专利名称：一种基于全控器件的电压源换流器基本功能单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子器件，具体地讲，涉及用于电力系统的基于IGBT器件的交直流变换及功率控制基本功能单元。
背景技术：
随着功率半导体开关器件的性能不断提高，电力电子器件从早期电力电子装置广泛使用的半控型功率半导体开关——普通晶闸管(Thyristor)发展到如今性能优异的全控型开关，从而带动了电力电子变流技术的迅速发展，出现了以脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制为基础的各类变流装置。电压源换流器(VSC)技术是一种以可关断器件IGBT (绝缘栅双极晶体管)和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型换流技术。因为IGBT具备自关断能力，所以柔性直流输电系统能够工作在无源逆变方式下，不需要外加换相电压，受端可以是无源网络；VSC可以同时且相互独立地控制有功功率和无功功率，控制灵活方便；VSC非但不需要交流侧提供无功功率还能起到STATC0M的作用，动态补偿交流母线无功功率，稳定交流电压；VSC换流站间无需通讯，易于构成多端系统。基于晶闸管阀的常规高压直流输电在电力系统中取得了广泛的应用，它在高压远距离输电、大区电网互联方面优势明显。但是受开关器件不能控制关断的限制，晶闸管阀容易发生换相失败，无法用于弱交流系统互联。而基于全控器件的电压源换流器，具备自关断能力，无需外加换相电压，受端可以是无源网络；具备有功功率和无功功率的快速独立控制能力及无功功率的动态补偿能力，紧急状况下能够为系统提供无功功率支撑和电压支撑； 换流站间无需通讯，可实现无人值守，有助于智能电网建设。目前运行的基于电压源换流器的输电工程均采用两电平或三电平换流器结构，但此种结构存在一些问题。(1)两电平电压源换流器采用脉宽调制技术，换流器输出电压高频跃变，由此带来设备dv/dt应力大、系统损耗大、噪声高和电磁环境严酷等一系列问题。即便是三电平电压源换流器也只能一定程度上缓解上述问题。(2)两电平和三电平电压源换流采用开关器件串联技术，由于开关器件本身参数分散性，设计时需要给每个开关器件配备复杂的静态均压电路、动态均压电路和吸收电路， 给阀运行造成潜在故障隐患。此外，开关器件串联技术对压装工艺要求很高，零件制造难度大，组装易产生缺陷。(3)两电平和三电平电压源换流输出电压波形畸变率大，谐波含量高，需要配置专门的滤波电路以降低谐波对系统造成的不良影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的电压源换流器基本功能单元，基于此种单元的电压源换流器高度模块化、对开关器件参数不敏感、输出电压变化率低、设备dv/dt应力小、噪声低、无需滤波器、安装与检修方便。本发明采用商用全控型器件IGBT，将一次主电路、二次控制保护、冷却和屏蔽依次有序集成在一起，形成具备电压源换流器完整功能的最小单元，进而通过此种功能单元的有序级联，形成一个适用不同电压等级和功率等级场合的电压源换流器。为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案本发明提供的一种电压源换流器基本功能单元，其改进之处在于所述基本功能单元包括开关器件功能块、旁路功能模块、开关器件保护功能块、二次控制保护功能块和储能单元，所述二次控制保护功能块、储能单元和旁路功能模块均固定于底板上，底板的下方设有滑轨，底板可以在滑轨上来回移动。