CN109494752A - 一种集中式电阻耗能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中式电阻耗能装置，所述装置由开关单元与耗能电阻构成，开关单元由至少一个开关模块同方向串联连接构成，耗能电阻集中布置并与开关单元串联连接，该耗能电阻与开关单元的串联连接跨接于高低电位直流线路之间，开关单元内设置有直流电容电压均衡电路。本发明还包括集中式电阻耗能装置的控制方法，能够实现耗能电阻的柔性投入和柔性退出，改善了现有方法耗能电阻投入退出过程du/dt和di/dt过大的问题，且该装置还具有低成本、高可靠性等优点。

Description

一种集中式电阻耗能装置及其控制方法

技术领域

本发明属于高压直流输电技术领域，具体涉及一种集中式电阻耗能装置及控制方法。

背景技术

国内外对于新能源并网低电压穿越能力都有明确的规范要求，对于采用高压柔性直流输电技术并网的新能源系统，诸如发电端为与风电类似的惯性电源，当受电端发生故障导致交流电网电压跌落时，由于送端换流器为功率控制，有功功率无法送出或者只能部分送出至交流电网，富余有功功率造成直流输电线路的电压升高，危害柔性直流换流阀等设备的安全。

现有技术中，采用的方法是将功率半导体器件直接串联，当直流电压过高时，通过电力电子器件的控制，投入电阻，电阻的投入将使直流电压下降，当电阻的耗能速度超过直流侧累积能量的速度，直流电压就会下降，此时，再去关断电阻放电回路，直流电压再上升，反复的开通和关断电阻支路，形成滞环控制的效果，该方法主要存在的问题在于：在关断时，由于多个功率半导体开关器件同时关断很难保证一致性，一旦关断不同步，就会有关导通慢的器件或关断快的器件承受过电压而损坏；而且高速的开通和关断状态切换也会导致产生很大的电压和电流变化率，从而产生磁场干扰。另外，现有技术中每个开关模块均包括数量较多的功率半导体器件，成本较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种集中式电阻耗能装置以及使用上述装置的控制方法，装置可连接在直流电极之间，当直流线路电压升高时，可以通过依次导通或关断开关模块中的第一功率半导体开关器件，实现直流电压控制，实现耗能电阻柔性投入和柔性退出，避免产生冲击；通过控制第二功率半导体器件导通或关断均衡直流电容电压，保障开关模块的运行可靠性。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

一种集中式电阻耗能装置，其特征在于，所述装置由开关单元与耗能电阻构成，所述开关单元由至少一个开关模块同方向串联连接构成，所述耗能电阻集中布置并与开关单元串联连接，所述耗能电阻与开关单元的串联连接跨接于高低电位直流线路之间。

所述开关模块由第一功率半导体开关器件、第一二极管、第二功率半导体开关器件、放电电阻与直流电容构成。其中，第一二极管的阴极与直流电容的正极连接，第一二极管的阳极与第一功率半导体开关器件的集电极连接，第一功率半导体器件的发射极与直流电容的负极连接；或者，第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第一功率半导体开关器件发射极与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与直流电容的负极连接。

第一功率半导体开关器件的集电极作为正极引出点，其发射极作为负极引出点。

第二功率半导体开关器件与放电电阻串联连接，该串联连接再与直流电容并联。其中，第二功率半导体开关器件发射极与放电电阻串联连接，第二功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，放电电阻另一端与直流电容负极连接；或者，第二功率半导体开关器件集电极与放电电阻串联连接，第二功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接，放电电阻另一端与直流电容正极连接。

其中，所述放电电阻两端并联第二二极管，该二极管为放电电阻中的感性电流在第二功率半导体开关器件关闭后提供续流回路。

其中，所述耗能开关模块中的第一二极管还反向并联一个第三功率半导体开关器件。

其中，所述耗能电阻还并联一个由二极管构成的电压钳位单元。

其中，所述开关模块还并联一个旁路开关。

其中，所述链式耗能装置的耗能支路还串联至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻和充电开关并联构成。

其中，所述集中式电阻耗能装置还串联至少一个隔断开关。

其中，所述耗能电阻可替换为储能器，所述储能器具备充放电能力。

其中，所述开关模块还可以仅包括机械开关。

本发明还包含集中式电阻耗能装置的启动及控制方法：

(1)集中式电阻耗能装置启动时

步骤1：所述开关模块中的功率半导体开关器件关断，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，通过充电电阻向开关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。

(2)集中式电阻耗能装置的控制方法

步骤1：所述装置实时直流线路电压，当直流线路电压没有超过上限值Umax时，该装置处于待机模式，执行步骤2进行直流电容电压均衡；当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转至步骤3；

