一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元

  完成单位：南京南瑞继保电气有限公司

  主要完成人：谢晔源、潘淳、曹冬明、方太勋、田杰、刘为群、李海英、陈勇、汪涛

一、研发背景

高压柔性直流输电技术采用了模块化多电平技术，保证了新能源灵活、规模和安全的接入交流电网，是实现 新型电力系统战略目标，“碳达峰、碳中和”目标的有效手段；同时又可以解决电网现有的大电网互联的短路容量超标和城市供电的非合环运行等问题，具有非常广泛和迫切的应用需求。

作为该技术核心的高压柔性直流换流阀由上千个子模块、阀支架和水冷构成。子模块的可靠性至关重要。多电平电压换流器由若干个结构完全相同的基本单元构成，每一个基本单元称为换流器的模块单元,或称为子模块（SM），每个模块单元均包含一次电路（功率组件）和二次控制电路（控制组件），接受主控制器的高频开关信号，实现数千安培的电流变换。模块单元的作用相当于集成电路中的芯片，其性能直接影响换流器系统的性能。

发明团队长期跟踪柔性模块化多电平技术发展趋势，敏锐的跟踪行业痛点和难点：模块单元故障率高，难以突破高电压大容量的瓶颈。

结合对拓扑结构的深刻理解，发明团队针对上述痛点和难点取得关键性技术突破，解决了模块单元故障率高的难题，具体表现：1）子模块兼有一次换流和二次控制的功能，运行时存在高频电磁场和工频磁场的干扰，会诱发一些控制失效的故障，现有的理论分析不足，也没有形成指导子模块设计的原则，往往通过多配置冗余子模块来缓解，造成成本上升；2）子模块使用的IGBT耐电压/电流能力较弱，故障时电流和电压快速上升，处理不当就会造成IGBT损毁，严重时导致子模块冷却水路破损漏水，引起整个换流阀故障；3）子模块的重量大，安装在阀塔之上，检修维护操作困难，影响了故障处理停电时间。

发明团队深入分析了基于子模块一二次混合电气结构的电磁兼容机理，流经子模块的电流高频谐波和子模块端口电压跃变产生传导干扰和辐射干扰，通过分布电容传导和空间耦合到控制组件。基于此，本专利提出创新设计方法：发明团队申请了核心专利 “一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元”：将散热器与叠层母排将控制组件分隔，提供了屏蔽保护，减小了分布电容数值，减轻了控制组件受到的传导和辐射干扰，同时以冷却散热板为主体的支撑结构，减小IGBT爆炸时位移，避免漏水问题。

二、发明团队介绍

发明团队长期从事电力电子技术及其在电力系统中的基础研究、设备开发以及工程应用。在柔性直流输电技术方面：牵头完成了柔性直流换流阀的研制和工程应用，完成广东南澳、舟山五端、张北直流电网、乌东德混合直流等多项重点工程的实施工作；在柔性交流输电方面：发明团队研制的静止无功发生器已实现产品化，投运工程超过千套，其中包含国内外多个百兆级静止无功发生器；发明团队研制成功统一潮流控制器(UPFC)，完成了世界首个基于模块化多电平技术的统一潮流控制器工程-南京220千伏西环网UPFC示范工程，以及世界上电压等级最高、容量最大的统一潮流控制器工程-苏州500kV统一潮流控制器工程。

发明团队参与国家863计划项目“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”、“柔性直流输电在城市供电中的研究与应用”、“智能配电柔性多状态开关技术、装备及示范应用”等多项国家重大项目，获得中国电力一等奖、机械科技进步一等奖、国网科技进步一等奖中国专利优秀奖等多项省部级奖励。

三、成果(专利)简介

高压大容量多电平换流器应用于包括远距离大功率输电、新能源及分布式电源接入、海岛及海上平台供电、城市供电在内的各种柔性直流输电应用场合，输电容量可达上千兆，包含数百或数千个模块单元，仅换流器部分的工程造价可达到数十亿元，一旦发生故障会造成数百兆、甚至上千兆的功率损失，造成区域电力供给失衡。本专利为了解决上述问题，针对现有技术进行了改进，主要改进包括以下两点：