本发明提供的第一优选的电压源换流器基本功能单元，所述开关器件功能块为 IGBT开关，所述旁路功能模块为一旁路开关，所述开关器件保护功能块为用于保护IGBT开关的晶闸管开关，所述IGBT开关器件保护用晶闸管开关与旁路开关通过电气连接。本发明提供的第二优选的电压源换流器基本功能单元，所述二次控制保护功能块包括IGBT控制板、中控板和电源，所述IGBT控制板、中控板和电源的外部均设有一屏蔽盒构成IGBT控制板盒、中控板盒和电源盒，所述电源盒与底板连接，中控板盒和IGBT控制板盒位于电源盒的上方。本发明提供的第三优选的电压源换流器基本功能单元，IGBT控制板盒内设有两个 IGBT控制板，且IGBT控制板盒通过螺栓与其下方的散热器连接；所述散热器与IGBT控制板的数量一致，且两散热器的中间设有两个IGBT，且两个IGBT面对面安装；两个IGBT的两侧设有IGBT防爆板，且散热器上也设有IGBT防爆板。本发明提供的第四优选的电压源换流器基本功能单元，所述旁路开关采用快速开关，动作时间彡3msο本发明提供的第五优选的电压源换流器基本功能单元，二次控制保护功能块包括供电单元、驱动单元和中央逻辑控制单元，所述供电单元位于电源盒内，所述中央逻辑控制单元位于中控板盒内，且每个单元均各自独立；所述驱动单元固定于IGBT与散热器的外围。本发明提供的第六优选的电压源换流器基本功能单元，所述储能单元为电容器， 采用直流电容器，与其它设备相对分开。本发明提供的第七优选的电压源换流器基本功能单元，基本功能单元水冷系统包括安装冷却IGBT的散热器及水管，水管的一端与IGBT的散热器连接，另一端连接水源。9、 根据权利要求1所述的基本功能单元，其特征在于旁路功能模块、开关器件保护功能块分别包括旁路开关驱动和晶闸管驱动，两驱动均安装于同一板盒内构成晶闸管及开关控制板盒，且集成于一块板卡上面。散热器用于带走均压电阻及IGBT导通与开断过程中产生的热量，从而避免开关器件由于结温过高造成损坏甚至爆炸。均压电阻用于均衡基本功能单元级联时子模块上的电压，避免子模块分压不均造成损坏。此外，IGBT的外围加装了防爆保护板，用于降低开关器件爆炸造成的影响；同时顶部防爆板做成防漏水装置，用于防止子模块水路漏水对关键器件IGBT及其驱动的附属电路——适配板造成影响。旁路功能块为一旁路开关，旁路开关采用快速开关，动作时间< :3ms，单元故障时可快速切除故障单元，以防止单元故障造成系统崩溃。开关器件保护功能块采用晶闸管开关，该晶闸管与开关器件电气连接，故障时可导通故障电流，起到保护IGBT开关的作用。基本功能单元的水冷系统，它包括散热器和连接水管(散热器上安装有IGBT，对 IGBT起散热作用，同时作为IGBT防爆板，连接水管一头与散热器相连，另一头与外部主水管连接，起导通冷却液的作用。)，连接水管对外由一个进水管和一个回水管组成。此外，基本功能单元还包含均压回路、防爆、冷却、防漏水、支撑结构等辅助组件; 全控器件IGBT是整个基本功能单元的核心设备，是产生交直流变换的基础。各部件的作用如下每个基本功能单元包括两个IGBT，每个IGBT都安装在一块散热器上，散热器用于带走IGBT和其它器件运行中产生的高热量，从而避免开关器件由于结温过高造成损坏甚
