本发明专利技术提供了一种模块化多电平电压源换流器模块单元的绝缘配合方法，属于电压源换流器交直流变换和输配电领域。所述模块单元为电压源换流器(VSC)；采用本发明专利技术提出的绝缘方法时，模块单元各设备均能满足系统绝缘要求的同时能最大限度地发挥设备自身特性，降低模块单元的成本和结构设计难度、提高VSC系统运行的鲁棒性；模块单元电场分布均衡，降低了一次主设备对二次控制保护系统的影响。所述绝缘方法为：依据模块单元各种运行工况下的参数，选择绝缘设备和金属设备，通过模块单元的结构设计和电气设计，以保证模块单元在上述电压应力下安全、可靠和经济运行。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电压源换流器的交直流变换和输配电领域，具体讲涉及。
技术介绍
为了缓解能源短缺、环境污染等问题，风能、太阳能等可再生能源的大规模开发利用已是大势所趋。但是风能、太阳能等可再生能源具有分散性、间歇性的缺点，风力发电和光伏发电在采用传统的交流输电技术或常规直流输电技术并网时会给电力系统带来一系列的问题，而且这一问题将随着可再生能源利用规模的扩大而日益突出。柔性直流输电技术是一种基于全控型器件和脉宽调制的新技术，电压源换流器 (voltage source converter简称VSC)是柔性直流输电系统的核心装备。柔性直流输电的控制方式和运行方式灵活，传输的有功功率和无功功率可以独立控制，而且适合中小功率的系统运行，目前已有12个柔性直流输电工程在运行。以VSC为换流单元的柔性直流输电所具有的技术经济特点十分适合不同规模的风力、太阳能等可再生能源的并网发电。电压源换流器既能满足不同规模的可再生能源并网发电需求，也能满足整个电网的安全、稳定、 经济运行的要求，避免因采用其他输电方式对电网产生的不利影响。模块化多电平电压源换流器是VSC的一种新型拓扑，是目前既能有效增加换流器电平输出数、降低输出波形畸变率，又能适用于高压大功率的功率变换、传输场合的拓扑结构。模块化多电平电压源换流器，由一系列结构和功能相同的基本功能单元(简称模块单元)的正负极级联而成，是集成了一次设备、二次控制保护系统、结构、冷却系统和屏蔽系统的有机整体。每个模块单元都是一个完整的VSC，能够实现变流、通讯等所有功能；同时模块单元结构上独立，数个、数十个甚至数百个模块单元相互级联并通过系统的协调控制， 实现较高电压等级、较大功率的换流功能。上述这种高集成度的VSC模块单元，其绝缘方法至关重要，绝缘方法不仅关系到模块单元自身设备的安全，甚至会影响整个系统乃至与其相连的电力系统能否可靠运行。 设计一个好的绝缘配合方案，有利于充分发挥器件本身的工作能力、降低模块单元的成本和结构设计难度、提高VSC系统运行的鲁棒性。这也将更好更快地推进模块化多电平电压源换流器技术的市场化进程。然而绝缘配合设计的专业性和技术都很强，不仅要综合分析模块单元稳态工况下的最大稳态电压应力、暂态工况下的最大暂态和损失过电压特性和器件高速开关造成的复杂电磁环境等，还需要与设计人员反复调整系统的保护逻辑和保护配置参数。
技术实现思路
本专利技术通过模块单元电压应力、电磁环境分析和系统配置设定，提供了，所述绝缘方法使得电压源换流器各模块单元均能满足系统绝缘要求的同时，最大限度的发挥自身特性，降低模块单元的成本和结构设计难度，提高VSC系统运行的鲁棒性，另外也使得模块单元电场分布均衡，降低了一次主设备对二次控制系统的影响。为实现上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下，所述模块单元由结构和功能相同的子模块正负极级联而成，其改进之处在于在于所述相邻的子模块之间设有绝缘材料，模块单元设置有金属支架和屏蔽罩；所述绝缘配合方法步骤如下1)确定模块单元各种运行工况下的最大稳态耐受电SUs、最大暂态耐受电压ue、 最大瞬时过电压Ua和最大载流量Imax ；2)绝缘材料和金属支架的选择所述绝缘材料的表面电阻率Rs > 1·0Χ1014Ω，体积电阻率Rv> 1·0Χ10μΩ · m， 吸水率<0.2% ；所述金属支架截面面积a的选择依据为a=￥，1O其中Itl 单位面积载流量，I0 ( 2. 