换流臂、串联高压直流变压器及控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及换流臂、串联高压直流变压器及控制方法。

背景技术

高压直流变压器通常应用于直流输电或直流配电领域，用于连接不同电压等级的直流端口。

随着现代电力电子技术的发展，由于单管功率半导体器件的耐压等级相对有限，其应用和发展受到了极大的限制。

功率半导体器件通过组成子模块，再进行子模块级联可构成换流臂，换流臂通过不同的组合方式，可构成隔离型的直流变压器与非隔离型的直流变压器。因此，无论是隔离型或非隔离型直流变压器，换流臂都是起到功率变换作用的关键组成单元。在直流变压器的应用中，一旦换流臂承受过电压，或单个子模块承受过电压，会造成器件损坏，故障扩大后会导致整个换流臂故障损坏。

现有技术中有采用在模块之间增加器件连接的方式，如专利CN105406722A二极管钳位功率开关串联高压直流变压器，上述对比文件的方法是利用了二极管建立了子模块直流电容之间的充放电通道，利用辅助回路使桥臂之间的子模块之间构成了闭环，实现直流电压平衡的功能，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，能量将会在换流臂断开处的子模块积累，造成子模块过压损坏，可靠性低。

由于无法解决故障情况下短时过电压问题，为了使整个换流臂能够承受更高的短时过电压，只能增加子模块中的电容容值，或增加子模块的数量，大大的增加了整个换流臂的成本和占地。

发明内容

本申请实施例提供一种换流臂，其中，所述换流臂的首端连接直流正极，所述换流臂的尾端连接直流负极，所述换流臂的中点引出，作为所述换流臂的交流端，所述换流臂包括串联连接的M个均压单元，以及R个耗能单元，M和R为大于等于1的整数；其中，所述均压单元包括第一直流电容、第一功率半导体器件和串联连接的第三功率半导体器件和第四功率半导体器件，所述第三功率半导体器件的另一端连接相邻均压单元的第三功率半导体器件和第四功率半导体器件的连接点或耗能单元；所述第一直流电容的一端连接所述第三功率半导体器件和所述第四功率半导体器件的连接点，第一功率半导体器件的一端连接所述第一直流电容的另一端，第一功率半导体器件的另一端连接所述第四功率半导体器件的另一端，所有均压单元的所述第一功率半导体器件同方向依次串联。

根据一些实施例，所述第一功率半导体器件包括：全控型功率半导体器件。

根据一些实施例，所述第三功率半导体器件和第四功率半导体器件均包括：二极管或全控型功率半导体器件的至少一种。

根据一些实施例，所述耗能单元包括第一开关、第一电阻、第二直流电容和第二功率半导体器件，所述第一开关包括由功率半导体器件构成的固态开关或机械开关；所述第一电阻与所述第一开关串联连接；所述第一开关和所述第一电阻的串联电路与所述第二直流电容并联连接。

根据一些实施例，所述耗能单元还包括第二功率半导体器件，所述第一开关和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。

根据一些实施例，所述耗能单元还包括第二电阻，所述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。

本申请实施例还提供一种串联高压直流变压器，包括直交变换器、隔离变压器和交直变换器，所述直交变换器包括P个如权利要求1至6之任一项所述的换流臂，所述P为大于等于2的整数，所述换流臂的直流正极连接作为所述串联高压直流变压器的直流输入正极，所述换流臂的直流负极连接作为所述串联高压直流变压器的直流输入负极，所述换流臂的交流端作为所述直交变换器的交流端；所述隔离变压器的原边与所述直交变换器的交流端连接；所述交直变换器与所述隔离变压器的副边连接。

根据一些实施例，所述交直变换器包括P个所述换流臂，所述换流臂的交流端与隔离变压器的副边连接，所述换流臂的直流正极相连接作为所述串联高压直流变压器的直流输出正极，所述换流臂的直流负极相连接作为所述串联高压直流变压器的直流输出负极。