（1）提出子模块分区屏蔽技术，提升换流器整体可靠性

本专利针对换流器子模块单元可靠性问题，提出将散热器与叠层母排将功率组件包裹在一个封闭的空间的布置方式，利用大面积的叠层母排和散热器，为功率组件提供了屏蔽罩保护，使功率组件与控制组件在工作时彼此隔离。功率组件、控制组件、旁路开关通过散热器、叠层母排的优化布置，行成了分区屏蔽的效果，可消除系统各个部分之间的相互干扰，同时避免了损坏的器件残渣飞溅，对其他区域的器件造成不利影响，提高子模块单元的整体可靠性。

（2）提出子模块多级分离技术，提升换流器检修维护便捷性

本专利针对换流器子模块单元难以检修、维护的问题，提出将子模块单元分离为变流器单元和固定式直流储能单元，其中分离式变流器是一个相对独立的整体，固定在隔板上并可在底板上来回移动，电气连接设计为可分离式，可实现现场灵活拆卸。

分离式变流器中主要包含故障率较高的功率组件，这种结构方式有利于在现场需要更换子模块单元的功率组件时，无需移动相对重量更大的固定式直流储能单元，提升了换流器检修维护的便捷性；同时直流电容的故障率很低，做成固定式不会对检修造成困难，由于换流器由数量较多的模块单元级联而成，利用重量更大的电容做固定，有利于提升整个换流器结构的稳定性。

应用该专利技术的换流器系统通过了中国电机工程学会的科学技术成果鉴定：

2013年，“PCS-8100柔性直流输电系统”通过了中国电机工程学会的科学技术成果鉴定，鉴定结论：国际领先。

2015年，“PCS-8200统一潮流控制器（UPFC）”通过了中国电机工程学会的科学技术成果鉴定，鉴定结论：国际领先。

2017年，“PCS-8100高压大容量柔性直流换流器”通过了中国电机工程学会的科学技术成果鉴定，鉴定结论：国际领先。

2017年，“66kV直挂式静止同步补偿器(STATCOM)”通过了中国电机工程学会的科学技术成果鉴定，鉴定结论：国际领先。

其中“PCS-8100高压大容量柔性直流换流器”的鉴定意见指出：

本项目提出了分区屏蔽和多级分离的高压大容量柔性直流换流器子模块方案，研制了高可靠、易维护的子模块，功率组件与控制组件分区布置、控制组件全屏蔽、控制板卡/功率组件/子模块整体三层逐级分离设计，解决了换流器强电磁干扰问题，提高了换流器运行可靠性且易于维护。

