本發(fā)明涉及一種模塊化多電平換流器，尤其涉及一種基于集成門極晶閘管的模塊化多電平換流器的子模塊及采用該子模塊的模塊化多電平換流器。

背景技術(shù)：

近年來，隨著能源日益緊張和環(huán)境保護日趨重要，具有可再生和無污染特點的新能源產(chǎn)業(yè)逐漸興起，其中包括海上風力發(fā)電。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及已有運行經(jīng)驗來看，海上風電存在著位置分散、遠離電力用戶中心、電能波動性、發(fā)電間歇性等特點，因此，海上風電電網(wǎng)與陸上主電網(wǎng)之間的連接和保持電能的穩(wěn)定性是海上風力發(fā)電需要解決的兩大問題。

在目前電能變化技術(shù)中，模塊化多電平變換器(Module Multilevel Converter，MMC)技術(shù)因MMC的子模塊開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小以及等效開關(guān)頻率高，非常適合海上風力發(fā)電的高電壓及大容量場合，同時也有利于電網(wǎng)之間的連接。MMC模塊化的電路拓撲有利于結(jié)構(gòu)的模塊化，便于MMC的裝配及維護。

集成門極換流晶閘管(Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)是一種高效率、可靠性高的電力半導體器件，具備晶體管開關(guān)速度快、開關(guān)損耗低和晶閘管導通損耗低、阻斷電壓高、輸出電流大的特點，相比較IGBT在高電壓和大容量場合更有優(yōu)勢。

雖然，目前行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了一些基于IGBT的MMC模塊，但因IGCT與IGBT兩者在結(jié)構(gòu)方面的較大差異性，參考性較低，因此需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理以及維護方便的基于IGCT的MMC子模塊，以滿足海上風電等新能源產(chǎn)業(yè)的電能變換及聯(lián)網(wǎng)要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種模塊化多電平換流器的子模塊，通過合理布局，集成度高，充分利用支撐框架的空間，以節(jié)省空間，使得子模塊的更為緊湊，維護方便。

本發(fā)明提供模塊化多電平換流器的子模塊，所述子模塊包括支撐框架及裝置于支撐框架內(nèi)的壓裝組件、第一對外母排、第二對外母排、放電電阻、支撐電容、第一連接母排、第二連接母排、電抗器、電抗器固定板、吸收電阻及門極電源，所述壓裝組件的負接口母線與所述第一對外母排連接，所述壓裝組件的PH接口母線與所述第二對外母排連接，所述放電電阻的兩端分別電連接至所述支撐電容的兩個電氣接觸點，所述支撐電容的一個電氣接觸點通過所述第一連接母排連接至所述電抗器的第一電氣接口，所述支撐電容的另一個電氣接觸點通過所述第二連接母排連接至所述壓裝組件的負接口母線，所述電抗器的第二電氣接口電連接至所述壓裝組件的正接口母線，所述吸收電阻的兩個電氣接口分別電連接至所述壓裝組件與所述電抗器的第一電氣接口，所述門極電源電連接至所述壓裝組件的門驅(qū)電源接口。

具體地，所述支撐框架包括多條第一橫梁、多條第二橫梁及多條第一縱梁，所述支撐框架的一端面上設(shè)置有多條第二縱梁，所述多條第二縱梁的首部與尾部分別固定連接在所述支撐框架的一端面上的兩條第一橫梁上。

具體地，所述壓裝組件的一端面通過固定件固定安裝在第二縱梁上；所述支撐電容靠近所述壓裝組件的接口母線布置，并通過固定件將所述支撐電容的一端面固定裝置于第一縱梁與第二縱梁上；所述放電電阻裝置于所述支撐電容的另一端面上；所述電抗器固定板裝置于所述壓裝組件的下方，并緊靠所述壓裝組件的底端布置，所述電抗器固定在所述電抗器固定板的腔體的底面上；所述吸收電阻裝置于所述電抗器固定板的側(cè)面上；所述門極電源裝置于所述壓裝組件的下方，并靠近所述電抗器固定板的側(cè)面設(shè)置。

