功率因數可調的12脈動基頻調製換流器及控制方法與流程

2024-04-15 22:05:05

1.本發明屬於調製換流器領域，具體涉及了一種功率因數可調的12脈動基頻調製換流器及控制方法。


背景技術：

2.基於半控型功率半導體器件(晶閘管)構成的電網電壓換相換流器(line commutated converter,lcc)結構簡單，換流器造價較低，控制相對簡單，適用於構建大容量遠距離高壓直流輸電系統，但是電網電壓換相換流器lcc存在換相失敗的風險，且電網電壓換相換流器lcc的有功功率和無功功率相互耦合，需要額外配置數量較多的無功補償裝置。
3.基於模塊化功率模塊的多電平變換器(modular multilevel converter,mmc)具有模塊化結構、輸出電壓電平數量多、同時具備可靠性強及效率高等優點。模塊化多電平換流器可以解決兩電平或三電平電壓源型換流器在高壓場合使用半導體功率器件直接串聯存在的動、靜態均壓困難等問題[1]，但是，隨著塊化多電平變換器mmc使用功率子模塊數目的增加，換流器的體積和重量較為龐大，並且控制系統非常複雜，換流器的製造成本較高。
[0004]
將模塊化多電平變換器與電網電壓換相換流器lcc直流側串聯連接，交流側並聯連接，可實現所使用的半導體功率器件數量減少，並且模塊化多電平變換器mmc可以為電網電壓換相換流器lcc提供無功功率，並降低lcc發生換相失敗的概率[2]，但是，由於其使用模塊化多電平變換器mmc，存在模塊化多電平變換器mmc體積重量龐大，控制複雜，製造成本高等缺點。
[0005]
以下文獻是與本發明相關的技術背景資料：
[0006]
[1]袁兆祥、胡勁松、齊立忠等，一種海上風電模塊化多電平柔性直流輸電系統，cn201520107377.7
[0007]
[2]郭高朋、宋強、劉文華，一種用於串聯直流海上風電的混合式併網換流站，cn201710016539.x


技術實現要素：

[0008]
為了解決現有技術中的上述問題，即現有的直流輸電換流器存在換相失敗風險、有功功率和無功功率相互耦合，模塊化多電平換流器mmc體積大、重量重、成本高等問題，本發明提供了一種功率因數可調的12脈動基頻調製換流器，所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器包括6脈動晶閘管換流器、基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器、直流電抗器ldc1和直流電抗器ldc2以及變壓器t1和變壓器t2；
[0009]
所述6脈動晶閘管換流器的直流正極端作為所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的直流正極端，並通過所述直流電抗器ldc1連接至高壓直流側正極；
[0010]
所述6脈動晶閘管換流器的直流負極端連接至所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的正極端；
[0011]
所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的負極端作為所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的直流負極端，通過所述直流電抗器ldc2連接至高壓直流側負極；
[0012]
所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端分別通過變壓器t1和變壓器t2連接至三相交流電網。
[0013]
在一些優選的實施例中，所述6脈動晶閘管換流器包括橋臂s1、橋臂s2、橋臂s3、橋臂s4、橋臂s5和橋臂s6；
[0014]
所述橋臂s1、所述橋臂s3和所述橋臂s5的陰極連接到一起作為所述6脈動晶閘管換流器的直流正極端lcc+；
[0015]
所述橋臂s2、所述橋臂s4和所述橋臂s6的陽極連接到一起作為所述6脈動晶閘管換流器的直流負極端lcc-；
[0016]
所述橋臂s1的陽極和所述橋臂s4的陰極連接到一起作為所述6脈動晶閘管換流器的交流側端子u1；
[0017]
所述橋臂s3的陽極和所述橋臂s6的陰極連接到一起作為所述6脈動晶閘管換流器的交流側端子v1；
[0018]
所述橋臂s5的陽極和所述橋臂s2的陰極連接到一起作為所述6脈動晶閘管換流器的交流側端子w1。
[0019]
在一些優選的實施例中，所述6脈動晶閘管換流器的交流側端子u1、交流側端子v1和交流側端子w1分別連接至所述變壓器t1的副邊端子a1、副邊端子b1和副邊端子c1。
[0020]
在一些優選的實施例中，所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器包括橋臂g1、橋臂g2、橋臂g3、橋臂g4、橋臂g5和橋臂g6；
[0021]
所述橋臂g1、所述橋臂g3和所述橋臂g5的陰極連接到一起作為所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的直流正極端acc+；
[0022]
所述橋臂g2、所述橋臂g4和所述橋臂g6的陽極連接到一起作為所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的直流負極端acc-；
