CN109921465A - 一种能量泄放装置、直流输电系统及能量泄放方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量泄放装置、直流输电系统及能量泄放方法，适用于海上风电场输电领域。该系统由海上风电场、海上换流器、直流海缆、能量泄放装置、陆上换流器和交流主网组成。本发明除了具备电网故障穿越、抑制直流过流、抑制直流过压和快速功率控制外，还具备高于传统泄能装置的其他特性：消除工作时引起的大du/dt和di/dt，平滑地对能量进行泄放；同时级联的直流电容具有平波效果，可以在各种运行方式下降低直流侧电压的波动；大大加快了泄能装置工作后的恢复时间。
Description
技术领域
本发明属于海上风电场输电技术领域，具体涉及一种能量泄放装置、直流输电系统及能量泄放方法。
背景技术
随着近海风电资源开发逐渐饱和，以及水文、航运、渔业、政策等因素的限制，海上风电正在向远海大功率方向发展。
大容量、远距离的海上风电柔性直流输电技术送出具有线路损耗小、功率控制灵活、几乎不受距离限制的技术优势。
海上风电送出系统当陆上站发生交流故障时，交流母线电压降低，造成陆上站功率送出受阻，从而导致直流侧系统电压升高，需要一种能量泄放装置，暂时将盈余能量消耗，避免将陆上侧故障传递到海上电网，造成系统的停机甚至设备的损坏。
传统的集中式电阻斩波泄放能量装置只有两种工作状态：开通和关断，这两种状态电压差值较大，所以在工作过程中会造成大的du/dt、di/dt，导致通讯异常甚至设备损坏；在小能量泄放工况下引起不必要的直流电流和直流电压扰动；在某些正常运行工况下，比如STATCOM模式下三次谐波注入的情况下无法合理地抑制波动；集中式电阻斩波泄放能量装置中的泄能电阻放置在室外通过自然冷散热，满能量泄放一次后恢复时间长，对维持高的电网可用率有潜在的风险；此外，当系统停运后集中式电阻斩波泄放能量装置无法对电缆进行平滑可控放电。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于直流输电系统的能量泄放装置及能量泄放方法一种能量泄放装置、直流输电系统及能量泄放方法，提升海上风电柔性直流输电系统动态性能的安全的、可靠的能量泄放装置及方法。
为达到上述目的，本发明一种用于直流输电系统的能量泄放装置，包括若干串联的泄能模块，泄能模块包括IGBT、二极管D2、二极管D3，储能电容C和泄能电阻R，IGBT的集电极和二极管D2的负极连接，IGBT的发射极和二极管D2的正极连接；IGBT和二极管D2形成的支路与泄能电阻R串联，形成模块泄放支路，模块泄放支路、储能电容C以及二极管D3三者并联。
进一步的，泄能电阻R两端并联有反向续流二极管D1。
进一步的，还包括二极管D4，二极管D4的负极和二极管D3的正极连接，二极管D4的正极和泄能电阻R以及储能电容C连接。
进一步的，二极管D4两端并联有旁路开关K。
一种直流输电系统，包括海上风电场、海上换流器、直流海缆、能量泄放装置、陆上换流器和交流主网，海上换流器的直流侧和与陆上换流器的直流侧通过两根直流海缆连接，两根直流海缆之间并联有上述能量泄放装置。
进一步的，能量泄放装置两端串联有泄能支路电抗器。
进一步的，能量泄放装置4设置于陆上侧直流海缆进线处，能量泄放装置放置于陆上阀厅内。
一种直流输电系统的能量泄放方法，当陆上换流站发生交流故障时，造成陆上站功率送出受阻，从而导致直流侧系统电压升高，当陆上换流器5直流端间的电势高于预设的过压门限时，能量泄放装置将直流回路上的电流导入至能量泄放装置中，将能量泄放至各个泄能模块的泄能电阻R上，通过泄能电阻R将能量释放；在此过程中，钳制住过压门限，发生故障后，在换流阀的直流电压上升过程中，使泄能支路的端间电势保持恒定；
直流侧系统电压恢复至正常值后，当陆上换流器5直流端间电势低于过压门限时，泄能装置所在支路的相对电势变高，能量泄放过程停止，系统恢复运行；伴随直流侧系统电压升高和恢复，能量泄放装置4自动投入和退出，实现故障穿越。
