CN108011389A - 一种复合型直流输电设备 - Google Patents

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Abstract

一种复合型直流输电设备，包括：故障隔离单元，包括：多个串联的第一电力电子开关单元，所述第一电力电子开关单元包括第一开关支路和第一电容，所述第一开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，所述第一电容并联在所述第一开关支路的两端；潮流控制单元，与所述故障隔离单元并联，用于控制换流站间的潮流分布；控制单元，分别与所述故障隔离单元、所述潮流控制单元连接，用于控制所述潮流控制单元与所述故障隔离单元执行预设动作，通过相互连接的直流隔离单元、潮流控制单元以及控制单元，实现直流输电的故障隔离，较使用统一潮流控制器和传统断路器的方案，节约了成本、降低了损耗、节省了占地面积。

Description

一种复合型直流输电设备
技术领域
本发明涉及电力系统直流输电技术领域，具体涉及一种复合型直流输电设备。
背景技术
柔性直流输电是发展智能电网的重要技术手段，与常规直流输电方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、大规模交流系统的互联、新能源并网等方面具有较强的技术优势，具有非常广阔的发展前景。
基于柔性直流系统建立的直流电网是实现大规模可再生能源广域协调互补和可靠送出的有效解决方案，是未来高压大容量柔性直流的重要应用方向。直流电网的发展面临包括直流故障保护及直流潮流控制等在内的诸多问题的挑战。解决直流故障保护和直流潮流控制这两大挑战需要分别用到直流潮流控制器和直流断路器。
现有技术中潮流控制器与直流断路器分别为两种不同设备，单个设备只能完成潮流控制功能或故障隔离功能。如此一来，为了在直流电网中实现潮流控制与故障隔离功能，需要使用两种设备，这将极大地增大直流系统的造价及其占地面积。
针对直流故障隔离功能，现有技术中提出如图1所示的断路器结构，包含(m+n)个级联的电力电子开关1，柔性直流输电系统的电压较大，需要设置数百个电力电子开关1，由于所有电力电子开关1级联，当接收到驱动系统关断或闭合信号时，所有电子电子开关1必须同时关断或闭合，对电子电子开关1的协同性操作要求极高，协同动作精度一般需要达到纳秒级，若在某一时刻，所有电子电子开关1均接收到关断信号，正常情况，所有电子电子开关1均同时马上关断，由关断造成的系统电压差会均匀的分布在每个电子电子开关1上，但如果在关断的过程中，某一个电子电子开关1(例如第N个电子电子开关)比其他电子电子开关提前关断，即第N个电子电子开关关断，而其它电子电子开关还处于导通状态，则系统电压差只会加在第N个电子电子开关两端，由于第N个电子电子开关的额定承受电压远远小于整个柔性直流输电系统电压，极易造成第N个电子电子开关的损坏，进而损坏整个断路器。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有直流输电系统的潮流控制与故障隔离方式损耗大、成本高。
有鉴于此，本发明提供一种复合型直流输电设备，包括：
故障隔离单元，包括：多个串联的第一电力电子开关单元，所述第一电力电子开关单元包括第一开关支路和第一电容，所述第一开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，所述第一电容并联在所述第一开关支路的两端；
潮流控制单元，与所述故障隔离单元并联，用于控制换流站间的潮流分布；
控制单元，分别与所述故障隔离单元、所述潮流控制单元连接，用于控制所述潮流控制单元与所述故障隔离单元执行预设动作。
优选地，所述潮流控制单元包括至少一个第二电力电子开关单元，所述第二电力电子开关单元由第三开关支路与第四开关支路分别与第二电容并联形成的，
其中，所述第三开关支路与所述第四开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，所述第二电力电子开关单元为全H桥电路模块。
优选地，所述第一电力电子开关单元还包括第二开关支路，所述第二开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，所述第二开关支路与所述第一开关支路分别与所述第一电容并联。
优选地，还包括：避雷器，与所述故障隔离单元并联，用于保护所述复合型直流输电设备。
优选地，所述电力电子开关包括一个电力电子开关器件或者多个串联的所述电力电子开关器件，其中，所述电力电子开关器件包括绝缘栅双极型晶体管和二极管，所述绝缘栅双极型晶体管与所述二极管并联，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接所述二极管的正极，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接所述二极管的负极。