至爆炸。均压回路用于均衡基本功能单元级联时基本功能单元上的电压，避免由于分压不均造成设备损坏。此外，开关器件外围加装了防爆层，用于降低开关器件爆炸造成的影响；器件顶部防爆层兼备防漏水功能，用于防止子模块水路漏水对关键器件IGBT及其驱动电路造成影响。旁路功能块采用了一种特殊设计的快速开关，动作时间C3ms，与开关器件功能块并联连接；当多个基本功能单元级联成换流器运行过程中，某个基本功能单元发生故障时， 旁路功能块用于快速旁路该故障基本功能单元，从而避免对非故障基本功能单元造成影响和事故扩大化。开关器件保护功能块也与旁路功能块并联连接，对于由若干基本功能单元级联而成的电压源换流器，系统发生故障时故障电流将导致开关器件结温迅速上升而烧毁，此功能块即用于故障时分担故障电流，从而避免设备损坏。二次控制保护功能块安装于多个屏蔽盒内，有效降低了外部恶劣电磁环境对二次控制板卡的影响；二次控制保护系统包括供电单元、驱动单元和中央逻辑控制单元，每个单元都可以独立拆卸，方便调试与检修更换。基本功能单元不采用外部电源供电，供电单元由储能单元高电压取能经过特殊调理电路输出不同电压，用于给IGBT驱动、晶闸管驱动和真空开关及其驱动供电，它安装于离储能单元很近的位置，将其高位取能导线的影响区域降至最小。IGBT驱动固定于IGBT与散热器功能部分的外围、晶闸管驱动和真空开关驱动安装于晶闸管和真空开关的旁边，保证了设备及其驱动之间距离最近，降低一次强电磁环境影响从而增强驱动信号的可靠性。中央逻辑控制单元用于协调整个二次控制保护系统，并与上层站控系统接口，控制IGBT、晶闸管及旁路开关开通及关断，并提供对单元及系统的保护；二次控制保护系统内所有板卡均通过光纤通讯，避免基本功能单元的复杂电磁环境的影响，提高系统控制保护的可靠性。储能单元采用能够长期耐受非正弦电流的储能设备，并且设备本身寄生电感相对较小。
基本功能单元的水冷系统，对外由一个进水管和一个回水管组成，因此单元对外使用了最少的水嘴接头，开关器件采用外冷方式，冷却水只流过水管和散热器，且不流经一次主回路，从而最大限度地降低了漏水概率及电腐蚀的影响。基本功能单元的所有设备均固定于支撑底板之上，底部采用滑轨设计，方便电压源换流器检修时单个基本功能单元的检修和更换。子模块主要技术特点如下(1)电气上自成系统，是VSC的最小功能单元，电气上便于扩展；(2)结构独立，一个子模块就是一个完整的VSC基本功能单元，方便级联扩展；(3)采用紧凑型设计，在有限空间内集成了一次电气设备、结构、冷却系统及二次控制保护系统；(4)子模块具有独立的供电单元，保证连续触发条件下的能量需求；(5) 一次回路与二次板卡物理上相互隔离，减小一次回路强电磁环境对二次部分的干扰。与现有技术相比，本发明提供的一种基于全控器件的电压源换流器基本功能单元具有以下优点1、基本功能单元电气上自成系统，具备电压源换流器的完成功能，电气上便于扩展；2、基本功能单元结构独立，方便级联扩展，级联数目可根据电压等级和功率等级灵活调整；3、基本功能单元采用功能分区设计，外观上脉络清晰，每个功能区可独立拆装，安装与检修方便；4、基本功能单元采用紧凑型设计，在有限空间内集成了一次电气设备、结构、冷却系统及二次控制保护系统；5、基本功能单元具有独立的供电单元，保证连续触发条件下的能量需求；6、基本功能单元一次回路与二次板卡物理上相互隔离，减小一次回路强电磁环境对二次部分的干扰；7、基本功能单元实现了防火、防爆、防水、抗干扰设计，单元可靠性高；8、基本功能单元实现了真正意义上的模块化，可实现规模化生产，有助于缩短工程工期。
图1是本发明提供的一种基于全控器件的电压源换流器基本功能单元的主视图；图2是本发明提供的一种基于全控器件的电压源换流器基本功能单元的俯视图；图3是本发明提供的一种基于全控器件的电压源换流器基本功能单元的IGBT开关及其控制部分相对位置及连接关系；图4是本发明提供的一种基于全控器件的电压源换流器基本功能单元的VSC基本功能单元的整体电路图中1、滑轨；2、电容器；3、旁路开关；4、用于保护晶闸管的开关；5、IGBT控制板盒；6、底板；7、电源盒；8、中控板盒；9、晶闸管及开关控制板盒；10、水管；11、IGBT控制板盒；12、连接母排；13、IGBT控制板；14、散热器；15、IGBT ；16、IGBT防爆板。
