基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器的制作方法

本发明涉及一种基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器，属于大容量交直流变换器拓扑。

背景技术：

1、随着高压直流输电、可再生能源并网、大容量远距离送电以及多端直流电网的发展，基于电压源型换流器的高压直流输电系统在电力系统中的应用日益广泛。模块化多电平换流器具有良好的输出波形、高电压易扩展和模块化设计等特点，已成为高压大容量电压源换流器的重要发展方向。

2、然而常用的模块化多电平换流器拓扑结构存在模块数量多、电容容值高、功率器件数量多，存在体积大、重量大、损耗高等问题，不利于装备的轻型化。同时体积重量大增加了安装、运输、维护及工程应用难度，不利于海上风电柔直输电等场景应用。而基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器在解决上述问题中具有良好的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的晶闸管不可自关断所带来的换流问题，进而提供一种基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器，本发明采用反并联晶闸管作为换向阀器件，在级联模块链中配置少量全桥子模块和多数半桥子模块的新型大容量交直流变换器拓扑。使用晶闸管提升耐流耐压能力配合全半混合的级联模块链实现可靠性关断，并减少电容用量实现变换器的轻型化是本发明的主要创造性。

2、正常运行时三相模块链级联得到高压直流电压，可以大幅减少子模块数量，减少子模块能量波动进而降低电容容值；晶闸管承担交流电压电流换相功能，为级联模块链提供始终为正的半波电压，因此级联模块链以半桥子模块为主，减少了功率器件的数量，同时晶闸管的耐压高、导通电阻和损耗低，可降低换流导通损耗和散热压力，并且晶闸管器件串联技术成熟可靠，已在工程有大量应用案例；利用少量全桥子模块在晶闸管阀关断时提供反向换流电压，驱动晶闸管电流下降至零，并且施加一段时间的反向电压，保证晶闸管可靠关断。本发明提出的大容量交直流变换器拓扑兼顾模块数量少、电容容值低、体积重量小，成本低、散热压力低和轻量化等优势。

3、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

4、一种基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器，包括三个结构相同的相单元，三个所述相单元在直流侧级联后连接至公共直流母线，在交流侧通过开绕组变压器接入交流电网；

5、每个所述相单元均包括：一个换向阀及一个级联模块链，所述换向阀的两个直流端与级联模块链的两侧并联连接，所述换向阀的交流端与开绕组变压器连接；

6、每个所述换向阀均采用h桥拓扑结构，包括两个桥臂，每个桥臂均由两个晶闸管阀单元和一个换流电感串联组成，两个所述桥臂并联连接，两个所述桥臂的中点分别与开绕组变压器连接；

7、每个所述级联模块链均由若干个子模块串联组成，所述子模块包括半桥子模块和全桥子模块，半桥子模块的数量大于全桥子模块的数量。

8、优选的，每个所述晶闸管阀单元均包含一组串联的反并联晶闸管。

9、优选的，每个所述换向阀均包括晶闸管阀单元以及换流电感和；晶闸管阀单元和以及换流电感组成第一桥臂，晶闸管阀单元和以及换流电感组成第二桥臂，

10、换流电感的一端与换流电感的一端连接，换流电感的另一端与晶闸管阀单元的一端连接，晶闸管阀单元的另一端与晶闸管阀单元的一端连接，晶闸管阀单元与晶闸管阀单元的连接处为第一桥臂的中点，换流电感的另一端与晶闸管阀单元的一端连接，晶闸管阀单元的另一端与晶闸管阀单元的一端连接，晶闸管阀单元与晶闸管阀单元的连接处为第二桥臂的中点，晶闸管阀单元的另一端与晶闸管阀单元的另一端连接，第一桥臂和第二桥臂的中点分别与开绕组变压器连接。

11、优选的，每个所述级联模块链中包括个半桥子模块和个全桥子模块，模块数量关系为，和均为大于等于1的整数。

12、优选的，所述半桥子模块的输出状态为0或，其中为单个子模块电容电压；全桥子模块的输出状态为0、或。

13、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

14、本发明采用三相级联模块链在直流侧级联的拓扑，不仅减少了子模块总数，且正常运行时级联模块链仅提供正向半波电压，子模块能量波动小，极大降低了对子模块电容容值的需求，进一步压缩了物理体积，整体装置体积和重量更小，可以有效降低制造、运输、安装及维护成本。

15、本发明的换向阀采用工频（50hz）切换的反并联晶闸管，不承担高频pwm调制。本发明采用晶闸管作为换向阀的开关器件，晶闸管具有耐压高、通流能力强、导通损耗低以及器件串联技术成熟可靠的特点。相较于全部采用全控型器件（如igbt或igct）的方案，本拓扑的开关损耗、导通损耗以及散热需求显著降低，有利于提升系统整体效率和可靠性。

16、本发明仅在级联模块链中配置少量全桥子模块，多数模块仍采用半桥结构，无需增加复杂的并联辅助换流支路。全桥子模块仅在换流区间输出反向换流电压，用于建立反向恢复条件，确保了晶闸管可靠关断。同时，最大限度地控制了全控型器件的使用数量，避免了因全部采用全桥子模块而带来的成本剧增和控制复杂化问题。

17、因此，本发明在减少模块数量、电容配置、成本、体积重量、散热压力以及装置轻型化方面具有明显优势，适用于高压大容量交直流变换场景和柔性交流互联及直挂储能场景。

1.一种基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器，其特征在于，包括三个结构相同的相单元，三个所述相单元在直流侧级联后连接至公共直流母线，在交流侧通过开绕组变压器接入交流电网；

2.根据权利要求1所述的基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器，其特征在于，每个所述晶闸管阀单元均包含一组串联的反并联晶闸管。

3.根据权利要求2所述的基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器，其特征在于，每个所述换向阀均包括晶闸管阀单元以及换流电感和；晶闸管阀单元和以及换流电感组成第一桥臂，晶闸管阀单元和以及换流电感组成第二桥臂，

4.根据权利要求1所述的基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器，其特征在于，每个所述级联模块链中包括个半桥子模块和个全桥子模块，模块数量关系为，和均为大于等于1的整数。

5.根据权利要求4所述的基于晶闸管和级联模块链的轻型化高压大容量交直流变换器，其特征在于，所述半桥子模块的输出状态为0或，其中为单个子模块电容电压；全桥子模块的输出状态为0、或。