模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器的制造方法
【專利摘要】本發明屬于電力電子電能變換裝置，具體提供了一種帶隔離的模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器。本發明包括多個并聯的換流器子模塊，每個子模塊內包括依次連接的充放電電路、三電平全橋逆變單元、中頻變壓單元、不控整流單元和濾波單元，充放電電路的輸入端為換流器子模塊的輸入端，濾波單元的輸出端為換流器子模塊的輸出端。本發明采用模塊化設計，降低功率器件電流應力、模塊之間互為冗余，最大程度的提高供電連續性和易于維護性，而且可以通過增加模塊方便的對換流器系統擴容。
【專利說明】模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力電子電能變換裝置，具體涉及一種帶隔離的模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器。
【背景技術】
[0002]兆瓦級中壓中頻三電平直流換流器能夠將中高壓直流電變換為低壓直流電，并實現了中高壓直流電網與低壓直流電網之間的電氣隔離。隨著直流電制在陸地電力系統以及機車、船舶、孤島等獨立電力系統的廣泛應用，兆瓦級中壓中頻三電平直流換流器有著廣闊的市場前景。其研究成果還可以推廣應用到電力系統分布式發電、智能電網、清潔能源等場合，具有潛在的巨大社會經濟效益。

【發明內容】

[0003]針對上述技術問題，本發明提供了一種模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器，實現實現中壓直流電網至低壓直流電網能量傳送。
[0004]本發明提供了一種模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器，包括多個并聯的換流器子模塊，每個子模塊內包括依次連接的充放電電路、三電平全橋逆變單元、中頻變壓單元、不控整流單元和濾波單元，充放電電路的輸入端為換流器子模塊的4000V直流電源輸入端，濾波單元的輸出端為換流器子模塊的710V直流電源輸出端。換流器子模塊利用三電平全橋逆變單元將直流電源轉換為交流電源，然后利用中頻變壓器實現降壓，再利用不控整流單元將交流電轉換為直流電輸出，能量流形式為一種功率密度集成式的中頻鏈，達到以較小換流器體積實現較大能量傳送，即功率密度集成的目的。本發明采用中點箝位型三電平全橋結構應對中壓直流接入，同時具備支撐電容的充放電電路。換流器模塊采用PWM移相調制，將開關頻率提高至1kHz，以減小中頻變壓器體積重量。
[0005]所述的模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器，換流器子模塊設置有用于實現PWM移相調制的分層控制器?；趯哟位O計思想，依據時間尺度劃分控制層，設計了換流器子模塊的標準化層次化控制器。所述分層控制器包括包括硬件控制層、開關控制層、換流器控制層、應用控制層和系統控制層。
[0006]所述硬件控制層包括用于采集電路工作信息并反饋至系統控制層、應用控制層或換流器控制層的AD采樣電路和用于接收來自開關控制層的PWM調制信號的驅動電路，驅動電路通過光纖與用于接收其發送的狀態信號開關控制層相連接，硬件控制層響應時間介于
0.1us至Ius之間。該層主要功能為實現硬件保護，AD采樣，并反饋狀態信息至更高控制層。
[0007]所述開關控制層響應時間介于Ius至IOus之間，開關控制層包括用于接收換流器控制層發送的控制信號并將該控制信號基于一定的調制原理生成PWM信號的數字控制系統和用于通過光纖傳輸驅動信號至驅動電路的光纖信號發送電路。該控制層的主要任務是將得到的控制信號基于一定的調制原理生成PWM信號。[0008]所述換流器控制層響應時間介于IOus至Ims之間，換流器控制層包括用于接收AD采樣電路采樣信息和應用控制層發送的控制信息并執行控制算法的數字信號處理器(DSP)以及用于接收DSP計算后的電量信息并利用計數器和比較器生成控制信號的現場可編程邏輯器件(FPGA)，數字信號處理器(DSP)和現場可編程邏輯器件(FPGA)通過數據和地址總線相連接，換流器控制層通過CAN網絡與應用控制層相連接，換流器控制層設置有用于控制計算的多功能子模塊。DSP和FPGA組成的數字控制系統通過CAN網絡與應用控制層進行信息傳送。軟件模塊化在這一控制層得到極大程度的體現，該控制層根據被控制對象的功能實現要求，具有較多功能子模塊，例如PI控制模塊，并聯控制算法模塊等，根據需求可進行靈活配置。該控制層的主要任務是對變流器進行功能控制。
