卸荷系統及應用該卸荷系統的模塊化多電平風電變流器的製作方法
2023-09-12 01:03:00 1
專利名稱：卸荷系統及應用該卸荷系統的模塊化多電平風電變流器的製作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電併網領域，尤其涉及一種卸荷系統及應用該卸荷系統的模塊化多電平風電變流器。
背景技術：
在海上風電場併網的柔性直流輸電系統中，風場側與電網側通常採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，由於海上換流站和岸上換流站通常為基於全控型電力電子器件例如絕緣柵雙極型電晶體(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於電壓源變流器的高壓直流輸電系統(VSC-HVDC)。常規工況下，海上換流站工作於整流狀態，岸上換流站工作於逆變狀態，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恆頻、恆壓的交流電後併入電網。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並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，目前基於電壓源變流器的高壓直流輸電系統中的變流器通常採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，對變流器的製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體構成的電路，一個三極體對正極導通實現上拉，另一個三極體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，由於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。由於風能的不穩定性，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，通常要求所採用的基於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於直流側電壓升高而採取過壓保護措施，最終導致風電場離網的問題。經檢索發現，基於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。當檢測電壓高於設置的上限門檻值時將卸荷電阻接入直流或交流母線，消耗掉多餘能量，當檢測電壓低於設置的下限門檻值時將卸荷電阻切除，從而維持基於電壓源變流器的高壓直流輸電系統的直流側電壓在一定範圍內穩定，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、由於基於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採用大功率電阻，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製造工藝複雜，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
發明內容
針對上述技術問題，本發明的目的在於提供一種卸荷系統及應用該卸荷系統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，避免在卸荷電路中採用大功率卸荷電阻，降低了變流器的成本和體積。為達此目的，本發明採用以下技術方案—種卸荷系統,包括信號採集單元、數據處理單元、驅動單元及卸荷電路,其中，所述信號採集單元、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；所述信號採集單元用於實時測量其所在功率單元中直流電容的電壓，並發送給數據處理單元；所述數據處理單元用於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電變流器中各功率單元的工作狀態，並根據該工作狀態向驅動單元發送控制信號；所述驅動單元用於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； 所述卸荷電路用於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，所述驅動單元還用於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，所述卸荷系統還包括開關電源，用於為驅動單元供電。特別地，所述數據處理單元包括單片機，該單片機用於設置所述模塊化多電平風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。本發明還公開了一種應用上述卸荷系統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採集單元、驅動單元及卸荷電路，其中，N為大於等於2的整數；所述信號採集單元與其所在功率單元的直流電容並聯連接，用於實時測量直流電容的電壓，並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，用於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並聯連接，用於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後與所述直流電容並聯連接。