三相级联变换器的新型接法及供电或负载故障时工作方式制造技术

本发明专利技术提出了级联输入‑级联输出变换器传统双星型接法下变换器输出端负载发生短路故障时变换器的一种运行方式，在该运行控制方式下，可以使输出端负载发生单相短路故障时，保持输入端三相单位功率因数稳定运行。本发明专利技术还提出了一种新型双星型接线方法，并提出了新型接法下变换器输入端发生缺相供电和输出端负载发生短路故障时的运行方式。采用本专利所提新型双星型接线方法并配合所提相应运行控制方式，可以实现变换器输入端缺相供电时，保持输出端三相稳定运行；可以在输出端发生负载短路故障时，保持输入端三相单位功率因数稳定运行。本发明专利技术的意义在于可以实现变换器容错运行、故障隔离，提高了供电可靠性，减少了因供电故障造成的经济损失。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高电压大功率级联式电力电子变换器在电能变换中的应用技术研究领域，特别涉及三相电力电子级联式变换器两端故障隔离、容错运行以提高供电可靠性的技术。
技术介绍
近年来，无工频变压器级联式多电平功率变换器以其高效率、智能化、低污染等优点越来越引人关注，在高电压大功率变频调速、高压直流(HVDC)输电等领域已得到越来越多的成功应用。目前无工频变压器多电平功率变换器从能量流向来看可分为：能量双向流动的电力电子变压器，和能量单向流动的变频器；从连接方式看主要分为级联输入-级联输出，级联输入-并联输出。就级联输入-级联输出的无工频变压器多电平功率变换器来说，变换器每一相都采用多个模块级联，每个模块的结构一般分为三级：AC-DC整流模块级，DC-DC变换模块级和DC-AC逆变模块级。其中AC-DC整流模块可以采用飞跨电容式、二极管钳位式、二极管H桥式、全控H桥式、无桥式或MMC式，中间DC-DC级可采用全控H桥+高频变压器+全控H桥或二极管H桥式，DC-AC逆变级可采用全控H桥式或MMC式。现有研究都是针对无工频变压器多电平功率变换器拓扑的改进和变换器输入输出侧正常三相运行时的控制策略研究。无工频变压器多电平功率变换器使用了大量的模块进行级联，因此输入-输出端连接方法的自由度很高。在配电系统中，当供电网络出现故障或负载出现常见四种短路故障时，如何通过变换器接线方式和控制方式的改进，使系统能够保持给非故障相正常供电，实现非故障端的正常平衡稳定运行，实现变换器两端故障隔离，容错运行，从而提高供电可靠性的方法还并未见有人提出。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有研究的盲点，为提高供电可靠性，提出了级联输入-级联输出的无工频变压器多电平功率变换器(以下简称变换器)在传统双星型接线方式下，输出端负载发生单相接地短路故障并被切除后变换器的运行方案。此运行方案实现了输出端负载发生单相接地短路故障时，变换器可依靠控制策略的调整，继续维持变换器输入端三相输入的平衡运行，使变换器输入端在保持三相单位功率因数运行的状态下，继续给变换器输出端侧非故障相负载进行供电。实现了容错运行、故障隔离，提升了供电可靠性。本专利技术的目的还在于，针对现有研究的盲点，提供了一种新的变换器双星型接线方式，并提出了输出端负载发生四种常见短路故障且故障相切除后的变换器运行方案，此新型接线方式和运行方案相结合可以实现变换器输出端负载发生常见的四种短路故障时，通过电力电子变换器控制策略调整，使变换器在维持输入端三相单位功率因数运行的状态下，继续给变换器输出端非故障相负载进行供电，实现了容错运行和故障隔离，提升了供电可靠性；本专利技术还提出了此新型接线方式下当变换器输入端发生单相或两相缺相供电时的运行方案，可以通过控制策略的调整，实现变换器输入端缺相供电时输出端能继续维持三相对称运行，从而实现了供电侧和负载侧的故障隔离，提高了供电可靠性，减小了可能的经济损失。为了对上述
技术实现思路