步骤2：检测所有开关模块内的直流电容电压，若超过设定的上限值，则导通第二功率半导体开关器件，对直流电容进行放电操作，维持直流电容电压在一个安全范围内；

步骤3：依次导通开关模块中的第一功率半导体器件，导通间隔时间为t；待所有第一功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1，对电容电压进行排序；

步骤4：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，按照电容电压排序结果，由电容电压高到低的顺序依次关断开关模块中的第一功率半导体器件，关断间隔时间为t3，待所有第一功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2，在此T2时间间隔内执行步骤2；

步骤5：转至步骤1。

本发明的有益效果：

1、本发明装置、系统及方法利用了开关模块直流电容的缓冲，依次导通或关断开关模块中的功率半导体开关器件，实现直流电压控制，实现了耗能电阻柔性投入和柔性退出，避免了直接串联的功率半导体开关器件在关断时可能造成的电压不均的问题，大大减小了功率半导体开关器件关断过压的风险。

2、本发明中开关模块采用模块化的方式，易于生产制造。开关模块并联旁路开关，在模块故障情况下，可以迅速将故障模块旁路，在开关模块配置数量上可留有一定裕量，极大的提高了装置的运行可靠性。

3、本发明开关模块中设置了用于电容电压均衡的放电电路，能够动态维持直流电容电压在一个安全范围内，系统可靠性高。

4、电阻集中布置，有利于散热系统的设计，有利于进行统一管理和监控。模块化的开关单元结合集中式的电阻，使整个装置的性价比最优，工程实施难度小。

附图说明

图1为本发明集中式电阻耗能装置的拓扑结构图。

图2为本发明的开关模块的第二实施例。

图3为本发明集中式电阻耗能装置控制方法控制时序图。

图中标号名称：1、开关单元；2、开关模块；3、耗能电阻；4、旁路开关；5、充电电阻；6、充电开关；7、隔断开关；8、电压钳位单元；9、放电电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

如图1所示，一种集中式电阻耗能装置，所述装置由开关单元1与耗能电阻3构成，所述开关单元由至少一个开关模块2同方向串联连接构成，所述串联连接的首端与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置并与开关单元串联连接，耗能电阻的一端与开关单元的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接；所述开关模块由第一功率半导体开关器件、第一二极管、第二功率半导体开关器件、放电电阻9与直流电容构成。其中，第一二极管的阴极与直流电容的正极连接，第一二极管的阳极与第一功率半导体开关器件的集电极连接，第一功率半导体器件的发射极与直流电容的负极连接；或者，第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第一功率半导体开关器件发射极与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与直流电容的负极连接。

第一功率半导体开关器件的集电极作为正极引出点，其发射极作为负极引出点。

第二功率半导体开关器件与放电电阻串联连接，该串联连接再与直流电容并联。其中，第二功率半导体开关器件发射极与放电电阻串联连接，第二功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，放电电阻另一端与直流电容负极连接；或者，第二功率半导体开关器件集电极与放电电阻串联连接，第二功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接，放电电阻另一端与直流电容正极连接。

其中，所述放电电阻两端并联第二二极管，该二极管为放电电阻中的感性电流在第二功率半导体开关器件关闭后提供续流回路。

如图2所示，所述开关模块中的第一二极管还可反向并联一个第三功率半导体开关器件。

其中，所述耗能电阻还并联一个由二极管构成的电压钳位单元8。

其中，所述开关模块还并联一个旁路开关4。

其中，所述集中式电阻耗能装置的开关单元还串联至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻5和充电开关6并联构成。

其中，所述集中式电阻耗能装置还串联至少一个隔断开关7。

其中，所述耗能电阻可替换为储能器，所述储能器具备充放电能力。

其中，所述开关模块还可以仅包括机械开关。

本发明还包括一种集中式电阻耗能装置的控制方法，

(1)当装置启动时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述开关模块中的功率半导体开关器件关断，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，通过充电电阻向开关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。

(2)当装置检测到直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述装置实时直流线路电压，当直流线路电压没有超过上限值Umax时，该装置处于待机模式，执行步骤2进行直流电容电压均衡；当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转至步骤3；

步骤2：检测所有开关模块内的直流电容电压，若超过设定的上限值，则导通第二功率半导体开关器件，对直流电容进行放电操作，维持直流电容电压在一个安全范围内；

步骤3：依次导通开关模块中的第一功率半导体器件，导通间隔时间为t；待所有第一功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1，对电容电压进行排序；

步骤4：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，按照电容电压排序结果，由电容电压高到低的顺序依次关断开关模块中的第一功率半导体器件，关断间隔时间为t3，待所有第一功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2，在此T2时间间隔内执行步骤2；

