CN111030158A - 用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，至少包括一个耗能电阻R0、两个或两个以上串联的耗能支路组件。每个耗能支路组件中至少包括一个由可关断功率器件T1组成的高速开关、一个缓冲二极管D1和缓冲电容C1、一个DC/DC变换装置、以及一个动态平衡装置。当系统不需要投入耗能支路时，功率器件T1关断，阀控根据所有耗能支路组件的缓冲电容C1电压高低情况，控制缓冲电容C1电压较高的耗能支路组件投入动态平衡装置，从而降低其缓冲电容的电压，维持整个耗能支路的平衡。当系统需要长时间投入耗能支路时，阀控控制轮流短时关断各个耗能组件，依靠耗能支路中的电流为耗能组件中的缓冲电容C1充电，从而维持所有耗能支路组件的正常运行。

Description

用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路及控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路及控制方法。

背景技术

在远距离大功率输电领域中，当柔性直流输电的两端换流站通讯中断时，当逆变侧的交流电网发生故障，而整流侧由于通讯中断原因，不能及时调整发送功率，有可能造成直流线路和换流阀过压；另外，对于用于风电场并网的柔性直流系统，当接入端电网发生故障时，风电场发出的功率难以快速降低，也会造成直流线路和换流阀过压。因此，需要使用直流耗能装置来短时消耗额外的能量，避免线路严重过压。(CN201810929383-具有耗能直流斩波器的海上风电柔性直流输电系统及其故障穿越方法)

由于直流输电系统的电压等级很高，要求能够承受高电压，并且进行快速开通关断的高速开关技术，这是耗能支路的技术关键，一般应用目前相对成熟的直流断路器技术，实现对耗能电阻的快速投入和切除。为了在高电压隔离下实现对高速开关的快速控制，一般有两种方案为高速开关的动作部件供应能量：用较大功率光纤为高电位部件送能，或者用高频电流通过隔离变压器为高电位部件送能。后者有较多参考文献，如：CN200810057660-一种高频电流源送能系统，CN201310674569-一种拓扑高频高压送能系统及其方法，等。

不论是采用大功率光纤为高电位送能，还是采用高频电流通过隔离变压器为高电位送能，都存在成本高，体积大的问题。目前之所以不能采用直接在高电位取能的方法，主要原因在于：当高速开关处于长时间闭合状态时，其中的电流基本为直流电流，高速开关两端的电压基本为0，因此无法取能；当高速开关处于开断状态时，取能用的DC/DC变换电路对外表现为恒功率负载，极容易导致串联的各组件之间不平衡，从而击穿承受电压较高的组件。

综上所述，为了降低耗能支路的高速开关成本，需要一种能够在高速开关闭合情况下为其供能，在高速开关开断状态下维持各组件之间电压平衡的设计，同时希望这种方法不过于增加各组件的控制复杂度，不增加其中控制器的成本。

发明内容

为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路及控制方法，考虑柔性直流输电的耗能支路往往带有复杂的高性能阀控系统，可以应用阀控的计算能力实现对耗能支路中各组件的高速控制，这样可以用比较低的成本实现高速开关闭合时的取能问题和高速开关开断时的内部平衡问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一、一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，所述耗能支路至少包括一个耗能电阻R0、两个或两个以上串联的耗能支路组件；每个耗能支路组件中至少包括一个由可关断功率器件T1组成的高速开关、一个缓冲二极管D1和缓冲电容C1、一个DC/DC变换装置、以及一个动态平衡装置。所述缓冲二极管D1和缓冲电容C1串联后，与可关断功率器件T1并联。所述DC/DC变换装置输入端与缓冲电容C1并联，从缓冲电容C1取能，提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡的电源。所述动态平衡装置受耗能支路组件内部板卡控制，当缓冲电容C1上的电压过高时，吸收缓冲电容能量。

本发明中耗能支路组件中的动态平衡装置有两种典型的实现方法，一种是采用一个平衡电阻和平衡功率器件，两者串联后，与缓冲电容并联；当需要投入动态平衡装置时，开通平衡功率器件，从而通过平衡电阻为缓冲电容放电。另外一种方法是为DC/DC变换装置设计一个额外的输出端口，并在输出端口上并联一个平衡电阻。当需要投入动态平衡装置时，控制DC/DC变换装置，为平衡电阻提供电流，从而将部分缓冲电容的能量消耗在平衡电阻之中。

1)第一种动态平衡装置包括平衡电阻R2和平衡功率器件T2，两者串联后，与缓冲电容C1并联；动态平衡装置吸收缓冲电容C1能量的方法是，开通平衡功率器件T2，使得缓冲电容C1通过平衡电阻R2放电。