进行更好的说明，本专利技术对上述专利技术所涉及部分硬件单元进行定义：变换器每一相都使用多个AC-DC+DC-DC+DC-AC基本模块(以下简称基本模块)级联。基本模块中AC-DC整流模块可以采用飞跨电容式、二极管钳位式、二极管H桥式、全控H桥式、无桥式或MMC式，中间DC-DC级可采用全控H桥+高频变压器+全控H桥或二极管H桥式，DC-AC逆变级可采用全控H桥式或MMC式，本专利技术列举最常见的电力电子变压器基本模块进行说明，基本模块中AC-DC整流模块采用全控H桥式，将全控H桥前桥臂上、下半桥臂开关管和后桥臂上、下半桥臂开关管依次命名为S1，S3，S2，S4，中间DC-DC级可采用全控H桥+高频变压器+全控H桥式，DC-AC逆变级采用全控H桥式，将全控H桥前桥臂上、下半桥臂开关管和后桥臂上、下半桥臂开关管依次命名为S5，S7，S6，S8。本专利技术下文将以此基本模块进行说明和分析，但此仅仅是对本专利技术的实施方式进行描述，并非对本专利技术的构思和范围进行限定，在不脱离本专利技术设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本专利技术的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本专利技术的保护范围，本专利技术请求保护的
技术实现思路
，已经全部记载在权利要求书中。定义基本模块名为Nk(k＝1,2,3...)，基本模块Nk有两个输入端，两个输出端，连接AC-DC级H桥前桥臂的输入端定义为Nkin1，连接AC-DC级H桥后桥臂的输入端定义为Nkin2，连接DC-AC级H桥前桥臂的输出端定义为Nkout1，连接DC-AC级H桥后桥臂的输出端定义为Nkout2。将k个基本模块的N(k-1)in2与Nkin1相连，N(k-1)out2与Nkout1相连，就形成了由k个基本模块级联的级联单元模块，定义级联单元模块为Mj(j＝1,2,3...)，级联模块Mj有两个未连接输入端N1in1，Nkin2，两个未连接输出端N1out1，Nkout2，分别定义为级联模块输入端Mjin1，Mjin2，级联模块输出端Mjout1，Mjout2。定义基本模块及级联模块工作状态：当基本模块Nk中AC-DC级全控H桥开关管S1和S2，或S3和S4在整个开关周期内均保持导通，此时交流输入端电流不流过直流电容，输入电流从Nkin1流入后直接从Nkin2流出，等同于输入端Nkin1和Nkin2直接短接，将此状态定义为输入端隔离模式；当开关管S1和S4，或S2和S3在整个开关周期内保持导通，此时交流输入端电流流过直流电容，将此状态定义为输入端恒通模式；将AC-DC级全控H桥正常处于PWM调制控制状态定义为输入端正常工作模式。当基本模块中DC-AC级全控H桥开关管S5和S6，或S7和S8在整个开关周期内均保持导通，此时交流输出端电流不流过直流电容，输出电流从Nkout1流入后直接从Nkout2流出，等同于输出端Nkout1和Nkout2直接短接，将此状态定义为输出端隔离模式；当开关管S5和S8，或S6和S7在整个开关周期内保持导通，此时交流输出端电流流过直流电容，将此状态定义为输出端恒通模式；将DC-AC级全控H桥正常处于PWM调制控制状态定义为输出端正常工作模式。当级联模块内所有基本模块都处于隔离模式时，级联模块处于隔离模式，当级联模块内所有基本模块都处于恒通模式时，级联模块处于恒通模式，当级联模块内所有基本模块都处于正常工作模式时，级联模块处于正常工作模式。当变换器在传统双星型接线方式下，本专利技术通过以下方案实现输出端发生负载单相短路并切除故障相后，输入端依然保持三相单位功率因数运行的目的：传统变换器双星型接法是将级联模块M1，M2，M3的输入端M1in2，M2in2，M3in2相连，输入端M1in1，M2in1，M3in1分别与输入电感相联接后作为输入端的A、B、C三相进线，将级联模块M1，M2，M3的输出端M1out2，M2out2，M3out2相连，输入端M1out1，M2out1，M3out1作为输出端的a、b、c三相出线。传统接线模式下，当变换器输出端发生了负载单相接地故障并切除故障后，以输出端a相发生负载接地短路故障为例，通过变换器控制策略的控制，将负载侧故障相a相所连级联模块M1的k个基本模块AC-DC级全部置于输入端隔离模式，其它两级(DC-DC级和DC-A本文档来自技高网...

