CN111224421A - 一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，用于解决交流系统故障时，直流功率盈余导致直流侧产生直流过电压的问题，每个模块主要由旁路开关、二极管、电容器、全控型电力电子开关器件及其反并联二极管、功率电阻器构成，旁路开关并联在模块输出端口两端，直流电容的正极接模块输出端口的高压端，直流电容的负极二极管的阳极，全控型电力电子器件的集电极接模块输出端口高压端，全控型电力电子器件的发射机接功率电阻器的一端，功率电阻器的另一端接直流电容的负极，直流电容负极与二极管阳极连接，二极管阴极与模块输出端口低压端连接。多个这样的模块串联后可以构成大功率的耗能装置，用于消耗柔性直流输电系统直流侧盈余功率。

Description

一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑
技术领域
本发明属于柔直技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑。
背景技术
柔性直流输电系统以其显著的技术优势，非常适合新能源并网、孤岛供电、电网互联等领域，特别是远距离、大容量新能源场合，柔性直流输电系统基本是目前新能源送出最优的解决方案。
目前能源转型、能源升级的需求日益迫切，新能源发展步伐显著提升。我国幅员辽阔，近海与远海风资源丰富，将风资源送出能很好的缓解我国电力紧张的局势。柔性直流输电虽然是目前新能源送出的最优解决方案，但由于风机的机械惯性大，反应时间慢，当陆上柔直站发生交流故障时，风机无法及时切除，新能源送出受阻，造成换流阀能量堆积，模块电压升高、直流电压升高，危害整个系统。针对以上问题，目前常用的解决方案是增加耗能装置，吸收盈余能量，给风机动作争取时间，保护系统安全。其中一种耗能方式是晶闸管+耗能电阻，耗能装置接于柔直站交流侧，需要成组投切，但直流电流会流过换流阀，加大了换流阀的耐受压力；另一种耗能方式是全控器件+集中式电阻，耗能装置接于柔直站直流侧，可替换流阀分担部分直流电流，减轻换流阀的压力，但该方案有较大电流变化率，且全控器件的触发一致性和均压也是难点。
发明内容
本发明提供了一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，该装置由至少两个分布式子模块级联组成，跨接于直流侧正负极母线上，在发生交流电网故障时，通过主动控制方式，将盈余能量泄放到分布式子模块的耗能电阻上，限制分布式子模块电容上升，进而限制直流电压抬升。通过规定时间内泄放柔直系统额定功率来设计分布式子模块耗能电阻的能量耐受能力，在交流故障无法顺利穿越时，为风机争取一定的动作时间，保障系统的安全。
为达到上述目的，本发明一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，包括多个级联的分布式子模块，分布式子模块包括直流电容C、全控型开关器件T、耗能电阻R1、反并联二极管D1以及通流二极管D3；直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、功率模块输出端口的正极；直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端；耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；通流二极管D3连接于直流电容C和功率模块输出端口之间。
进一步的，分布式子模块的输出端口并联有旁路开关K。
进一步的，分布式子模块的输出端口的正极和分布式电感的第一端连接，分布式电感L的第二端与旁路开关一端连接。
进一步的，耗能电阻R1两端并联有反并联二极管D2。
进一步的，直流电容C两端并联有静态均压电阻R2。
进一步的，通流二极管D3的阴极和直流电容C的正极连接，通流二极管D3的阳极和分布式子模块的输出端口的正极连接。
进一步的，通流二极管D3的阳极和直流电容C的负极连接，通流二极管D3的阴极和分布式子模块的输出端口的负极连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
1.耗能装置采用分布式子模块级联形式，受直流电容电压支撑的有益影响，耗能装置具有较小的电压变化率；
2.耗能装置受集中式电感或分布式电感的有益影响，耗能装置具有较小的电流变化率；
3.耗能装置通过导通分布式子模块的全控型开关器件，将部分或全部直流电流泄放到耗能电阻上，限制直流电压进一步上升，保障了柔直换流阀的安全；
4.受耗能装置拓扑中耗能电阻耐受一定能量，可为交流故障顺利穿越提供有利条件，当交流故障无法消除时，为风机动作争取了时间；
5.在柔直系统停运后，直流电缆上存储了大量的电能，利用耗能装置拓扑中的耗能电阻消耗能量的特点，可实现直流电缆的快速放电，为系统再次启动提供了有益条件；
6.受耗能装置拓扑中通流二极管的有益影响，保证了耗能时电流的正常流通，避免了直流电容因反向充电而出现负压的情况。
进一步的，耗能装置拓扑中的旁路开关，可在分布式子模块发生故障时将其旁路，不影响耗能装置正常工作；
进一步的，耗能装置拓扑中全控型开关器件和旁路开关的驱动电源的供电，可从分布式子模块的直流电容上取电，无需单独配置供电电源，降低了供电电源的难度。
附图说明
图1为柔性直流输电系统直流侧耗能装置集中式电感方案；
图2为柔性直流输电系统直流侧耗能装置分布式电感方案；
图3为分布式子模块拓扑1；
图4为分布式子模块拓扑2；
图5为分布式子模块拓扑3；
图6为分布式子模块拓扑4；
图7为分布式子模块拓扑5；
图8为分布式子模块拓扑6；
图9为分布式子模块拓扑7；
图10为分布式子模块拓扑8；
图11为分布式子模块拓扑9；
图12为分布式子模块拓扑10；
图13为分布式子模块拓扑11；
图14为分布式子模块拓扑12；
图15为分布式子模块拓扑13；
图16为分布式子模块拓扑14；
图17为分布式子模块拓扑15；
图18为分布式子模块拓扑16；
图19为分布式子模块拓扑17。
附图中：8-分布式子模块的功率输出端口。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
参照图3，一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，在忽略耗能装置杂散参数情况下，当直流母线电压高于所有分布式子模块直流电容电压之和时，直流电容C从直流母线上取能，直流电容电压升高；当直流母线电容电压低于或等于分布式子模块直流电容电压之和时，直流电容停止充电，受耗能装置级联回路二极管反向截止作用，阻断耗能装置向直流母线放电，分布式子模块通过自身内部的放电回路进行放电。所述耗能装置拓扑，当直流母线电压超过控制装置设定的动作门限时，触发耗能支路的全控型开关器件，将部分或全部直流母线电流转移至耗能装置，将盈余能量泄放到耗能电阻R1上，限制直流电容电压上升，从而限制直流母线电压上升。其中耗能支路由全控型开关器件T、反并联二极管D1和耗能电阻R1组成，所述耗能装置拓扑，当分布式子模块发生故障时，通过导通故障子模块端口的旁路开关K将其隔离，防止故障进一步扩大，保障耗能装置继续工作。耗能装置拓扑靠触发分布式子模块全控型开关器件和旁路开关所需的能量从直流电容取电。
实施例1
参照图3，一种分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、反并联二极管D1、反并联二极管D2、上臂二极管D4和下臂二极管D5。直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1和上臂二极管D4的阴极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2的阳极、下臂二极管D5的阳极以及功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述上臂二极管D4的阳极接于下臂二极管D5的阴极、功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例2
参照图4，一种分布式子模块拓扑，包括一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、反并联二极管D1、反并联二极管D2以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、功率模块输出端口8的正极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2和通流二极管D3的阳极；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阴极接于功率模块输出端口8的负极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例3
