本發(fā)明涉及一種交直流變換裝置，具體講涉及一種高壓交直流電能變換裝置及其控制方法。

背景技術：

針對高壓DC-AC變換器已經有了很多的研究成果，在原有兩電平技術的基礎上，模塊化多電平技術是目前最流行的適用于高壓柔性直流輸電技術的換流器技術，在諸多文獻中已經得到了廣泛的研究，并且實現了高達±320kV/1000MW的工程應用。

現有柔性直流技術主要采用電纜進行功率傳輸。為了進一步將柔性直流技術推廣至架空線系統(tǒng)，必須將其中的半橋子模塊結構(圖1(a))替換成全橋子模塊結構(圖1(b))，然而，這種方式造成系統(tǒng)損耗和投資大幅度上升，難以滿足工程需求。

針對電纜系統(tǒng)應用的拓撲結構，專利US 20130128629A1的“HYBRID 2-LEVEL AND MULTILEVELHVDC CONVERTER”提出了一種新型的換流器結構，能夠大幅度減小所采用的半導體器件和電容，但是控制方式復雜，有很多的技術問題難以解決；

針對架空線系統(tǒng)應用需求，專利WO2014/111164A1的“AMultilevel Converterwith Hybrid Full Bridge Cells”提出了將橋臂改為半橋及全橋混合的結構，使系統(tǒng)損耗和投資得到了降低；專利WO2011/098117A1的“Converter for High voltage DC Transmission”提出了一種倒換橋臂型換流器，通過結合兩電平以及模塊化多電平的結構，實現了電能變換，但需要復雜并且精確的能量平衡控制，實際實現較為困難。

技術實現要素：

為解決上述現有技術中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種高壓交直流電能變換裝置及其控制方法，該高壓交直流電能變換裝置通過器件串聯(lián)結構對級聯(lián)子模塊進行投切操作，實現了交直流的電能變換，部分提出的拓撲通過使用全橋子模塊結構還可實現直流故障的自清除，滿足架空線的應用需求。

本發(fā)明的目的是采用下述技術方案實現的：

本發(fā)明提供一種高壓交直流電能變換裝置，其改進之處在于，所述交直流電能變換裝置由三相結構組成，每相均為單相結構，所述的單相結構由上下兩個橋臂變換單元連接組成。

其中，所述橋臂變換單元由兩組器件級聯(lián)結構和子模塊級聯(lián)結構組成，包括三種組成方式：

1)所述兩組器件級聯(lián)結構與子模塊級聯(lián)結構呈星形連接，所述兩組器件級聯(lián)結構串聯(lián)；其中一組器件級聯(lián)結構的一端連接至交流端子，另一組器件級聯(lián)結構的一端作為上橋臂變換單元結構時連接至直流正極端子，作為下橋臂變換單元結構時連接至直流負極端子；所述子模塊級聯(lián)結構的一端連接至兩組器件級聯(lián)結構之間的公共點，另一端連接至接地點；

2)所述兩組器件級聯(lián)結構與子模塊級聯(lián)結構呈星形連接，其中一組器件級聯(lián)結構的一端連接至交流端子，另一端與子模塊級聯(lián)結構的一端連接；另一組器件級聯(lián)結構的一端連接至接地點，另一端與子模塊級聯(lián)結構的一端連接；所述子模塊級聯(lián)結構的另一端連接至直流正極端子或直流負極端子；

3)所述兩組器件級聯(lián)結構與子模塊級聯(lián)結構呈星形連接，其中一組器件級聯(lián)結構的一端連接至直流正極端子或直流負極端子，另一端與子模塊級聯(lián)結構的一端連接；所述子模塊級聯(lián)結構的另一端連接至交流端子；另一組器件級聯(lián)結構的一端連接至接地點，另一端連接至器件級聯(lián)結構與子模塊級聯(lián)結構之間的公共點。

其中，所述器件級聯(lián)結構由電力電子器件串聯(lián)組成，所述電力電子器件由全控型器件及其反并聯(lián)二極管組成，所述全控型器件包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT、門極可關斷晶閘管GTO、集成門極換流晶閘管IGCT以及電子注入增強柵晶體管IEGT。

