CN109245506B - 一种耗能装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耗能装置，所述装置包括至少两个均压耗能模块以及至少两个第一功率半导体器件，所述至少两个均压耗能模块同方向串联构成耗能单元，所述至少两个第一功率半导体器件同方向串联构成单向导通单元，所述单向导通单元与耗能单元串联连接；所述均压耗能模块由直流电容支路、耗能支路、旁路支路并联连接构成，所述耗能支路由第二功率半导体器件与耗能电阻串联连接构成；本发明还公开了一种基于耗能装置的控制方法，当直流线路电压升高时，可以通过控制第二功率半导体器件控制耗能电阻的投退，以稳定直流电压，当均压耗能模块故障时，采用熔丝配合旁路开关，保障装置的可靠性。装置性价比很高，可靠性高，易于实现。

Description

一种耗能装置及控制方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种耗能装置及控制方法。

背景技术

在高压直流输电系统中，耗能装置是至关重要的设备。耗能装置主要应用于孤岛供电的应用场景，如果发电端为与风电类似的惯性电源，当受电端发生故障时，由于功率无法送出，将在直流侧累积能量，造成直流输电线路的电压升高，对设备的安全运行造成危害。

现有技术中目前常用的技术方案为采用功率半导体器件，如IGBT直接串联和集中的电阻方案构成，由IGBT阀串承受高压，集中电阻消耗能量，该方案工作时所有IGBT同时导通，对器件开通和关断的一致性要求极高，一旦出现不一致，会导致部分阀段过压烧毁，由于工作时会不断的开通关断，装置损坏的风险很高；也有技术方案提出模块化方案，但方案存在器件数量多，成本高，可靠性低的缺陷，如专利CN102132484B-具有分布式制动电阻的变换器中提出的解决方案，如图3所示，该方案主要存在的缺陷在于：由图中二极管构成的桥臂电位复杂：其中二极管桥臂的上管与邻近模块连接，电容无法对其起到钳位作用，而在装置运行时，由于运行方式复杂，在模块之间工作不同步时，模块之间的电位不确定，该二极管存在过压击穿的风险；同时，该方案中器件数量较多，共包含4组功率半导体器件，功率半导体器件可靠性相对较低，使整个模块的故障率更高，且成本较高；该方案在一个模块中包含了两个由功率半导体器件构成的桥臂，桥臂之间存在电位连接，增加了结构设计的难度；为了克服上述缺陷，本发明提供一种成本低、可靠性高的及解决方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种耗能装置以及使用上述装置的控制方法，装置并联在中、高压直流线路之间，采用二极管集中直接串联方式，减少了半导体器件的用量，简化了耗能装置的设计，便于整体布置；采用模块化方案解决了均压的问题；采用熔丝结合旁路开关的双重保护，保障了旁路可靠性；采用均压耗能模块直接串联方式，结构简单，占地小，可靠性高；配合充电电阻，可实现耗能装置的在线投退。所提耗能装置具有成本低，可靠性高的特点。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

所述装置包括至少两个均压耗能模块以及至少两个第一功率半导体器件，所述至少两个均压耗能模块同方向串联构成至少一个耗能单元，所述至少两个第一功率半导体器件同方向串联构成至少一个单向导通单元，所述单向导通单元与耗能单元串联连接；所述均压耗能模块包括直流电容支路、耗能支路、旁路支路，所述直流电容支路、耗能支路、旁路支路并联连接，所述耗能支路由第二功率半导体器件与耗能电阻串联连接构成，所述旁路支路包括旁路开关；所述直流电容支路由直流电容与熔丝串联连接构成。

其中，所述第一功率半导体器件与第二功率半导体器件按照允许流过的电流方向同方向布置。

其中，所述均压耗能模块还并联一个均压电阻。

其中，所述旁路开关是机械开关或由功率半导体器件构成的固态开关。

其中，所述耗能装置还包括至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻和充电开关并联构成，所述至少一个充电单元与耗能单元以及单向导通单元串联连接。

