一种柔性直流换流阀子模块及其能量转移装置的制作方法

1.本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种柔性直流换流阀子模块及其能量转移装置。


背景技术：

2.柔性直流输电技术可应用于分布式可再生能源并网、海岛及城市负荷密集区供电。基于全控型电力电子开关器件的电压源型模块化多电平换流器在柔性直流输电领域有着广泛的应用。
3.柔性直流换流阀子模块包含上管igbt和下管igbt，两只igbt串联后与子模块的直流电容并联连接。目前，上管igbt和下管igbt直通故障，是柔性直流换流阀中常见故障，该故障发生时，igbt可能发生短路失效，造成子模块电容直通放电，在柔性直流换流阀子模块正常运行电压情况下，直流电容直通放电时将产生ma级冲击放电电流，造成子模块结构件剧烈震动，对子模块结构稳定、水路安全、igbt器件外壳掉落飞溅均产生了很大的风险，不利于换流阀安全运行以及运维检修时的清理工作。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种柔性直流换流阀子模块及其能量转移装置，以解决在换流阀子模块内上管igbt和下管igbt直通后，过大的直流电容放电电流对子模块结构、水路以及igbt封装外壳产生破坏性的冲击力，进而影响柔性直流换流阀运行的安全性。
5.根据本发明的一方面，提供了一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置，其中包括：
6.旁路开关、晶闸管、第一igbt管、第二igbt管、电容和能量转移电路；
7.所述旁路开关、所述晶闸管和所述第二igbt管并联，并联的一端连接所述第一igbt管的发射极，另一端连接所述电容的一端，所述电容的另一端与所述第一igbt管的集电极之间连接有所述能量转移电路，所述能量转移电路用于所述第一igbt管和所述第二igbt管通流时，转移所述电容中的能量。
8.可选的，所述能量转移电路包括：变压器、至少一个储能器件和至少一个耗能器件；
9.所述变压器的原边的一端与所述第一igbt管的集电极连接，另一端与所述电容的另一端连接；
10.所述储能器件的一端与所述变压器的副边的一端连接，所述储能器件的另一端与所述变压器的副边的另一端连接；
11.所述耗能器件并联在所述储能器件的两端。
12.可选的，所述储能器件为多个时，多个所述储能器件相互并联。
13.可选的，所述耗能器件为多个时，多个所述耗能器件相互串联。
14.可选的，所述储能器件为电容器或储能电池中的一种。
15.可选的，所述耗能器件为电阻。
16.可选的，所述能量转移电路还包括：整流二极管，所述整流二极管的阳极与所述变压器副边的另一端连接，所述整流二极管的阴极与所述储能器件的另一端连接。
17.可选的，所述能量转移电路包括电抗。
18.根据本发明的另一方面，提供了一种柔性直流换流阀子模块，其中包括本发明提供的柔性直流换流阀子模块能量转移装置，还包括：控制板卡，所述控制板卡分别与所述旁路开关的控制端、所述晶闸管的控制端、所述第一igbt管的控制端和所述第二igbt管的控制端电连接。
19.可选的，所述柔性直流换流阀子模块为半桥拓扑结构。
20.本发明实施例的技术方案，在换流阀子模块内上管igbt和下管igbt直通后，通过能量转移电路转移电容中的能量，进而限制直流电容放电电流速率和大小，避免过大的直流电容放电电流对子模块结构、水路以及igbt封装外壳产生破坏性的冲击力，提高柔性直流换流阀运行安全性。
21.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例提供的一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置的结构示意图；
24.图2为本发明实施例提供的另一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置的结构示意图；
25.图3为本发明实施例提供的又一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置的结构示意图；
26.图4为本发明实施例提供的一种柔性直流换流阀子模块的结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
28.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆
盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
29.图1为本发明实施例提供的一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括：旁路开关10、晶闸管20、第一igbt管30、第二igbt管40、电容50和能量转移电路60。
30.参阅图1，旁路开关10、晶闸管20和第二igbt管40并联，并联的一端连接第一igbt管40的发射极，另一端连接电容50的一端，电容50的另一端与第一igbt管30的集电极之间连接有能量转移电路60，能量转移电路60用于第一igbt管30和第二igbt管40通流时，转移电容50中的能量。
31.其中，旁路开关10用于控制子模块进入旁路状态；晶闸管20用于控制电路过电流时电流导通分流；第一igbt管30以及第二igbt管40用于子模块整流；电容50可以为直流电容c；能量转移电路60包括但不限于变压器、储能元件以及耗能元件。
32.具体而言，在柔性直流换流阀子模块处于故障状态时，即第一igbt管30和第二igbt管40通流时，引起电容50直流放电。在柔性直流换流阀子模块正常运行电压情况下，电容50的放电电流可以达到最大放电电流，且电流变化率过大，这样，过大的放电电流会对子模块结构、水路以及igbt封装外壳产生破坏的冲击力。此时，置于电容50与第一igbt管30的集电极之间的能量转移电路60对电容50中的能量进行转移，进而限制了电容50放电电流速率和大小，避免过大的放电电流对子模块结构、水路以及igbt封装外壳产生破坏的冲击力。
