CN211670775U - 多相多级变流器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种多相多级变流器，其具有相模块，相模块具有变流器模块，变流器模块由多个电气串联连接的双极子模块构成，子模块具有：a)串联连接在一起的多个半导体开关，b)储能器，其可以由半导体开关充电和放电，c)旁路开关，其在超过第一极限电压时短路储能器，d)针对封锁信号的信号输入端，封锁信号断开子模块的所有半导体开关。为了保护变流器模块的子模块以防过载，建议，模块放电器与变流器模块并联连接，模块放电器在超过第二极限电压时以阀的方式限制变流器电压，方式是，模块放电器在低于第二极限电压时在阻断模式中工作，在高于第二极限电压时在导通模式中工作，其中在导通模式中，限制变流器电压的电流流过模块放电器。

Description

多相多级变流器
技术领域
本实用新型涉及一种根据本发明的多相多级变流器。
背景技术
与多相交流电网连接的、用于产生具有在高电压范围内的直流电压(DC 电压)的电压供应的变流器站是已知的。变流器站包括变压器，变压器在初级侧连接至交流电网。交流电网可以借助AC断路器通过切断信号(ESOF 信号，ESOF：Emergency Switch OFF，紧急开关“关”)切断。在次级侧，变压器的绕组可选地以三角电路或以具有星形中性点的星形电路连接，并且连接至变流器，通常以多相多级变流器(也简称为MMC：Modular MultilevelConverter)形式的变流器。在变流器的交流电压接头(AC接头)上施加变压器的次级侧的交流电压(AC电压)，并且在多级变流器的两个直流电压接头(DC接头)上提供直流电压(DC电压)。
多相多级变流器针对每个相具有带有AC接头中的一个的相模块。在每个相模块上连接两个变流器模块，变流器模块分别与电感串联连接。
每个变流器模块由多个电气串联连接的双极子模块构成，子模块具有如下：a)串联连接在一起的多个半导体开关，例如以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)形式的半导体开关，b)以电容器形式的储能器，其可以由半导体开关充电和放电，c)旁路开关，其在超过相关的极限电压时短路储能器，d)针对封锁信号的信号输入端，封锁信号(例如在故障情况下) 断开所有半导体开关。
半导体开关可以实施为全桥电路(VSC全桥电路，VSC：Voltage SourcedConverter，电压源转换器)或半桥电路(VSC半桥电路)。
设置用于保护子模块的旁路开关布置在子模块的连接端子之间，并且在超过极限电压时桥接相应相关的子模块。
多级变流器的保护功能相应检测流过变流器模块的电流。通常根据出现的故障电流识别严重的变流器内部的短路。
为了保护变流器，在出现这种故障电流时借助封锁信号封锁子模块(断开半导体)，并且通过AC断路器借助切断信号(ESOF信号)切断交流电网。
在此不利的是，在(从封锁子模块到断开AC断路器的)时间中，在变流器模块上施加DC电压与给予的AC电压之间的差。这导致给子模块的电容器充电；与施加的电压差的大小和持续时间有关地可能出现电压过高，电压过高可以与超过一个或多个子模块中的允许的电压(极限电压)相连。由于过载而超过子模块的极限电压相应导致触发子模块的集成的旁路开关，子模块因此出现故障，即，过载可以导致变流器模块的多个或甚至所有子模块出现故障。
保护变流器模块以防过载和与之相关联的触发集成的旁路开关的危险的可能性是，提高变流器模块中的子模块的数量，从而以高的可靠性不超过子模块的允许的电压(极限电压)。该解决方案在技术上是非常麻烦的，因为附加的子模块需要大量空间。然而，该解决方案不仅在VSC全桥变流器中，而且也在VSC半桥变流器中起作用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于，保护变流器模块的子模块以防过载和与之相关联的触发集成的旁路开关的危险，其除了VSC半桥变流器以外也适用于VSC全桥变流器。
该技术问题通过本发明的特征来解决；本发明具有有利的设计方案。
解决方案设置的是，模块放电器与变流器模块并联连接，模块放电器在超过第二极限电压时以阀的方式限制变流器电压，方式是，模块放电器在低于第二极限电压时在阻断模式中工作，并且在高于第二极限电压时在导通模式中工作，其中，在导通模式中，限制变流器电压的电流流过模块放电器。
当第二极限电压小于子模块的第一极限电压的总和时，可以可靠地防止旁路开关的触发，从而旁路开关的触发得到可靠地防止。
适宜地，模块放电器实施为快速冷却放电器。快速冷却放电器实施为没有壳体，由此实现更好的冷却和因此更高的热导出。