【技术保护点】
传统双星型接线方式下，输出端发生负载单相短路并切除故障相后，输入端依然保持三相单位功率因数运行的运行方案：传统接线模式下，当变换器输出端发生了负载单相接地故障并切除故障后，以输出端a相发生负载接地短路故障为例，通过变换器控制策略的控制，将负载侧故障相a相所连级联模块M1的k个基本模块AC‑DC级全部置于输入端隔离模式，DC‑DC级和DC‑AC级状态随意，使基本模块AC‑DC级将后端短路，不给本模块的DC‑DC级和DC‑AC级提供能量，输出端b、c两相级联模块工作在正常模式，此时由于输入端依然是A、B、C三相供电，A相级联模块的AC‑DC级全部置于恒定隔离模式，A相输入端电流直接流入中心点，因此A相输入端电流不可直接控制，但B、C两相输入端电流依然可控，因此可控制B、C两相输入端单位功率因数运行，由于三相电流和为零，因此输入侧A相输入端也可以实现单位功率因数运行，从而实现了输入端保持三相单位功率因数运行，输入电流保持三相对称、平衡输入。

【技术特征摘要】
1.传统双星型接线方式下，输出端发生负载单相短路并切除故障相后，输入端依然保持三相单位功率因数运行的运行方案：传统接线模式下，当变换器输出端发生了负载单相接地故障并切除故障后，以输出端a相发生负载接地短路故障为例，通过变换器控制策略的控制，将负载侧故障相a相所连级联模块M1的k个基本模块AC-DC级全部置于输入端隔离模式，DC-DC级和DC-AC级状态随意，使基本模块AC-DC级将后端短路，不给本模块的DC-DC级和DC-AC级提供能量，输出端b、c两相级联模块工作在正常模式，此时由于输入端依然是A、B、C三相供电，A相级联模块的AC-DC级全部置于恒定隔离模式，A相输入端电流直接流入中心点，因此A相输入端电流不可直接控制，但B、C两相输入端电流依然可控，因此可控制B、C两相输入端单位功率因数运行，由于三相电流和为零，因此输入侧A相输入端也可以实现单位功率因数运行，从而实现了输入端保持三相单位功率因数运行，输入电流保持三相对称、平衡输入。2.所提出的变换器的新型双星型接法：本发明提出的新型接法要求供电侧A、B、C每一相使用3组级联模块，每组级联模块内可有k个基本模块级联，因此共有9组级联模块，9k个基本模块，9组级联模块记为M1，M2，M3，M4，M5，M6，M7，M8，M9，新型三相变换器的双星型接法的输入端接法是将级联模块M1，M2，M3输入端M1in2和M2in1相连，M2in2和M3in1相连；级联模块M4，M5，M6输入端M4in2和M5in1相连，M5in2和M6in1相连；级联模块M7，M8，M9输入端M7in2和M8in1相连，M8in2和M9in1相连；再将输入端M3in2，M6in2，M9in2相连；剩下的输入端M1in1，M4in1，M7in1分别与输入电感联接后作为输入端A、B、C相的进线，输出端接法是将级联模块M1，M4，M7输出端M1in2和M4in1相连，M4in2和M7in1相连；级联模块M2，M5，M8输出端M2in2和M5in1相连，M5in2和M8in1相连；级联模块M3，M6，M9输出端M3in2和M6in1相连，M6in2和M9in1相连；再将输出端M7in2，M8in2，M9in2相连；剩下的输入端M1in1，M2in1，M3in1分别与输出电感联接后作为输出端a、b、c相的出线。3.变换器新型双星型接线方式下，输出端发生负载单相短路并切除故障相后，输入端依然保持三相单位功率因数运行的运行方案：变换器在新型接线模式下，当输出端发生了单相负载接地故障且故障切除后，以输出端a相发生负载接地短路故障为例进行说明：通过变换器控制策略的控制，将输出端故障相a相所连级联模块M1，M4，M7中所有基本模块的AC-DC级全部置于输入隔离模式，DC-DC级和DC-AC级工作状态随意，使这些基本模块中AC-DC级将后端短路，不给本基本模块的DC-DC级和DC-AC级提供能量，输出端b，c两相所连级联模块工作在正常工作模式，此时对于输入端而言A相的级联模块M1，B相的级联模块M2和C相的级联模块相M3中所有基本模块的AC-DC级全部置于输入隔离模式，即A、B、C三相都只是相当于少了一组级联模块，系统依然能实现三相输入端单位功率因数稳定运行，从而实现了输入端输入电流保持三相对称、平衡输入，输出端对非故障相负载的供电，实现了容错运行、故障隔离，消除了负载侧对电源侧的影响，提高了供电可靠性。4.变换器新型双星型接线方式下，输出端发生两相负载接地故障或两相负载相间短路故障并切除故障相后，输入端依然保持三相单位功率因数运行的运行方案：变换器在新型...

【专利技术属性】
技术研发人员：程红，王聪，张衡，庄园，侯丽楠，邓嘉卿，马勇，沈俊远，巩英才，徐晓贤，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11