2)耗能支路组件中的DC/DC变换装置包括两个电源输出端口；第一电源输出端口提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡的电源；第二种动态平衡装置是一个平衡电阻R2，连接在所述DC/DC变换装置的第二电源输出端口上；所述动态平衡装置吸收缓冲电容能量的方法是，控制所述DC/DC变换装置，为所述平衡电阻R2提供电流。

所述的两个或两个以上串联的耗能支路组件中，当耗能支路组件处于导通状态时间较长时，轮流短时关断各个耗能组件，为耗能组件中的缓冲电容C1充电。

耗能支路组件中的高速开关包括以下几种：

1)所述耗能支路组件中的高速开关为一个功率器件T1。

2)所述耗能支路组件中的高速开关为多个功率器件T11、T12…T1m串联而成。并且在每个功率器件旁并联电阻电容缓冲电路R11,C11,R12,C12…。

二、一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，还可以是如下的技术方案：

所述耗能支路至少包括一个耗能电阻R0、两个或两个以上串联的耗能支路组件；每个耗能支路组件中包括至少由两个可关断功率器件T11,T12、两个二极管D11,D12、一个缓冲电容C1组成的高速开关、一个DC/DC变换装置以及一个动态平衡装置，所述高速开关中，包括两个半桥，每个半桥由一个可关断功率器件T11或T12和一个二极管D11或D12串联组成；两个半桥并联后与缓冲电容C1并联；所述DC/DC变换装置一端与缓冲电容C1并联，从缓冲电容取能，提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡；所述动态平衡装置受耗能支路组件内部板卡控制，当缓冲电容上的电压过高时，吸收缓冲电容能量。

动态平衡装置包括两种：与上述的第一种耗能支路的方案相同。

三、所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路的控制方法，包括如下：

1)当系统不需要投入耗能电阻时，通过控制所有的耗能支路组件，关断其中的可关断功率器件；这时为了控制各耗能组件之间的电压平衡，各耗能支路组件通过光纤将其缓冲电容上的电压上传给阀控系统，然后阀控比较所有耗能支路组件的缓冲电容电压大小，并控制缓冲电容电压较高的耗能支路组件主动投入动态平衡装置，从而使其缓冲电容电压降低，从而维持耗能支路的平衡；

2)当系统需要投入耗能电阻时，通过控制所有的耗能支路组件，开通其中的可关断功率器件；当投入耗能电阻较长时间之后，各耗能支路组件的缓冲电容电压将明显降低，可能影响其中DC/DC变换装置的正常运行；这时，阀控控制各耗能支路组件，依次短时间关断然后迅速开通，从而依靠流过耗能支路的电流为各耗能支路组件的缓冲电容进行充电，确保其正常工作；值得指出的是，由于单个耗能支路组件的电压远低于系统电压，此时依次短时间关断耗能支路组件，并不会影响耗能支路的正常功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明考虑柔性直流输电的耗能支路往往带有复杂的高性能阀控系统，可以应用阀控的计算能力实现对耗能支路中各组件的高速控制，这样可以用比较低的成本实现高速开关闭合时的取能问题和高速开关开断时的内部平衡问题。

附图说明

图1为本发明的一种典型实现；

图2为本发明中耗能支路组件的第一种典型实现(第一种动态平衡装置)；

图3为本发明中耗能支路组件的第一种典型实现(第二种动态平衡装置)；

图4为应用功率器件直接串联时，本发明中耗能支路组件的一种实现方法；

图5为本发明的耗能支路组件的第二种典型实现(第一种动态平衡装置)；

图6为本发明的耗能支路组件的第二种典型实现(第二种动态平衡装置)；

图7位包括旁路接触器时，本发明中耗能支路组件的一种实现方法；

图8为长时间投入耗能电阻时，本发明中为维持各耗能支路组件正常供电而发出的控制脉冲。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

本发明提出了一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，典型实现如图1所示，所述耗能支路至少包括一个耗能电阻R0、两个或两个以上串联的耗能支路组件；所有的耗能支路组件相互串联组成高速开关，然后与耗能电阻R0串联，实现对耗能电阻R0的高速控制。为了限制高速开关动作过程中对系统的冲击，可以在耗能支路中串联限流电抗L0。当系统需要投入耗能电阻R0时，通过控制所有的耗能支路组件闭合其中的功率器件T1，从而通过耗能电阻R0为系统吸收能量；当系统不需要投入耗能电阻R0时，通过控制所有的耗能支路组件开断其中的功率器件T1，从而截断耗能电阻中的电流。

每个耗能支路组件中至少包括一个由可关断功率器件T1组成的高速开关、一个缓冲二极管D1和缓冲电容C1、一个DC/DC变换装置、以及一个动态平衡装置。所述缓冲二极管D1和缓冲电容C1串联后，与可关断功率器件T1并联；所述DC/DC变换装置一端与缓冲电容C1并联，从缓冲电容C1取能，提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡；所述动态平衡装置受耗能支路组件内部板卡控制，用于在缓冲电容C1上的电压过高时，吸收缓冲电容能量。