具体实施例方式以下通过
及具体实施方式
对本发明提供的一种基于全控器件的电压源换流器基本功能单元做进一步更详细的说明。实施例1本实例的电压源换流器基本功能单元，包括旁路功能模块、开关器件保护功能块、 二次控制保护功能块和储能单元，二次控制保护功能块、储能单元和旁路功能模块均固定于底板6上，底板6的下方设有滑轨1，底板6可以在滑轨1上来回移动；基本功能单元的所有设备均固定于支撑底板6之上，底部采用滑轨设计，方便电压源换流器检修时单个基本功能单元的检修和更换。如图1所示，旁路功能模块为一旁路开关3，开关器件保护功能块为用于保护晶闸管的开关4，用于保护晶闸管的开关与旁路开关通过电气连接。二次控制保护功能块包括IGBT控制板13、中控板和电源，IGBT控制板13、中控板和电源的外部均设有一屏蔽盒构成IGBT控制板盒11、中控板盒8和电源盒7，电源盒7与底板6连接，中控板盒8和IGBT控制板盒5位于电源盒7的上方。IGBT控制板盒内设有两个IGBT控制板13，如图6所示，IGBT控制板盒11通过螺栓与其下方的散热器14连接；散热器14与IGBT控制板13的数量一致，且两散热器14的中间设有两个IGBT15，且两个IGBT15对应连接；两个IGBT15的两侧设有IGBT防爆板16， 且散热器上也设有IGBT防爆板。二次控制保护功能块包括供电单元、驱动单元和中央逻辑控制单元，供电单元位于电源盒内，中央逻辑控制单元位于中控板盒8内，且每个单元均各自独立；驱动单元固定于IGBT与散热器14的外围。储能单元为电容器2，采用直流电容器，与其它设备相对分开。如图1-2所示，基本功能单元包括水冷系统，即安装冷却IGBT的散热器及水管，水管的一端与IGBT的散热器连接，另一端连接水源；IGBT控制板盒上有四个圆孔个，其右侧的两个圆孔为水管通过该孔与IGBT的散热器连接。旁路功能模块、开关器件保护功能块分别包括旁路开关驱动和晶闸管驱动，两驱动均安装于同一板盒内构成晶闸管及开关控制板盒，且集成于一块板卡上面。如图1所示，旁路功能模块为一旁路开关3，开关器件保护功能块为保护晶闸管开关4，保护晶闸管开关与旁路开关通过电气连接。旁路功能块采用了一种特殊设计的快速开关，动作时间为:3ms，与开关器件功能块并联连接；当多个基本功能单元级联成换流器运行过程中，某个基本功能单元发生故障时， 旁路功能块用于快速旁路该故障基本功能单元，从而避免对非故障基本功能单元造成影响和事故扩大化。其中，IGBT是整个基本功能单元的核心设备，每个基本功能单元包含两个IGBT， 分别安装在各自散热器上，散热器用于带走IGBT和其它器件运行中产生的高热量，从而避免开关器件由于结温过高造成损坏甚至爆炸。二次控制保护系统安装于多个屏蔽盒内，有效降低了外部恶劣电磁环境对二次控制板卡的影响；二次控制保护系统包括供电单元、驱动单元和中央逻辑控制单元，每个单元都可以独立拆卸，方便调试与检修更换。基本功能单元不采用外部电源供电，它的供电单元由储能单元高电压取能经过特殊调理电路输出不同电压，用于给IGBT驱动、晶闸管驱动和真空开关及其驱动供电，它安装于离储能单元很近的位置，将其高位取能导线的影响区域降至最小。