CN113131778A - 一种柔性直流换流阀及柔性直流换流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流换流阀及柔性直流换流装置，柔性直流换流阀包括若干子模块，所述子模块包括多个IGBT半桥单元，每个所述IGBT半桥单元分别并联有直流电容器和有源电容器，所述IGBT半桥单元包括由多个IGBT管连接构成的第一半桥电路，所述第一半桥电路并联有电容器，每个所述子模块中所有的所述第一半桥电路的中间点彼此连接形成所述子模块的输出端，所有的所述子模块的输出端彼此串联。本发明的有益效果：效率高，利用了可关断晶闸管的导通压降低，IGBT管开关特性好的特点，通过驱动电路分别控制IGBT管与可关断晶闸管，改善了传统关断晶闸管类器件开关频率低，开关特性不好，需要较大的缓冲回路，拓扑复杂的缺点。

Description

一种柔性直流换流阀及柔性直流换流装置
技术领域
本发明涉及换流阀的技术领域，具体来说，涉及一种柔性直流换流阀及柔性直流换流装置。
背景技术
随着电力电子技术的进步和发展，柔性直流输电在解决远距离，大容量输电，新能源分布式电源接入，以及特大型交直流混合电网面临的诸多问题时都将展现出其特有的优势。作为新一代直流输电技术，柔性直流输电为电网输电方式的变革和构建未来电网提供了有效的解决方案。
现有柔性直流换流阀通常采用IGBT半桥电路与电容构成的子模块组成，存在以下问题：（1）损耗高，由于IGBT管通态压降较高，因此换流阀损耗较高，通常超过0.7%；（2）体积及重量大，由于需要采用较大电容，因此体积及重量居高不下，并且价格昂贵。
另外温度作为功率半导体器件核心参数，对器件损耗及可靠性有着巨大影响。
对器件损耗的影响：以IGBT器件为例，为了保证多芯片并联均流，器件通常体现为正温度系数，意味着温度越高，器件通态压降越高，导致器件损耗越大，降低了装置的运行效率。因此通过降低器件工作结温，能够有效降低器件级装置损耗。
对器件可靠性的影响：研究表明电力电子变流器的故障有31%可以归因于功率器件的失效，而60%的器件失效故障是由于热应力引起的，器件工作结温越高，安全运行裕度越小；结温波动越大，热循环寿命越短。在正常工作温度范围内，器件结温每上升10℃，失效率将会翻倍。因此通过降低器件工作结温，能够有效提升器件运行寿命。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种柔性直流换流阀，采用可关断晶闸管与IGBT管相结合的方式，能够改善传统关断晶闸管类器件开关频率低，开关特性不好，需要较大的缓冲回路，拓扑复杂的缺点，也能解决IGBT管通态压降较高的问题；子模块采用采用有源电容器，一方面能够降低电容纹波，另一方面能够提升电容电压，降低电容容值，从而降低其体积及重量。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种柔性直流换流阀，包括若干子模块，所述子模块包括多个IGBT半桥单元，每个所述IGBT半桥单元分别并联有直流电容器和有源电容器，所述IGBT半桥单元包括由多个IGBT管连接构成的第一半桥电路，所述第一半桥电路并联有电容器，每个所述子模块中所有的所述第一半桥电路的中间点彼此连接形成所述子模块的输出端，所有的所述子模块的输出端彼此串联。
可选地，所述IGBT管的数量为两个。
进一步地，各所述IGBT管并联有二极管。
进一步地，各所述IGBT管还并联有可关断晶闸管。
进一步地，所有的所述IGBT半桥单元呈环形排布。
可选地，所述IGBT管的数量为四个。
进一步地，所述子模块还包括晶闸管半桥单元，所述晶闸管半桥单元包括由多个可关断晶闸管连接构成的第二半桥电路，所述可关断晶闸管并联有二极管，所述第二半桥电路与同一所述子模块中所有的所述第一半桥电路相并联，所述第二半桥电路的中间点分别连接同一所述子模块中所有的所述第一半桥电路的中间点形成所述子模块的输出端。
进一步地，所述晶闸管半桥单元位于中间，同一所述子模块中所有的所述IGBT半桥单元围绕所述晶闸管半桥单元呈环形排布。
