專利名稱：一種卸荷裝置和應(yīng)用卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及一種卸荷裝置和應(yīng)用卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器。
背景技術(shù)：
在海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)中，風(fēng)場(chǎng)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)通常采用兩臺(tái)大容量變流器進(jìn)行連接，兩臺(tái)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(guān)斷晶閘管(GTO)的電壓源變流器，因此柔性直流輸電系統(tǒng)又稱為基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)。常規(guī)工況下，海上換流站工作于整流狀態(tài)，岸上換流站工作于逆變狀態(tài)，海上換流站將海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的交流電變換為直流電，經(jīng)海底直流電纜傳輸至岸上 換流站，再由岸上換流站逆變?yōu)楹泐l、恒壓的交流電后并入電網(wǎng)。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)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(tǒng)的方法是通過直接串聯(lián)或并聯(lián)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(duì)工藝的要求較高，同時(shí)，隨著電壓等級(jí)和傳輸容量的提高，串聯(lián)的開關(guān)器件越多勢(shì)必導(dǎo)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(tǒng)中的變流器通常采用模塊化級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，較成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為H橋模塊級(jí)聯(lián)多電平和半橋模塊級(jí)聯(lián)多電平的新型多電平結(jié)構(gòu)，模塊化多電平風(fēng)電變流器的各橋臂以功率單元串聯(lián)方式構(gòu)成，避免了開關(guān)器件的直接串聯(lián)，而且工作時(shí)不需要同一橋臂上的所有串聯(lián)的開關(guān)器件同時(shí)開關(guān)，對(duì)變流器的制造工藝要求相對(duì)較低，提高了變流器的可靠性。其中，H橋的定義如下由兩個(gè)三極管構(gòu)成的電路，一個(gè)三極管對(duì)正極導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)上拉，另一個(gè)三極管對(duì)負(fù)極導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)下拉。當(dāng)有兩套上述電路時(shí)，在同一個(gè)電路中，同時(shí)一個(gè)上拉，另一個(gè)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(fù)載的極性倒過來，由于這樣的接法加上中間的負(fù)載畫出來經(jīng)常會(huì)像一個(gè)H的字樣，故得名H橋。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，以及岸上電網(wǎng)存在閃變、不平衡、電壓跌落等暫態(tài)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(tǒng)具有低電壓穿越能力。通過在直流側(cè)加裝卸荷電路(crowbar )是一種常用的提高柔性直流輸電系統(tǒng)低電壓穿越能力的方法，該方法可以避免電網(wǎng)閃變、電壓跌落或陣風(fēng)等工況下直流側(cè)電壓的升高，從而解決了變流器由于直流側(cè)電壓升高而采取過壓保護(hù)措施，最終導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)離網(wǎng)的問題。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統(tǒng)中的卸荷電路均是沿用變頻器制動(dòng)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(shè)置比較器完成卸荷電阻的接入和切除。當(dāng)檢測(cè)電壓高于設(shè)置的上限門檻值時(shí)將卸荷電阻接入直流或交流母線，消耗掉多余能量，當(dāng)檢測(cè)電壓低于設(shè)置的下限門檻值時(shí)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(tǒng)的直流側(cè)電壓在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定，提高暫態(tài)過程中變流器的穩(wěn)定性和持續(xù)運(yùn)行能力。但是，上述實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)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(tǒng)的電壓等級(jí)較高，卸荷功率較大，因此公共直流側(cè)及交流側(cè)的卸荷電路中的電阻需要采用大功率電阻，從而導(dǎo)致變流器的體積大和成本高，針對(duì)海上換流站，變流器體積和重量的增加勢(shì)必造成海上工作平臺(tái)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(fù)雜，但一定體積的電阻的卸荷容量又有限，難以滿足電網(wǎng)較大波動(dòng)情況下暫態(tài)過渡過程的需要。