根据一些实施例，所述交直变换器包括不控整流桥或全控整流桥；所述不控整流桥包括二极管组成的桥式电路；所述全控整流桥包括全控型功率半导体器件或级联的多个全桥连接的功率单元或半桥连接的功率单元，所述全桥连接的功率单元包括第二直流电容以及与所述第二直流电容并联连接的全桥整流单元，所述半桥连接的功率单元或包括第二直流电容以及与所述第二直流电容并联连接的半桥整流单元。

本申请实施例还提供一种如上所述串联高压直流变压器的控制方法，包括：调节所述直交变换器的所述换流臂的交流端输出电压；控制所述串联高压直流变压器的直流输出电压达到给定目标值。

根据一些实施例，如果所述交直变换器包括所述不控整流桥，所述控制所述串联高压直流变压器的直流输出电压达到给定目标值，包括：继续调节所述交流端输出电压，直到所述串联高压直流变压器的直流输出电压达到给定目标值。

根据一些实施例，如果所述交直变换器包括P个所述换流臂或所述全控整流桥，所述控制所述串联高压直流变压器的直流输出电压达到给定目标值，包括：控制所述交直变换器工作，直到所述串联高压直流变压器的直流输出电压达到给定目标值。

本申请实施例还提供一种串联高压直流变压器，包括如上所述的换流臂、第一换流链和第二换流链，所述换流臂的直流正极连接作为所述串联高压直流变压器的直流输入正极，所述换流臂的直流负极连接作为所述串联高压直流变压器的直流输入负极；所述第一换流链的一端与所述换流臂的交流端连接，另一端作为所述串联高压直流变压器的直流输出正极，所述串联高压直流变压器的直流输出负极与所述直流输入负极连接；所述第二换流链的并联在所述直流输出正极和所述直流输出负极的两端。

根据一些实施例，所述第一换流链包括串联连接的至少N个全桥连接形式的功率单元，N为大于等于1的整数。

根据一些实施例，所述第二换流链包括：串联连接的至少N个全桥连接形式或半桥连接形式的功率单元，N为大于等于1的整数。

根据一些实施例，所述第二换流链包括如上所述的换流臂，所述换流臂的交流端不引出。

本申请还提供一种如上所述串联高压直流变压器的控制方法，包括：设定所述串联高压直流变压器的直流输入电压参考值U

根据一些实施例，所述调节所述串联高压直流变压器的直流输出电压为U

根据一些实施例，所述导通所述换流臂的上桥臂的时间与所述导通所述换流臂的下桥臂的时间相同。

本申请实施例提供的技术方案，换流臂配置了耗能单元，通过二极管将子模块的过剩能量转移到换流臂的首端或尾端，由耗能单元消耗掉过剩的能量，在系统发生过电压时，可以实现能量均衡调节并限制过压，极大的提高了系统的可靠性，耗能单元仅布置在换流臂的首端或尾端，增加很小的成本即实现了均压和耗能的功能。

附图说明

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的一种换流臂构成示意图；

图2是本申请实施例提供的另一种换流臂构成示意图；

图3是本申请实施例提供的再一种换流臂构成示意图；

图4是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之一；

图5是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之二；

图6是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之三；

图7是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之四；

图8是本申请实施例提供的一种包括全桥连接的功率单元构成示意图；

图9是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之五；

图10是本申请实施例提供的一种包括半桥连接的功率单元构成示意图；

图11是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之六；

图12是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之七；

图13是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之八。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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。

应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“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。

图1是本申请实施例提供的一种换流臂构成示意图。

换流臂21的首端连接直流正极，尾端连接直流负极，换流臂的中点引出，作为换流臂的交流。

换流臂21包括至R个耗能单元9和M个串联连接的均压单元10。M个串联连接的均压单元10与能耗单元9串联连接，M为大于等于1的整数。

均压单元10包括第一直流电容C

第一直流电容C

第一功率半导体器件T

耗能单元9包括第二直流电容5、第一开关6、第一电阻7和第二功率半导体器件16。

第一开关6包括但不限于由功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。第一电阻7与第一开关6串联连接。第一开关6和第一电阻7的串联电路与第二直流电容5并联连接。第一开关6和第一电阻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。

