一种功率器件并联型功率模块及电容充放电方法与流程

1.本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种功率器件并联型功率模块及电容充放电方法。


背景技术：

2.新型电力系统是以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动以及多能互补为支撑，具有清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动基本特征的电力系统。同时，新型电力系统是以确保能源电力安全为基本前提、以满足经济社会发展电力需求为首要目标、以最大化消纳新能源为主要任务。而柔性直流输电技术作为一种新型直流输电技术，是风电类可再生能源并网的最佳解决方案之一，也是是构建新型电力系统的重要技术之一，其核心设备柔直换流阀将得到更广泛研究及推广应用。
3.在高比例新能源和高比例电力电子设备接入的情况下，电力系统的动态特性正在发生，频率稳定性将面临巨大挑战，亟需开发新型电力电子设备，以提供短时惯量支撑来保障系统稳定性。
4.目前，常规柔性直流输电系统可将正常交流系统的调频能量通过直流系统传送给受扰交流系统，但会影响正常交流系统稳定运行。因此，需要柔性直流输电系统在设计时就预留调频容量，即要求柔直换流阀进行短时翻倍式的过载运行。如何开发出大容量的柔直换流阀将是迫切需求解决的技术难点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种功率器件并联型功率模块及电容充放电方法，提升柔直换流阀容量，使其具备短时调频容量输出，保障新型电力系统频率稳定，并提高维护效率，增强产品可靠性。
6.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
7.一种功率器件并联型功率模块，包括两个以上压接型功率器件，所述两个以上压接型功率器件采用半桥组串的物理形式上下并联；所述压接型功率器件的半桥组串通过硅堆复合母排进行并联；每个功率模块配置有气动短接开关，在多个功率模块串联情况下，所述气动短接开关将所有直流电容串联起来，通过柔直换流阀交流、直流阀侧接地回路进行充放电；所述气动短接开关连接气体驱动管路，气体驱动管路连接阀基气体加压装置。
8.作为本发明功率器件并联型功率模块的一种优选方案，所述柔直换流阀交流、直流阀侧接地回路配置有交流接地开关、直流接地开关、放电电阻、电流测量装置、电压测量装置、分接开关和外接直流电源；所述分接开关和外接直流电源串联；所述放电电阻一端与外接直流电源相连，另一端接地；所述电流测量装置与电压测量装置相并联。
9.作为本发明功率器件并联型功率模块的一种优选方案，所述的压接型功率器件采用并联水道的双拼散热器进行散热，所述双拼散热器包括两个分部散热器，通过分部联通水管将两个分部散热器连接成一体；所述两个分部散热器上分别设置总进、出水口，各分部
散热器内设置进水、出水分流水道，相应分流水道接口通过分部联通水管联通成一体。
10.作为本发明功率器件并联型功率模块的一种优选方案，所述总进、出水口安装有外露的不锈钢电极水头；所述不锈钢电极水头分别通过螺纹与双拼散热器和外部水管连接。
11.作为本发明功率器件并联型功率模块的一种优选方案，所述硅堆复合母排由铜板和绝缘板多层材料复合而成，所述硅堆复合母排将多个半桥组串的电气节点散热器进行并联连接，硅堆复合母排相应的c-和c+端子与所有直流电容的复合母排连接。
12.作为本发明功率器件并联型功率模块的一种优选方案，所述气动短接开关包括正极底座、正极铜带、正极气罩、柔性负爪、负极底座以及气体接口；所述柔性负爪连接本功率模块对应直流电容负极，正极铜带连接相邻功率模块对应直流电容正极；柔性负爪通过气体接口与气体驱动管路连接；所述柔性负爪以及正极铜带均设置在密闭的正极气罩内部，柔性负爪包括两个以上呈圆周均匀布置的分爪，当正极气罩内部气压小于设定值时，使柔性负爪与正极气罩之间保持固定的空间距离；当通过气体驱动管路增大正极气罩的内部气压，且大于设定值时，使柔性负爪向外曲张，与正极铜带接触，进而将相邻功率模块对应直流电容的正、负极短接在一起。
13.作为本发明功率器件并联型功率模块的一种优选方案，所述阀基气体加压装置上设置有带联锁机构的手动阀门，功率模块正常工作时无法打开手动阀门。
14.一种所述功率器件并联型功率模块的电容充放电方法，包括：
