本发明涉及电力传输技术领域，尤其涉及一种换流装置和双极换流系统。
背景技术：
换流阀的功能是对电流执行转换操作，比如，将交流电转换为直流电或者将直流电转换为交流电。模块化多电平换流阀(modularmulti-levelcontrol，mmc)是一种新型电压变化电路，可以通过将多个子模块级联的方式叠加输出很高的电压。mmc换流阀具有输出谐波少、模块化程度高等特点，在电力系统中具有广泛的应用前景。考虑到换流阀对工作环境的要求，用于柔性直流输电领域的mmc换流阀通常需要设计为户内阀塔结构，但是，户内阀塔结构具有施工要求高、造价高和施工周期长的特点，阻碍了mmc换流阀的推广应用。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种换流装置和双极换流系统，能够实现对mmc换流阀的模块化建造，具有施工要求低、造价低和施工周期短的特点，有利于mmc换流阀的推广应用。
第一方面，本发明实施例提供一种换流装置，该换流装置包括控制模块和三个功率模块：
功率模块包括箱体以及安装于箱体内的两层功率模组，各层功率模组均由级联设置的多个功率单元构成，位于上层的功率模组为下桥臂，位于下层的功率模组为上桥臂；
上桥臂的第一接线端子和下桥臂的第一接线端子，用于与三相高压输电系统中一个相位上的交流电连接，以组网同相位的交流回路；上桥臂的第二接线端子和下桥臂的第二接线端子，与直流输电母线连接；
控制模块包括阀控控制器，阀控控制器分别与三个功率模块中的上桥臂和下桥臂连接，用于驱动上桥臂和下桥臂中的功率单元工作，以执行对三相高压输电系统中的三相交流电和高压直流电之间的电能转换操作。
在第一方面的一种可能的实施方式中，换流装置还包括：与三个功率模块对应设置的三个电抗器塔架；其中，每个电抗器塔架包括两层电抗器，位于上层的电抗器为下桥臂电抗器，位于下层的电抗器为上桥臂电抗器，下桥臂电抗器和上桥臂电抗器之间设置有层间支柱绝缘子，上桥臂电抗器和地面之间设置有对地支柱绝缘子；上桥臂电抗器的第一接线端子与对应上桥臂的第一接线端子连接，下桥臂电抗器的第一接线端子与对应下桥臂的第一接线端子连接；上桥臂电抗器的第二接线端子以及对应下桥臂电抗器的第二接线端子，用于与三相高压输电系统中一个相位上的交流电连接，以组网同相位的交流回路。
在第一方面的一种可能的实施方式中，上桥臂电抗器的第二接线端子以及对应下桥臂电抗器的第二接线端子与联结变压器连接，联结变压器用于连接三相高压输电系统。
在第一方面的一种可能的实施方式中，电抗器塔架的顶端设置有塔盖。
在第一方面的一种可能的实施方式中，箱体的侧壁上安装有一个或两个以上的换热风扇；控制模块还包括风冷控制器，风冷控制器与所述换热风扇连接。
在第一方面的一种可能的实施方式中，箱体内安装有用于冷却功率模组的水冷管路，控制模块还包括水机控制器，用于控制水冷管路中冷却水的运行状态。
在第一方面的一种可能的实施方式中，箱体的顶盖上还安装有一个或两个以上的风冷换热器，水机控制器还与风冷换热器连接。
在第一方面的一种可能的实施方式中，控制模块设置在与三个功率模块所属箱体独立的另一箱体内。
第二方面，本发明实施例提供一种双极换流系统，该双极换流系统包括：两个换流装置和控制单元；其中，
换流装置为如上所述的换流装置，其中，一个换流装置的功率模块的上桥臂的第二接线端子与正直流输电母线连接，一个换流装置的功率模块的下桥臂的第二接线端子与接地直流输电母线连接；
另一个换流装置的负换流装置的功率模块的上桥臂的第二接线端子与接地直流输电母线连接，另一个换流装置的功率模块的下桥臂的第二接线端子与负直流输电母线连接；
控制单元中连接两个换流装置，控制单元根据双极换流系统的工作状态，驱动两个换流装置中的一个或者两个执行电能转换操作。
在第二方面的一种可能的实施方式中，控制单元设置在与功率模块所属箱体独立的另一箱体内。
如上所述，为实现对mmc换流阀的模块化建造，本发明实施例对每个由级联功率单元构成的功率模块进行了封装设计，使得每个功率模块呈现为箱体结构，并在箱体外壁预留了功率单元的接线端子。
如此设置，当需要建造新的mmc换流阀时，只需要对三个预封装好的功率集装箱进行安装，使这三个功率集装箱分别与三相高压输电系统中的三个相位以及与直流输电母线连接，就能够实现对三相高压输电系统中的三相交流电和高压直流电之间的电能转换操作。因此，本发明实施例中的换流装置具有运输方便、施工方便和建造周期短的优点，易于推广使用。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明第一实施例提供的一种换流装置的结构示意图；
图2为本发明第二实施例提供的功率模块的电气布局图；
图3为本发明第三实施例提供的换流装置的结构示意图；
