模块化多电平换流器的子模块及模块化多电平换流器

摘要

本发明提供一种模块化多电平换流器的子模块，包括压装组件的负接口母线与第一对外母排连接，压装组件的PH接口母线与第二对外母排连接，放电电阻电连接至支撑电容，支撑电容的一个电气接触点通过第一连接母排连接至电抗器的第一电气接口，支撑电容的另一个电气接触点通过第二连接母排连接至压装组件的负接口母线，电抗器的第二电气接口电连接至压装组件的正接口母线，吸收电阻的两个电气接口分别电连接至压装组件与电抗器的第一电气接口，门极电源电连接至压装组件的门驱电源接口。本发明实施例还提供一种模块化多电平换流器，本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块及模块化多电平换流器的布局合理，集成度高，结构紧凑，以节省空间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器，尤其涉及一种基于集成门极晶闸管的模块化多电平换流器的子模块及采用该子模块的模块化多电平换流器。

背景技术

近年来，随着能源日益紧张和环境保护日趋重要，具有可再生和无污染特点的新能源产业逐渐兴起，其中包括海上风力发电。据现场调查及已有运行经验来看，海上风电存在着位置分散、远离电力用户中心、电能波动性、发电间歇性等特点，因此，海上风电电网与陆上主电网之间的连接和保持电能的稳定性是海上风力发电需要解决的两大问题。

在目前电能变化技术中，模块化多电平变换器(Module Multilevel Converter，MMC)技术因MMC的子模块开关频率低、开关损耗小以及等效开关频率高，非常适合海上风力发电的高电压及大容量场合，同时也有利于电网之间的连接。MMC模块化的电路拓扑有利于结构的模块化，便于MMC的装配及维护。

集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)是一种高效率、可靠性高的电力半导体器件，具备晶体管开关速度快、开关损耗低和晶闸管导通损耗低、阻断电压高、输出电流大的特点，相比较IGBT在高电压和大容量场合更有优势。

虽然，目前行业内出现了一些基于IGBT的MMC模块，但因IGCT与IGBT两者在结构方面的较大差异性，参考性较低，因此需要开发一种结构紧凑、布局合理以及维护方便的基于IGCT的MMC子模块，以满足海上风电等新能源产业的电能变换及联网要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种模块化多电平换流器的子模块，通过合理布局，集成度高，充分利用支撑框架的空间，以节省空间，使得子模块的更为紧凑，维护方便。

本发明提供模块化多电平换流器的子模块，所述子模块包括支撑框架及装置于支撑框架内的压装组件、第一对外母排、第二对外母排、放电电阻、支撑电容、第一连接母排、第二连接母排、电抗器、电抗器固定板、吸收电阻及门极电源，所述压装组件的负接口母线与所述第一对外母排连接，所述压装组件的PH接口母线与所述第二对外母排连接，所述放电电阻的两端分别电连接至所述支撑电容的两个电气接触点，所述支撑电容的一个电气接触点通过所述第一连接母排连接至所述电抗器的第一电气接口，所述支撑电容的另一个电气接触点通过所述第二连接母排连接至所述压装组件的负接口母线，所述电抗器的第二电气接口电连接至所述压装组件的正接口母线，所述吸收电阻的两个电气接口分别电连接至所述压装组件与所述电抗器的第一电气接口，所述门极电源电连接至所述压装组件的门驱电源接口。

具体地，所述支撑框架包括多条第一横梁、多条第二横梁及多条第一纵梁，所述支撑框架的一端面上设置有多条第二纵梁，所述多条第二纵梁的首部与尾部分别固定连接在所述支撑框架的一端面上的两条第一横梁上。

具体地，所述压装组件的一端面通过固定件固定安装在第二纵梁上；所述支撑电容靠近所述压装组件的接口母线布置，并通过固定件将所述支撑电容的一端面固定装置于第一纵梁与第二纵梁上；所述放电电阻装置于所述支撑电容的另一端面上；所述电抗器固定板装置于所述压装组件的下方，并紧靠所述压装组件的底端布置，所述电抗器固定在所述电抗器固定板的腔体的底面上；所述吸收电阻装置于所述电抗器固定板的侧面上；所述门极电源装置于所述压装组件的下方，并靠近所述电抗器固定板的侧面设置。