在结构上节约空间的是，每个变流器模块最多由两个变流器塔构成。具有多于两个的变流器塔的配置虽然在结构上是可实现的，但不节约空间。
适宜地，模块放电器进一步以悬挂或直立的实施方案安装在变流器塔旁边或变流器塔之间。
附图说明
随后根据附图详细描述本实用新型。附图中：
图1示意性示出了具有三相多级变流器的变流器站的电路；
图2示出了根据图1的多级变流器的变流器模块；
图3示出了子模块，其具有在全桥电路中的特殊的功率半导体组件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)；
图4示出了子模块，其具有在半桥电路中的特殊的功率半导体组件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)；
图5示出了具有两个变流器塔和模块放电器的变流器模块的结构布置的前视图；
图6示出了根据图5的结构布置的俯视图。
具体实施方式
图1示意性示出了变流器站的电路1，变流器站由交流电网的三相交流电压产生DC电压(直流电压)。为此，交流电网的三个相P1、P2、P3在初级侧连接至变压器T。三个相P1、P2、P3可以通过主开关ACS与变压器T 连接以及与变压器T分离。
变压器T的三个次级侧的绕组W1、W2、W3在此以星形电路连接。
绕组W1、W2、W3分别与多相多级变流器MMC的三个输入侧的AC 接头AC(或相应地，针对三个单独的AC接头的AC1、AC2、AC3)中的一个连接，该多相多级变流器在输出侧具有两个连接至直流电流母线的共同的DC接头DC(或相应地，DC+、DC-)，向该DC接头提供电压DC(作为电压供应)。DC接头DC+是DC电压的正极，DC接头DC-是DC电压的负极。
变流器MMC具有三个相模块PM1、PM2、PM3，其分别具有三个AC 接头AC1、AC2、AC3中的一个。相模块PM1、PM2、PM3并联连接，并且与两个共同的DC接头DC+、DC-连接。
每个相模块PM1、PM2、PM3包括两个串联连接的变流器模块UL、UH (或相应地，UL1、UH1、UL2、UH2、UL3、UH3；对于在此示出的双极配置来说，H在此表示高，L表示低)，变流器模块分别通过电感L与两个 DC接头DC+、DC-中的一个连接，并且在变流器模块之间布置有AC接头 AC1、AC2、AC3。
图2示意性示出了，每个变流器模块UL、UH由多个电气串联连接的双极子模块SM构成。子模块SM具有受控的半导体开关HS，该半导体开关在此由功率半导体组件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)构成。半导体开关HS进一步以全桥电路(VSC全桥电路，VSC： Voltage Sourced Converter，电压源转换器)实施，但也可以以半桥电路(VSC 半桥电路)实施。此外，相应存在以电容器的形式的储能器C，其可以由半导体开关HS充电和放电。旁路开关BS在超过相关的子模块极限电压(第一极限电压)时短路子模块SM。
通过针对封锁信号BS的信号输入端SBS可以断开(封锁)子模块SM 的半导体开关HS。
图3示出了子模块SM，其具有在全桥电路中的特殊的功率半导体组件 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)；图4示出了具有在半桥电路中的特殊的功率半导体组件的子模块。
如图1进一步示出的那样，模块放电器MA与每个变流器模块UL、UH 并联连接，模块放电器作为过电压放电器在超过变流器模块极限电压(第二极限电压)时以阀的方式限制变流器电压VU、即变流器模块上的电压，方式是，模块放电器MA在高于第二极限电压时在阻断模式中工作，并且在低于第二极限电压时在导通模式中工作，在导通模式中，限制变流器电压VU 的电流流过模块放电器MA。
多级变流器MMC的电流传感器SIH、SIL(或相应地，SIH1、SIH2、 SIH3、SIL1、SIL2、SIL3)检测流过相应的变流器模块UL、UH的电流IH、 IL(或相应地，IH1、IH2、IH3、IL1、IL2、IL3)。由监控单元HE监控电流传感器SIH、SIL的电流IH、IL。
在故障情况下，例如在严重的变流器内部的短路中，监控单元UE将封锁信号BS输出至子模块SM，并且将切断信号ESOF输出至AC断路器ACS，从而断开子模块的所有半导体开关HS和AC断路器ACS。
在该时间中，即在从断开子模块SM至断开AC断路器ACS的时间中，在AC侧给予的交流电压AC1、AC2、AC3(即电压差)施加在变流器模块UL、UH上(例如在大约120ms)。在该时间中，子模块SM的储能器C被充电，由此提高了在变流器模块UL、UH上并且相应在子模块SM上的电压 VU。
