CN106712536B - 一种用于高压直流的可控电阻子模块及装置 - Google Patents
一种用于高压直流的可控电阻子模块及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于高压直流的可控电阻子模块及装置，用于高压并实现电阻快速可调。本发明提出，可控电阻装置为模块化多电平电阻器，包括若干个子模块。每个子模块包括两个开关器件和一个电阻器，第一开关器件的负极连接电阻器的一端，正极连接第二开关器件的正极并引出子模块的正端，第二开关器件的负极连接电阻器的另一端并引出子模块的负端。可控电阻装置由至少两个子模块串联而成，相邻两个子模块连接方式为第一子模块的负端与第二子模块的正端连接。此种可控电阻装置可实现单向电流下的电阻快速可调。
Description
技术领域
本发明属于高压直流输电、特高压直流输电领域，特别涉及一种用于高压直流的可控电阻装置。
背景技术
高压直流输电设备将交流电流通过换流器转换为直流电流并且传输到另一个换流器，将直流电流又转换为交流电流。换流器将交流电流转化为直流电流称为整流器，换流器将直流电流转化为交流电流称为逆变器。如果整流器所接交流系统为弱系统，当逆变器突然闭锁时，可能导致整流器所接交流系统不能稳定运行；基于电网换相的高压直流输电换流器一般采用晶闸管作为开关器件，由于晶闸管可以控制开通不能控制关断，当高压直流输电系统发生交流或直流扰动时，逆变器容易引起换相失败。
解决上述两个问题的一种方法是在直流侧并联制动电阻。对于第一个问题，当逆变器突然闭锁时，通过投入制动电阻消耗直流功率，保证整流器所接交流系统稳定；对于第二个问题，当检测到高压直流输电系统发生交流或直流扰动时，通过投入制动电阻消耗直流电流，减少逆变器换相时间，提高换相裕度从而保证不发生换相失败。
现有采用并联制动电阻的方法是采用直流开关和固定电阻串联方式，当需要投入制动电阻时，闭合直流开关；当需要切除制动电阻时，分开闭合开关。由于电阻不具有可调特性，导致调节方式单一，控制效果较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于高压直流的可控电阻装置，用于高压并实现电阻快速可调。
本发明的解决方案是：一种用于构成用于高压直流的可控电阻装置的子模块，包括两个开关器件和一个电阻器，其特征在于，第一开关器件的负极连接电阻器的一端，正极连接第二开关器件的正极并引出子模块的正端，第二开关器件的负极连接电阻器的另一端并引出子模块的负端。
所述第一开关器件采用二极管、晶闸管、可关断晶闸管GTO、集成门极换流晶闸管IGCT、绝缘栅双极型晶体管IGBT或电力场效应管MOSFET；所述第二开关器件采用可关断晶闸管GTO、集成门极换流晶闸管IGCT、绝缘栅双极型晶体管IGBT或电力场效应管MOSFET。
所述第一开关器件采用二极管、晶闸管、可关断晶闸管GTO或集成门极换流晶闸管IGCT时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极；所述第一开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；所述第一开关器件采用电力场效应管MOSFET时，所述正极为其源极，所述负极为其漏极。
所述第二开关器件采用可关断晶闸管GTO或集成门极换流晶闸管IGCT时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极；所述第二开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；所述第二开关器件采用电力场效应管MOSFET时，所述正极为其源极，所述负极为其漏极。
所述子模块的正端和负端并联吸收电路；所述吸收电路采用以下两种结构的任一种：
第一种：电阻和电容串联支路；
第二种：采用电阻和二极管并联后再与电容串联支路，其中，二极管的阳极与子模块正端相连或二极管的阴极与子模块负端相连。