5A/mm2 ；3)模块单元的结构设计相邻子模块之间和子模块与金属支架之间的最小爬电距离Cl1,Cl1 = Ii^U 稳 *d0;其中Ic1 安全裕度，取值范围1. 1-1. 3，d0 单位爬电距离，取值范围20_25mm/kV ；模块单元内不同电位点之间最小空气间隙d4，d4 = max(d2, d3)；其中d2 最大操作过电压Uswitching对应的最小空气间隙，d2 = k2*Uswitching*d0,d3 最大雷电过电压Ulighting对应的最小空气间隙，d3 = k3*Ulingting*d。，li2、k3 安全裕度，取值范围1. 1-1.3 ；然后再分别以陡波过电压和避雷器保护水平等来校验最小空气间隙是否满足要求，若不满足要求则取较大值。4)模块单元的电气设计左端金属支架与其相邻子模块的负极等电位，右端金属支架与其相邻子模块的正极等电位；模块单元的屏蔽罩与所述左端金属支架等电位，模块单元的屏蔽罩与所述右端金属支架等电位，模块单元的屏蔽罩与所述模块单元中间第M个子模块的负极等电位。本专利技术的另一优选技术方案为模块单元设有冷却回路，所述冷却回路内的冷却介质与所述右端金属支架等电位。本专利技术的又一优选技术方案为所述冷却回路安装等电位针，所述等电位针用于控制冷却介质的电位。由于采取了上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果为1、降低模块单元成本模块化多电平换流器采用本专利技术提出的绝缘方法时，模块单元等设备均能满足系统绝缘要求的同时最大限度地发挥设备自身的特性，即模块单元的性能利用率提高，在满足相同的高电压等级、相同的大功率换流功能的前提下，模块单元的成本降低；2、降低模块单元结构设计难度模块化多电平电压源换流器是由数个、数十个甚至数百个模块单元相互级联而成，模块单元自身的特性发挥到最大限度，则组成模块化多电平电压源换流器的模块单元的数量减小，这就简化了模块单元的对空间体积的要求，降低模块单元结构设计难度；3、提高VSC系统运行的鲁棒性本专利技术所述绝缘方法，使得相邻模块单元电场分布均衡，降低了一次主设备对二次控制保护系统的影响，保证了模块单元安全、可靠和经济运行，提高VSC系统运行的鲁棒性。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步说明。图1是模块化多电平电压源换流器模块单元电气接线图；图2是模块化多电平电压源换流器模块单元功能结构图。附图标记1-左端金属支架，2-右端金属支架，3-绝缘材料，4-冷却回路，5-左端屏蔽罩， 6-右端屏蔽罩，7-底端屏蔽罩，8-子模块；Us:最大稳态耐受电压，U暂最大暂态耐受电压，Ua 最大瞬时过电压，Ifflax 最大载流量，a 金属支架截面面积，I0 单位面积载流量，d:最小爬电距离，K 安全裕度，Uswitching 最大操作过电压，Ulighting 最大雷电过电压。具体实施例方式下面结合实例对本专利技术进行详细的说明。本专利技术的目的在于为模块化多电平电压源换流器模块单元提供一种绝缘方法，当模块单元采用此绝缘配合方案时，既保障设备安全和系统可靠，又充分降低模块单元的成本。根据图1 (a)所示的方法对模块单元进行系统分析，以确定不同元器件实际可能耐受的最大稳态、暂态和瞬时过电压水平和最大载流量Imax ；为尽量降低设备局放放电量， 选择表面电阻率高、体积电阻率高和吸水率低的绝缘材料；导体截面面积a —般按照下式进行核算，其中单位面积载流量Itl 一般不大于2. 5A/mm2。