本发明还提供了一种柔性直流换流装置，包括隔离箱，所述隔离箱采用高绝缘的绝热材料制成，所述隔离箱内设置有柔性直流换流阀，所述隔离箱内还设置有功率半导体器件、驱动保护电路和散热器，所述柔性直流换流阀设置在所述散热器上。
进一步地，所述散热器包括外壳，所述外壳分别连通有冷却介质进管和冷却介质出管，所述冷却介质进管和所述冷却介质出管均从所述隔离箱内穿出。
本发明的有益效果：1）效率高，本发明利用了可关断晶闸管的导通压降低，IGBT管开关特性好的特点，通过驱动电路分别控制IGBT管与可关断晶闸管，改善了传统关断晶闸管类器件开关频率低，开关特性不好，需要较大的缓冲回路，拓扑复杂的缺点；
2）器件运行结温低，利用密闭空间冷媒方式，能够降低器件运行结温，进一步降低装置损耗，提升运行可靠性；
3）电容器体积重量降低，采用有源电容器方案，一方面能够降低电容纹波，另一方面能够提升电容电压，降低电容容值，从而降低其体积及重量；
4）布局简单，无需换流阀厅，采用密闭式冷却方式，通过子模块堆积的方式构成柔性直流换流阀，无需阀厅。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的柔性直流换流阀的结构示意图一；
图2是根据图1所示的柔性直流换流阀的电路图一；
图3是根据图1所示的柔性直流换流阀的电路图二；
图4是根据本发明实施例所述的柔性直流换流阀的结构示意图二；
图5是根据图4所示的柔性直流换流阀的电路图；
图6是根据本发明实施例所述的柔性直流换流装置的示意图。
图中：
1、IGBT半桥单元；2、有源电容器；3、直流电容器；4、晶闸管半桥单元；5、子模块；6、隔离箱；7、散热器；8、冷却介质进管；9、冷却介质出管。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：如图1、2和6所示，根据本发明实施例所述的一种柔性直流换流阀，包括若干子模块5，所述子模块5包括多个IGBT半桥单元1，每个所述IGBT半桥单元1分别并联有直流电容器3和有源电容器2，所述IGBT半桥单元1包括由多个IGBT管连接构成的第一半桥电路，所述第一半桥电路并联有电容器，每个所述子模块5中所有的所述第一半桥电路的中间点彼此连接形成所述子模块5的输出端，所有的所述子模块5的输出端彼此串联。
其中，所述IGBT管的数量为两个。
其中，各所述IGBT管并联有二极管。
其中，所有的所述IGBT半桥单元1呈环形排布。
本发明实施例还提供了一种柔性直流换流装置，包括隔离箱6，所述隔离箱6采用高绝缘的绝热材料制成，所述隔离箱6内设置有柔性直流换流阀，所述隔离箱6内还设置有功率半导体器件、驱动保护电路和散热器7，所述柔性直流换流阀设置在所述散热器7上。
其中，所述散热器7包括外壳，所述外壳分别连通有冷却介质进管8和冷却介质出管9，所述冷却介质进管8和所述冷却介质出管9均从所述隔离箱6内穿出。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式对本发明的上述技术方案进行详细说明。
本发明所述的柔性直流换流阀可适用于其他电力电子拓扑及领域，其由6个换流阀臂构成三相换流回路，每个换流阀臂由若干子模块5串联而成。
子模块5包括模块半桥单元、直流电容器3和有源电容器2。
模块半桥单元的正极、有源电容器2的正极、直流电容器3的正极相连接，模块半桥单元的负极、有源电容器2的负极、直流电容器3的负极相连接，模块半桥单元的中间点作为子模块5的输出端与其他子模块5串联。
模块半桥单元包括多个IGBT半桥单元1，IGBT半桥单元1包括IGBT管、电容器和二极管。通过多单元并联提升柔性直流换流阀的容量。
有源电容器2采用DCDC升压电路方案。
多个IGBT半桥单元1呈环形布置，导电排汇集至中心处，外侧放置有源电容器2，最外侧放置直流电容器3，最外侧的直流电容器3形成一环形结构。
本发明所述的柔性直流换流装置包括隔离箱6、子模块5、功率半导体器件、驱动保护电路、散热器7等。
子模块5放置在密闭的隔离箱6内，可实现与外部环境温度隔离，减少环境温度波动对器件运行结温的影响，
