本發(fā)明涉及變流器技術領域，具體涉及一種級聯(lián)式模塊化電流源型變流器及其調制方法。

背景技術：
傳統(tǒng)的變流器拓撲結構和運行技術在高壓直流輸電應用領域的表現越來越力不從心，為此必須探索新的變流器技術來滿足未來能源發(fā)展的深刻變化。目前，組成直流電網的最為常用變流器可分為兩種類型：電網電壓換相變流器(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，不能給無源網絡供電，連接弱交流系統(tǒng)時容易引起換相失敗。VSC變流器能夠對有功和無功進行獨立控制，但是一般容量較小，且具有難以抑制直流側故障電流的缺陷。因此，基于VSC的直流電網對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，導致直流斷路器過于昂貴。此外，與VSC成對偶形式的電流源型變流器結構(Currentsourceconverter,CSC)，近年來在動態(tài)無功補償、風電并網等領域得到理論發(fā)展或工程驗證。但是由于其工作損耗相對較大，效率較低，目前其在直流電網領域的應用發(fā)展受到了限制。

技術實現要素：
為解決現有技術存在的不足，本發(fā)明公開了一種級聯(lián)式模塊化電流源型變流器，通過模塊化級聯(lián)結構，使電路隨著變流器子模塊單元數目的增加，滿足直流電壓的應用需求。同時能夠實現對每個變流器模塊的獨立控制。為實現上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：一種級聯(lián)式模塊化電流源型變流器，采用模塊化結構，包含若干變流器子模塊作為被控基本單元，每個子模塊單元均可進行獨立的控制；所述子模塊之間采用直流側串聯(lián)接入直流電網，交流側通過多繞組變壓器分組并聯(lián)接入交流電網，每個子模塊單元內部均包含有直流電感、三相變流橋，以及并聯(lián)功率開關和二極管；功率開關和二極管相串聯(lián)后并聯(lián)連接于三相變流橋的直流兩端，連接點外側為直流電感。進一步的，每個子模塊中，三相變流橋中及并聯(lián)功率開關S1-S7均采用全控型半導體功率器件，由S1-S6和D1-D6構成傳統(tǒng)三相變流橋結構。進一步的，在每個變流子模塊的調制中，零狀態(tài)替換規(guī)則：使用并聯(lián)功率開關S7閉合操作替代傳統(tǒng)CSC調制序列中的所有零狀態(tài)({S1,S4}，{S3,S6}，{S5,S2})，同時保持非零狀態(tài)的實現方法保持不變，由變流橋中的S1-S6實現，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，分別對應開關導通狀態(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}閉合導通實現。進一步的，在每個變流子模塊的調制時，將所有零狀態(tài)即S7閉合導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(S1-S6)的所有開通與關斷動作，均在零電流操作下完成。進一步的，不同非零狀態(tài)的切換時間計算為：其中，T1和T2分別為該載波周期內，2個非零狀態(tài)的時間長度，Ts為載波周期時間長度，不同非零狀態(tài)的切換時間設為Tact時刻。進一步的，變流子模塊之間的聯(lián)合操作，應遵循分散零狀態(tài)原則，通過對調制過程中的三角載波的相角進行時間配置，使不同子模塊的調制載波之間存在相位差別，進而令不同子模塊的零狀態(tài)出現在不同時刻，且在每個開關周期內分散交錯開。進一步的，載波配置采用交錯PWM技術，令每個模塊的載波相角做時間偏移，偏移的時間長度可計算為:其中，Ts為載波周期時間長度，N為應用的子模塊單元數量。進一步的，當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)生交流側故障時，立即采取閉合功率開關S7的操作，通過S7將此單元的后級電路短路切除，使其退出工作，同時維持直流鏈路完好導通。進一步的，子模塊的保護策略的具體過程為：工作正常開始后，當檢測到發(fā)生交流側故障時，首先要判斷該故障是來自變流器外部電網還是來自變流器內部的子模塊；當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S7立即閉合，對故障子模塊單元進行切除隔離，此時，其它單元仍然能夠正常工作，并且中央控制器需要將新計算的控制參數重新分配給其余正常子模塊，進而系統(tǒng)的正常運行可以得到保證。