可选地，所述子模块的正端和负端并联保护电路；所述保护电路采用晶闸管，晶闸管的阴极与子模块的正端相连，晶闸管的阳极与子模块的负端相连。
通过控制可控电阻装置各子模块的工作状态，实现对可控电阻装置的控制，所述可控电阻装置中各子模块工作在3种状态：状态1，第一开关器件开通，第二开关器件关断，该子模块的输出电阻为电阻器的电阻值；状态2，第一开关器件关断，第二开关器件开通，该子模块的输出电阻为零电阻值；状态3，第一开关器件关断，第二开关器件关断，该子模块的输出电阻为无穷大电阻值；所述子模块的输出电阻是该子模块正端相对负端的电阻。
一种用于高压直流的可控电阻装置，其全部或部分由上述权利要求中的子模块组成，其特征在于：采用以下四种拓扑结构中的任一种：
第一种：由子模块串联模块和非线性电阻并联组成；
第二种：由子模块串联模块和全控器件串联模块串联后再与非线性电阻并联组成；
第三种：由子模块串联模块和非线性电阻并联后再与固定电阻串联组成；
第四种：由子模块串联模块和全控器件串联模块串联后再与非线性电阻并联，最后与固定电阻串联组成。
所述子模块串联模块由上述权利要求中的子模块串联组成，相邻两个子模块连接方式为第一子模块的负端与第二子模块的正端连接。
所述全控器件串联模块由全控型器件直接串联组成；所述全控型器件为可关断晶闸管GTO、集成门极换流晶闸管IGCT、绝缘栅双极型晶体管IGBT或电力场效应管MOSFET。
所述四种拓扑结构中的任一种可正向再串联二极管或晶闸管阀组，连接方式为二极管或晶闸管阀组的阳极作为可控电阻装置的正端，阴极与所述四种拓扑结构中的任一种的第一子模块正端相连；所述二极管或晶闸管阀组由多个同向串联的二极管或晶闸管组成。
本发明的有益效果：本发明提出一种用于高压直流的可控电阻装置，通过对子模块的开关器件进行控制，实现单个子模块输出电阻为零电阻、电阻器值或无穷大电阻，通过子模块串联实现可控电阻装置的总电阻值快速可调，并且可用于高压应用场合。
附图说明
图1-图4为本发明采用典型开关器件的子模块；
其中，图1为第一开关器件采用IGBT，第二开关器件采用IGBT；图2为第一开关器件采用二极管，第二开关器件采用IGBT；图3为第一开关器件采用晶闸管，第二开关器件采用IGBT；图4为第一开关器件采用GTO，第二开关器件采用GTO；
图5和图6为本发明子模块的两种吸收电路；
图7为本发明子模块的保护电路；
图8、图9和图10为本发明子模块的控制状态示意图；
图11-图14为本发明由子模块组成的可控电阻装置；
其中，图11为由子模块串联模块组成；图12为由子模块串联模块和全控器件串联模块组成；图13为由子模块串联模块和固定电阻组成；图14为由子模块串联模块、全控器件串联模块和固定电阻组成。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明，其中，相同的组件使用相同的附图标记。图1-图4示出了采用典型开关器件的子模块。图1、图2、图3、图4的第一开关器件1的负极连接电阻器3的一端，正极连接第二开关器件2的正极并引出子模块的正端X1，第二开关器件2的负极连接电阻器3的另一端并引出子模块的负端X2。图1的第一开关器件1为IGBT，第二开关器件2为IGBT；图2的第一开关器件1为二极管，第二开关器件2为IGBT；图3的第一开关器件1为晶闸管，第二开关器件2为IGBT；图4的第一开关器件1为GTO，第二开关器件2为GTO。
图5和图6示出了并联于子模块正端X1和负端X2的两种吸收电路。图5为电阻4和电容5串联支路，图6为采用电阻4和二极管6并联后再与电容5串联支路，其中，二极管6的阳极与子模块正端X1相连。吸收电路主要是抑制过高的电流变化率(di/dt)和电压变化率(du/dt)，确保开关器件工作在安全工作区。
图7示出了并联于子模块正端X1和负端X2的子模块的保护电路。保护电路采用晶闸管7，晶闸管7的阴极与子模块的正端X1相连，晶闸管的阳极与子模块的负端X2相连。当子模块出现负电压时，为了防止第二开关器件2的反并联二极管发生过流，触发导通晶闸管7，从而保护第二开关器件2的反并联二极管损坏。