以图2所示的耗能支路组件为例，其中的动态平衡装置是一个平衡电阻R2和平衡功率器件T2，两者串联后，与缓冲电容C1并联。当系统不需要投入耗能电阻R0时，通过控制所有的耗能支路组件，关断其中的可关断功率器件T1；这时为了控制各耗能组件之间的电压平衡，各耗能支路组件通过光纤将其缓冲电容C1上的电压上传给阀控系统，然后阀控比较所有耗能支路组件的缓冲电容C1电压大小，并控制缓冲电容电压较高的耗能支路组件主动投入动态平衡装置R2+T2，也就是控制其开通平衡功率器件T2，从而通过平衡电阻R2为缓冲电容C1放电，使得缓冲电容C1的电压降低。这样，通过阀控的主动控制，能够维持各耗能支路组件之间的电压平衡。

以图3所示的耗能支路组件为例，其中的动态平衡装置是为DC/DC变换装置设计一个额外的输出端口，并在输出端口上并联一个平衡电阻R2。当系统不需要投入耗能电阻R0时，通过控制所有的耗能支路组件，关断其中的可关断功率器件T1；这时为了控制各耗能组件之间的电压平衡，各耗能支路组件通过光纤将其缓冲电容C1上的电压上传给阀控系统，然后阀控比较所有耗能支路组件的缓冲电容电压大小，并控制缓冲电容电压较高的耗能支路组件主动投入动态平衡装置，也就是控制DC/DC变换装置升高连接有平衡电阻R2的端口电压，为平衡电阻R2提供电流，从而将部分缓冲电容C1的能量消耗在平衡电阻R2之中，使得缓冲电容C1的电压降低。这样，通过阀控的主动控制，能够维持各耗能支路组件之间的电压平衡。

耗能支路组件中，也可以采用多个功率器件T11,T12…T1k串联的方案，如图4所示。这种设计能够降低耗能支路和阀控的连接光纤数，简化系统的机械结构设计，有时候可以降低系统的成本。为了保证多个功率器件直接串联时，各功率器件之间的均压问题，一般需要在每一个功率器件旁并联电阻R11..R1k电容C11..C1k组成的串联电路。因为各功率器件的关断过程中，关断速度通常会有所不同，依靠旁路并联的电阻电容，可以降低因为功率器件关断速度不同而导致的电压不平衡，保证功率器件的可靠性。当耗能支路组件采用多个功率器件的串联方案时，平衡装置的设计一般采用DC/DC装置设计额外输出端口，并在输出端口并联平衡电阻R2的方案。这是因为DC/DC装置增加一个输出端口，对成本的影响不大；而如果采用开关器件串联平衡电阻的方案，其中的开关器件耐压很高，可能需要多个串联，增加了成本。

耗能支路组件中，也可以采用由两个可关断功率器件T11,T12、两个二极管D11,D12、一个缓冲电容C1、一个DC/DC变换装置、以及一个动态平衡装置组成。由一个可关断功率器件T11和一个二极管D11组成一个半桥，另外一个可关断功率器件T11和另外一个二极管D11组成另外一个半桥，两个半桥并联后与缓冲电容C1并联；DC/DC变换装置一端与缓冲电容C1并联，从缓冲电容C1取能，提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡；动态平衡装置受耗能支路组件内部板卡控制，缓冲电容C1上的电压过高时，吸收缓冲电容能量。其中的动态平衡装置，既可以是平衡功率器件T2串联平衡电阻R2的方案，并联在缓冲电容C1的两端，如图5所示；也可以是在DC/DC变换装置上增加一个输出端口，并在端口并联平衡电阻R2的方案，如图6所示。

耗能支路组件也可以进一步包含并联在两端的旁路接触器K1，如图7所示，用来在自身故障时，主动旁路，从而不影响系统运行，提高可靠性。

当系统需要投入耗能电阻R0时，通过控制所有的耗能支路组件，开通其中的可关断功率器件T1(和T11,T12…)；当投入耗能电阻R0较长时间之后，各耗能支路组件的缓冲电容C1电压明显降低，可能影响其中DC/DC变换装置的正常运行。这时，阀控控制各耗能支路组件，依次短时间关断T1(和T11,T12…)然后迅速开通，如图8所示，从而依靠流过耗能支路的电流为各耗能支路组件的缓冲电容C1进行充电，确保其正常工作。值得指出的是，由于单个耗能支路组件的电压远低于系统电压，此时依次短时间关断耗能支路组件，并不会影响耗能支路的正常功能。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (11)