[0009]所述應用控制層響應時間介于Ims至Is之間，包括用于實現熱能控制和過程控制可編程控制器(PLC)，PLC通過工業以太網與系統控制層相連接。該控制層的軟件根據功能可以分為熱能控制子模塊，過程控制子模塊。該控制層的主要任務是根據從其他層收集到的各種信息，進行繼電器分合閘，啟動控制，停機控制等過程控制。
[0010]所述系統控制層響應時間大于10ms，包括以多臺工業計算機為主體構成用于能量管理、潮流控制和系統保護重構的工業以太網絡。該控制層的軟件根據功能可以分為能量管理與潮流控制子模塊，系統保護與重構子模塊。該控制層的主要任務是根據從其他層收集到的各種信息，進行系統級的決策和管理，通過組網控制電能調度以及電力系統的保護
與重構。
[0011]所述的三電平全橋逆變單元采用移相PWM調制，其靜態工作點為導通角Θ =2.6357 (rad)，移相角α =2.1874 (rad)。此工作點下逆變全橋的輸出電壓基波幅值最大，電壓總諧波系數最小，有利于使能量通過中頻變壓器。
[0012]所述換流器控制層與應用控制層的均設置有分別與CAN線和串口線連接的CAN光纖轉換器和串口光纖轉換器，換流器控制層與應用控制層的CAN光纖轉換器通過光纖連接，換流器控制層與應用控制層的串口光纖轉換器通過光纖連接。換流器遠程監控設計采用CAN通訊轉光纖通訊和串口通訊轉光纖通訊的方案,可以突破CAN通訊線和串口通訊線抗干擾能力的限制，將通訊距離延展至公里級，同時解決了電磁干擾、地環干擾和雷電破壞的問題。
[0013]本發明包括多個并聯的換流器子模塊，采用模塊化設計，降低功率器件電流應力、模塊之間互為冗余，最大程度的提高供電連續性和易于維護性，而且可以通過增加模塊方便的對換流器系統擴容。本發明中的單個換流器模塊均采用中頻鏈結構，由于設置有隔離變壓器，在實現兆瓦級能量傳送的同時能夠隔離中壓電網和低壓電網。單個換流器模塊采用移相PWM控制，顯著提高了換流器系統的整體工作頻率，降低了隔離變壓器的體積重量，進而優化了換流器的整體結構設計。換流器控制單元依據持劍尺度劃分控制層，采用層次化設計分層控制器，具有控制機構清晰，變化靈活，易于設計整合等優勢。換流器內部通信及和監控系統之間均采用CAN2.0通信，具有較好的可靠性和可擴展性，同時當換流器距離監控系統較遠時，采用光纖通訊，以獲取較遠傳輸距離和較好的電磁兼容性。本發明具有完備的硬件軟件保護系統，確保在各種意外條件下的安全保護的實現。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]圖1是兆瓦級中壓中頻直流換流器模塊化設計示意圖
[0015]圖2是兆瓦級中壓中頻直流換流器單個功能子模塊主電路拓撲結構圖
[0016]圖3是換流器的分層控制器示意圖
[0017]圖4是換流器模塊的移相PWM生成方式示意圖
[0018]圖5是換流器控制回路不意圖
[0019]圖6是換流器系統與監控系統通信結構示意圖
【具體實施方式】
[0020]下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步說明:
[0021]本發明提供了一種模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器，其特征在于包括多個并聯的換流器子模塊，每個子模塊內包括依次連接的充放電電路、三電平全橋逆變單元、中頻變壓單元、不控整流單元和濾波單元，充放電電路的輸入端為換流器子模塊的輸入端，濾波單元的輸出端為換流器子模塊的輸出端。
