[发明专利]模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子电能变换装置，具体涉及一种带隔离的模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器。

背景技术

兆瓦级中压中频三电平直流换流器能够将中高压直流电变换为低压直流电，并实现了中高压直流电网与低压直流电网之间的电气隔离。随着直流电制在陆地电力系统以及机车、船舶、孤岛等独立电力系统的广泛应用，兆瓦级中压中频三电平直流换流器有着广阔的市场前景。其研究成果还可以推广应用到电力系统分布式发电、智能电网、清洁能源等场合，具有潜在的巨大社会经济效益。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，实现实现中压直流电网至低压直流电网能量传送。

本发明提供了一种模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，包括多个并联的换流器子模块，每个子模块内包括依次连接的充放电电路、三电平全桥逆变单元、中频变压单元、不控整流单元和滤波单元，充放电电路的输入端为换流器子模块的4000V直流电源输入端，滤波单元的输出端为换流器子模块的710V直流电源输出端。换流器子模块利用三电平全桥逆变单元将直流电源转换为交流电源，然后利用中频变压器实现降压，再利用不控整流单元将交流电转换为直流电输出，能量流形式为一种功率密度集成式的中频链，达到以较小换流器体积实现较大能量传送，即功率密度集成的目的。本发明采用中点箝位型三电平全桥结构应对中压直流接入，同时具备支撑电容的充放电电路。换流器模块采用PWM移相调制，将开关频率提高至1kHz，以减小中频变压器体积重量。

所述的模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流换流器，换流器子模块设置有用于实现PWM移相调制的分层控制器。基于层次化设计思想，依据时间尺度划分控制层，设计了换流器子模块的标准化层次化控制器。所述分层控制器包括包括硬件控制层、开关控制层、换流器控制层、应用控制层和系统控制层。

所述硬件控制层包括用于采集电路工作信息并反馈至系统控制层、应用控制层或换流器控制层的AD采样电路和用于接收来自开关控制层的PWM调制信号的驱动电路，驱动电路通过光纤与用于接收其发送的状态信号开关控制层相连接，硬件控制层响应时间介于0.1us至1us之间。该层主要功能为实现硬件保护，AD采样，并反馈状态信息至更高控制层。

所述开关控制层响应时间介于1us至10us之间，开关控制层包括用于接收换流器控制层发送的控制信号并将该控制信号基于一定的调制原理生成PWM信号的数字控制系统和用于通过光纤传输驱动信号至驱动电路的光纤信号发送电路。该控制层的主要任务是将得到的控制信号基于一定的调制原理生成PWM信号。

所述换流器控制层响应时间介于10us至1ms之间，换流器控制层包括用于接收AD采样电路采样信息和应用控制层发送的控制信息并执行控制算法的数字信号处理器（DSP）以及用于接收DSP计算后的电量信息并利用计数器和比较器生成控制信号的现场可编程逻辑器件（FPGA），数字信号处理器（DSP）和现场可编程逻辑器件（FPGA）通过数据和地址总线相连接，换流器控制层通过CAN网络与应用控制层相连接，换流器控制层设置有用于控制计算的多功能子模块。DSP和FPGA组成的数字控制系统通过CAN网络与应用控制层进行信息传送。软件模块化在这一控制层得到极大程度的体现，该控制层根据被控制对象的功能实现要求，具有较多功能子模块，例如PI控制模块，并联控制算法模块等，根据需求可进行灵活配置。该控制层的主要任务是对变流器进行功能控制。

所述应用控制层响应时间介于1ms至1s之间，包括用于实现热能控制和过程控制可编程控制器（PLC），PLC通过工业以太网与系统控制层相连接。该控制层的软件根据功能可以分为热能控制子模块，过程控制子模块。该控制层的主要任务是根据从其他层收集到的各种信息，进行继电器分合闸，启动控制，停机控制等过程控制。

所述系统控制层响应时间大于10ms，包括以多台工业计算机为主体构成用于能量管理、潮流控制和系统保护重构的工业以太网络。该控制层的软件根据功能可以分为能量管理与潮流控制子模块，系统保护与重构子模块。该控制层的主要任务是根据从其他层收集到的各种信息，进行系统级的决策和管理，通过组网控制电能调度以及电力系统的保护与重构。