端连接。在本实施例
中,还需要增加第三功率半导体器件19,在本实施例中为二极管。二极管19位于直流连接点
与第K+1均衡子模块平衡单元之间连线上。二极管19的布置方向与原有均衡子模块的第一
功率半导体器件布置方向一致,相当于增加耗能单元9后,补充一个连接二极管,使得均衡
子模块平衡单元之间的连接不会中断。
正极、负极。直流端口可以作为备用端口或连接电力电子变换器的直流侧。在本实施例中,
如图1J所示,其中一个直流端口与交直流(AC/DC)变换器连接,一个端口与直流(DC/DC)变
换器连接,还包括一个备用的直流端口。
的多段式能量均衡调节换流链。
块的第一直流电容C1启动向相邻均衡子模块的第一直流电容充电。
电压均衡。在发生非严重过压时,换流链仍能够维持正常运行,在此基础上叠加相邻子模块
之间充放电的调整,实现电压均衡控制。
关联动实现快速隔断。
臂均包括如上所述的能量均衡调节换流链。每种实施例耗能单元9的布置方式不同。
无功发生器。
相,构成角型连接方式,可用于星型连接的静止无功发生器。
A相的顶端均衡子模块通过平衡单元与C相底端的均衡子模块的平衡单元连接;B相的顶端
均衡子模块通过平衡单元与A相底端的均衡子模块的平衡单元连接;C相的顶端均衡子模块
通过平衡单元与B相底端的均衡子模块的平衡单元连接;角型换流器的平衡单元构成闭环。
在换流链的任意位置设置至少一个耗能单元,角形换流器总共设置R个能耗单元,R为大于
等于3的整数。在本实施例中,共设置了3个耗能单元,每个耗能单元位于每相换流链的顶
端。
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。