申报专利获得奖项：

（1）2018年度申报专利获得中国专利奖优秀奖。

（2）2018年度申报专利获得国家电网公司专利奖一等奖。

依托申报专利获得奖项：

（1）2015年获得中国机械工程学会颁发的中国机械工业科学技术一等奖，项目名称：高压大容量多端柔性直流输电关键技术开发、装备研制及工程应用。

本专利相关完成人：谢晔源

（2）2015年获得国家电网公司颁发的科学技术科技进步一等奖，项目名称：多端柔性直流输电关键技术研究、设备研制与示范应用。

本专利相关完成人：田杰

（3）2015年获得南瑞集团颁发的科技进步一等奖，项目名称：静止无功发生器（SVG）系统的研制及应用。

本专利相关完成人：谢晔源，方太勋，曹冬明

（4）2016年获得中国电机工程学会颁发的中国电力科技技术进步一等奖，项目名称：高压大容量多端柔性直流输电关键技术开发、设备研制及工程应用。

本专利相关完成人：谢晔源

（5）2017年获得中国电力企业联合会颁发的中国电力创新大奖，项目名称：统一潮流控制器（UPFC）关键技术、设备研制及示范应用。

本专利相关完成人：曹冬明，田杰

（6）2021年专利第一发明人谢晔源获得了第三届江苏省专利发明人奖。

四、成果（专利）转化情况介绍

模块化多电平换流器技术是近年来出现的先进输电技术，利用了模块化的特点解决低耐压开关管应用于电力系统的瓶颈，成套设备由数千个模块单元构成，传输数千兆电能。

发明团队长期跟踪柔性模块化多电平技术发展趋势，敏锐的跟踪行业痛点和难点：模块单元故障率高，直流线路故障难清除，众多模块单元难以协调控制。

结合对拓扑结构的深刻理解，发明团队针对上述痛点和难点取得关键性技术突破，解决了模块单元故障率高、难检修维护的难题，具体表现：1）子模块兼有一次换流和二次控制的功能，运行时存在高频电磁场和工频磁场的干扰，会诱发一些控制失效的故障，现有的理论分析不足，也没有形成指导子模块设计的原则，往往通过多配置冗余子模块来缓解，造成成本上升；2）子模块使用的IGBT耐电压/电流能力较弱，故障时电流和电压快速上升，处理不当就会造成IGBT损毁，严重时导致子模块冷却水路破损漏水，引起整个换流阀故障；3）子模块的重量大，安装在阀塔之上，检修维护操作困难，影响了故障处理停电时间。

发明团队深入分析了基于子模块一二次混合电气结构的电磁兼容机理，流经子模块的电流高频谐波和子模块端口电压跃变产生传导干扰和辐射干扰，通过分布电容传导和空间耦合到控制组件。基于此，本专利提出创新设计方法：发明团队申请了核心专利 “一种适用于大容量模块化多电平电压源换流器的模块单元”：将散热器与叠层母排将控制组件分隔，提供了屏蔽保护，减小了分布电容数值，减轻了控制组件受到的传导和辐射干扰，同时以冷却散热板为主体的支撑结构，减小IGBT爆炸时位移，避免漏水问题。

更进一步的，本专利优化了功率组件、控制组件、旁路开关（含控制部件）的布置，行成了分区屏蔽的效果，消除了系统各个部分之间的相互干扰，实现控制组件区域电磁场强度屏蔽效能达68%，辐射电磁场试验强度达30V/m。

发明团队对该问题持续研究， 提出子模块等电位设计方法（CN112532072A模块化多电平子模块、阀塔及交流耐压测试方法），实施了控制组件金属外壳的单点接地，减小共模地噪声干扰，进一步改善了分区屏蔽的效果。

发明专利获得了中国利奖优秀奖以及国家电网公司一等奖；以此专利为核心，发明团队在直流故障处理以及多模块单元协调控制方面取得突破并布局了多个关键专利，获得多项国家电网公司专利奖。作为主要发明团队，共取得41项国内专利授权，15项国外专利授权，近3年申请国内专利77项，国外专利15项。

依托核心专利，发明团队与专利权人积极进行知识产权向工业产品的转化：柔性直流输电系统，统一潮流控制器，静止无功发生器，依托本专利的产品在下列领域中均得到应用，并取得了重要突破。

（1）在柔性直流输电领域取得成功应用：研究成果应用到±160kV广东南澳三端工程、±200kV浙江舟山五端工程、±500kV张北柔直电网工程、±800kV乌东德混合直流工程等多个里程碑式的柔性直流输电工程，显著提升了柔直换流阀的各项性能，7年来，换流阀容量从200MW提升到5000MW，电压等级由±160kV提升到±800kV，完成了专利技术从知识产权向工业产品的转化。

（2）在柔性交流输电领域应用并取得突出效果：专利产品成功应用于UPFC和STATCOM换流器产品：在220kV南京西环网UPFC、500kV苏南UPFC、35kV/±200Mvar观音岩STATCOM、35kV/±120Mvar印度GETCO STATCOM等工程中成功应用。

