CN112311214B - 自泄能装置、换流链系统、换流器及控制方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供自泄能装置、换流链系统、换流器及控制方法、设备及介质。所述自泄能装置包括：直流电容；第一功率半导体开关器件，集电极与所述直流电容的正极连接；第二功率半导体开关器件，发射极与所述直流电容的负极连接，集电极与所述第一功率半导体开关器件的发射极连接，作为所述自泄能装置的正端；第一自泄能单元，包括串联连接的第三功率半导体开关器件、与第一电阻或第一电感，所述第一自泄能单元的连接方式包括：连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的正端之间，或者连接在所述自泄能装置的正端与所述直流电容的负极之间。

Description

自泄能装置、换流链系统、换流器及控制方法、设备及介质

技术领域

本申请涉及大功率电力电子变流技术领域，具体涉及自泄能装置、换流链系统、换流器及控制方法、设备及介质。

背景技术

电压源型换流器技术是一种以可关断器件IGBT(绝缘栅双极晶体管)和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型换流技术。在低压应用场合，由IGBT构成的两电平换流器得到了广泛的应用，为解决其换流器输出电压高频跃变带来设备dv/dt应力大、系统损耗大、噪声高和电磁环境严酷等问题，提出了三电平电压源换流器，在电压等级和容量上扩展了电压源型换流器的应用场合。

随着模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的出现，多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用，电压等级达到数百千伏，容量达到数千兆。

电压源型换流器由大量子模块串联而成，当子模块发生故障时，子模块承受的直流电压升高，如果不能够快速将子模块上的能量释放掉，可能造成子模块损坏，故障的子模块如果无法在交流侧旁路，事故将进一步扩大，甚至会造成整个换流器损坏。除了子模块自身故障造成直流电压升高，还有其他因素造成直流侧能量的积累，导致直流电压升高。如当换流器的能量无法在交流侧送出时，也会在直流侧积累能量，因此子模块的过电压保护以及能量的释放至关重要。

现有技术中，通常将由功率半导体开关器件与电阻构成的过压保护电路放置在直流侧，放置直流侧的缺陷在于以下几点。

因为直流没有过零点，因此，放在直流侧必须使用全控型功率半导体开关器件，否则泄能电路无法有效关断，而全控型功率半导体开关器件与半控型器件晶闸管相比成本更高，且承受过电压、过电流能力差。

直流侧的过压保护电路无法保护子模块交流侧的故障，保护的范围受限。

直流侧的过压保护电路无法将子模块旁路，会导致故障范围扩大，需要额外增加交流旁路开关或其他旁路设备。

发明内容

为了解决上述问题的至少一个，本申请实施例提供一种自泄能装置，具有正端和负端，所述自泄能装置包括直流电容、第一功率半导体开关器件、第二功率半导体开关器件、第一自泄能单元，所述第一功率半导体开关器件包括第一集电极和第一发射极，所述第一集电极与所述直流电容的正极连接；所述第二功率半导体开关器件包括第二集电极和第二发射极，所述第二发射极与所述直流电容的负极连接，所述第二集电极与所述第一发射极连接，作为所述自泄能装置的正端；所述第一自泄能单元包括串联连接的第三功率半导体开关器件以及第一电阻或第一电感，所述第一自泄能单元的连接方式包括：连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的正端之间以构成交流侧；或者连接在所述自泄能装置的正端与所述直流电容的负极之间以构成交流侧。作为本申请的一个方面，所述自泄能装置还包括第四功率半导体开关器件、第五功率半导体开关器件，所述第四功率半导体开关器件包括第四集电极和第四发射极，所述第四集电极与所述第一集电极连接；所述第五发射极与所述第二发射极连接，所述第五功率半导体开关器件包括第五集电极和第五发射极，所述第五集电极与所述第四发射极连接，作为所述自泄能装置的负端。

