СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ МОДУЛЬНОГО МНОГОУРОВНЕВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЯ
METHOD FOR MODULATING CONTROL SIGNAL OF MODULAR MULTILEVEL CONVERTER AND METHOD FOR ISOLATION OF DAMAGE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области VSC-HVDC и, в частности, к способу модуляции сигнала управления модульного многоуровневого преобразователя и способу изоляции повреждения.
Предпосылки создания изобретения
Появление модульных многоуровневых преобразователей (ММС) позволяет успешно применять многоуровневые преобразователи в области VSC-HVDC. Преобразователь ММС принимает модульную конструкцию и состоит из нескольких последовательных модулей основных блоков, имеющих одинаковую конструкцию, при этом каждый из этих модулей называется модульным блоком преобразователя. За счет увеличения количества последовательных модулей и повышения уровня тока в преобразователе, преобразователь можно применять в случаях разных уровней напряжения и мощности.
Однако традиционный полумостовой модульный блок обладает внутренне присущим ему дефектом, при котором невозможно эффективно справляться с повреждением при постоянном токе (DC), а мостовой модуль, способный подавлять ток повреждения DC, также обладает такими недостатками, как большие потери и высокая себестоимость. Таким образом, оптимизация эксплуатационных характеристик ММС становится ключевым техническим фактором при решении задач в межсоединениях DC.
В виду вышесказанного, авторы настоящего изобретения провели исследования и усовершенствовали способ модуляции сигнала управления модульного многоуровневого преобразователя, результатом чего и стала настоящая заявка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание способа модуляции сигнала управления модульного многоуровневого преобразователя и способа изоляции повреждения. При этом способ модуляции сигнала управления модульного многоуровневого преобразователя способен уменьшать тепловое напряжение силового полупроводникового переключателя в преобразователе, увеличивать емкость преобразователя, преодолевать недостатки мостового субмодуля и достигать улучшенных эксплуатационных характеристик как с точки зрения экономической эффективности, так и с технической стороны. Способ изоляции повреждения субмодульного блока способен гибко выбирать способ модуляции сигнала управления с целью эффективной изоляции вышедшего из строя переключающего транзистора. Данный способ не оказывает влияния на работу системы, а также уменьшает частоту отказов субмодульного блока, за счет чего повышается доступность системы в целом.
Для достижения вышеуказанной цели, решение в соответствии с настоящим изобретением представляет собой способ модуляции сигнала управления модульного многоуровневого преобразователя, при этом модульный многоуровневый преобразователь содержит по меньшей мере одно плечо моста, при этом плечо моста содержит по меньшей мере один мостовой субмодульный блок, при этом мостовой субмодульный блок содержит первый силовой полупроводниковый переключатель, второй силовой полупроводниковый переключатель, третий силовой полупроводниковый переключатель и четвертый силовой полупроводниковый переключатель, при этом:
способ модуляции сигнала управления включает первый режим и второй режим; мостовой субмодульный блок сначала входит в первый режим, затем входит во второй режим, повторно входит в первый режим и т. д.; или сначала входит во второй режим, затем входит в первый режим, повторно входит во второй режим и т. д.;
в первом режиме сигнал управления попеременно подается на первый силовой полупроводниковый переключатель и на второй силовой полупроводниковый переключатель, так что первый силовой полупроводниковый переключатель и второй силовой полупроводниковый переключатель включаются попеременно в одной временной последовательности, тогда как дополнительный сигнал управления подается на третий силовой полупроводниковый переключатель и четвертый силовой полупроводниковый переключатель, так что третий силовой полупроводниковый переключатель обычно выключен, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель обычно включен; и
во втором режиме сигнал управления попеременно подается на третий силовой полупроводниковый переключатель и четвертый силовой полупроводниковый переключатель, так что третий силовой полупроводниковый переключатель и четвертый силовой полупроводниковый переключатель включаются попеременно в одной временной последовательности, тогда как дополнительный сигнал управления подается на первый силовой полупроводниковый переключатель и второй силовой полупроводниковый переключатель, так что первый силовой полупроводниковый переключатель обычно включен, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель обычно выключен.