[0022]上述技術方案中，換流器子模塊設置有用于實現PWM移相調制的分層控制器，所述分層控制器包括包括硬件控制層、開關控制層、換流器控制層、應用控制層和系統控制層，硬件控制層包括用于采集電路工作信息并反饋至系統控制層、應用控制層或換流器控制層的AD采樣電路和用于接收來自開關控制層的PWM調制信號的驅動電路，驅動電路通過光纖與用于接收其發送的狀態信號開關控制層相連接，硬件控制層響應時間介于0.1us至Ius之間；開關控制層響應時間介于Ius至IOus之間，開關控制層包括用于接收換流器控制層發送的控制信號并將該控制信號基于一定的調制原理生成PWM信號的數字控制系統和用于通過光纖傳輸驅動信號至驅動電路的光纖信號發送電路；換流器控制層響應時間介于IOus至Ims之間，換流器控制層包括用于接收AD采樣電路采樣信息和應用控制層發送的控制信息并執行控制算法的數字信號處理器(DSP)以及用于接收DSP計算后的電量信息并利用計數器和比較器生成控制信號的現場可編程邏輯器件(FPGA)，數字信號處理器(DSP)和現場可編程邏輯器件(FPGA)通過數據和地址總線相連接，換流器控制層通過CAN網絡與應用控制層相連接，換流器控制層設置有用于控制計算的多功能子模塊；應用控制層響應時間介于Ims至Is之間，包括用于實現熱能控制和過程控制可編程控制器(PLC)，PLC通過工業以太網與系統控制層相連接；系統控制層響應時間大于10ms，包括以多臺工業計算機為主體構成用于能量管理與潮流控制的工業以太網絡。
[0023]上述技術方案中，三電平全橋逆變單元采用移相PWM調制，其靜態工作點為導通角 Θ =2.6357 (rad)，移相角 α =2.1874 (rad)。
[0024]上述技術方案中，換流器控制層與應用控制層的均設置有分別與CAN線和串口線連接的CAN光纖轉換器和串口光纖轉換器，換流器控制層與應用控制層的CAN光纖轉換器通過光纖連接，換流器控制層與應用控制層的串口光纖轉換器通過光纖連接。
[0025]如圖1所示，根據功率需求不同，換流器可以由一至多個功能、結構完全相同的DC/DC子模塊并聯組成。每一個子模塊的額定功率為750kW，各模塊之間采用高速CAN總線通訊。子模塊的輸入電壓為直流4000V等級，輸出電壓為直流710V等級。
[0026]如圖2所示，換流器子模塊主要由充放電電路、輸入側平波電抗器、輸入側熔斷器、輸入二極管、直流支撐電容、三電平全橋逆變單元、中頻隔離變壓器、不控整流單元、濾波電容器、濾波電抗器、輸出側熔斷器和輸出二極管組成。其中輸入側平波電抗器采用空心結構，對輸入電流進行濾波；充放電電路為支撐電容提供電源；三電平全橋逆變單元采用移相PWM控制將直流電逆變成為脈寬可控的中頻雙極性五電平方波輸出給變壓器；中頻隔離變壓器主要起降壓和隔離的作用；濾波單元包括濾波電抗器和電容器，濾波電抗器采用鐵芯電抗器，以便減小裝置的體積，提高裝置的功率密度；濾波電容器全部采用損耗小、壽命長的金屬膜電容器，保證裝置的使用壽命；輸入側熔斷器為變流器提供后備保護；輸入二極管能夠防止能量回流，將各子模塊的輸出進行隔離。
[0027]如圖3所示換流器的分層控制器具體包括:(I)硬件控制層:硬件控制層的硬件主要由AD采樣電路和驅動電路構成。驅動電路接收來自開關控制層的PWM調制信號，通過光纖發送狀態信號至開關控制層。該層主要功能為實現硬件保護，AD采樣，并反饋狀態信息至更高控制層，該控制層響應時間介于0.1us至Ius之間。(2)開關控制層:開光控制層硬件組成為數字控制系統和光纖信號發送電路。開光控制層的調制信息通過光纖傳輸驅動信號給硬件控制層。該控制層的主要任務是將得到的控制信號基于一定的調制原理生成PWM信號。該控制層響應時間介于Ius至IOus之間。(3)換流器控制層:硬件主要是由數字信號處理器(DSP)和現場可編程邏輯器件(FPGA)為主體構建的數字控制系統。該數字控制系統通過CAN網絡與應用控制層進行信息傳送。軟件模塊化在這一控制層得到極大程度的體現，根據被控制對象的功能實現要求，具有較多功能子模塊，例如PI控制模塊，并聯控制算法模塊等，根據需求可進行靈活配置。該控制層的主要任務是對變流器進行功能控制。該控制層響應時間介于IOus至Ims之間。(4)應用控制層:硬件以可編程控制器(PLC)為主體構成，PLC通過工業以太網接入系統控制層，軟件根據功能可以分為熱能控制子模塊，過程控制子模塊。該控制層的主要任務是根據從其他層收集到的各種信息，進行繼電器分合閘，啟動控制，停機控制等過程控制。該控制層響應時間介于Ims至Is之間。(5)系統控制層:硬件以多臺工業計算機為主體構成工業以太網絡，軟件根據功能可以分為能量管理與潮流控制子模塊，系統保護與重構子模塊。該控制層的主要任務是根據從其他層收集到的各種信息，進行系統級的決策和管理，通過組網控制電能調度以及電力系統的保護與重構。該控制層響應時間大于10ms。
