CN102856909A

CN102856909A - 卸荷系统及应用该卸荷系统的模块化多电平风电变流器

Info

Publication number: CN102856909A
Application number: CN2012103042613A
Authority: CN
Inventors: 吴杰; 王志新; 王国强; 吴定国
Original assignee: WUXI QINGYUAN ELECTRICAL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: WUXI QINGYUAN ELECTRICAL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: CN102856909B

Abstract

本发明公开一种卸荷系统及应用该卸荷系统的模块化多电平风电变流器,针对模块化多电平风电变流器拓扑结构采用多个功率单元级联的特点，在各级联功率单元中分别设置单独的卸荷电路，取代传统卸荷系统在公共直流母线或交流母线处的大功率卸荷电路，将大功率卸荷电路中大功率的卸荷电阻分解为多个部分，不仅能够实现模块化多电平风电变流器暂态过程中的卸荷功能，保持模块化多电平风电变流器中各级联功率单元中直流电容的电压均衡，同时由于各级联功率单元的电压和功率等级较低，避免了采用大功率卸荷电阻，降低了模块化多电平风电变流器的成本和体积。

Description

卸荷系统及应用该卸荷系统的模块化多电平风电变流器

技术领域

本发明涉及风力发电并网领域，尤其涉及一种卸荷系统及应用该卸荷系统的模块化多电平风电变流器。

背景技术

在海上风电场并网的柔性直流输电系统中，风场侧与电网侧通常采用两台大容量变流器进行连接，两台大容量变流器分别称为海上换流站和岸上换流站，由于海上换流站和岸上换流站通常为基于全控型电力电子器件例如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）的电压源变流器，因此柔性直流输电系统又称为基于电压源变流器的高压直流输电系统（VSC-HVDC）。常规工况下，海上换流站工作于整流状态，岸上换流站工作于逆变状态，海上换流站将海上风电场发出的交流电变换为直流电，经海底直流电缆传输至岸上换流站，再由岸上换流站逆变为恒频、恒压的交流电后并入电网。随着海上风电场规模不断扩大，对变流器的耐压能力提出了更高的要求，而全控型电力电子器件的耐压程度是有限的，传统的方法是通过直接串联或并联全控型电力电子器件组成阀组来提高变流器的耐压程度，但是该方法对工艺的要求较高，同时，随着电压等级和传输容量的提高，串联的开关器件越多势必导致变流器的可靠性降低。因此，目前基于电压源变流器的高压直流输电系统中的变流器通常采用模块化级联多电平结构，较成熟的拓扑结构为H桥模块级联多电平和半桥模块级联多电平的新型多电平结构，模块化多电平风电变流器的各桥臂以功率单元串联方式构成，避免了开关器件的直接串联，而且工作时不需要同一桥臂上的所有串联的开关器件同时开关，对变流器的制造工艺要求相对较低，提高了变流器的可靠性。其中，H桥的定义如下：由两个三极管构成的电路，一个三极管对正极导通实现上拉，另一个三极管对负极导通实现下拉。当有两套上述电路时，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来，由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样，故得名H桥。

由于风能的不稳定性，以及岸上电网存在闪变、不平衡、电压跌落等暂态过程的原因，通常要求所采用的基于电压源变流器的高压直流输电系统具有低电压穿越能力。通过在直流侧加装卸荷电路（crowbar）是一种常用的提高柔性直流输电系统低电压穿越能力的方法，该方法可以避免电网闪变、电压跌落或阵风等工况下直流侧电压的升高，从而解决了变流器由于直流侧电压升高而采取过压保护措施，最终导致风电场离网的问题。经检索发现，基于电压源变流器的高压直流输电系统中的卸荷电路均是沿用变频器制动电阻的用法及控制方式，即卸荷电路是加装在变流器公共直流母线或交流母线处，通过设置比较器完成卸荷电阻的接入和切除。当检测电压高于设置的上限门槛值时将卸荷电阻接入直流或交流母线，消耗掉多余能量，当检测电压低于设置的下限门槛值时将卸荷电阻切除，从而维持基于电压源变流器的高压直流输电系统的直流侧电压在一定范围内稳定，提高暂态过程中变流器的稳定性和持续运行能力。

