一种高压直流换流器及其可加速换流方法

1.本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种高压直流换流器及其可加速换流方法。


背景技术：

2.高压直流输电技术(hvdc，high voltage direct current)由于其输送容量大、损耗低、可靠性高等优势，目前在世界范围内被广泛应用。现在的常规高压直流输电换流器利用的是晶闸管组成三相桥式六桥臂整流作为基本单元进行交直流变换。在运行过程中，电流在六晶闸管桥臂之间换流，各桥臂中除了晶闸管阀串，还含有阳极电抗器用以限制电流变化率从而保证晶闸管器件的安全可靠性，桥臂之间会存在换流的过程。但现有的桥臂换流的过程速度较低，换流过程长，功率损耗较大，不利于高压直流输电换流器的性能优化。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出一种高压直流换流器，桥臂中连接有互相耦合的耦合桥臂电抗器。
4.本发明还对高压直流换流器的电路进行保护：所述换流器电路包括依次串联的第一桥臂、第三桥臂，所述第一桥臂上并联连接有第二桥臂；
5.第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂内均设置有耦合桥臂电抗器，所述第一桥臂和所述第二桥臂上的耦合桥臂电抗器互相耦合。
6.具体的，所述第一桥臂、第二桥臂均包括依次串联的晶闸管阀串和可关断管阀串，所述耦合桥臂电抗器连接在所述晶闸管阀串阴极一侧。
7.具体的，所述第三桥臂包括依次串联的晶闸管阀串和可关断管阀串，所述第三桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述可关断管阀串阳极一侧。
8.具体的，所述可关断管阀串包括igct、gto、igbt、iegt电力电子器件中的一种或多种。
9.具体的，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂均包括晶闸管阀串，所述第一桥臂、第二桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述晶闸管阀串阴极一侧，所述第三桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述晶闸管阀串阳极一侧。
10.具体的，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂均包括可关断管阀串，所述第一桥臂、第二桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述可关断管阀串阴极一侧，所述第三桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述可关断管阀串阳极一侧。
11.本发明还提供一种高压直流换流器的可加速换流方法，该方法使用本发明所保护的高压直流换流器。
12.本发明的可加速换流的高压直流换流器，在现有的常规高压直流换流器的每个桥臂中改造加入桥臂耦合电抗器或者将已有的阳极电抗替换为桥臂耦合电抗器，实现非常简单、简易，成本很低，但能实现本发明的有益效果为：通过配置一定数值的桥臂耦合电抗器，
加快桥臂换流过程，减小换相重叠角，从而扩大高压直流换流器的运行范围，增大可传输功率，减小功率损耗；甚至可以依靠桥臂耦合电抗器创造出的换流电压，在交流电压发生意外跌落时，进行电压补偿，从而抑制换相失败的发生，在高压直流输电hvdc的应用中具有非常优良的经济性和可靠性，提升对国民经济的促进作用。
13.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
15.图1示出了本发明实施例中的可加速换流的高压直流换流器的拓扑结构示意图；
16.图2示出了本发明实施例中的高压直流换流器的桥臂换流时的电路简化示意图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
18.高压直流输电技术在换流时，此换流过程的时间也将换相重叠角必须被高压直流换流器的控制方式考虑在内，需要保证每次各桥臂之间的换流完成。理论上，换相重叠角越小，高压直流换流器的运行范围越大，可以传输的功率越大，功率损耗越小。
19.本发明的目的是提出一种可加速换流的高压直流换流器，其本质是利用耦合电抗创造额外电压，相较于目前的常规高压直流换流器，可以加快桥臂间的换流过程，减小换流时间，减小换相重叠角，从而扩大高压直流换流器的控制运行范围，提高可传输功率，在应用中具有非常优良的经济性和可靠性。
20.本发明提出了一种可加速换流的高压直流换流器，图1示出了本发明实施例中的可加速换流的高压直流换流器的拓扑结构示意图，图1中，p为直流正极，n为直流负极，abc为三相交流，每个桥臂中各含有一个耦合桥臂电抗器，桥臂ap、桥臂bp、桥臂cp均设置在靠近直流正极一侧，桥臂ap、桥臂bp、桥臂cp通过耦合桥臂电抗器与直流正极相连，桥臂an、桥臂bn、桥臂cn均设置在靠近直流负极一侧，桥臂an、桥臂bn、桥臂cn通过耦合桥臂电抗器与直流负极相连。
21.桥臂ap、桥臂bp、桥臂cp中含有的电抗器互相耦合，桥臂an、桥臂bn、桥臂cn中含有的电抗器互相耦合。
22.图1中，桥臂ap和桥臂an均包括晶闸管阀串和可关断管阀串，桥臂ap与桥臂an串联，耦合桥臂电抗器连接在直流正极，另一端与晶闸管阀串的阴极连接，晶闸管(s1、s2……