通过模块放电器MA防止由于过载而导致超过子模块极限电压，模块放电器不允许变流器模块UM上的电压升高到超过变流器模块极限电压，变流器模块极限电压除以变流器模块UM的子模块SM的数量小于子模块极限电压，从而旁路开关BS在直到断开AC断路器ACS的时间中都不触发，即，通过模块放电器MA，子模块SM不再由于基于过载触发旁路开关BS而出现故障。
模块放电器在电气上设计为，直到封锁时间点都几乎没有电流流入模块放电器，并且同时没有超过每个子模块SM的子模块极限电压(最大允许的瞬时电压)。从封锁时间点开始，模块放电器MA将与之相连的能量在最短的时间内转换为热量。基于在封锁时间点的电压和极限电压之间的小的电压差，该实施以快速冷却放电器(HCA)实现。
图5示出了变流器模块UM的结构布置的前视图，变流器模块由两个变流器塔UT1、UT2构成。每个变流器塔UT1、UT2在下方具有支撑结构SK，支撑结构用于为竖直的框架结构RK建立电绝缘的支架，框架结构具有在固定的基底上的相叠布置的层ET。
相对于图3，框架结构RK在左侧具有三个层ET，并且在右侧具有四个层ET，在所述层中，变流器模块UM的子模块SM分别根据串联电路中的顺序侧向并排布置并且相互电连接。单个变流器塔UT1、UT2的直接相邻的层的子模块行以及两个变流器塔UT1和UT2为了构成总串联电路同样相应地电连接。
在三个或四个层ET上方和下方存在管架RR作为屏蔽件。
支撑结构具有支撑元件SE和拉绳SS，其给支撑结构SK提供相对于振动的充分的稳定性和弹性。通过软管KS给子模块SM输送冷却剂，用以进行冷却。
在两个变流器塔UT1、UT2之间，在此示例性地以悬挂的实施方案，布置有模块放电器MA；原则上，直立的实施方案也是可能的。模块放电器 MA为了其更好的冷却并且因此为了改进其热稳定性实施为快速冷却放电器 (过电压放电器)，并且因此没有壳体。
图6示出了变流器模块UM的与图5相关的俯视图，变流器模块具有两个变流器塔UT1、UT2和模块放电器MA。看到的是，每个变流器塔UT1、 UT2各由两个半塔UT1a、UT1b、UT2a、UT2b构建。
如在图3和图4中看到的那样，两个变流器塔UT1、UT2并排布置。模块放电器MA在侧面直接位于两个变流器塔UT1、UT2中的每个的旁边，并且在此在两个变流器塔UT1、UT2的情况下直接位于两个变流器塔UT1、 UT2之间。直接位于变流器塔UT1、UT2的旁边表示的是，没有另外的电气部件布置在它们之间。

Claims (6)

1.一种多相多级变流器(MMC)，所述多级变流器具有相模块(PM1，PM2，PM3)，所述相模块具有变流器模块(UL，UH)，所述变流器模块由多个电气串联连接的双极子模块(SM)构成，所述子模块具有：
a)串联连接在一起的多个半导体开关(HS)，
b)储能器(C)，其能够由所述半导体开关(HS)充电和放电，
c)旁路开关(BPS)，其在超过第一极限电压时短路所述储能器(C)，
d)针对封锁信号(BS)的信号输入端(SBS)，所述封锁信号断开子模块(SM)的所有半导体开关(HS)，
其特征在于，
模块放电器(MA)与变流器模块(UL，UH)并联连接，所述模块放电器在超过第二极限电压时以阀的方式限制变流器电压，方式是，所述模块放电器(MA)在低于第二极限电压时在阻断模式中工作，并且在高于第二极限电压时在导通模式中工作，其中，在导通模式中，限制变流器电压的电流流过所述模块放电器(MA)。
2.根据权利要求1所述的多相多级变流器(MMC)，其特征在于，所述第二极限电压小于子模块(SM)的第一极限电压的总和，从而可靠地防止旁路开关(BPS)的触发。
3.根据权利要求1所述的多相多级变流器(MMC)，其特征在于，所述模块放电器(MA)实施为没有壳体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多相多级变流器(MMC)，其特征在于，所述模块放电器(MA)实施为快速冷却放电器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的多相多级变流器(MMC)，其特征在于，每个变流器模块(UL，UH)最多由两个变流器塔(UT1，UT2)构成。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的多相多级变流器(MMC)，其特征在于，所述模块放电器(MA)以悬挂或直立的实施方案安装在变流器塔(UT1，UT2)旁边或变流器塔(UT1，UT2)之间。
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