CN108809111B - 一种柔性直流换流阀结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性直流换流阀结构，包括：塔式结构的换流阀组件，以及设置于所述塔式结构层间和下方的竖直绝缘支撑，所述竖直绝缘支撑间设有交叉十字拉杆；塔式结构的换流阀组件的每层包括：平行放置的两个口字型绝缘槽梁；背靠背设置并串联在一起的功率单元模块，功率单元模块位于所述绝缘槽梁上形成换流阀组件；位于该层外围的层间屏蔽结构。本发明提供的技术方案能满足无限扩展需求；口字型绝缘槽梁重量轻、结构稳定、承重力增加，有效节约材料，降低成本，提高换流阀整体抗震能力；紧凑型IGBT压装结构，空间上最大限度的减小了占地；屏蔽式均压电路，实现了串联功率单元电压均衡分布，降低杂散电容对换流阀中串联功率单元电压分布的影响。

Description

一种柔性直流换流阀结构
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流换流阀结构。
背景技术
柔性直流输电技术由于其技术性和经济性，近十年来在世界范围内得到大量应用。柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。
柔性直流换流阀是柔性直流输电系统的核心设备，采用模块化多电平电压源换流器技术制造，该技术利用若干独立的低电压功率单元模块串联，组成高电压等级大功率电力装备，实现大功率直流电力、交流电力之间的变换和传输。
随着柔性直流输电电压等级的升高，作为柔性直流输电中的关键设备——换流阀，其体积越来越大，重量越来越大，为保证换流阀稳定、安全、可靠运行，必须优化其设计，使其具备抗震能力，且内部功率单元空间布置合理。
因此，需要提供一种柔性直流换流阀结构来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种柔性直流换流阀结构，通过优化绝缘槽梁提高了换流阀的抗震能力，通过紧凑型IGBT压装结构设计减小了空间占用，通过无限级联设计优化了换流阀内部功率单元的布置形式。
一种柔性直流换流阀结构，所述结构包括：
塔式结构的换流阀组件，以及设置于所述塔式结构层间和下方的竖直绝缘支撑，所述竖直绝缘支撑间设有交叉十字拉杆；
所述塔式结构的换流阀组件的每层包括：平行放置的两个口字型绝缘槽梁；背靠背设置并串联在一起的功率单元模块，所述功率单元模块位于所述绝缘槽梁上形成换流阀组件；以及位于该层外围的层间屏蔽结构。
进一步的，所述口字型绝缘槽梁包括：左凹型梁、右凹型梁、方形梁和上下连接板；所述左凹型梁、右凹型梁和方形梁高度相等；
所述左凹型梁和所述右凹型梁背靠背设置；
所述方形梁位于左凹型梁和右凹型梁中间；
所述上下连接板位于所述左凹型梁、右凹型梁和方形梁的上下，并与所述左凹型梁、右凹型梁和方形梁的梁臂重合。
进一步的，所述绝缘槽梁的材料为环氧玻璃布材料。
进一步的，所述塔式结构的换流阀组件至少为两层。
进一步的，所述功率单元模块采用紧凑型绝缘栅双极型晶体管IGBT压装结构，包括：一个晶闸管、两个IGBT和四个散热器；
所述晶闸管由压装金属件上下压装形成第一压装结构；
所述IGBT上下连接散热器形成IGBT组件，两个IGBT组件叠堆由压装金属件上下压装形成第二压装结构；
所述第一压装结构与所述第二压装结构叠堆形成紧凑型IGBT压装结构。
进一步的，所述层间屏蔽结构包括：应用于该层换流阀组件的屏蔽式均压电路；
所述屏蔽式均压电路包括主电路和与主电路并联的辅助电路；
所述主电路包括功率单元间互电容和功率单元对地电容；
所述辅助电路包括屏蔽结构间互电容、屏蔽结构对地电容和组件电容。
进一步的，所述功率单元间互电容设有N个，N个功率单元间互电容Cs(in)串联；所述功率单元对地电容Cg(in)一端连接在相邻两个功率单元间互电容Cs(in)之间，其另一端接地。
进一步的，所述屏蔽结构间互电容Cs(out)和组件电容Cm并联，组成Cs(out)//Cm支路；
N个所述Cs(out)//Cm支路串联；