一種級聯(lián)式模塊化電流源型變流器的調制方法，包括：每個變流器子模塊內的調制步驟：在每個變流子模塊內部的調制過程中，調制規(guī)則：零狀態(tài)替換規(guī)則，具體為：使用并聯(lián)功率開關的閉合操作替代傳統(tǒng)CSC調制序列中的所有零狀態(tài)，同時保持非零狀態(tài)的實現方法不變；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的所有開通與關斷動作，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：應遵循對零狀態(tài)配置時間進行適當分散的原則，通過對調制過程中的三角載波的相角進行時間配置，使不同子模塊的調制載波之間存在相位差別，進而令不同子模塊的零狀態(tài)出現在不同時刻，且在每個開關周期內分散交錯開；子模塊的保護策略的控制步驟：工作正常開始后，當檢測到發(fā)生交流側故障時，首先要判斷該故障是來自變流器外部電網還是來自變流器內部的子模塊，當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S7立即閉合，對故障子模塊單元進行切除隔離，此時，其它單元仍然能夠正常工作，并且中央控制器需要將新計算的控制參數重新分配給其余正常子模塊，進而系統(tǒng)的正常運行可以得到保證。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聯(lián)數目的增加，滿足直流電壓需求。傳統(tǒng)的直流側電感被分散在每個子模塊單元內部，通過模塊化拓撲結構，使電路的生產、制造、封裝更加簡單，擴展容易，同時減小了系統(tǒng)的維護成本和設備體積。電路控制方面，通過設計的調制方法和交錯控制策略，可減少開關次數并有效降低直流側電流紋波；根除了同橋臂上功率開關的重疊時間配置問題，簡化了驅動控制設計。系統(tǒng)保護方面，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；對于系統(tǒng)交流側，能夠通過功率開關S7對故障子模塊進行切除，而不影響電路的正常運行，使系統(tǒng)具備更優(yōu)秀的可靠性。本發(fā)明與傳統(tǒng)應用于高壓直流電能傳輸領域的變流器結構相比，新型級聯(lián)式模塊化電流源型變流器擴展容易，維護成本低，不僅根除了換相失敗問題，可對每個模塊的有功和無功進行獨立控制，而且能夠有效減少工作損耗，提高系統(tǒng)的整體工作效率，同時降低直流側電流紋波，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)結構示意圖；圖2：傳統(tǒng)電流源型變流器調制空間矢量圖；圖3：本發(fā)明的拓撲結構示意圖；圖4：本發(fā)明中，每個變流器子模塊的調制空間矢量圖；圖5：本發(fā)明中，空間矢量區(qū)段I內，子模塊調制方法的開關序列動作示意圖；圖6：本發(fā)明中，子模塊間采用交錯PWM控制技術的驅動控制示意圖(2子模塊，空間矢量區(qū)段I內)；圖7：本發(fā)明中，子模塊發(fā)生故障時，切除操作示意圖。圖8：本發(fā)明中，子模塊保護策略的控制流程圖。具體實施方式：下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：傳統(tǒng)的電流源型變流器結構如圖1所示，適用的調制方法種類眾多，在此并不贅述，而其基本的調制序列由9種操作狀態(tài)組成，包含6個非零狀態(tài)和3個零狀態(tài)。傳統(tǒng)電流源型變流器調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)，其配置方法為現有技術。本發(fā)明的一種級聯(lián)式模塊化電流源型變流器拓撲結構，由若干變流器子模塊單元級聯(lián)組合而成，如圖3所示。子模塊單元之間，直流側串聯(lián)連接于直流電網，交流側通過多繞組變壓器分組并聯(lián)接入交流電網。多繞組變壓器配置方式為現有技術。電路結構中的變流器子模塊是受控的基本單元，其結構如圖3所示。該子模塊中，功率開關S1-S7均采用全控型半導體功率器件，其種類、結構及使用方法為現有技術；D1-D7是二極管。由S1-S6和D1-D6構成傳統(tǒng)三相變流橋結構。S7應選擇具備優(yōu)秀開關能力、低損耗性能的開關器件；開關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，連接點外側為直流電感LDC。Ca、Cb、Cc為交流濾波電容。子模塊之間在直流側首尾相連，直流電流由A點流入，B點流出。每個變流器子模塊的調制空間矢量圖如圖4所示。一種級聯(lián)式模塊化電流源型變流器的調制方法，包含以下內容：1、每個變流器子模塊內的調制方法(1)零狀態(tài)替換規(guī)則：零狀態(tài)替換規(guī)則，是子模塊結構內的最基本調制規(guī)則，代表了子模塊調制方法的最基本思想。通過該規(guī)則，可以直接對傳統(tǒng)電流源型變流器的調制方法進行改造，使其適用于新的子模塊結構。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制配合方法”，是所發(fā)明的級聯(lián)式模塊化電流源型變流器的子模塊之間的操作規(guī)則。