a= —ι〇模块单元内的子模块有序地布置于数根绝缘支撑梁上，一侧通过导线相互连接，另一侧通过水路相互连接。根据相邻子模块之间和子模块与左右端金属支架之间的最大稳态耐受电压UN，来确定相邻子模块之间和子模块与左右端金属支架之间的最小爬电距离屯。出于安全考虑，一般预留一定安全裕度I本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种模块化多电平电压源换流器模块单元的绝缘配合方法，所述模块单元由结构和功能相同的子模块（８）正负极级联而成，其特征在于所述相邻的子模块（８）之间设有绝缘材料（３），模块单元设置有金属支架（１、２）和屏蔽罩（５、６、７）；所述绝缘配合方法步骤如下：１）确定模块单元各种运行工况下的最大稳态耐受电压Ｕ稳、最大暂态耐受电压Ｕ暂、最大瞬时过电压Ｕ过和最大载流量Ｉｍａｘ；２）绝缘材料（３）和金属支架（１、２）的选择：所述绝缘材料（３）的表面电阻率Ｒｓ＞１．０×１０１４Ω，体积电阻率Ｒｖ＞１．０×１０１４Ω·ｍ，吸水率＜０．２％；所述金属支架（１、２）截面面积ａ的选择依据为：其中Ｉ０：单位面积载流量，Ｉ０≤２．５Ａ／ｍｍ２；３）模块单元的结构设计：相邻子模块（８）之间和子模块（８）与金属支架（１、２）之间的最小爬电距离ｄ１，ｄ１＝ｋ１＊Ｕ稳＊ｄ０；其中ｋ１：安全裕度，取值范围１．１－１．３，ｄ０：单位爬电距离，取值范围２０－２５ｍｍ／ｋＶ；模块单元内不同电位点之间最小空气间隙ｄ４，ｄ４＝ｍａｘ（ｄ２，ｄ３）；其中：ｄ２：最大操作过电压Ｕｓｗｉｔｃｈｉｎｇ对应的最小空气间隙，ｄ２＝ｋ２＊Ｕｓｗｉｔｃｈｉｎｇ＊ｄ０，ｄ３：最大雷电过电压Ｕｌｉｇｈｔｉｎｇ对应的最小空气间隙，ｄ３＝ｋ３＊Ｕｌｉｎｇｔｉｎｇ＊ｄ０，ｋ２、ｋ３：安全裕度，取值范围１．１－１．３；然后再分别以陡波过电压和避雷器保护水平等来校验最小空气间隙是否满足要求，若不满足要求则取较大值。４）模块单元的电气设计：左端金属支架（１）与其相邻子模块（８）的负极等电位，右端金属支架（２）与其相邻子模块（８）的正极等电位；模块单元的屏蔽罩（５）与所述左端金属支架（１）等电位，模块单元的屏蔽罩（６）与所述右端金属支架（２）等电位，模块单元的屏蔽罩（７）与所述模块单元中间第Ｍ个子模块的负极等电位。...
【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平电压源换流器模块单元的绝缘配合方法，所述模块单元由结构和功能相同的子模块(8)正负极级联而成，其特征在于所述相邻的子模块(8)之间设有绝缘材料(3)，模块单元设置有金属支架(1、2)和屏蔽罩(5、6、7)；所述绝缘配合方法步骤如下1)确定模块单元各种运行工况下的最大稳态耐受电SUs、最大暂态耐受电压Ue、最大瞬时过电压Ua和最大载流量Imax ；2)绝缘材料(3)和金属支架(1、2)的选择所述绝缘材料(3)的表面电阻率Rs > 1.0X IO14 Ω，体积电阻率Rv > 1.0Χ IO14 Ω · m, 吸水率< 0. 2% ；所述金属支架(1、2)截面面积a的选择依据为a=￥，1O其中Itl 单位面积载流量，I0 ^ 2. 5A/mm2 ；3)模块单元的结构设计相邻子模块⑶之间和子模块⑶与金属支架(1、2)之间的最小爬电距离屯，di = k^U 稳 *d0 ；其中、安全裕度，取值范围1. 1-1. 3，d0 单位爬电距离，取值范围20-25mm/kV ；模块单元内不同电位点之间最小空气间隙d4，d4 = max(d2, d3...
【专利技术属性】
技术研发人员：汤广福，贺之渊，栾洪洲，李强，李云鹏，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：11
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