CN103036452B - 一种基于全控器件的电压源换流器的子模块单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于全控器件的电压源换流器的子模块单元，电压源换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂包括N个串联的子模块；所述子模块包括并联的电容器和半桥结构的IGBT模块等电力元器件；本发明还包括主支撑结构、支撑板、连接水管和散热器等；主支撑结构用来支撑子模块单元的电力元器件、支撑板、连接水管和散热器；支撑板与主支撑结构的底座垂直设置；支撑板上有两块对称设置的散热器，散热器之间通过连接水管相连；每个子模块的两个IGBT模块分别放置在两块散热器上；每个子模块的电容器的底部通过螺栓固定在所述主支撑结构的底座上。本发明自成电气系统，可根据系统需要进行扩展；且结构上独立，方便安装及运输。

Description

一种基于全控器件的电压源换流器的子模块单元

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于全控器件的电压源换流器的子模块单元。

背景技术

基于电压源换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）于1900年首次提出，其主要特点是采用全控性电力电子器件构成的电压源换流器，取代常规直流输电中基于半控型器件的电流源换流器。自该技术提出以来，由于其卓越的可控性和灵活性，一直吸引着世界上众多学者和研究人员的高度关注。

至目前，基于电压源换流器的高电压直流输电工程在世界范围内有多个，其电压源换流器拓扑结构主要为两电平及三电平二极管中间箝位型结构,但是这种结构存在一些问题：

（1）两电平电压源换流器采用脉宽调制技术，换流器输出电压高频率地在±Udc/2之间跃变，由此带来设备dv/dt应力大、系统损耗大、噪声高和电磁环境严酷等一系列问题。即便是三电平电压源换流器也只能一定程度上缓解上述问题。

（2）两电平和三电平电压源换流采用开关器件串联技术，由于开关器件本身参数分散性，设计时需要给每个开关器件配备复杂的静态均压电路、动态均压电路和吸收电路，给阀运行造成潜在故障。此外，开关器件串联技术对压装工艺要求很高，零件制造难度大，组装易产生缺陷。

（3）两电平和三电平电压源换流输出电压波形畸变率大，谐波含量高，需要配置专门的滤波电路以降低谐波对系统造成的不良影响。

（4）两电平和三电平电压源换流器中，一般数个开关器件组成一个阀段，数个阀段级联成工程所需的换流阀，换流阀采用悬吊方式。造成现场安装要求很高，同时也给设备检修带来不便，降低了工作效率和可操作性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于全控器件的电压源换流器的子模块单元，基于此子模块单元的电压源换流器高度模块化、对开关器件参数不敏感、输出电压变化率低、设备dv/dt应力小、噪声低、无需滤波器、安装与检修方便。

本发明提供的一种基于全控器件的电压源换流器的子模块单元，所述电压源换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂包括N个串联的子模块单元；其改进之处在于，所述子模块单元包括电容器、半桥结构的IGBT模块、主支撑结构、支撑板、连接水管和散热器；所述电容器和所述半桥结构的IGBT模块并联，构成电力元器件；

所述主支撑结构用来支撑子模块单元的电力元器件、支撑板、连接水管和散热器；

所述支撑板与所述主支撑结构的底座垂直设置；所述支撑板上有两块对称设置的散热器，所述散热器之间通过连接水管相连；

每个子模块单元的两个IGBT模块分别放置在两块散热器上；

每个子模块单元的电容器通过螺栓固定在所述主支撑结构的底座上。

其中，所述子模块单元的半桥结构的IGBT模块替换H桥结构的IGBT模块。

其中，所述子模块单元包括并联的晶闸管和真空开关；所述晶闸管与所述子模块单元的下管IGBT并联；

所述晶闸管压装于子模块单元的电容器的正负出线母排间；

所述真空开关通过螺栓固定在所述支撑板上。

其中，所述子模块单元包括取能电源和二次控制系统；所述取能电源从所述子模块单元的电容器取能，为所述二次控制系统供电；所述二次控制系统用于控制所述子模块单元的IGBT模块、真空开关和晶闸管；