作为本申请的一个方面，所述第一自泄能单元的连接方式还包括：

连接在所述自泄能装置的正端与所述自泄能装置的负端之间以构成交流侧；或者

连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的负端之间以构成交流侧；或者

连接在所述自泄能装置的负端与所述直流电容的负极之间以构成交流侧。

作为本申请的一个方面，所述自泄能装置，还包括第二自泄能单元，所述第二自泄能单元包括串联连接的第六功率半导体开关器件以及第二电阻或第二电感；其中，所述第二自泄能单元的连接方式包括：当所述第一自泄能单元连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的正端之间时，所述第二自泄能单元连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的负端之间；当所述第一自泄能单元连接在所述自泄能装置的正端与所述直流电容的负极之间时，所述第二自泄能单元连接在所述自泄能装置的负端与所述直流电容的负极之间。

作为本申请可选择的一个方案，所述第三功率半导体开关器件为晶闸管。

作为本申请可选择的一个方案，所述第三功率半导体开关器件为具有双向稳压管特性的双向晶闸管。

作为本申请可选择的一个方案，所述第三功率半导体开关器件为全控型功率半导体开关器件。

作为本申请的一个方面，所述自泄能模块还包括具有双向稳压管特性的双向晶闸管，与所述第一自泄能单元并联连接。

作为本申请的一个方面，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值范围为0.01Ω～10Ω。

作为本申请的一个方面，所述第一电阻和所述第二电阻为片状电阻片，其中，所述第一电阻与所述第三功率半导体开关器件在结构上压接在一起，所述第二电阻与所述第六功率半导体开关器件在结构上压接在一起。

本申请实施例还提供一种基于自泄能装置的换流链系统，包括串联连接的至少两个上述所述的自泄能装置。

本申请实施例还提供一种基于自泄能装置的换流器，其中，所述换流器为三相换流器，每一相均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂的中间连接点为所述换流器交流输入的一相，所述每一相的上桥臂正端相连构成直流正极，所述每一相的下桥臂负端相连构成直流负极，每个所述上桥臂和下桥臂均包括依次串联连接的至少两个上述所述的自泄能装置。

本申请实施例还提供一种自泄能装置的控制方法，包括：通过第一自泄能指令，控制所述自泄能装置的第一自泄能单元的第三功率半导体开关器件导通，并控制所述自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通；通过第一关断自泄能指令，控制所述自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及所述直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，随后控制所述第三功率半导体开关器件关断。

作为本申请的一个方面，当所述自泄能装置承受电压超过第一阈值电压时，所述第三功率半导体开关器件被动击穿。

本申请实施例还提供一种上述所述自泄能装置的控制方法，包括：通过第一自泄能指令，控制所述自泄能装置的第一自泄能单元的第三功率半导体开关器件导通，并控制所述自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通；通过第二自泄能指令，控制所述自泄能装置的第二自泄能单元的第六功率半导体开关器件导通，并控制与所述第二自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通；通过第一关断自泄能指令，控制所述自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及所述直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，随后控制所述第三功率半导体开关器件关断；通过第二关断自泄能指令，在关断与所述第一自泄能单元以及所述直流电容构成回路的功率半导体开关器件时，控制所述自泄能装置的与所述第二自泄能单元以及所述直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，再控制所述第六功率半导体开关器件关断。

本申请实施例还提供一种基于上述所述自泄能装置的换流器的控制方法，包括：响应于所述换流器进行泄能，在所述换流器的直流正极与直流负极之间的电压达到阈值电压范围之前，循环执行以下步骤：

发送自泄能指令控制所述换流器中选定的自泄能装置；

响应于所述选定的自泄能装置的直流电容的电压放电到第二阈值电压，发送关断自泄能指令控制所述选定的自泄能装置。

作为本申请的一个方面，响应于所述换流器发生故障或停运，控制所述自泄能装置的第一泄能单元中的第三功率半导体开关器件导通。

本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，当所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述所述的方法。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序,其中，当所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述所述的方法。

本申请实施例提供的技术方案，自泄能装置中的自泄能单元连接在交流侧，由于交流侧存在过零点，通过与功率半导体开关器件配合工作，控制流过自泄能单元的电流快速过零，完成直流侧过电压保护以及泄能，极大的提高了自泄能装置的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A是本申请第一实施例提供的自泄能装置的功能组成框图；