图4为本发明第四实施例提供的电抗器塔架的电气布局图；
图5为本发明第五实施例提供的换流装置的结构示意图；
图6为本发明第六实施例提供的双极换流系统的结构示意图；
图7为本发明第七实施例提供的与图6中的双极换流系统对应的电路拓扑图；
图8为本发明第八实施例提供的双极换流系统的结构示意图；
图9为本发明第九实施例提供的双极换流系统的结构示意图。
附图标记说明：
101、102、103、1011、1021、1031均为功率模块；104-控制模块；
1041-阀控控制器；1042-风冷控制器；1043-水机控制器；
201-上桥臂；202-下桥臂；203-陶瓷套管；
2011-上桥臂的第一接线端子；2012-上桥臂的第二接线端子；
2021-下桥臂的第一接线端子；2022-下桥臂的第二接线端子；
301、302、303、3011、3021、3031均为电抗器塔架；
401-上桥臂电抗器；402-下桥臂电抗器；
4011-上桥臂电抗器的第一接线端子；
4012-上桥臂电抗器的第二接线端子；
4021-下桥臂电抗器的第一接线端子；
4022-下桥臂电抗器的第二接线端子；
403-层间绝缘柱子；404-对地绝缘柱子；405-顶盖；
501-联结变压器之一(正阀联结变压器)；
5011-联结变压器之二(负阀联结变压器)；
601-正换流装置(正换流阀)；602-负换流装置(负换流阀)；
603-控制单元；901-换热风扇。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
本发明实施例提供一种换流装置和双极换流系统，能够实现对mmc换流阀的模块化建造，具有施工要求低、造价低和施工周期短的特点，有利于mmc换流阀的推广应用。比如，适用于荒漠电站等特殊应用场合，这些应用场合阀厅的建造困难，施工周期需求时间短，急需mmc换流阀户外机型及一体化的解决方案。
图1为本发明第一实施例提供的一种换流装置的结构示意图。如图1所示，该换流装置包括三个功率模块101-103和控制模块104。
其中，三个功率模块101-103分别与三相a，b，c高压输电系统中的一个相位连接。图1中示出的功率模块101与a相连接，功率模块102与b相连接，功率模块103与c相连接。三个功率模块还连接到直流输电母线。
图2为本发明第二实施例提供的功率模块的电气布局图。如图2所示，每个功率模块包括箱体以及安装于箱体内的两层功率模组。各层功率模组均由级联设置的多个功率单元构成，形成mmc结构，位于上层的功率模组为下桥臂202，位于下层的功率模组为上桥臂201。其中，功率单元可以为半桥结构，也可以为全桥结构，此处不做限定。
在本发明实施例中，箱体封装结构的功率模块也称为功率集装箱。
其中，上桥臂的第一接线端子2011和下桥臂的第一接线端子2021，用于与三相高压输电系统中一个相位上的交流电连接，以组网同相位的交流回路。功率模块的上桥臂的第二接线端子2012和下桥臂的第二接线端子2022，用于与直流输电母线连接。
控制模块104包括阀控控制器1041，阀控控制器1041分别与三个功率模块中的上桥臂201和下桥臂202连接，用于驱动上桥臂201和下桥臂202中的功率单元工作，以执行对三相高压输电系统中的三相交流电和高压直流电之间的电能转换操作。
图2中示出的功率集装箱两侧还设置有绝缘套管203。其中，上桥臂的第一接线端2011、上桥臂的第二接线端2012、下桥臂的第一接线端2021、下桥臂的第二接线端2022分别通过绝缘套管，把功率集装箱内外的功率回路连接起来。
如上所述，为实现对mmc换流阀的模块化建造，本发明实施例对每个由级联功率单元构成的功率模块进行了封装设计，使得每个功率模块呈现为箱体结构，并在箱体外壁预留了功率单元的接线端子。
如此设置，当需要建造新的mmc换流阀时，只需要对三个预封装好的功率集装箱进行结构安装，使这三个功率集装箱分别与三相高压输电系统中的三个相位以及与直流输电母线连接，就能够实现对三相高压输电系统中的三相交流电和高压直流电之间的电能转换操作。因此，本发明实施例中的换流装置具有运输方便、施工方便和建造周期短的优点，易于推广使用。
此外，由于功率集装箱采用了封装结构，使得内部的功率单元不会受到外部环境的干扰，因此，能够满足环境较恶劣的场合下的户外应用。
图3为本发明第三实施例提供的换流装置的结构示意图。图3与图1的不同之处在于，图3中的换流装置还包括：与三个功率模块101-103对应设置的三个电抗器塔架301-303。
其中，三个电抗器塔架301-303分别与三相a，b，c高压输电系统中的一个相位连接，以及与对应的功率模块的交流接线端子连接。