所述取能电源放置于真空开关下面；所述取能电源用金属外壳封装，其外壳与所述主支撑结构接触，用于保证等电位；

所述二次控制系统位于所述取能电源上面，所述二次控制系统的外壳与所述主支撑结构接触，用于保证等电位。

其中，所述子模块单元包括两个串联的均压电阻；所述均压电阻放置在所述散热器上，与IGBT异侧。

其中，所述支撑板上通过螺栓固定所述散热器。

其中，所述散热器一侧加装有防爆板。

其中，所述二次控制系统为集成板卡，其用金属外壳封装。

其中，所述主支撑结构上设计有吊装孔，用于吊装运输。

其中，所述子模块单元包括封装外壳，其四周边框分别与所述主支撑结构连接。

其中，所述封装外壳表面做防腐处理。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

（1）本发明自成电气系统，可根据系统需要进行扩展；

（2）本发明结构上独立，方便安装及运输；

（3）本发明各个组成部分安装清晰，方便拆卸更换；

（4）本发明二次控制系统为集成系统，减少了接线难度，也易于拆卸更换；同时其其外壳用金属封装，有效地对外进行电磁屏蔽；

（5）本发明的取能电源不需要附加外置电源，直接从电力电子电容器取能；

（6）本发明用外壳进行封装，既达到电磁屏蔽效果，同时也美观。

（7）基于本发明的电压源换流器高度模块化、对开关器件参数不敏感、输出电压变化率低、设备dv/dt应力小、噪声低、无需滤波器、安装与检修方便。

附图说明

图1为本发明提供的电压源换流器中的子模块单元的电气原理图。图中，1,2为子模块的引出端；K为真空开关、T为晶闸管；GDU为二次控制系统；PW为取能电源；IGBT(S1)与其内置的二极管D1构成的IGBT模块；IGBT(S2)与其内置的二极管D2构成的IGBT模块；R1、R2为均压电阻；C为电容器。

图2为本发明提供的子模块单元的主视图。图中，1为封装外壳；2为子模块电容器。

图3为本发明提供的子模块单元除去外壳的主视图。图中，3为取能电源；4为二次控制系统；5为主支撑结构。

图4为本发明提供的子模块单元的左视图。图中，6为真空开关。

图5为本发明提供的子模块单元的俯视图。图中，7为晶闸管；8为支撑板；9为连接水管；10为散热器；11为IGBT模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例的电压源换流器的子模块单元采用独立控制方式，子模块单元的电气原理图如图1所示，此为半桥结构的IGBT模块和电容器并联结构，本实施例定为半桥结构或H桥结构上半部分为上管IGBT模块，例如图1中的IGBT（S1）和内置二极管D1并联构成的IGBT模块为上管IGBT模块（可简称上IGBT），半桥结构或H桥结构下半部分为下管IGBT模块，例如图1中的IGBT（S2）和内置二极管D2并联构成的IGBT模块为下管IGBT模块（可简称下IGBT）。2个全控器件的开断也是通过二次控制系统分别进行控制，两者交替工作。当全控器件上管IGBT模块导通时，则该子模块单元输出电压为电容器电压，即为高电平；当全控器件下管IGBT导通时，则该子模块单元输出电压为零电平。这种工作方式为模块化多电平奠定了基础，当多个该子模块单元进行级联时，通过对各个子模块单元的工作状态进行控制，则输出电压可为多电平。

同时，为了防止系统发生故障时，全控器件通过的故障电流会产生较高温度而使全控器件烧毁，所以将一保护晶闸管并联于下管IGBT模块两端，可以起到分流的作用。

为了均衡子模块级联时电容器上的电压，避免电容器由于分压不均匀造成损坏，在子模块电容器两端并联一组串联的均压电阻。

另外，该子模块单元不可避免发生故障，为了不影响其它基本功能单元的工作，将一真空开关并联于引出端，对该基本功能单元进行旁路短接。

并且，该子模块单元电气及结构上为独立单元，对外2个接口，方便扩展。

本实施例在此子模块结构的情况下，还包含用于其支撑的装置，使电压源换流器高度模块化、对开关器件参数不敏感、输出电压变化率低、设备dv/dt应力小、噪声低、无需滤波器、安装与检修方便，如图2-图5所示。支撑装置包括主支撑结构、支撑板、连接水管和散热器，具体的：

如图2所示，为子模块单元的主视图，其整体的装置通过封装外壳封装。1为封装外壳；2为电容器。封装外壳四周分别与所述主支撑结构连接。所述封装外壳表面做防腐处理，但螺栓连接处不作处理，以便与主支撑结构保持等电位。

如图3所示，为子模块单元除去外壳的主视图。图中，主支撑结构用来支撑所有部件，所有承重机构都与其用紧固件进行连接。同时为保证电气上的安全性，所有带电单元的负极及电气悬浮金属外壳都与主支撑结构直接或间接进行电气连接，保证等电位。为了方便基本功能单元的吊装运输，主支撑结构上设计吊装孔，用于吊装运输。所述支撑板与所述主支撑结构的底座垂直设置；所述支撑板上通过螺栓固定有两块对称设置的散热器，散热器一侧加装有防爆板，两块散热器之间通过连接水管相连。