图1B是本申请第一实施例提供的自泄能装置的另一种连接方式示意图；

图2A是本申请第二实施例提供的自泄能装置的功能组成框图；

图2B是本申请第二实施例提供的自泄能装置的另一种连接方式示意图；

图2C是本申请第一实施例提供的自泄能装置的又一种连接方式示意图；

图2D是本申请第一实施例提供的自泄能装置的再一种连接方式示意图；

图2E是本申请第一实施例提供的自泄能装置的另再一种连接方式示意图；

图3A是本申请第三实施例提供的自泄能装置的功能组成框图；

图3B是本申请第三实施例提供的自泄能装置的另一种连接方式示意图；

图4是本申请第四实施例提供的自泄能装置的功能组成框图；

图5是本申请第五实施例提供的自泄能装置的功能组成框图；

图6A是本申请实施例提供的一种基于自泄能装置的换流链系统的功能组成框图；

图6B是本申请另一实施例提供的一种基于自泄能装置的换流链系统的功能组成框图；

图7是本申请实施例提供的一种基于自泄能装置的换流器的功能组成框图；

图8A是本申请实施例提供的一种自泄能装置的控制方法流程示意图；

图8B是本申请实施例提供的一种自泄能装置的控制方法流程示意图；

图9是本申请实施例的自泄能装置运行在泄能状态时的电流回路图；

图10是晶闸管的伏安特性曲线；

图11是本申请实施例提供的一种基于自泄能装置的换流器的控制方法流程示意图；

图12是本申请实施例的换流器故障或停运时的电流回路图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本申请技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。其只是包含了本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本申请的各种变化获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

图1A是本申请第一实施例提供的自泄能装置的功能组成框图，自泄能装置101包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第一自泄能单元11。第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1，在此也可以用电感代替第一电阻。

第一功率半导体开关器件P1包括第一集电极和第一发射极，第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2包括第二集电极和第二发射极，第二发射极与直流电容C的负极连接，第二集电极与第一发射极连接，作为自泄能装置10的正端。第一自泄能单元11连接在自泄能装置101的正端与直流电容C的负极之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的通断使直流电容C放电，进行泄能。自泄能装置101的正端和直流电容C的负极构成交流侧，自泄能装置101的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

图1B是本申请第一实施例提供的自泄能装置的另一种连接方式示意图，包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第一自泄能单元11。第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1，在此也可以用电感代替第一电阻R1。

第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置102的正端。第一自泄能单元11连接在直流电容C的正极与自泄能装置102的正端之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的导通和关断使直流电容C放电，进行泄能。直流电容C的正极与自泄能装置102的正端构成交流侧，自泄能装置102的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

第三功率半导体开关器件P3可以是晶闸管或全控型功率半导体开关器件，对此不作限制。选择晶闸管大大降低成本，且具有更高的电压和电流耐受能力。

本实施例提供的技术方案，自泄能装置中的自泄能单元连接在交流侧，由于交流侧存在过零点，通过与功率半导体开关器件配合工作，控制流过自泄能单元的电流快速过零，完成直流侧过电压保护以及泄能，极大的提高了自泄能装置的可靠性。

图2A是本申请第二实施例提供的自泄能装置的功能组成框图，自泄能装置201包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第四功率半导体开关器件P4、第五功率半导体开关器件P5、第一自泄能单元11。

第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1，在此也可以用电感代替第一电阻R1。

第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2同向串联连接构成第一桥臂。第四功率半导体开关器件P4、第二功率半导体开关器件P5同向串联连接构成第二桥臂。第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置201的正端。第四功率半导体开关器件P4包括第四集电极和第四发射极，第四集电极与第一集电极连接。第五功率半导体开关器件P5包括第五集电极和第五发射极，第五发射极与第二发射极连接，第五集电极与第四发射极连接，作为自泄能装置的负端。

第一自泄能单元11连接在自泄能装置201的正端与自泄能装置201的负端之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的导通和关断使直流电容C放电，进行泄能。自泄能装置201的正端和自泄能装置201的负端构成交流侧，自泄能装置201的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

图2B是本申请第二实施例提供的自泄能装置的另一种连接方式示意图，自泄能装置202包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第四功率半导体开关器件P4、第五功率半导体开关器件P5、第一自泄能单元11。