可选地，耗能单元9还包括第二电阻13，第二电阻13与第二直流电容5并联连接，第二电阻13包括但不限于均压电阻或/和非线性电阻。

如图1所示，耗能单元9位于换流臂21的顶部。耗能单元并联在串联连接的第三功率半导体器件D1和第四功率半导体器件D2两端。

图2是本申请实施例提供的另一种换流臂构成示意图。

换流臂21的首端连接直流正极，尾端连接直流负极，换流臂的中点引出，作为换流臂的交流。

换流臂21包括至少一个耗能单元9和M个串联连接的均压单元10。M个串联连接的均压单元10与能耗单元9串联连接，M为大于等于1的整数。

均压单元10包括第一直流电容C

第一直流电容C

第一功率半导体器件T

耗能单元9包括第二直流电容5、第一开关6、第一电阻7和第二功率半导体器件16。

第一开关6包括但不限于由功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。第一电阻7与第一开关6串联连接。第一开关6和第一电阻7的串联电路与第二直流电容5并联连接。第一开关6和第一电阻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。

可选地，耗能单元9还包括第二电阻13，第二电阻13与第二直流电容5并联连接，第二电阻13包括但不限于均压电阻或/和非线性电阻。

如图2所示，耗能单元9位于换流臂21的底部。耗能单元9的一端连接直流负极，一端与第三功率半导体器件D

图3是本申请实施例提供的再一种换流臂构成示意图。

在图3中，与图1的换流臂类似。不同的地方在于，耗能单元9的位置不在换流臂的顶部或底部，而位于换流臂的中间位置，在本实施例中耗能单元位于第K均压单元与第K+1均压单元之间，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均压单元的第三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均压单元的第四功率半导体器件连接。在本实施例中，还需要增加第五功率半导体器件D3，在本实施例中为二极管，所述二极管D3位于直流连接点与第K+1均压单元的直流电容正极的连线上。二极管D3的布置方向与原有均压单元的第三功率半导体器件布置方向一致，相当于增加耗能单元后，补充一个连接二极管，使得均压单元之间直流电容的连接不会中断。

图4是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之一。

串联高压直流变压器，包括直交变换器18、隔离变压器19和交直变换器20。

直交变换器18包括P个如上所述的换流臂21，P为大于等于2的整数。在本实施例中，P为2，直交变换器18中换流臂21的个数是2个。直交变换器18的换流臂21的直流正极连接作为所述串联高压直流变压器的直流输入正极，直交变换器18的换流臂21的直流负极连接作为串联高压直流变压器的直流输入负极，直交变换器18的换流臂21的交流端作为直交变换器的交流端。

隔离变压器19的原边与直交变换器18的交流端连接。交直变换器20与隔离变压器19的副边连接。

交直变换器20包括P个如上所述的换流臂21，在本实施例中，P为2，交直变换器20中换流臂21的个数也是2个。交直变换器20的换流臂21的交流端与隔离变压器的副边连接，交直变换器20的换流臂21的直流正极相连接作为串联高压直流变压器的直流输出正极，交直变换器20的换流臂21的直流负极相连接作为串联高压直流变压器的直流输出负极。

串联高压直流变压器的控制方法为：调节直交变换器18的换流臂21的交流端输出电压，控制交直变换器20工作，直到串联高压直流变压器的直流输出电压达到给定目标值。

图5是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之二。

在本实施例中，与图4实施例不同的是，直交变换器18中的换流臂21包括不只一个耗能单元。交直变换器20中的换流臂21包括一个耗能单元。

图6是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之三。

串联高压直流变压器，包括直交变换器18、隔离变压器19和交直变换器20。

直交变换器18包括P个如上所述的换流臂21，P为大于等于2的整数。在本实施例中，P为2，直交变换器18中换流臂21的个数是2个。直交变换器18的换流臂21的直流正极连接作为所述串联高压直流变压器的直流输入正极，直交变换器18的换流臂21的直流负极连接作为串联高压直流变压器的直流输入负极，直交变换器18的换流臂21的交流端作为直交变换器的交流端。