其中，所述子模塊級聯(lián)結構半橋子模塊或全橋子模塊級聯(lián)組成，所述子模塊級聯(lián)結構的橋臂上串聯(lián)有電抗器。

其中，當所述子模塊級聯(lián)結構由全橋子模塊級聯(lián)組成，能夠實現直流故障的自清除，滿足架空線的應用需求。

本發(fā)明還提供一種高壓交直流電能變換裝置的控制方法，其改進之處在于，所述方法包括下述實現方式：

①對于方式1)中橋臂變換單元作為上橋臂變換單元時，當交流電壓輸出為正半波時，其中一組器件級聯(lián)結構S1p導通，另一組器件級聯(lián)結構S2p關斷，子模塊級聯(lián)結構輸出交流電壓正半波Uc，用于支撐交流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，另一組器件級聯(lián)結構S2p導通，其中一組器件級聯(lián)結構S1p關斷，子模塊級聯(lián)結構輸出直流電壓Vd/2，用于支撐正極直流電壓。

對于方式1)中橋臂變換單元作為下橋臂變換單元時，當交流電壓輸出為正半波時，其中一組器件級聯(lián)結構S1n導通，另一組器件級聯(lián)結構S2n關斷，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出直 流電壓Vd/2，用于支撐負極直流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，其中一組器件級聯(lián)結構S1n關斷，另一組器件級聯(lián)結構S2n導通，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出交流電壓絕對值|Uc|，用于支撐交流電壓；

②對于方式2)中橋臂變換單元作為上橋臂變換單元時，當交流電壓輸出為正半波時，其中一組器件級聯(lián)結構S1p導通，另一組器件級聯(lián)結構S2p關斷，子模塊級聯(lián)結構輸出直流正極電壓與交流電壓的差Vd/2-Uc，用于支撐交流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，另一組器件級聯(lián)結構S2p導通，其中一組器件級聯(lián)結構S1p關斷，子模塊級聯(lián)結構輸出直流電壓Vd/2，用于支撐正極直流電壓；

對于方式2)中橋臂變換單元作為下橋臂變換單元時，當交流電壓輸出為正半波時，其中一組器件級聯(lián)結構S1n導通，另一組器件級聯(lián)結構S2n關斷，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出直流電壓Vd/2，用于支撐負極直流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，其中一組器件級聯(lián)結構S1n關斷，另一組器件級聯(lián)結構S2n導通，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出交流電壓與直流負極電壓的差Vd/2+Uc，用于支撐交流電壓；

③對于方式3)中橋臂變換單元作為上橋臂變換單元時，當交流電壓輸出為正半波時，其中一組器件級聯(lián)結構S1p導通，另一組器件級聯(lián)結構S2p關斷，子模塊級聯(lián)結構輸出直流正極電壓與交流電壓的差Vd/2-Uc，用于支撐交流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，另一組器件級聯(lián)結構S2p導通，其中一組器件級聯(lián)結構S1p關斷，子模塊級聯(lián)結構輸出交流電壓絕對值|Uc|，用于支撐交流電壓；

對于方式3)中橋臂變換單元作為下橋臂變換單元時，當交流電壓輸出為正半波時，其中一組器件級聯(lián)結構S1n導通，另一組器件級聯(lián)結構S2n關斷，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出交流電壓Uc，用于支撐交流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，S1n關斷，S2n導通，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出交流電壓與直流負極電壓的差Vd/2+Uc，用于支撐交流電壓。

本發(fā)明提供的技術方案具有的優(yōu)異效果是：

1、僅采用器件串聯(lián)結構和一定數量的子模塊串聯(lián)實現電能變換，投資少，損耗小，占地少；

2、交流側和直流側的波形質量高，所需要的濾波器容量少，甚至不需要濾波器；

3、通過使用全橋子模塊，部分結構能夠有效實現直流故障的隔離，適用于架空線系統(tǒng)；

3、通過在器件級聯(lián)結構開通或者關斷時刻，調整子模塊級聯(lián)結構投入的數量，可以有效實現器件級聯(lián)結構的軟開關。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的子模塊級聯(lián)結構拓撲圖，其中：(a)為半橋結構拓撲圖，(b)為全橋結構拓撲圖，(c)為子模塊級聯(lián)結構圖；

圖2是本發(fā)明提供的橋臂變換單元結構圖，其中：(a)為上橋臂變換單元實現方式一結構圖，(b)為上橋臂變換單元實現方式二結構圖，(c)為上橋臂變換單元實現方式三結構圖；(a’)為下橋臂變換單元實現方式一結構圖，(b’)為下橋臂變換單元實現方式二結構圖，(c’)為下橋臂變換單元實現方式三結構圖；

圖3是本發(fā)明提供的高壓交直流電能變換裝置的單相結構圖；

圖4是本發(fā)明提供的高壓交直流電能變換裝置的三相結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。為了對披露的實施例的一些方面有一個基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評述，也不是要確定關鍵/重要組成元素或描繪這些實施例的保護范圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現一些概念，以此作為后面的詳細說明的序言。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發(fā)明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發(fā)明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語“發(fā)明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發(fā)明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發(fā)明或發(fā)明構思。