實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種卸荷裝置和應(yīng)用卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其在變流器的各級(jí)聯(lián)功率單元的直流側(cè)分別設(shè)置卸荷電路，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)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(dá)此目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案·[0007]—種卸荷裝置,包括信號(hào)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、驅(qū)動(dòng)單元及卸荷電路,其中，所述信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元及卸荷電路均加裝在模塊化多電平風(fēng)電變流器的功率單元中；所述信號(hào)采集單元與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于實(shí)時(shí)測(cè)量其所在功率單元中直流電容的電壓，并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元；所述數(shù)據(jù)處理單元與信號(hào)采集單元連接，用于根據(jù)輸入的所述直流電容的電壓，向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送控制信號(hào)；所述驅(qū)動(dòng)單元與數(shù)據(jù)處理單元連接，用于根據(jù)輸入的所述控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)卸荷電路中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷；所述卸荷電路與驅(qū)動(dòng)單元連接，用于通過自身開關(guān)器件的關(guān)斷控制卸荷電阻的接入和移除。特別地，所述驅(qū)動(dòng)單元還用于將與其配合的卸荷電路的故障信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元。特別地，所述卸荷裝置還包括開關(guān)電源，與驅(qū)動(dòng)單元連接，用于為驅(qū)動(dòng)單元供電。本實(shí)用新型還公開了一種應(yīng)用上述卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器，包括N個(gè)功率單元和加裝在每個(gè)功率單元中的信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元及卸荷電路，其中，N為大于等于2的整數(shù)；所述信號(hào)采集單元與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于實(shí)時(shí)測(cè)量直流電容的電壓，并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元；所述驅(qū)動(dòng)單元與卸荷電路的開關(guān)器件連接，用于根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元輸入的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)器件的開通和關(guān)斷；所述卸荷電路與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于通過自身開關(guān)器件的關(guān)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(jié)構(gòu)的功率單元，其包括直流電容和兩個(gè)全控型電力電子器件；其中，所述兩個(gè)全控型電力電子器件串聯(lián)連接后與所述直流電容并聯(lián)連接。特別地，所述功率單元為H橋結(jié)構(gòu)的功率單元，其包括直流電容和四個(gè)全控型電力電子器件；[0021 ] 其中，四個(gè)全控型電力電子器件以H橋結(jié)構(gòu)連接后與所述直流電容并聯(lián)連接。特別地，所述N個(gè)功率單元包括M個(gè)高電壓等級(jí)的功率單元和(N-M)個(gè)低電壓等級(jí)的功率單元，M為大于等于I的整數(shù)；其中，所述高電壓等級(jí)的功率單元中的全控型電力電子器件選用可關(guān)斷晶閘管，所述低電壓等級(jí)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(lián)構(gòu)成。特別地，所述驅(qū)動(dòng)單元還用于將與其配合的卸荷電路的故障信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元。特別地，所述模塊化多電平風(fēng)電變流器還包括開關(guān)電源，用于為驅(qū)動(dòng)單元供電。本實(shí)用新型針對(duì)模塊化多電平風(fēng)電變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用多個(gè)功率單元級(jí)聯(lián)的特點(diǎn)，在各級(jí)聯(lián)功率單元中分別設(shè)置單獨(dú)的卸荷電路，取代傳統(tǒng)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(gè)部分，·不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化多電平風(fēng)電變流器暫態(tài)過程中的卸荷功能，保持模塊化多電平風(fēng)電變流器中各級(jí)聯(lián)功率單元中直流電容的電壓均衡，同時(shí)由于各級(jí)聯(lián)功率單元的電壓和功率等級(jí)較低，避免了采用大功率卸荷電阻，降低了模塊化多電平風(fēng)電變流器的成本和體積。
圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的卸荷裝置框圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的加裝卸荷電路的半橋結(jié)構(gòu)功率單元結(jié)構(gòu)圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的加裝卸荷電路的H橋結(jié)構(gòu)功率單元結(jié)構(gòu)圖；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的應(yīng)用圖I中所述卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)圖；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的兩種電壓等級(jí)功率單元級(jí)聯(lián)的模塊化多電平風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。請(qǐng)參照?qǐng)DI所示，圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的卸荷裝置框圖。