具體地，所述壓裝組件包括吸收二極管壓裝串、續(xù)流二極管壓裝串、集成門極換流晶閘管壓裝串、吸收電容、冷卻裝置及第一壓板與第二壓板，所述吸收二極管壓裝串、續(xù)流二極管壓裝串及集成門極換流晶閘管壓裝串的第一端均貼緊于所述第一壓板的第一端面上，吸收二極管壓裝串、續(xù)流二極管壓裝串及集成門極換流晶閘管壓裝串的第二端均貼緊于所述第二壓板的第一端面上，所述吸收電容靠近所述吸收二極管壓裝串設(shè)置，所述冷卻裝置分別與所述吸收二極管壓裝串、續(xù)流二極管壓裝串、集成門極換流晶閘管壓裝串連接。

具體地，所述吸收二極管壓裝串包括沿所述壓裝組件的第一導柱組件壓裝的第一散熱器、一個吸收二極管及第一絕緣板，所述續(xù)流二極管壓裝串包括沿所述壓裝組件的第二導柱組件壓裝的第二散熱器、兩個續(xù)流二極管及第二絕緣板，所述集成門極換流晶閘管壓裝串包括沿所述壓裝組件的第三導柱組件壓裝的第三散熱器、兩個集成門極換流晶閘管及第三絕緣板。

具體地，所述第一導柱組件、第二導柱組件及第三導柱組件的首端均貫穿裝置于所述第一壓板，所述第一導柱組件、第二導柱組件及第三導柱組件的尾端分別緊靠在所述第一絕緣板、第二絕緣板及第三絕緣板上，且沿縱向方向觀測時，所述第一導柱組件、第二導柱組件及第三導柱組件分別位于三角形的三個頂點。

具體地，所述冷卻裝置包括主進水管、主出水管、與所述主進水管連通設(shè)置的第一支撐水管及第二支撐水管、與所述主出水管連通設(shè)置的第三支撐水管及第四支撐水管，所述第一支撐水管、第二支撐水管、第三支撐水管及第四支撐水管均包括多個接口，所述第一支撐水管的多個接口分別與多個第一散熱器的進水口連接，所述多個第一散熱器的出水口分別與多個第二散熱器的進水口連接，所述多個第二散熱器的出口分別與所述第三支撐水管的多個接口連接，所述第二支撐水管的多個接口分別與多個第三散熱器的進水口連接，所述多個第三散熱器的出水口分別與所述第四支撐水管的多個接口連接。

具體地，所述壓裝組件還包括母線固定板，所述母線固定板的首端與尾端分別固定于所述第一壓板的側(cè)面及第二壓板的側(cè)面上，所述負接口母線、PH接口母線及正接口母線均貫穿裝置于所述母線固定板上。

具體地，所述放電電阻包括多個分立電阻，所述多個分立電阻并聯(lián)連接在一起，并通過電纜與所述支撐電容電連接。

本發(fā)明還提供模塊化多電平換流器，包括六個橋臂，每個喬臂包括n個如上所述的子模塊。

由此可見，本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊及模塊化多電平換流器，通過對基于集成門極換流晶閘管的模塊化多電平換流的子模塊的合理布局，集成度高，充分利用支撐框架的空間，以節(jié)省空間，并能減少子模塊中各元器件的連接距離，使得子模塊的更為緊湊，維護方便，同時通過母排進行連接使得回路雜散電感小。

為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊左視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊右視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊底視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊中的壓裝組件正向立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊中的壓裝組件反向立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊中的電抗器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為更進一步闡述本發(fā)明為實現(xiàn)預(yù)期目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明的具體實施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細說明如后。

圖1為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，模塊化多電平換流器(Module Multilevel Converter，MMC)由6個橋臂組成，具體地，在本實施例中，每個橋臂由多個相同的子模塊100(Sub-module，SM)串聯(lián)而成，從而構(gòu)成上下對稱的換流結(jié)構(gòu)。6個橋臂兩兩組合構(gòu)成模塊化多電平換流器中的三相，即a相、b相及c相，且a,b,c相中均包含上橋臂和下橋臂，進一步地，為了保證模塊化多電平換流器的總直流電壓穩(wěn)定，a相、b相或c相中處于投入狀態(tài)的SM的個數(shù)必須維持在n個，通過改變這n個SM在a相、b相或c相的上、下橋臂間的分配關(guān)系，從而根據(jù)接收的電流ia得到期望的交流相電壓Udc輸出。