步骤5：转至步骤1。引用具体实施例说明本发明集中式电阻耗能装置应用：

在本实施例中，装置连接在额定电压320kV的直流线路中，共包括160开关模块，当待机状态时，160个开关模块均分320kV电压，当直流电压超过1.1倍额定电压(即Umax＝352kV)时，进入耗能模式，依次导通开关模块中的第一功率半导体开关器件(即将此开关模块旁路)，此时，导通间隔时间为t，在本实施例中，t＝5us，由于导通间隔的存在，第一功率半导体开关器件未导通的开关模块的直流电容存在充电现象，最后一个第一功率半导体开关器件导通后的开关模块的直流电容电压值将最高。在暂态情况下，施加在耗能电阻上的电压逐渐升高，在旁路第一个开关模块后，电阻上承受电压增加V1，直到所有开关模块全部被旁路，电阻上承受电压达到最大值VN，此时耗能的能力达到最大。

维持时间为T1，此时对开关模块的电容电压进行排序，当直流电压低于0.95倍额定电压(即Umin＝304kV)，按照开关模块电压由高到低的顺序依次关断开关模块中的第一功率半导体开关器件，关断间隔时间为t3，在本实施例中，t3＝5us，施加在电阻的电压逐渐降低，直到所有开关模块全部投入，电阻上承受电压达到最小值，此时耗能的能力达到最小，维持时间为T2，此过程中投入靠后的开关模块的直流电容电压同样由于充电作用而抬升。在此T2时间间隔内，检测所有开关模块内的直流电容电压，若超过设定的上限值，则导通第二功率半导体开关器件，对直流电容进行放电操作，维持所有开关模块直流电容电压在一个安全范围内。

两种状态反复切换，即可实现对线路直流电压的控制，使直流电压维持在304-352kV之间。整个控制时序图如图3所示。

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 (11)

1.一种集中式电阻耗能装置，其特征在于，所述装置由开关单元与耗能电阻构成，所述开关单元由至少一个开关模块同方向串联连接构成，所述耗能电阻集中布置并与开关单元串联连接，所述耗能电阻与开关单元的串联连接跨接于高低电位直流线路之间；

所述开关模块由第一功率半导体开关器件、第一二极管、第二功率半导体开关器件、放电电阻与直流电容构成；其中，第一二极管的阴极与直流电容的正极连接，第一二极管的阳极与第一功率半导体开关器件的集电极连接，第一功率半导体器件的发射极与直流电容的负极连接；或者，第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第一功率半导体开关器件发射极与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与直流电容的负极连接；

第一功率半导体开关器件的集电极作为正极引出点，其发射极作为负极引出点；

第二功率半导体开关器件与放电电阻串联连接，该串联连接再与直流电容并联。

2.如权利要求1所述的一种集中式电阻耗能装置，其特征在于：所述放电电阻两端并联第二二极管，该二极管为放电电阻中的感性电流在第二功率半导体开关器件关断后提供续流回路。

3.如权利要求1所述的一种集中式电阻耗能装置，其特征在于：所述开关模块中的第一二极管还反向并联第三功率半导体开关器件。

4.如权利要求1所述的一种集中式电阻耗能装置，其特征在于：所述耗能电阻还并联一个由二极管构成的电压钳位单元。

5.如权利要求1所述的一种集中式电阻耗能装置，其特征在于：所述开关模块还并联一个旁路开关。

6.如权利要求1所述的一种集中式电阻耗能装置，其特征在于：所述集中式电阻耗能装置的开关单元还串联至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻和充电开关并联构成。

7.如权利要求1所述的一种集中式电阻耗能装置，其特征在于：所述集中式电阻耗能装置还串联至少一个隔断开关。

8.如权利要求1所述的一种集中式电阻耗能装置，其特征在于：所述耗能电阻替换为储能器，所述储能器具备充放电能力。

9.如权利要求1所述的一种集中式电阻耗能装置，其特征在于：所述开关模块仅包括机械开关。

10.一种基于权利要求1所述集中式电阻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：所述开关模块中的功率半导体开关器件关断，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，通过充电电阻向开关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。

11.一种基于权利要求1所述集中式电阻耗能装置的控制方法，其特征在于：当装置检测到直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述装置实时直流线路电压，当直流线路电压没有超过上限值Umax时，该装置处于待机模式，执行步骤2进行直流电容电压均衡；当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转至步骤3；

步骤2：检测所有开关模块内的直流电容电压，若超过设定的上限值，则导通第二功率半导体开关器件，对直流电容进行放电操作，维持直流电容电压在一个安全范围内；

步骤3：依次导通开关模块中的第一功率半导体器件，导通间隔时间为t；待所有第一功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1，对电容电压进行排序；

步骤4：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，按照电容电压排序结果，由电容电压高到低的顺序依次关断开关模块中的第一功率半导体器件，关断间隔时间为t3，待所有第一功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2，在此T2时间间隔内执行步骤2；

步骤5：转至步骤1。