本發(fā)明涉及變流器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器及其調(diào)制方法。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行技術(shù)在高壓直流輸電應(yīng)用領(lǐng)域的表現(xiàn)越來越力不從心，為此必須探索新的變流器技術(shù)來滿足未來能源發(fā)展的深刻變化。目前，組成直流電網(wǎng)的最為常用變流器可分為兩種類型：電網(wǎng)電壓換相變流器(Line-commutatedconverter,LCC)和電壓源型變流器(Voltagesourceconverter,VSC)。LCC變流器采用半可控的晶閘管，需要交流系統(tǒng)提供換相電壓，不能給無源網(wǎng)絡(luò)供電，連接弱交流系統(tǒng)時(shí)容易引起換相失敗。VSC變流器能夠?qū)τ泄蜔o功進(jìn)行獨(dú)立控制，但是一般容量較小，且具有難以抑制直流側(cè)故障電流的缺陷。因此，基于VSC的直流電網(wǎng)對(duì)直流線路兩端的直流斷路器要求很高，必須能切除很大的直流故障電流，導(dǎo)致直流斷路器過于昂貴。此外，與VSC成對(duì)偶形式的電流源型變流器結(jié)構(gòu)(Currentsourceconverter,CSC)，近年來在動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、風(fēng)電并網(wǎng)等領(lǐng)域得到理論發(fā)展或工程驗(yàn)證。但是由于其工作損耗相對(duì)較大，效率較低，目前其在直流電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展受到了限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器，通過模塊化級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，使電路隨著變流器子模塊單元數(shù)目的增加，滿足直流電壓的應(yīng)用需求。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)變流器模塊的獨(dú)立控制。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：一種級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器，采用模塊化結(jié)構(gòu)，包含若干變流器子模塊作為被控基本單元，每個(gè)子模塊單元均可進(jìn)行獨(dú)立的控制；所述子模塊之間采用直流側(cè)串聯(lián)接入直流電網(wǎng)，交流側(cè)通過多繞組變壓器分組并聯(lián)接入交流電網(wǎng)，每個(gè)子模塊單元內(nèi)部均包含有直流電感、三相變流橋，以及并聯(lián)功率開關(guān)和二極管；功率開關(guān)和二極管相串聯(lián)后并聯(lián)連接于三相變流橋的直流兩端，連接點(diǎn)外側(cè)為直流電感。進(jìn)一步的，每個(gè)子模塊中，三相變流橋中及并聯(lián)功率開關(guān)S1-S7均采用全控型半導(dǎo)體功率器件，由S1-S6和D1-D6構(gòu)成傳統(tǒng)三相變流橋結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，在每個(gè)變流子模塊的調(diào)制中，零狀態(tài)替換規(guī)則：使用并聯(lián)功率開關(guān)S7閉合操作替代傳統(tǒng)CSC調(diào)制序列中的所有零狀態(tài)({S1,S4}，{S3,S6}，{S5,S2})，同時(shí)保持非零狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)方法保持不變，由變流橋中的S1-S6實(shí)現(xiàn)，非零狀態(tài)包括：狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3、狀態(tài)4、狀態(tài)5和狀態(tài)6，分別對(duì)應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài){S1,S2}，{S2,S3}，{S3,S4}，{S4,S5}，{S5,S6}，{S6,S1}；零狀態(tài)為狀態(tài)7，通過{S7}閉合導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的，在每個(gè)變流子模塊的調(diào)制時(shí)，將所有零狀態(tài)即S7閉合導(dǎo)通配置于不同非零狀態(tài)的切換之間，使變流橋中功率開關(guān)(S1-S6)的所有開通與關(guān)斷動(dòng)作，均在零電流操作下完成。