請一并參考圖2，圖2為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。在MMC系統(tǒng)中，SM是基于集成門極換流晶閘管(Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)功率器件的電路拓撲，如圖1與圖2所示，子模塊100包括兩個集成門極換流晶閘管IGCT1,IGCT2、兩個續(xù)流二極管D1,D2、放電電阻R、支撐電容Cd、吸收電容Cs、吸收電阻Rs、電抗器Ls及吸收二極管Ds。具體地，在本實施例中，集成門極換流晶閘管IGCT1的陰極電連接至PH接口母線，集成門極換流晶閘管IGCT1的陽極電連接至正接口母線。集成門極換流晶閘管IGCT2的陽極電連接PH接口母線，集成門極換流晶閘管IGCT2的陰極電連接至負接口母線。續(xù)流二極管D1的陽極電連接至PH接口母線，續(xù)流二極管D1的陰極電連接至正接口母線。續(xù)流二極管D2的陰極電連接至PH接口母線，續(xù)流二極管D2的陽極電連接至負接口母線。電抗器Ls的第一端電連接正接口母線，電抗器Ls的第二端電連接至吸收電阻Rs的第一端，吸收電阻Rs的第二端電連接至吸收電容Cs的第一端，吸收電容Cs的第二端電連接至負接口母線。吸收二極管Ds的陽極電連接至正接口母線，吸收二極管Ds的陰極電連接至吸收電容Cs的第一端。放電電阻R的第一端電連接至電抗器Ls的第二端，放電電阻R的第二端電連接至負接口母線。支撐電容Cd的第一端電連接至電抗器Ls的第二端，支撐電容Cd的第二端電連接至負接口母線。通過控制集成門極換流晶閘管IGCT1,IGCT2的開通或關(guān)斷，使子模塊100輸出電壓Ud或0，其中，電壓Ud為支撐電容Cd的電壓，同時能夠維持支撐電容Cd電壓的相對穩(wěn)定。

請一并參考圖3至圖7，圖3為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100主視結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100左視結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100右視結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100底視結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2至圖7所示，所述子模塊100包括支撐框架1及裝置于支撐框架1內(nèi)的壓裝組件2、第一對外母排3、第二對外母排4、放電電阻5、支撐電容6、第一連接母排7、第二連接母排8、電抗器9、電抗器固定板10、吸收電阻11及門極電源12。具體地在本實施例中，壓裝組件2的負接口母線與第一對外母排3連接，壓裝組件2的PH接口母線與第二對外母排4連接。放電電阻5的兩端分別通過電纜電連接至支撐電容6的兩個電氣接觸點。支撐電容6的一個電氣接觸點通過第一連接母排7連接至電抗器9的第一電氣接口，支撐電容6的另一個電氣接觸點通過第二連接母排8連接至壓裝組件2的負接口母線，電抗器9的第二電氣接口電連接至壓裝組件2的正接口母線，吸收電阻11的兩個電氣接口分別電連接至壓裝組件2與電抗器9的第一電氣接口，門極電源12電連接至壓裝組件2的門驅(qū)電源接口(圖未示出)。

具體地，支撐框架1包括多條第一橫梁、多條第二橫梁及多條第一縱梁。具體地，在本實施例中，支撐框架1由4條第一橫梁111、4條第二橫梁112及4條第一縱梁113的首尾固定連接在一起，以構(gòu)成具有腔體的長方體框架。具體地，在本實施例中，第一橫梁111、第二橫梁112及第一縱梁113可以但不限于角鋼，并通過焊接將第一橫梁111、第二橫梁112及第一縱梁113的首尾固定連接在一起，從而使得支撐框架1的機械強度高，加工安裝方便，且成本低。支撐框架1的一端面上設(shè)置有多條第二縱梁114，多條第二縱梁114的首部與尾部分別固定連接在支撐框架1的一端面上的2條第一橫梁111上，第二縱梁114可以但不限于3條，具體地，第二縱梁114的首尾端可以但不限于通過焊接方式固定于支撐框架1的一端面的兩條第一橫梁111上。

