CN109787264A - 一种集中式耗能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中式耗能装置，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与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置与耗能支路串联连接，耗能电阻的一端与耗能支路的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接；本发明还包括集中式耗能装置的控制方法，当直流线路电压升高时，可以通过依次导通或关断耗能子模块中的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，装置性价比很高，可靠性高，易于实现。

Description

一种集中式耗能装置及其控制方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种集中式耗能装置及控制方法。

背景技术

在高压直流输电系统中，集中式耗能装置是至关重要的设备。集中式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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种集中式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耗能子模块中的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。

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与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置与耗能支路串联连接，耗能电阻的一端与耗能支路的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接；所述耗能子模块包括第一、二功率半导体开关器件以及直流电容，其中，第一、二功率半导体开关器件同向串联连接，连接方式为以下两种之一：

连接方式1：第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第二功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；

连接方式2：第二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直流电容负极连接；

所述第二功率半导体开关器件的集电极定义为耗能子模块的正极，第二功率半导体开关器件的发射极定义为耗能子模块的负极；所述第一功率半导体开关器件带有反并联二极管。

其中，所述第二功率半导体开关器件也带有反并联二极管。

其中，所述耗能子模块还可以为全桥子模块，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，所述集中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，所述耗能子模块还可以仅包括机械开关。

本发明还包括一种集中式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。

(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：所述装置实时检测直流线路电压，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；保持第一功率半导体器件处于关断状态，

步骤2：当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转入步骤3；

步骤3：依次导通耗能子模块中的第二功率半导体器件，导通间隔时间为t；

步骤4：待所有第二功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1；

步骤5：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，依次关断耗能子模块中的第二功率半导体器件，关断间隔时间为t3；

步骤6：待所有第二功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2；

步骤7：在耗能模式下，一旦检测到耗能子模块电压超出最大耐受值，通过立即导通第二功率半导体器件，如直流电压仍超出最大耐受值，导通第一功率半导体器件。

其中，在T2时间范围内，当检测到直流电压超过第一定值，导通第一功率半导体器件，所述第一定值小于最大耐受值。

其中，当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到直流电压持续上升，可将T1的时间增加，T2的时间减小；如检测到直流电压持续下降，可将T2的时间增加，T1的时间减小。

其中，当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到直流电压的波动过大，可同时减少T1和T2，提高两种工作模式的切换频率；如检测到直流电压的波动过小，可同时增大T1和T2，降低两种工作模式的切换频率。

其中，当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到流过装置的电流变化率过大，可同时增加t和t3，降低施加在耗能电阻上的电压变化率；如检测到流过装置的电流变化率过小，可同时减少t和t3，增加施加在电阻上的电压变化率。

本发明的有益效果：

1、本发明装置及方法利用了耗能子模块直流电容的缓冲，依次导通或关断耗能子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、本发明的方法可以根据工作中实际直流电压和直流电流的工作状态，实时调整导通时间T1和关断时间T2，调节导通和关断的占空比，以及两种工作模式切换的频率，以控制直流电压上升、下降的速率，以及波动的范围；也可以调节导通与关断的间隔时间，以调节施加耗能电阻上的电压变化率。该方法灵活性好，可控度高。

3、本发明中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。

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。模块化的耗能支路结合集中式的电阻，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为本发明集中式耗能装置控制方法控制时序图。

图7为本发明集中式耗能装置控制方法直流电压控制效果图第一实施例。

图8为本发明集中式耗能装置控制方法直流电压控制效果图第二实施例。

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，一种集中式耗能装置，所述装置由耗能支路1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与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置与耗能支路串联连接，耗能电阻的一端与耗能支路的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接；所述耗能子模块包括第一、二功率半导体开关器件以及直流电容，其中，第一、二功率半导体开关器件同向串联连接，连接方式为以下两种之一：

连接方式1：第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第二功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；

连接方式2：第二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直流电容负极连接；

所述第二功率半导体开关器件的集电极定义为耗能子模块的正极，第二功率半导体开关器件的发射极定义为耗能子模块的负极；所述第一功率半导体开关器件带有反并联二极管。

如图2所示，所述第二功率半导体开关器件也带有反并联二极管。

其中：所述耗能子模块还可以为全桥子模块，如图3所示，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4。

其中，所述集中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5和充电开关6并联构成。

其中，所述集中式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，所述耗能子模块还可以仅包括机械开关。

本发明还包括一种集中式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。

(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：所述装置实时检测直流线路电压，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；保持第一功率半导体器件处于关断状态，

步骤2：当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转入步骤3；

步骤3：依次导通耗能子模块中的第二功率半导体器件，导通间隔时间为t；

步骤4：待所有第二功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1；

步骤5：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，依次关断耗能子模块中的第二功率半导体器件，关断间隔时间为t3；

步骤6：待所有第二功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2；

步骤7：在耗能模式下，一旦检测到耗能子模块电压超出最大耐受值，通过立即导通第二功率半导体器件，如直流电压仍超出最大耐受值，导通第一功率半导体器件。

其中，在T2时间范围内，当检测到直流电压超过第一定值，导通第一功率半导体器件，所述第一定值小于最大耐受值。

其中，当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到直流电压持续上升，可将T1的时间增加，T2的时间减小；如检测到直流电压持续下降，可将T2的时间增加，T1的时间减小。