进一步的，泄能电阻R采用水冷方式将能量释放。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明解决了海上风电柔性直流输电系统当陆上站发生交流故障时，能量泄放装置能消耗盈余能量，避免故障扩散到海上系统；实现监测直流电流,导通盈余能量；通过预设目标直流电压,可靠抑制直流过压；使紧急功率控制成为可能，给运维人员更多控制。
本发明能量泄放装置中设置有储能电容和可控的开关管，使每个模块可控，进而使泄能支路的端间电压可控，避免出现电压波动大的情况，能够消除大du/dt,di/dt，保护设备，保障通讯；在能量泄放过程中，通过储能电容控制直流正负极端间电势，实现能量的平滑泄放；级联的直流电容具有平波效果，尤其在STATCOM模式,实现三次谐波注入情况下合理地抑制直流电压波动；能量泄放装置中的分布式水冷电阻可以大大缩减泄放能量(Chopper)装置的恢复周期，大大提升电网可用率；系统停运后通过能量泄放装置对电缆进行平滑可控放电，对电缆进行保护。
进一步的，还包括二极管D4，二极管D4的负极和二极管D3的正极连接，二极管D4的正极和泄能电阻R以及储能电容C连接，在层间或者泄流装置桥臂间出现短路后，二极管D4为短路电流提供通路，避免出现过压击穿。
进一步的，二极管D4两端并联有旁路开关K，当其所在的泄能模块发生本体故障时，可通过旁路开关K将该泄能模块旁路，不影响整个泄能装置的运行。
进一步的，利用能量泄放装置两端串联的泄能支路电抗器，抑制故障电流，对泄能装置里的器件进行保护。
附图说明
图1为实施例的电气接线原理图；
图2为标准化泄能模块实施例的拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1，一种海上风电柔性直流输电系统，包括海上风电场1、海上换流器2、直流海缆3、能量泄放装置4、陆上换流器5和交流主网6。
直流输电系统采用对称单极接线方式，所述海上换流器2的直流侧和与所述陆上换流器5的直流侧采用两根直流海缆3连接。两根直流海缆3之间并联能量泄放装置4。所述能量泄放装置4放置于陆上阀厅内。能量泄放装置4设置于陆上侧直流海缆进线处。所述能量泄放装置由若干标准化泄能模块41串联组成，两端串联泄能支路电抗器42。
参照图2，所述标准化泄能模块41由泄能电阻R、IGBT、反向导通二极管D3、通路二极管D4、储能电容C、旁路开关K以及二极管D2组成。
IGBT的集电极和二极管D2的负极连接，IGBT的发射极和二极管D2的正极以及二极管D1的负极连接，二极管D1的正极和二极管D4的正极连接，二极管D4的负极和二极管D3的正极连接，二极管D3的负极和IGBT的集电极连接，储能电容C一端和IGBT的集电极连接，另一端和二极管D1的正极连接。二极管D1的两端并联有泄能电阻R；二极管D4的两端并联有旁路开关K。其中二极管D1为反向导通二极管。
旁路开关K为晶闸管，当单个子模块出现故障后，对单个子模块进行旁路隔离，通路二极管D3，保证装置在运行过程中，电流方向始终单向，不进行反流；二极管D4在层间或者泄流装置桥臂间出现短路后，为短路电流提供通路，避免发生核心器件的击穿；反向续流二极管D2和IGBT构成状态切换开关，做开通和关断，切换状态使用的，在开通状态，只有储能电容C在线路中，储能电容C进行电压支撑，当412在闭合状态下，将电流引用泄能电阻R上，泄能电阻R上并联有反向续流二极管D1，储能电容C起电压支撑和能量存储作用，使子模块单元相当于一个主动的设备。
优选的，所述泄能电阻R选用水冷电阻或自然冷电阻，取决于泄放能量的大小和一次动作的恢复周期要求。当要求自开始能量泄放至系统恢复运行的时间在1小时之内时，泄能电阻R选用水冷电阻，并可以根据客户需求调节水流量，进而大大降低恢复周期；如对恢复周期要求不高，可以考虑采用自然冷电阻。
基于上述泄放装置的一种直流输电系统的能量泄放方法如下：