壓裝組件2、支撐電容6、放電電阻5、電抗器9、吸收電阻11及門極電源12均裝置于支撐框架1的腔體內(nèi)，具體地，在本實施例中，壓裝組件2的一端面通過固定件固定安裝在第二縱梁114上，具體地，可以但不限于通過螺栓將壓裝組件2固定裝置于支撐框架1的第二縱梁114上。支撐電容6靠近壓裝組件2的接口母線26(請參圖8)布置，具體地，可通過螺栓固定的方式將支撐電容6的一端面固定裝置于第一縱梁113與第二縱梁114上。放電電阻5裝置于支撐電容6的另一端面上，具體地，放電電阻5可有多個分立電阻并聯(lián)組成，并通過電纜與支撐電容6電連接。電抗器固定板10裝置于壓裝組件2的下方，并緊靠壓裝組件2的底端布置，電抗器9固定在電抗器固定板10的腔體的底面上。吸收電阻11裝置于電抗器固定板10的側(cè)面上，具體地，在本實施例中，可通過螺栓將吸收電阻11固定安裝在電抗器固定板10遠離支撐電容6的側(cè)面上，從而能夠充分利用電抗器固定板10的同時，也能夠有利于減小吸收電阻11與壓裝組件2的吸收電容25的連接距離。門極電源12裝置于壓裝組件2的下方，并靠近電抗器固定板10的側(cè)面設(shè)置，具體地，門極電源12靠近電抗器固定板10中安裝有吸收電阻11的側(cè)面布置，并通過螺栓固定安裝在第一橫梁111與第二橫梁112上。

請一并參考圖8與圖9，圖8為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100中的壓裝組件2正向立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖9為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100中的壓裝組件2反向立體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2至圖9所示，壓裝組件2包括吸收二極管壓裝串21、續(xù)流二極管壓裝串22、集成門極換流晶閘管壓裝串23、冷卻裝置24、吸收電容25及第一壓板201與第二壓板202。具體地，吸收二極管壓裝串21、續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管壓裝串23的第一端均靠近第一壓板201的第一端面設(shè)置。吸收二極管壓裝串21、續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管壓裝串23的第二端均貼緊于第二壓板202的第一端面上。吸收電容25靠近吸收二極管壓裝串21設(shè)置。冷卻裝置24分別與吸收二極管壓裝串21、續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管壓裝串23連接，從而能夠為吸收二極管壓裝串21、續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管串23進行冷卻。

具體地，在本實施例中，壓裝組件2還包括第一導柱組件271、第二導柱組件272及第三導柱組件273。具體地，第一導柱組件271、第二導柱組件272及第三導柱組件273的首端均貫穿裝置于第一壓板201，并裸露在第一壓板201上。第一導柱組件271、第二導柱組件272及第三導柱組件273的尾端分別緊靠在第一絕緣板213、第二絕緣板223及第三絕緣板233上，即吸收二極管壓裝串21、續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管23的第一端分別緊貼在第一導柱組件271、第二導柱組件272及第三導柱組件273的尾端。當沿縱向方向觀測時，第一導柱組件271、第二導柱組件272及第三導柱組件273分別位于三角形的三個頂點。具體地，在本實施例中，吸收二極管壓裝串21包括沿第一導柱組件271壓裝的第一散熱器211、一個吸收二極管212及第一絕緣板213，進一步地，在本實施例中，吸收二極管壓裝串21還包括一環(huán)氧絕緣塊214，以使吸收二極管壓裝串21的高度與續(xù)流二極管壓裝串22的高度一致。具體的，第一散熱器211的數(shù)量為3個，第一絕緣板213的數(shù)量為2個，并且從下往上依次為第一絕緣板213、第一散熱器211、吸收二極管212、第一散熱器211、環(huán)氧絕緣塊214、第一散熱器211以及第一絕緣板213，并通過第一壓板201及第二壓板202將第一散熱器211、吸收二極管212、第一絕緣板213及環(huán)氧絕緣塊214壓裝在一起。續(xù)流二極管壓裝串22包括沿第二導柱組件272壓裝的第二散熱器221、兩個續(xù)流二極管222及第二絕緣板223，具體地，兩個續(xù)流二極管222串接在一起，并在兩個續(xù)流二極管222之間安裝有第二散熱器221，緊貼在兩個續(xù)流二極管222的上方及下方也分別裝置有第二散熱器221，在續(xù)流二極管壓裝串22的頂端與底端分別裝置有第二絕緣板223，并通過第一壓板201及第二壓板202將續(xù)流二極管壓裝串22壓緊。集成門極換流晶閘管壓裝串23包括沿第三導柱組件273壓裝的第三散熱器231、兩個集成門極換流晶閘管232及第三絕緣板233，具體地，兩個集成門極換流晶閘管232之間、上方及下方均裝置有第三散熱器231，并在集成門極換流晶閘管壓裝串23的頂端與底端分別裝置有第三絕緣板233。具體地，在本實施例中，吸收二極管壓裝串21、續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管壓裝串23的高度相同，第一絕緣板213、第二絕緣板223及第三絕緣板233可以但不限于環(huán)氧絕緣板。

