CN104426403B - 一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，包括相互连接的分离式变流单元和固定式直流储能单元；还包括底板和隔板，所述隔板活动装设在底板上，并能够在底板上往复移动；所述分离式变流单元安装在隔板上，而固定式直流储能单元安装在底板上。此结构可解决目前柔性输电中传输功率受到器件制约及维护不便的问题，基于此种模块单元的电压源换流器可提高输电功率，设备效率高，故障保护可靠性高，设备可维护性好。

Description

一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，特别涉及一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的换流阀模块单元。
背景技术
柔性直流输电***的核心是基于全控器件的电压源换流器。多电平技术是实现高压大容量电压源变流器的优选方案。相对于二电平换流器，多电平换流器可以使用低压器件实现高电压等级输出，而并不需要开关器件的直接串联。近几年来，模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的出现使多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用。
模块化多电平换流器的换流阀采用模块化设计，由若干个结构完全相同的基本单元子模块串联构成，每一个子模块称为换流阀模块单元，通过增加换流阀中的串联子模块个数和电流水平，可以实现换流阀电压及功率等级的提升。但由于全控型可关断器件的发展受到半导体技术发展的局限，其通流能力跟不上大容量换流阀的发展水平，所以换流阀的传输功率受到一定的局限。
模块化多电平换流器利用模块单元的级联解决了全控器件的直接串联问题，但每个模块均需要大容量的直流支撑电容来稳定电压，随着换流器功率等级的不断提升，直流支撑电容的体积、重量等因素将成为换流阀维护、检修的瓶颈。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，其可解决目前柔性输电中传输功率受到器件制约及维护不便的问题，基于此种模块单元的电压源换流器可提高输电功率，设备效率高，故障保护可靠性高，设备可维护性好。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，包括相互连接的分离式变流单元和固定式直流储能单元；还包括底板和隔板，所述隔板活动装设在底板上，并能够在底板上往复移动；所述分离式变流单元安装在隔板上，而固定式直流储能单元安装在底板上。
上述固定式直流储能单元包括一个直流储能电容或至少2个相互并联的直流储能电容，所述模块单元还包括第一叠层母排，所有直流储能电容通过第一叠层母排进行并联，且所述第一叠层母排通过框架固定在底板上。
上述分离式变流单元包括旁路开关、4个功率半导体开关器件和二次控制保护单元，第一功率半导体开关器件的发射极连接第二功率半导体开关器件的集电极，第三功率半导体开关器件的发射极连接第四功率半导体开关器件的集电极，且第一、三功率半导体开关器件的集电极连接，第二、四功率半导体开关器件的发射极连接，所述旁路开关的一端连接第二、四功率半导体开关器件的集电极，另一端连接第二、四功率半导体开关器件的发射极；所述旁路开关及4个功率半导体开关器件的控制端均连接二次控制保护单元；
所述模块单元还包括功率半导体开关器件散热器和第二叠层母排，所述功率半导体开关器件散热器安装在隔板上靠近固定式直流储能单元的位置，所述功率半导体开关器件均安装在功率半导体开关器件散热器上，第二叠层母排覆盖在功率半导体开关器件上；所述二次控制保护单元设于功率半导体开关器件散热器的下侧，而旁路开关设于功率半导体开关器件散热器的外侧。
上述模块单元还包括至少一根水管，所述水管的一端连接功率半导体开关器件散热器，另一端连接水源。
上述分离式变流单元还包括4个功率半导体开关器件续流二极管和1个功率二极管，所述4个功率半导体开关器件续流二极管分别与4个功率半导体开关器件对应反向并联，而功率二极管与第二功率半导体开关器件反向并联；
所述模块单元还包括功率二极管散热器，所述功率二极管和功率二极管散热器均设于所述旁路开关的上侧。
上述模块单元还包括至少一根水管，所述水管的一端连接功率二极管散热器，另一端连接水源。
采用上述方案后，本发明将固定式直流储能单元和分离式变流单元整合在一起，形成组成电压源换流器完整功能的最小模块单元，通过此模块单元的有序级联，形成适用于不同电压、不同功率的电压源换流器，具有以下有益效果：
（1）分离式变流单元是一个相对独立的整体，固定在隔板上并可在底板上来回移动，电气连接设计为可分离式，实现现场灵活拆卸；
（2）所有全控开关器件被置于封闭的空间，器件失效时不会有部件飞溅的风险；
（3）利用功率二极管构成对与其并联的功率半导体开关器件续流二极管的过流保护，提高了保护可靠性，同时提高了换流器的效率；
（4）所述的控制保护单元包括全控开关器件驱动板、子单元控制板和电源，所有电子电路位于全控开关器件和全控开关器件散热片背面的封闭区域，保证电气的相对独立性。
附图说明
图1是本发明的正视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的电气原理图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，包括固定式直流储能单元3和分离式变流单元6，首先配合图3所示，分离式变流单元6包括旁路开关K1、4个功率半导体开关器件T1、T2、T3、T4、4个功率半导体开关器件续流二极管D1、D2、D3、D4、均压放电电阻R1和二次控制保护单元KZ1，固定式直流储能单元3包括一个直流储能电容或至少2个直流储能电容C1-Cn（n≥2）；其中，T1与D1反向并联，T2与D2反向并联，且T1的发射极连接T2的集电极，T3与D3反向并联，T4与D4反向并联，且T3的发射极连接T4的集电极，且T1的集电极与T3的集电极连接，T2与T4的发射极连接；K1可采用机械保持式开关，其一端分别连接T2和T4的集电极，另一端分别连接T2和T4的发射极；R1的一端分别连接T1和T3的集电极，另一端分别连接T2和T4的发射极；所述旁路开关K1及4个功率半导体开关器件T1-T4的控制端均连接二次控制保护单元KZ1，由KZ1控制各器件的导通或关断状态；所述固定式直流储能单元3并联在所述均压放电电阻R1的两端。前述为现有模块单元的常见连接结构，在此不再赘述。
本发明的改进点在于：还包括底板1、隔板2、第一叠层母排4和第二叠层母排5，下面分别介绍。
如图1所示，隔板2装设在底板1上，并可在底板1上往复移动，实现现场灵活拆卸；所述固定式直流储能单元3安装在底板1上，而分离式变流单元6安装在隔板2上，并可随隔板2在底板1上来回移动；所述分离式变流单元6和固定式直流储能单元3采用可卸式电气连接，方便在现场维护时将其和重量庞大的固定式直流储能单元3分离，方便模块单元的检修和更换。
固定式直流储能单元3中的所有直流储能电容均通过第一叠层母排4实现并联，然后将该第一叠层母排4通过框架固定在底板1上。
分离式变流单元6包括功率半导体开关器件13（即图3中的T1-T4）、功率半导体开关器件散热器10、旁路开关7（即图3中的K1）、二次控制保护单元14（即图3中的KZ1）、均压放电电阻和功率半导体开关器件续流二极管，分离式变流单元6通过第二叠层母排5和固定式直流储能单元3连接，可以在现场方便地进行分离检修作业。
在本实施例中，所述分离式变流单元6还包括功率二极管D5（即图2中的12）和功率二极管散热器11，如图3所示，D5与D2、D4同向并联，从而实现对D2、D4的过流保护，提高保护可靠性，同时，由于功率二极管D5的性能优于功率半导体开关器件续流二极管，所以模块单元的损耗较小，整个换流器的效率得到提高。
配合图2所示，所述功率半导体开关器件散热器10安装在隔板2上，并靠近固定式直流储能单元3设置，所述功率半导体开关器件13均安装在功率半导体开关器件散热器10之上，并处于一个相对封闭的空间内，器件失效时不会有部件飞溅的风险；第二叠层母排5覆盖在功率半导体开关器件13上；所述功率半导体开关器件散热器10可设置一个或多个，以满足散热的需求。
所述二次控制保护单元14设于功率半导体开关器件散热器10的下侧，而旁路开关7设于功率半导体开关器件散热器10的外侧，功率二极管12和功率二极管散热器11均设于该旁路开关7的上侧。
本实施例中还设有水管9，配合图1所示，功率半导体开关器件13和功率二极管12均采用水冷散热方式，水路在模块单元中的连接方式可以是串联也可以并联，取决于散热功率的匹配，功率半导体开关器件散热器10和功率二极管散热器11通过水管9实现与外部水源的连接。
二次控制保护单元14包括驱动单元、主控板和直流电源，电子电路位于封闭的腔体内，有效地降低了外部电磁环境对二次板卡的干扰。
综上所述，本发明一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，将分离式变流单元设计为一个相对独立的整体，电气连接设计为可分离式；固定式直流储能单元和分离式变流单元均以底板1为支撑，可一起进行安装、更换作业，可解决目前柔性输电中传输功率受到器件制约及维护不便的问题。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。