所述屏蔽结构对地电容Cg(out)一端连接在两个Cs(out)//Cm支路之间，其另一端接地。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的柔性直流换流阀新型结构能满足现有柔性直流换流阀抗震需求，无限扩展需求；
本发明提供的底层下方的竖直绝缘支撑间的交叉十字拉杆使得本发明的换流阀的抗震能力增强；
本发明提供的口字型绝缘槽梁重量轻、抗震动能力强，与相同长度的槽梁，能有效节约材料，降低成本，改善功率单元模块的受力状况，提高换流阀整体抗震能力；
本发明提供的口字型绝缘槽梁中的左凹型梁、右凹型梁和方形梁的设计，使得结构更加稳定，承重能力更强；
本发明提供的紧凑型IGBT压装结构，空间上最大限度的减小了占地；
本发明提供的屏蔽式均压电路，首末端电位与屏蔽罩电位连接，屏蔽罩电位固定点与换流阀主电路没有电气连接关系，屏蔽罩其他电位点固定在电容上。
附图说明
图1为本发明柔性直流换流阀结构示意图；
图2为本发明的工字型绝缘槽梁主视图；
图3为本发明的工字型绝缘槽梁俯视图；
图4为本发明的工字型绝缘槽梁左视图；
图5为本发明的工字型绝缘槽梁截面示意图；
图6为本发明的紧凑型IGBT压装结构图；
图7为本发明的屏蔽式均压电路结构图；
图8为本发明的柔性直流换流阀结构中屏蔽罩的具体位置；
图9为具体实施例示意图；
其中，1-左凹型梁，2-右凹型梁，3-方形梁，4-上连接板，5-下连接板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种具备抗震功能的无限级联柔性直流换流阀新型结构如图1所示。其形式是将所需要串联的若干功率单元模块塔式布置，且功率单元模块背靠背，形成一个独立的换流阀阀塔；所述阀塔的两端安装有屏蔽罩如图8所示。由于本发明的阀塔绝缘支撑具备可扩展设计，所以根据实际需要换流阀阀塔侧面可排列布置同型号的换流阀阀塔，共用绝缘支撑，实现可无限扩展性能。为了提高换流阀阀塔抗震性能，竖直绝缘支撑之间增加了交叉十字拉杆。本换流阀新型结构实际安装示意图如图9所示。
在换流阀内部，每层都采用口字型绝缘槽梁如图2-5所示，口字型绝缘槽梁重量轻、刚度高、抗震动能力强，由环氧玻璃布材料制成。其创新之处在于绝缘槽梁横截面为口字型，其由左凹型梁、右凹型梁以及中间方形三个绝缘槽梁拼接而成。
功率单元模块采用紧凑型IGBT压装结构，将两个压接型IGBT、一个晶闸管和四个水冷散热器实现整体压接，由于晶闸管与IGBT所需要的压力不同，通过将两个独立压力装置串联连接实现(图6)。
本发明基于换流阀冲击电压分布机理，提供了一种应用于换流阀塔的屏蔽式均压电路如图7所示，其中Cs(in)和Cg(in)分别表示主电路导体间互电容和导体对地电容，Cs(out)和Cg(out)分别表示阀模块屏蔽罩互电容和屏蔽罩对地电容，Cm表示换流阀内元器件寄生电容或组件电容。由图可得，Cg(out)与单阀主电路只是首尾相连，而中间杂散电容与主电路无电气连接关系，因此不会影响主电路各模块电压分布不均匀。能够实现宽频域下换流阀串联功率单元电压均匀分布，提高了元器件可靠性及绝缘耐受欲度，具有很强的工程应用价值。
本发明设计的零畸变度、高可靠性换流阀均压电路主要基于如下两项技术：
换流阀系统冲击电压分析技术：
换流阀中的功率单元采用链式串联结构，其结构尺寸与高频冲击电压波长可以比拟，不能视为集中参数电路，需要采用传输线理论，建立分布参数模式分析波过程。换流阀可简化为T型的电容链网络。根据电路传输方程可求得换流阀各连接点的电压，其计算公式如下：
换流阀第k级节点电压计算公式如下：
Figure BDA0001279897940000041
其中，中间量
Figure BDA0001279897940000042
Cg表示导体对地电容，Cs表示导体间互电容，则当Cg＜＜Cs，即b→0时，有：
Figure BDA0001279897940000043
由公式(2)可以得出，当对地电容与互电容之比趋近于零时，各节点电压分布均匀。
电容屏蔽式均压技术：