[0023]
所述橋臂g1的陽極和所述橋臂g4的陰極連接到一起作為所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的交流側端子u2；
[0024]
所述橋臂g3的陽極和所述橋臂g6的陰極連接到一起作為所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的交流側端子v2；
[0025]
所述橋臂g5的陽極和所述橋臂g2的陰極連接到一起作為所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的交流側端子w2。
[0026]
在一些優選的實施例中，所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的交流側端子u2、交流側端子v2和交流側端子w2分別連接至所述變壓器t2的副邊端子a2、副邊端子b2和副邊端子c2。
[0027]
在一些優選的實施例中，所述變壓器t1的原邊端子a1連接至所述變壓器t2的原邊端子a2，作為所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端a；
[0028]
所述變壓器t1的原邊端子b1連接至所述變壓器t2的原邊端子b2，作為所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端b；
[0029]
所述變壓器t1的原邊端子c1連接至所述變壓器t2的原邊端子c2，作為所述功率因
數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端c。
[0030]
在一些優選的實施例中，所述變壓器t1，其原邊繞組和副邊繞組為y/y連接方式，且原邊繞組和副邊繞組的線圈匝數比為1：n，n為正整數。
[0031]
在一些優選的實施例中，所述變壓器t2，其原邊繞組和副邊繞組為y/δ連接方式，且原邊繞組和副邊繞組的線圈匝數比為1.732：n，n為正整數。
[0032]
本發明的另一方面，提出了一種功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的控制方法，所述控制方法為：
[0033]
6脈動晶閘管換流器的橋臂s1、橋臂s2、橋臂s3、橋臂s4、橋臂s5、橋臂s6和基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂g1、橋臂g2、橋臂g3、橋臂g4、橋臂g5、橋臂g6均在三相交流電網的一個基波周期內動作一次，開關頻率均為交流電網基波頻率；
[0034]
將三相交流電網的周期記為t，交流側線電壓u
ac
由負變正的過零點記為起始時刻t0，主動開通6脈動晶閘管換流器的橋臂s1的時刻記為t1，主動開通基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂g1的時刻記為t2；
[0035]
所述6脈動晶閘管換流器的橋臂s1、橋臂s2、橋臂s3、橋臂s4、橋臂s5和橋臂s6的導通順序依次是s1
→
s2
→
s3
→
s4
→
s5
→
s6
→
s1：
[0036]
橋臂s1開通時刻為t1，關斷時刻為t1+t/3；
[0037]
橋臂s2開通時刻為t1+t/6，關斷時刻為t1+t/2；
[0038]
橋臂s3開通時刻為t1+t/3，關斷時刻為t1+2t/3；
[0039]
橋臂s4開通時刻為t1+t/2，關斷時刻為t1+5t/6；
[0040]
橋臂s5開通時刻為t1+2t/3，關斷時刻為t1+t；
[0041]
橋臂s6開通時刻為t1+5t/6，關斷時刻為t1+7t/6；
[0042]
所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂g1、橋臂g2、橋臂g3、橋臂g4、橋臂g5和橋臂g6的導通順序依次是g1
→
g2
→
g3
→
g4
→
g5
→
g6
→
g1：
[0043]
橋臂g1開通時刻為t2，關斷時刻為t2+t/3；
[0044]
橋臂g2開通時刻為t2+t/6，關斷時刻為t2+t/2；
[0045]
橋臂g3開通時刻為t2+t/3，關斷時刻為t2+2t/3；
[0046]
橋臂g4開通時刻為t2+t/2，關斷時刻為t2+5t/6；
[0047]
橋臂g5開通時刻為t2+2t/3，關斷時刻為t2+t；
[0048]
橋臂g6開通時刻為t2+5t/6，關斷時刻為t2+7t/6。
[0049]
在一些優選的實施例中，當所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器保持輸出的有功功率大小不變時，可輸出不同大小無功功率：
[0050]
所述6脈動晶閘管換流器的橋臂s1的開通時刻t1、所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂g1開通時刻為t2和交流側線電壓u
ac
由負變正的過零時刻t0之間的關係滿足：
[0051]
橋臂s1的開通時刻t1滯後於交流側線電壓u
ac
由負變正的過零時刻t0，所述6脈動晶閘管換流器交流側電流始終滯後於交流側電網電壓；
[0052]
橋臂g1開通時刻為t2滯後於交流側線電壓u