第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1，在此也可以用电感代替第一电阻R1。

第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2同向串联连接构成第一桥臂。第四功率半导体开关器件P4、第二功率半导体开关器件P5同向串联连接构成第二桥臂。第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置202的正端。第四功率半导体开关器件P4的第四集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一集电极连接。第五功率半导体开关器件P5的第五发射极与第二功率半导体开关器件P2的第二发射极连接，第五功率半导体开关器件P5的第五集电极与第四功率半导体开关器件P4的第四发射极连接，作为自泄能装置202的负端。

第一自泄能单元11连接在直流电容C的正极与自泄能装置202的正端之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的导通和关断使直流电容C放电，进行泄能。直流电容C的正极与自泄能装置202的正端构成交流侧，自泄能装置202的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

图2C是本申请第二实施例提供的自泄能装置的又一种连接方式示意图，自泄能装置203包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第四功率半导体开关器件P4、第五功率半导体开关器件P5、第一自泄能单元11。

第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1，在此也可以用电感代替第一电阻R1。

第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2同向串联连接构成第一桥臂。第四功率半导体开关器件P4、第二功率半导体开关器件P5同向串联连接构成第二桥臂。第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置203的正端。第四功率半导体开关器件P4的第四集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一集电极连接。第五功率半导体开关器件P5的第五发射极与第二功率半导体开关器件P2的第二发射极连接，第五功率半导体开关器件P5的第五集电极与第四功率半导体开关器件P4的第四发射极连接，作为自泄能装置203的负端。

第一自泄能单元11连在直流电容C的正极与自泄能装置203的负端之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的导通和关断使直流电容C放电，进行泄能。直流电容C的正极与自泄能装置203的负端构成交流侧，自泄能装置203的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

图2D是本申请第二实施例提供的自泄能装置的再一种连接方式示意图，自泄能装置204包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第四功率半导体开关器件P4、第五功率半导体开关器件P5、第一自泄能单元11。

第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1，在此也可以用电感代替第一电阻R1。

第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2同向串联连接构成第一桥臂。第四功率半导体开关器件P4、第二功率半导体开关器件P5同向串联连接构成第二桥臂。第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置204的正端。第四功率半导体开关器件P4的第四集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一集电极连接。第五功率半导体开关器件P5的第五发射极与第二功率半导体开关器件P2的第二发射极连接，第五功率半导体开关器件P5的第五集电极与第四功率半导体开关器件P4的第四发射极连接，作为自泄能装置204的负端。

第一自泄能单元11连在自泄能装置204的正端与直流电容C的负极之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的导通和关断使直流电容C放电，进行泄能。自泄能装置204的正端与直流电容C的负极构成交流侧，自泄能装置204的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

图2E是本申请第二实施例提供的自泄能装置的另再一种连接方式示意图，自泄能装置205包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第四功率半导体开关器件P4、第五功率半导体开关器件P5、第一自泄能单元11。

第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1，在此也可以用电感代替第一电阻R1。

第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2同向串联连接构成第一桥臂。第四功率半导体开关器件P4、第二功率半导体开关器件P5同向串联连接构成第二桥臂。

第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置205的正端。第四功率半导体开关器件P4的第四集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一集电极连接。第五功率半导体开关器件P5的第五发射极与第二功率半导体开关器件P2的第二发射极连接，第五功率半导体开关器件P5的第五集电极与第四功率半导体开关器件P4的第四发射极连接，作为自泄能装置205的负端。

第一自泄能单元11连接在自泄能装置205的负端与直流电容C的负极之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的导通和关断使直流电容C放电，进行泄能。自泄能装置205的负端与直流电容C的负极构成交流侧，自泄能装置205的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

本实施例提供的技术方案，自泄能装置中的自泄能单元连接在交流侧，由于交流侧存在过零点，通过与功率半导体开关器件配合工作，控制流过自泄能单元的电流快速过零，完成直流侧过电压保护以及泄能，同时可以与模块中其他功率半导体开关器件的配合，与直流电容构成泄能回路，耗散直流电容上积累的能量，泄能方式灵活，极大的提高了自泄能装置的可靠性。

图3A是本申请第三实施例提供的自泄能装置的功能组成框图，自泄能装置301包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第四功率半导体开关器件P4、第五功率半导体开关器件P5、第一自泄能单元11、第二自泄能单元21。

第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1。第二自泄能单元21包括串联连接的第六功率半导体开关器件P6、与第二电阻R2。在此也可以用电感代替第一电阻R1和/或第二电阻R2。

