一种轻型模块化换流阀及其控制方法技术

本申请提供一种轻型模块化换流阀及其控制方法。所述轻型模块化换流阀包括至少1个桥臂，桥臂包括相互串联的N个子模块以及桥臂电抗器，N≥1，子模块包括功率单元、直流电容、旁路开关和子模块控制单元，功率单元包括由功率半导体器件构成的半桥结构或全桥结构，功率单元的交流端并联旁路开关；桥臂电抗器包括M个串联电抗，1≤M≤N，串联电抗分别布置于M个子模块内部并串联连接在所述子模块的交流端口与旁路开关之间，或/和分别布置于两个子模块交流端口之间，或/和布置于K个子模块串联组成的阀段首端或尾端，1≤K≤N，串联电抗为耦合电感，包括主绕组和控制绕组，主绕组与子模块串联，控制绕组与受控电源连接。控制绕组与受控电源连接。控制绕组与受控电源连接。

【技术实现步骤摘要】
一种轻型模块化换流阀及其控制方法


[0001]本申请涉及电力电子
，具体涉及一种轻型模块化换流阀及其控制方法。

技术介绍

[0002]现有随着电力电子技术在电力系统中的应用和发展，电力电子设备向着高电压模块化级联方向发展，尤其在高压大容量柔性直流输电技术中广泛应用，设备的容量以及电压等级增长迅速，目前已经达到
±
800kV/5000MW。
[0003]设备容量增长带来的问题是设备体积和重量的增加。一方面，现有用地紧张，新建的工程征地难度大；另一方面，有一些特殊应用场合，如海上风电，由于海上平台的空间有限，运输和安装难度大，对设备占地和重量有很高的要求。由此可见，减小换流阀的占地和重量对于该项技术的发展意义重大。
[0004]现有技术中，存在以下三个问题制约轻型化换流阀的发展。
[0005]第一，桥臂电抗器布置于换流阀塔外部，留有很大空气间距，造成成套设备占地面积大，布局难度增加等问题。
[0006]第二，电容器在整个换流阀的占地和重量占地最大，其容值计算一方面要考虑平抑稳态状态下电压的波动，另一方面，在故障条件下，可以抑制暂态过电压，而故障条件下的电容值需求要远高于稳态电容值需求。
[0007]第三，IGBT器件的抗浪涌能力和耐压能力都不足，如果电容器取值较小，则故障穿越能力弱，容易损坏器件。