[0028]圖4是換流器子模塊的移相PWM生成方式示意圖，移相PWM脈沖主要由DSP和FPGA生成，其中DSP通過采集的電量信息執行控制算法后通過數據和地址總線傳送給FPGA，FPGA通過一系列的計數器和比較器等生成了控制脈沖Ugl至ug8，分別控制Gl至G8，實現移相PWM控制，其中da為移相占空比，de為導通占空比。
[0029]圖5是換流器控制回路示意圖，控制回路硬件主要由PLC、人機接口(HMI)、DSP、FPGA、傳感器以及控制電源組成。PLC和HMI主要完成外圍通訊、人機交互、狀態檢測、過程控制、故障隔離和報警和電源管理等功能。PLC和HMI主要完成內部通訊，接收指令或上傳數據，功率單元控制，內部故障監測與報警隔離?？刂苹芈穬韧獠啃盘柦涌诒砣绫鞩所示。
[0030]表I控制回路內外部信號接口表
[0031]
【權利要求】
1.一種模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器，其特征在于包括多個并聯的換流器子模塊，每個子模塊內包括依次連接的充放電電路、三電平全橋逆變單元、中頻變壓單元、不控整流單元和濾波單元，充放電電路的輸入端為換流器子模塊的輸入端，濾波單元的輸出端為換流器子模塊的輸出端。
2.根據權利要求1所述的模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器，其特征在于換流器子模塊設置有用于實現PWM移相調制的分層控制器，所述分層控制器包括包括硬件控制層、開關控制層、換流器控制層、應用控制層和系統控制層； 硬件控制層包括用于采集電路工作信息并反饋至系統控制層、應用控制層或換流器控制層的AD采樣電路和用于接收來自開關控制層的PWM調制信號的驅動電路，驅動電路通過光纖與用于接收其發送的狀態信號開關控制層相連接，硬件控制層響應時間介于0.1us至Ius之間； 開關控制層響應時間介于Ius至IOus之間，開關控制層包括用于接收換流器控制層發送的控制信號并將該控制信號基于一定的調制原理生成PWM信號的數字控制系統和用于通過光纖傳輸驅動信號至驅動電路的光纖信號發送電路； 換流器控制層響應時間介于IOus至Ims之間，換流器控制層包括用于接收AD采樣電路采樣信息和應用控制層發送的控制信息并執行控制算法的數字信號處理器(DSP)以及用于接收DSP計算后的電量信息并利用計數器和比較器生成控制信號的現場可編程邏輯器件(FPGA)，數字信號處理器(DSP)和現場可編程邏輯器件(FPGA)通過數據和地址總線相連接，換流器控制層通過CAN網絡與應用控制層相連接，換流器控制層設置有用于控制計算的多功能子模塊； 應用控制層響應時間介于Ims至Is之間，包括用于實現熱能控制和過程控制可編程控制器(PLC)，PLC通過工業以太網與系統控制層相連接； 系統控制層響應時間大于10ms，包括以多臺工業計算機為主體構成的用于能量管理與潮流控制的工業以太網絡。
3.根據權利要求1所述的模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器，其特征在于三電平全橋逆變單元采用移相PWM調制，其靜態工作點為導通角Θ =2.6357 (rad)，移相角α =2.1874 (rad)。
4.根據權利要求3所述的模塊化兆瓦級中壓中頻三電平全橋直流換流器，其特征在于換流器控制層與應用控制層的均設置有分別與CAN線和串口線連接的CAN光纖轉換器和串口光纖轉換器，換流器控制層與應用控制層的CAN光纖轉換器通過光纖連接，換流器控制層與應用控制層的串口光纖轉換器通過光纖連接。
【文檔編號】H02J1/10GK103441677SQ201310367376
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】肖飛, 范學鑫, 謝幀, 王瑞田, 楊國潤, 揭貴生, 王恒利, 陸明科 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學