進(jìn)一步的，不同非零狀態(tài)的切換時(shí)間計(jì)算為：其中，T1和T2分別為該載波周期內(nèi)，2個(gè)非零狀態(tài)的時(shí)間長度，Ts為載波周期時(shí)間長度，不同非零狀態(tài)的切換時(shí)間設(shè)為Tact時(shí)刻。進(jìn)一步的，變流子模塊之間的聯(lián)合操作，應(yīng)遵循分散零狀態(tài)原則，通過對(duì)調(diào)制過程中的三角載波的相角進(jìn)行時(shí)間配置，使不同子模塊的調(diào)制載波之間存在相位差別，進(jìn)而令不同子模塊的零狀態(tài)出現(xiàn)在不同時(shí)刻，且在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分散交錯(cuò)開。進(jìn)一步的，載波配置采用交錯(cuò)PWM技術(shù)，令每個(gè)模塊的載波相角做時(shí)間偏移，偏移的時(shí)間長度可計(jì)算為:其中，Ts為載波周期時(shí)間長度，N為應(yīng)用的子模塊單元數(shù)量。進(jìn)一步的，當(dāng)某一變流器子模塊由于功率器件失效、濾波電容損壞或者電路遭到破壞原因，探知發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)，立即采取閉合功率開關(guān)S7的操作，通過S7將此單元的后級(jí)電路短路切除，使其退出工作，同時(shí)維持直流鏈路完好導(dǎo)通。進(jìn)一步的，子模塊的保護(hù)策略的具體過程為：工作正常開始后，當(dāng)檢測到發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)，首先要判斷該故障是來自變流器外部電網(wǎng)還是來自變流器內(nèi)部的子模塊；當(dāng)判定為子模塊故障后，將執(zhí)行子模塊的旁路操作，令該子模塊的功率開關(guān)S7立即閉合，對(duì)故障子模塊單元進(jìn)行切除隔離，此時(shí)，其它單元仍然能夠正常工作，并且中央控制器需要將新計(jì)算的控制參數(shù)重新分配給其余正常子模塊，進(jìn)而系統(tǒng)的正常運(yùn)行可以得到保證。一種級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器的調(diào)制方法，包括：每個(gè)變流器子模塊內(nèi)的調(diào)制步驟：在每個(gè)變流子模塊內(nèi)部的調(diào)制過程中，調(diào)制規(guī)則：零狀態(tài)替換規(guī)則，具體為：使用并聯(lián)功率開關(guān)的閉合操作替代傳統(tǒng)CSC調(diào)制序列中的所有零狀態(tài)，同時(shí)保持非零狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)方法不變；滿足前述零狀態(tài)替換規(guī)則，將所有零狀態(tài)配置于不同非零狀態(tài)的切換之間，使變流橋中功率開關(guān)的所有開通與關(guān)斷動(dòng)作，均在零電流操作下完成；變流子模塊之間的聯(lián)合操作步驟：應(yīng)遵循對(duì)零狀態(tài)配置時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)分散的原則，通過對(duì)調(diào)制過程中的三角載波的相角進(jìn)行時(shí)間配置，使不同子模塊的調(diào)制載波之間存在相位差別，進(jìn)而令不同子模塊的零狀態(tài)出現(xiàn)在不同時(shí)刻，且在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分散交錯(cuò)開；子模塊的保護(hù)策略的控制步驟：工作正常開始后，當(dāng)檢測到發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)，首先要判斷該故障是來自變流器外部電網(wǎng)還是來自變流器內(nèi)部的子模塊，當(dāng)判定為子模塊故障后，將執(zhí)行子模塊的旁路操作，令子模塊的功率開關(guān)S7立即閉合，對(duì)故障子模塊單元進(jìn)行切除隔離，此時(shí)，其它單元仍然能夠正常工作，并且中央控制器需要將新計(jì)算的控制參數(shù)重新分配給其余正常子模塊，進(jìn)而系統(tǒng)的正常運(yùn)行可以得到保證。