第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2同向串联连接构成第一桥臂。第四功率半导体开关器件P4、第二功率半导体开关器件P5同向串联连接构成第二桥臂。

第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置301的正端。第四功率半导体开关器件P4的第四集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一集电极连接。第五功率半导体开关器件P5的第五发射极与第二功率半导体开关器件P2的第二发射极连接，第五功率半导体开关器件P5的第五集电极与第四功率半导体开关器件P4的第四发射极连接，作为自泄能装置301的负端。

第一自泄能单元11连接在直流电容C的正极与自泄能装置301的正端之间。第二自泄能单元21连接在直流电容C的正极与自泄能装置301的负端之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的导通和关断使直流电容C放电，进行泄能。自泄能装置301的负端与直流电容C的负极构成交流侧，自泄能装置301的第一自泄能单元11连接在该交流侧。第二自泄能单元21连接在直流电容C的正极与自泄能装置301的负端构成的交流侧之间。

图3B是本申请第三实施例提供的自泄能装置的另一种连接方式示意图。自泄能装置302包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第四功率半导体开关器件P4、第五功率半导体开关器件P5、第一自泄能单元11、第二自泄能单元21。

第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1。第二自泄能单元，包括串联连接的第六功率半导体开关器件P6、与第二电阻R2。在此也可以用电感代替第一电阻R1和/或第二电阻R2。

第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2同向串联连接构成第一桥臂。第四功率半导体开关器件P4、第二功率半导体开关器件P5同向串联连接构成第二桥臂。

第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置302的正端。第四功率半导体开关器件P4的第四集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一集电极连接。第五功率半导体开关器件P5的第五发射极与第二功率半导体开关器件P2的第二发射极连接，第五功率半导体开关器件P5的第五集电极与第四功率半导体开关器件P4的第四发射极连接，作为自泄能装置302的负端。

第一自泄能单元11连接在自泄能装置302的正端与直流电容C的负极之间。第二自泄能单元21连接在自泄能装置302的负端与直流电容的负极之间。

通过控制回路中的功率半导体器件的通断使直流电容C放电，进行泄能。自泄能装置302的正端与直流电容C的负极构成交流侧，自泄能装置302的第一自泄能单元11连接在该交流侧、第二自泄能单元21连接在自泄能装置302的负端与直流电容C的负极构成的交流侧。

本实施例提供的技术方案，自泄能装置中的自泄能单元连接在交流侧，由于交流侧存在过零点，通过与功率半导体开关器件配合工作，控制流过自泄能单元的电流快速过零，完成直流侧过电压保护以及泄能，由于采用了两个泄能单元，协同工作，加速耗散直流侧的能量，尤其应用在海底电缆中，由于海底电缆寄生电容大，系统停运后支流电缆上还残留直流电压，加速耗散能量实现快速放电，极大的提高了自泄能装置的可靠性。

图4是本申请第四实施例提供的自泄能装置的功能组成框图。自泄能装置103包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第一自泄能单元11。第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1，在此也可以用电感代替第一电阻R1。

第一功率半导体开关器件P1的集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的集电极与第一功率半导体开关器件P1的发射极连接，作为自泄能装置103的正端。

第一自泄能单元11连接在自泄能装置103的正端与直流电容C的负极之间。第三功率半导体开关器件P3为具有双向稳压管特性的双向晶闸管。第三功率半导体开关器件P3还可以是晶闸管或全控型功率半导体开关器件，对此不作限制。选择晶闸管大大降低成本，且具有更高的电压和电流耐受能力。

通过控制回路中的功率半导体器件的通断使直流电容C放电，进行泄能。自泄能装置103的正端和直流电容C的负极构成交流侧，自泄能装置103的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

本实施例提供的技术方案，自泄能装置中的自泄能单元连接在交流侧，由于交流侧存在过零点，通过与功率半导体开关器件配合工作，控制流过自泄能单元的电流快速过零，完成直流侧过电压保护以及泄能，同时，自泄能单元的功率半导体开关器件选择具有双向击穿特性的双向晶闸管，当自泄能装置承受过压时，无需施加任何控制，自动击穿双向晶闸管，将自泄能装置旁路，可以起到旁路保护的作用，极大的提高了自泄能装置的可靠性。