sk)和可关断管(q1、q2……
qm)两者的比例可以互为0％-100％，最后一个串联设置的晶闸管
的阳极与第一个串联设置的可关断管的阴极连接，桥臂ap的可关断管阀串的阳极与三相交流电连接点连接，桥臂an的晶闸管阀串的阴极与三相交流电连接点连接，桥臂an晶闸管阀串的阳极与可关断管阀串的阴极相连，桥臂an的可关断管阀串的阳极与耦合桥臂电抗器相连，耦合桥臂电抗器的另一端连接直流负极。
23.具体的，可关断管阀串可以由具有双向承压和可关断能力的igct(集成门极换流晶闸管、integrated gate-commutated thyristor)或gto(门极可关断晶闸管、gate-turn-off thyristor)或igbt(绝缘栅双极型晶体管、insulated gate bipolar transistor)或iegt(注入增强型栅极晶体管、injection enhanced gate transistor)的电力电子器件中的一种或多种，也可为不具有双向承压能力的igct或gto或igbt或iegt器件与二极管的串联组合构成。
24.每个桥臂中，晶闸管阀串和可关断管阀串可以单一存在、另一者不存在，也可以晶闸管阀串和可关断管阀串同时存在、两者比例各可为0％-100％，总和为100％。
25.本发明实施例中还提供一种高压直流换流器的可加速换流方法，使用本发明实施例中的高压直流换流器。
26.本发明实施例中还对新换流器的工作原理进行说明，图2示出了本发明实施例中的高压直流换流器的桥臂换流时的电路简化示意图，在桥臂换流时，图2中，ap、bp、cn为分析举例的桥臂，id为直流电流，ia、ib、ic为交流电流，i
commutation
为换流电流，ly为桥臂耦合电抗，lc为桥臂原具有的阳极电抗，桥臂换流的动力来源于交流电动势u
ab
，电动势迫使电流在桥臂ap和桥臂bp之间换流。在换流时，由于ia和ib的电流变化，耦合电抗ly会感应出感应电压，感应电压的方向由桥臂ap向桥臂bp的垂直方向，感应电压会叠加到交流电动势u
ab
上，增大换相电压，从而加速换流过程，减小换相重叠角。
27.具体的，初始时刻，ia电流为额定通流值id，ib电流为0，ic也为额定通流值id。换流开始后，ia逐渐减小，ib逐渐增大，ic维持为额定值id不变。在换流过程中的时刻，ia和ib的值加和为额定通流值id。换流结束时刻，ia电流为0，ib电流为额定通流值id。
28.具体换流过程中，本发明实施例将现有的常规高压直流换流器的每个桥臂中改造加入桥臂耦合电抗器或者将已有的阳极电抗替换为桥臂耦合电抗器。阳极电抗标识也为图中的电抗器，但是现有的常规高压直流换流器中的阳极电抗仅起到限流作用，没有同名端，每个桥臂之间的电抗没有耦合作用，本发明的目的是创设电抗的耦合作用，使得其可以耦合出换流电压，加快换流过程。
29.本发明实施例中提供一种可加速换流的高压直流换流器，桥臂中连接有互相耦合的耦合桥臂电抗器。
30.本发明实施例中提供一种可加速换流的高压直流换流器，所述换流器电路包括依次串联的第一桥臂、第三桥臂，所述第一桥臂上并联连接有第二桥臂；
31.第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂内均设置有耦合桥臂电抗器，所述第一桥臂和所述第二桥臂上的耦合桥臂电抗器互相耦合。
32.具体的，所述第一桥臂、第二桥臂均包括依次串联的晶闸管阀串和可关断管阀串，所述耦合桥臂电抗器连接在所述晶闸管阀串阴极一侧。
33.具体的，所述第三桥臂包括依次串联的晶闸管阀串和可关断管阀串，所述第三桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述可关断管阀串阳极一侧。
34.具体的，所述可关断管阀串包括igct、gto、igbt、iegt电力电子器件中的一种或多种。
35.具体的，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂均包括晶闸管阀串，所述第一桥臂、第二桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述晶闸管阀串阴极一侧，所述第三桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述晶闸管阀串阳极一侧。
36.具体的，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂均包括可关断管阀串，所述第一桥臂、第二桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述可关断管阀串阴极一侧，所述第三桥臂的耦合桥臂电抗器连接在所述可关断管阀串阳极一侧。
37.本发明的可加速换流的高压直流换流器，在现有的常规高压直流换流器的每个桥臂中改造加入桥臂耦合电抗器或者将已有的阳极电抗替换为桥臂耦合电抗器，实现非常简单、简易，成本很低，但能实现本发明的有益效果为：通过配置一定数值的桥臂耦合电抗器，加快桥臂换流过程，减小换相重叠角，从而扩大高压直流换流器的运行范围，增大可传输功率，减小功率损耗；甚至可以依靠桥臂耦合电抗器创造出的换流电压，在交流电压发生意外跌落时，进行电压补偿，从而抑制换相失败的发生，在高压直流输电hvdc的应用中具有非常优良的经济性和可靠性，提升对国民经济的促进作用。
38.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。