隔离箱6采用高绝缘的绝热材料制成，保证了整个装置的电气隔离，并保证了整个装置的温度隔离。
隔离箱6体内放置有功率半导体器件、驱动保护电路、散热器7、电气及通讯连接线路等。
散热器7采用液体冷却介质散热方式，将散热器7温度以及器件温度控制在较低温度水平，并根据实际环境温度进行温度控制。
柔性直流换流阀通过多个子模块5排列及堆积构成，无需采用换流阀厅，柔性直流换流阀的外侧通过铜排、光纤、冷却管等来与其他部件连接。
实施例二：如图1、3和6所示，根据本发明实施例所述的一种柔性直流换流阀，包括若干子模块5，所述子模块5包括多个IGBT半桥单元1，每个所述IGBT半桥单元1分别并联有直流电容器3和有源电容器2，所述IGBT半桥单元1包括由多个IGBT管连接构成的第一半桥电路，所述第一半桥电路并联有电容器，每个所述子模块5中所有的所述第一半桥电路的中间点彼此连接形成所述子模块5的输出端，所有的所述子模块5的输出端彼此串联。
其中，所述IGBT管的数量为两个。
其中，各所述IGBT管并联有二极管。
其中，各所述IGBT管还并联有可关断晶闸管。
其中，所有的所述IGBT半桥单元1呈环形排布。
本发明实施例还提供了一种柔性直流换流装置，包括隔离箱6，所述隔离箱6采用高绝缘的绝热材料制成，所述隔离箱6内设置有柔性直流换流阀，所述隔离箱6内还设置有功率半导体器件、驱动保护电路和散热器7，所述柔性直流换流阀设置在所述散热器7上。
其中，所述散热器7包括外壳，所述外壳分别连通有冷却介质进管8和冷却介质出管9，所述冷却介质进管8和所述冷却介质出管9均从所述隔离箱6内穿出。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式对本发明的上述技术方案进行详细说明。
本实施例中的模块半桥单元包括多个IGBT半桥单元1，IGBT半桥单元1包括IGBT管、电容器、二极管和可关断晶闸管。其利用了可关断晶闸管的导通压降低，IGBT管开关特性好的特点，通过驱动电路分别控制IGBT管与可关断晶闸管，改善了传统关断晶闸管类器件开关频率低，开关特性不好，需要较大的缓冲回路，拓扑复杂的缺点。
实施例二与实施一的主要区别仅在于模块半桥单元的不同，其余内容均相同，在此不再赘述。
实施例三：如图4-6所示，根据本发明实施例所述的一种柔性直流换流阀，包括若干子模块5，所述子模块5包括多个IGBT半桥单元1，每个所述IGBT半桥单元1分别并联有直流电容器3和有源电容器2，所述IGBT半桥单元1包括由多个IGBT管连接构成的第一半桥电路，所述第一半桥电路并联有电容器，每个所述子模块5中所有的所述第一半桥电路的中间点彼此连接形成所述子模块5的输出端，所有的所述子模块5的输出端彼此串联。
其中，所述IGBT管的数量为四个。
其中，所述子模块5还包括晶闸管半桥单元4，所述晶闸管半桥单元4包括由多个可关断晶闸管连接构成的第二半桥电路，所述可关断晶闸管并联有二极管，所述第二半桥电路与同一所述子模块5中所有的所述第一半桥电路相并联，所述第二半桥电路的中间点分别连接同一所述子模块5中所有的所述第一半桥电路的中间点形成所述子模块5的输出端。
其中，所述晶闸管半桥单元4位于中间，同一所述子模块5中所有的所述IGBT半桥单元1围绕所述晶闸管半桥单元4呈环形排布。
本发明实施例还提供了一种柔性直流换流装置，包括隔离箱6，所述隔离箱6采用高绝缘的绝热材料制成，所述隔离箱6内设置有柔性直流换流阀，所述隔离箱6内还设置有功率半导体器件、驱动保护电路和散热器7，所述柔性直流换流阀设置在所述散热器7上。
其中，所述散热器7包括外壳，所述外壳分别连通有冷却介质进管8和冷却介质出管9，所述冷却介质进管8和所述冷却介质出管9均从所述隔离箱6内穿出。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式对本发明的上述技术方案进行详细说明。
本实施例中的模块半桥单元包括一个晶闸管半桥单元4和多个IGBT半桥单元1。
