CN109546672B - 一种直流耗能装置、系统以及控制方法 - Google Patents

一种直流耗能装置、系统以及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流耗能装置，所述装置由耗能支路与耗能电阻构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块同方向串联连接构成，所述串联连接的首端定义为装置的正极、所述串联连接的尾端定义为装置的负极；所述装置的正极与直流线路的正极连接、装置的负极与直流线路的负极连接；所述耗能电阻一端与耗能支路中任意两个耗能子模块之间的连接点连接，另一端作为装置的输出端；本发明还包括由直流耗能装置构成的直流耗能系统以及控制方法，当直流线路电压升高时，可以通过调节耗能支路中耗能子模块投入或退出的数量，控制耗能电阻的流过电流，从而控制耗能速度，装置性价比很高，可靠性高，易于实现。

Description

一种直流耗能装置、系统以及控制方法
技术领域
本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种直流耗能装置、系统及控制方法。
背景技术
在高压直流输电系统中，直流耗能装置是至关重要的设备。直流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，采用的方法是当直流电压过高时，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：一方面，电阻的快速投入和退出需要并联功率半导体开关器件，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，易承受过电压而损坏。另一方面，利用电阻耗能的方式由于阻值是固定的，阻值的大小直接影响耗能的效果，主要体现在一旦阻值选取过小，流过电阻的电流过大，增加电阻的成本和体积，如果阻值选取过大，流过电阻的电流过小，使耗能的速度变慢，甚至会出现电阻的耗能速度小于直流侧累积能量的速度，此时无法耗能，风险极大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种直流耗能装置以及使用上述装置的控制方法，装置并联在中、高压直流线路的正、负极之间，对耗能子模块投入退出的控制，可以调整耗能电阻的流过电流，从而控制耗能速度，装置性价比很高，且解决了现有技术中分断电压不均以及电阻难取值的问题。
为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：
一种直流耗能装置，所述装置由耗能支路与耗能电阻构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块同方向串联连接构成，所述串联连接的首端定义为装置的正极、所述串联连接的尾端定义为装置的负极；所述装置的正极与直流线路的高电位电极连接、装置的负极与直流线路的低电位电极连接；所述耗能电阻一端与耗能支路中任意两个耗能子模块之间的连接点连接，另一端作为装置的输出端；所述耗能子模块由至少一个功率半导体开关器件与电容构成。
其中，所述耗能子模块可以为半桥子模块，由两组功率半导体开关器件以及直流电容构成，其中第一功率半导体开关器件的集电极与直流电容正极连接，第二功率半导体开关器件的集电极与第一功率半导体开关器件的发射极连接，第二功率半导体开关器件的发射极与直流电容负极连接，其中任意一个功率半导体开关器件的集电极和发射极分别作为耗能子模块的正极和负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。
其中，所述耗能子模块可以为全桥子模块，包括第三、四、五、六功率半导体开关器件以及直流电容，所述第三、四功率半导体开关器件同向串联连接构成第一桥臂，第五、六功率半导体开关器件同向串联连接构成第二桥臂；第三、五功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第四、六功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；所述第一桥臂与第二桥臂的中点定义为耗能子模块的正极与负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。
其中，所述耗能子模块还并联一个旁路开关。
其中，所述直流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，所述直流耗能装置还串联至少一个隔断开关。
其中，所述耗能电阻还可以替换为储能器，所述储能器具备充放电能力。
其中，所述直流耗能装置的输出端可以与地电位连接。
其中，所述直流耗能系统由至少两个直流耗能装置构成，所述至少两个直流耗能装置的正极、负极连接在一起，输出端连接在一起。
本发明还包括了一种直流耗能装置以及系统的控制方法：
(1)当装置启动时，所述方法包括如下步骤：
步骤1：所述耗能子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，通过充电电阻向耗能子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：少量耗能子模块工作，控制耗能电阻两端电压为0。
(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：设定所述直流耗能系统的耗能电流目标值；
布置2：根据电流目标值计算耗能电阻两端的电压差目标值；
步骤3：根据电压差目标值，调节各个耗能装置中耗能子模块的投入和退出的数量；
步骤4：调节各个述耗能装置中耗能支路中与耗能电阻连接点的电位；
步骤5：检测直流电压值是否控制在正常范围；
步骤6：如果直流电压值是高于正常范围，增加耗能电流目标值；如果直流电压值低于正常范围，减少耗能电流目标值。