實施例

本發(fā)明提供一種高壓交直流電能變換裝置，由三相結構組成，每相為單相變換結構，單相結構由上下兩個橋臂變換單元組成。

橋臂變換單元結構由器件級聯(lián)結構和子模塊級聯(lián)結構組成，包括三種實現方式：

1)如圖2(a)和(a’)，兩組器件級聯(lián)結構與子模塊級聯(lián)結構呈星形連接，器件級聯(lián)結構S1p(S2n)的其余一端連接至交流端子，另一組器件級聯(lián)結構S2p(S1n)的其余一端連接至直流正極(負極)端子；子模塊級聯(lián)結構SMp(SMn)其余一端連接至接地點。

2)如圖2(b)和(b’)，兩組器件級聯(lián)結構與子模塊級聯(lián)結構呈星形連接，器件級聯(lián)結構S1p(S2n)的其余一端連接至交流端子，另一組器件級聯(lián)結構S2p(S1n)的其余一端連接至接地點；子模塊級聯(lián)結構SMp(SMn)其余一端連接至直流正極(負極)端子。

3)如圖2(c)和(c’)，兩組器件級聯(lián)結構與子模塊級聯(lián)結構呈星形連接，器件級聯(lián)結構S1p(S2n)的其余一端連接至直流正極(負極)端子，另一組器件級聯(lián)結構S2p(S1n)的其余一端連接至接地點；子模塊級聯(lián)結構SMp(SMn)其余一端連接至交流端子。

器件級聯(lián)結構由多個電力電子器件串聯(lián)而成，這些器件包括全控型器件(如IGBT，GTO等)及其反并聯(lián)二極管。

子模塊級聯(lián)結構由多個附圖一所示的半橋或者全橋子模塊串聯(lián)而成，子模塊級聯(lián)結構組成的橋臂上串聯(lián)有電抗器。

本發(fā)明還提供一種高壓交直流電能變換裝置的控制方法，所述的橋臂變換單元結構通過一定的橋臂控制方法實現電能變換功能，包括：

1)對于圖2(a)給出的結構，當交流電壓輸出為正半波時，S1p導通，S2p關斷，子模塊級聯(lián)結構SMp輸出交流電壓正半波Uc，用于支撐交流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，S2p導通，S1p關斷，子模塊級聯(lián)結構SMp輸出直流電壓Vd/2，用于支撐正極直流電壓。

對于圖2(a’)給出的結構，當交流電壓輸出為正半波時，S1n導通，S2n關斷，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出直流電壓Vd/2，用于支撐負極直流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，S1n關斷，S2n導通，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出交流電壓絕對值|Uc|，用于支撐交流電壓。

2)對于圖2(b)給出的結構，當交流電壓輸出為正半波時，S1p導通，S2p關斷，子模塊級聯(lián)結構SMp輸出直流正極電壓與交流電壓的差Vd/2-Uc，用于支撐交流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，S2p導通，S1p關斷，子模塊級聯(lián)結構SMp輸出直流電壓Vd/2，用于支撐正極直流電壓。

對于圖2(b’)給出的結構，當交流電壓輸出為正半波時，S1n導通，S2n關斷，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出直流電壓Vd/2，用于支撐負極直流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，S1n關斷，S2n導通，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出交流電壓與直流負極電壓的差Vd/2+Uc，用于支撐交流電壓。

3)對于圖2(c)給出的結構，當交流電壓輸出為正半波時，S1p導通，S2p關斷，子模塊級聯(lián)結構SMp輸出直流正極電壓與交流電壓的差Vd/2-Uc，用于支撐交流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，S2p導通，S1p關斷，子模塊級聯(lián)結構SMp輸出交流電壓絕對值|Uc|，用于支撐交流電壓。

對于圖2(c’)給出的結構，當交流電壓輸出為正半波時，S1n導通，S2n關斷，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出交流電壓Uc，用于支撐交流電壓；當交流電壓輸出為負半波時，S1n關斷，S2n導通，子模塊級聯(lián)結構SMn輸出交流電壓與直流負極電壓的差Vd/2+Uc，用于支撐交流電壓。

本發(fā)明提供的適用于高壓等級的高壓交直流電能變換裝置，有效減少了換流器中對儲能電容的數量需求，減少了系統(tǒng)投資和占地，為柔性直流技術性能的提升提供了一種新的方案。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。