CN102130609B - 一种基于半桥电路的vsc基本功能单元的绝缘配合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法，包括以下步骤：1)依据子模块各种运行工况下稳态、暂态和瞬时过电压水平，确定各元器件的绝缘强度和特性；2)依据子模块的电位分布特点，令一次主设备的金属外壳和二次控制保护板卡的地电位与子模块负极等电位，且二次控制保护板卡通过隔离变压器与一次电路连接，用以隔离一次电路高电压对二次电路的影响；3)根据子模块电磁场分布，使用金属屏蔽盒来屏蔽IGBT高速开关给二次控制保护板卡造成的电磁干扰；4)令旁路开关的操作机构与子模块负极等电位；5)跨越高低电位的导线选用高压导线，以降低子模块局部放电量。该绝缘配合方法使得不仅能够满足系统的绝缘要求，安全性和经济性俱佳。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子器件，具体地讲，涉及用于电力系统的基于IGBT器件的交直流变换及功率控制基本功能单元。
背景技术
随着电力电子器件的快速发展，以全控型器件和脉宽调制(Pulse WidthModulation，简称PWM)为技术核心的电压源变流技术(Voltage SourceConverter，简称VSC)低压系统得到较广泛应用。但现有的VSC技术受器件与系统影响，在孤岛供电、海上钻井平台供电、弱交流系统互联和风电并网等高压大功率领域无工程应用，新的VSC拓朴和调制技术是解决这一瓶颈的关键。
本发明涉及一种新型VSC的基本功能单元(简称子模块)的绝缘配合方案，其电气接线图如附图1所示，主要设备有IGBT模块(S1、S2)、储能电容(C)、并联电阻(R1、R2)、续流晶闸管(T)、旁路开关(K)和控制保护板卡(P&C)等。该子模块具有如下技术特点：电气上自成系统，是VSC的最小功能单元，电气上便于拓展任意电平；采用紧凑型设计，集成了电气、结构、冷却及控制保护等，结构上相互独立。
对于这种集成度很高的新型子模块，其绝缘配合需要综合考虑子模块各种工况下的最大暂态和瞬时过电压特性、IGBT高速开关造成的复杂电磁环境、子模块保护配置以及元器件的绝缘水平。设计过程中不但涉及到系统透彻的电磁暂态分析，还需要反复调整系统的保护逻辑和保护配置的参数，专业性和技术性要求很高。尤其是对于基于IGBT器件的运行方式多样、控制灵活、接线复杂的VSC交直流互连系统，绝缘配合设计的难度更大。一种好的绝缘配合方案能够保证子模块各元器件的高效运行，降低子模块的成本，降低子模块结构方案设计难度，从而便于基于此种子模块的VSC的工程应用和推广。
世界上有已投运的工程都是基于串联技术的VSC，并且只有ABB一家公司掌握了串联技术的核心。而基于多电平技术的VSC，国内外均处于理论研究阶段，无电力系统的运行经验。
发明内容
本发明的目的在提供一种子模块的绝缘配合方案，保障基于此种子模块的VSC变流器及其系统在各种运行工况下安全稳定运行，并为子模块结构设计提供技术指导。
为实现上述目的，本发明的子模块绝缘配合采用如下技术方案：
本发明提供的一种基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法，包括以下步骤：
1)依据子模块各种运行工况下稳态、暂态和瞬时过电压水平，确定各元器件的绝缘强度和特性；
2)依据子模块的电位分布特点，令一次主设备的金属外壳和二次控制保护板卡的地电位与子模块负极等电位，且二次控制保护板卡通过隔离变压器与一次电路连接，用以隔离一次电路高电压对二次电路的影响；
3)根据子模块电磁场分布，使用金属屏蔽盒来屏蔽IGBT高速开关给二次控制保护板卡造成的电磁干扰；
4)令旁路开关的操作机构与子模块负极等电位；
5)跨越高低电位的导线选用高压导线，以降低子模块局部放电量。
本发明提供的第一优选的基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法，所述元器件包括IGBT模块(S1、S2)、储能电容(C)、电阻(R1、R2)、晶闸管(T)、旁路开关(K)和二次控制保护板卡(P&C)；所述IGBT模块(S1、S2)与电阻(R1、R2)并联连接；所述电阻(R1、R2)与储能电容(C)并联连接；所述晶闸管(T)、旁路开关(K)均与IGBT模块(S2)并联连接；所述二次控制保护板卡(P&C)通过光纤或电缆与IGBT模块(S1、S2)、晶闸管(T)和旁路开关(K)相连接。
本发明提供的第二优选的基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法，所述一次主设备为IGBT模块(S1、S2)、储能电容(C)、电阻(R1、R2)、晶闸管(T)、和旁路开关(K)，一次主设备形成的电路为一次电路。
本发明提供的第三优选的基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法，所述二次控制保护板卡(P&C)包含IGBT驱动与保护电路、晶闸管驱动电路、旁路开关驱动电路、子模块过电压保护电路、子模块过流保护电路和通讯电路。
绝缘配合方案，首先对子模块进行系统分析，来确定不同元器件实际可能承受的最大稳态、暂态和瞬时过电压水平；然后据此合理选择元器件的绝缘强度和特性，以保证子模块在上述电压下能够安全、经济和可靠的运行。