Кроме того, первый силовой полупроводниковый переключатель содержит переключающий транзистор Т1 и диод D1 обратной цепи в антипараллельной ориентации относительно переключающего транзистора Т1; второй силовой полупроводниковый переключатель содержит переключающий транзистор Т2 и диод D2 обратной цепи в антипараллельной ориентации относительно переключающего транзистора Т2; третий силовой полупроводниковый переключатель содержит переключающий транзистор Т3 и диод D3 обратной цепи в антипараллельной ориентации относительно переключающего транзистора Т3; и четвертый силовой полупроводниковый переключатель содержит переключающий транзистор Т4 и диод D4 обратной цепи в антипараллельной ориентации относительно переключающего транзистора Т4.
При этом каждый из переключающих транзисторов Т1—Т4, как предполагается, представляет собой IGBT, IGCT, GTO или MOSFET.
Также способ модуляции сигнала управления включает следующие этапы:
1) состояние разряда конденсатора в первом режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т3, и переключающие транзисторы Т1 и Т4 включаются, а энергонакопительный элемент С1 разряжается при токе в прямом направлении;
2) состояние шунтирования в прямом направлении в первом режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т3, и диод D2 обратной цепи и переключающий транзистор Т4 включаются, а мостовой субмодульный блок шунтируется при токе в прямом направлении;
3) состояние разряда конденсатора в первом режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т3, и диоды D1 и D4 обратной цепи включаются, а энергонакопительный элемент С1 заряжается при токе в обратном направлении;
4) состояние шунтирования в обратном направлении в первом режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т3, и переключающий транзистор Т2 и диод D4 обратной цепи включаются, а мостовой субмодульный блок шунтируется при токе в обратном направлении;
5) состояние разряда конденсатора во втором режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т3, и переключающие транзисторы Т1 и Т4 включаются, а энергонакопительный элемент С1 разряжается при токе в прямом направлении;
6) состояние шунтирования в прямом направлении во втором режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т3, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т4, и переключающий транзистор Т1 и диод D3 обратной цепи включаются, а мостовой субмодульный блок шунтируется при токе в прямом направлении;
7) состояние разряда конденсатора во втором режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т3, и диоды D1 и D4 обратной цепи включаются, а энергонакопительный элемент С1 заряжается при токе в обратном направлении; и
8) состояние шунтирования в обратном направлении во втором режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т3, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т4, и диод D1 обратной цепи и переключающий транзистор Т3 включаются, а мостовой субмодульный блок шунтируется при токе в обратном направлении.
Для решения вышеописанной технической проблемы, еще одно техническое решение, принятое в настоящем изобретении, представляет собой способ изоляции повреждения субмодульного блока, при этом субмодульный блок представляет собой мостовой субмодульный блок, при этом когда для выполнения модуляции используется вышеописанный способ модуляции сигнала управления многоуровневого модульного преобразователя, если выходит из строя второй силовой полупроводниковый переключатель или третий силовой полупроводниковый переключатель в мостовом субмодульном блоке или если выходит из строя схема управления второго силового полупроводникового переключателя или третьего силового полупроводникового переключателя, то вышедший из строя силовой полупроводниковый переключатель изолируют путем изменения режима модуляции сигнала управления, в то время как мостовой субмодульный блок не прекращает работу.
Настоящее изобретение делает возможным уравновешивание теплового напряжения силовых полупроводниковых переключателей в субмодуле за счет модуляции сигнала управления, посредством которой повышается емкость преобразователя, и изменений токового напряжения переключающих транзисторов и антипараллельных диодов переключающих транзисторов за счет изменения чередования сигнала управления в двухступенчатом режиме. Потери переключающих транзисторов и их антипараллельных диодов становятся более однородными, температуры контактов силовых полупроводниковых переключателей уменьшаются, и расширяются пределы безопасной эксплуатации. Емкость преобразователя может быть повышена за счет снижения температур контактов силовых полупроводниковых переключателей.
