一種卸荷裝置和應用卸荷裝置的模塊化多電平風電變流器制造方法及圖紙

本實用新型專利技術公開一種卸荷裝置和應用卸荷裝置的模塊化多電平風電變流器,針對模塊化多電平風電變流器拓撲結構采用多個功率單元級聯的特點，在各級聯功率單元中分別設置單獨的卸荷電路，取代傳統卸荷裝置在公共直流母線或交流母線處的大功率卸荷電路，將大功率卸荷電路中大功率的卸荷電阻分解為多個部分，不僅能夠實現模塊化多電平風電變流器暫態過程中的卸荷功能，保持模塊化多電平風電變流器中各級聯功率單元中直流電容的電壓均衡，同時由于各級聯功率單元的電壓和功率等級較低，避免了采用大功率卸荷電阻，降低了模塊化多電平風電變流器的成本和體積。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及風力發電并網領域，尤其涉及一種卸荷裝置和應用卸荷裝置的模塊化多電平風電變流器。
技術介紹
在海上風電場并網的柔性直流輸電系統中，風場側與電網側通常采用兩臺大容量變流器進行連接，兩臺大容量變流器分別稱為海上換流站和岸上換流站，由于海上換流站和岸上換流站通常為基于全控型電力電子器件例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和可關斷晶閘管(GTO)的電壓源變流器，因此柔性直流輸電系統又稱為基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統(VSC-HVDC)。常規工況下，海上換流站工作于整流狀態，岸上換流站工作于逆變狀態，海上換流站將海上風電場發出的交流電變換為直流電，經海底直流電纜傳輸至岸上 換流站，再由岸上換流站逆變為恒頻、恒壓的交流電后并入電網。隨著海上風電場規模不斷擴大，對變流器的耐壓能力提出了更高的要求，而全控型電力電子器件的耐壓程度是有限的，傳統的方法是通過直接串聯或并聯全控型電力電子器件組成閥組來提高變流器的耐壓程度，但是該方法對工藝的要求較高，同時，隨著電壓等級和傳輸容量的提高，串聯的開關器件越多勢必導致變流器的可靠性降低。因此，目前基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統中的變流器通常采用模塊化級聯多電平結構，較成熟的拓撲結構為H橋模塊級聯多電平和半橋模塊級聯多電平的新型多電平結構，模塊化多電平風電變流器的各橋臂以功率單元串聯方式構成，避免了開關器件的直接串聯，而且工作時不需要同一橋臂上的所有串聯的開關器件同時開關，對變流器的制造工藝要求相對較低，提高了變流器的可靠性。其中，H橋的定義如下由兩個三極管構成的電路，一個三極管對正極導通實現上拉，另一個三極管對負極導通實現下拉。當有兩套上述電路時，在同一個電路中，同時一個上拉，另一個下拉，或相反，兩者總是保持相反的輸出，這樣可以在單電源的情況下使負載的極性倒過來，由于這樣的接法加上中間的負載畫出來經常會像一個H的字樣，故得名H橋。由于風能的不穩定性，以及岸上電網存在閃變、不平衡、電壓跌落等暫態過程的原因，通常要求所采用的基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統具有低電壓穿越能力。通過在直流側加裝卸荷電路(crowbar )是一種常用的提高柔性直流輸電系統低電壓穿越能力的方法，該方法可以避免電網閃變、電壓跌落或陣風等工況下直流側電壓的升高，從而解決了變流器由于直流側電壓升高而采取過壓保護措施，最終導致風電場離網的問題。經檢索發現，基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統中的卸荷電路均是沿用變頻器制動電阻的用法及控制方式，即卸荷電路是加裝在變流器公共直流母線或交流母線處，通過設置比較器完成卸荷電阻的接入和切除。當檢測電壓高于設置的上限門檻值時將卸荷電阻接入直流或交流母線，消耗掉多余能量，當檢測電壓低于設置的下限門檻值時將卸荷電阻切除，從而維持基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統的直流側電壓在一定范圍內穩定，提高暫態過程中變流器的穩定性和持續運行能力。但是，上述實現柔性直流輸電系統暫態過程中卸荷功能的方法存在如下問題一、由于基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統的電壓等級較高，卸荷功率較大，因此公共直流側及交流側的卸荷電路中的電阻需要采用大功率電阻，從而導致變流器的體積大和成本高，針對海上換流站，變流器體積和重量的增加勢必造成海上工作平臺建造成本的大幅增力口。二、卸荷電路中的大功率電阻的制造工藝復雜，但一定體積的電阻的卸荷容量又有限，難以滿足電網較大波動情況下暫態過渡過程的需要。