优选地，还包括：机械开关，与所述控制单元连接，设置在所述潮流控制单元与所述换流站的连接回路上，用于控制回路通/断。
优选地，还包括：预定数量的所述第一电力电子开关单元，与所述机械开关串联，用于降低所述潮流控制单元的电压应力。
相应地，本发明还提供一种直流输电控制方法，包括：
监测直流输电是否发生故障；
当所述直流输电发生故障时，关断所述潮流控制单元内的电力电子开关并闭合所述故障隔离单元内的电力电子开关，以使流经所述潮流控制单元的电流流入所述故障隔离单元中；
判断所述潮流控制单元输入侧的电流是否等于零；
当所述潮流控制单元输入侧的电流等于零时，关断所述潮流控制单元中的机械开关和所述故障隔离单元中的电子电子开关。
相应地，本发明还提供一种直流输电控制装置，包括：
监测单元，用于监测直流输电是否发生故障；
第一控制单元，用于当所述直流输电发生故障时，关断所述潮流控制单元内的电力电子开关并闭合所述故障隔离单元内的电力电子开关，以使流经所述潮流控制单元的电流流入所述故障隔离单元中；
判断单元，用于判断所述潮流控制单元输入侧的电流是否等于零；
第二控制单元，用于当所述潮流控制单元输入侧的电流等于零时，关断所述潮流控制单元中的机械开关和所述故障隔离单元中的电子电子开关。
本发明提供的复合型直流输电设备，通过包括多个串联的第一电力电子开关单元，第一电力电子开关单元包括第一开关支路和第一电容，第一开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，第一电容并联在第一开关支路的两端的故障隔离单元与用于控制换流站间的潮流分布的潮流控制单元并联，控制单元分别与故障隔离单元、潮流控制单元连接，用于当直流输电发生故障时，控制潮流控制单元与故障隔离单元执行故障隔离动作，通过相互连接的故障隔离单元、潮流控制单元以及控制单元，实现直流输电的故障隔离，较使用统一潮流控制器元和传统断路器的方案，节约了成本、降低了损耗、节省了占地面积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1是本发明实施例提供的现有技术中故障隔离单元的电路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种故障隔离单元的电路结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种故障隔离单元的电路结构示意图；
图4是本发明另一实施例提供的一种复合型直流输电设备的结构示意图；
图5是本发明另一实施例提供的一种复合型直流输电设备的电路结构示意图；
图6是本发明另一实施例提供的一种复合型直流输电设备的另一种电路结构示意图；
图7是本发明另一实施例提供的一种复合型直流输电设备的另一种电路结构示意图；
图8是本发明另一实施例提供的一种复合型直流输电设备的另一种电路结构示意图；
图9是本发明另一实施例提供的一种直流输电控制方法的流程图；
图10是本发明另一实施例提供的一种直流输电控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明还提供一种复合型直流输电设备，如图2、图4、图5所示，包括：
故障隔离单元11，如图2所示，包括：多个串联的第一电力电子开关单元，第一电力电子开关单元包括第一开关支路3和第一电容2，第一开关支路3包括串联的至少两个电力电子开关1，第一电容2并联在第一开关支路3的两端，本实施例提供的附图2中的第一开关支路包含两个串联的电力电子开关1，也可以包含3个、4个或多个电力电子开关1串联组成的第一开关支路，并与第一电容2并联形成第一电力电子开关单元，图5中的直流电路器11包含串联的全H桥电路，也可以将图5中的故障隔离单元11替换为图2中的包含(m+n)个串联的半H桥电路。
潮流控制单元12，与所述故障隔离单元11并联，用于控制换流站15间的潮流分布。其中，潮流控制单元12包括至少一个第二电力电子开关单元，所述第二电力电子开关单元由第三开关支路与第四开关支路分别与第二电容并联形成的，其中，所述第三开关支路与所述第四开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，第二电力电子开关单元可以为全H桥电路模块，例如如图5所示，第三开关支路与第四开关支路分别包括两个电力电子开关，可以是电力电子开关121与电力电子开关123组成第三开关支路，电力电子开关122和电力电子开关124组成第四开关支路，其中第二电容用于阻断直流电流并通过存储电能保护电力电子开关，本发明实施例中的潮流控制单元12中包含两个由第二电容和电力电子开关组成的全H桥电路，两个全H桥电路模块通过导线130和导线131连接，用于通过控制潮流控制单元中的电力电子开关121、电力电子开关122、电力电子开关123、电力电子开关124、电力电子开关125、电力电子开关126、电力电子开关127、电力电子开关128的通/断以及第二电容129的充/放电，实现多个换流站之间的潮流分布。
