CN108666995B - 动态泄能装置、设备及直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态泄能装置、设备及直流输电系统，其中，动态泄能装置包括：泄能装置与正极连接端和/或负极连接端之间设置有第一开关，可控投切模块，用于控制动态泄能装置投入直流输电线或从直流输电线上切除；泄能模块，泄能模块的一端与可控投切模块的第一端连接，用于消耗直流电能；电压支撑模块，电压支撑模块的一端与可控投切模块的第二端连接，电压支撑模块的另一端与泄能模块的另一端连接，用于为逆变侧换流器闭锁提供电压。在直流输电系统连续换相失败的故障清除时，断开第一开关，可以迅速的切除动态泄能装置，避免在直流供电系统恢复的过程中电压支撑模块充电带来的系统恢复慢的问题，可以使系统较为迅速的回复正常运行。

Description

动态泄能装置、设备及直流输电系统

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及到一种动态泄能装置、设备及直流输电系统。

背景技术

随着“西电东送”战略逐步实施，特高压直流输电工程集中投运，我国已建成世界上容量最大、拓扑最复杂的交直流混联电网。特高压直流单回输送容量的不断提升，使得“强直弱交”特征显现，主要体现在：一是受端电网多为负荷中心，多直流馈入落点集中，各逆变站间电气距离较近，换流站近区交流系统故障可能导致多回直流同时发生换相失败；二是送端电网为能源集中区域，交流系统联系相对薄弱，若逆变侧换相失败引起直流功率输送发生暂时中断，将导致送端电网部分重要断面超过稳定极限、部分火电机组超速、风电机组因低压或高压大规模脱网，严重威胁系统安全稳定运行。

为此，如何保证在直流逆变侧连续发生换相失败导致逆变侧闭锁后，整流侧功率的正常送出成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于保证在直流逆变侧连续发生换相失败导致逆变侧闭锁后，整流侧功率的正常送出。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种动态泄能装置，用于在直流输电系统连续换相失败时，对直流电能进行泄能，包括：正极连接端、负极连接端和泄能装置，泄能装置与正极连接端和/或负极连接端之间设置有第一开关，泄能装置包括：可控投切模块，用于控制动态泄能装置投入直流输电线或从直流输电线上切除；泄能模块，泄能模块的一端与可控投切模块的第一端连接，用于消耗直流电能；电压支撑模块，电压支撑模块的一端与可控投切模块的第二端连接，电压支撑模块的另一端与泄能模块的另一端连接，用于为逆变侧换流器闭锁提供电压。

可选地，可控投切模块包括：二极管，第二开关和第三开关；二极管的正极与第二开关的一端连接用于连接正极连接端或负极连接端，二极管的负极与第三开关的一端连接，用于连接泄能模块的一端，第二开关的另一端与第三开关的另一端连接，用于连接电压支撑模块的一端。

可选地，泄能模块包括电阻。

可选地，电压支撑模块包括电容。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种动态泄能设备，动态泄能设备包括：如上述第一方面任意一项描述的动态泄能装置；检测装置，与直流输电线连接，用于检测直流输电系统的运行状态；控制终端，分别与动态泄能装置和检测装置连接，用于在接收到故障清除信号时，控制第一开关断开，以使动态泄能装置退出运行。

可选地，控制终端还用于在动态泄能装置退出运行期间控制第二开关和第三开关断开。

可选地，控制终端还用于在直流输电系统恢复稳态后，控制第一开关闭合。

可选地，控制终端包括：电压比较器，与检测装置连接，用于将检测装置检测到的电压值与预设电压值比较，得到比较结果；驱动模块，与电压比较器连接，用于根据比较结果驱动第一开关、第二开关和第三开关执行相应的动作。

可选地，控制终端还包括：定时模块，分别与电压比较器和驱动模块连接，用于统计检测装置检测到的电压值小于预设电压值的持续时长；驱动模块在持续时长超过预设时长时，驱动第二开关和第三开关闭合，以使动态泄能设备投入运行。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种直流输电系统，包括：如上述第二方面任意一项描述的动态泄能设备；受电端，与直流输电线路连接，用于将直流电转换成交流电。