33.可以理解的是，柔性直流换流阀子模块处于正常工作状态时，电容50放电电流为脉冲型电流，电流变化率低，一些实施例中，电流变化率为2a/us左右，此时能量转换电路60不影响子模块的运行工况。
34.本发明实施例的技术方案，在换流阀子模块内上管igbt和下管igbt直通后，通过能量转移电路转移电容中的能量，进而限制直流电容放电电流速率和大小，避免过大的直流电容放电电流对子模块结构、水路以及igbt封装外壳产生破坏性的冲击力，提高柔性直流换流阀运行安全性。
35.可选的，在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置。图2为本发明实施例提供的另一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置的结构示意图，该装置在上述实施例的基础上，进一步细化了能量转移电路的具体结构。
36.如图2所示，能量转移电路60包括：变压器61、至少一个储能器件62和至少一个耗能器件63；变压器61的原边的一端与第一igbt管30的集电极连接，另一端与电容50的另一端连接；储能器件62的一端与变压器61的副边的一端连接，储能器件62的另一端与变压器61的副边的另一端连接；耗能器件63并联在储能器件62的两端。
37.其中，变压器61用于对电容50放电电流进行耦合，并将能量输送至能量转换电路60内部，变压器61的规格根据子模块的具体规格进行设定；储能元件62包括但不限于电容器或电池，用于储存变压器61输送的能量；耗能元件63包括但不限于电阻，用于消耗储存于储能元件62的能量。
38.具体而言，在柔性直流换流阀子模块处于故障状态时，即第一igbt管30和第二igbt管40通流时，引起电容50直流放电。在柔性直流换流阀子模块正常运行电压情况下，电
容50的放电电流可以达到最大放电电流，且电流变化率过大，由于电流通过变压器61原边，且电流变化率过大，变压器61通过耦合将放电电流耦合至副边，进而对储能元件62进行充电，实现电容50放电电流的转移。在电容50放电后，并联与储能元件62两端的耗能元件63缓慢消耗储存于储能元件62中的能量。即第一igbt管30和第二igbt管40通流时，电容放电电流变化率达到数百ka/us，能量转移装置60等效为一个高感值电抗，电容50放电电流被高感值电抗限制了电流上升率以及电流峰值，进而限制了电容50放电电流速率和大小，避免过大的放电电流对子模块结构、水路以及igbt封装外壳产生破坏的冲击力。
39.可以理解的是，柔性直流换流阀子模块处于正常工作状态时，电容50放电电流为脉冲型电流，电流变化率低，一些实施例中，电流变化率为2a/us左右，此时电流变化率低，能量转换电路60处于低阻抗状态，不影响子模块的运行工况。
40.基于上述实施例的技术方案，在储能器件62为多个时，多个储能器件相互并联。其中，储能元件62包括但不限于电容器或储能电池中的一种，储能元件62的个数可以根据换流阀子模块的规格设定，在此不做限定。
41.具体而言，多个储能元件62并联，增大能量转移电路60可以储存的能量，进而进一步限制了电容50放电电流速率和大小。
42.基于上述实施例的技术方案，耗能器件63为多个时，多个耗能器件相互串联。其中，耗能器件63包括但不限于电阻，耗能器件63的个数可以根据换流阀子模块的实际规格进行设定，在此不做限定。
43.具体而言，多个耗能器件63相互串联，增大了能量转移电路60的负载，进而提高了柔性直流换流阀子模块能量转移装置的耗能。
44.基于上述实施例，本发明实施例还提供一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置。图3为本发明实施例提供的又一种柔性直流换流阀子模块能量转移装置的结构示意图，该装置在上述实施例的基础上，提供一种可选的能量转移电路的具体结构。
45.如图3所示，能量转移电路60还包括：整流二极管64，整流二极管64的阳极与变压器61副边的另一端连接，整流二极管64的阴极与储能器件62的另一端连接。
46.具体而言，电容50放电电流通过变压器61原边，由于电流变化率过大，变压器61通过耦合将放电电流耦合至副边，整流二极管64对变压器61副边输出电流进行整流，进而对储能元件62进行充电，实现电容50放电电流的转移。
47.在另一个实施例中，能量转移电路60包括电抗。当第一igbt管30和第二igbt管40通流时，电抗处于高阻状态，经电抗阻碍，可以转移电容50的一部分放电，当柔性直流换流阀子模块正常工作时，电抗处于低阻状态对整个电路工作不产生影响。
48.综上所述，本发明实施例的技术方案通过进一步细化能量转移电路的内部结构，提高能连转移电路的能量转移能力的同时，保障了能量转移电路的稳定运行，避免过大的直流电容放电电流对子模块结构、水路以及igbt封装外壳产生破坏性的冲击力，提高柔性直流换流阀运行安全性。
49.基于上述实施例，本发明提供了一种柔性直流换流阀子模块02，图4为本发明实施例提供的一种柔性直流换流阀子模块的结构示意图，如图4所示，柔性直流换流阀子模块02包括本发明提供的柔性直流换流阀子模块能量转移装置01，还包括：控制板卡70，控制板卡70分别与旁路开关10的控制端、晶闸管20的控制端、第一igbt管30的控制端和第二igbt管
40的控制端电连接。
50.具体而言，控制板卡70用于控制换流阀子模块02的运行，进而在柔性直流换流阀子模块02处于故障状态时，即第一igbt管30和第二igbt管40通流时，控制子模块进入旁路状态，进而通过能量转移装置01的运行，实现转移电容50放电电流的能量转移。
51.可选的，柔性直流换流阀子模块为半桥拓扑结构，能量转移电路60可以置于子模块第一igbt管30与电容50之间，进而在子模块出现故障时，实现电容50放电电流的能量转移。
52.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
53.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。