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明電路能夠隨著變流器子模塊單元級(jí)聯(lián)數(shù)目的增加，滿足直流電壓需求。傳統(tǒng)的直流側(cè)電感被分散在每個(gè)子模塊單元內(nèi)部，通過模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使電路的生產(chǎn)、制造、封裝更加簡單，擴(kuò)展容易，同時(shí)減小了系統(tǒng)的維護(hù)成本和設(shè)備體積。電路控制方面，通過設(shè)計(jì)的調(diào)制方法和交錯(cuò)控制策略，可減少開關(guān)次數(shù)并有效降低直流側(cè)電流紋波；根除了同橋臂上功率開關(guān)的重疊時(shí)間配置問題，簡化了驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。系統(tǒng)保護(hù)方面，具備直流故障自清除處理能力，極大降低直流斷路器的投入成本；對(duì)于系統(tǒng)交流側(cè)，能夠通過功率開關(guān)S7對(duì)故障子模塊進(jìn)行切除，而不影響電路的正常運(yùn)行，使系統(tǒng)具備更優(yōu)秀的可靠性。本發(fā)明與傳統(tǒng)應(yīng)用于高壓直流電能傳輸領(lǐng)域的變流器結(jié)構(gòu)相比，新型級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器擴(kuò)展容易，維護(hù)成本低，不僅根除了換相失敗問題，可對(duì)每個(gè)模塊的有功和無功進(jìn)行獨(dú)立控制，而且能夠有效減少工作損耗，提高系統(tǒng)的整體工作效率，同時(shí)降低直流側(cè)電流紋波，并具備更優(yōu)異的可靠性。附圖說明圖1：傳統(tǒng)電流源型變流器(CSC)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2：傳統(tǒng)電流源型變流器調(diào)制空間矢量圖；圖3：本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖4：本發(fā)明中，每個(gè)變流器子模塊的調(diào)制空間矢量圖；圖5：本發(fā)明中，空間矢量區(qū)段I內(nèi)，子模塊調(diào)制方法的開關(guān)序列動(dòng)作示意圖；圖6：本發(fā)明中，子模塊間采用交錯(cuò)PWM控制技術(shù)的驅(qū)動(dòng)控制示意圖(2子模塊，空間矢量區(qū)段I內(nèi))；圖7：本發(fā)明中，子模塊發(fā)生故障時(shí)，切除操作示意圖。圖8：本發(fā)明中，子模塊保護(hù)策略的控制流程圖。具體實(shí)施方式：下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：傳統(tǒng)的電流源型變流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，適用的調(diào)制方法種類眾多，在此并不贅述，而其基本的調(diào)制序列由9種操作狀態(tài)組成，包含6個(gè)非零狀態(tài)和3個(gè)零狀態(tài)。傳統(tǒng)電流源型變流器調(diào)制序列的空間矢量如圖2所示。其中零狀態(tài)是電流源型變換器所特有的短路狀態(tài)，其配置方法為現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明的一種級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由若干變流器子模塊單元級(jí)聯(lián)組合而成，如圖3所示。子模塊單元之間，直流側(cè)串聯(lián)連接于直流電網(wǎng)，交流側(cè)通過多繞組變壓器分組并聯(lián)接入交流電網(wǎng)。多繞組變壓器配置方式為現(xiàn)有技術(shù)。電路結(jié)構(gòu)中的變流器子模塊是受控的基本單元，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該子模塊中，功率開關(guān)S1-S7均采用全控型半導(dǎo)體功率器件，其種類、結(jié)構(gòu)及使用方法為現(xiàn)有技術(shù)；D1-D7是二極管。由S1-S6和D1-D6構(gòu)成傳統(tǒng)三相變流橋結(jié)構(gòu)。