具体地，所述压装组件包括吸收二极管压装串、续流二极管压装串、集成门极换流晶闸管压装串、吸收电容、冷却装置及第一压板与第二压板，所述吸收二极管压装串、续流二极管压装串及集成门极换流晶闸管压装串的第一端均贴紧于所述第一压板的第一端面上，吸收二极管压装串、续流二极管压装串及集成门极换流晶闸管压装串的第二端均贴紧于所述第二压板的第一端面上，所述吸收电容靠近所述吸收二极管压装串设置，所述冷却装置分别与所述吸收二极管压装串、续流二极管压装串、集成门极换流晶闸管压装串连接。

具体地，所述吸收二极管压装串包括沿所述压装组件的第一导柱组件压装的第一散热器、一个吸收二极管及第一绝缘板，所述续流二极管压装串包括沿所述压装组件的第二导柱组件压装的第二散热器、两个续流二极管及第二绝缘板，所述集成门极换流晶闸管压装串包括沿所述压装组件的第三导柱组件压装的第三散热器、两个集成门极换流晶闸管及第三绝缘板。

具体地，所述第一导柱组件、第二导柱组件及第三导柱组件的首端均贯穿装置于所述第一压板，所述第一导柱组件、第二导柱组件及第三导柱组件的尾端分别紧靠在所述第一绝缘板、第二绝缘板及第三绝缘板上，且沿纵向方向观测时，所述第一导柱组件、第二导柱组件及第三导柱组件分别位于三角形的三个顶点。

具体地，所述冷却装置包括主进水管、主出水管、与所述主进水管连通设置的第一支撑水管及第二支撑水管、与所述主出水管连通设置的第三支撑水管及第四支撑水管，所述第一支撑水管、第二支撑水管、第三支撑水管及第四支撑水管均包括多个接口，所述第一支撑水管的多个接口分别与多个第一散热器的进水口连接，所述多个第一散热器的出水口分别与多个第二散热器的进水口连接，所述多个第二散热器的出口分别与所述第三支撑水管的多个接口连接，所述第二支撑水管的多个接口分别与多个第三散热器的进水口连接，所述多个第三散热器的出水口分别与所述第四支撑水管的多个接口连接。

具体地，所述压装组件还包括母线固定板，所述母线固定板的首端与尾端分别固定于所述第一压板的侧面及第二压板的侧面上，所述负接口母线、PH接口母线及正接口母线均贯穿装置于所述母线固定板上。

具体地，所述放电电阻包括多个分立电阻，所述多个分立电阻并联连接在一起，并通过电缆与所述支撑电容电连接。

本发明还提供模块化多电平换流器，包括六个桥臂，每个乔臂包括n个如上所述的子模块。

由此可见，本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块及模块化多电平换流器，通过对基于集成门极换流晶闸管的模块化多电平换流的子模块的合理布局，集成度高，充分利用支撑框架的空间，以节省空间，并能减少子模块中各元器件的连接距离，使得子模块的更为紧凑，维护方便，同时通过母排进行连接使得回路杂散电感小。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的电路拓扑结构图。

图2为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块的电路拓扑结构图。

图3为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块立体结构示意图。

图4为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块主视结构示意图。

图5为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块左视结构示意图。

图6为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块右视结构示意图。

图7为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块底视结构示意图。

图8为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块中的压装组件正向立体结构示意图。

图9为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块中的压装组件反向立体结构示意图。

图10为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块中的电抗器的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预期目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的电路拓扑结构图。如图1所示，模块化多电平换流器(Module Multilevel Converter，MMC)由6个桥臂组成，具体地，在本实施例中，每个桥臂由多个相同的子模块100(Sub-module，SM)串联而成，从而构成上下对称的换流结构。6个桥臂两两组合构成模块化多电平换流器中的三相，即a相、b相及c相，且a,b,c相中均包含上桥臂和下桥臂，进一步地，为了保证模块化多电平换流器的总直流电压稳定，a相、b相或c相中处于投入状态的SM的个数必须维持在n个，通过改变这n个SM在a相、b相或c相的上、下桥臂间的分配关系，从而根据接收的电流ia得到期望的交流相电压Udc输出。