但是，上述实现柔性直流输电系统暂态过程中卸荷功能的方法存在如下问题：一、由于基于电压源变流器的高压直流输电系统的电压等级较高，卸荷功率较大，因此公共直流侧及交流侧的卸荷电路中的电阻需要采用大功率电阻，从而导致变流器的体积大和成本高，针对海上换流站，变流器体积和重量的增加势必造成海上工作平台建造成本的大幅增加。二、卸荷电路中的大功率电阻的制造工艺复杂，但一定体积的电阻的卸荷容量又有限，难以满足电网较大波动情况下暂态过渡过程的需要。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种卸荷系统及应用该卸荷系统的模块化多电平风电变流器，其在变流器的各级联功率单元的直流侧分别设置卸荷电路，能够实现柔性直流输电系统暂态过程中的卸荷功能，避免在卸荷电路中采用大功率卸荷电阻，降低了变流器的成本和体积。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种卸荷系统，包括信号采集单元、数据处理单元、驱动单元及卸荷电路，其中，所述信号采集单元、驱动单元及卸荷电路均加装在模块化多电平风电变流器的功率单元中；

所述信号采集单元用于实时测量其所在功率单元中直流电容的电压，并发送给数据处理单元；

所述数据处理单元用于分析输入的所述直流电容的电压，确定所述模块化多电平风电变流器中各功率单元的工作状态，并根据该工作状态向驱动单元发送控制信号；

所述驱动单元用于根据输入的所述控制信号驱动卸荷电路中开关器件的开通和关断；

所述卸荷电路用于通过自身开关器件的关断控制卸荷电阻的接入和移除。

特别地，所述驱动单元还用于将与其配合的卸荷电路的故障信息发送给数据处理单元。

特别地，所述卸荷系统还包括开关电源，用于为驱动单元供电。

特别地，所述数据处理单元包括单片机，该单片机用于设置所述模块化多电平风电变流器中各功率单元的直流电容放电的上限电压值和下限电压值。

本发明还公开了一种应用上述卸荷系统的模块化多电平风电变流器，包括N个功率单元和加装在每个功率单元中的信号采集单元、驱动单元及卸荷电路，其中，N为大于等于2的整数；

所述信号采集单元与其所在功率单元的直流电容并联连接，用于实时测量直流电容的电压，并发送给数据处理单元；

所述驱动单元与卸荷电路的开关器件连接，用于根据数据处理单元输入的控制信号驱动所述开关器件的开通和关断；

所述卸荷电路与其所在功率单元的直流电容并联连接，用于通过自身开关器件的关断控制卸荷电阻的接入和移除。

特别地，所述功率单元为半桥结构的功率单元，其包括直流电容和两个全控型电力电子器件；

其中，所述两个全控型电力电子器件串联连接后与所述直流电容并联连接。

特别地，所述功率单元为H桥结构的功率单元，其包括直流电容和四个全控型电力电子器件；

其中，四个全控型电力电子器件以H桥结构连接后与所述直流电容并联连接。

特别地，所述N个功率单元包括M个高电压等级的功率单元和（N-M）个低电压等级的功率单元,M为大于等于1的整数；其中，所述高电压等级的功率单元中的全控型电力电子器件选用可关断晶闸管，所述低电压等级的功率单元中的全控型电力电子器件由绝缘栅双极型晶体管与二极管并联构成。

特别地，所述模块化多电平风电变流器还包括开关电源，用于为驱动单元供电。

本发明针对模块化多电平风电变流器拓扑结构采用多个功率单元级联的特点，在各级联功率单元中分别设置单独的卸荷电路，取代传统卸荷系统在公共直流母线或交流母线处的大功率卸荷电路，将大功率卸荷电路中大功率的卸荷电阻分解为多个部分，不仅能够实现模块化多电平风电变流器暂态过程中的卸荷功能，保持模块化多电平风电变流器中各级联功率单元中直流电容的电压均衡，同时由于各级联功率单元的电压和功率等级较低，避免了采用大功率卸荷电阻，降低了模块化多电平风电变流器的成本和体积。

附图说明

图1为本发明实施例提供的卸荷系统框图；

图2为本发明实施例提供的加装卸荷电路的半桥结构功率单元结构图；

图3为本发明实施例提供的加装卸荷电路的H桥结构功率单元结构图；

图4为本发明实施例提供的应用图1中所述卸荷系统的模块化多电平风电变流器结构图；

图5为本发明实施例提供的两种电压等级功率单元级联的模块化多电平风电变流器结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的卸荷系统框图。