参照图5，一种分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、反并联二极管D1、反并联二极管D2以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1和通流二极管D3的阴极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2的阳极、功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阳极接于功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例4
参照图6，一种分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、反并联二极管D1以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、功率模块输出端口8的正极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、通流二极管D3的阳极；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阴极接于功率模块输出端口8的负极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例5
参照图7，一种分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、反并联二极管D1以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1和通流二极管D3的阴极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阳极接于功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例6
参照图8，一种分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个分布式电感L、反并联二极管D1、反并联二极管D2以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、分布式电感L的负端；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2和通流二极管D3的阳极；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阴极接于功率模块输出端口8的负极；所述分布式电感L的正端接于功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于分布式电感L的负端与功率模块输出端口8的负极之间。
实施例7
参照图9，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个分布式电感L、反并联二极管D1、反并联二极管D2以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、通流二极管D3的阴极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2的阳极、功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阳极接于分布式电感L的负端；所述分布式电感L的正端接于功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于分布式电感L的负端与功率模块输出端口8的负极之间。
实施例8
参照图10，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个分布式电感L、反并联二极管D1以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、分布式电感L的负端；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、通流二极管D3的阳极；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阴极接于功率模块输出端口8的负极；所述分布式电感L的正端接于功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于分布式电感L的负端与功率模块输出端口8的负极之间。
实施例9
参照图11，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个分布式电感L、反并联二极管D1以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、通流二极管D3的阴极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阳极接于分布式电感L的负端；所述分布式电感L的正端接于功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于分布式电感L的负端与功率模块输出端口8的负极之间。
实施例10
参照图12，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个静态均压电阻R2、反并联二极管D1、反并联二极管D2以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、静态均压电阻R2的正端、功率模块输出端口8的正极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2和通流二极管D3的阳极、静态均压电阻R2的负端；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阴极接于功率模块输出端口8的负极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例11
参照图13，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个静态均压电阻R2、反并联二极管D1、反并联二极管D2以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1和通流二极管D3的阴极、静态均压电阻R2的正端；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2的阳极、静态均压电阻R2的负端、功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阳极接于功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例12
参照图14，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个静态均压电阻R2、反并联二极管D1以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、静态均压电阻R2的正端、功率模块输出端口8的正极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、通流二极管D3的阳极、静态均压电阻R2的负端；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阴极接于功率模块输出端口8的负极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例13
参照图15，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个静态均压电阻R2、反并联二极管D1以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1和通流二极管D3的阴极、静态均压电阻R2的正端；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、静态均压电阻R2的负端、功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3的阳极接于功率模块输出端口8的正极；所述旁路开关K接于功率模块输出端口8正负极。
