CN112054495A - 一种用于直流系统的能量吸收电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于直流系统的能量吸收电路及其控制方法，能量吸收电路连接在直流系统的正极直流母线和负极直流母线之间，包括串联的电抗器和多个子模块；子模块包括多个二极管以及与二极管连接的直流均压和耗能电路；本发明通过设置电抗器，大大降低了能量吸收电路在充电过程中暂态电气应力，减小了装置的损坏概率，降低子模块串的电气设计裕度，成本低，且通过不控整流电路使得能量吸收电路能够承受正负极母线电压反转，在直流极母线电压反转等工况下，不会造成正负极极母线之间短路，在子模块发生故障时，闭合故障子模块的机械开关将故障子模块旁路，提高了直流系统的运行可靠性。

Description

一种用于直流系统的能量吸收电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流输配电技术领域，具体涉及一种用于直流系统的能量吸收电路及其控制方法。

背景技术

当今输配电技术主要由两种方式组成，即交流输配电和直流输配电。当前，交流输配电技术仍然占据着主导地位。但是，在高电压、长距离、大容量输电以及交流电网互联等应用场景下，交流输电系统具有电力走廊宽、缺乏稳定性以及容量受限等缺点，采用电缆供电还存在无功补偿容量大、电压控制困难的问题；在给直流负荷供电场景下，交流配电方式存在变换层级多、效率低等不足。与交流输电相比，直流输电在远距离输电中具有投资少，运行损耗低等优势，采用柔性直流输电方式无需专设无功补偿设备，非常适合于海上及陆上风电场并网、电网互联、孤岛与弱电网供电、城市供电。

直流输电系统主要分为基于电网换相的直流输电系统(LCC)、基于电压源换流器的柔性直流输电系统(VSC)和基于LCC和VSC的混合直流输电系统。当交流系统故障时，直流系统可能会出现过电压，严重危及设备及电网安全，需要采取措施快速可控吸收直流系统过电压能量。

现有的分布式直流系统能量吸收装置中功率器件/模块和吸收电阻均分散布置，IGBT/IGCT阀每桥臂由多个子模块(SM)串联构成，各子模块可独立控制。每个子模块对应一个单独的吸收电阻，当子模块中的IGBT导通时，该子模块电阻投入并消耗有功功率。通过控制投入的子模块数目，即可连续调节吸收电路所消耗的功率，实现相对平滑的工作特性，易于适应各种不同程度的故障，同时也可以避免开关器件的直接串联。子模块数目越多，功率调节特性越平滑。但是现有的分布式直流系统能量吸收装置在充电过程中暂态电气应力较大，导致装置易损坏。

发明内容

为了克服上述现有技术中暂态电气应力大易导致装置损坏的不足，本发明提供一种用于直流系统的能量吸收电路，其连接在直流系统的正极直流母线和负极直流母线之间，包括串联的电抗器和多个子模块；

子模块包括多个二极管以及与二极管连接的直流均压和耗能电路；

所述多个二极管用于将直流系统的正极性电压或负极性电压整流为正极性电压；

所述直流均压和耗能电路用于对子模块进行均压和能量耗散；

所述电抗器用于抑制能量吸收电路的充电浪涌电流。

所述多个子模块包括二极管(1)、二极管(2)、二极管(3)和二极管(4)；

所述直流均压和耗能电路包括储能电容(5)、可关断器件(6)、吸收电阻(7)和取能单元；

所述二极管(1)的正极和二极管(2)的负极连接，作为子模块的第一端口，所述二极管(3)的正极和二极管(4)的负极连接，作为子模块的第二端口，所述二极管(1)和二极管(3)各自的负极均连接公共点A，所述二极管(2)和二极管(4)各自的正极均连接公共点B，所述储能电容(5)两端分别连接公共点A和公共点B，所述可关断器件(6)和吸收电阻(7)串联后，连接于公共点A和公共点B之间；