直流输电技术在输送容量、可控性及提高供电质量、减小线路损耗以及可再生能源灵活、便捷接入等方面具有比显著优势。本专利解决了换流阀可靠性的核心问题，有助于实现双碳战略落地和新型电力系统建设目标。真正意义上实现了国内企业模块化多电平换流器产品不依赖而且超越国外产品。

五、经济效益与社会效益介绍

1.经济效益

本专利的应用改善了高压大容量电力电子换流器的性能，由于工程应用效果良好，提升了产品竞争力，技术的优势使得产品在行业内处于领先地位。根据统计，应用本专利技术的换流器总占有率为38.7%，综合排名居首。专利权人通过专利技术实现了大容量模块化电压源换流器领域的技术引领，专利技术产品广泛应用于柔性直流换流器、静止无功发生器、统一潮流控制器等产品，据统计，专利成果的转化产品实现新增经济效益47.2亿元。

2.社会效益

（1）提升我国大功率变流技术的国际竞争力，实现国家重大装备国产化的目标

基于本专利的换流器模块单元已应用于柔性直流输电系统、统一潮流控制器（UPFC）和静止无功发生器等柔性输电产品中，列举典型工程如下：广东省南澳岛多端柔性直流工程、浙江省舟山多端柔性直流工程、张北柔性直流输电工程（建设中）、南京西环网220kV UPFC工程、苏州500kV UPFC工程、云南观音岩、江苏吴江、印度GETCO 、乌干达Umeme Roofings、伊朗Ghaena STATCOM工程。

柔性直流输电换流器、静止无功发生器、统一潮流控制器等模块化多电平高压大容量换流器得到越来越多的应用，上述应用对提高电力系统输送能力、改善电网电能质量有着重要的意义。

模块单元是组成上述换流器系统的核心单元，其作用相当于集成电路中的芯片，其工作性能直接影响整个系统的性能，通过本专利技术提出的分区屏蔽技术，解决了模块单元可靠性的问题，极大的提升了换流器系统的可靠性。

应用情况表明，基于本专利子模块单元构成的具有完全自主知识产权的高压大容量柔直换流器总体上达到同类系统的国际领先水平，真正意义上实现了国内企业高压大容量换流器产品不依赖而且超越国外产品，实现了国家重大装备国产化的目标，从本质上提升了我国高压大容量换流器设备的国际竞争力，为国内后续柔性直流输电工程提供更加安全、可靠、运行维护方便的高压大容量换流器。

（2）带动新能源发电产业发展，推动能源结构优化进程

《中国2050高比例清洁能源发展情景暨途径研究》报告中指出，到2050年，清洁能源满足中国一次能源需求60%以及电力需求85%以上在技术上是可行的，在经济上是可承受的。国家也多次召开能源安全战略专题研讨，就推动能源生产和消费革命提出具体要求，指出要大力推动能源供给革命，建立多元能源供应体系。

基于高压大容量柔性直流换流器的柔性直流输电技术能够在大范围内平抑清洁能源发电的波动性和随机性具有显著的技术优势，提高风电等清洁能源的并网效率，缓解功率和电压波动对电网造成的冲击，将成为未来智能电网发展的重要方向和组成部分。

依托本专利技术成功解决了级联多电平变流器工程应用中存在的问题，提高了变流器的可靠性和检修维护效率，使变流系统更易向更高电压等级、更大容量发展，有利于提升新能源输送能力，带动新能源产业发展：

其中张北柔性直流工程为最为典型的应用：为充分发挥柔性直流输电在新能源开发、利用上的技术优势，满足张北可再生能源可靠送出与消纳，支撑低碳绿色冬奥，建成投产张北可再生能源四端环形柔性直流电网示范工程，构建输送大规模风电、光伏、抽蓄等多种能源的四端环形柔性直流电网。该工程是世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程，也是世界首个应用柔性直流技术进行陆地可再生能源大规模并网的示范工程，创新引领和科技示范意义重大。