二极管阀串及柔性直流输电系统的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种二极管阀串及柔性直流输电系统。

背景技术：

现有风力发电机组的柔性直流输电系统的拓扑结构如图1所示，该系统包括直流风机阵列w、第一直流平波电抗器r1、第二直流平波电抗器r2、直流断路器b、模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)换流阀m及电网v。正常情况下，直流风机阵列w产生的直流电通过直流输电线路、第一直流平波电抗器r1、第二直流平波电抗器r2直流断路器b传输到mmc换流阀m，经过逆变升压到交流电网v，第一直流平波电抗器r1和第二直流平波电抗器r2的作用是抑制线路中的谐波成分，提高电能质量。当直流输电线路的直流短路出现故障时，通过直流断路器b断开短路电流的回流路径，以保护mmc换流阀m的安全性。由于直流断路器b是基于绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)的电力电子装备，成本高、控制复杂，故障率高，不能体现柔性直流输电系统的经济性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种二极管阀串及柔性直流输电系统，该二极管阀串对称布置，可以替换直流输电线路中的直流断路器，有效隔离短路电流的回流路径。

一方面，本实用新型提供了一种二极管阀串，包括：m个第一二极管子阀串、n个第二二极管子阀串，泄放电阻和过电压保护器；第一二极管子阀串包括k个同向串联的二极管，第二二极管子阀串包括p个同向串联的二极管以及q个反向串联的二极管，且第一二极管子阀串与第二二极管子阀串中的p个同向串联的二极管相互串联形成第一支路；第二二极管子阀串中的q个反向串联的二极管与泄放电阻相互串联形成第二支路；第一支路、第二支路及过电压保护器并联设置，其中，m、n、k、p、q均为正整数。

根据本实用新型的一个方面，第一二极管子阀串和第二二极管子阀串均包括多个液冷装置，每相邻的两个液冷装置之间设置有二极管，多个液冷装置通过管路相互连通。

根据本实用新型的一个方面，液冷装置包括本体部和连接端，本体部具有容纳冷却介质的容纳腔，连接端设置有与容纳腔连通的进口和出口，每个液冷装置的进口通过管路与相邻的另一个液冷装置的出口连通，且位于首端的液冷装置的进口和位于末端的液冷装置的出口与外界液压泵系统连通。

根据本实用新型的一个方面，第一二极管子阀串和第二二极管子阀串均包括间隔设置的两个压板和设置于两个压板之间的拉杆，拉杆的外周套设有绝缘套，压板与拉杆之间形成容纳空间，多个二极管和多个液冷装置设置于容纳空间。

根据本实用新型的一个方面，两个压板中，其中一个压板与位于末端的液冷装置之间设置有弹性件，另一个压板与位于首端的液冷装置之间设置有绝缘垫。

根据本实用新型的一个方面，液冷装置的连接端与本体部一体成型设置，且连接端的进口和出口的外周倒圆角设置。

根据本实用新型的一个方面，二极管阀串还包括支架，m个第一二极管子阀串和n个第二二极管子阀串分别间隔设置于支架。

根据本实用新型的一个方面，二极管阀串还包括第一底座和转接座，支架通过转接座连接至第一底座，第一底座上设置有多个通孔，泄放电阻和过电压保护器通过通孔分别固定于第一底座。

根据本实用新型的一个方面，二极管阀串还包括第二底座，且第一底座与第二底座之间设置有绝缘子。

根据本实用新型的一个方面，第二底座包括相对设置的第一支撑板和第二支撑板，以及连接第一支撑板及第二支撑板的第三支撑板，第三支撑板上还设置有与绝缘子连接的垫板，第一支撑板、第二支撑板及第三支撑板上均设置有连接板，连接板上设置有接线柱。

根据本实用新型的一个方面，二极管阀串还包括第一进线排、第二进线排和出线排，第一进线排与第一支路连接，第二进线排分别与第二支路和过电压保护器连接，出线排分别与第一支路、第二支路及过电压保护器连接。

另一方面，本实用新型还提供了一种柔性直流输电系统，包括依次连接的直流风机阵列、第一直流平波电抗器、第二直流平波电抗器、mmc换流阀和电网，还包括：对称布置的正二极管阀串和负二极管阀串，正二极管阀串和负二极管阀串均为如前所述的二极管阀串；直流风机阵列通过正极直流母线连接第一直流平波电抗器的一端，第一直流平波电抗器的另一端连接正二极管阀串的阳极，正二极管阀串的阴极连接mmc换流阀的正极直流输入端；直流风机阵列通过负极直流母线连接第二直流平波电抗器的一端，第二直流平波电抗器的另一端连接负二极管阀串的阴极，负二极管阀串的阳极连接mmc换流阀的负极直流输入端；mmc换流阀的交流输出端通过交流变压器连接电网。