绝缘配合方案依据子模块电位分布特点，令一次主设备(如储能电容器、IGBT模块和旁路开关等)的金属外壳均与子模块负极等电位；考虑到子模块采用水冷的特点，令子模块散热器与子模块负极等电位，降低器件对地绝缘要求。
绝缘配合方案依据子模块电位分布特点，令二次控制保护板卡的地电位与子模块负极等电位，并增加隔离变压器，隔离一次电路对二次控制保护板卡的影响；同时，依据子模块强电磁环境特性，使用金属屏蔽盒来屏蔽IGBT高速开关对板卡造成的电磁干扰，二次控制保护板卡的电磁屏蔽要求。
绝缘配合方案令旁路开关的操作机构与子模块负极等电位，既方便旁路开关的手动操作，也有利于旁路开关的绝缘设计。
绝缘配合方案对于穿越高低电位的导线，选用高压电缆，以降低子模块局部放电量。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法具有以下优点：
1、子模块采用本发明提出的绝缘配合方案时，子模块各元器件的不仅能够满足系统的绝缘要求，也能最大限度地发挥本身的特性，安全性和经济性俱佳；
2、也使得子模块电位分布简单明确、电场趋于均衡，不仅降低了部分设备的绝缘要求，也提高了运行维护人员的操作安全性；
3、方便操作，可执行性强；
4、绝缘配合方案令旁路开关操作机构与子模块负极等电位，既方便旁路开关的手动操作，也有利于旁路开关的绝缘设计；
5、绝缘配合方案依据所有板卡在子模块强电磁场环境的工作特性，通过屏蔽或其它措施，满足工作环境的电磁兼容要求。
附图说明
图1是：本发明提供的一种基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法的电气接线图；
图2是：本发明提供的一种基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法的子模块中不同元器件电位节点分布图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明提供的一种基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法做进一步更详细的说明。
实施例1
如图1-2所示：
本实施例的基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法，包括以下步骤：
1)依据子模块各种运行工况下稳态、暂态和瞬时过电压水平，确定各元器件的绝缘强度和特性；
2)依据子模块的电位分布特点，令一次主设备的金属外壳和二次控制保护板卡的地电位与子模块负极等电位，即将金属屏蔽盒设在二次控制保护板卡的外围，且二次控制保护板卡通过隔离变压器与一次电路连接，用以隔离一次电路高电压对二次电路的影响；
3)根据子模块电磁场分布，增加金属屏蔽盒使得二次控制保护板卡所处的电磁环境更加均匀；
4)令旁路开关与子模块负极等电位；
5)跨越高低电位的导线选用高压导线，以降低子模块局部放电量。
元器件包括IGBT模块(S1、S2)、储能电容(C)、电阻(R1、R2)、晶闸管(T)、旁路开关(K)和二次控制保护板卡(P&C)；IGBT模块(S1、S2)与电阻(R1、R2)并联连接；所述电阻(R1、R2)与储能电容(C)并联连接；晶闸管(T)、旁路开关(K)均与IGBT模块(S2)并联连接；二次控制保护板卡(P&C)通过光纤或电缆与IGBT模块(S1、S2)、晶闸管(T)和旁路开关(K)相连接。
一次主设备为IGBT模块(S1、S2)、储能电容(C)、电阻(R1、R2)、晶闸管(T)、和旁路开关(K)，一次主设备形成的电路为一次电路。
二次控制保护板卡(P&C)包含IGBT驱动与保护电路、晶闸管驱动电路、旁路开关驱动电路、子模块过电压保护电路、子模块过流保护电路和通讯电路。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于半桥电路的VSC基本功能单元的绝缘配合方法，包括以下步骤：
1)依据子模块各种运行工况下稳态、暂态和瞬时过电压水平，确定各元器件的绝缘强度和特性；
2)依据子模块的电位分布特点，令一次主设备的金属外壳和二次控制保护板卡的地电位与子模块负极等电位，且二次控制保护板卡通过隔离变压器与一次电路连接，用以隔离一次电路高电压对二次电路的影响；
3)根据子模块电磁场分布，使用金属屏蔽盒来屏蔽IGBT高速开关给二次控制保护板卡造成的电磁干扰；
4)令旁路开关的操作机构与子模块负极等电位；
5)跨越高低电位的导线选用高压导线，以降低子模块局部放电量；
所述元器件包括第一IGBT模块(S1)、第二IGBT模块(S2)、储能电容(C)、电阻(R1、R2)、晶闸管(T)、旁路开关(K)和二次控制保护板卡(P&C)；所述第一IGBT模块(S1)和第二IGBT模块(S2)串联连接后与电阻(R1、R2)并联连接；所述电阻(R1、R2)与储能电容(C)并联连接；所述晶闸管(T)、旁路开关(K)均与第二IGBT模块(S2)并联连接；所述二次控制保护板卡(P&C)通过光纤或电缆与第一IGBT模块(S1)、第二IGBT模块(S2)、晶闸管(T)和旁路开关(K)相连接；
所述一次主设备为第一IGBT模块(S1)、第二IGBT模块(S2)、储能电容(C)、电阻(R1、R2)、晶闸管(T)和旁路开关(K)，一次主设备形成的电路为一次电路；
所述二次控制保护板卡(P&C)包含IGBT驱动与保护电路、晶闸管驱动电路、旁路开关驱动电路、子模块过电压保护电路、子模块过流保护电路和通讯电路。
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