可选地，受电端包括逆变器，控制终端还用于：在检测装置检测到发生连续换相失败的运行状况时，控制逆变器闭锁；在检测装置检测连续换相失败的运行状况清除时，控制逆变器解锁。

可选地，受电端还包括平波电抗器，设置在逆变器和动态泄能装置之间的直流输电线路上；电容用于与平波电抗器配合以使流过逆变器的电流过零。

本发明实施例提供的动态泄能装置、设备及直流输电系统，泄能装置与正极连接端和/或负极连接端之间设置有第一开关，可控投切模块，用于控制动态泄能装置投入直流输电线或从直流输电线上切除；泄能模块，泄能模块的一端与可控投切模块的第一端连接，用于消耗直流电能；电压支撑模块，电压支撑模块的一端与可控投切模块的第二端连接，电压支撑模块的另一端与泄能模块的另一端连接，用于为逆变侧换流器闭锁提供电压。在直流输电系统连续换相失败的故障清除时，断开第一开关，可以迅速的切除动态泄能装置，避免在直流供电系统恢复的过程中电压支撑模块充电带来的系统恢复慢的问题，可以使系统较为迅速的回复正常运行。其中电压支撑回路在系统正常时存储的电压，可以在系统异常时放电，不仅可以维持直流输电系统的直流电压，还可以促使逆变器电流过零，继而可靠闭锁。同时，功率旁路装置可以避免采用直流开关开断大直流电流，节省了昂贵的高压直流开断装置。

作为可选地实施例，检测装置实时检测直流输电线的输电状况，在检测到直流输电系统连续换相失败时，逆变器无法送出送电端的直流功率，控制终端控制功率旁路装置投入直流输电系统中，对送电端的直流功率进行消耗，较为有效的防止送电端大量功率转移，降低了送电端暂态失稳的风险，避免连续换相失败引起的双侧直流闭锁，提高了系统运行的安全和稳定。

附图说明

图1示出了本发明实施例动态泄能装置的示意图；

图2示出了本发明实施例动态泄能装置的拓扑示意图；

图3示出了本发明实施例动态泄能装置的另一拓扑示意图；

图4示出了本发明实施例动态泄能设备的示意图；

图5示出了本发明实施例直流输电系统的示意图。

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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明实施例提供了一种动态泄能装置，该装置可以设置在直流输电系统上，在直流输电系统发生连续换相失败时，对送电端的直流电能进行泄能，较为有效的防止送电端大量功率转移，降低了送电端暂态失稳的风险，避免连续换相失败引起的双侧直流闭锁，如图1所示，该动态泄能装置包括：

正极连接端1、负极连接端2和泄能装置3，泄能装置4与正极连接端1和/或负极连接端2之间设置有第一开关K1，泄能装置3包括：可控投切模块31，用于控制动态泄能装置投入直流输电线或从直流输电线上切除；泄能模块32，泄能模块32的一端与可控投切模块31的第一端连接，用于消耗直流电能；电压支撑模块33，电压支撑模块33的一端与可控投切模块31的第二端连接，电压支撑模块33的另一端与泄能模块32的另一端连接，用于为逆变侧换流器闭锁提供电压。

在具体的实施例中，直流输电中一般连续换相失败发生在直流输电线的逆变侧，动态泄能装置可以设置在逆变侧直流输入端，动态泄能装置为可控装置，在线路正常输电时，为非工作状态，与直流输电线为脱离状态，在逆变侧发生连续换相失败时，投入直流输电线路中，用于消耗整流侧送出的直流电能，可以防止送端电网部分重要断面超过稳定极限、部分火电机组超速、风电机组因低压或高压大规模脱网。保证电网及发电设备的安全。

在可选的实施例中，可控投切模块包括：二极管D，第二开关SW1和第三开关SW2；二极管D的正极与第二开关SW1的一端连接用于连接正极连接端1或负极连接端2，二极管D的负极与第三开关SW2的一端连接，用于连接泄能模块32的一端，第二开关SW1的另一端与第三开关SW2的另一端连接，用于连接电压支撑模块32的一端。