Поскольку мостовой субмодульный блок содержит один переключающий транзистор в состоянии блокирования как в первом режиме, так и во втором режиме, в настоящем изобретении при обнаружении того, что какой-либо из переключающих транзисторов вышел из строя, когда вышедший из строя транзистор устанавливается в состояние блокирования, может быть выбрана одна из действующих ступеней 1 и 2, при этом остальные три переключающих транзистора по-прежнему действуют обычным образом, и мостовой субмодульный блок не шунтируется. Если выходит из строя какой-либо из переключающих транзисторов или его схема управления, для эффективной изоляции этого вышедшего из строя переключающего транзистора без воздействия на работу системы, может быть гибко выбран способ модуляции сигнала управления. Мостовой субмодульный блок может допускать то, что один переключающий транзистор или его схема управления выходит из строя и не шунтируется, посредством чего уменьшается частота отказов этого субмодульного блока и повышается доступность системы в целом.
Подводя итог вышесказанному, в сравнении с известным уровнем техники, полезные эффекты настоящего изобретения заключаются в том, что настоящее изобретение способно выполнять уравновешивание теплового напряжения силовых полупроводниковых переключателей в субмодульном блоке, за счет чего увеличивается емкость преобразователя и снижается себестоимость единицы емкости преобразователя; расширять пределы безопасной эксплуатации субмодульного блока и увеличивать надежность системы без увеличения капиталовложений; и выдерживать выход из строя любого из транзисторов IGBT в мостовом субмодульном блоке, действуя в обычном режиме, за счет чего снижается риск шунтирования мостового субмодульного блока и увеличивается доступность системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 показана топология модульного многоуровневого преобразователя в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показана принципиальная схема различных условий работы мостового субмодульного блока на ступени 1 в соответствии с настоящим изобретением:
(a) цепь разряда при токе в прямом направлении;
(b) шунтирующая цепь при токе в прямом направлении;
(c) цепь заряда при токе в обратном направлении; и
(d) шунтирующая цепь при токе в обратном направлении.
На фиг. 3 показана принципиальная схема различных условий работы мостового субмодульного блока на ступени 2 в соответствии с настоящим изобретением:
(a) цепь разряда при токе в прямом направлении;
(b) шунтирующая цепь при токе в прямом направлении;
(c) цепь заряда при токе в обратном направлении; и
(d) шунтирующая цепь при токе в обратном направлении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже со ссылкой на сопроводительные графические материалы подробно описаны технические решения настоящего изобретения.
Вариант осуществления 1
Со ссылкой на фиг. 1, 2 и 3 показан способ модуляции сигнала управления модульного многоуровневого преобразователя, при этом модульный многоуровневый преобразователь содержит по меньшей мере одно плечо моста, в частности шесть плеч моста в настоящем варианте осуществления, при этом плечо моста содержит по меньшей мере один мостовой субмодульный блок, при этом мостовой субмодульный блок содержит первый силовой полупроводниковый переключатель, второй силовой полупроводниковый переключатель, третий силовой полупроводниковый переключатель и четвертый силовой полупроводниковый переключатель, при этом способ модуляции сигнала управления включает первый режим и второй режим; мостовой субмодульный блок сначала входит в первый режим, затем входит во второй режим, повторно входит в первый режим и т. д.; или сначала входит во второй режим, затем входит в первый режим, повторно входит во второй режим и т. д.;
в первом режиме сигнал управления попеременно подается на первый силовой полупроводниковый переключатель и на второй силовой полупроводниковый переключатель, так что первый силовой полупроводниковый переключатель и второй силовой полупроводниковый переключатель включаются попеременно в одной временной последовательности, тогда как дополнительный сигнал управления подается на третий силовой полупроводниковый переключатель и четвертый силовой полупроводниковый переключатель, так что третий силовой полупроводниковый переключатель обычно выключен, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель обычно включен; и
во втором режиме сигнал управления попеременно подается на третий силовой полупроводниковый переключатель и четвертый силовой полупроводниковый переключатель, так что третий силовой полупроводниковый переключатель и четвертый силовой полупроводниковый переключатель включаются попеременно в одной временной последовательности, тогда как дополнительный сигнал управления подается на первый силовой полупроводниковый переключатель и второй силовой полупроводниковый переключатель, так что первый силовой полупроводниковый переключатель обычно включен, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель обычно выключен.