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橋結構連接後與所述直流電容並聯連接。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為大於等於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電晶體與二極體並聯構成。特別地，所述驅動單元還用於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，用於為驅動單元供電。 本發明針對模塊化多電平風電變流器拓撲結構採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，取代傳統卸荷系統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，同時由於各級聯功率單元的電壓和功率等級較低，避免了採用大功率卸荷電阻，降低了模塊化多電平風電變流器的成本和體積。
圖I為本發明實施例提供的卸荷系統框圖；圖2為本發明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為本發明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為本發明實施例提供的應用圖I中所述卸荷系統的模塊化多電平風電變流器結構圖；圖5為本發明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。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。請參照圖I所示，圖I為本發明實施例提供的卸荷系統框圖。本實施例中卸荷系統包括信號採集單元101、數據處理單元102、驅動單元103、開關電源104及卸荷電路105。其中，所述信號採集單元101、驅動單元103及卸荷電路105均加裝在模塊化多電平風電變流器的功率單元中，也即卸荷系統中信號採集單元101、驅動單元103及卸荷電路105的數量和模塊化多電平風電變流器中級聯的功率單元的數量相等。所述信號採集單元101用於實時測量其所在功率單元中直流電容的電壓，並發送給數據處理單元102。信號採集單元101採集到直流電容的電壓後，將把該電壓和其所在功率單元的編號信息通過數據總線發送給數據處理單元102。所述數據處理單元102用於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電變流器中各功率單元的工作狀態，並根據該工作狀態向驅動單元103發送控制信號。數據處理單元102將接收來自模塊化多電平風電變流器的所有功率單元中的信號米集單兀101輸入的直流電容的電壓。本實施例中的數據處理單元102以具有通訊功能的單片機為核心，該單片機根據卸荷電路105所在功率單元的不同，分別設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。當數據處理單元102接收到來自模塊化多電平風電變流器的所有功率單元中的信號採集單元101輸入的直流電容的電壓後，單片機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行比較，確定所述模塊化多電平風電變流器中各功率單元的工作狀態，並向直 流電容的電壓大於上限電壓值的功率單元中的驅動單元103發送開通卸荷電路105的控制信號，向直流電容的電壓小於下限電壓值的功率單元中的驅動單元103發送關斷卸荷電路105的控制信號。所述驅動單元103用於根據輸入的所述控制信號驅動卸荷電路105中開關器件的開通和關斷。驅動單元103除了用於驅動卸荷電路105中開關器件的開通和關斷外，同時還用於檢測與其配合的卸荷電路105的故障信息，並通過數據總線發送給數據處理單元102。為了保證驅動單元103的可靠工作，驅動電路由單獨的開關電源104供電。所述卸荷電路105用於通過自身開關器件的關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器件。所述卸荷電阻和開關器件串聯連接。如圖2所示，圖2為本發明實施例提供的加裝卸荷電路的半橋結構的功率單元結構圖。加裝卸荷電路的半橋結構功率單元包括信號採集單元、驅動電路、開關電源(圖中未畫出)、卸荷電路、直流電容以及兩個全控型電力電子器件。本實施例中全控型電力電子器件由絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)和二極體並聯構成。卸荷電路由卸荷電阻和開關器件串聯構成，開關器件由絕緣柵雙極型電晶體和二極體並聯構成。其中，所述兩個全控型電力電子器件串聯連接後與所述直流電容並聯連接。卸荷電路和信號採集單元也均與直流電容並聯連接。驅動電路與開關器件中絕緣柵雙極型電晶體的柵極連接，開關電源與驅動電路連接。兩個全控型電力電子器件的中點為該半橋結構功率單元的第一輸出端，直流電容的負極為該半橋結構功率單元的第二輸出端。如圖3所示，圖3為本發明實施例提供的加裝卸荷電路的H橋結構的功率單元結構圖。加裝卸荷電路的H橋結構功率單元包括信號採集單元、驅動電路、開關電源(圖中未畫出)、卸荷電路、直流電容以及四個全控型電力電子器件。本實施例中全控型電力電子器件由絕緣柵雙極型電晶體和二極體並聯構成。卸荷電路由卸荷電阻和開關器件串聯構成；開關器件由絕緣柵雙極型電晶體和二極體並聯構成。其中，四個全控型電力電子器件以H橋結構連接後與所述直流電容並聯連接。卸荷電路和信號採集單元也均與直流電容並聯連接。驅動電路與開關器件中絕緣柵雙極型電晶體的柵極連接，開關電源與驅動電路連接。