图8、图9和图10为子模块的控制状态示意图。通过控制可控电阻装置各子模块的工作状态，实现对可控电阻装置的控制，各子模块工作在3种状态：状态1，如图8所示，第一开关器件1开通，第二开关器件2关断，电流流经第一开关器件1和电阻器3，此时子模块的输出电阻为电阻器的电阻值；状态2，如图9所示，第一开关器件1关断，第二开关器件2开通，电流流经第二开关器件2，此时子模块的输出电阻为零电阻值；状态3，如图10所示，第一开关器件1关断，第二开关器件2关断，此时子模块的输出电阻为无穷大电阻值。因此，通过控制第一开关器件1和第二开关器件2的开通和关断，实现子模块输出电阻值的变化。
图11-图14示出了由第一、第二开关器件都采用全控器件的子模块组成的可控电阻装置。图11为由子模块串联模块9组成，子模块串联模块9中包含若干个子模块，通过控制各个子模块中第一开关器件1和第二开关器件2的开通和关断，实现子模块输出电阻值的变化，从而实现可控电阻装置的电阻值调节，电阻值调节范围为0～(R1+R2+…+Rn)。可控电阻装置两端并联非线性电阻8，当闭锁子模块串联模块9，此时故障电流转移至非线性电阻8中，直至系统能量被其所消耗吸收，可控电阻装置完成分断。
图12为由子模块串联模块9和全控器件串联模块10组成，子模块串联模块9中包含若干个子模块，通过控制各个子模块中第一开关器件1和第二开关器件2的开通和关断，实现子模块输出电阻值的变化，从而实现可控电阻装置的电阻值调节，电阻值调节范围为0～(R1+R2+…+Rn)。全控器件串联模块10由全控型器件串联组成，主要是辅助关断，承受一部分关断过电压。可控电阻装置两端并联非线性电阻8，当闭锁子模块串联模块9和全控器件串联模块10，此时故障电流转移至非线性电阻8中，直至系统能量被其所消耗吸收，可控电阻装置完成分断。
图13为由子模块串联模块9和固定电阻11组成，子模块串联模块9中包含若干个子模块，通过控制各个子模块中第一开关器件1和第二开关器件2的开通和关断，实现子模块输出电阻值的变化，从而实现可控电阻装置的电阻值调节，电阻值调节范围为R0～(R0+R1+R2+…+Rn)。串联固定电阻11后，电阻值调节范围变小，子模块串联模块9中理论上可减少子模块数量，但考虑到需要满足关断过电压要求，子模块数量减少有限。可控电阻装置两端并联非线性电阻8，当闭锁子模块串联模块9，此时故障电流转移至非线性电阻8中，直至系统能量被其所消耗吸收，可控电阻装置完成分断。
图14为由子模块串联模块9、全控器件串联模块10和固定电阻11组成，子模块串联模块9中包含若干个子模块，通过控制各个子模块中第一开关器件1和第二开关器件2的开通和关断，实现子模块输出电阻值的变化，从而实现可控电阻装置的电阻值调节，电阻值调节范围为R0～(R0+R1+R2+…+Rn)。串联固定电阻11后，电阻值调节范围变小，子模块串联模块9中可减少子模块数量，通过串联全控器件串联模块10承受部分关断过电压，能够满足关断过电压要求。可控电阻装置两端并联非线性电阻8，当闭锁子模块串联模块9和全控器件串联模块10，此时故障电流转移至非线性电阻8中，直至系统能量被其所消耗吸收，可控电阻装置完成分断。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (11)
1.一种用于高压直流的可控电阻子模块，包括两个开关器件和一个电阻器，其特征在于，第一开关器件的负极连接电阻器的一端，正极连接第二开关器件的正极并引出子模块的正端，第二开关器件的负极连接电阻器的另一端并引出子模块的负端。