冷卻裝置24包括主進水管241、主出水管242、與主進水管241連通設(shè)置的第一支撐水管243及第二支撐水管244、與主出水管242連通設(shè)置的第三支撐水管245及第四支撐水管246。具體地，主進水管241與主出水管242均裝置于第一壓板201的第二端面上。第一支撐水管243、第二支撐水管244、第三支撐水管245、第四支撐水管246的首端均貫穿于第一壓板201，并裸露在第一壓板201的第二端面上。第一支撐水管243、第二支撐水管244、第三支撐水管245、第四支撐水管246的尾端均貫穿于第二壓板202，并裸露在第二壓板202的第二端面上，以支撐第一壓板201與第二壓板202。具體地，在本實施例中，第一支撐水管243、第二支撐水管244、第三支撐水管245、第四支撐水管246均包括多個接口，具體地，可以但不限于3個接口。第一支撐水管243的3個接口分別與3個第一散熱器211的進水口連接，3個第一散熱器211的出水口分別與3個第二散熱器221的進水口連接，3個第二散熱器221的出口分別與第三支撐水管245的3個接口連接，從而對吸收二極管壓裝串21及續(xù)流二極管壓裝串22進行冷卻處理。第二支撐水管244的3個接口分別與3個第三散熱器231的進水口連接，3個第三散熱器231的出水口分別與第四支撐水管246的3個接口連接，從而對集成門極換流晶閘管232進行冷卻處理，進而實現(xiàn)多個支撐水管具有對壓裝組件2的第一壓板201與第二壓板202的支撐和導通水流的雙重作用。

進一步地，壓裝組件2還包括母線固定板261，母線固定板261的首端與尾端分別固定于第一壓板201的側(cè)面及第二壓板202的側(cè)面上，并且負接口母線262、PH接口母線263及正接口母線264的一端均貫穿裝置于母線固定板261上。負接口母線262的另一端分別與續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管壓裝串23的頂部的電氣接口電連接。PH接口母線263的另一端分別與續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管壓裝串23的中部的電氣接口電連接。正接口母線264的另一端分別與吸收二極管壓裝串21、續(xù)流二極管壓裝串22及集成門極換流晶閘管壓裝串23的底部的電氣接口電連接。

具體地，在本實施例中，吸收電容25可以但不限于2個分立電容并聯(lián)連接在一起。吸收電容25的第一端通過第一吸收母排251與負接口母線262的另一端電連接，吸收電容25的第二端通過第二吸收母排252與吸收二極管壓裝串21的中部的電氣接口電連接。

請一并參考圖10，圖10為本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100中的電抗器9的結(jié)構(gòu)示意圖。請一并參圖3至圖10，電抗器9的中部開設(shè)有固定孔93，從而可以通過螺栓將電抗器9固定在電抗器固定板10的腔體底面上。電抗器9還包括第一電氣接口91與第二電氣接口92，電抗器9的第一電氣接口91通過第一連接母排7與支撐電容6電連接，電抗器9的第二電氣接口92電連接至正接口母線264。

本發(fā)明實施例提供的模塊化多電平換流器的子模塊100及模塊化多電平換流器，通過對基于IGCT的模塊化多電平換流的子模塊100的合理布局，集成度高，充分利用支撐框架的空間，以節(jié)省空間，并能減少子模塊中各元器件的連接距離，使得子模塊100的更為緊湊，維護方便，同時通過母排進行連接使得回路雜散電感小。

以上，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。