ac
由負變正的過零時刻t0，所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器交流側電流滯後於交流側電壓；
[0053]
橋臂g1開通時刻為t2超前於交流側線電壓u
ac
由負變正的過零時刻t0，所述基於自
關斷功率半導體器件的主動換相換流器交流側電流超前於交流側電壓。
[0054]
本發明的有益效果：
[0055]
(1)本發明功率因數可調的12脈動基頻調製換流器，結構簡單、重量輕，有功功率大小不變時，可輸出不同大小無功功率，控制方法簡單。
[0056]
(2)本發明功率因數可調的12脈動基頻調製換流器，6脈動晶閘管換流器和主動換相換流器的開關頻率均為交流側電網頻率，6脈動晶閘管換流器交流側電流滯後於電壓，主動換相換流器交流側電流既可以滯後於交流電壓，又可以超前於交流電壓，12脈動基頻調製換流器具有可以主動調節的功率因數。
附圖說明
[0057]
通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本技術的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
[0058]
圖1是本發明功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的電路原理圖。
具體實施方式
[0059]
下面結合附圖和實施例對本技術作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅用於解釋相關發明，而非對該發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與有關發明相關的部分。
[0060]
需要說明的是，在不衝突的情況下，本技術中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本技術。
[0061]
本發明的一種功率因數可調的12脈動基頻調製換流器，所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器包括6脈動晶閘管換流器、基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器、直流電抗器ldc1和直流電抗器ldc2以及變壓器t1和變壓器t2；
[0062]
所述6脈動晶閘管換流器的直流正極端作為所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的直流正極端，並通過所述直流電抗器ldc1連接至高壓直流側正極；
[0063]
所述6脈動晶閘管換流器的直流負極端連接至所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的正極端；
[0064]
所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的負極端作為所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的直流負極端，通過所述直流電抗器ldc2連接至高壓直流側負極；
[0065]
所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端分別通過變壓器t1和變壓器t2連接至三相交流電網。
[0066]
為了更清晰地對本發明功率因數可調的12脈動基頻調製換流器進行說明，下面結合圖1對本發明實施例中各模塊展開詳述。
[0067]
本發明第一實施例的功率因數可調的12脈動基頻調製換流器，包括6脈動晶閘管換流器、基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器、直流電抗器ldc1和直流電抗器ldc2以及變壓器t1和變壓器t2，各模塊詳細描述如下：
[0068]
6脈動晶閘管換流器的直流正極端作為功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的直流正極端，並通過直流電抗器ldc1連接至高壓直流側正極，6脈動晶閘管換流器的直流負
極端連接至基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的正極端。
[0069]
6脈動晶閘管換流器包括橋臂s1、橋臂s2、橋臂s3、橋臂s4、橋臂s5和橋臂s6：
[0070]
橋臂s1、橋臂s3和橋臂s5的陰極連接到一起作為6脈動晶閘管換流器的直流正極端lcc+，橋臂s2、橋臂s4和橋臂s6的陽極連接到一起作為6脈動晶閘管換流器的直流負極端lcc-；
[0071]
橋臂s1的陽極和橋臂s4的陰極連接到一起作為6脈動晶閘管換流器的交流側端子u1，橋臂s3的陽極和橋臂s6的陰極連接到一起作為6脈動晶閘管換流器的交流側端子v1，橋臂s5的陽極和橋臂s2的陰極連接到一起作為6脈動晶閘管換流器的交流側端子w1。
[0072]
6脈動晶閘管換流器的橋臂可以是晶閘管。
[0073]
基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的負極端作為功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的直流負極端，通過直流電抗器ldc2連接至高壓直流側負極。