其中，所述步骤3中投入或退出的耗能子模块并不是固定的，根据能量平均消耗的原则，在数量不变的前提下不断切换。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的直流耗能装置并联在中、高压直流线路的正、负极之间，当所连接的直流线路发生过压时，通过对耗能子模块投入退出的控制，可以调整耗能支路与耗能电阻连接点的电位，间接控制了耗能电阻两端压差，从而控制了耗能电流流过电流，即控制了耗能速度，该方法简单、风险小，可靠性高。
2、本发明较好地利用了电压差实现电流的平滑调节，由于直流线路上积累的能量大小无法预计，因此对耗能电阻的阻值估算可能出现偏差，本专利可以直接调节耗能电阻的压差，从而避免了阻值偏差造成的耗能速度不可控制的问题。
3、本发明装置、系统及方法利用了耗能子模块直流电容的充放电控制，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。
4、投入或退出的耗能子模块非固定，可根据能量平均消耗的原则，进行循环移位，在数量不变的前提下不断切换，实现能量均匀消耗。
5、本发明转移支路中的耗能子模块采用模块化的方式，易于生产制造。耗能子模块并联旁路开关，在模块故障情况下，可以迅速将故障模块旁路，在子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。
附图说明
图1为本发明直流耗能装置的拓扑结构图。
图2为本发明的耗能子模块的第一实施例，a和b为两种连接方式。
图3为本发明的耗能子模块的第二实施例。
图4为本发明的一种耗能子模块的电容投入示意图。
图5为本发明的一种耗能子模块的旁路模式示意图。
图6为本发明包含多个直流耗能装置的直流耗能系统一种实施例。
图7为本发明的直流耗能系统一种电流回路示意图。
图8为本发明的直流耗能系统连接储能电机的一种实施例。
图中标号名称：1、耗能支路；2、耗能子模块；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。
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，一种直流耗能装置1，所述装置由耗能支路与耗能电阻3构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块2同方向串联连接构成，所述串联连接的首端定义为装置的正极、所述串联连接的尾端定义为装置的负极；所述装置的正极与直流线路的正极连接、装置的负极与直流线路的负极连接；所述耗能电阻一端与耗能支路中任意两个耗能子模块之间的连接点连接，另一端作为装置的输出端；所述耗能子模块由至少一个功率半导体开关器件与电容构成。
如图2所示，所述耗能子模块可以为半桥子模块，由两组功率半导体开关器件以及直流电容构成，其中第一功率半导体开关器件的集电极与直流电容正极连接，第二功率半导体开关器件的集电极与第一功率半导体开关器件的发射极连接，第二功率半导体开关器件的发射极与直流电容负极连接，其中任意一个功率半导体开关器件的集电极和发射极分别作为耗能子模块的正极和负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。在本实施例中功率半导体开关器件为IGBT。
如图3所示，所述耗能子模块可以为全桥子模块，包括第三、四、五、六功率半导体开关器件以及直流电容，所述第三、四功率半导体开关器件同向串联连接构成第一桥臂，第五、六功率半导体开关器件同向串联连接构成第二桥臂；第三、五功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第四、六功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；所述第一桥臂与第二桥臂的中点定义为耗能子模块的正极与负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。在本实施例中功率半导体开关器件为IGBT。
其中，所述耗能子模块还并联一个旁路开关4。
其中，所述直流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5和充电开关6并联构成。
其中，所述直流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，所述直流耗能装置的输出端可以与地电位连接。
其中，所述直流耗能系统由至少两个直流耗能装置构成，所述至少两个直流耗能装置的正极、负极连接在一起，输出端连接在一起，如图1所示。也可以由多个直流耗能装置构成，如图6所示，可根据直流耗能系统的容量选择直流耗能装置的并联数量，配置灵活。
本发明还包括了一种直流耗能装置以及系统的控制方法：
(1)当装置启动时，所述方法包括如下步骤：
步骤1：所述耗能子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，通过充电电阻向耗能子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：少量耗能子模块工作，控制耗能电阻两端电压为0。
(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：设定所述直流耗能系统的耗能电流目标值；
布置2：根据电流目标值计算耗能电阻两端的电压差目标值；
步骤3：根据电压差目标值，调节各个耗能装置中耗能子模块的投入和退出的数量；
步骤4：调节各个述耗能装置中耗能支路中与耗能电阻连接点的电位；
步骤5：检测直流电压值是否控制在正常范围；
步骤6：如果直流电压值是高于正常范围，增加耗能电流目标值；如果直流电压值低于正常范围，减少耗能电流目标值。
其中，所述步骤3中投入或退出的耗能子模块并不是固定的，根据能量平均消耗的原则，在数量不变的前提下不断切换。
引用具体实施例说明本发明直流耗能系统应用：
如图7所示，在本实施例中，包含两个直流耗能装置，构成直流耗能系统，在本实施例中直流输电线路正极电压为200kV，负极电压为-200kV，压差为400kV，每个耗能电阻阻值为50Ω，两个直流耗能装置均包括200个耗能子模块，其中在第100个与第101个耗能子模块的中间引出连接耗能电阻，两个耗能支路通过耗能电阻连接在一起，这样耗能电阻位置在耗能支路的中部，在正常情况下，当耗能子模块中的IGBT闭锁时，耗能电阻的两端压差接近为0，如存在压差，可通过控制少量的耗能子模块的投入和退出保持耗能电阻压差为0。