图5是本申请第五实施例提供的自泄能装置的功能组成框图。自泄能装置104包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第一自泄能单元11。第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1或电感L1。第一自泄能单元还并联连接一个具有双向稳压管特性的双向晶闸管P7。

第一功率半导体开关器件P1的第一集电极与直流电容C的正极连接。第二功率半导体开关器件P2的第二发射极与直流电容C的负极连接，第二功率半导体开关器件P2的第二集电极与第一功率半导体开关器件P1的第一发射极连接，作为自泄能装置104的正端。

第一自泄能单元11连接在自泄能装置104的正端与直流电容C的负极之间。第三功率半导体开关器件P3为具有双向稳压管特性的双向晶闸管。第三功率半导体开关器件P3还可以是晶闸管或全控型功率半导体开关器件，对此不作限制。

通过控制回路中的功率半导体器件的通断使直流电容C放电，进行泄能。自泄能装置104的正端和直流电容C的负极构成交流侧，自泄能装置104的第一自泄能单元11连接在该交流侧。

本实施例提供的技术方案，自泄能装置中的自泄能单元连接在交流侧，由于交流侧存在过零点，通过与功率半导体开关器件配合工作，控制流过自泄能单元的电流快速过零，完成直流侧过电压保护以及泄能，同时，当发生短路故障时，由于并联双向晶闸管的存在，提供了故障电流的寄生通道，自泄能单元连接在交流侧，可以限制故障电流，保护模块中的功率器件，极大的提高了自泄能装置的可靠性。

图6A是本申请实施例提供的一种基于自泄能装置的换流链系统的功能组成框图。换流链系统包括至少两个自泄能装置。

在本实施例中，换流链系统包括4个自泄能装置10，自泄能装置10可以是自泄能装置101、102、103、104的一种或一种以上。四个自泄能装置10串联连接，每个自泄能装置10的直流电容C的负极与下一个自泄能装置10的正端连接。

图6B是本申请另一实施例提供的一种基于自泄能装置的换流链系统的功能组成框图。换流链系统包括至少两个自泄能装置。

在本实施例中，换流链系统包括2个自泄能装置10、2个自泄能装置20。自泄能装置20可以是自泄能装置201、202、203、204、205、301、302的一种或一种以上。四个自泄能装置串联连接，每个自泄能装置的直流电容C的负极与下一个自泄能装置的正端连接。

本实施例提出的基于自泄能装置的换流链系统可以应用在高压直流输电系统，其中各个子模块的自泄能单元均在交流侧，在电气连接上是串联的关系，可以协同工作，共同作用在直流输电线路上：可耗散整个换流器直流侧的能量。例如，在直流输电线路中，海底电缆由于寄生电容大，系统停运后直流电缆上还残留直流电压，可以用本发明的换流器快速耗散能量，实现快速放电。

图7是本申请实施例提供的一种基于自泄能装置的换流器的功能组成框图。

如图7所示，换流器为三相换流器，每一相包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂的中间连接点为换流器交流输入的一相，三相分别定义为A相、B相、C相。每一相的上桥臂正端相连构成直流正极，每一相的下桥臂负端相连构成直流负极，每个上桥臂和下桥臂均包括至少两个依次串联连接的自泄能装置。每个桥臂中的自泄能装置可以相同，也可以不同。

本实施例提出的基于自泄能装置的换流器可以应用在高压直流输电系统，其中各个子模块的自泄能单元均在交流侧，在电气连接上是串联的关系，可以协同工作，共同作用在直流输电线路上：可耗散整个换流器直流侧的能量。例如，在直流输电线路中，海底电缆由于寄生电容大，系统停运后直流电缆上还残留直流电压，可以用本发明的换流器快速耗散能量，实现快速放电。

图8A是本申请实施例提供的一种自泄能装置的控制方法流程示意图，包括以下步骤。

在步骤S110中，通过第一自泄能指令，控制自泄能装置的第一自泄能单元的第三功率半导体开关器件导通，并控制自泄能装置中与第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通。