本实用新型提供的一种二极管阀串及柔性直流输电系统，通过对称布置的两个二极管阀串，在柔性直流输电系统的直流输电线路因短路故障产生逆向电流时，能够反向阻断逆向电流，从而对柔性直流输电系统进行短路保护。相对于现有技术中的直流断路器，二极管阀串的成本相对较低、控制简单，故障率低，实现了柔性直流输电系统的经济性。

附图说明

下面将参考附图来描述本实用新型示例性实施例的特征、优点和技术效果。在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。

图1是现有技术中的一种柔性直流输电系统的拓扑结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种柔性直流输电系统的拓扑结构示意图；

图3是图2所示的柔性直流输电系统中的正二极管阀串与负二极管阀串的拓扑结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种二极管阀串的结构示意图；

图5是图4所示的二极管阀串中的第一二极管子阀串的结构示意图；

图6是图5所示的第一二极管子阀串中的液冷装置的结构示意图；

图7是图4所示的第一二极管子阀串中的第一底座的结构示意图；

图8是图4所示的第一二极管子阀串中的第二底座的结构示意图。

附图标记说明：

w-直流风机阵列；r1-第一直流平波电抗器；r2-第二直流平波电抗器；m-mmc换流阀；v-电网；

1-正二极管阀串；2-负二极管阀串；

11-第一二极管子阀串；111-液冷装置；111a-本体部；111b-连接端；111c-进口；111d-出口；112-管路；113-压板；114-拉杆；115-弹性件；116-绝缘垫；117-绝缘套；

12-第二二极管子阀串；121-铜排；di-二极管；13-泄放电阻；14-过电压保护器；15-支架；16-第一底座；16a-第一板；16b-第二板；161-第一通孔；162-第二通孔；163-第三通孔；164-第四通孔；17-第二底座；17a-接线柱；171-第一支撑板；172-第二支撑板；173-第三支撑板；174-连接板；18-绝缘子；175-垫板；19-转接座；1a-第一进线排；1b-第二进线排；1c-出线排。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型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，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少区的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了区结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更好地理解本实用新型，下面结合图2至图8对本实用新型实施例提供的一种二极管阀串及柔性直流输电系统进行详细描述。

请一并参阅图2和图3，本实用新型实施例提供了一种柔性直流输电系统，包括依次连接的直流风机阵列w、第一直流平波电抗器r1、第二直流平波电抗器r2、mmc换流阀m和电网v。柔性直流输电系统还包括：对称布置的正二极管阀串1和负二极管阀串2。

直流风机阵列w通过正极直流母线连接第一直流平波电抗器r1的一端，第一直流平波电抗器r1的另一端连接正二极管阀串1的阳极，正二极管阀串1的阴极连接mmc换流阀m的正极直流输入端。

直流风机阵列w通过负极直流母线连接第二直流平波电抗器r2的一端，第二直流平波电抗器r2的另一端连接负二极管阀串2的阴极，负二极管阀串2的阳极连接mmc换流阀m的负极直流输入端。

mmc换流阀m设置有正极直流输入端、负极直流输入端和交流输出端，其中mmc换流阀m的交流输出端通过交流变压器连接电网v。

在本实施例中，正二极管阀串1的阳极与直流正进线端l1+连接，正二极管阀串1的阴极与直流正出线端l2+连接；负二极管阀串2的阴极与直流负进线端l1-连接，负二极管阀串2的阳极与直流负出线端l2-连接。正二极管阀串1和负二极管阀串2均为一种二极管阀串结构，且对称布置，可以有效减少物料的种类，便于管理物料。

另外，第一直流平波电抗器r1和第二直流平波电抗器r2能够抑制直流输电系统的电气系统中的谐波成分，提高电能质量。

在本实施例中，针对柔性直流输电系统，在正常情况下，直流风机阵列w输出的直流电通过直流母线、第一直流平波电抗器r1、第二直流平波电抗器r2、正二极管阀串1和负二极管阀串2传输到mmc换流阀m之后，通过mmc换流阀m和交流变压器逆变升压后传输到交流电网v。