所述取能单元与储能电容(5)连接，用于从储能电容(5)获取电能。

所述电抗器为1个或两个。

所述电抗器为1个且所述能量吸收电路接入单向偏置直流系统时，所述正极直流母线或负极直流母线接地。

所述电抗器为2个、两个电抗器的感值相等且所述能量吸收电路接入对称单极直流系统或真双极直流系统时，两个电抗器均与多个子模块串联，且所述能量吸收电路的中点位置接地。

所述子模块还包括均压电阻(8)；

所述均压电阻(8)两端分别连接公共点A和公共点B，用于实现各个子模块的电容均压。

所述子模块还包括二极管(9)；

所述二极管(9)与吸收电阻(7)并联，且其阳极连接公共点B，用于降低可关断器件(6)的关断浪涌电压。

所述子模块还包括机械开关(10)；

所述机械开关(10)两端分别连接第一端口和第二端口，用于在子模块发生故障时将子模块旁路。

所述子模块还包括：

电压传感器，安装于公共点A和公共点B之间，用于测量储能电容(5)的端电压。

所述子模块还包括：

控制保护单元，与取能单元、电压传感器和驱动单元连接，用于基于取能单元获取的电能工作，并基于储能电容(5)的端电压下发控制命令给驱动单元；控制保护单元还与机械开关(10)连接，用于在子模块发生故障时控制机械开关(10)闭合；

驱动单元，与可关断器件(6)连接，用于基于所述控制命令驱动可关断器件(6)导通或关断。

另一方面，本发明还提供一种用于直流系统的能量吸收电路的控制方法，包括：

当直流系统的电压未超过预设阈值时，所述直流系统通过各个子模块的多个二极管将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压后给子模块的直流均压和耗能电路充电；

利用子模块的直流均压和耗能电路对子模块进行均压，同时耗散子模块充电过程中的多余能量，并在耗散子模块充电过程中利用所述电抗器抑制能量吸收电路的充电浪涌电流。

所述直流系统通过各个子模块的多个二极管将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压后给子模块的直流均压和耗能电路充电，包括：

所述直流系统通过各个子模块的二极管(1)、二极管(2)、二极管(3)和二极管(4)将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压；

所述直流系统通过正极性电压为直流均压和耗能电路的储能电容(5)充电。

所述利用子模块的直流均压和耗能电路对子模块进行均压，同时耗散子模块充电过程中的多余能量，包括：

通过储能电容(5)对子模块进行均压，同时通过直流均压和耗能电路的可关断器件(6)和吸收电阻(7)的耗散子模块充电过程中的多余能量。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的用于直流系统的能量吸收电路连接在直流系统的正极直流母线和负极直流母线之间，包括串联的电抗器和多个子模块；子模块包括多个二极管以及与二极管连接的直流均压和耗能电路；多个二极管用于将直流系统的正极性电压或负极性电压整流为正极性电压；直流均压和耗能电路用于对子模块进行均压和能量耗散；电抗器用于抑制能量吸收电路的充电浪涌电流，通过设置电抗器，大大降低了能量吸收电路在充电过程中暂态电气应力，减小了装置的损坏概率；

本发明提供的能量吸收电路降低子模块串的电气设计裕度，成本低；

本发明中的二极管(1)、二极管(2)、二极管(3)、二极管(4)构成不控整流电路，通过不控整流电路使得能量吸收电路能够承受正负极母线电压反转，在直流极母线电压反转等工况下，不会造成正负极极母线之间短路，有利于直流系统的快速恢复；

本发明中的电抗器可有效抑制电流突变，抑制能量吸收电路在充电过程中承受的暂态电气应力；

本发明通过均压电阻实现各子模块均压，避免了可关断器件串联，可关断器件承受电气应力小；

本发明中各子模块采用可关断器件放电，吸收电阻两端并联二极管，当可关断器件关断时，吸收电阻的等效电感上的电流可通过二极管续流，降低了可关断器件承受的浪涌电压电气应力；

本发明提供的能量吸收电路在子模块发生故障时，闭合故障子模块的机械开关将故障子模块旁路，提高了直流系统的运行可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例中用于直流系统的能量吸收电路结构图；

图2是本发明实施例中一个电抗器与多个子模块串联示意图；

图3是本发明实施例中两个电抗器与多个子模块串联示意图；

图4是本发明实施例中用于直流系统的能量吸收电路具体结构图；

图5是本发明实施例中用于直流系统的能量吸收电路的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种用于直流系统的能量吸收电路，如图1所示，能量吸收电路连接在直流系统的正极直流母线和负极直流母线之间，包括串联的电抗器和多个子模块(SM)；多个子模块串联形成子模块串，电抗器可以串联在子模块串中间任意位置，可以串联在子模块串与正极直流母线之间，也可以串联在子模块串与负极直流母线之间，还可以串联在子模块中间任意位置。