本實(shí)施例中卸荷裝置包括信號(hào)采集單元101、數(shù)據(jù)處理單元102、驅(qū)動(dòng)單元103、開關(guān)電源104及卸荷電路105。其中，所述信號(hào)采集單元101、驅(qū)動(dòng)單元103及卸荷電路105均加裝在模塊化多電平風(fēng)電變流器的功率單元中，也即卸荷裝置中信號(hào)采集單元101、驅(qū)動(dòng)單元103及卸荷電路105的數(shù)量和模塊化多電平風(fēng)電變流器中級(jí)聯(lián)的功率單元的數(shù)量相等。所述信號(hào)采集單元101與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于實(shí)時(shí)測(cè)量其所在功率單元中直流電容的電壓，并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元102。信號(hào)采集單元101采集到直流電容的電壓后，將把該電壓和其所在功率單元的編號(hào)信息通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元102。所述數(shù)據(jù)處理單元102與信號(hào)采集單元101連接，用于分析輸入的所述直流電容的電壓，確定所述模塊化多電平風(fēng)電變流器中各功率單元的工作狀態(tài)，并根據(jù)該工作狀態(tài)向驅(qū)動(dòng)單元103發(fā)送控制信號(hào)。[0037]數(shù)據(jù)處理單元102將接收來自模塊化多電平風(fēng)電變流器的所有功率單元中的信號(hào)米集單兀101輸入的直流電容的電壓。本實(shí)施例中的數(shù)據(jù)處理單元102以具有通訊功能的單片機(jī)為核心，該單片機(jī)根據(jù)卸荷電路105所在功率單元的不同，分別設(shè)置各功率單元的直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值。當(dāng)數(shù)據(jù)處理單元102接收到來自模塊化多電平風(fēng)電變流器的所有功率單元中的信號(hào)采集單元101輸入的直流電容的電壓后，單片機(jī)將把接收到的各功率單元的直流電容的電壓與該直流電容的放電的上限電壓值和下限電壓值進(jìn)行比較，確定所述模塊化多電平風(fēng)電變流器中各·功率單元的工作狀態(tài)，并向直流電容的電壓大于上限電壓值的功率單元中的驅(qū)動(dòng)單元103發(fā)送開通卸荷電路105的控制信號(hào)，向直流電容的電壓小于下限電壓值的功率單元中的驅(qū)動(dòng)單元103發(fā)送關(guān)斷卸荷電路105的控制信號(hào)。所述驅(qū)動(dòng)單元103與數(shù)據(jù)處理單元102連接，用于根據(jù)輸入的所述控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)卸荷電路105中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)單元103除了用于驅(qū)動(dòng)卸荷電路105中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷外，同時(shí)還用于檢測(cè)與其配合的卸荷電路105的故障信息，并通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元102。為了保證驅(qū)動(dòng)單元103的可靠工作，驅(qū)動(dòng)電路由單獨(dú)的開關(guān)電源104供電。所述卸荷電路105與驅(qū)動(dòng)單元103連接，用于通過自身開關(guān)器件的關(guān)斷控制卸荷電阻的接入和移除。卸荷電路105包括卸荷電阻和開關(guān)器件。所述卸荷電阻和開關(guān)器件串聯(lián)連接。如圖2所示，圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的加裝卸荷電路的半橋結(jié)構(gòu)的功率單元結(jié)構(gòu)圖。加裝卸荷電路的半橋結(jié)構(gòu)功率單元包括信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電源(圖中未畫出)、卸荷電路、直流電容以及兩個(gè)全控型電力電子器件。本實(shí)施例中全控型電力電子器件由絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和二極管并聯(lián)構(gòu)成。卸荷電路由卸荷電阻和開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，開關(guān)器件由絕緣柵雙極型晶體管和二極管并聯(lián)構(gòu)成。其中，所述兩個(gè)全控型電力電子器件串聯(lián)連接后與所述直流電容并聯(lián)連接。卸荷電路和信號(hào)采集單元也均與直流電容并聯(lián)連接。驅(qū)動(dòng)電路與開關(guān)器件中絕緣柵雙極型晶體管的柵極連接，開關(guān)電源與驅(qū)動(dòng)電路連接。兩個(gè)全控型電力電子器件的中點(diǎn)為該半橋結(jié)構(gòu)功率單元的第一輸出端，直流電容的負(fù)極為該半橋結(jié)構(gòu)功率單元的第二輸出端。如圖3所示，圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的加裝卸荷電路的H橋結(jié)構(gòu)的功率單元結(jié)構(gòu)圖。加裝卸荷電路的H橋結(jié)構(gòu)功率單元包括信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電源(圖中未畫出)、卸荷電路、直流電容以及四個(gè)全控型電力電子器件。本實(shí)施例中全控型電力電子器件由絕緣柵雙極型晶體管和二極管并聯(lián)構(gòu)成。卸荷電路由卸荷電阻和開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成；開關(guān)器件由絕緣柵雙極型晶體管和二極管并聯(lián)構(gòu)成。其中，四個(gè)全控型電力電子器件以H橋結(jié)構(gòu)連接后與所述直流電容并聯(lián)連接。卸荷電路和信號(hào)采集單元也均與直流電容并聯(lián)連接。驅(qū)動(dòng)電路與開關(guān)器件中絕緣柵雙極型晶體管的柵極連接，開關(guān)電源與驅(qū)動(dòng)電路連接。該H橋結(jié)構(gòu)功率單元的兩個(gè)橋臂中點(diǎn)處為分別為其第一輸出端和第二輸出端，所述中點(diǎn)是指每個(gè)橋臂中兩個(gè)全控型電力電子器件的連接點(diǎn)。