在每個變流子模塊內部的調制過程中，本發(fā)明使用開關S7的閉合操作替代傳統(tǒng)CSC調制序列中的所有零狀態(tài)({S1,S4}，{S3,S6}，{S5,S2})，同時保持非零狀態(tài)的實現方法不變(由變流橋中的S1-S6實現)。調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，分別對應開關導通狀態(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}閉合導通實現。(2)級聯(lián)式模塊化電流源型變流器調制方法：本發(fā)明提出了一種新型調制方法，配套于所發(fā)明的級聯(lián)式模塊化電流源型變流器子模塊結構。該調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)調制方法。其基本思想是：將所有零狀態(tài)(S7閉合導通)配置于不同非零狀態(tài)的切換之間，使變流橋中功率開關(S1-S6)的所有開通與關斷動作，均在零電流操作下完成。通過使用該調制方法，可以將子模塊調制過程中的所有開通與關斷損耗集中于開關管S7上。由于在硬件設計上，功率開關S7的選型得到了優(yōu)化配置，具備優(yōu)秀的開關能力和低損耗性能，因此，整體變流器的開關損耗得以降低。這樣，在硬件結構維持傳統(tǒng)換流橋的基礎上，僅通過添加一個高性能功率開關S7，便可以大幅度提高變流子模塊的工作效率。這種設計具有極高的性價比。6個空間矢量區(qū)間內的詳細工作狀態(tài)序列，如表1所示。以空間矢量區(qū)段I內的工作狀態(tài)為例，調制方法中開關序列的動作關系示意圖如圖5所示。在該區(qū)間內，2個非零狀態(tài)分別為{S1,S2}和{S1,S6}，二者切換時間設為Tact時刻。零狀態(tài){S7}開始于Tn1時刻，結束于Tn2時刻。Ts為載波周期時間長度。時間配置的計算方法為：其中，T1和T2分別為該載波周期內，2個非零狀態(tài)的時間長度，其計算方法為現有技術。2、變流器子模塊之間的調制配合方法變流子模塊之間的聯(lián)合操作，應遵循對零狀態(tài)配置時間進行適當分散的原則。通過對調制過程中的三角載波的相角進行時間配置，使不同子模塊的調制載波之間存在相位差別，進而令不同子模塊的零狀態(tài)出現在不同時刻，且在每個開關周期內分散交錯開。通過這種調制配合方法，可以減小流過功率開關的電流的升降斜率和時長，減少直流側電流的紋波，同時可因此降低直流側電感的配置需求，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PWM技術，令每個模塊的載波相角做時間偏移，偏移的時間長度可計算為:其中，Ts為載波周期時間長度，N為應用的子模塊單元數量。采用交錯技術方法的驅動控制示意圖(2子模塊，空間矢量區(qū)段I內)，以及與原始方法的比較，如圖6所示。IDC為直流側電流。在原始方法中，子模塊#1和#2的調制載波是同步的，調制序列的開關狀態(tài)也是同時產生的。在零狀態(tài)條件下({S1,S4})，電路呈現為直流側被直接短路，導致電流會快速上升。當采用所提出的變流器子模塊之間交錯調制配合方法時，模塊#1與模塊#2的載波相位相差為1/4個載波周期，使得#1的調制狀態(tài)序列與#2的調制狀態(tài)序列同樣錯開1/4個載波周期。因此，2個子模塊的零狀態(tài)將不會同時發(fā)生，進而直流側電流上升會減緩，對外表現為直流側紋波大幅度減小。3、級聯(lián)式模塊化電流源型變流器保護策略當系統(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)生交流側故障時，可立即采取閉合功率開關S7的操作，通過S7將此單元的后級電路短路切除，使其退出工作，同時維持直流鏈路完好導通。故障切除操作示意圖如圖7所示，子模塊的保護策略的控制流程圖如圖8所示。工作正常開始后，當檢測到發(fā)生交流側故障時，首先要判斷該故障是來自變流器外部電網還是來自變流器內部的子模塊。當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S7立即閉合，對故障子模塊單元進行切除隔離。此時，其它單元仍然能夠正常工作，并且中央控制器需要將新計算的控制參數重新分配給其余正常子模塊，進而系統(tǒng)的正常運行可以得到保證。調制方法所述特點1-(1)為：子模塊單元內，使用S7閉合導通，替代調制序列中的零狀態(tài)。該特點同樣適用于基于本發(fā)明結構的其它任何調制方法。調制方法所述特點1-(2)、特點2中，圖5、圖6的描述示例均基于空間矢量區(qū)段I內的工作狀態(tài)。在其它空間矢量區(qū)段內(II-VI)，其工作原理與所述特點的分析是一致的。上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。