15.当直流电容需要充电时，多个功率模块配置的对应气动短接开关，以及直流接地开关和分接开关均闭合，形成闭合回路，通过外接直流电源给直流电容充电；
16.当直流电容需要放电时，多个功率模块配置的对应气动短接开关，以及交流接地开关和直流接地开关均闭合，形成闭合回路，通过放电电阻给直流电容放电。
17.作为本发明电容充放电方法的一种优选方案，所述电流测量装置测量多个相串联的功率模块两端电压，得到多个串联直流电容的电压；所述电流测量装置和电压测量装置将采样信号反馈给阀控系统，实时监控直流电容的充放电状态。
18.作为本发明电容充放电方法的一种优选方案，所述的直流电容充电至电压阈值后，断开气动短接开关、直流接地开关和分接开关，通过功率模块的阀基控制器对功率模块自身进行功能测试，测试内容包括功率模块旁路开关的正常动作测试。
19.相较于现有技术，本发明功率器件并联型功率模块至少具有如下的有益效果：
20.将两个以上压接型功率器件采用半桥组串的物理形式上下并联，这里的压接型功率器件可以是igbt、二极管，将压接型功率器件的半桥组串通过硅堆复合母排进行并联，每个功率模块配置有气动短接开关，在多个功率模块串联情况下，气动短接开关将所有直流电容串联起来，通过柔直换流阀交流、直流阀侧接地回路进行充放电，本发明的功率器件并联型功率模块可以提高功率器件并联使用时关键参数的一致性，同时，由本发明功率器件并联型功率模块组成的柔直换流阀能够短时给交流系统提供惯量支撑，保障新型电力系统频率稳定，能够提升柔直换流阀容量，使其具备短时调频容量输出，满足柔直换流阀进行短时翻倍式的过载运行的要求，从而为新型电力系统建设提供技术方案支撑，保障系统安全稳定。
21.相较于现有技术，本发明功率器件并联型功率模块的电容充放电方法至少具有如
下的有益效果：提供的电容放电方法，能避免检修人员维护产品时发生触电现象。提供的电容充电方法，能快速对换流阀所有功率模块进行功能性检查，提高维护效率，增强产品可靠性。本发明方法能快速对换流阀所有功率模块进行功能性检查，提高维护效率，增强产品可靠性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1(a)本发明实施例功率器件并联型功率模块结构三维示意图；
24.图1(b)本发明实施例功率器件并联型功率模块结构正视图；
25.图2(a)本发明实施例压接型功率器件装配结构正视图；
26.图2(b)本发明实施例压接型功率器件装配结构三维示意图；
27.图3(a)本发明实施例双拼散热器结构正视图；
28.图3(b)本发明实施例双拼散热器结构侧视图；
29.图4本发明实施例功率模块电气拓扑图；
30.图5(a)本发明实施例气动短接开关结构立体示意图；
31.图5(b)本发明实施例气动短接开关的柔性负爪结构立体示意图；
32.图5(c)本发明实施例气动短接开关的正极气罩结构立体示意图；
33.图6本发明实施例电容充放电方法接线原理示意图；
34.附图中：1、直流电容；2、阀基控制器；3、外接直流电源；4、驱动板组；5、ac出线端子；6、c-出线端子；7、分接开关；81、上管二极管d1-1；82、上管二极管d1-2；91、上管igbt t1-1；92、上管igbt t1-2；101、下管igbt t2-1；102、下管igbt t2-2；111、下管二极管d2-1；112、下管二极管d2-2；12、双拼散热器；121、分部散热器一；122、分部散热器二；123、总进水口；124、总出水口；125、分部出水联通管；126、分部进水联通管；127、不锈钢电极水头；13、硅堆复合母排；141、第一电容复合母排；142、第二电容复合母排；15、气动短接开关；151、正极底座；152、正极铜带；153、正极气罩；154、柔性负爪；155、负极底座；156、气体接口；16、开关负极连接排；17、气体驱动管路。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
36.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提还可以进行若干简单的修改和润饰，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施方案中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，在本发明所描述的实施例可以与其它的实施例相结合。