子模块包括多个二极管以及与二极管连接的直流均压和耗能电路；

多个二极管用于将直流系统的正极性电压或负极性电压整流为正极性电压；

直流均压和耗能电路用于对子模块进行均压和能量耗散；

电抗器用于抑制能量吸收电路的充电浪涌电流。

多个二极管包括二极管1、二极管2、二极管3、二极管4；

直流均压和耗能电路包括储能电容5、可关断器件6、吸收电阻7和取能单元；

二极管1的正极和二极管2的负极连接，作为子模块的第一端口，二极管3的正极和二极管4的负极连接，作为子模块的第二端口，二极管1和二极管3各自的负极均连接公共点A，二极管2和二极管4各自的正极均连接公共点B，储能电容5两端分别连接公共点A和公共点B，可关断器件6和吸收电阻7串联后，连接于公共点A和公共点B之间；吸收电阻7用于吸收能量，且采用PWM方式吸收能量。

取能单元与储能电容5连接，用于从储能电容5获取电能。

电抗器为1个或两个，不论是电抗器设置1个还是两个，电抗器只要和多个子模块以串联形式连接即可。本发明实施例1中，如图2所示，电抗器为1个时，多个子模块串联形成子模块串，子模块串一端通过该电抗器与直流系统的正极直流母线连接，另一端与直流系统的负极直流母线连接，即该电抗器设置在子模块串与正极直流母线之间。如图3所示，电抗器为2个时，多个子模块串联形成子模块串，子模块串一端通过其中一个电抗器与直流系统的正极直流母线连接，另一端通过其中另一个电抗器与直流系统的负极直流母线连接，即其中一个电抗器设置在子模块串与正极直流母线之间，另一个电抗器设置在子模块串与负极直流母线之间。

电抗器为1个且能量吸收电路接入单向偏置直流系统时，正极直流母线或负极直流母线接地。

电抗器为2个、两个电抗器的感值相等且能量吸收电路接入对称单极直流系统或真双极直流系统时，两个电抗器均与多个子模块串联，且能量吸收电路的中点位置接地。

如图4所示，本发明实施例1中的子模块还包括均压电阻8；

均压电阻8两端分别连接公共点A和公共点B，用于实现各个子模块的电容均压。

本发明实施例1中的子模块还包括二极管9；

二极管9与吸收电阻7并联，且其阳极连接公共点B，用于降低可关断器件6的关断浪涌电压。

本发明实施例1中的子模块还包括机械开关10；

机械开关10两端分别连接第一端口和第二端口，用于在子模块发生故障时将子模块旁路。

子模块还包括：

电压传感器，安装于公共点A和公共点B之间，用于测量储能电容5的端电压。

子模块还包括：

控制保护单元，与取能单元、电压传感器和驱动单元连接，用于基于取能单元获取的电能工作，并基于储能电容5的端电压下发控制命令给驱动单元；控制保护单元还与机械开关10连接，用于在子模块发生故障时控制机械开关10闭合；

驱动单元，与可关断器件6连接，用于基于控制命令驱动可关断器件6导通或关断。

实施例1

本发明实施例1提供了一种用于直流系统的能量吸收电路的控制方法，如图5所示，具体过程如下：

S101：当直流系统的电压未超过预设阈值时，直流系统通过各个子模块的多个二极管将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压后给子模块的直流均压和耗能电路充电；

S102：利用子模块的直流均压和耗能电路对子模块进行均压，同时耗散子模块充电过程中的多余能量，并在耗散子模块充电过程中利用电抗器抑制能量吸收电路的充电浪涌电流。

直流系统通过各个子模块的多个二极管将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压后给子模块的直流均压和耗能电路充电，包括：

直流系统通过各个子模块的二极管1、二极管2、二极管3和二极管4将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压；

直流系统通过正极性电压为直流均压和耗能电路的储能电容5充电。

利用子模块的直流均压和耗能电路对子模块进行均压，同时耗散子模块充电过程中的多余能量，包括：

通过储能电容5对子模块进行均压，同时通过直流均压和耗能电路的可关断器件6和吸收电阻7的耗散子模块充电过程中的多余能量。

为了描述的方便，以上装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以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参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，其连接在直流系统的正极直流母线和负极直流母线之间，包括串联的电抗器和多个子模块；