请一并参考图2，图2为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100的电路拓扑结构图。在MMC系统中，SM是基于集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)功率器件的电路拓扑，如图1与图2所示，子模块100包括两个集成门极换流晶闸管IGCT1,IGCT2、两个续流二极管D1,D2、放电电阻R、支撑电容Cd、吸收电容Cs、吸收电阻Rs、电抗器Ls及吸收二极管Ds。具体地，在本实施例中，集成门极换流晶闸管IGCT1的阴极电连接至PH接口母线，集成门极换流晶闸管IGCT1的阳极电连接至正接口母线。集成门极换流晶闸管IGCT2的阳极电连接PH接口母线，集成门极换流晶闸管IGCT2的阴极电连接至负接口母线。续流二极管D1的阳极电连接至PH接口母线，续流二极管D1的阴极电连接至正接口母线。续流二极管D2的阴极电连接至PH接口母线，续流二极管D2的阳极电连接至负接口母线。电抗器Ls的第一端电连接正接口母线，电抗器Ls的第二端电连接至吸收电阻Rs的第一端，吸收电阻Rs的第二端电连接至吸收电容Cs的第一端，吸收电容Cs的第二端电连接至负接口母线。吸收二极管Ds的阳极电连接至正接口母线，吸收二极管Ds的阴极电连接至吸收电容Cs的第一端。放电电阻R的第一端电连接至电抗器Ls的第二端，放电电阻R的第二端电连接至负接口母线。支撑电容Cd的第一端电连接至电抗器Ls的第二端，支撑电容Cd的第二端电连接至负接口母线。通过控制集成门极换流晶闸管IGCT1,IGCT2的开通或关断，使子模块100输出电压Ud或0，其中，电压Ud为支撑电容Cd的电压，同时能够维持支撑电容Cd电压的相对稳定。

请一并参考图3至图7，图3为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100立体结构示意图，图4为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100主视结构示意图，图5为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100左视结构示意图，图6为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100右视结构示意图，图7为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100底视结构示意图。如图2至图7所示，所述子模块100包括支撑框架1及装置于支撑框架1内的压装组件2、第一对外母排3、第二对外母排4、放电电阻5、支撑电容6、第一连接母排7、第二连接母排8、电抗器9、电抗器固定板10、吸收电阻11及门极电源12。具体地在本实施例中，压装组件2的负接口母线与第一对外母排3连接，压装组件2的PH接口母线与第二对外母排4连接。放电电阻5的两端分别通过电缆电连接至支撑电容6的两个电气接触点。支撑电容6的一个电气接触点通过第一连接母排7连接至电抗器9的第一电气接口，支撑电容6的另一个电气接触点通过第二连接母排8连接至压装组件2的负接口母线，电抗器9的第二电气接口电连接至压装组件2的正接口母线，吸收电阻11的两个电气接口分别电连接至压装组件2与电抗器9的第一电气接口，门极电源12电连接至压装组件2的门驱电源接口(图未示出)。

具体地，支撑框架1包括多条第一横梁、多条第二横梁及多条第一纵梁。具体地，在本实施例中，支撑框架1由4条第一横梁111、4条第二横梁112及4条第一纵梁113的首尾固定连接在一起，以构成具有腔体的长方体框架。具体地，在本实施例中，第一横梁111、第二横梁112及第一纵梁113可以但不限于角钢，并通过焊接将第一横梁111、第二横梁112及第一纵梁113的首尾固定连接在一起，从而使得支撑框架1的机械强度高，加工安装方便，且成本低。支撑框架1的一端面上设置有多条第二纵梁114，多条第二纵梁114的首部与尾部分别固定连接在支撑框架1的一端面上的2条第一横梁111上，第二纵梁114可以但不限于3条，具体地，第二纵梁114的首尾端可以但不限于通过焊接方式固定于支撑框架1的一端面的两条第一横梁111上。