海上风电送出系统当陆上换流站发生交流故障时，交流母线电压降低，造成陆上站功率送出受阻，能量无法传送到陆上主电网，就会导致换流阀进行能量的积累，从而导致直流侧系统电压升高，当陆上换流器5直流端间的电势高于提前预设的过压门限时，能量泄放装置4会自动将直流回路上的电流导通至本支路中，将能量平均泄放到各个标准化泄能模块41的电阻R上，然后电阻R通过水冷将能量快速释放。在此过程中，只需要软件钳制住过压门限，发生故障后，当换流阀的直流电压上升过程中，不需要额外的软件控制，只需要保证软件让泄能支路的端间电势保持恒定即可，电流的导通自动进行，不需要检测电流，相当于电压基本可以作为一个恒定控制态时，就可以进行能量的泄放；所述过压门限为正常运行情况下直流母线电压加上裕度，例如10kV，可以根据业主或者电缆厂家的输入灵活配置。
直流侧系统电压恢复至正常值后，当陆上换流器5直流端间电势低于过压门限时，泄能装置支路的相对电势变高，能量泄放过程自动停止，系统恢复运行。伴随直流侧系统电压升高和恢复，能量泄放装置4主动实现投入和退出，实现故障穿越。
本发明除了具备电网故障穿越、抑制直流过流、抑制直流过压和快速功率控制外，还具备高于传统泄能装置的其他特性：消除工作时引起的大du/dt和di/dt，平滑地对能量进行泄放；同时级联的直流电容具有平波效果，可以在各种运行方式下降低直流侧电压的波动；大大加快了泄能装置工作后的恢复时间。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于直流输电系统的能量泄放装置，其特征在于，包括若干串联的泄能模块，所述泄能模块包括IGBT、二极管D2、二极管D3，储能电容C和泄能电阻R，所述IGBT的集电极和二极管D2的负极连接，IGBT的发射极和二极管D2的正极连接；IGBT和二极管D2形成的支路与泄能电阻R串联，形成模块泄放支路，模块泄放支路、储能电容C以及二极管D3三者并联。
2.根据权利要求1所述的一种用于直流输电系统的能量泄放装置，其特征在于，泄能电阻R两端并联有反向续流二极管D1。
3.根据权利要求1所述的一种用于直流输电系统的能量泄放装置，其特征在于，还包括二极管D4，二极管D4的负极和二极管D3的正极连接，二极管D4的正极和泄能电阻R以及储能电容C连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于直流输电系统的能量泄放装置，其特征在于，二极管D4两端并联有旁路开关K。
5.一种直流输电系统，其特征在于，包括海上风电场(1)、海上换流器(2)、直流海缆(3)、能量泄放装置(4)、陆上换流器(5)和交流主网(6)，所述海上换流器(2)的直流侧和与所述陆上换流器(5)的直流侧通过两根直流海缆(3)连接，两根直流海缆(3)之间并联有权利要求1所述的能量泄放装置。
6.根据权利要求5所述的一种直流输电系统，其特征在于，所述能量泄放装置(4)两端串联有泄能支路电抗器(42)。
7.根据权利要求5所述的一种直流输电系统，其特征在于，所述能量泄放装置(4)设置于陆上侧直流海缆进线处，所述能量泄放装置放置于陆上阀厅内。
8.一种直流输电系统的能量泄放方法，其特征在于，当陆上换流站发生交流故障时，造成陆上站功率送出受阻，从而导致直流侧系统电压升高，当陆上换流器5直流端间的电势高于预设的过压门限时，能量泄放装置将直流回路上的电流导入至能量泄放装置中，将能量泄放至各个泄能模块的泄能电阻R上，通过泄能电阻R将能量释放；在此过程中，钳制住过压门限，发生故障后，在换流阀的直流电压上升过程中，使泄能支路的端间电势保持恒定；
直流侧系统电压恢复至正常值后，当陆上换流器5直流端间电势低于过压门限时，泄能装置所在支路的相对电势变高，能量泄放过程停止，系统恢复运行；伴随直流侧系统电压升高和恢复，能量泄放装置(4)自动投入和退出，实现故障穿越。
9.根据权利要求8所述的一种直流输电系统的能量泄放方法，其特征在于，泄能电阻R采用水冷方式将能量释放。
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