S7應(yīng)選擇具備優(yōu)秀開關(guān)能力、低損耗性能的開關(guān)器件；開關(guān)S7與二極管D7串聯(lián)組合，且并聯(lián)連接于逆變橋的直流兩端，連接點(diǎn)外側(cè)為直流電感LDC。Ca、Cb、Cc為交流濾波電容。子模塊之間在直流側(cè)首尾相連，直流電流由A點(diǎn)流入，B點(diǎn)流出。每個(gè)變流器子模塊的調(diào)制空間矢量圖如圖4所示。一種級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器的調(diào)制方法，包含以下內(nèi)容：1、每個(gè)變流器子模塊內(nèi)的調(diào)制方法(1)零狀態(tài)替換規(guī)則：零狀態(tài)替換規(guī)則，是子模塊結(jié)構(gòu)內(nèi)的最基本調(diào)制規(guī)則，代表了子模塊調(diào)制方法的最基本思想。通過該規(guī)則，可以直接對(duì)傳統(tǒng)電流源型變流器的調(diào)制方法進(jìn)行改造，使其適用于新的子模塊結(jié)構(gòu)。表1空間矢量區(qū)段工作狀態(tài)序列I[6][7][7][1][1][7][7][6]II[1][7][7][2][2][7][7][1]III[2][7][7][3][3][7][7][2]IV[3][7][7][4][4][7][7][3]V[4][7][7][5][5][7][7][4]VI[5][7][7][6][6][7][7][5]“變流器子模塊之間的調(diào)制配合方法”，是所發(fā)明的級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器的子模塊之間的操作規(guī)則。在每個(gè)變流子模塊內(nèi)部的調(diào)制過程中，本發(fā)明使用開關(guān)S7的閉合操作替代傳統(tǒng)CSC調(diào)制序列中的所有零狀態(tài)({S1,S4}，{S3,S6}，{S5,S2})，同時(shí)保持非零狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)方法不變(由變流橋中的S1-S6實(shí)現(xiàn))。調(diào)制的空間矢量示意圖如圖3所示，非零狀態(tài)包括：狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3、狀態(tài)4、狀態(tài)5和狀態(tài)6，分別對(duì)應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài){S1,S2}，{S2,S3}，{S3,S4}，{S4,S5}，{S5,S6}，{S6,S1}；零狀態(tài)為狀態(tài)7，通過{S7}閉合導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)。(2)級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器調(diào)制方法：本發(fā)明提出了一種新型調(diào)制方法，配套于所發(fā)明的級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器子模塊結(jié)構(gòu)。該調(diào)制方法滿足前述零狀態(tài)替換規(guī)則，不同于已有的其它傳統(tǒng)調(diào)制方法。其基本思想是：將所有零狀態(tài)(S7閉合導(dǎo)通)配置于不同非零狀態(tài)的切換之間，使變流橋中功率開關(guān)(S1-S6)的所有開通與關(guān)斷動(dòng)作，均在零電流操作下完成。通過使用該調(diào)制方法，可以將子模塊調(diào)制過程中的所有開通與關(guān)斷損耗集中于開關(guān)管S7上。由于在硬件設(shè)計(jì)上，功率開關(guān)S7的選型得到了優(yōu)化配置，具備優(yōu)秀的開關(guān)能力和低損耗性能，因此，整體變流器的開關(guān)損耗得以降低。這樣，在硬件結(jié)構(gòu)維持傳統(tǒng)換流橋的基礎(chǔ)上，僅通過添加一個(gè)高性能功率開關(guān)S7，便可以大幅度提高變流子模塊的工作效率。這種設(shè)計(jì)具有極高的性價(jià)比。6個(gè)空間矢量區(qū)間內(nèi)的詳細(xì)工作狀態(tài)序列，如表1所示。以空間矢量區(qū)段I內(nèi)的工作狀態(tài)為例，調(diào)制方法中開關(guān)序列的動(dòng)作關(guān)系示意圖如圖5所示。在該區(qū)間內(nèi)，2個(gè)非零狀態(tài)分別為{S1,S2}和{S1,S6}，二者切換時(shí)間設(shè)為Tact時(shí)刻。