压装组件2、支撑电容6、放电电阻5、电抗器9、吸收电阻11及门极电源12均装置于支撑框架1的腔体内，具体地，在本实施例中，压装组件2的一端面通过固定件固定安装在第二纵梁114上，具体地，可以但不限于通过螺栓将压装组件2固定装置于支撑框架1的第二纵梁114上。支撑电容6靠近压装组件2的接口母线26(请参图8)布置，具体地，可通过螺栓固定的方式将支撑电容6的一端面固定装置于第一纵梁113与第二纵梁114上。放电电阻5装置于支撑电容6的另一端面上，具体地，放电电阻5可有多个分立电阻并联组成，并通过电缆与支撑电容6电连接。电抗器固定板10装置于压装组件2的下方，并紧靠压装组件2的底端布置，电抗器9固定在电抗器固定板10的腔体的底面上。吸收电阻11装置于电抗器固定板10的侧面上，具体地，在本实施例中，可通过螺栓将吸收电阻11固定安装在电抗器固定板10远离支撑电容6的侧面上，从而能够充分利用电抗器固定板10的同时，也能够有利于减小吸收电阻11与压装组件2的吸收电容25的连接距离。门极电源12装置于压装组件2的下方，并靠近电抗器固定板10的侧面设置，具体地，门极电源12靠近电抗器固定板10中安装有吸收电阻11的侧面布置，并通过螺栓固定安装在第一横梁111与第二横梁112上。

请一并参考图8与图9，图8为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100中的压装组件2正向立体结构示意图，图9为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100中的压装组件2反向立体结构示意图。如图2至图9所示，压装组件2包括吸收二极管压装串21、续流二极管压装串22、集成门极换流晶闸管压装串23、冷却装置24、吸收电容25及第一压板201与第二压板202。具体地，吸收二极管压装串21、续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管压装串23的第一端均靠近第一压板201的第一端面设置。吸收二极管压装串21、续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管压装串23的第二端均贴紧于第二压板202的第一端面上。吸收电容25靠近吸收二极管压装串21设置。冷却装置24分别与吸收二极管压装串21、续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管压装串23连接，从而能够为吸收二极管压装串21、续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管串23进行冷却。

具体地，在本实施例中，压装组件2还包括第一导柱组件271、第二导柱组件272及第三导柱组件273。具体地，第一导柱组件271、第二导柱组件272及第三导柱组件273的首端均贯穿装置于第一压板201，并裸露在第一压板201上。第一导柱组件271、第二导柱组件272及第三导柱组件273的尾端分别紧靠在第一绝缘板213、第二绝缘板223及第三绝缘板233上，即吸收二极管压装串21、续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管23的第一端分别紧贴在第一导柱组件271、第二导柱组件272及第三导柱组件273的尾端。当沿纵向方向观测时，第一导柱组件271、第二导柱组件272及第三导柱组件273分别位于三角形的三个顶点。具体地，在本实施例中，吸收二极管压装串21包括沿第一导柱组件271压装的第一散热器211、一个吸收二极管212及第一绝缘板213，进一步地，在本实施例中，吸收二极管压装串21还包括一环氧绝缘块214，以使吸收二极管压装串21的高度与续流二极管压装串22的高度一致。具体的，第一散热器211的数量为3个，第一绝缘板213的数量为2个，并且从下往上依次为第一绝缘板213、第一散热器211、吸收二极管212、第一散热器211、环氧绝缘块214、第一散热器211以及第一绝缘板213，并通过第一压板201及第二压板202将第一散热器211、吸收二极管212、第一绝缘板213及环氧绝缘块214压装在一起。续流二极管压装串22包括沿第二导柱组件272压装的第二散热器221、两个续流二极管222及第二绝缘板223，具体地，两个续流二极管222串接在一起，并在两个续流二极管222之间安装有第二散热器221，紧贴在两个续流二极管222的上方及下方也分别装置有第二散热器221，在续流二极管压装串22的顶端与底端分别装置有第二绝缘板223，并通过第一压板201及第二压板202将续流二极管压装串22压紧。集成门极换流晶闸管压装串23包括沿第三导柱组件273压装的第三散热器231、两个集成门极换流晶闸管232及第三绝缘板233，具体地，两个集成门极换流晶闸管232之间、上方及下方均装置有第三散热器231，并在集成门极换流晶闸管压装串23的顶端与底端分别装置有第三绝缘板233。具体地，在本实施例中，吸收二极管压装串21、续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管压装串23的高度相同，第一绝缘板213、第二绝缘板223及第三绝缘板233可以但不限于环氧绝缘板。