本实施例中卸荷系统包括信号采集单元101、数据处理单元102、驱动单元103、开关电源104及卸荷电路105。其中，所述信号采集单元101、驱动单元103及卸荷电路105均加装在模块化多电平风电变流器的功率单元中，也即卸荷系统中信号采集单元101、驱动单元103及卸荷电路105的数量和模块化多电平风电变流器中级联的功率单元的数量相等。

所述信号采集单元101用于实时测量其所在功率单元中直流电容的电压，并发送给数据处理单元102。

信号采集单元101采集到直流电容的电压后，将把该电压和其所在功率单元的编号信息通过数据总线发送给数据处理单元102。

所述数据处理单元102用于分析输入的所述直流电容的电压，确定所述模块化多电平风电变流器中各功率单元的工作状态，并根据该工作状态向驱动单元103发送控制信号。

数据处理单元102将接收来自模块化多电平风电变流器的所有功率单元中的信号采集单元101输入的直流电容的电压。

本实施例中的数据处理单元102以具有通讯功能的单片机为核心，该单片机根据卸荷电路105所在功率单元的不同，分别设置各功率单元的直流电容放电的上限电压值和下限电压值。当数据处理单元102接收到来自模块化多电平风电变流器的所有功率单元中的信号采集单元101输入的直流电容的电压后，单片机将把接收到的各功率单元的直流电容的电压与该直流电容的放电的上限电压值和下限电压值进行比较，确定所述模块化多电平风电变流器中各功率单元的工作状态，并向直流电容的电压大于上限电压值的功率单元中的驱动单元103发送开通卸荷电路105的控制信号，向直流电容的电压小于下限电压值的功率单元中的驱动单元103发送关断卸荷电路105的控制信号。

所述驱动单元103用于根据输入的所述控制信号驱动卸荷电路105中开关器件的开通和关断。

驱动单元103除了用于驱动卸荷电路105中开关器件的开通和关断外，同时还用于检测与其配合的卸荷电路105的故障信息，并通过数据总线发送给数据处理单元102。为了保证驱动单元103的可靠工作，驱动电路由单独的开关电源104供电。

所述卸荷电路105用于通过自身开关器件的关断控制卸荷电阻的接入和移除。

卸荷电路105包括卸荷电阻和开关器件。所述卸荷电阻和开关器件串联连接。

如图2所示，图2为本发明实施例提供的加装卸荷电路的半桥结构的功率单元结构图。

加装卸荷电路的半桥结构功率单元包括：信号采集单元、驱动电路、开关电源（图中未画出）、卸荷电路、直流电容以及两个全控型电力电子器件。本实施例中全控型电力电子器件由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和二极管并联构成。卸荷电路由卸荷电阻和开关器件串联构成，开关器件由绝缘栅双极型晶体管和二极管并联构成。

其中，所述两个全控型电力电子器件串联连接后与所述直流电容并联连接。卸荷电路和信号采集单元也均与直流电容并联连接。驱动电路与开关器件中绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，开关电源与驱动电路连接。两个全控型电力电子器件的中点为该半桥结构功率单元的第一输出端，直流电容的负极为该半桥结构功率单元的第二输出端。

如图3所示，图3为本发明实施例提供的加装卸荷电路的H桥结构的功率单元结构图。

加装卸荷电路的H桥结构功率单元包括：信号采集单元、驱动电路、开关电源（图中未画出）、卸荷电路、直流电容以及四个全控型电力电子器件。本实施例中全控型电力电子器件由绝缘栅双极型晶体管和二极管并联构成。卸荷电路由卸荷电阻和开关器件串联构成；开关器件由绝缘栅双极型晶体管和二极管并联构成。

其中，四个全控型电力电子器件以H桥结构连接后与所述直流电容并联连接。卸荷电路和信号采集单元也均与直流电容并联连接。驱动电路与开关器件中绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，开关电源与驱动电路连接。该H桥结构功率单元的两个桥臂中点处为分别为其第一输出端和第二输出端，所述中点是指每个桥臂中两个全控型电力电子器件的连接点。所述H桥结构的定义如下：由两个三极管构成的电路，一个三极管对正极导通实现上拉，另一个三极管对负极导通实现下拉，当有两套上述电路时，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来，由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样，故得名H桥。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的应用图1中所述卸荷系统的模块化多电平风电变流器结构图。

