[發(fā)明專利]卸荷系統(tǒng)及應(yīng)用該卸荷系統(tǒng)的模塊化多電平風(fēng)電變流器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210304261.3
• 申請(qǐng)日: 2012-08-23
• 公開（公告）號(hào): CN102856909A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳杰;王志新;王國(guó)強(qiáng);吳定國(guó)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 無錫清源電氣科技有限公司
• 主分類號(hào): H02J3/14
• 分類號(hào): H02J3/14;H02J3/36
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 馬曉亞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及一種卸荷系統(tǒng)及應(yīng)用該卸荷系統(tǒng)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)建造成本的大幅增加。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。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種卸荷系統(tǒng)及應(yīng)用該卸荷系統(tǒng)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，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種卸荷系統(tǒng)，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)單元發(fā)送控制信號(hào)；

所述驅(qū)動(dòng)單元用于根據(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。