冷却装置24包括主进水管241、主出水管242、与主进水管241连通设置的第一支撑水管243及第二支撑水管244、与主出水管242连通设置的第三支撑水管245及第四支撑水管246。具体地，主进水管241与主出水管242均装置于第一压板201的第二端面上。第一支撑水管243、第二支撑水管244、第三支撑水管245、第四支撑水管246的首端均贯穿于第一压板201，并裸露在第一压板201的第二端面上。第一支撑水管243、第二支撑水管244、第三支撑水管245、第四支撑水管246的尾端均贯穿于第二压板202，并裸露在第二压板202的第二端面上，以支撑第一压板201与第二压板202。具体地，在本实施例中，第一支撑水管243、第二支撑水管244、第三支撑水管245、第四支撑水管246均包括多个接口，具体地，可以但不限于3个接口。第一支撑水管243的3个接口分别与3个第一散热器211的进水口连接，3个第一散热器211的出水口分别与3个第二散热器221的进水口连接，3个第二散热器221的出口分别与第三支撑水管245的3个接口连接，从而对吸收二极管压装串21及续流二极管压装串22进行冷却处理。第二支撑水管244的3个接口分别与3个第三散热器231的进水口连接，3个第三散热器231的出水口分别与第四支撑水管246的3个接口连接，从而对集成门极换流晶闸管232进行冷却处理，进而实现多个支撑水管具有对压装组件2的第一压板201与第二压板202的支撑和导通水流的双重作用。

进一步地，压装组件2还包括母线固定板261，母线固定板261的首端与尾端分别固定于第一压板201的侧面及第二压板202的侧面上，并且负接口母线262、PH接口母线263及正接口母线264的一端均贯穿装置于母线固定板261上。负接口母线262的另一端分别与续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管压装串23的顶部的电气接口电连接。PH接口母线263的另一端分别与续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管压装串23的中部的电气接口电连接。正接口母线264的另一端分别与吸收二极管压装串21、续流二极管压装串22及集成门极换流晶闸管压装串23的底部的电气接口电连接。

具体地，在本实施例中，吸收电容25可以但不限于2个分立电容并联连接在一起。吸收电容25的第一端通过第一吸收母排251与负接口母线262的另一端电连接，吸收电容25的第二端通过第二吸收母排252与吸收二极管压装串21的中部的电气接口电连接。

请一并参考图10，图10为本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100中的电抗器9的结构示意图。请一并参图3至图10，电抗器9的中部开设有固定孔93，从而可以通过螺栓将电抗器9固定在电抗器固定板10的腔体底面上。电抗器9还包括第一电气接口91与第二电气接口92，电抗器9的第一电气接口91通过第一连接母排7与支撑电容6电连接，电抗器9的第二电气接口92电连接至正接口母线264。

本发明实施例提供的模块化多电平换流器的子模块100及模块化多电平换流器，通过对基于IGCT的模块化多电平换流的子模块100的合理布局，集成度高，充分利用支撑框架的空间，以节省空间，并能减少子模块中各元器件的连接距离，使得子模块100的更为紧凑，维护方便，同时通过母排进行连接使得回路杂散电感小。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离发明技术方案内容，依据发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。