本实施例中应用上述卸荷系统的模块化多电平风电变流器包括：N个功率单元和加装在每个功率单元中的信号采集单元、驱动单元、开关电源及卸荷电路，其中，N取12。将每个功率单元与其内部集成的所述信号采集单元、驱动单元、开关电源及卸荷电路构成的模块命名为子模块SM。这样一来，应用卸荷系统的模块化多电平风电变流器就是由12个子模块SM1、SM2...SM12级联构成。

所述信号采集单元与其所在功率单元的直流电容并联连接，用于实时测量直流电容的电压，并通过数据总线401发送给数据处理单元402。

所述驱动单元与卸荷电路的开关器件连接，用于根据数据处理单元输入的控制信号驱动所述开关器件的开通和关断。

驱动单元除了用于驱动卸荷电路中开关器件的开通和关断外，同时还用于检测与其配合的卸荷电路的故障信息，并通过数据总线401发送给数据处理单元402。为了保证驱动单元的可靠工作，驱动电路由单独的开关电源供电。

以所有子模块均为图3所示的加装卸荷电路的半桥结构功率单元为例。如图4所示，各子模块的输出端首尾依次相连，构成级联结构，作为一个桥臂，最后将六组上述级联结构组成的桥臂以三相桥式结构连接，三相桥中点为变流器的交流输出端，三相桥上下两星点为变流器公共直流侧的正、负级。这种形式的特点是各桥臂级联子模块的个数不受限制，可以根据电压等级需要，采用任意多个子模块级联的形式。

当海上风电场侧变流器403和岸上变流器404均使用所述应用卸荷系统的模块化多电平风电变流器时，通过将两端变流器（即海上风电场侧变流器和岸上变流器）对应的星点用海底直流电缆405连接即构成基于电压源变流器的高压直流输电系统。

当海上风电场侧变流器403的额定功率200kW（千瓦）时,各子模块中功率单元的平均输出功率为200/12等于16.7kW。取卸荷电路中卸荷电阻的功率为8kW,两端变流器公共直流侧的额定电压2000V，各子模块中功率单元的额定电压1000V。数据处理单元402设置各子模块中直流电容放电的上限电压值为1600V，下限电压值为1200V。

以子模块SM1为例，卸荷过程如下：子模块SM1的信号采集单元实时测量直流电容的电压，并将该电压发送给数据处理单元。数据处理单元402将接收到的所述直流电容的电压与该直流电容放电的上限电压值和下限电压值进行比较。当直流电容的电压大于1600V时，数据处理单元402将子模块SM1对应标志位设置为1，并通过数据总线401向驱动单元发送控制信号0X8000，即将子模块SM1对应的二进制数据位设置为1，其余数据位均设置为0。子模块SM1中的驱动单元接收到所述控制信号后，根据对应的位置数据驱动卸荷电路的开关器件开通，从而卸荷电阻接入功率单元中，开始卸荷，消耗掉多余能量。当直流电容的电压小于1200V时，数据处理单元402通过数据总线401向驱动单元发送控制信号，驱动单元根据收到的所述控制信号，驱动卸荷电路的开关器件关闭，从而卸荷电阻从功率单元中移除，停止放电。海上风电场侧变流器403中其它子模块的卸荷过程与子模块SM1的卸荷过程相同。

本实施例中的卸荷系统不仅能够应用于相同电压等级功率单元级联的模块化多电平风电变流器，而且能够应用于不同电压等级功率单元级联的模块化多电平风电变流器。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的两种电压等级功率单元级联的模块化多电平风电变流器结构图。

本实施例中两种电压等级的功率单元级联构成的模块化多电平风电变流器包括：N个功率单元和加装在每个功率单元中的信号采集单元、驱动单元、开关电源及卸荷电路。其中，N个功率单元由M个高电压等级的功率单元和（N-M）个低电压等级的功率单元组成，N为大于等于2的整数，M为大于等于1的整数。

所述高电压等级的功率单元中的全控型电力电子器件选用可关断晶闸管，所述低电压等级的功率单元中的全控型电力电子器件由绝缘栅双极型晶体管和二极管并联构成。本实施例中N个功率单元均为H桥结构的功率单元。所述两种电压等级的功率单元级联构成的模块化多电平风电变流器没有无公共直流侧，可作为海上风电场并网柔性直流输电系统交流侧的无功补偿装置。