В качестве предпочтительного варианта осуществления первый силовой полупроводниковый переключатель содержит переключающий транзистор Т1 и диод D1 обратной цепи в антипараллельной ориентации относительно переключающего транзистора Т1; второй силовой полупроводниковый переключатель содержит переключающий транзистор Т2 и диод D2 обратной цепи в антипараллельной ориентации относительно переключающего транзистора Т2; третий силовой полупроводниковый переключатель содержит переключающий транзистор Т3 и диод D3 обратной цепи в антипараллельной ориентации относительно переключающего транзистора Т3; и четвертый силовой полупроводниковый переключатель содержит переключающий транзистор Т4 и диод D4 обратной цепи в антипараллельной ориентации относительно переключающего транзистора Т4; и каждый из переключающих транзисторов Т1—Т4, как предполагается, представляет собой IGBT, IGCT, GTO или MOSFET.
Кроме того, способ модуляции сигнала управления модульного многоуровневого преобразователя включает следующие этапы:
1) состояние разряда конденсатора в первом режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т3, и переключающие транзисторы Т1 и Т4 включаются, а энергонакопительный элемент С1 разряжается при токе в прямом направлении, как показано на фиг. 2a;
2) состояние шунтирования в прямом направлении в первом режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т3, и диод D2 обратной цепи и переключающий транзистор Т4 включаются, а мостовой субмодульный блок шунтируется при токе в прямом направлении, как показано на фиг. 2b;
3) состояние разряда конденсатора в первом режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т3, и диоды D1 и D4 обратной цепи включаются, а энергонакопительный элемент С1 заряжается при токе в обратном направлении, как показано на фиг. 2c;
4) состояние шунтирования в обратном направлении в первом режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т3, и переключающий транзистор Т2 и диод D4 обратной цепи включаются, а мостовой субмодульный блок шунтируется при токе в обратном направлении, как показано на фиг. 2d;
5) состояние разряда конденсатора во втором режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т3, и переключающие транзисторы Т1 и Т4 включаются, а энергонакопительный элемент С1 разряжается при токе в прямом направлении, как показано на фиг. 3a;
6) состояние шунтирования в прямом направлении во втором режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т3, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т4, и переключающий транзистор Т1 и диод D3 обратной цепи включаются, а мостовой субмодульный блок шунтируется при токе в прямом направлении, как показано на фиг. 3b;
7) состояние разряда конденсатора во втором режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т4, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т3, и диоды D1 и D4 обратной цепи включаются, а энергонакопительный элемент С1 заряжается при токе в обратном направлении, как показано на фиг. 3c; и
8) состояние шунтирования в обратном направлении во втором режиме: сигнал на включение подается на переключающие транзисторы Т1 и Т3, сигнал на выключение подается на переключающие транзисторы Т2 и Т4, и диод D1 обратной цепи и переключающий транзистор Т3 включаются, а мостовой субмодульный блок шунтируется при токе в обратном направлении, как показано на фиг. 3d.
Вариант осуществления 2
Настоящий вариант осуществления предусматривает способ изоляции повреждения субмодульного блока, при этом субмодульный блок представляет собой мостовой субмодульный блок. Когда для выполнения модуляции используется способ модуляции сигнала управления многоуровневого модульного преобразователя в соответствии с вариантом осуществления 1, если выходит из строя второй силовой полупроводниковый переключатель или если выходит из строя схема управления второго силового полупроводникового переключателя, то вышедший из строя второй силовой полупроводниковый переключатель изолируют путем изменения режима модуляции сигнала управления, в то время как мостовой субмодульный блок не прекращает работу и действует во втором режиме, как показано на фиг. 3.
Вариант осуществления 3
Настоящий вариант осуществления предусматривает способ изоляции повреждения субмодульного блока, при этом субмодульный блок представляет собой мостовой субмодульный блок. Когда для выполнения модуляции используется способ модуляции сигнала управления многоуровневого модульного преобразователя в соответствии с вариантом осуществления 1, если выходит из строя третий силовой полупроводниковый переключатель или если выходит из строя схема управления третьего силового полупроводникового переключателя, то вышедший из строя третий силовой полупроводниковый переключатель изолируют путем изменения режима модуляции сигнала управления, в то время как мостовой субмодульный блок не прекращает работу и действует в первом режиме, как показано на фиг. 2.