所述H橋結(jié)構(gòu)的定義如下由兩個(gè)三極管構(gòu)成的電路，一個(gè)三極管對(duì)正極導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)上拉，另一個(gè)三極管對(duì)負(fù)極導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)下拉，當(dāng)有兩套上述電路時(shí)，在同一個(gè)電路中，同時(shí)一個(gè)上拉，另一個(gè)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(fù)載的極性倒過來，由于這樣的接法加上中間的負(fù)載畫出來經(jīng)常會(huì)像一個(gè)H的字樣，故得名H橋。如圖4所示，圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的圖I中所述應(yīng)用卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)圖。本實(shí)施例中應(yīng)用上述卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器包括N個(gè)功率單元和加裝在每個(gè)功率單元中的信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元、開關(guān)電源及卸荷電路，其中，N取12。將每個(gè)功率單元與其內(nèi)部集成的所述信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元、開關(guān)電源及卸荷電路構(gòu)成的模塊命名為子模塊SM。這樣一來，應(yīng)用卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器就是由12個(gè)子模塊SMI、SM2. . . SMl2級(jí)聯(lián)構(gòu)成。 所述信號(hào)采集單元與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于實(shí)時(shí)測(cè)量直流電容的電壓，并通過數(shù)據(jù)總線401發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元402。所述驅(qū)動(dòng)單元與卸荷電路的開關(guān)器件連接，用于根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元輸入的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)器件的開通和關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)單元除了用于驅(qū)動(dòng)卸荷電路中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷外，同時(shí)還用于檢測(cè)與其配合的卸荷電路的故障信息，并通過數(shù)據(jù)總線401發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元402。為了保證驅(qū)動(dòng)單元的可靠工作，驅(qū)動(dòng)電路由單獨(dú)的開關(guān)電源供電。所述卸荷電路與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于通過自身開關(guān)器件的關(guān)斷控制卸荷電阻的接入和移除。以所有子模塊均為圖3所示的加裝卸荷電路的半橋結(jié)構(gòu)功率單元為例。如圖4所示，各子模塊的輸出端首尾依次相連，構(gòu)成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，作為一個(gè)橋臂，最后將六組上述級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)組成的橋臂以三相橋式結(jié)構(gòu)連接，三相橋中點(diǎn)為變流器的交流輸出端，三相橋上下兩星點(diǎn)為變流器公共直流側(cè)的正、負(fù)級(jí)。這種形式的特點(diǎn)是各橋臂級(jí)聯(lián)子模塊的個(gè)數(shù)不受限制，可以根據(jù)電壓等級(jí)需要，采用任意多個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)的形式。當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)變流器403和岸上變流器404均使用所述應(yīng)用卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器時(shí)，通過將兩端變流器(即海上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)變流器和岸上變流器)對(duì)應(yīng)的星點(diǎn)用海底直流電纜405連接即構(gòu)成基于電壓源變流器的高壓直流輸電系統(tǒng)。當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)變流器403的額定功率200kW (千瓦)時(shí)，各子模塊中功率單元的平均輸出功率為200/12等于16. 7kW。取卸荷電路中卸荷電阻的功率為8kW，兩端變流器公共直流側(cè)的額定電壓2000V，各子模塊中功率單元的額定電壓1000V。數(shù)據(jù)處理單元402設(shè)置各子模塊中直流電容放電的上限電壓值為1600V，下限電壓值為1200V。以子模塊SMl為例，卸荷過程如下子模塊SMl的信號(hào)采集單元實(shí)時(shí)測(cè)量直流電容的電壓，并將該電壓發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元402將接收到的所述直流電容的電壓與該直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值進(jìn)行比較。當(dāng)直流電容的電壓大于1600V時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元402將子模塊SMl對(duì)應(yīng)標(biāo)志位設(shè)置為1，并通過數(shù)據(jù)總線401向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送控制信號(hào)0X8000，即將子模塊SMl對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位設(shè)置為I，其余數(shù)據(jù)位均設(shè)置為O。子模塊SMl中的驅(qū)動(dòng)單元接收到所述控制信號(hào)后，根據(jù)對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)卸荷電路的開關(guān)器件開通，從而卸荷電阻接入功率單元中，開始卸荷，消耗掉多余能量。