当柔性直流输电系统的直流输电线路因直流短路故障而产生逆向回流的短路电流时，正二极管阀串1和负二极管阀串2能够反向阻断逆向电流，从而对柔性直流输电系统进行短路保护。相对于现有技术中的直流断路器，正二极管阀串1和负二极管阀串2在兼顾了对柔性直流输电系统进行短路保护的同时，有效解决了直流断路器的成本高、控制复杂，故障率高的问题，增强了柔性直流输电系统的经济性。

需要说明的是，本实用新型实施例中直流短路故障包括直流风力发电机组接地/短接、正极直流输电线路接地、负极直流输电线路接地、正极直流输电线路与负极直流输电线路短接等能够产生回流短路电流的多种直流短路故障，对此不做限定。

下面结合附图进一步详细描述形成正二极管阀串1或者负二极管阀串2的一种二极管阀串的结构。

请一并参阅图3和图4，本实用新型实施例提供的一种二极管阀串，包括：m个第一二极管子阀串11、n个第二二极管子阀串12，泄放电阻13和过电压保护器14。

第一二极管子阀串11包括k个同向串联的二极管di，第二二极管子阀串12包括p个同向串联的二极管di以及q个反向串联的二极管di，且第一二极管子阀串11与第二二极管子阀串12中的p个同向串联的二极管di相互串联形成第一支路。

第二二极管子阀串12中的q个反向串联的二极管di与泄放电阻13相互串联形成第二支路。

第一支路、第二支路及过电压保护器14并联设置，其中，m、n、k、p、q均为正整数。

二极管阀串中，m个第一二极管子阀串11及n个第二二极管子阀串12分别对应于mmc换流阀的m+n层阀塔设置。m个第一二极管子阀串11和n个第二二极管子阀串12各自所包含的二极管di的数量、规格、制作工艺一致，不存在差异性。另外，m个第一二极管子阀串11和n个第二二极管子阀串12的多个二极管通过压接方式相连接。相应地，还可以从压接可靠性等方面考虑，对二极管的数量进行选取。

需要说明的是，本实用新型实施例还可以采用其他连接工艺对二极管进行连接，对此不做限定。

优选的，出于方便性和节约造价的考虑，m＝2，n＝1，即上述二极管阀串可以包括两个第一二极管子阀串11和一个第二二极管子阀串12。以图3所示形成正二极管阀串1或者负二极管阀串2的一种二极管阀串为例，该二极管阀串包括：两个第一二极管子阀串11、一个第二二极管子阀串12，泄放电阻13和过电压保护器14。两个第一二极管子阀串11和一个第二二极管子阀串12分别对应于mmc换流阀的三层阀塔设置。

另外，以k＝4、p＝3、q＝1为例进行说明，即第一二极管子阀串11包括4个同向串联的二极管di，第二二极管子阀串12包括3个同向串联的二极管di以及1个反向二极管di，且第一二极管子阀串11与第二二极管子阀串12中的3个同向串联的二极管di相互串联形成第一支路；第二二极管子阀串12中的1个反向二极管di与泄放电阻13相互串联形成第二支路；第一支路、第二支路及过电压保护器14并联设置。

需要说明的是，可以根据实际需要，第一二极管子阀串11和第二二极管子阀串12的数量可以分别为三个以上；另外，第一二极管子阀串11的同向串联的二极管di的数量k、第二二极管子阀串12的同向串联的二极管di的数量p、第二二极管子阀串12中的反向二极管di的数量q的具体数值根据具体的使用环境而定，不做限制。

在一些实施例中，过电压保护器14可以是一个避雷器或者多个避雷器的组合。其中，多个避雷器可以以并联、串联或者混联的方式相连接，对此不做限定。

在本实施例中，过电压保护器14能够抑制二极管阀串两端之间的过电压。特别是在中压直流输电系统中，由于系统中电压值可达到1kv至35kv。并且，柔性直流输电系统发生短路故障时，二极管阀串两端的电压甚至可能达到mmc换流阀的端口电压与直流平波电抗器的电感电压之和。因此，通过设置过电压保护器14，能够极好的保护二极管阀串，在保障二极管阀串在柔性直流输电系统中正常使用的前提下降低了二极管阀串的成本，提高了二极管阀串的可靠性。