图4为本发明第四实施例提供的电抗器塔架的电气布局图。如图4所示，每个电抗器塔架包括两层电抗器，位于上层的电抗器为下桥臂电抗器402，位于下层的电抗器为上桥臂电抗器401，下桥臂电抗器402和上桥臂电抗器401之间设置有层间支柱绝缘子403，上桥臂电抗器和地面之间设置有对地支柱绝缘子404。
其中，上桥臂电抗器的第一接线端子4011与对应上桥臂的第一接线端子2011连接，下桥臂电抗器的第一接线端子4021与对应下桥臂的第一接线端子2021连接，上桥臂电抗器的第二接线端子4012以及对应下桥臂电抗器的第二接线端子4022，与三相高压输电系统中一个相位上的交流电连接，以组网对应相位的交流回路。
图4中示出的电抗器塔架的顶端还设置有塔盖405，能够保护电抗器塔架不受雨水等自然灾害的侵害，提高电抗器塔架的工作可靠性及寿命。
图5为本发明第五实施例提供的换流装置的结构示意图，图5中示出了联结变压器501。
结合图4，上桥臂电抗器的第二接线端子4012以及对应下桥臂电抗器的第二接线端子4022通过联结变压器501接入所述三相高压输电系统中。
在一个实施例中，可以在功率集装箱的侧壁上安装一个或两个以上的换热风扇(图中未示出)，控制模块104还包括风冷控制器1042，风冷控制器1042通过控制换热风扇运行来排出对应箱体内各层功率模组工作产生的热量。
在一个实施例中，为提高功率模组的换热效率，可以在功率集装箱的侧壁上设置相应的进风口。进一步地，出于对风道优化方面的考虑，可以对进风口的位置和形状进行设计，此处不进行限定。
在一个实施例中，可以在功率集装箱内安装水冷管路(图中未示出)，水冷管路为靠近各层功率模组设置，控制模块104还包括水机控制器1043，水机控制器1043通过控制水冷管路中冷却水的运行状态，从而带走对应箱体内各层功率模组工作产生的热量。
在一个实施例中，为提高功率模组的水冷散热效率，还可以在功率集装箱的顶盖上还安装有一个或两个以上的风冷换热器(图中未示出)，水机换热器1043通过控制风冷换热器运行，排出对应箱体内水冷管路带走的热量。
在一个实施例中，如图5所示，为进一步优化mmc换流阀的模块化设计，阀控控制器1041、风冷控制器1042以及水机控制器1043可以设置在与三个功率集装箱独立的另一箱体内。
图6为本发明第六实施例提供的双极换流系统的结构示意图，图6中示出的双极换流系统包括正换流装置601、负换流装置602和控制单元603。
其中，正换流装置601可以为如图1-图5所示的换流装置。负换流装置602可以为如图1-图5所示的换流装置。
图6中示出的正换流装置601中的三个功率模块的编号分别为101、102和103。与上述三个功率模块对应的三个电抗器塔架的编号分别为301、302和303。将上述三个电抗器塔架接入三相高压输电系统(高压电网)的阀联结变压器的编号为501。
图6中示出的正换流装置601中的三个功率模块的编号分别为101、102和103。与上述三个功率模块对应的三个电抗器塔架的编号分别为301、302和303。将上述三个电抗器塔架接入三相高压输电系统(高压电网)的阀联结变压器的编号为501。
图6中示出的正换流装置602中的三个功率模块的编号分别为1011、1021和1031。与上述三个功率模块对应的三个电抗器塔架的编号分别为3011、3021和3031。将上述三个电抗器塔架接入三相高压输电系统(高压电网)的阀联结变压器的编号为5011。
对于正换流装置601，功率模块上桥臂的第二接线端子2012与正直流输电母线dc+连接。功率模块下桥臂的第二接线端子2022与接地直流输电母线gnd连接。
对于负换流装置602，功率模块上桥臂的第二接线端子2012与接地直流输电母线gnd连接，功率模块下桥臂的第二接线端子2022与负直流输电母线连接dc-。
图6中示出的控制单元603中集成有正换流装置601的控制模块以及负换流装置602的控制模块，控制单元可以根据双极换流系统的工作状态，驱动正换流装置601和/或负换流装置602执行电能转换操作。
在一个实施例中，为进一步优化双极mmc换流阀的模块化设计，控制单元603可以设置在与正换流装置601以及负换流装置602中的功率集装箱独立的另一箱体内。
图7为本发明第七实施例提供的与图6中的双极换流系统对应的电路拓扑图，该双极换流系统应用在柔性输配电领域。
其中，正换流阀(正换流装置)601的直流正端连接正直流输电母线dc+，正换流阀601的直流负端连接接地直流输电母线gnd，正换流阀601的交流端口通过正阀联结变压器501连接三相高压输电系统。
其中，负换流阀602的直流正端连接接地直流输电母线gnd；负换流阀的直流负端连接负直流输电母线dc-，负换流阀的交流端口通过负阀联结变压器5011连接三相高压输电系统。