IGBT驱动固定于IGBT与散热器功能部分的外围、晶闸管驱动和真空开关驱动安装于晶闸管和真空开关的旁边，保证了设备及其驱动之间距离最近，降低一次强电磁环境影响从而增强驱动信号的可靠性。储能单元采用能够长期耐受非正弦电流且设备本身寄生电感相对较小的储能设备，并且设备单独布置于单元后侧，与其它设备相对分开。因此单元对外使用了最少的水嘴接头，开关器件采用外冷方式，冷却水只流过水管和散热器，且不流经一次主回路，从而最大限度地降低了漏水概率及电腐蚀的影响。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批的权利要求保护范围之内。
权利要求
1.一种电压源换流器基本功能单元，其特征在于所述基本功能单元包括开关器件功能块、旁路功能模块、开关器件保护功能块、二次控制保护功能块和储能单元，所述二次控制保护功能块、储能单元和旁路功能模块均固定于底板上，底板的下方设有滑轨，底板可以在滑轨上来回移动。
2.根据权利要求1所述的基本功能单元，其特征在于所述开关器件功能块为IGBT开关，所述旁路功能模块为一旁路开关，所述开关器件保护功能块为用于保护IGBT开关的晶闸管开关，所述IGBT开关器件保护用晶闸管开关与旁路开关通过电气连接。
3.根据权利要求1所述的基本功能单元，其特征在于所述二次控制保护功能块包括 IGBT控制板、中控板和电源，所述IGBT控制板、中控板和电源的外部均设有一屏蔽盒构成 IGBT控制板盒、中控板盒和电源盒，所述电源盒与底板连接，中控板盒和IGBT控制板盒位于电源盒的上方。
4.根据权利要求3所述的基本功能单元，其特征在于IGBT控制板盒内设有两个IGBT 控制板，且IGBT控制板盒通过螺栓与其下方的散热器连接；所述散热器与IGBT控制板的数量一致，且两散热器的中间设有两个IGBT，且两个IGBT面对面安装；两个IGBT的两侧设有 IGBT防爆板，且散热器上也设有IGBT防爆板。
5.根据权利要求2所述的基本功能单元，其特征在于所述旁路开关采用快速开关，动作时间彡3ms。
6.根据权利要求1或3所述的基本功能单元，其特征在于二次控制保护功能块包括供电单元、驱动单元和中央逻辑控制单元，所述供电单元位于电源盒内，所述中央逻辑控制单元位于中控板盒内，且每个单元均各自独立；所述驱动单元固定于IGBT与散热器的外围。
7.根据权利要求1所述的基本功能单元，其特征在于所述储能单元为电容器，采用直流电容器，与其它设备相对分开。
8.根据权利要求1所述的基本功能单元，其特征在于基本功能单元水冷系统包括安装冷却IGBT的散热器及水管，水管的一端与IGBT的散热器连接，另一端连接水源。
9.根据权利要求1所述的基本功能单元，其特征在于旁路功能模块、开关器件保护功能块分别还包括旁路开关驱动和晶闸管驱动，两驱动均安装于同一板盒内构成晶闸管及开关控制板盒，且集成于一块板卡上面。
全文摘要
本发明涉及一种电压源换流器基本功能单元，其特征在于所述基本功能单元包括开关器件功能块、旁路功能模块、开关器件保护功能块、二次控制保护功能块和储能单元，所述二次控制保护功能块、储能单元和旁路功能模块均固定于底板上，底板的下方设有滑轨，底板可以在滑轨上来回移动；基于此种单元的电压源换流器高度模块化、对开关器件参数不敏感、输出电压变化率低、设备dv/dt应力小、噪声低、无需滤波器、安装与检修方便。
文档编号H01L23/473GK102163907SQ201110030469
公开日2011年8月24日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者李云鹏, 李强, 栾洪洲, 汤广福, 贺之渊 申请人:中国电力科学研究院