由此，当柔性直流输电系统的直流输电线路正常工作时，电流沿第一支路传输；当直流输电线路因直流短路故障而产生逆向回流的短路电流时，对称设置的两个二极管阀串中的反向串联的二极管di和泄放电阻13能够反向阻断逆向电流，并通过过电压保护器14抑制二极管阀串两端之间的过电压，从而对柔性直流输电系统进行短路保护。

请一并参阅图5和图6，第一二极管子阀串11和第二二极管子阀串12均包括多个液冷装置111，每相邻的两个液冷装置111之间设置有二极管di，多个液冷装置111通过管路112相互连通。

具体来说，液冷装置111包括本体部111a和连接端111b，本体部111a具有容纳冷却介质的容纳腔，连接端111b设置有与容纳腔连通的进口111c和出口111d，每个液冷装置111的进口111c通过管路112与相邻的另一个液冷装置111的出口111d连通，且位于首端的液冷装置111的进口111c和位于末端的液冷装置111的出口111d与外界液压泵系统连通。

对于第一二极管子阀串11，k个同向串联的二极管di与k+1个液冷装置111沿第一二极管子阀串11的串联方向交错设置。位于首端的液冷装置111即为第一个液冷装置111，位于末端的液冷装置111即为第k+1个液冷装置111。

对于第二二极管子阀串12，p个同向串联的二极管di及q个反向串联的二极管di与p+q+1个液冷装置111沿第二二极管子阀串12的串联方向交错设置。位于首端的液冷装置111即为第一个液冷装置111，位于末端的液冷装置111即为第p+q+1个液冷装置111。

为了提高液冷装置111的冷却效果，液冷装置111的本体部111a和连接端111b采用铝合金材料加工。冷却介质例如为水、油等。

以图5所示的第一二极管子阀串11为例，4个同向串联的二极管di与5个液冷装置111沿第一二极管子阀串11的串联方向交错设置。第一二极管子阀串11在使用中通常竖直放置。液冷装置111工作时，外界液压泵系统的冷却介质从位于下方的第一个液冷装置111的进口111c进入液冷装置111，经过各个液冷装置111的内部流道及管路112，最终由位于上方的第5个液冷装置111的出口111d返回外界液压泵系统。由于冷却介质从第一二极管子阀串11的下方进入，冷却介质在自身重力的作用下，可以保证冷却介质流向上方的过程中，液冷装置111中没有空腔或者气泡存在，散热稳定可靠。

需要说明的是，第二二极管子阀串12中液冷装置111的布局与第一二极管子阀串11的布局类似，只是反向二极管di与其它元件的连接方向不同，不再赘述。

进一步地，第一二极管子阀串11和第二二极管子阀串12均包括间隔设置的两个压板113和设置于两个压板113之间的拉杆114，拉杆114的外周套设有绝缘套117，压板113与拉杆114之间形成容纳空间，多个二极管di和多个液冷装置111设置于容纳空间。

两个压板113中，其中一个压板113与位于末端的液冷装置111(如图5中的第5个液冷装置111)之间设置有弹性件115，另一个压板113与位于首端的液冷装置111(如图5中的第1个液冷装置111)之间设置有绝缘垫116。弹性件115可以为碟簧，以保证各个液冷装置111与各二极管di之间压接牢固。绝缘垫116可以保证相邻的第一二极管子阀串11之间及第一二极管子阀串11与相邻的第二二极管子阀串12之间的爬电距离满足使用要求。

为了减少因液冷装置111的温度升高导致焊接不牢固而漏水的风险，液冷装置111的连接端111b与本体部111a一体成型设置，同时也增加了冷却面积。另外，为了防止液冷装置111因两个压板113与拉杆114之间压接不牢固产生转动而使爬电距离减小，连接端111b的进口111c和出口111d的外周倒圆角设置。

另外，第一支路中，相邻的两个第一二极管子阀串11之间、相邻的两个第二二极管子阀串12之间、以及第一二极管子阀串11与相邻的第二二极管子阀串12之间分别通过铜排121电连接，以实现串联。第二支路中，泄放电阻13与第二二极管子阀串12中的反向二极管di之间通过铜排121电连接，以实现串联。

进一步地，如图4所示，二极管阀串还包括支架15，m个第一二极管子阀串11和n个第二二极管子阀串12分别间隔设置于支架15。如此设置，可以保证各个二极管di之间的爬电距离满足使用要求。