其中，正换流阀601可以看成由三组功率模块101、102和103和三组连接电抗器301、302和303组成，负换流阀602可以看成由三组功率模块1011、1021和1031和三组连接电抗器3011、3021和3031组成。每组功率模块由多个功率单元(sm)级联构成。
在本发明实施例中，两个换流阀可以构成双极系统，可以实现更大容量的功率输出；当一个换流阀出现故障停机时，另一个换流阀可以继续工作，实现一半容量的功率输出，提高了电网的稳定性运行。
图8为本发明第八实施例提供的双极换流系统的结构示意图，用于体现双极mmc风冷系统一体化布局。
下面首先结合图8，对正换流阀601的组装结构进行详细说明。
正换流阀601侧的三个功率集装箱分别为：正阀a相功率集装箱101、正阀b相功率集装箱102和正阀c相功率集装箱103。参阅图2，功率集装箱的两个交流接线端子，分别为上桥臂的第一接线端子2011和下桥臂的第一接线端子2021，安装在功率集装箱的一侧，功率集装箱的两个直流接线端子，分别为上桥臂的第二接线端子2012和下桥臂的第二接线端子2022，安装在功率集装箱的另一侧。
正换流阀601侧的三个电抗器塔架分别为：正阀a相电抗器塔架301、正阀b相电抗器塔架302和正阀c相电抗器塔架303。参阅图4，电抗器塔架由上桥臂电抗器401和下桥臂电抗器402组成。
结合图2和图4，正阀a相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第一接线端子4011，与正阀a相功率集装箱的上桥臂的第一接线端子2011连接；正阀a相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第一接线端子4021，与正阀a相功率集装箱的下桥臂的第一接线端子2021连接；正阀a相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第二接线端子4012，与正阀a相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第二接线端子4022连接在一起，与正阀联结变压器501的阀侧a相接线端子连接起来。
结合图2和图4，正阀b相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第一接线端子4011，与正阀b相功率集装箱的上桥臂的第一接线端子2011连接；正阀b相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第一接线端子4021，与正阀b相功率集装箱的下桥臂的第一接线端子2021连接；正阀b相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第二接线端子4012，与正阀b相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第二接线端子4022连接在一起，与正阀联结变压器501的阀侧b相接线端子连接起来。
结合图2和图4，正阀c相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第一接线端子4011，与正阀c相功率集装箱的上桥臂的第一接线端子2011连接；正阀c相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第一接线端子4021，与正阀c相功率集装箱的下桥臂的第一接线端子2021连接；正阀c相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第二接线端子4012，与正阀c相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第二接线端子4022连接在一起，与正阀联结变压器501的阀侧c相接线端子连接起来。
结合图2，正阀a相功率集装箱的上桥臂的第二接线端子2012，与直流输电母线dc+连接起来；正阀a相功率集装箱的下桥臂的第二接线端子2022，与接地直流输电母线gnd连接起来。
结合图2，正阀b相功率集装箱的上桥臂的第二接线端子2012，与直流输电母线dc+连接起来；正阀b相功率集装箱的下桥臂的第二接线端子2022，与接地直流输电母线gnd连接起来。
结合图2，正阀c相功率集装箱的上桥臂的第二接线端子2012，与直流输电母线dc+连接起来；正阀c相功率集装箱的下桥臂的第二接线端子，与接地直流输电母线gnd连接起来。
接下来，结合图8对负换流阀602的组装结构进行详细说明。
负换流阀602侧的三个功率集装箱分别为：负阀a相功率集装箱1011、负阀b相功率集装箱1021、负阀c相功率集装箱1031。
负换流阀602侧的三个电抗器塔架分别为：负阀a相电抗器塔架3011、负阀b相电抗器塔架3021、负阀c相电抗器塔架3031。