該H橋結構功率單元的兩個橋臂中點處為分別為其第一輸出端和第二輸出端，所述中點是指每個橋臂中兩個全控型電力電子器件的連接點。所述H橋結構的定義如下由兩個三極體構成的電路，一個三極體對正極導通實現上拉，另一個三極體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，由於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。如圖4所示，圖4為本發明實施例提供的應用圖I中所述卸荷系統的模塊化多電平風電變流器結構圖。本實施例中應用上述卸荷系統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採集單元、驅動單元、開關電源及卸荷電路，其中，N取12。將每個功率單元與其內部集成的所述信號採集單元、驅動單元、開關電源及卸荷電路構成的模塊命名為子模塊SM。這樣一來，應用卸荷系統的模塊化多電平風電變流器就是由12個子模塊SMI、SM2. . . SMl2級聯構成。 所述信號採集單元與其所在功率單元的直流電容並聯連接，用於實時測量直流電容的電壓，並通過數據總線401發送給數據處理單元402。所述驅動單元與卸荷電路的開關器件連接，用於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。驅動單元除了用於驅動卸荷電路中開關器件的開通和關斷外，同時還用於檢測與其配合的卸荷電路的故障信息，並通過數據總線401發送給數據處理單元402。為了保證驅動單元的可靠工作，驅動電路由單獨的開關電源供電。所述卸荷電路與其所在功率單元的直流電容並聯連接，用於通過自身開關器件的關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構功率單元為例。如圖4所示，各子模塊的輸出端首尾依次相連，構成級聯結構，作為一個橋臂，最後將六組上述級聯結構組成的橋臂以三相橋式結構連接，三相橋中點為變流器的交流輸出端，三相橋上下兩星點為變流器公共直流側的正、負級。這種形式的特點是各橋臂級聯子模塊的個數不受限制，可以根據電壓等級需要，採用任意多個子模塊級聯的形式。當海上風電場側變流器403和岸上變流器404均使用所述應用卸荷系統的模塊化多電平風電變流器時，通過將兩端變流器(即海上風電場側變流器和岸上變流器)對應的星點用海底直流電纜405連接即構成基於電壓源變流器的高壓直流輸電系統。當海上風電場側變流器403的額定功率200kW (千瓦)時，各子模塊中功率單元的平均輸出功率為200/12等於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的額定電壓2000V，各子模塊中功率單元的額定電壓1000V。數據處理單元402設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的信號採集單元實時測量直流電容的電壓，並將該電壓發送給數據處理單元。數據處理單元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行比較。當直流電容的電壓大於1600V時，數據處理單元402將子模塊SMl對應標誌位設置為1，並通過數據總線401向驅動單元發送控制信號0X8000，即將子模塊SMl對應的二進位數據位設置為1，其餘數據位均設置為O。子模塊SMl中的驅動單元接收到所述控制信號後，根據對應的位置數據驅動卸荷電路的開關器件開通，從而卸荷電阻接入功率單元中，開始卸荷，消耗掉多餘能量。當直流電容的電壓小於1200V時，數據處理單元402通過數據總線401向驅動單元發送控制信號，驅動單元根據收到的所述控制信號，驅動卸荷電路的開關器件關閉，從而卸荷電阻從功率單元中移除，停止放電。海上風電場側變流器403中其它子模塊的卸荷過程與子模塊SMl的卸荷過程相同。本實施例中的卸荷系統不僅能夠應用於相同電壓等級功率單元級聯的模塊化多電平風電變流器，而且能夠應用於不同電壓等級功率單元級聯的模塊化多電平風電變流器。如圖5所示，圖5為本發明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。本實施例中兩種電壓等級的功率單元級聯構成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採集單元、驅動單元、開關電源及卸荷電路。其中，N個功率單元由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組成， N為大於等於2的整數，M為大於等於I的整數。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電晶體和二極體並聯構成。本實施例中N個功率單元均為H橋結構的功率單元。所述兩種電壓等級的功率單元級聯構成的模塊化多電平風電變流器沒有無公共直流側，可作為海上風電場併網柔性直流輸電系統交流側的無功補償裝置。卸荷系統中的數據處理單元根據高電壓等級的功率單元的額定值(如額定功率、額定電壓等)設置其直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值，根據低電壓等級的功率單元的額定值(如額定功率、額定電壓等)設置其直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值。高電壓等級的功率單元和低電壓等級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。本發明中應用卸荷系統的模塊化多電平風電變流器的有益效果如下I)將傳統卸荷電路中的大功率電阻分解為多個部分，分別集成在模塊化多電平風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，有效見笑了單個卸荷電阻的功率，降低了卸荷電路的製造難度和工藝要求。