其中，所述耗能装置还串联至少一个隔断开关。

其中，所述耗能装置中的第一功率半导体器件为二极管或半控型功率半导体器件或全控型功率半导体器件。

其中，所述耗能装置中的第二功率半导体器件为全控型功率半导体器件。

其中，所述耗能装置中的第二功率半导体器件还包括反并联二极管。

其中，所述耗能装置中的耗能电阻还并联一个二极管。

其中，所述耗能装置中的每个单向导通单元还并联一个非线性电阻。

其中，所述装置的一端连接直流线路高电位电极，另一端连接直流线路低电位电极。

本发明还包括一种所述耗能装置的控制方法：

（1）当装置启动时，所述控制方法可以包括如下步骤：

步骤1：所述均压耗能模块中的功率半导体器件关断；

步骤2：随着线路直流电压上升，装置两端的直流电压同时上升；

步骤3：利用耗能支路均衡各个均压耗能模块中电容的电压。

当装置启动时，所述控制方法也包括如下步骤：

步骤1：所述均压耗能模块中的功率半导体器件关断，所述充电开关分开，隔断开关分开；

步骤2：直流线路带电后，闭合隔断开关，通过充电电阻向均压耗能模块中的直流电容充电；

步骤3：待充电完成后，闭合充电开关，将充电电阻旁路；

步骤4：利用耗能支路均衡各个均压耗能模块中电容的电压。

（2）当与装置连接的直流线路正常运行时，所述均压耗能模块中的第二功率半导体器件处于关断状态，所述隔断开关与充电开关闭合；当直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定直流线路电压控制目标上限值1，上限值2，正常值；

步骤2：当检测到直流线路电压超过上限值1时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中的第二功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第二功率半导体器件；

步骤3：当检测到直流线路电压超过上限值2时，导通所有均压耗能模块中的第二功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第二功率半导体器件。

（3）当均压耗能模块发生故障时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到均压耗能模块发生故障时，关断第二功率半导体器件；

步骤2：闭合旁路开关，直流电容快速放电；

步骤3：放电电流使熔丝迅速熔断，完成故障旁路。

本发明的有益效果：

1、本发明单向导通单元集中布置，单向导通单元主要作用是避免直流线路短路时，电容器组向故障点放电，起到了保护隔离的作用，一般采用二极管作为单向导通器件，传统技术中将二极管分散布置在每个耗能模块中，主要问题在于：一方面，在耗能装置工作时，模块之间的电位存在一定的波动，二极管存在过压风险，另一方面，二极管分散在每个模块中，难以进行监视和管理，本发明将二极管集中布置，构成一个二极管阀串，并在阀段两端并联非线性电阻，避免了二极管阀段承受过电压，集中保护，便于监视和管理，整体数量上与传统方案相比也会减少。

2、本发明均压耗能模块配置了旁路支路，在模块发生故障时，闭合旁路开关，直接闭合旁路开关造成直流电容突然短路，为了不影响直流电容的寿命，本发明还配置了熔丝，放电电流使熔丝迅速熔断后，切断电容放电电流。熔丝在检修维护时，便于更换，该方案成本低，简单可靠。

3、本发明提出的耗能装置并联在中、高压直流线路高、低电位之间，利用均压耗能模块将装置拆分成各个子模块，每个模块均包含直流电容，可共同承受线路电压，降低了均压耗能模块中功率半导体器件承受过电压的风险。

4、本发明的均压耗能模块中包含第二功率半导体器件，通常为带有反并联二极管的IGBT，耗能电阻两端并联二极管，均压耗能模块中的功率半导体器件所在支路是直接串联的，该串联支路仅包含功率半导体器件，且包含了所有的功率半导体器件，在结构设计时可以压装在一起，大大减小了装置的体积，同时有利于保证器件工作的一致性，并使器件之间的等效电感值减小。