结合图2和图4,，负阀a相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第一接线端子4011，与负阀a相功率集装箱的上桥臂的第一接线端子2011连接；负阀a相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第一接线端子4021，与负阀a相功率集装箱的下桥臂的第一接线端子2021连接；负阀a相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第二接线端子4012，与负阀a相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第二接线端子4022连接在一起，与负阀联结变压器5011的阀侧a相接线端子连接起来。
结合图2和图4，负阀b相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第一接线端子4011，与负阀b相功率集装箱的上桥臂的第一接线端子2011连接；负阀b相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第一接线端子4021，与负阀b相功率集装箱的下桥臂的第一接线端子2021连接；负阀b相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第二接线端子4012，与负阀b相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第二接线端子4022连接在一起，与负阀联结变压器5011的阀侧b相接线端子连接起来。
结合图2和图4，负阀c相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第一接线端子4011，与负阀c相功率集装箱的上桥臂的第一接线端子2011连接；负阀c相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第一接线端子4021，与负阀c相功率集装箱的下桥臂的第一接线端子2021连接；负阀c相电抗器塔架的上桥臂电抗器的第二接线端子4012，与负阀c相电抗器塔架的下桥臂电抗器的第二接线端子4022连接在一起，与负阀联结变压器5011的阀侧c相接线端子连接起来。
结合图2，负阀a相功率集装箱的上桥臂的第二接线端子2012，与接地直流输电母线gnd连接起来；负阀a相功率集装箱的下桥臂的第二接线端子2022，与直流输电母线dc-连接起来。
结合图2，负阀b相功率集装箱的上桥臂的第二接线端子2012，与接地直流输电母线gnd连接起来；负阀b相功率集装箱的下桥臂的第二接线端子2022，与直流输电母线dc-连接起来。
结合图2，负阀c相功率集装箱的上桥臂的第二接线端子2012，与接地直流输电母线gnd连接起来；负阀c相功率集装箱的下桥臂的第二接线端子2022，与直流输电母线dc-连接起来。
在一个实施例中，正阀联结变压器的阀侧为三角接线方式，防止由于调制产生的零序流向电网，网侧为星形的连接方式，与高压电网连接起来。
图8中还示出了阀控集装箱603，该阀控集装箱中设置有阀控设备(阀控控制器1041)，用于控制正阀a相功率集装箱101、正阀b相功率集装箱102、正阀c相功率集装箱103、负阀a相功率集装箱1011、负阀b相功率集装箱1021和负阀c相功率集装箱1031中的功率单元工作。
在一个实施例中，阀控集装箱603与上述功率集装箱通过光纤连接起来，进行控制信号和采集信号的交互。
在本发明实施例中，当采用图8中的双极换流系统进行mmc系统的风冷一体化布局时，可以在各功率集装箱的侧壁上安装有一个或两个以上的换热风扇(图中未示出)，阀控集装箱603还设置有风扇控制设备(风冷控制器1042，用于控制换热风扇运行，排出对应箱体内各层功率模组工作产生的热量。
图9为本发明第九实施例提供的双极换流系统的结构示意图，用于体现双极mmc水冷系统一体化布局。
图9与图8的不同之处在于，当进行mmc系统的水冷一体化布局时时，可以在功率集装箱内安装有水冷管路，水冷管路靠近各层功率模组设置，以及阀控集装箱603中设置水冷控制设备(水机控制器1043)，用于控制水冷管路中冷却水的运行状态，以带走对应箱体内各层功率模组工作产生的热量。
进一步地，如图9所示，为提高功率模组的水冷散热效率，可以在功率集装箱的顶盖上还安装有一个或两个以上的风冷换热器901，将水冷系统和风冷换热器9结合在一起完成功率集装箱内温度的循环散热。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。