图9是本申请实施例的自泄能装置运行在泄能状态时的电流回路图。自泄能装置在泄能时的电流回路，如图9所示，自泄能装置10包括直流电容C、第一功率半导体开关器件P1、第二功率半导体开关器件P2、第一自泄能单元11。第一自泄能单元11包括串联连接的第三功率半导体开关器件P3、与第一电阻R1或电感L1。第一自泄能单元11还并联连接一个具有双向稳压管特性的双向晶闸管。

第一自泄能单元11与第一功率半导体开关器件P1以及直流电容C构成了回路。

在步骤S120中，通过第一关断自泄能指令，控制自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，随后控制所述第三功率半导体开关器件关断。如图9所示，先关断自泄能装置的与第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件，再关断第三功率半导体开关器件。

当自泄能装置的控制电路失效时，自泄能装置的电容电压会持续升高，当自泄能装置承受电压超过第一阈值电压时，第三功率半导体开关器件被动击穿。

在本实施例中，如果第三功率半导体开关器件选用晶闸管时，当晶闸管耐受电压超过转折电压后，流过晶闸管的电流迅速增大，利用热效应使得晶闸管击穿，被动击穿后，自泄能装置被旁路，起到了旁路保护的作用。图10是晶闸管的伏安特性曲线，如图10所示，为双向晶闸管的伏安特性曲线，在正反两个方向上承受电压超过转折电压均可以使晶闸管击穿。

图8B是本申请另一实施例提供的一种自泄能装置的控制方法流程示意图，包括以下步骤。

在步骤S210中，如图3A或图3B所示，通过第一自泄能指令，控制自泄能装置的第一自泄能单元的第三功率半导体开关器件导通，并控制自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通，通过第二自泄能指令，控制自泄能装置的第二自泄能单元的第六功率半导体开关器件导通，并控制与第二自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通。

在步骤S220中，通过第一关断自泄能指令，控制自泄能装置中与第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，随后控制第三功率半导体开关器件关断，通过第二关断自泄能指令，在关断与第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件时，控制自泄能装置的与第二自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，再控制第六功率半导体开关器件关断。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，当程序被处理器执行时，使得处理器执行上述所述的方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序,当计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行上述所述的方法。

图11是本申请实施例提供的一种基于自泄能装置的换流器的控制方法流程示意图，响应于换流器进行泄能，在换流器的直流正极与直流负极之间的电压达到阈值电压范围之前，循环执行以下步骤。

在步骤S130中，发送自泄能指令控制换流器中选定的自泄能装置。

响应于所述选定的自泄能装置的直流电容的电压放电到第二阈值电压，发送关断自泄能指令控制所述选定的自泄能装置。

在步骤S140中，响应于选定的自泄能装置的直流电容的电压放电到第二阈值电压，发送关断自泄能指令控制选定的自泄能装置。

每次选定的自泄能装置可以不相同。该方法可应用于海缆放电的应用场景，但并不以此为限。

当换流器发生故障或停运时，控制自泄能装置的第一泄能单元中的第三功率半导体开关器件导通。

图12是本申请实施例的换流器故障或停运时的电流回路图。可应用于直流母线放电的应用场景。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本申请而非限制本申请的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (19)

1.一种自泄能装置，具有正端和负端，所述自泄能装置包括：

直流电容；

第一功率半导体开关器件，包括第一集电极和第一发射极，所述第一集电极与所述直流电容的正极连接；

第二功率半导体开关器件，包括第二集电极和第二发射极，所述第二发射极与所述直流电容的负极连接，所述第二集电极与所述第一发射极连接，作为所述自泄能装置的正端；第一自泄能单元，包括串联连接的第三功率半导体开关器件以及第一电阻或第一电感，所述第一自泄能单元的连接方式包括：连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的正端之间以构成交流侧；或者连接在所述自泄能装置的正端与所述直流电容的负极之间以构成交流侧。