控制单元17，分别与故障隔离单元11、潮流控制单元12连接，用于控制所述潮流控制单元与所述故障隔离单元执行预设动作。通过该潮流控制单元与故障隔离单元的动作，当直流输电出现故障时可以进行故障隔离。
本发明实施例提供的复合型直流输电设备，通过相互连接的故障隔离单元、潮流控制单元以及控制单元，实现直流输电的故障隔离，较使用统一潮流控制器(UPFC)和传统断路器的方案，节约了成本、降低了损耗、节省了占地面积。
优选地，该复合型直流输电设备还包括机械开关13，与所述控制单元连接，设置在所述潮流控制单元13与所述换流站15的连接回路上，用于控制回路通/断。
作为一种可选的实施方式，如图3所示，该故障隔离单元还可以包括：第二开关支路4，第二开关支路4可以包括串联的至少两个电力电子开关1，第二开关支路4与所述第一开关支路3分别与第一电容1并联，本实施例提供的附图3中的第二开关支路包含两个串联的电力电子开关1，也可以包含3个、4个或多个电力电子开关1串联组成的第二开关支路。其中第一电力电子开关单元为半H桥电路或全H桥电路
在包括多个串联的半H桥电路和/或全H桥电路的故障隔离单元中，驱动系统仅仅需要控制一个半H桥电路中的多个电力电子开关或者一个全H桥电路中的多个电力电子开关动作一致性即可，若某一开关电路A比其他电路模块提前关断，由于设置较大电容量的第一电容，该第一电容可作为电源使得该电流仍可以流经电路模块A，使得直流输电系统中的电压没有加在电路模块A的两侧，解决了现有直流断路器结构设置的多个电力电子开关协同动作控制精度要求高，易造成电力电子开关损坏，进而损坏整个断路器的问题。
作为一种可选的实施方式，如图6所示，该复合型直流输电设备还包括：预定数量的所述第一电力电子开关单元16，与所述机械开关13串联，通过串联多个电力电子开关单元，可分担潮流控制单元上的电压应力，潮流控制单元的额定电压可相对减小，进而潮流控制单元可少用或采用额定电压低的电力电子开关器件，节约了潮流控制单元的造价，第一电力电子开关单元16可以为如图6中所示的多个全H桥串联，也可以为多个半H桥串联得到，第一电力电子开关单元16的数量可以根据潮流控制单元上的电压应力大小设定。
该复合型直流输电设备还包括：避雷器，与所述故障隔离单元并联，用于保护所述复合型直流输电设备。
本发明实施例提供的复合型直流输电设备，通过相互连接的故障隔离单元、潮流控制单元以及控制单元，实现直流输电的故障隔离，较使用统一潮流控制器(UPFC)节约了成本、降低了损耗、节省了占地面积。
可选地，上述电力电子开关可以包括一个电力电子开关器件或者多个串联的所述电力电子开关器件，其中，所述电力电子开关器件包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和二极管，所述绝缘栅双极型晶体管与所述二极管并联，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接所述二极管的正极，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接所述二极管的负极，其中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)也可以替换为集成门级换流晶闸管(IGCT)。
本发明实施例提供的复合型直流输电设备并不仅仅限于图5示意的电路结构示意图，当直流输电系统的主支路中含有电力电子开关、电容，且通过控制电力电子开关对含有电容的电路进行投入和旁路操作时，均可构成本发明实施例的潮流控制单元；当转移支路中包含大量串、并联的电力电子开关来进行故障隔离时的分压或者分流操作的支路，均可构成本发明实施例的故障隔离单元，根据连接的换流站的数量的不同，该潮流控制及故障隔离系统既可以应用于本实施例图5所示的三端伪双极的结构，也可以应用于如图7所示的四端伪双极结构，或者是应用于图8所示的四端真双极结构中，该四端真双极结构的每一端连接的换流站接地，分别通过换流器与外部交流系统连接。
相应地，本发明实施例还提供一种直流输电控制方法，如图9所示，包括：
S61，监测直流输电是否发生故障，当所述直流输电发生故障时，执行步骤S62。直流输电的故障可以通过监测直流输电侧的电流或电压等电能信号与预设电能信号大小比较来判定直流输电侧是否发生故障。
S62，关断所述潮流控制单元内的电力电子开关并闭合所述故障隔离单元内的电力电子开关，以使流经所述潮流控制单元的电流流入故障隔离单元中。
S63，判断所述潮流控制单元输入侧的电流是否等于零，当所述潮流控制单元输入侧的电流等于零时，执行步骤S64。
S64，关断所述潮流控制单元中的机械开关和所述故障隔离单元中的电子电子开关。当故障隔离单元中的电力电子开关关断后，直流输电系统中的电压均匀加在故障隔离单元中每一个电力电子开关和每一个半H桥电路模块或全H桥电路模块上，实现故障隔离；当潮流控制单元的输入侧电流值为零时，关断潮流控制单元中的机械开关，避免提前关断机械开关导致直流输电系统电压加载到机械开关上损坏开关。