其中，当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到直流电压的波动过大，可同时减少T1和T2，提高两种工作模式的切换频率；如检测到直流电压的波动过小，可同时增大T1和T2，降低两种工作模式的切换频率。

其中，当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到流过装置的电流变化率过大，可同时增加t和t3，降低施加在耗能电阻上的电压变化率；如检测到流过装置的电流变化率过小，可同时减少t和t3，增加施加在电阻上的电压变化率。

引用具体实施例说明本发明集中式耗能装置应用：

在本实施例中，装置连接在200kV的直流线路中，共包括100耗能子模块，当待机状态时，100个耗能子模块均分200kV电压，当直流电压超过Umax＝230kV时，进入耗能模式，依次导通耗能子模块中的第二功率半导体器件，此时，导通的耗能子模块的状态如图5所示，导通间隔时间为t，在本实施例中，t＝5us，由于间隔时间很短，以及电容的缓冲作用，其余的未导通的子模块电压不变，在暂态情况下，施加在电阻的电压逐渐升高，在旁路第一个模块后，电阻上承受电压增加V1，直到所有子模块全部被旁路，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，此时直流电压低于Umin＝210kV，依次关断耗能子模块中的第二功率半导体器件，此时，关断的耗能子模块的状态如图5所示，关断间隔时间为t3，在本实施例中，t3＝5us，由于间隔时间很短，以及电容的缓冲作用，在暂态情况下，施加在电阻的电压逐渐降低，直到所有子模块全部投入，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…

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210-230kV之间。整个控制时序图如图6所示。

在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到直流电压持续上升，如图7中细线所示，此时可以增加T1到T1’，如图7的粗线所示，通过增加耗能电阻的投入时间，将直流电压稳定住。

在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到直流电压波动过大。如图8中细线所示，此时同时减小T1和T2，如图8的粗线所示，通过增加两种模式的切换频率，减小了直流电压波动。在本实施例中，可以将原有210-230kV的波动限制在220kV-230kV或210kV-220kV，但如果T1和T2过小，会增加装置的整体损耗，需要合理选择T1和T2的值。

当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到流过装置的电流变化率过大，电流变化率过大增加装置中的器件的损坏概率，同时，装置对外的电磁干扰增加，此时可同时增加t和t3，在本实施例中，可以由5us增加到10us，降低施加在耗能电阻上的电压变化率，可以达到电流变化率降低的效果，但t和t3也不宜过大，该时间过大，会导致在依次导通耗能子模块中的第二功率半导体器件的过程中，充电时间加长，后导通的子模块的电压升高，存在过压的风险，应合理选择间隔时间。

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 (14)

1.一种集中式耗能装置，其特征在于，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与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置与耗能支路串联连接，耗能电阻的一端与耗能支路的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接；所述耗能子模块包括第一、二功率半导体开关器件以及直流电容，其中，第一、二功率半导体开关器件同向串联连接，连接方式为以下两种之一：

连接方式1：第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第二功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；

连接方式2：第二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直流电容负极连接；

所述第二功率半导体开关器件的集电极定义为耗能子模块的正极，第二功率半导体开关器件的发射极定义为耗能子模块的负极；所述第一功率半导体开关器件带有反并联二极管。

2.如权利要求1所述的一种集中式耗能装置，其特征在于：所述第二功率半导体开关器件也带有反并联二极管。

3.如权利要求1所述的一种集中式耗能装置，其特征在于：所述耗能子模块为全桥子模块，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。

4.如权利要求1所述的一种集中式耗能装置，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所述的一种集中式耗能装置，其特征在于：所述集中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。

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

7.如权利要求1所述的一种集中式耗能装置，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。

8.如权利要求1所述的一种集中式耗能装置，其特征在于：所述耗能子模块仅包括机械开关。

9.一种基于权利要求1所述集中式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。

10.一种基于权利要求1所述集中式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：所述装置实时检测直流线路电压，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；保持第一功率半导体器件处于关断状态，

步骤2：当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转入步骤3；

步骤3：依次导通耗能子模块中的第二功率半导体器件，导通间隔时间为t；

步骤4：待所有第二功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1；

步骤5：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，依次关断耗能子模块中的第二功率半导体器件，关断间隔时间为t3；

步骤6：待所有第二功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2；

步骤7：在耗能模式下，一旦检测到耗能子模块电压超出最大耐受值，通过立即导通第二功率半导体器件，如直流电压仍超出最大耐受值，导通第一功率半导体器件。

11.一种基于权利要求10所述的控制方法，其特征在于：在T2时间范围内，当检测到直流电压超过第一定值，导通第一功率半导体器件，所述第一定值小于最大耐受值。

12.一种基于权利要求10所述的控制方法，其特征在于：当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到直流电压持续上升，可将T1的时间增加，T2的时间减小；如检测到直流电压持续下降，可将T2的时间增加，T1的时间减小。

13.一种基于权利要求10所述的控制方法，其特征在于：当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到直流电压的波动过大，可同时减少T1和T2，提高两种工作模式的切换频率；如检测到直流电压的波动过小，可同时增大T1和T2，降低两种工作模式的切换频率。

14.一种基于权利要求10所述的控制方法，其特征在于：当转入步骤3后，在反复执行步骤3-6的过程中，如检测到流过装置的电流变化率过大，可同时增加t和t3，降低施加在耗能电阻上的电压变化率；如检测到流过装置的电流变化率过小，可同时减少t和t3，增加施加在电阻上的电压变化率。