结合图2-图3所示的动态泄能装置具体的电路结构说明动态泄能装置的功能，在本实施例中，泄能模块32可以包括电阻R，以及能够消耗直流电能或存储直流电能的器件均可作为本实施中的泄能模块32。电压支撑模块33可以包括电容C，以及能够储能的器件。动态泄能装置的拓扑结构可以为图2或图3所示的拓扑结构，具体的，如图2所示，二极管D的正极分别与正极连接端1和第二开关SW1的一端连接，二极管D的负极分别与电容C的第一端和第三开关SW2的一端连接，第二开关SW1的另一端与第三关SW2的另一端连接，并连接至电阻R的第一端，电容C的第二端和电阻R的第二端与负极连接端2连接。在二极管D的正极与正极连接端1 之间和/或电容C的第二端和电阻R的第二端与负极连接端2之间设置第一开关K1。在本实施例中，以两端均设置第一开关K1为例进行说明。

图3示出了动态泄能装置另一拓扑结构，具体的，电阻R的第一端分别与正极连接端1和电容C的第一端连接，电阻R的第二端分别与第二开关SW1的一端和第三开关SW2的一端连接，电容C的第二端分别与第二开关SW1的另一端和二极管D的正极连接，二极管D的负极与第三开关 SW2的另一端接地2。在二极管D的正极与正极连接端1之间和/或电容C 的第二端和电阻R的第二端与负极连接端2之间设置第一开关K1。在本实施例中，以两端均设置第一开关K1为例进行说明。

下面将详细介绍动态泄能装置的工作原理，直流系统启动时，第一开关K1闭合，电容C充电，待充电完成后进入热准备状态，仅需很小的电流维持电容C电压，基本无功率损耗。直流系统正常经送端换流器、直流线路、受端换流器输送功率至受端交流系统。在受端系统故障引起换相失败时，控制保护系统启动，动态泄能装置的第二开关SW1和第三开关SW2 闭合，动态泄装置投入，电容C与电感谐振放电，受端换流器在电流过零时闭锁。电阻R放电。故障清除后，断开第一开关K1，装置退出运行。如果没有第一开关K1，仅通过断开第二开关SW1和第三开关SW2，会导致电容C再次投入到系统内，电容C充电，系统的恢复速度减慢；设置第一开关K1可以使动态泄能装置从直流输电系统中迅速切除。在断开第一开关K1之后，动态泄能装置退出运行期间，再断开第二开关SW1和第三开关 SW2；在直流输电系统恢复稳定后，再闭合第一开关K1，电容C再次充电，进入热准备状态。

本发明实施例还提供了一种动态泄能设备，如图4所示，动态泄能设备包括：

上述实施例描述的动态泄能装置10；检测装置20，与直流输电线连接，用于检测直流输电系统的运行状态，可以包括检测直流输电系统中的电压值、电流值或功率中的至少之一；控制终端30，分别与动态泄能装置10和检测装置20连接，用于在连续换相失败清除时，控制第一开关K1断开，以使动态泄能装置退出运行。在具体的实施例中，控制终端30可以根据检测装置20检测的运行状态信号，判断连续换相失败的故障是否被清除，如果连续换相失败的故障被清除，则控制第一开关K1断开。可选的，控制终端可以接收维修人员或受电端发送的故障清除信号，以断开第一开关K1。控制终端30还用于在动态泄能装置10退出运行期间控制第二开关SW1和第三开关SW2断开。控制终端30还用于在直流输电系统恢复稳态后，控制第一开关K1闭合。电容C再次充电，进入热准备状态。