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压直流的可控电阻子模块，其特征在于：所述第一开关器件为二极管、晶闸管、可关断晶闸管GTO、集成门极换流晶闸管IGCT、绝缘栅双极型晶体管IGBT或电力场效应管MOSFET中的一种；所述第二开关器件为可关断晶闸管GTO、集成门极换流晶闸管IGCT、绝缘栅双极型晶体管IGBT或电力场效应管MOSFET中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种用于高压直流的可控电阻子模块，其特征在于：所述第一开关器件采用二极管、晶闸管、可关断晶闸管GTO或集成门极换流晶闸管IGCT时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极；所述第一开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；所述第一开关器件采用电力场效应管MOSFET时，所述正极为其漏极，所述负极为其源极。
4.根据权利要求2所述的一种用于高压直流的可控电阻子模块，其特征在于：所述第二开关器件采用可关断晶闸管GTO或集成门极换流晶闸管IGCT时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极；所述第二开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；所述第二开关器件采用电力场效应管MOSFET时，所述正极为其漏极，所述负极为其源极。
5.根据权利要求1所述的一种用于高压直流的可控电阻子模块，其特征在于：所述子模块的正端和负端并联吸收电路；所述吸收电路采用以下两种结构中的一种：
第一种：电阻和电容串联支路；
第二种：采用电阻和二极管并联后再与电容串联支路，其中，二极管的阳极与子模块正端相连或二极管的阴极与子模块负端相连。
6.根据权利要求1所述的一种用于高压直流的可控电阻子模块，其特征在于：所述子模块的正端和负端并联保护电路；所述保护电路采用晶闸管，晶闸管的阴极与子模块的正端相连，晶闸管的阳极与子模块的负端相连。
7.一种针对如权利要求1所述用于高压直流的可控电阻子模块的控制方法，其特征在于：通过控制可控电阻装置各子模块的工作状态，实现对可控电阻装置的控制；
所述可控电阻装置中各子模块工作在3种状态：
状态1，第一开关器件开通，第二开关器件关断，该子模块的输出电阻为电阻器的电阻值；
状态2，第一开关器件关断，第二开关器件开通，该子模块的输出电阻为零电阻值；
状态3，第一开关器件关断，第二开关器件关断，该子模块的输出电阻为无穷大电阻值；
所述子模块的输出电阻是该子模块正端相对负端的电阻。
8.一种用于高压直流的可控电阻装置，其特征在于：
所述可控电阻装置部分或全部由可控电阻子模块组成，所述可控电阻子模块包括两个开关器件和一个电阻器，其特征在于，第一开关器件的负极连接电阻器的一端，正极连接第二开关器件的正极并引出子模块的正端，第二开关器件的负极连接电阻器的另一端并引出子模块的负端；
所述可控电阻装置采用以下四种拓扑结构中的任一种：
第一种：由子模块串联模块和非线性电阻并联组成；
第二种：由子模块串联模块和全控器件串联模块串联后再与非线性电阻并联组成；
第三种：由子模块串联模块和非线性电阻并联后再与固定电阻串联组成；
第四种：由子模块串联模块和全控器件串联模块串联后再与非线性电阻并联，最后与固定电阻串联组成。
9.根据权利要求8所述的用于高压直流的可控电阻装置，其特征在于：所述子模块串联模块由所述可控电阻子模块串联组成，相邻两个可控电阻子模块连接方式为第一子模块的负端与第二子模块的正端连接。
10.根据权利要求8所述的用于高压直流的可控电阻装置，其特征在于：所述全控器件串联模块由全控型器件直接串联组成；
所述全控型器件为可关断晶闸管GTO、集成门极换流晶闸管IGCT、绝缘栅双极型晶体管IGBT或电力场效应管MOSFET。
11.根据权利要求8所述的用于高压直流的可控电阻装置，其特征在于：在所述四种拓扑结构中的任一种结构中，正向再串联二极管或晶闸管阀组，连接方式为二极管或晶闸管阀组的阳极作为可控电阻装置的正端，阴极与所述四种拓扑结构中的任一种的第一子模块正端相连；所述二极管或晶闸管阀组由多个串联的二极管或晶闸管组成。
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