技术实现思路

[0008]本申请实施例提供一种轻型模块化换流阀，包括至少1个桥臂，所述桥臂包括相互串联的N个子模块以及桥臂电抗器，N≥1，所述子模块包括功率单元、直流电容、旁路开关和子模块控制单元，所述功率单元包括由功率半导体器件构成的半桥结构或全桥结构，所述功率单元的交流端并联所述旁路开关；所述桥臂电抗器包括M个串联电抗，1≤M≤N，所述串联电抗分别布置于M个子模块内部并串联连接在所述子模块的交流端口与旁路开关之间，或/和分别布置于两个子模块交流端口之间，或/和布置于K个子模块串联组成的阀段首端或尾端，1≤K≤N，所述串联电抗为耦合电感，包括主绕组和控制绕组，所述主绕组与所述子模块串联，所述控制绕组与受控电源连接，N、M、K为自然数。
[0009]根据一些实施例，所述桥臂还包括阀支架，所述阀支架用于支撑所述子模块和所述串联电抗；所述阀支架包括用于支撑地电位的绝缘子或绝缘框架，所述阀支架、所述子模块和所述串联电抗组合成集成式阀塔。
[0010]根据一些实施例，所述集成式阀塔还包括水冷管道，所述串联电抗的冷却回路与所述水冷管道直接连接，或所述串联电抗的冷却回路与所述子模块的冷却回路串联后与所述水冷管道连接。
[0011]根据一些实施例，所述M个串联电抗中两个电感值最大的串联电抗，布置在所述集
成式阀塔中距离地电位最近的一层两端，其余串联电抗均匀分布在所述集成式阀塔中。
[0012]根据一些实施例，所述受控电源位于串联电抗相邻的子模块的内部，受所述子模块控制单元控制；或/和位于串联电抗内部，具有独立的受控电源控制单元，所述受控电源控制单元受相邻的子模块控制单元控制或直接受阀控制器控制。
[0013]根据一些实施例，所述受控电源包括电压源和全桥控制单元，所述电压源来自于所述子模块的直流电容或对所述子模块的直流电容进行DC/DC变换或对所述串联电抗的主绕组进行电流耦合；所述全桥控制单元包括四个全控半导体器件，所述全桥控制单元的直流端连接所述电压源，所述全桥控制单元的交流端连接所述串联电抗的控制绕组。
[0014]根据一些实施例，所述串联电抗的主绕组和控制绕组共铁芯绕制，所述控制绕组的匝数大于所述主绕组的匝数。
[0015]根据一些实施例，所述串联电抗的主绕组两端并联过电压保护装置，所述过电压保护装置具备双向过电压保护能力。
[0016]根据一些实施例，所述全桥控制单元的触发采用高频调制方法，按一定频率和占空比触发相应位置器件，使所述串联电抗的控制绕组流过不同方向的电流。
[0017]根据一些实施例，所述子模块的功率单元包括IGCT混合子模块，所述IGCT混合子模块包括上管、下管和限流电抗，所述上管与交流侧端口串联，所述上管为绝缘栅双极型晶体管IGBT；所述下管与交流侧端口并联，所述下管为集成门极换流晶闸管IGCT，所述下管与二极管反并联，所述下管与所述二极管整体定义为IGCT对管；所述限流电抗用于限制流过所述下管的电流变化率。
[0018]根据一些实施例，所述IGCT混合子模块的限流电抗串联于所述直流电容与所述功率单元之间或/和串联于下管IGCT对管所在支路。
[0019]根据一些实施例，所述IGCT混合子模块还包括钳位电路，所述钳位电路包括电容、电阻以及二极管，所述电容用于限制过电压，所述电阻提供阻尼限流功能，所述二极管提供续流回路。
[0020]根据一些实施例，所述电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述电容并联连接后的第一端连接所述直流电容的负极，所述第二电阻的第一端连接所述第一电阻和所述电容并联连接的第二端，所述第二电阻的第二端连接所述直流电容的正极，所述二极管的正极连接所述第一电阻和所述电容并联连接的第二端，所述二极管的负极连接所述下管IGCT对管的发射极。
[0021]本申请实施例还提供一种如上所述的轻型模块化换流阀的控制方法，包括正常模式、限流模式和旁通模式三种控制方式，所述正常模式下，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流在正常值范围内时，所述轻型模块化换流阀的阀控制器接收所述轻型模块化换流阀的控制保护系统的指令后，控制子模块的功率单元中的功率器件开通和关断；所述限流模式下，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第一过流门槛值时，所述阀控制器根据所述桥臂的电流方向，触发所述受控电源的全桥控制单元的对应器件，使所述串联电抗的主绕组耦合出阻断电压，降低故障电流；所述旁通模式下，所述轻型模块化换流阀流过子模块电流超出第二过流门槛值时，所述阀控制器控制所有子模块的功率单元的上管闭锁，下管导通。
[0022]根据一些实施例，所述正常模式下，所述子模块的直流电容存在电压波动；所述旁
通模式下，所述子模块的直流电容不注入电流，电容电压不会升高；所述子模块的直流电容的取值方法为正常模式下电压波动不超过阈值，不考虑旁通模式下故障电流的充电过压效应。
[0023]本申请实施例提供的技术方案，将桥臂电抗器分为多个串联电抗，并将串联电抗优化的分布于换流阀中，串联电抗设计为耦合电感，一个主绕组与子模块串联；另一个控制绕组与受控电源连接，电抗器在流过故障电流时避免磁饱和，并输出反向阻断电压，在暂态时有效抑制故障电流，避免子模块电容的暂态过电压，以减少容值，稳态时不影响换流器正常运行，解决了限流问题。同时，串联电抗还起到抑制共模电流在子模块间流动的作用。可应用于柔性直流换流阀、UPFC、SVG等模块化多电平拓扑，具有占地小、重量轻、布置方便等优势。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻型模块化换流阀，包括：至少1个桥臂，所述桥臂包括：相互串联的N个子模块，N≥1，所述子模块包括功率单元、直流电容、旁路开关和子模块控制单元，所述功率单元包括由功率半导体器件构成的半桥结构或全桥结构，所述功率单元的交流端并联所述旁路开关；桥臂电抗器，所述桥臂电抗器包括M个串联电抗，1≤M≤N，所述串联电抗分别布置于M个子模块内部并串联连接在所述子模块的交流端口与旁路开关之间，或/和分别布置于两个子模块交流端口之间，或/和布置于K个子模块串联组成的阀段首端或尾端，1≤K≤N，所述串联电抗为耦合电感，包括主绕组和控制绕组，所述主绕组与所述子模块串联，所述控制绕组与受控电源连接，N、M、K为自然数。2.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述桥臂还包括：阀支架，用于支撑所述子模块和所述串联电抗；所述阀支架包括用于支撑地电位的绝缘子或绝缘框架，所述阀支架、所述子模块和所述串联电抗组合成集成式阀塔。3.如权利要求2所述的轻型模块化换流阀，其中，所述集成式阀塔还包括：水冷管道，所述串联电抗的冷却回路与所述水冷管道直接连接，或所述串联电抗的冷却回路与所述子模块的冷却回路串联后与所述水冷管道连接。4.如权利要求2所述的轻型模块化换流阀，其中，所述M个串联电抗中两个电感值最大的串联电抗，布置在所述集成式阀塔中距离地电位最近的一层两端，其余串联电抗均匀分布在所述集成式阀塔中。5.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述受控电源位于串联电抗相邻的子模块的内部，受所述子模块控制单元控制；或/和位于串联电抗内部，具有独立的受控电源控制单元，所述受控电源控制单元受相邻的子模块控制单元控制或直接受阀控制器控制。6.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述受控电源包括：电压源，来自于所述子模块的直流电容或对所述子模块的直流电容进行DC/DC变换或对所述串联电抗的主绕组进行电流耦合；全桥控制单元，包括四个全控半导体器件，所述全桥控制单元的直流端连接所述电压源，所述全桥控制单元的交流端连接所述串联电抗的控制绕组。7.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述串联电抗的主绕组和控制绕组共铁芯绕制，所述控制绕组的匝数大于所述主绕组的匝数。8.如权利要求1所述的轻型模块化换流阀，其中，所述串联电抗的主绕组两端并联过电压保护装置，所述过电压保护装置具备双向过电压保护能力。9.如权利要求6所述的轻型模块化换流阀，其中，所述全桥控...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晔源，王宇，段军，姜田贵，高彪，
申请(专利权)人：南京南瑞继保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：