[0074]
基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器包括橋臂g1、橋臂g2、橋臂g3、橋臂g4、橋臂g5和橋臂g6：
[0075]
橋臂g1、橋臂g3和橋臂g5的陰極連接到一起作為基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的直流正極端acc+，橋臂g2、橋臂g4和橋臂g6的陽極連接到一起作為基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的直流負極端acc-；
[0076]
橋臂g1的陽極和橋臂g4的陰極連接到一起作為基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的交流側端子u2，橋臂g3的陽極和橋臂g6的陰極連接到一起作為基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的交流側端子v2，橋臂g5的陽極和橋臂g2的陰極連接到一起作為基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的交流側端子w2。
[0077]
基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂可以是自關斷功率半導體器件。
[0078]
功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端分別通過變壓器t1和變壓器t2連接至三相交流電網。
[0079]
6脈動晶閘管換流器的交流側端子u1、交流側端子v1和交流側端子w1分別連接至變壓器t1的副邊端子a1、副邊端子b1和副邊端子c1，基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的交流側端子u2、交流側端子v2和交流側端子w2分別連接至變壓器t2的副邊端子a2、副邊端子b2和副邊端子c2。
[0080]
變壓器t1的原邊端子a1連接至變壓器t2的原邊端子a2，作為功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端a，變壓器t1的原邊端子b1連接至變壓器t2的原邊端子b2，作為功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端b，變壓器t1的原邊端子c1連接至變壓器t2的原邊端子c2，作為功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的交流端c。
[0081]
變壓器t1，其原邊繞組和副邊繞組為y/y連接方式，且原邊繞組和副邊繞組的線圈匝數比為1：n，變壓器t2，其原邊繞組和副邊繞組為y/δ連接方式，且原邊繞組和副邊繞組的線圈匝數比為1.732：n，其中，n為正整數。
[0082]
本發明第二實施例的功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的控制方法，所述控制方法為：
[0083]
6脈動晶閘管換流器的橋臂s1、橋臂s2、橋臂s3、橋臂s4、橋臂s5、橋臂s6和基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂g1、橋臂g2、橋臂g3、橋臂g4、橋臂g5、橋臂g6
均在三相交流電網的一個基波周期內動作一次，開關頻率均為交流電網基波頻率；
[0084]
將三相交流電網的周期記為t，交流側線電壓u
ac
由負變正的過零點記為起始時刻t0，主動開通6脈動晶閘管換流器的橋臂s1的時刻記為t1，主動開通基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂g1的時刻記為t2；
[0085]
所述6脈動晶閘管換流器的橋臂s1、橋臂s2、橋臂s3、橋臂s4、橋臂s5和橋臂s6的導通順序依次是s1
→
s2
→
s3
→
s4
→
s5
→
s6
→
s1：
[0086]
橋臂s1開通時刻為t1，關斷時刻為t1+t/3；
[0087]
橋臂s2開通時刻為t1+t/6，關斷時刻為t1+t/2；
[0088]
橋臂s3開通時刻為t1+t/3，關斷時刻為t1+2t/3；
[0089]
橋臂s4開通時刻為t1+t/2，關斷時刻為t1+5t/6；
[0090]
橋臂s5開通時刻為t1+2t/3，關斷時刻為t1+t；
[0091]
橋臂s6開通時刻為t1+5t/6，關斷時刻為t1+7t/6；
[0092]
所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂g1、橋臂g2、橋臂g3、橋臂g4、橋臂g5和橋臂g6的導通順序依次是g1
→
g2
→
g3
→
g4
→
g5
→
g6
→
g1：
[0093]
橋臂g1開通時刻為t2，關斷時刻為t2+t/3；
[0094]
橋臂g2開通時刻為t2+t/6，關斷時刻為t2+t/2；
[0095]
橋臂g3開通時刻為t2+t/3，關斷時刻為t2+2t/3；