电压源换流器的每个子模块单元的上下IGBT模块结构上面对面放置，分别竖直紧贴在2个散热器上。全控性器件之间保证所需的安全绝缘间隙，为了充分利用空间及接线方便，将全控器件驱动板固定在散热器上，与IGBT模块异侧。此外为了防止意外发生，在其中一全控器件一侧加装了防爆装置。同时该防爆装置也可以用来电磁屏蔽，防止外界对全控器件驱动板的电磁干扰。该防爆装置也与主支撑结构保持可靠的等电位连接，用螺钉将两者固定。

每个子模块单元的电容器的底部通过螺栓固定在所述主支撑结构的底座上。

子模块单元的晶闸管压装于子模块电容器的正负出线母排间，它通过压装工艺安装于电容器正负极母排间，这样有效利用并大大地节省了空间。

子模块的真空开关电气上并联于基本功能单元的正负极出线之间，其作用是当该子模块出现故障时能快速地将其旁路，而不影响其他功能单元的正常工作，动作时间为毫秒级。为了达到较好的外观及均匀电场的效果，用两个连接母排并联到正负出线母排，将其底部用螺栓固定于支撑板上，既保证了抗震效果，电气上也与支撑板等电位。

子模块单元的取能电源从电容器上取能，然后转换成所需的各种电压，其置于主支撑结构的底部，所述取能电源用金属外壳封装，其外壳与所述主支撑结构接触，用于保证等电位。

子模块单元的二次控制系统集成在一个PCB板上，将其固定于专门设计的导槽上，位于所述取能电源的上面。当PCB板卡需要更换时只需向外抽出即可，方便快捷。同时为了屏蔽电磁干扰，外部用金属外壳封装。封装盒可以单独从模块单元取出，方便更换。外壳与主支撑结构进行可靠的等电位连接。

二次控制系统的取能电源直接从电力电子电容器取能，采取专门设计的电路板变压以输出控制所需的多种电压。其采用与二次控制系统相似的安装方式，即设计抽插式的电源盒，外部为屏蔽金属壳。整体可以从模块单元方便快捷取出，电源板卡也方便从盒中抽出及安装。

子模块单元的均压电阻放置在所述散热器上，与IGBT异侧。

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：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于全控器件的电压源换流器的子模块单元，所述电压源换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂包括N个串联的子模块单元；其特征在于，所述子模块单元包括电容器、半桥结构的IGBT模块、主支撑结构、支撑板、连接水管和散热器；所述电容器和所述半桥结构的IGBT模块并联，构成电力元器件；

所述主支撑结构用来支撑子模块单元的电力元器件、支撑板、连接水管和散热器；

所述支撑板与所述主支撑结构的底座垂直设置；所述支撑板上有两块对称设置的散热器，所述散热器之间通过连接水管相连；

每个子模块单元的两个IGBT模块分别放置在两块散热器上；

每个子模块单元的电容器通过螺栓固定在所述主支撑结构的底座上；

所述子模块单元包括取能电源和二次控制系统；所述取能电源从所述子模块单元的电容器取能，为所述二次控制系统供电；所述二次控制系统用于控制所述子模块单元的IGBT模块、真空开关和晶闸管；

所述取能电源放置于真空开关下面；所述取能电源用金属外壳封装，其外壳与所述主支撑结构接触，用于保证等电位；

所述二次控制系统位于所述取能电源上面，所述二次控制系统的外壳与所述主支撑结构接触，用于保证等电位。

2.如权利要求1所述的子模块单元，其特征在于，所述子模块单元的半桥结构的IGBT模块替换为H桥结构的IGBT模块。

3.如权利要求1所述的子模块单元，其特征在于，所述子模块单元包括并联的晶闸管和真空开关；所述晶闸管与所述子模块单元的下管IGBT并联；

所述晶闸管压装于子模块单元的电容器的正负出线母排间；

所述真空开关通过螺栓固定在所述支撑板上。

4.如权利要求1所述的子模块单元，其特征在于，所述子模块单元包括两个串联的均压电阻；所述均压电阻放置在所述散热器上，与IGBT异侧。

5.如权利要求1或3所述的子模块单元，其特征在于，所述支撑板上通过螺栓固定所述散热器。

6.如权利要求1或4任一所述的子模块单元，其特征在于，所述散热器一侧加装有防爆板。

7.如权利要求1所述的子模块单元，其特征在于，所述二次控制系统为集成板卡，其用金属外壳封装。

8.如权利要求1所述的子模块单元，其特征在于，所述主支撑结构上设计有吊装孔，用于吊装运输。

9.如权利要求1所述的子模块单元，其特征在于，所述子模块单元包括封装外壳，其四周边框分别与所述主支撑结构连接。

10.如权利要求9所述的子模块单元，其特征在于，所述封装外壳表面做防腐处理。