隔离变压器19的原边与直交变换器18的交流端连接。交直变换器20与隔离变压器19的副边连接。

交直变换器20包括不控整流桥或全控整流桥。在本实施例中，交直变换器20包括不控整流桥。不控整流桥包括二极管组成的桥式电路。

串联高压直流变压器的控制方法为：调节直交变换器18的换流臂21的交流端输出电压，直到串联高压直流变压器的直流输出电压达到给定目标值。

图7是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之四。

串联高压直流变压器，包括直交变换器18、隔离变压器19和交直变换器20。

直交变换器18包括P个如上所述的换流臂21，P为大于等于2的整数。在本实施例中，P为3，直交变换器18中换流臂21的个数是3个。直交变换器18的换流臂21的直流正极连接作为所述串联高压直流变压器的直流输入正极，直交变换器18的换流臂21的直流负极连接作为串联高压直流变压器的直流输入负极，直交变换器18的三个换流臂21的交流端作为直交变换器的三相交流端。

隔离变压器19的原边与直交变换器18的交流端连接。交直变换器20与隔离变压器19的副边连接。

交直变换器20包括不控整流桥或全控整流桥。在本实施例中，交直变换器20包括全控整流桥。全控整流桥包括全控型功率半导体器件或多个级联的全桥连接的功率单元1或多个级联的半桥连接的功率单元2。在本实施例中，全控整流桥包括多个级联的全桥连接的功率单元1，全桥连接的功率单元1包括第二直流电容C

图8是本申请实施例提供的一种全桥连接的功率单元构成示意图。

串联高压直流变压器的控制方法为：调节直交变换器18的换流臂21的交流端输出电压，控制交直变换器20工作，直到串联高压直流变压器的直流输出电压达到给定目标值。

图9是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之五。

与图7实施例不同的是，在本实施例中，交直变换器20包括全控整流桥。全控整流桥包括多个级联的半桥连接的功率单元2。半桥连接的功率单元2包括第二直流电容C

图11是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之六。

串联高压直流变压器包括如上所述的换流臂21、第一换流链22和第二换流链23。换流臂21的直流正极连接作为串联高压直流变压器的直流输入正极，换流臂21的直流负极连接作为串联高压直流变压器的直流输入负极。

第一换流链22的一端与换流臂21的交流端连接，第一换流链22的另一端作为串联高压直流变压器的直流输出正极，串联高压直流变压器的直流输出负极与直流输入负极连接。第一换流链22包括串联连接的至少N个全桥连接的功率单元1，N为大于等于1的整数，如图8所示，图8是本申请实施例提供的一种全桥连接的功率单元构成示意图。

第二换流链23并联在所述直流输出正极和所述直流输出负极的两端。第二换流链包括如上所述的换流臂21，换流臂21的交流端不引出。

串联高压直流变压器的控制方法如下。

设定串联高压直流变压器的直流输入电压参考值U

调节串联高压直流变压器的直流输出电压为U

其中，导通换流臂21的上桥臂的时间与导通换流臂21的下桥臂的时间相同。

图12是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之七。

与图11实施例不同的是，在本实施例中，第二换流链23包括串联连接的至少N个全桥连接的功率单元1，N为大于等于1的整数，如图8所示，图8是本申请实施例提供的一种全桥连接的功率单元构成示意图。

图13是本申请实施例提供的一种串联高压直流变压器构成示意图之八。

与图11实施例不同的是，在本实施例中，第二换流链23包括串联连接的至少N个半桥连接的功率单元2，N为大于等于1的整数，如图10所示，图10是本申请实施例提供的一种半桥连接的功率单元构成示意图。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，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。