技術實現思路
針對上述技術問題，本技術的目的在于提供一種卸荷裝置和應用卸荷裝置的模塊化多電平風電變流器，其在變流器的各級聯功率單元的直流側分別設置卸荷電路，能夠實現柔性直流輸電系統暫態過程中的卸荷功能，避免在卸荷電路中采用大功率卸荷電阻，降低了變流器的成本和體積。為達此目的，本技術采用以下技術方案·—種卸荷裝置,包括信號采集單元、數據處理單元、驅動單元及卸荷電路,其中，所述信號采集單元、驅動單元及卸荷電路均加裝在模塊化多電平風電變流器的功率單元中；所述信號采集單元與其所在功率單元的直流電容并聯連接，用于實時測量其所在功率單元中直流電容的電壓，并發送給數據處理單元；所述數據處理單元與信號采集單元連接，用于根據輸入的所述直流電容的電壓，向驅動單元發送控制信號；所述驅動單元與數據處理單元連接，用于根據輸入的所述控制信號驅動卸荷電路中開關器件的開通和關斷；所述卸荷電路與驅動單元連接，用于通過自身開關器件的關斷控制卸荷電阻的接入和移除。特別地，所述驅動單元還用于將與其配合的卸荷電路的故障信息發送給數據處理單元。特別地，所述卸荷裝置還包括開關電源，與驅動單元連接，用于為驅動單元供電。本技術還公開了一種應用上述卸荷裝置的模塊化多電平風電變流器，包括N個功率單元和加裝在每個功率單元中的信號采集單元、驅動單元及卸荷電路，其中，N為大于等于2的整數；所述信號采集單元與其所在功率單元的直流電容并聯連接，用于實時測量直流電容的電壓，并發送給數據處理單元；所述驅動單元與卸荷電路的開關器件連接，用于根據數據處理單元輸入的控制信號驅動所述開關器件的開通和關斷；所述卸荷電路與其所在功率單元的直流電容并聯連接，用于通過自身開關器件的關斷控制卸荷電阻的接入和移除。特別地，所述功率單元為半橋結構的功率單元，其包括直流電容和兩個全控型電力電子器件；其中，所述兩個全控型電力電子器件串聯連接后與所述直流電容并聯連接。特別地，所述功率單元為H橋結構的功率單元，其包括直流電容和四個全控型電力電子器件； 其中，四個全控型電力電子器件以H橋結構連接后與所述直流電容并聯連接。特別地，所述N個功率單元包括M個高電壓等級的功率單元和(N-M)個低電壓等級的功率單元，M為大于等于I的整數；其中，所述高電壓等級的功率單元中的全控型電力電子器件選用可關斷晶閘管，所述低電壓等級的功率單元中的全控型電力電子器件由絕緣柵雙極型晶體管與二極管并聯構成。特別地，所述驅動單元還用于將與其配合的卸荷電路的故障信息發送給數據處理單元。特別地，所述模塊化多電平風電變流器還包括開關電源，用于為驅動單元供電。本技術針對模塊化多電平風電變流器拓撲結構采用多個功率單元級聯的特點，在各級聯功率單元中分別設置單獨的卸荷電路，取代傳統卸荷裝置在公共直流母線或交流母線處的大功率卸荷電路，將大功率卸荷電路中大功率的卸荷電阻分解為多個部分，·不僅能夠實現模塊化多電平風電變流器暫態過程中的卸荷功能，保持模塊化多電平風電變流器中各級聯功率單元中直流電容的電壓均衡，同時由于各級聯功率單元的電壓和功率等級較低，避免了采用大功率卸荷電阻，降低了模塊化多電平風電變流器的成本和體積。附圖說明圖I為本技術實施例提供的卸荷裝置框圖；圖2為本技術實施例提供的加裝卸荷電路的半橋結構功率單元結構圖；圖3為本技術實施例提供的加裝卸荷電路的H橋結構功率單元結構圖；圖4為本技術實施例提供的應用圖I中所述卸荷裝置的模塊化多電平風電變流器結構圖；圖5為本技術實施例提供的兩種電壓等級功率單元級聯的模塊化多電平風電變流器結構圖。具體實施方式為使本技術的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合附圖和實施例對本技術作進一步說明。請參照圖I所示，圖I為本技術實施例提供的卸荷裝置框圖。本實施本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種卸荷裝置，其特征在于，包括信號采集單元、數據處理單元、驅動單元及卸荷電路，其中，所述信號采集單元、驅動單元及卸荷電路均加裝在模塊化多電平風電變流器的功率單元中；所述信號采集單元與其所在功率單元的直流電容并聯連接，用于實時測量其所在功率單元中直流電容的電壓，并發送給數據處理單元；所述數據處理單元與信號采集單元連接，用于根據輸入的所述直流電容的電壓，向驅動單元發送控制信號；所述驅動單元與數據處理單元連接，用于根據輸入的所述控制信號驅動卸荷電路中開關器件的開通和關斷；所述卸荷電路與驅動單元連接，用于通過自身開關器件的關斷控制卸荷電阻的接入和移除。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳杰，王志新，王國強，吳定國，
申請(專利權)人：無錫清源電氣科技有限公司，
類型：實用新型
國別省市：