2.根据权利要求1所述的自泄能装置，还包括：

第四功率半导体开关器件，包括第四集电极和第四发射极，所述第四集电极与所述第一集电极连接；

第五功率半导体开关器件，包括第五集电极和第五发射极，所述第五发射极与所述第二发射极连接，所述第五集电极与所述第四发射极连接，作为所述自泄能装置的负端。

3.根据权利要求2所述的自泄能装置，其中，所述第一自泄能单元的连接方式还包括：

连接在所述自泄能装置的正端与所述自泄能装置的负端之间以构成交流侧；或者

连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的负端之间以构成交流侧；或者

连接在所述自泄能装置的负端与所述直流电容的负极之间以构成交流侧。

4.根据权利要求2或3所述的自泄能装置，还包括：

第二自泄能单元，包括串联连接的第六功率半导体开关器件以及第二电阻或第二电感，其中，所述第二自泄能单元的连接方式包括：

当所述第一自泄能单元连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的正端之间时，所述第二自泄能单元连接在所述直流电容的正极与所述自泄能装置的负端之间；

当所述第一自泄能单元连接在所述自泄能装置的正端与所述直流电容的负极之间时，所述第二自泄能单元连接在所述自泄能装置的负端与所述直流电容的负极之间。

5.根据权利要求1所述的自泄能装置，其中，所述第三功率半导体开关器件为晶闸管。

6.根据权利要求1所述的自泄能装置，其中，所述第三功率半导体开关器件为具有双向稳压管特性的双向晶闸管。

7.根据权利要求1所述的自泄能装置，其中，所述第三功率半导体开关器件为全控型功率半导体开关器件。

8.根据权利要求1所述的自泄能装置，还包括：

具有双向稳压管特性的双向晶闸管，与所述第一自泄能单元并联连接。

9.根据权利要求4所述的自泄能装置，其中，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值范围为0.01Ω～10Ω。

10.根据权利要求4所述的自泄能装置，其中，所述第一电阻和所述第二电阻为片状电阻片，其中，所述第一电阻与所述第三功率半导体开关器件在结构上压接在一起，所述第二电阻与所述第六功率半导体开关器件在结构上压接在一起。

11.一种基于自泄能装置的换流链系统系统，包括：

串联连接的至少两个如权利要求1至10之任一项所述的自泄能装置。

12.一种基于自泄能装置的换流器，其中，所述换流器为三相换流器，每一相均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂的中间连接点为所述换流器交流输入的一相，所述每一相的上桥臂正端相连构成直流正极，所述每一相的下桥臂负端相连构成直流负极，每个所述上桥臂和下桥臂均包括依次串联连接的至少两个如权利要求1至10之任一项所述的自泄能装置。

13.一种如权利要求1至10之任一项所述的自泄能装置的控制方法，包括：

通过第一自泄能指令，控制所述自泄能装置的第一自泄能单元的第三功率半导体开关器件导通，并控制所述自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通；

通过第一关断自泄能指令，控制所述自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及所述直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，随后控制所述第三功率半导体开关器件关断。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，当所述自泄能装置承受电压超过第一阈值电压时，所述第三功率半导体开关器件被动击穿。

15.一种如权利要求4至10之任一项所述的自泄能装置的控制方法，包括：

通过第一自泄能指令，控制所述自泄能装置的第一自泄能单元的第三功率半导体开关器件导通，并控制所述自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通；

通过第二自泄能指令，控制所述自泄能装置的第二自泄能单元的第六功率半导体开关器件导通，并控制与所述第二自泄能单元以及直流电容构成回路的功率半导体开关器件导通；

通过第一关断自泄能指令，控制所述自泄能装置中与所述第一自泄能单元以及所述直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，随后控制所述第三功率半导体开关器件关断；

通过第二关断自泄能指令，在关断与所述第一自泄能单元以及所述直流电容构成回路的功率半导体开关器件时，控制所述自泄能装置的与所述第二自泄能单元以及所述直流电容构成回路的功率半导体开关器件关断，再控制所述第六功率半导体开关器件关断。

16.一种如权利要求12所述的换流器的控制方法，包括：

响应于所述换流器进行泄能，在所述换流器的直流正极与直流负极之间的电压达到阈值电压范围之前，循环执行以下步骤：

发送自泄能指令控制所述换流器中选定的自泄能装置；

响应于所述选定的自泄能装置的直流电容的电压放电到第二阈值电压，发送关断自泄能指令控制所述选定的自泄能装置。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，

响应于所述换流器发生故障或停运，控制所述自泄能装置的第一泄能单元中的第三功率半导体开关器件导通。

18.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，当所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求13至权利要求17之任一项所述的方法。

19.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序,其中，当所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求13至权利要求17之任一项所述的方法。

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