[发明专利]一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元

说明书

技术领域

本发明属于柔性直流输电领域，特别涉及一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的换流阀模块单元。

背景技术

柔性直流输电系统的核心是基于全控器件的电压源换流器。多电平技术是实现高压大容量电压源变流器的优选方案。相对于二电平换流器，多电平换流器可以使用低压器件实现高电压等级输出，而并不需要开关器件的直接串联。近几年来，模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的出现使多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用。

模块化多电平换流器的换流阀采用模块化设计，由若干个结构完全相同的基本单元子模块串联构成，每一个子模块称为换流阀模块单元，通过增加换流阀中的串联子模块个数和电流水平，可以实现换流阀电压及功率等级的提升。但由于全控型可关断器件的发展受到半导体技术发展的局限，其通流能力跟不上大容量换流阀的发展水平，所以换流阀的传输功率受到一定的局限。

模块化多电平换流器利用模块单元的级联解决了全控器件的直接串联问题，但每个模块均需要大容量的直流支撑电容来稳定电压，随着换流器功率等级的不断提升，直流支撑电容的体积、重量等因素将成为换流阀维护、检修的瓶颈。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，其可解决目前柔性输电中传输功率受到器件制约及维护不便的问题，基于此种模块单元的电压源换流器可提高输电功率，设备效率高，故障保护可靠性高，设备可维护性好。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元，包括相互连接的分离式变流单元和固定式直流储能单元；还包括底板和隔板，所述隔板活动装设在底板上，并能够在底板上往复移动；所述分离式变流单元安装在隔板上，而固定式直流储能单元安装在底板上。

上述固定式直流储能单元包括一个直流储能电容或至少2个相互并联的直流储能电容，所述模块单元还包括第一叠层母排，所有直流储能电容通过第一叠层母排进行并联，且所述第一叠层母排通过框架固定在底板上。

上述分离式变流单元包括旁路开关、4个功率半导体开关器件和二次控制保护单元，第一功率半导体开关器件的发射极连接第二功率半导体开关器件的集电极，第三功率半导体开关器件的发射极连接第四功率半导体开关器件的集电极，且第一、三功率半导体开关器件的集电极连接，第二、四功率半导体开关器件的发射极连接，所述旁路开关的一端连接第二、四功率半导体开关器件的集电极，另一端连接第二、四功率半导体开关器件的发射极；所述旁路开关及4个功率半导体开关器件的控制端均连接二次控制保护单元；

所述模块单元还包括功率半导体开关器件散热器和第二叠层母排，所述功率半导体开关器件散热器安装在隔板上靠近固定式直流储能单元的位置，所述功率半导体开关器件均安装在功率半导体开关器件散热器上，第二叠层母排覆盖在功率半导体开关器件上；所述二次控制保护单元设于功率半导体开关器件散热器的下侧，而旁路开关设于功率半导体开关器件散热器的外侧。

上述模块单元还包括至少一根水管，所述水管的一端连接功率半导体开关器件散热器，另一端连接水源。

上述分离式变流单元还包括4个功率半导体开关器件续流二极管和1个功率二极管，所述4个功率半导体开关器件续流二极管分别与4个功率半导体开关器件对应反向并联，而功率二极管与第二功率半导体开关器件反向并联；

所述模块单元还包括功率二极管散热器，所述功率二极管和功率二极管散热器均设于所述旁路开关的上侧。

上述模块单元还包括至少一根水管，所述水管的一端连接功率二极管散热器，另一端连接水源。

采用上述方案后，本发明将固定式直流储能单元和分离式变流单元整合在一起，形成组成电压源换流器完整功能的最小模块单元，通过此模块单元的有序级联，形成适用于不同电压、不同功率的电压源换流器，具有以下有益效果：

（1）分离式变流单元是一个相对独立的整体，固定在隔板上并可在底板上来回移动，电气连接设计为可分离式，实现现场灵活拆卸；

（2）所有全控开关器件被置于封闭的空间，器件失效时不会有部件飞溅的风险；

（3）利用功率二极管构成对与其并联的功率半导体开关器件续流二极管的过流保护，提高了保护可靠性，同时提高了换流器的效率；