卸荷系统中的数据处理单元根据高电压等级的功率单元的额定值（如额定功率、额定电压等）设置其直流电容放电的上限电压值和下限电压值，根据低电压等级的功率单元的额定值（如额定功率、额定电压等）设置其直流电容放电的上限电压值和下限电压值。高电压等级的功率单元和低电压等级的功率单元卸荷的工作过程与图4中的子模块SM1的工作过程相同。

本发明中应用卸荷系统的模块化多电平风电变流器的有益效果如下：

1）将传统卸荷电路中的大功率电阻分解为多个部分，分别集成在模块化多电平风电变流器的功率单元中，取代公共直流母线或交流母线处的大功率卸荷电路，有效见笑了单个卸荷电阻的功率，降低了卸荷电路的制造难度和工艺要求。

2）模块化多电平风电变流器的各个子模块中的卸荷电路、信号采集单元及驱动单元通过数据总线与数据处理单元连接，通过单一的数据处理单元控制分布在所有子模块中的卸荷电路，卸荷系统中各个功能单元的连线，使整个变流器的复杂度降低，便于维护。当模块化多电平风电变流器中级联的功率单元数量发生变化时，通过修改卸荷系统中数据处理单元传输的数据格式及长度，同时配置相应数量的卸荷电路、信号采集单元、驱动单元及开关电源即可，因此，能够适用于级联任意数量功率单元的变流器，应用范围广。

3）各个子模块中的卸荷电路除了具有直流电容的卸荷功能以外，同时还兼有一定的平衡直流电容电压的功能，可保证电网暂态过程中各个功率单元的直流电容的电压差值不超过柔性直流输电系统所设置的电压上限值。

4）在电网闪变、电压跌落、风电场输入功率波动过程中各子模块中的卸荷电路能够消耗多余能量，保证变流器直流侧电压维持在所设定的范围之内，避免变流器出现过过压保护等现象，提高了海上风电场并网系统的抗干扰能力，以及接入交流系统时的低电压穿越能力。

5）各个子模块中直流电容放电的上限电压值和下限电压值可在数据处理单元的单片机中分别独立设置，因此卸荷系统不仅适用于H桥级联和半桥级联的模块化多电平风电变流器，同时也适用用于不同电压等级的功率单元级联的模块化多电平风电变流器，卸荷电路同样并联于各功率单元的直流侧，根据各自所设定的不同电压上、下限值分别独立工作。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种卸荷系统，其特征在于，包括信号采集单元、数据处理单元、驱动单元及卸荷电路，其中，所述信号采集单元、驱动单元及卸荷电路均加装在模块化多电平风电变流器的功率单元中；

2.根据权利要求1所述的卸荷系统，其特征在于，所述驱动单元还用于将与其配合的卸荷电路的故障信息发送给数据处理单元。

3.根据权利要求2所述的卸荷系统，其特征在于，还包括开关电源，用于为驱动单元供电。

4.根据权利要求3所述的卸荷系统，其特征在于，所述数据处理单元包括单片机，该单片机用于设置所述模块化多电平风电变流器中各功率单元的直流电容放电的上限电压值和下限电压值。

5.一种应用如权利要求1所述卸荷系统的模块化多电平风电变流器，其特征在于，包括N个功率单元和加装在每个功率单元中的信号采集单元、驱动单元及卸荷电路，其中，N为大于等于2的整数；

6.根据权利要求5所述的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述功率单元为半桥结构的功率单元，其包括直流电容和两个全控型电力电子器件；

7.根据权利要求5所述的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述功率单元为H桥结构的功率单元，其包括直流电容和四个全控型电力电子器件；

8.根据权利要求5至7之一所述的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述N个功率单元包括M个高电压等级的功率单元和（N-M）个低电压等级的功率单元，M为大于等于1的整数；其中，所述高电压等级的功率单元中的全控型电力电子器件选用可关断晶闸管，所述低电压等级的功率单元中的全控型电力电子器件由绝缘栅双极型晶体管和二极管并联构成。

9.根据权利要求8所述的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述驱动单元还用于将与其配合的卸荷电路的故障信息发送给数据处理单元。

10.根据权利要求9所述的模块化多电平风电变流器，其特征在于，还包括开关电源，用于为驱动单元供电。