1.一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：所述耗能支路至少包括一个耗能电阻R0、两个或两个以上串联的耗能支路组件；每个耗能支路组件中至少包括一个由可关断功率器件T1组成的高速开关、一个缓冲二极管D1和缓冲电容C1、一个DC/DC变换装置、以及一个动态平衡装置；

所述缓冲二极管D1和缓冲电容C1串联后，与可关断功率器件T1并联；

所述DC/DC变换装置输入端与缓冲电容C1并联，从缓冲电容C1取能，提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡的电源；

所述动态平衡装置受耗能支路组件内部板卡控制，当缓冲电容C1上的电压过高时，吸收缓冲电容能量。

2.根据权利要求1所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：所述动态平衡装置包括平衡电阻R2和平衡功率器件T2，两者串联后，与缓冲电容C1并联；

动态平衡装置吸收缓冲电容C1能量的方法是，开通平衡功率器件T2，使得缓冲电容C1通过平衡电阻R2放电。

3.根据权利要求1所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：耗能支路组件中的DC/DC变换装置包括两个电源输出端口；第一电源输出端口提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡的电源；

耗能支路组件中的动态平衡装置是一个平衡电阻R2，连接在所述DC/DC变换装置的第二电源输出端口上；

动态平衡装置吸收缓冲电容能量的方法是，控制所述DC/DC变换装置，为所述平衡电阻R2提供电流。

4.根据权利要求1所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：所述的两个或两个以上串联的耗能支路组件中，当耗能支路组件处于导通状态时间较长时，轮流短时关断各个耗能组件，为耗能组件中的缓冲电容C1充电。

5.根据权利要求1所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：所述耗能支路组件中的高速开关为一个功率器件T1。

6.根据权利要求1所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：所述耗能支路组件中的高速开关为多个功率器件T11、T12…T1m串联而成。

7.根据权利要求6所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：所述耗能支路组件中的高速开关为多个功率器件T11、T12…T1m串联而成，并且在每个功率器件旁并联电阻电容缓冲电路。

8.一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：所述耗能支路至少包括一个耗能电阻R0、两个或两个以上串联的耗能支路组件；每个耗能支路组件中包括至少由两个可关断功率器件T11,T12、两个二极管D11,D12、一个缓冲电容C1组成的高速开关、一个DC/DC变换装置以及一个动态平衡装置；

所述高速开关中，包括两个半桥，每个半桥由一个可关断功率器件T11或T12和一个二极管D11或D12串联组成；两个半桥并联后与缓冲电容C1并联；

所述DC/DC变换装置一端与缓冲电容C1并联，从缓冲电容取能，提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡；

所述动态平衡装置受耗能支路组件内部板卡控制，当缓冲电容上的电压过高时，吸收缓冲电容能量。

9.根据权利要求8所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：所述耗能支路组件中的动态平衡装置是一个平衡电阻R2和平衡功率器件T2，两者串联后，与缓冲电容C2并联；

所述动态平衡装置吸收缓冲电容C2能量的方法是，开通平衡功率器件T2，使得缓冲电容通过平衡电阻R2放电。

10.根据权利要求8所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路，其特征在于：耗能支路组件中的DC/DC变换装置包括两个电源输出端口；第一电源输出端口提供耗能支路组件中的控制板卡和驱动板卡的电源；

耗能支路组件中的动态平衡装置是一个平衡电阻R2，连接在所述DC/DC变换装置的第二电源输出端口上；

所述动态平衡装置吸收缓冲电容能量的方法是，控制所述DC/DC变换装置，为所述平衡电阻R2提供电流。

11.权利要求1或8所述的一种用于防止直流输电系统直流侧过压的耗能支路的控制方法，其特征在于：包括如下：

1)当系统不需要投入耗能电阻时，通过控制所有的耗能支路组件，关断其中的可关断功率器件；这时为了控制各耗能组件之间的电压平衡，各耗能支路组件通过光纤将其缓冲电容上的电压上传给阀控系统，然后阀控比较所有耗能支路组件的缓冲电容电压大小，并控制缓冲电容电压较高的耗能支路组件主动投入动态平衡装置，从而使其缓冲电容电压降低，从而维持耗能支路的平衡；

2)当系统需要投入耗能电阻时，通过控制所有的耗能支路组件，开通其中的可关断功率器件；当投入耗能电阻较长时间之后，各耗能支路组件的缓冲电容电压将明显降低，可能影响其中DC/DC变换装置的正常运行；这时，阀控控制各耗能支路组件，依次短时间关断然后迅速开通，从而依靠流过耗能支路的电流为各耗能支路组件的缓冲电容进行充电，确保其正常工作；值得指出的是，由于单个耗能支路组件的电压远低于系统电压，此时依次短时间关断耗能支路组件，并不会影响耗能支路的正常功能。

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