晶闸管半桥单元4的正极、IGBT半桥单元的正极、有源电容器2的正极、直流电容器3的正极相连接，晶闸管半桥单元4的负极、IGBT半桥单元的负极、有源电容器2的负极、直流电容器3的负极相连接，晶闸管半桥单元4的中间点分别连接同一子模块5中各IGBT半桥单元的中间点后作为子模块5的输出端与其他子模块5串联。
晶闸管半桥单元4包括可关断晶闸管及反并联的二极管构成。
IGBT半桥单元1包括IGBT管和电容器，其中IGBT管可采用器件串联方案或者多电平方案。
晶闸管半桥单元4位于中间，IGBT半桥单元1环形放置在晶闸管半桥单元4的外侧，IGBT半桥单元1的外侧放置有源电容器2，有源电容器2的外侧放置有直流电容器3。
实施例三与实施一的主要区别仅在于模块半桥单元及布置方式的不同，其余内容均相同，在此不再赘述。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，效率高，其利用了可关断晶闸管的导通压降低，IGBT管开关特性好的特点，通过驱动电路分别控制IGBT管与可关断晶闸管，改善了传统关断晶闸管类器件开关频率低，开关特性不好，需要较大的缓冲回路，拓扑复杂的缺点；器件运行结温低，利用密闭空间冷媒方式，能够降低器件运行结温，进一步降低装置损耗，提升运行可靠性；电容器体积重量降低，采用有源电容器方案，一方面能够降低电容纹波，另一方面能够提升电容电压，降低电容容值，从而降低其体积及重量；布局简单，无需换流阀厅，采用密闭式冷却方式，通过子模块堆积的方式构成柔性直流换流阀，无需阀厅。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性直流换流阀，其特征在于，包括若干子模块（5），所述子模块（5）包括多个IGBT半桥单元（1），每个所述IGBT半桥单元（1）分别并联有直流电容器（3）和有源电容器（2），所述IGBT半桥单元（1）包括由多个IGBT管连接构成的第一半桥电路，所述第一半桥电路并联有电容器，每个所述子模块（5）中所有的所述第一半桥电路的中间点彼此连接形成所述子模块（5）的输出端，所有的所述子模块（5）的输出端彼此串联。
2.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀，其特征在于，所述IGBT管的数量为两个。
3.根据权利要求2所述的柔性直流换流阀，其特征在于，各所述IGBT管并联有二极管。
4.根据权利要求3所述的柔性直流换流阀，其特征在于，各所述IGBT管还并联有可关断晶闸管。
5.根据权利要求4所述的柔性直流换流阀，其特征在于，所有的所述IGBT半桥单元（1）呈环形排布。
6.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀，其特征在于，所述IGBT管的数量为四个。
7.根据权利要求6所述的柔性直流换流阀，其特征在于，所述子模块（5）还包括晶闸管半桥单元（4），所述晶闸管半桥单元（4）包括由多个可关断晶闸管连接构成的第二半桥电路，所述可关断晶闸管并联有二极管，所述第二半桥电路与同一所述子模块（5）中所有的所述第一半桥电路相并联，所述第二半桥电路的中间点分别连接同一所述子模块（5）中所有的所述第一半桥电路的中间点形成所述子模块（5）的输出端。
8.根据权利要求7所述的柔性直流换流阀，其特征在于，所述晶闸管半桥单元（4）位于中间，同一所述子模块（5）中所有的所述IGBT半桥单元（1）围绕所述晶闸管半桥单元（4）呈环形排布。
9.一种柔性直流换流装置，其特征在于，包括隔离箱（6），所述隔离箱（6）采用高绝缘的绝热材料制成，所述隔离箱（6）内设置有如权利要求1-8任一项所述的柔性直流换流阀，所述隔离箱（6）内还设置有功率半导体器件、驱动保护电路和散热器（7），所述柔性直流换流阀设置在所述散热器（7）上。
10.根据权利要求9所述的柔性直流换流装置，其特征在于，所述散热器（7）包括外壳，所述外壳分别连通有冷却介质进管（8）和冷却介质出管（9），所述冷却介质进管（8）和所述冷却介质出管（9）均从所述隔离箱（6）内穿出。
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