在换流阀单阀主电路外围设置辅助回路由一系列串联电容构成，电容首尾端与单阀主电路首末端相连，阀模块屏蔽罩电位点固定在各级电容上，可完全阻断换流阀主电路通过屏蔽罩对地杂散电容流入或流出的泄漏电流。换流阀主电路与屏蔽罩及串联电容系统之间没有任何电气连接。这样屏蔽罩对地的电容电流均由辅助回路串联电容提供，不经过换流阀主电路，使得换流阀关键元部件处于完全的屏蔽状态，从而保证高频冲击下功率单元电压均匀分布。同时，在换流阀低频域运行下，该串级电容相当于开路状态，保证了换流阀主电路安全可靠运行；在高频冲击下，串级电容的电压分布可以用电容器的参数选择加以调节，保证各级串联电容电压均压分布。这是本发明的核心技术内容。
基于这两项专有技术，本发明提出了一种应用于换流阀塔的屏蔽式均压电路，包括具有高频域T型电容链等效网络的换流阀主电路和具有等电位屏蔽的串联电容组件构成的辅助回路。所述的T型电容链等效网络由各功率单元之间及功率单元对地电容构成；所述串联电容辅助回路包含电容组件、屏蔽罩对地电容和屏蔽罩间互电容。
所述T型电容链等效网络包括：换流阀主回路中的电容器电容，功率模块之间的杂散电容，其进出线母排间杂散电容，由于模块外围安装了屏蔽罩，进出线母排对地电容被屏蔽可忽略不计。
所述屏蔽式串联电容辅助回路包括：采用分体式屏蔽的方法在每个模块外围布置屏蔽罩，包含屏蔽罩对地电容和屏蔽罩之间互电容；模块内部辅助回路包含串联电容组件由换流阀内元器件寄生电容或组件电容来实现；屏蔽罩电位点固定在换流阀内元器件或组件电容上，换流阀主电路与该电容辅助回路之间不允许有任何电气联结，通过绝缘槽梁保持主电路与屏蔽罩以及电容组件之间的良好绝缘。
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 (7)

1.一种柔性直流换流阀结构，其特征在于，所述结构包括：
塔式结构的换流阀组件，以及设置于所述塔式结构层间和下方的竖直绝缘支撑，所述竖直绝缘支撑间设有交叉十字拉杆；
所述塔式结构的换流阀组件的每层包括：平行放置的两个口字型绝缘槽梁；背靠背设置并串联在一起的功率单元模块，所述功率单元模块位于所述绝缘槽梁上形成换流阀组件；以及位于该层外围的层间屏蔽结构；
所述口字型绝缘槽梁包括：左凹型梁、右凹型梁、方形梁和上下连接板；所述左凹型梁、右凹型梁和方形梁高度相等；
所述左凹型梁和所述右凹型梁背靠背设置；
所述方形梁位于左凹型梁和右凹型梁中间；
所述上下连接板位于所述左凹型梁、右凹型梁和方形梁的上下，并与所述左凹型梁、右凹型梁和方形梁的梁臂重合。
2.如权利要求1所述的一种柔性直流换流阀结构，其特征在于，所述绝缘槽梁的材料为环氧玻璃布材料。
3.如权利要求1所述的一种柔性直流换流阀结构，其特征在于，所述塔式结构的换流阀组件至少为两层。
4.如权利要求1所述的一种柔性直流换流阀结构，其特征在于，所述功率单元模块采用紧凑型绝缘栅双极型晶体管IGBT压装结构，包括：一个晶闸管、两个IGBT和四个散热器；
所述晶闸管由压装金属件上下压装形成第一压装结构；
所述IGBT上下连接散热器形成IGBT组件，两个IGBT组件叠堆由压装金属件上下压装形成第二压装结构；
所述第一压装结构与所述第二压装结构叠堆形成紧凑型IGBT压装结构。
5.如权利要求1所述的一种柔性直流换流阀结构，其特征在于，所述层间屏蔽结构包括：应用于该层换流阀组件的屏蔽式均压电路；
所述屏蔽式均压电路包括主电路和与主电路并联的辅助电路；
所述主电路包括功率单元间互电容和功率单元对地电容；
所述辅助电路包括屏蔽结构间互电容、屏蔽结构对地电容和组件电容。
6.如权利要求5所述的一种柔性直流换流阀结构，其特征在于，所述功率单元间互电容设有N个，N个功率单元间互电容Cs(in)串联；所述功率单元对地电容Cg(in)一端 连接在相邻两个功率单元间互电容Cs(in)之间，其另一端接地。
7.如权利要求5所述的一种柔性直流换流阀结构，其特征在于，所述屏蔽结构间互电容Cs(out)和组件电容Cm并联，组成Cs(out)//Cm支路；
N个所述Cs(out)//Cm支路串联；
所述屏蔽结构对地电容Cg(out)一端连接在两个Cs(out)//Cm支路之间，其另一端接地。
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