本发明实施例提供的直流输电控制方法，当直流输电发生故障时，关断潮流控制单元内的电力电子开关并闭合故障隔离单元内的电力电子开关，以使故障电流流入故障隔离单元中，当潮流控制单元输入侧的电流等于零时，关断潮流控制单元中的机械开关和故障隔离单元中的电子电子开关，较传统的直流输电控制方法节约了成本、降低了损耗。
相应地，本发明实施例还提供一种直流输电控制装置，如图10所示，包括：
监测单元71，用于监测直流输电是否发生故障；
第一控制单元72，用于当所述直流输电发生故障时，关断所述潮流控制单元内的电力电子开关并闭合所述故障隔离单元内的电力电子开关，以使流经所述潮流控制单元的电流流入故障隔离单元中；
判断单元73，用于判断所述潮流控制单元输入侧的电流是否等于零；
第二控制单元74，用于当所述潮流控制单元输入侧的电流等于零时，关断所述潮流控制单元中的机械开关和所述故障隔离单元中的电子电子开关。
本发明实施例提供的直流输电控制装置，监测单元监测到直流输电发生故障时，关断潮流控制单元内的电力电子开关并闭合故障隔离单元内的电力电子开关，以使故障电流流入故障隔离单元中，当潮流控制单元输入侧的电流等于零时，关断潮流控制单元中的机械开关和故障隔离单元中的电子电子开关，较传统的直流输电控制方法节约了成本、降低了损耗。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种复合型直流输电设备，其特征在于，包括：
故障隔离单元，包括：多个串联的第一电力电子开关单元，所述第一电力电子开关单元包括第一开关支路和第一电容，所述第一开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，所述第一电容并联在所述第一开关支路的两端；
潮流控制单元，与所述故障隔离单元并联，用于控制换流站间的潮流分布；
控制单元，分别与所述故障隔离单元、所述潮流控制单元连接，用于控制所述潮流控制单元与所述故障隔离单元执行预设动作。
2.根据权利要求1所述的复合型直流输电设备，其特征在于，所述潮流控制单元包括至少一个第二电力电子开关单元，所述第二电力电子开关单元由第三开关支路与第四开关支路分别与第二电容并联形成的，
其中，所述第三开关支路与所述第四开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，所述第二电力电子开关单元为全H桥电路模块。
3.根据权利要求1所述的复合型直流输电设备，其特征在于，所述第一电力电子开关单元还包括第二开关支路，所述第二开关支路包括串联的至少两个电力电子开关，所述第二开关支路与所述第一开关支路分别与所述第一电容并联。
4.根据权利要求1所述的复合型直流输电设备，其特征在于，还包括：避雷器，与所述故障隔离单元并联，用于保护所述复合型直流输电设备。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的复合型直流输电设备，其特征在于，所述电力电子开关包括一个电力电子开关器件或者多个串联的所述电力电子开关器件，其中，所述电力电子开关器件包括绝缘栅双极型晶体管和二极管，所述绝缘栅双极型晶体管与所述二极管并联，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接所述二极管的正极，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接所述二极管的负极。
6.根据权利要求1或3所述的复合型直流输电设备，其特征在于，还包括：机械开关，与所述控制单元连接，设置在所述潮流控制单元与所述换流站的连接回路上，用于控制回路通/断。
7.根据权利要求6所述的复合型直流输电设备，其特征在于，还包括：预定数量的所述第一电力电子开关单元，与所述机械开关串联，用于降低所述潮流控制单元的电压应力。
8.一种直流输电控制方法，其特征在于，包括：
监测直流输电是否发生故障；
当所述直流输电发生故障时，关断潮流控制单元内的电力电子开关并闭合故障隔离单元内的电力电子开关，以使流经所述潮流控制单元的电流流入所述故障隔离单元中；
判断所述潮流控制单元输入侧的电流是否等于零；
当所述潮流控制单元输入侧的电流等于零时，关断所述潮流控制单元中的机械开关和所述故障隔离单元中的电子电子开关。
9.一种直流输电控制装置，其特征在于，包括：
监测单元，用于监测直流输电是否发生故障；
第一控制单元，用于当所述直流输电发生故障时，关断潮流控制单元内的电力电子开关并闭合故障隔离单元内的电力电子开关，以使流经所述潮流控制单元的电流流入所述故障隔离单元中；
判断单元，用于判断所述潮流控制单元输入侧的电流是否等于零；
第二控制单元，用于当所述潮流控制单元输入侧的电流等于零时，关断所述潮流控制单元中的机械开关和所述故障隔离单元中的电子电子开关。
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