附图说明

图1为本发明耗能装置的拓扑结构图。

图2 为本发明耗能装置的一种实施例。

图3为现有技术耗能装置子模块的结构图。

图4为本发明的均压耗能模块耗能模式示意图。

图5为本发明的均压耗能模块的旁路模式。

图中标号名称：1、耗能装置；2、均压耗能模块；3、第一功率半导体器件；4、直流电容；5、第二功率半导体器件；6、耗能电阻；7、二极管；8、熔丝；9、非线性电阻；10、旁路开关；11、均压电阻；12、充电开关；13、充电电阻；14、隔断开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种耗能装置1包括至少两个均压耗能模块2以及至少两个第一功率半导体器件3，所述至少两个均压耗能模块同方向串联构成至少一个耗能单元，所述至少两个第一功率半导体器件同方向串联构成至少一个单向导通单元，所述单向导通单元与耗能单元串联连接；所述均压耗能模块包括直流电容支路、耗能支路、旁路支路，所述直流电容支路、耗能支路、旁路支路并联连接，所述耗能支路由第二功率半导体器件5与耗能电阻6串联连接构成，所述旁路支路包括旁路开关10。所述直流电容支路由直流电容4与熔丝8串联连接构成。

图2为两个单向导通单元分散布置的实施例。

其中，所述第一功率半导体器件与第二功率半导体器件按照允许流过的电流方向同方向布置。

其中，所述均压耗能模块还并联一个均压电阻11。

其中，所述旁路开关是机械开关或由功率半导体器件构成的固态开关。

其中，所述耗能装置还包括至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻13和充电开关12并联构成，所述至少一个充电单元与耗能单元以及单向导通单元串联连接。

其中，所述耗能装置还串联至少一个隔断开关14。

其中，所述耗能装置中的第一功率半导体器件为二极管或半控型功率半导体器件或全控型功率半导体器件。

其中，所述耗能装置中的第二功率半导体器件为全控型功率半导体器件。

其中，所述耗能装置中的第二功率半导体器件还包括反并联二极管。

其中，所述耗能装置中的耗能电阻还并联一个二极管7。

其中，所述耗能装置中的单向导通单元还并联一个非线性电阻9。

其中，所述装置的一端连接直流线路高电位电极，另一端连接直流线路低电位电极。适用于双极或单极直流输电系统。

本发明还包括一种所述耗能装置的控制方法：

（1）当装置启动时，所述控制方法可以包括如下两种：

A、方法1：装置与换流器一起完成启动，包括如下步骤：

步骤1：所述均压耗能模块中的功率半导体器件关断；

步骤2：随着线路直流电压上升，装置两端的直流电压同时上升；

步骤3：利用耗能支路均衡各个均压耗能模块中电容的电压。

采用上述方法，本发明耗能装置可以与临近的换流器共用充电回路，耗能装置中的直流电容与换流器子模块的电容同时充电，

B、方法2：采用装置中自带的充电回路，包括如下步骤：

步骤1：所述均压耗能模块中的功率半导体器件关断，所述充电开关分开，隔断开关分开；

步骤2：直流线路带电后，闭合隔断开关，通过充电电阻向均压耗能模块中的直流电容充电；

步骤3：待充电完成后，闭合充电开关，将充电电阻旁路；

步骤4：利用耗能支路均衡各个均压耗能模块中电容的电压。

（2）当与装置连接的直流线路正常运行时，所述均压耗能模块中的第二功率半导体器件处于关断状态，所述隔断开关与充电开关闭合；当直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定直流线路电压控制目标上限值1，上限值2，正常值；

步骤2：当检测到直流线路电压超过上限值1时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中的第二功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第二功率半导体器件；

步骤3：当检测到直流线路电压超过上限值2时，导通所有均压耗能模块中的第二功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第二功率半导体器件。

在本实施例中，当直流线路过压时，进入耗能模式。设定电压控制目标的上限值1为420kV，上限值2为440kV，正常值为400kV.

当检测到直流线路电压超过420kV时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中的第二功率半导体器件。

在耗能模式下，均压耗能模块中第二功率半导体器件导通后，电流流过耗能电阻如图4所示，此时由于电阻的投入，能量被消耗，直流电压值的变化取决于能量积累的速度和消耗的速度。

当能量的消耗速度大于积累速度时，检测到直流电压恢复到400kV及以下，关断均压耗能模块中的第二功率半导体器件；

如果积累的能量速度大于消耗的速度，直流电压继续上升，直流电压超过了440kV，此时，同时导通所有均压耗能模块中的第二功率半导体器件，以最大的耗能能力释放直流侧累积能量，直至直流线路电压恢复正常值400kV，关断均压耗能模块中的第二功率半导体器件。