2)模塊化多電平風電變流器的各個子模塊中的卸荷電路、信號採集單元及驅動單元通過數據總線與數據處理單元連接，通過單一的數據處理單元控制分布在所有子模塊中的卸荷電路，卸荷系統中各個功能單元的連線，使整個變流器的複雜度降低，便於維護。當模塊化多電平風電變流器中級聯的功率單元數量發生變化時，通過修改卸荷系統中數據處理單元傳輸的數據格式及長度，同時配置相應數量的卸荷電路、信號採集單元、驅動單元及開關電源即可，因此，能夠適用於級聯任意數量功率單元的變流器，應用範圍廣。3)各個子模塊中的卸荷電路除了具有直流電容的卸荷功能以外，同時還兼有一定的平衡直流電容電壓的功能，可保證電網暫態過程中各個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所設置的電壓上限值。4)在電網閃變、電壓跌落、風電場輸入功率波動過程中各子模塊中的卸荷電路能夠消耗多餘能量，保證變流器直流側電壓維持在所設定的範圍之內，避免變流器出現過過壓保護等現象，提高了海上風電場併網系統的抗幹擾能力，以及接入交流系統時的低電壓穿越能力。5)各個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據處理單元的單片機中分別獨立設置，因此卸荷系統不僅適用於H橋級聯和半橋級聯的模塊化多電平風電變流器，同時也適用用於不同電壓等級的功率單元級聯的模塊化多電平風電變流器，卸荷電路同樣並聯於各功率單元的直流側，根據各自所設定的不同電壓上、下限值分別獨立工作。
上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.ー種卸荷系統,其特徵在於,包括信號採集單元、數據處理單元、驅動單元及卸荷電路，其中，所述信號採集單元、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； 所述信號採集單元用於實時測量其所在功率単元中直流電容的電壓，並發送給數據處理單元； 所述數據處理單元用於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電變流器中各功率単元的工作狀態，井根據該工作狀態向驅動單元發送控制信號； 所述驅動単元用於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； 所述卸荷電路用於通過自身開關器件的關斷控制卸荷電阻的接入和移除。
2.根據權利要求I所述的卸荷系統，其特徵在於，所述驅動單元還用於將與其配合的卸荷電路的故障信息發送給數據處理単元。
3.根據權利要求2所述的卸荷系統，其特徵在於，還包括開關電源，用於為驅動單元供電。
4.根據權利要求3所述的卸荷系統，其特徵在於，所述數據處理單元包括單片機，該單片機用於設置所述模塊化多電平風電變流器中各功率単元的直流電容放電的上限電壓值和下限電壓值。
5.一種應用如權利要求I所述卸荷系統的模塊化多電平風電變流器，其特徵在於，包括N個功率單元和加裝在姆個功率單元中的信號採集單元、驅動單元及卸荷電路,其中，N為大於等於2的整數； 所述信號採集單元與其所在功率単元的直流電容並聯連接，用於實時測量直流電容的電壓，並發送給數據處理單元； 所述驅動単元與卸荷電路的開關器件連接，用於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単元的直流電容並聯連接，用於通過自身開關器件的關斷控制卸荷電阻的接入和移除。
6.根據權利要求5所述的模塊化多電平風電變流器，其特徵在幹，所述功率單元為半橋結構的功率単元，其包括直流電容和兩個全控型電力電子器件； 其中，所述兩個全控型電カ電子器件串聯連接後與所述直流電容並聯連接。
7.根據權利要求5所述的模塊化多電平風電變流器，其特徵在於，所述功率單元為H橋結構的功率単元，其包括直流電容和四個全控型電カ電子器件； 其中，四個全控型電カ電子器件以H橋結構連接後與所述直流電容並聯連接。
8.根據權利要求5至7之一所述的模塊化多電平風電變流器，其特徵在於，所述N個功率単元包括M個高電壓等級的功率単元和(N-M)個低電壓等級的功率単元，M為大於等於I的整數；其中，所述高電壓等級的功率単元中的全控型電カ電子器件選用可關斷晶閘管，所述低電壓等級的功率単元中的全控型電力電子器件由絕緣柵雙極型電晶體和ニ極管並聯構成。
9.根據權利要求8所述的模塊化多電平風電變流器，其特徵在於，所述驅動單元還用於將與其配合的卸荷電路的故障信息發送給數據處理単元。
10.根據權利要求9所述的模塊化多電平風電變流器，其特徵在幹，還包括開關電源，用於為驅動單元供電。
全文摘要
本發明公開一種卸荷系統及應用該卸荷系統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採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，取代傳統卸荷系統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，同時由於各級聯功率單元的電壓和功率等級較低，避免了採用大功率卸荷電阻，降低了模塊化多電平風電變流器的成本和體積。
文檔編號H02J3/14GK102856909SQ20121030426
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月23日 優先權日2012年8月23日
發明者吳傑, 王志新, 王國強, 吳定國 申請人:無錫清源電氣科技有限公司