Claims (5)

1.一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，包括相互连接的分离式变流单元和固定式直流储能单元；其特征在于：还包括底板和隔板，所述隔板活动装设在底板上，并能够在底板上往复移动；所述分离式变流单元安装在隔板上，而固定式直流储能单元安装在底板上；
所述分离式变流单元包括旁路开关、4个功率半导体开关器件和二次控制保护单元，第一功率半导体开关器件的发射极连接第二功率半导体开关器件的集电极，第三功率半导体开关器件的发射极连接第四功率半导体开关器件的集电极，且第一、三功率半导体开关器件的集电极连接，第二、四功率半导体开关器件的发射极连接，所述旁路开关的一端连接第二、四功率半导体开关器件的集电极，另一端连接第二、四功率半导体开关器件的发射极；所述旁路开关及4个功率半导体开关器件的控制端均连接二次控制保护单元；
所述模块单元还包括功率半导体开关器件散热器和第二叠层母排，所述功率半导体开关器件散热器安装在隔板上靠近固定式直流储能单元的位置，所述功率半导体开关器件均安装在功率半导体开关器件散热器上，第二叠层母排覆盖在功率半导体开关器件上；所述二次控制保护单元设于功率半导体开关器件散热器的下侧，而旁路开关设于功率半导体开关器件散热器的外侧。
2.如权利要求1所述的一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，其特征在于：所述固定式直流储能单元包括一个直流储能电容或至少2个相互并联的直流储能电容，所述模块单元还包括第一叠层母排，所有直流储能电容通过第一叠层母排进行并联，且所述第一叠层母排通过框架固定在底板上。
3.如权利要求1所述的一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，其特征在于：所述模块单元还包括至少一根水管，所述水管的一端连接功率半导体开关器件散热器，另一端连接水源。
4.如权利要求1所述的一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，其特征在于：所述分离式变流单元还包括4个功率半导体开关器件续流二极管和1个功率二极管，所述4个功率半导体开关器件续流二极管分别与4个功率半导体开关器件对应反向并联，而功率二极管与第二功率半导体开关器件反向并联；
所述模块单元还包括功率二极管散热器，所述功率二极管和功率二极管散热器均设于所述旁路开关的上侧。
5.如权利要求4所述的一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，其特征在于：所述模块单元还包括至少一根水管，所述水管的一端连接功率二极管散热器，另一端连接水源。
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