當(dāng)直流電容的電壓小于1200V時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元402通過數(shù)據(jù)總線401向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)收到的所述控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)卸荷電路的開關(guān)器件關(guān)閉，從而卸荷電阻從功率單元中移除，停止放電。海上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)變流器403中其它子模塊的卸荷過程與子模塊SMl的卸荷過程相同。本實(shí)施例中的卸荷裝置不僅能夠應(yīng)用于相同電壓等級(jí)功率單元級(jí)聯(lián)的模塊化多電平風(fēng)電變流器，而且能夠應(yīng)用于不同電壓等級(jí)功率單元級(jí)聯(lián)的模塊化多電平風(fēng)電變流器。如圖5所示，圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的兩種電壓等級(jí)功率單元級(jí)聯(lián)的模塊化多電平風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)圖。本實(shí)施例中兩種電壓等級(jí)的功率單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成的模塊化多電平風(fēng)電變流器包括N個(gè)功率單元和加裝在每個(gè)功率單元中的信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元、開關(guān)電源及卸荷電路。其中，N個(gè)功率單元由M個(gè)高電壓等級(jí)的功率單元和(N-M)個(gè)低電壓等級(jí)的功率單元組成，N為大于等于2的整數(shù)，M為大于等于I的整數(shù)。所述高電壓等級(jí)的功率單元中的全控型電力電子器件選用可關(guān)斷晶閘管，所述低電壓等級(jí)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和二極管并聯(lián)構(gòu)成。本實(shí)施例中N個(gè)功率單元均為H橋結(jié)構(gòu)的功率單元。所述兩種電壓等級(jí)的功率單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成的模塊化多電平風(fēng)電變流器沒有無公共直流側(cè)，可作為海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)的無功補(bǔ)償裝置。卸荷裝置中的數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)高電壓等級(jí)的功率單元的額定值(如額定功率、額定電壓等)設(shè)置其直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值，根據(jù)低電壓等級(jí)的功率單元的額定值(如額定功率、額定電壓等)設(shè)置其直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值。高電壓等級(jí)的功率單元和低電壓等級(jí)的功率單元卸荷的工作過程與圖4中的子模塊SMl的工作過程相同。本實(shí)用新型中應(yīng)用卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器的有益效果如下I)將傳統(tǒng)卸荷電路中的大功率電阻分解為多個(gè)部分，分別集成在模塊化多電平風(fēng)電變流器的功率單元中，取代公共直流母線或交流母線處的大功率卸荷電路，有效見笑了單個(gè)卸荷電阻的功率，降低了卸荷電路的制造難度和工藝要求。2)模塊化多電平風(fēng)電變流器的各個(gè)子模塊中的卸荷電路、信號(hào)采集單元及驅(qū)動(dòng)單元通過數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)處理單元連接，通過單一的數(shù)據(jù)處理單元控制分布在所有子模塊中的卸荷電路，卸荷裝置中各個(gè)功能單元的連線，使整個(gè)變流器的復(fù)雜度降低，便于維護(hù)。當(dāng)模塊化多電平風(fēng)電變流器中級(jí)聯(lián)的功率單元數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，通過修改卸荷裝置中數(shù)據(jù)處理單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式及長(zhǎng)度，同時(shí)配置相應(yīng)數(shù)量的卸荷電路、信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元及開關(guān)電源即可，因此，能夠適用于級(jí)聯(lián)任意數(shù)量功率單元的變流器，應(yīng)用范圍廣。3)各個(gè)子模塊中的卸荷電路除了具有直流電容的卸荷功能以外，同時(shí)還兼有一定的平衡直流電容電壓的功能，可保證電網(wǎng)暫態(tài)過程中各個(gè)功率單元的直流電容的電壓差值不超過柔性直流輸電系統(tǒng)所設(shè)置的電壓上限值。4)在電網(wǎng)閃變、電壓跌落、風(fēng)電場(chǎng)輸入功率波動(dòng)過程中各子模塊中的卸荷電路能夠消耗多余能量，保證變流器直流側(cè)電壓維持在所設(shè)定的范圍之內(nèi)，避免變流器出現(xiàn)過過壓保護(hù)等現(xiàn)象，提高了海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的抗干擾能力，以及接入交流系統(tǒng)時(shí)的低電壓穿越能力。5)各個(gè)子模塊中直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值可在數(shù)據(jù)處理單元的單片機(jī)中分別獨(dú)立設(shè)置，因此卸荷裝置不僅適用于H橋級(jí)聯(lián)和半橋級(jí)聯(lián)的模塊化多電平風(fēng)電變流器，同時(shí)也適用用于不同電壓等級(jí)的功率單元級(jí)聯(lián)的模塊化多電平風(fēng)電變流器，卸荷電路同樣并聯(lián)于各功率單元的直流側(cè)，根據(jù)各自所設(shè)定的不同電壓上、下限值分別獨(dú)立工作。