[发明专利]卸荷系统及应用该卸荷系统的模块化多电平风电变流器

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电并网领域，尤其涉及一种卸荷系统及应用该卸荷系统的模块化多电平风电变流器。

背景技术

在海上风电场并网的柔性直流输电系统中，风场侧与电网侧通常采用两台大容量变流器进行连接，两台大容量变流器分别称为海上换流站和岸上换流站，由于海上换流站和岸上换流站通常为基于全控型电力电子器件例如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）的电压源变流器，因此柔性直流输电系统又称为基于电压源变流器的高压直流输电系统（VSC-HVDC）。常规工况下，海上换流站工作于整流状态，岸上换流站工作于逆变状态，海上换流站将海上风电场发出的交流电变换为直流电，经海底直流电缆传输至岸上换流站，再由岸上换流站逆变为恒频、恒压的交流电后并入电网。随着海上风电场规模不断扩大，对变流器的耐压能力提出了更高的要求，而全控型电力电子器件的耐压程度是有限的，传统的方法是通过直接串联或并联全控型电力电子器件组成阀组来提高变流器的耐压程度，但是该方法对工艺的要求较高，同时，随着电压等级和传输容量的提高，串联的开关器件越多势必导致变流器的可靠性降低。因此，目前基于电压源变流器的高压直流输电系统中的变流器通常采用模块化级联多电平结构，较成熟的拓扑结构为H桥模块级联多电平和半桥模块级联多电平的新型多电平结构，模块化多电平风电变流器的各桥臂以功率单元串联方式构成，避免了开关器件的直接串联，而且工作时不需要同一桥臂上的所有串联的开关器件同时开关，对变流器的制造工艺要求相对较低，提高了变流器的可靠性。其中，H桥的定义如下：由两个三极管构成的电路，一个三极管对正极导通实现上拉，另一个三极管对负极导通实现下拉。当有两套上述电路时，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来，由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样，故得名H桥。

由于风能的不稳定性，以及岸上电网存在闪变、不平衡、电压跌落等暂态过程的原因，通常要求所采用的基于电压源变流器的高压直流输电系统具有低电压穿越能力。通过在直流侧加装卸荷电路（crowbar）是一种常用的提高柔性直流输电系统低电压穿越能力的方法，该方法可以避免电网闪变、电压跌落或阵风等工况下直流侧电压的升高，从而解决了变流器由于直流侧电压升高而采取过压保护措施，最终导致风电场离网的问题。经检索发现，基于电压源变流器的高压直流输电系统中的卸荷电路均是沿用变频器制动电阻的用法及控制方式，即卸荷电路是加装在变流器公共直流母线或交流母线处，通过设置比较器完成卸荷电阻的接入和切除。当检测电压高于设置的上限门槛值时将卸荷电阻接入直流或交流母线，消耗掉多余能量，当检测电压低于设置的下限门槛值时将卸荷电阻切除，从而维持基于电压源变流器的高压直流输电系统的直流侧电压在一定范围内稳定，提高暂态过程中变流器的稳定性和持续运行能力。

但是，上述实现柔性直流输电系统暂态过程中卸荷功能的方法存在如下问题：一、由于基于电压源变流器的高压直流输电系统的电压等级较高，卸荷功率较大，因此公共直流侧及交流侧的卸荷电路中的电阻需要采用大功率电阻，从而导致变流器的体积大和成本高，针对海上换流站，变流器体积和重量的增加势必造成海上工作平台建造成本的大幅增加。二、卸荷电路中的大功率电阻的制造工艺复杂，但一定体积的电阻的卸荷容量又有限，难以满足电网较大波动情况下暂态过渡过程的需要。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种卸荷系统及应用该卸荷系统的模块化多电平风电变流器，其在变流器的各级联功率单元的直流侧分别设置卸荷电路，能够实现柔性直流输电系统暂态过程中的卸荷功能，避免在卸荷电路中采用大功率卸荷电阻，降低了变流器的成本和体积。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种卸荷系统，包括信号采集单元、数据处理单元、驱动单元及卸荷电路，其中，所述信号采集单元、驱动单元及卸荷电路均加装在模块化多电平风电变流器的功率单元中；

所述信号采集单元用于实时测量其所在功率单元中直流电容的电压，并发送给数据处理单元；

所述数据处理单元用于分析输入的所述直流电容的电压，确定所述模块化多电平风电变流器中各功率单元的工作状态，并根据该工作状态向驱动单元发送控制信号；

所述驱动单元用于根据输入的所述控制信号驱动卸荷电路中开关器件的开通和关断；

所述卸荷电路用于通过自身开关器件的关断控制卸荷电阻的接入和移除。

特别地，所述驱动单元还用于将与其配合的卸荷电路的故障信息发送给数据处理单元。