（3）当均压耗能模块发生故障时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到均压耗能模块发生故障时，关断第二功率半导体器件；

步骤2：闭合旁路开关，直流电容快速放电；

步骤3：放电电流使熔丝迅速熔断，完成故障旁路。

故障模式电流回路如图5所示。直接将旁路开关闭合，直流电容迅速放电，流过熔丝电流过大，放电电流使熔丝迅速熔断，可迅速切断放电电流。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种耗能装置，其特征在于，所述装置包括至少两个均压耗能模块以及至少两个第一功率半导体器件，所述至少两个均压耗能模块同方向串联构成至少一个耗能单元，所述至少两个第一功率半导体器件同方向串联构成至少一个单向导通单元，所述单向导通单元与耗能单元串联连接；所述均压耗能模块包括直流电容支路、耗能支路、旁路支路，所述直流电容支路、耗能支路、旁路支路并联连接，所述耗能支路由第二功率半导体器件与耗能电阻串联连接构成，所述旁路支路包括旁路开关；所述直流电容支路由直流电容与熔丝串联连接构成。

2.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述第一功率半导体器件与第二功率半导体器件按照允许流过的电流方向同方向布置。

3.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述均压耗能模块还并联一个均压电阻。

4.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述旁路开关是机械开关或由功率半导体器件构成的固态开关。

5.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述装置还包括至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻和充电开关并联构成，所述至少一个充电单元与耗能单元以及单向导通单元串联连接。

6.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述装置还串联至少一个隔断开关。

7.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述装置中的第一功率半导体器件为二极管或半控型功率半导体器件或全控型功率半导体器件。

8.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述装置中的第二功率半导体器件为全控型功率半导体器件。

9.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述装置中的第二功率半导体器件还包括反并联二极管。

10.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述装置中的耗能电阻还并联一个二极管。

11.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述装置中的每个单向导通单元还并联一个非线性电阻。

12.如权利要求1所述的一种耗能装置，其特征在于：所述装置的一端连接直流线路高电位电极，另一端连接直流线路低电位电极。

13.一种基于权利要求1-12中任意一项所述耗能装置的控制方法，其特征在于：

当装置启动时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述均压耗能模块中的第二功率半导体器件关断；

步骤2：随着线路直流电压上升，装置两端的直流电压同时上升；

步骤3：利用耗能支路均衡各个均压耗能模块中电容的电压。

14.一种基于权利要求1-4或7-12中任意一项所述耗能装置的控制方法，其特征在于：

所述装置还包括至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻和充电开关并联构成，所述至少一个充电单元与耗能单元以及单向导通单元串联连接；

所述装置还串联至少一个隔断开关；

当装置启动时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述均压耗能模块中的第二功率半导体器件关断，所述充电开关分开，隔断开关分开；

步骤2：直流线路带电后，闭合隔断开关，通过充电电阻向均压耗能模块中的直流电容充电；

步骤3：待充电完成后，闭合充电开关，将充电电阻旁路；

步骤4：利用耗能支路均衡各个均压耗能模块中电容的电压。

15.一种基于权利要求1-4或7-12任意一项所述耗能装置的控制方法，其特征在于：

所述装置还包括至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻和充电开关并联构成，所述至少一个充电单元与耗能单元以及单向导通单元串联连接；

所述装置还串联至少一个隔断开关；

当与装置连接的直流线路正常运行时，所述均压耗能模块中的第二功率半导体器件处于关断状态，所述隔断开关与充电开关闭合；当直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定直流线路电压控制目标上限值1，上限值2，正常值；

步骤2：当检测到直流线路电压超过上限值1时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中的第二功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第二功率半导体器件；

步骤3：当检测到直流线路电压超过上限值2时，导通所有均压耗能模块中的第二功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第二功率半导体器件。

16.一种基于权利要求1-12任意一项所述耗能装置的控制方法，其特征在于；当均压耗能模块发生故障时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到均压耗能模块发生故障时，关断第二功率半导体器件；

步骤2：闭合旁路开关，直流电容快速放电；

步骤3：放电电流使熔丝迅速熔断，完成故障旁路。

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