检测装置20，与直流输电线连接，用于检测直流输电线中的连续换相失败信号。在本具体的实施例中，检测装置20可以检测直流输电线中的电压信号，也可以检测直流输电线中的电流信号，当直流输电线中发生换相失败时，直流输电线中的电压迅速下降，电流迅速上升，偶发性的换相失败，逆变侧可以自行调节恢复，在发生连续换相失败时，导致逆变侧闭锁，电压迅速下降，电流迅速上升，并且持续较长的时间，检测装置20实时监测输电线路的电流或电压，在电流大于预设值或电压小于预设值超过预设时间后例如可以位0.5s-2.5s，则可以确定检测到换相失败信号。在本实施例中，检测装置20还可以检测直流输电线的正常信号。在本实施例中，动态泄能装置中的第一开关的启示状态为闭合装置，在直流输电系统稳态时，第一开关为闭合状态，动态泄能装置的电容充电，进入热准备状态。动态泄能装置10与检测装置20连接，检测装置20可以将检测到的连续换相失败信号发送至动态泄能装置10，并触发动态泄能装置10的第二开关SW1 和第三开关SW2闭合，使其投入到直流输电线路中去。在本实施例中，检测装置20还与受电端连接，可以将检测到的连续换相失败信号传送至受电端，驱动受电端逆变器闭锁。

控制终端30，分别与动态泄能装置10和检测装置20连接，在本实施例中，用于根据连续换相失败信号控制动态泄能装置10动作。在具体的实施例中，控制终端30可以控制动态泄能装置10的投入和切除，控制终端 30通过与检测装置20连接，接收检测装置20检测到的连续换相失败信号，根据连续换相失败信号输出用于驱动投入动态泄能装置10的驱动信号，控制终端30还可以响应检测装置20检测到的正常信号，输出驱动动态泄能装置10的旁路驱动信号，使动态泄能装置10脱离直流输电系统。在本实施例中，控制终端30，用于在受电端连续换相失败信号的触发下输出闭锁控制信号控制受电端闭锁。在具体的实施例中，控制终端30在接收到检测装置20检测到的正常信号或接收到故障清除信号后，控制第一开关K1断开，可以迅速的断开动态泄能装置，避免电容充电带来的系统恢复慢的问题，可以使系统较为迅速的回复正常运行。

在可选的实施例中，控制终端30可以包括电压比较器，与检测装置20 连接，用于将检测装置20检测到的电压值与预设电压值比较，得到比较结果，所称电压比较器可以为单限比较器，滞回比较器，窗口比较器，三态比较器等电压比较器中任意一种；在本实施例中，控制终端30还可以包括电流比较器。用于对检测装置20检测到的电流与预设电流值进行比较。定时模块，分别与检测装置20和电压比较器连接，用于根据比较结果统计检测装置20检测到的电压值小于预设电压值的持续时间；驱动模块，与定时模块连接，用于驱动第二开关SW1和第三开关SW2闭合，以使动态泄能装置10投入直流输电线。

在可选的实施例中，驱动模块与电压比较器连接，用于根据检测装置 20到的电压值大于预设电压值的比较结果驱动第一开关断开，以迅速断开动态泄能装置10的运行。在第一开关断开后，驱动装置驱动第二开关SW1 和第三开关SW2断开。在具体的实施例中，在检测装置20检测到电压值大于预设电压值时，表示线路故障去除，直流输电系统恢复正常运行，驱动模块驱动第一开关闭合，使电容C充电，电容C充电完成后，动态泄能装置处于热准备状态。

在可选的实施例中，检测装置20和控制终端30可以为逆变器的控制系统，检测装置20和控制终端30设置在受电端100，与逆变器连接，并与动态泄能装置10连接，该控制系统可以根据逆变侧的故障信号(例如连续换相失败信号)控制逆变器闭锁，还可以在逆变侧或直流输电线路正常时控制逆变器闭锁解锁。在具体的实施例中，控制终端30中的驱动模块在定时模块统计的电压值小于预设电压值的持续时间超过预设时间时响应，驱动逆变侧的换流器闭锁。在本实施例中，控制终端30在接收到换相失败信号后，输出控制逆变器闭锁的闭锁信号，该闭锁信号驱动逆变器闭锁。在定时模块统计的电压值大于预设电压值时，控制终端30发出解锁信号，该解锁信号驱动逆变器解锁。驱动模块在定时模块统计的电压值大于预设电压值时，驱动逆变器解锁。