上述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新 型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種卸荷裝置,其特征在于,包括信號(hào)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、驅(qū)動(dòng)單元及卸荷電路，其中，所述信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元及卸荷電路均加裝在模塊化多電平風(fēng)電變流器的功率單元中； 所述信號(hào)采集單元與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于實(shí)時(shí)測(cè)量其所在功率單元中直流電容的電壓，并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元； 所述數(shù)據(jù)處理單元與信號(hào)采集單元連接，用于根據(jù)輸入的所述直流電容的電壓，向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送控制信號(hào)； 所述驅(qū)動(dòng)單元與數(shù)據(jù)處理單元連接，用于根據(jù)輸入的所述控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)卸荷電路中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷； 所述卸荷電路與驅(qū)動(dòng)單元連接，用于通過自身開關(guān)器件的關(guān)斷控制卸荷電阻的接入和移除。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的卸荷裝置，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元還用于將與其配合的卸荷電路的故障信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的卸荷裝置，其特征在于，還包括開關(guān)電源，與驅(qū)動(dòng)單元連接，用于為驅(qū)動(dòng)單元供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的卸荷裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括單片機(jī)，該單片機(jī)用于設(shè)置所述模塊化多電平風(fēng)電變流器中各功率單元的直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值。
5.一種應(yīng)用如權(quán)利要求I所述卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，包括N個(gè)功率單元和加裝在每個(gè)功率單元中的信號(hào)采集單元、驅(qū)動(dòng)單元及卸荷電路,其中，N為大于等于2的整數(shù)； 所述信號(hào)采集單元與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于實(shí)時(shí)測(cè)量直流電容的電壓，并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元； 所述驅(qū)動(dòng)單元與卸荷電路的開關(guān)器件連接，用于根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元輸入的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)器件的開通和關(guān)斷； 所述卸荷電路與其所在功率單元的直流電容并聯(lián)連接，用于通過自身開關(guān)器件的關(guān)斷控制卸荷電阻的接入和移除。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述功率單元為半橋結(jié)構(gòu)的功率單元，其包括直流電容和兩個(gè)全控型電力電子器件； 其中，所述兩個(gè)全控型電力電子器件串聯(lián)連接后與所述直流電容并聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述功率單元為H橋結(jié)構(gòu)的功率單元，其包括直流電容和四個(gè)全控型電力電子器件； 其中，四個(gè)全控型電力電子器件以H橋結(jié)構(gòu)連接后與所述直流電容并聯(lián)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7之一所述的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述N個(gè)功率單元包括M個(gè)高電壓等級(jí)的功率單元和(N-M)個(gè)低電壓等級(jí)的功率單元，M為大于等于I的整數(shù)；其中，所述高電壓等級(jí)的功率單元中的全控型電力電子器件選用可關(guān)斷晶閘管，所述低電壓等級(jí)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和二極管并聯(lián)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元還用于將與其配合的卸荷電路的故障信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，還包括開關(guān)電源，用于為驅(qū)動(dòng)單元供電。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種卸荷裝置和應(yīng)用卸荷裝置的模塊化多電平風(fēng)電變流器,針對(duì)模塊化多電平風(fēng)電變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用多個(gè)功率單元級(jí)聯(lián)的特點(diǎn)，在各級(jí)聯(lián)功率單元中分別設(shè)置單獨(dú)的卸荷電路，取代傳統(tǒng)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(gè)部分，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化多電平風(fēng)電變流器暫態(tài)過程中的卸荷功能，保持模塊化多電平風(fēng)電變流器中各級(jí)聯(lián)功率單元中直流電容的電壓均衡，同時(shí)由于各級(jí)聯(lián)功率單元的電壓和功率等級(jí)較低，避免了采用大功率卸荷電阻，降低了模塊化多電平風(fēng)電變流器的成本和體積。
文檔編號(hào)H02J3/36GK202749815SQ20122042326
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月23日
發(fā)明者吳杰, 王志新, 王國(guó)強(qiáng), 吳定國(guó) 申請(qǐng)人:無錫清源電氣科技有限公司