[0096]
橋臂g4開通時刻為t2+t/2，關斷時刻為t2+5t/6；
[0097]
橋臂g5開通時刻為t2+2t/3，關斷時刻為t2+t；
[0098]
橋臂g6開通時刻為t2+5t/6，關斷時刻為t2+7t/6。
[0099]
當所述功率因數可調的12脈動基頻調製換流器保持輸出的有功功率大小不變時，可輸出不同大小無功功率：
[0100]
所述6脈動晶閘管換流器的橋臂s1的開通時刻t1、所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器的橋臂g1開通時刻為t2和交流側線電壓u
ac
由負變正的過零時刻t0之間的關係滿足：
[0101]
橋臂s1的開通時刻t1滯後於交流側線電壓u
ac
由負變正的過零時刻t0，即t1》t0，所述6脈動晶閘管換流器交流側電流始終滯後於交流側電網電壓；
[0102]
橋臂g1開通時刻為t2滯後於交流側線電壓u
ac
由負變正的過零時刻t0，即t2》t0，所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器交流側電流滯後於交流側電壓；
[0103]
橋臂g1開通時刻為t2超前於交流側線電壓u
ac
由負變正的過零時刻t0，即t2《t0，所述基於自關斷功率半導體器件的主動換相換流器交流側電流超前於交流側電壓。
[0104]
12脈動基頻調製換流器具有可以主動調節的功率因數。
[0105]
所屬技術領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的方法的具體工作過程及有關說明，可以參考前述系統實施例中的對應過程，在此不再贅述。
[0106]
需要說明的是，上述實施例提供的功率因數可調的12脈動基頻調製換流器及方法，僅以上述各功能模塊的劃分進行舉例說明，在實際應用中，可以根據需要而將上述功能分配由不同的功能模塊來完成，即將本發明實施例中的模塊或者步驟再分解或者組合，例如，上述實施例的模塊可以合併為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊，以完成以上描述的全部或者部分功能。對於本發明實施例中涉及的模塊、步驟的名稱，僅僅是為了區分
各個模塊或者步驟，不視為對本發明的不當限定。
[0107]
本發明第三實施例的一種設備，包括：
[0108]
至少一個處理器；以及
[0109]
與至少一個所述處理器通信連接的存儲器；其中，
[0110]
所述存儲器存儲有可被所述處理器執行的指令，所述指令用於被所述處理器執行以實現上述的功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的控制方法。
[0111]
本發明第四實施例的一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機指令，所述計算機指令用於被所述計算機執行以實現上述的功率因數可調的12脈動基頻調製換流器的控制方法。
[0112]
所屬技術領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的存儲裝置、處理裝置的具體工作過程及有關說明，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
[0113]
本領域技術人員應該能夠意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的模塊、方法步驟，能夠以電子硬體、計算機軟體或者二者的結合來實現，軟體模塊、方法步驟對應的程序可以置於隨機存儲器(ram)、內存、只讀存儲器(rom)、電可編程rom、電可擦除可編程rom、寄存器、硬碟、可移動磁碟、cd-rom、或技術領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。為了清楚地說明電子硬體和軟體的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以電子硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。本領域技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。
[0114]
術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象，而不是用於描述或表示特定的順序或先後次序。
[0115]
術語「包括」或者任何其它類似用語旨在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備/裝置不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其它要素，或者還包括這些過程、方法、物品或者設備/裝置所固有的要素。
[0116]
至此，已經結合附圖所示的優選實施方式描述了本發明的技術方案，但是，本領域技術人員容易理解的是，本發明的保護範圍顯然不局限於這些具體實施方式。在不偏離本發明的原理的前提下，本領域技術人員可以對相關技術特徵做出等同的更改或替換，這些更改或替換之後的技術方案都將落入本發明的保護範圍之內。