为保证逆变器在连续换相失败故障发生时能够可靠闭锁，在可选的实施例中，在逆变侧还设置有与电容C串联的平波电抗器，在泄能装置投入到直流输电系统中后，其电阻对直流功率进行快速泄放，电容C不仅可以提供直流电压，而且电容还可以向逆变器放电，由于平波电抗器的反电势作用，强迫流过逆变器的电流过零，使其可靠闭锁。

本发明提供了一种直流输电系统，如图5所示，直流输电系统包括：上述实施例描述的动态泄能设备200；受电端100，与直流输电线路连接，用于将直流电转换成交流电。

在可选的实施例中，动态泄能设备200的控制终端还用于根据比较结果控制受电端的逆变器执行相应的动作。控制终端的电压比较器，与动态泄能设备200的检测装置连接，用于将检测装置检测到的电压值与预设电压值比较，得到比较结果；定时模块，与电压比较器连接，用于统计检测装置检测到的电压值小于预设电压值的第二持续时长；驱动模块，与定时模块连接，用于在持续时长超过预设时间时驱动逆变器闭锁。

在可选的实施例中，驱动模块与电压比较器连接，还用于根据检测装置检测到的电压值大于预设电压值时，驱动逆变器解锁。

在可选的实施例中，受电端还包括平波电抗器，设置在逆变器和动态泄能装置之间的直流输电线路上；动态泄能装置还用于与平波电抗器配合以使流过逆变器的电流过零。

受电端100，安装在直流输电线路上，用于将直流电转换成交流电；在本实施例中，所称受电端100为直流电能接收端，可以将直流电能转换为交流电，具体的可以包括各级变电站，以及用户端变电站。

动态泄能装置200，安装在受电端的直流输入端，用于在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线路，并将送电端直流电能进行泄能，在本实施例中，通常直流输电变电站之间或者送电端和受电端之间的距离较远，动态泄能设备200可以设置在受电端的直流输入端。可以设置在如图5所示的虚线框标注的位置即直逆变器与电抗器之间。动态泄能设备200 用于在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线上，并将送电端 100直流电能进行泄能。在具体的实施例中，直流输电中一般连续换相失败发生在直流输电线的逆变侧，动态泄能设备200为可控装置，在线路正常输电时，为非工作状态，与直流输电线为脱离状态，在逆变侧发生连续换相失败时，投入直流输电线路中，用于消耗整流侧送出的直流电能，可以防止送端电网部分重要断面超过稳定极限、部分火电机组超速、风电机组因低压或高压大规模脱网。保证电网及发电设备的安全。

在可选的实施例中，如图5所示，直流输电系统还可以包括：送电端300，用于输送直流电，在本实施例中，所称送电端为直流电能输出端，具体的可以包括，火电厂发电设备经过整流器输出的直流电能，风电场经过整流器输出的直流电能，太阳能发电输出的直流电能中的任意一种或多种，在本实施例中，送电端还可以包括变电站，所称变电站向下级变电站输送。在本实施例中，送电端300可以包括依次串联的发电设备301、变压器302、整流器303和第一平波电抗器304，第一平波电抗器304的另一端与直流输电线连接，发电设备301产生交流电，通过变压器302和整流器303输出直流电。

在可选的实施例中，受电端100包括依次串联的第二平波电抗器101、逆变器102、第二变压器103和用电设备104。第二平波电抗器101的另一端与直流输电线连接，第二平波电抗器101通过第一开关K1、第二开关SW1 和第三开关SW2与电容C连接，用于对电容C放电产生反电势，驱动逆变器102电流过零。可以保证在发生连续换相失败，泄能装置投入直流输电系统中后，电容C放电确保逆变器102可靠闭锁。

在本实施例中将泄能装置设置在受电端，是由于直流输电系统中，送电端和受电端一般距离较远，其控制终端一般为逆变器的控制系统，若控制泄能装置投入或切除，可能需要通信装置进行通信，一般选用光纤通信等通信方式，可能需要铺设光纤线缆，不仅工程量大，而且成本较高，泄能装置安装在受电端，，可以将泄能装置与控制终端直接通过通信线缆连接，可以节省较大规模的铺设光纤线缆，并且，受电端一般靠近城市，如果泄能装置发生故障，维修人员可以较快做出反应到达现场，以确保将泄能装置的安全运行。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (11)