所述子模块包括多个二极管以及与二极管连接的直流均压和耗能电路；

所述多个二极管用于将直流系统的正极性电压或负极性电压整流为正极性电压；

所述直流均压和耗能电路用于对子模块进行均压和能量耗散；

所述电抗器用于抑制能量吸收电路的充电浪涌电流。

2.根据权利要求1所述的用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述多个二极管包括二极管(1)、二极管(2)、二极管(3)和二极管(4)；

所述直流均压和耗能电路包括储能电容(5)、可关断器件(6)、吸收电阻(7)和取能单元；

所述二极管(1)的正极和二极管(2)的负极连接，作为子模块的第一端口，所述二极管(3)的正极和二极管(4)的负极连接，作为子模块的第二端口，所述二极管(1)和二极管(3)各自的负极均连接公共点A，所述二极管(2)和二极管(4)各自的正极均连接公共点B，所述储能电容(5)两端分别连接公共点A和公共点B，所述可关断器件(6)和吸收电阻(7)串联后，连接于公共点A和公共点B之间；

所述取能单元与储能电容(5)连接，用于从储能电容(5)获取电能。

3.根据权利要求1所述的用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述电抗器为1个或两个。

4.根据权利要求3所述的用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述电抗器为1个且所述能量吸收电路接入单向偏置直流系统时，所述正极直流母线或负极直流母线接地。

5.根据权利要求3所述的用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述电抗器为2个、两个电抗器的感值相等且所述能量吸收电路接入对称单极直流系统或真双极直流系统时，两个电抗器均与多个子模块串联，且所述能量吸收电路的中点位置接地。

6.根据权利要求2所述的用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述子模块还包括均压电阻(8)；

所述均压电阻(8)两端分别连接公共点A和公共点B，用于实现各个子模块的电容均压。

7.根据权利要求2所述的用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述子模块还包括二极管(9)；

所述二极管(9)与吸收电阻(7)并联，且其阳极连接公共点B，用于降低可关断器件(6)的关断浪涌电压。

8.根据权利要求2所述的用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述子模块还包括机械开关(10)；

所述机械开关(10)两端分别连接第一端口和第二端口，用于在子模块发生故障时将子模块旁路。

9.根据权利要求8用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述子模块还包括：

电压传感器，安装于公共点A和公共点B之间，用于测量储能电容(5)的端电压。

10.根据权利要求9的用于直流系统的能量吸收电路，其特征在于，所述子模块还包括：

控制保护单元，与取能单元、电压传感器和驱动单元连接，用于基于取能单元获取的电能工作，并基于储能电容(5)的端电压下发控制命令给驱动单元；控制保护单元还与机械开关(10)连接，用于在子模块发生故障时控制机械开关(10)闭合；

驱动单元，与可关断器件(6)连接，用于基于所述控制命令驱动可关断器件(6)导通或关断。

11.一种用于直流系统的能量吸收电路的控制方法，其特征在于，包括：

当直流系统的电压未超过预设阈值时，所述直流系统通过各个子模块的多个二极管将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压后给子模块的直流均压和耗能电路充电；

利用子模块的直流均压和耗能电路对子模块进行均压，同时耗散子模块充电过程中的多余能量，并在耗散子模块充电过程中利用所述电抗器抑制能量吸收电路的充电浪涌电流。

12.根据权利要求11的用于直流系统的能量吸收电路的控制方法，其特征在于，所述直流系统通过各个子模块的多个二极管将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压后给子模块的直流均压和耗能电路充电，包括：

所述直流系统通过各个子模块的二极管(1)、二极管(2)、二极管(3)和二极管(4)将正极性电压或负极性电压整流为正极性电压；

所述直流系统通过正极性电压为直流均压和耗能电路的储能电容(5)充电。

13.根据权利要求11的用于直流系统的能量吸收电路的控制方法，其特征在于，所述利用子模块的直流均压和耗能电路对子模块进行均压，同时耗散子模块充电过程中的多余能量，包括：

通过储能电容(5)对子模块进行均压，同时通过直流均压和耗能电路的可关断器件(6)和吸收电阻(7)的耗散子模块充电过程中的多余能量。

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