当直流线路过压时，通过控制耗能子模块的投入和退出改变耗能电阻的压差，在本实施例中，第一个直流耗能装置的前100个耗能子模块处于旁路状态，旁路模式如图5所示，即上桥臂导通，下桥臂承受400kV电压，每个模块的电容投入，电容投入模式如图6所示，此时每个模块承受电压即为电容电压Uc，此时第一个直流耗能装置的耗能电阻与+200kV等电位，同理，第二个耗能装置的后100个耗能子模块处于旁路状态，此时，第二个直流耗能装置的耗能电阻与-200kV等电位，此时，两个耗能电阻承受400kV的电压，总耗能电阻为100Ω，耗能功率为1600MW，此时是装置的最大耗能功率，如果需要的耗能功率较小，即可增加第一个直流耗能装置上桥臂的投入电容的数量，增加第二个直流耗能装置下桥臂的投入电容的数量，从而减小耗能电阻两端的电压，从而减小耗能功率。因此，实施例中，直流耗能系统的耗能功率范围为0-1600MW，可根据实际情况进行连续调节。
图8为本发明的直流耗能系统连接储能电机的一种实施例。
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 (8)

1.一种基于直流耗能系统的控制方法，其特征在于：所述直流耗能系统由至少两个直流耗能装置构成，所述至少两个直流耗能装置的正极、负极连接在一起，输出端连接在一起；
所述装置由耗能支路与耗能电阻构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块同方向串联连接构成，所述串联连接的首端定义为装置的正极、所述串联连接的尾端定义为装置的负极；所述装置的正极与直流线路的高电位电极连接、装置的负极与直流线路的低电位电极连接；所述耗能电阻一端与耗能支路中任意两个耗能子模块之间的连接点连接，另一端作为装置的输出端；所述耗能子模块由至少一个功率半导体开关器件与电容构成；
所述直流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；所述直流耗能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：所述耗能子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，通过充电电阻向耗能子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：少量耗能子模块工作，控制耗能电阻两端电压为0。
2.如权利要求1所述的一种基于直流耗能系统的控制方法，其特征在于：所述耗能子模块为半桥子模块，由两组功率半导体开关器件以及直流电容构成，其中第一功率半导体开关器件的集电极与直流电容正极连接，第二功率半导体开关器件的集电极与第一功率半导体开关器件的发射极连接，第二功率半导体开关器件的发射极与直流电容负极连接，其中任意一个功率半导体开关器件的集电极和发射极分别作为耗能子模块的正极和负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。
3.如权利要求1所述的一种基于直流耗能系统的控制方法，其特征在于：所述耗能子模块包括第三、四、五、六功率半导体开关器件以及直流电容，所述第三、四功率半导体开关器件同向串联连接构成第一桥臂，第五、六功率半导体开关器件同向串联连接构成第二桥臂；第三、五功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第四、六功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；所述第一桥臂与第二桥臂的中点定义为耗能子模块的正极与负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。
4.如权利要求1所述的一种基于直流耗能系统的控制方法，其特征在于：所述耗能子模块还并联一个旁路开关。
5.如权利要求1所述的一种基于直流耗能系统的控制方法，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。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于直流耗能系统的控制方法，其特征在于：所述直流耗能装置的输出端与地电位连接。
7.一种基于直流耗能系统的控制方法，其特征在于：所述直流耗能系统由至少两个直流耗能装置构成，所述至少两个直流耗能装置的正极、负极连接在一起，输出端连接在一起；
所述装置由耗能支路与耗能电阻构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块同方向串联连接构成，所述串联连接的首端定义为装置的正极、所述串联连接的尾端定义为装置的负极；所述装置的正极与直流线路的高电位电极连接、装置的负极与直流线路的低电位电极连接；所述耗能电阻一端与耗能支路中任意两个耗能子模块之间的连接点连接，另一端作为装置的输出端；所述耗能子模块由至少一个功率半导体开关器件与电容构成；
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：设定所述直流耗能系统的耗能电流目标值；
布置2：根据电流目标值计算耗能电阻两端的电压差目标值；
步骤3：根据电压差目标值，调节各个耗能装置中耗能子模块的投入和退出的数量；
步骤4：调节各个述耗能装置中耗能支路中与耗能电阻连接点的电位；
步骤5：检测直流电压值是否控制在正常范围；
步骤6：如果直流电压值是高于正常范围，增加耗能电流目标值；如果直流电压值低于正常范围，减少耗能电流目标值。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述步骤3中投入或退出的耗能子模块并不是固定的，根据能量平均消耗的原则，在数量不变的前提下不断切换。
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