1.一种动态泄能装置，用于在直流输电系统连续换相失败时，对直流电能进行泄能，其特征在于，包括：正极连接端、负极连接端和泄能装置，所述泄能装置与所述正极连接端和/或所述负极连接端之间设置有第一开关，所述泄能装置包括：

可控投切模块，用于控制所述动态泄能装置投入直流输电线或从直流输电线上切除；

泄能模块，所述泄能模块的一端与可控投切模块的第一端连接，用于消耗直流电能；

电压支撑模块，所述电压支撑模块的一端与可控投切模块的第二端连接，所述电压支撑模块的另一端与所述泄能模块的另一端连接，用于为逆变侧换流器闭锁提供电压；

所述可控投切模块包括：二极管，第二开关和第三开关；二极管的正极与第二开关的一端连接用于连接所述正极连接端或所述负极连接端，二极管的负极与第三开关的一端连接，用于连接所述泄能模块的一端，第二开关的另一端与第三开关的另一端连接，用于连接所述电压支撑模块的一端；

直流系统启动时，第一开关闭合，电压支撑模块充电，待充电完成后进入热准备状态；在受端系统故障引起换相失败时，控制保护系统启动，第二开关和第三开关闭合；故障清除后，断开第一开关K1；在断开第一开关K1之后，动态泄能装置退出运行期间，再断开第二开关和第三开关；在直流输电系统恢复稳定后，再闭合第一开关，电压支撑模块再次充电，进入热准备状态。

2.如权利要求1所述的动态泄能装置，其特征在于，所述泄能模块包括电阻。

3.如权利要求1所述的动态泄能装置，其特征在于，所述电压支撑模块包括电容。

4.一种动态泄能设备，其特征在于，所述动态泄能设备包括：

如权利要求1-3任意一项所述的动态泄能装置；

检测装置，与直流输电线连接，用于检测直流输电系统的运行状态；

控制终端，分别与所述动态泄能装置和所述检测装置连接，用于在接收到故障清除信号时，控制所述第一开关断开，以使所述动态泄能装置退出运行。

5.如权利要求4所述的动态泄能设备，其特征在于，所述控制终端还用于在所述动态泄能装置退出运行期间控制所述第二开关和第三开关断开。

6.如权利要求5所述的动态泄能设备，其特征在于，

所述控制终端还用于在所述直流输电系统恢复稳态后，控制所述第一开关闭合。

7.如权利要求4-6任意一项所述的动态泄能设备，其特征在于，所述控制终端包括：

电压比较器，与所述检测装置连接，用于将所述检测装置检测到的电压值与预设电压值比较，得到比较结果；

驱动模块，与所述电压比较器连接，用于根据比较结果驱动所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关执行相应的动作。

8.如权利要求7所述的动态泄能设备，其特征在于，所述控制终端还包括：定时模块，分别与所述电压比较器和所述驱动模块连接，用于统计所述检测装置检测到的电压值小于所述预设电压值的持续时长；

所述驱动模块在所述持续时长超过预设时长时，驱动所述第二开关和所述第三开关闭合，以使所述动态泄能设备投入运行。

9.一种直流输电系统，其特征在于，包括：

如权利要求4-8任意一项所述的动态泄能设备；

受电端，与直流输电线路连接，用于将所述直流电转换成交流电。

10.如权利要求9所述的直流输电系统，其特征在于，所述受电端包括逆变器，所述控制终端还用于：

在所述检测装置检测到发生连续换相失败的运行状况时，控制所述逆变器闭锁；

在所述检测装置检测所述连续换相失败的运行状况清除时，控制所述逆变器解锁。

11.如权利要求9所述的直流输电系统，其特征在于，所述受电端还包括平波电抗器，设置在逆变器和所述动态泄能装置之间的直流输电线路上；

电容用于与所述平波电抗器配合以使流过所述逆变器的电流过零。