另外，二极管阀串还包括第一底座16和转接座19，支架15通过转接座19连接至第一底座16；第一底座16上设置有多个通孔，泄放电阻13和过电压保护器14通过通孔分别固定于第一底座16。

可选地，第一底座16采用槽型铝合金焊接而成，质量较轻。如图4和图7所示，第一底座16包括相对设置的两个第一板16a和连接两个第一板16a的第三板16b。两个第一板16a上设置有4个第一通孔161(标记为c)、4个第二通孔162(标记为b)、8个第三通孔163(标记为a)和4个第四通孔164(标记为d)。泄放电阻13通过4个第一通孔161固定至第一底座16上，过电压保护器14通过4个第二通孔162固定至第一底座16上，转接座19通过4个第四通孔164固定至第一底座16上。

由于第一底座16上设置有多个通孔，使得第一底座16的正面和反面均可以用于固定上述元件。具体来说，第一通孔161、第二通孔162、第三通孔163和第四通孔164均贯穿两个第一板16a，使得第一底座16的两个第一板16a均可以用于固定泄放电阻13和过电压保护器14等元件。由此，对称布置的正二极管阀串1和负二极管阀串2中，正二极管阀串1可以使用第一底座16上的一个第一板16a固定上述元件，负二极管阀串2使用第一底座16上的另一个第一板16a固定上述元件，正二极管阀串1和负二极管阀串2通用一种结构，减少物料种类。

二极管阀串还包括第二底座17，且第一底座16与第二底座17之间设置有绝缘子18。绝缘子18包括芯棒和套设于芯棒外周的绝缘部分。绝缘部分包括护套、设置于护套外周的多个伞裙和沿护套的轴向两端设置的均压环，护套和伞裙采用硅橡胶材料制成，防止尖端放电，并提供所需的爬电距离。绝缘子18的一端通过4个第三定位孔163固定于第一底座16，如图7所示。

第二底座17包括相对设置的第一支撑板171、第二支撑板172，以及连接第一支撑板171及第二支撑板172的第三支撑板173，第三支撑板173上还设置有与绝缘子18连接的垫板175，第一支撑板171、第二支撑板172及第三支撑板173上均设置有连接板174，连接板174上设置有接线柱17a。

可选地，第一支撑板171、第二支撑板172和第三支撑板173均为工字钢，以提高第二底座17的结构刚度和强度。另外，第一支撑板171、第二支撑板172和第三支撑板173沿自身长度方向的两端可以均设置有连接板174，且第一支撑板171与第三支撑板173之间、以及第二支撑板172与第三支撑板173之间分别通过连接板174连接。

第一支撑板171与第三支撑板173之间、以及第二支撑板172与第三支撑板173之间通过连接板174连接，相比于传统工字钢焊接结构，该种连接方式拆卸灵活，运输过程中不会因焊缝开裂而使零件失效。

由此，第二底座17采用第一支撑板171、第二支撑板172和第三支撑板173分体式结构设计，可以有效保证第二底座17的整体平面度，增加了可制造性。另外，该种连接方式还可以根据地面的平整度通过螺栓做适当调整。

接线柱17a设置于连接板174上，便于拆卸维护。二极管阀串通过第二底座17的接线柱17a与外部mmc换流阀m连接，通过垫板175与绝缘子18连接。第三支撑板173与垫板175通过焊接连接。加工过程中，可通过调整垫板175的厚度保证第二底座17与绝缘子18配合时的平面度，从而保证整个二极管阀串的结构装配精度。

另外，如图4所示，本实用新型实施例提供的二极管阀串还包括第一进线排1a、第二进线排1b和出线排1c，第一进线排1a与第一支路连接，第二进线排1b分别与第二支路和过电压保护器14连接，出线排1c分别与第一支路、第二支路及过电压保护器14连接。

由此，电流分别从第一进线排1a和第二进线排1b流入，第一进线排1a流入电流，流经m个第一二极管子阀串11中k个二极管di及n个第二二极管子阀串12中的p个二极管di，再经过出线排1c流出；第二进线排1b流入电流，一条支路流经过电压保护器14，再经过出线排1c流出，另一条支路经过泄放电阻13，流经n个第二二极管子阀串12中的q个反向二极管di，最终经过出线排1c流出。

本实用新型实施例提供的二极管阀串竖直放置使用，采用第一进线排1a和第二进线排1b两个进线方式，从一定程度上简化了电气连接，节省铜排，更有利于散热。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。