实施例14
参照图16，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个分布式电感L、一个静态均压电阻R2、反并联二极管D1、反并联二极管D2以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、分布式电感L的负端、静态均压电阻R2的正端；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2和通流二极管D3的阳极、静态均压电阻R2的负端；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述分布式电感L的正端接于功率模块输出端口8的正极；所述通流二极管D3的阴极接于功率模块输出端口8的负极；所述旁路开关K接于分布式电感L的负端与功率模块输出端口8的负极之间。
实施例15
参照图17，一分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个分布式电感L、一个静态均压电阻R2、反并联二极管D1、反并联二极管D2以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1和通流二极管D3的阴极、静态均压电阻R2的正端；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、反并联二极管D2的阳极、静态均压电阻R2的负端、功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于反并联二极管D2的阴极、全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述分布式电感L的正端接于功率模块输出端口8的正极；所述通流二极管D3的阳极接于分布式电感L的负端；所述旁路开关K接于分布式电感L的负端与功率模块输出端口8的负极之间。
实施例16
参照图18，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个分布式电感L、一个静态均压电阻R2、反并联二极管D1以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、分布式电感L的负端、静态均压电阻R2的正端；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、通流二极管D3的阳极、静态均压电阻R2的负端；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述分布式电感L的正端接于功率模块输出端口8的正极；所述通流二极管D3的阴极接于功率模块输出端口8的负极；所述旁路开关K接于分布式电感L的负端与功率模块输出端口8的负极之间。
实施例17
参照图19，分布式子模块拓扑，包含一个直流电容C、一个全控型开关器件T、一个耗能电阻R1、一个旁路开关K、一个分布式电感L、一个静态均压电阻R2、反并联二极管D1以及通流二极管D3。所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1和通流二极管D3的阴极、静态均压电阻R2的正端；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端、静态均压电阻R2的负端、功率模块输出端口8的负极；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述分布式电感L的正端接于功率模块输出端口8的正极；所述通流二极管D3的阳极接于分布式电感L的负端；所述旁路开关K接于分布式电感L的负端与功率模块输出端口8的负极之间。
实施例18
参照图1，一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，耗能装置由级联的分布式子模块和集中式电感串联组成。本实施例中的分布式子模块拓扑为实施例1、实施例2、实施例3、
实施例4、实施例5、实施例10、实施例11、实施例12或实施例13所述的分布式子模块拓扑。
实施例19
参照图2，一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，将耗能装置中的电感平均分配到每个分布式子模块中。本实施例中的分布式子模块拓扑为实施例6、实施例7、实施例8、实施例9、实施例14、实施例15、实施例16或实施例17所述的分布式子模块拓扑。
本发明提供了一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置模块拓扑，用于解决交流系统故障时，直流功率盈余导致直流侧产生直流过电压的问题，每个模块主要由旁路开关、二极管、电容器、全控型电力电子开关器件及其反并联二极管、功率电阻器构成，旁路开关并联在模块输出端口两端，直流电容的正极接模块输出端口的高压端，直流电容的负极二极管的阳极，全控型电力电子器件的集电极接模块输出端口高压端，全控型电力电子器件的发射机接功率电阻器的一端，功率电阻器的另一端接直流电容的负极，直流电容负极与二极管阳极连接，二极管阴极与模块输出端口低压端连接。多个这样的模块串联后可以构成大功率的耗能装置，用于消耗柔性直流输电系统直流侧盈余功率。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (7)

1.一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，其特征在于，包括多个级联的分布式子模块，所述分布式子模块包括直流电容C、全控型开关器件T、耗能电阻R1、反并联二极管D1以及通流二极管D3；
所述直流电容C的正极接于全控型开关器件T的集电极、反并联二极管D1的阴极、功率模块输出端口的正极；所述直流电容C的负极接于耗能电阻R1的负端；所述耗能电阻R1的正端接于全控型开关器件T的发射极、反并联二极管D1的阳极；所述通流二极管D3连接于直流电容C和功率模块输出端口之间。
2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，其特征在于，所述分布式子模块的输出端口并联有旁路开关K。
3.根据权利要求2所述的一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，其特征在于，所述分布式子模块的输出端口的正极和分布式电感的第一端连接，分布式电感L的第二端与旁路开关一端连接。
4.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，其特征在于，所述耗能电阻R1两端并联有反并联二极管D2。
5.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，其特征在于，所述直流电容C两端并联有静态均压电阻R2。
6.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，其特征在于，所述通流二极管D3的阴极和直流电容C的正极连接，通流二极管D3的阳极和分布式子模块的输出端口的正极连接。
7.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，其特征在于，所述通流二极管D3的阳极和直流电容C的负极连接，通流二极管D3的阴极和分布式子模块的输出端口的负极连接。
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CN111880033A (zh) * 2020-07-30 2020-11-03 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司天生桥局 一种柔性直流功率模块测试设备及方法
CN112290526A (zh) * 2020-09-18 2021-01-29 清华大学 一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器

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