零狀態(tài){S7}開始于Tn1時(shí)刻，結(jié)束于Tn2時(shí)刻。Ts為載波周期時(shí)間長度。時(shí)間配置的計(jì)算方法為：其中，T1和T2分別為該載波周期內(nèi)，2個(gè)非零狀態(tài)的時(shí)間長度，其計(jì)算方法為現(xiàn)有技術(shù)。2、變流器子模塊之間的調(diào)制配合方法變流子模塊之間的聯(lián)合操作，應(yīng)遵循對(duì)零狀態(tài)配置時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)分散的原則。通過對(duì)調(diào)制過程中的三角載波的相角進(jìn)行時(shí)間配置，使不同子模塊的調(diào)制載波之間存在相位差別，進(jìn)而令不同子模塊的零狀態(tài)出現(xiàn)在不同時(shí)刻，且在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分散交錯(cuò)開。通過這種調(diào)制配合方法，可以減小流過功率開關(guān)的電流的升降斜率和時(shí)長，減少直流側(cè)電流的紋波，同時(shí)可因此降低直流側(cè)電感的配置需求，減少電感量，縮小直流電感體積，并節(jié)約成本。載波配置采用交錯(cuò)PWM技術(shù)，令每個(gè)模塊的載波相角做時(shí)間偏移，偏移的時(shí)間長度可計(jì)算為:其中，Ts為載波周期時(shí)間長度，N為應(yīng)用的子模塊單元數(shù)量。采用交錯(cuò)技術(shù)方法的驅(qū)動(dòng)控制示意圖(2子模塊，空間矢量區(qū)段I內(nèi))，以及與原始方法的比較，如圖6所示。IDC為直流側(cè)電流。在原始方法中，子模塊#1和#2的調(diào)制載波是同步的，調(diào)制序列的開關(guān)狀態(tài)也是同時(shí)產(chǎn)生的。在零狀態(tài)條件下({S1,S4})，電路呈現(xiàn)為直流側(cè)被直接短路，導(dǎo)致電流會(huì)快速上升。當(dāng)采用所提出的變流器子模塊之間交錯(cuò)調(diào)制配合方法時(shí)，模塊#1與模塊#2的載波相位相差為1/4個(gè)載波周期，使得#1的調(diào)制狀態(tài)序列與#2的調(diào)制狀態(tài)序列同樣錯(cuò)開1/4個(gè)載波周期。因此，2個(gè)子模塊的零狀態(tài)將不會(huì)同時(shí)發(fā)生，進(jìn)而直流側(cè)電流上升會(huì)減緩，對(duì)外表現(xiàn)為直流側(cè)紋波大幅度減小。3、級(jí)聯(lián)式模塊化電流源型變流器保護(hù)策略當(dāng)系統(tǒng)中某一變流器子模塊由于功率器件失效、濾波電容損壞或者電路遭到破壞等原因，探知發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)，可立即采取閉合功率開關(guān)S7的操作，通過S7將此單元的后級(jí)電路短路切除，使其退出工作，同時(shí)維持直流鏈路完好導(dǎo)通。故障切除操作示意圖如圖7所示，子模塊的保護(hù)策略的控制流程圖如圖8所示。工作正常開始后，當(dāng)檢測到發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)，首先要判斷該故障是來自變流器外部電網(wǎng)還是來自變流器內(nèi)部的子模塊。當(dāng)判定為子模塊故障后(圖7中子模塊#2故障)，將執(zhí)行子模塊的旁路操作，令子模塊#2的功率開關(guān)S7立即閉合，對(duì)故障子模塊單元進(jìn)行切除隔離。此時(shí)，其它單元仍然能夠正常工作，并且中央控制器需要將新計(jì)算的控制參數(shù)重新分配給其余正常子模塊，進(jìn)而系統(tǒng)的正常運(yùn)行可以得到保證。調(diào)制方法所述特點(diǎn)1-(1)為：子模塊單元內(nèi)，使用S7閉合導(dǎo)通，替代調(diào)制序列中的零狀態(tài)。該特點(diǎn)同樣適用于基于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的其它任何調(diào)制方法。調(diào)制方法所述特點(diǎn)1-(2)、特點(diǎn)2中，圖5、圖6的描述示例均基于空間矢量區(qū)段I內(nèi)的工作狀態(tài)。在其它空間矢量區(qū)段內(nèi)(II-VI)，其工作原理與所述特點(diǎn)的分析是一致的。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。