38.参见图1(a)与图1(b)，本发明提出的功率器件并联型功率模块，包括两个以上压
接型功率器件，压接型功率器件为igbt、二极管，参见图2(a)与图2(b)，两个以上压接型功率器件采用半桥组串的物理形式上下并联。参见图3(a)与图3(b)，所述功率器件采用并联水道的双拼散热器12进行散热；双拼散热器分为2个分部散热器(分部散热器一121和分部散热器二122)，通过分部联通水管(分部出水联通管125和分部进水联通管126)连接成一体；所述两个以上半桥组串通过低杂散的硅堆复合母排13进行并联；硅堆复合母排13由铜板和绝缘板多层材料复合而成。本发明还提出一种所述功率器件并联型功率模块的电容充放电方法，每个功率模块配置有气动短接开关，在多个功率模块串联情况下，气动短接开关将所有直流电容1串联起来，通过柔直换流阀交流、直流阀侧接地回路进行充放电；充放电回路配置交流接地开关、直流接地开关、放电电阻、电流测量装置、电压测量装置、分接开关和外接直流电源3；多个功率模块的气动短接开关15及气体驱动管路17分支采用并联，与主气体驱动管路进行连接；通过阀基气体加压装置，控制所有气动短接开关15闭合或分开。双拼散热器的两个分部散热器(分部散热器一121与分部散热器二122)有总进水接口123、总出水接口124，各分部散热器(分部散热器一121与分部散热器二122)内设置进水、出水分流水道，相应分流水道接口通过分部联通水管(分部出水联通管125以及分部进水联通管126)联通成一体；所述双拼散热器的总进水、出水接口安装有外露的不锈钢电极水头127；所述不锈钢电极水头127为外螺纹结构，一头拧进散热器内部，另一头外露连接外部水管。
39.在一种可能的实施方式中，硅堆复合母排13将多个半桥组串的电气节点散热器进行并联连接；硅堆复合母排13相应c-和c+端子通过小软铜排与第一电容复合母排141以及第二电容复合母排142连接。参见图5(a)，图5(b)以及图5(c)，气动短接开关14包括正极底座151、正极铜带152、正极气罩153、柔性负爪154、负极底座155、气体接口156；所述柔性负爪154连接本功率模块电容负极，正极铜带152连接相邻功率模块电容正极，正极底座151与正极铜带152相连；柔性负爪154设计有气体接口156，与气体驱动管路连接。本实施例的柔性负爪154由3个分爪呈圆周均匀布置，正极气罩153的内部为联通密闭腔体，柔性负爪154置于正极气罩153的内部；当内部气压小于设定值时，柔性负爪154与正极铜带152之间保持固定的空间距离；当通过气体驱动管路增大其内部气压，且大于设定值时，柔性负爪154向外曲张，与正极铜带152接触，进而将相邻功率模块电容的正、负极短接在一起。
40.参见图6，另一实施例提出一种所述功率器件并联型功率模块的电容充放电方法，包括：
41.当直流电容1需要充电时，多个功率模块配置的对应气动短接开关15，以及直流接地开关和分接开关7均闭合，形成闭合回路，通过外接直流电源3给直流电容1充电；
42.当直流电容1需要放电时，多个功率模块配置的对应气动短接开关15，以及交流接地开关和直流接地开关均闭合，形成闭合回路，通过放电电阻给直流电容1放电。
43.通过所述电流测量装置测控电容充放电的电流大小；所述电流测量装置测量多个串联功率模块两端电压，即得到多个串联直流电容1的电压；所述电流测量装置和电压测量装置将采样信号反馈给阀控系统，以便实时监控直流电容1的充放电状态。
44.更进一步的，阀基气体加压装置包括气体压缩机、手动阀门和阀门上的联锁机构；所述联锁机构在功率模块正常工作时无法打开手动阀门，只有功率模块停机才能打开阀门。
45.更进一步的，直流电容1充电至电压阈值后，断开气动短接开关15、直流接地开关
和分接开关7；通过功率模块的阀基控制器对其进行功能测试，包括旁路开关的正常动作测试。
46.本发明提出的一种功率器件并联型功率模块及电容充放电方法能够有效提升柔直换流阀容量，使其具备短时调频容量输出，为新型电力系统建设提供技术方案支撑，保障系统安全稳定；提供的电容放电方法，能避免检修人员维护产品时发生触电现象；提供的电容充电方法，能快速对换流阀所有功率模块进行功能性检查，提高维护效率，增强产品可靠性。
47.以上结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，这些不脱离本发明的精神和范围的修改和变型也属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内。