CN112421598B - 一种直流能量动态调节系统以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流能量动态调节系统，所述系统包括N个均压耗能模块同方向串联，所述系统还包括N个子模块控制单元以及主控制单元；所述M个子模块控制单元的通讯单元串联后与主控制单元的通讯单元连接，M≤N。本发明还包括所述系统的控制方法。本发明的系统和方法通过低成本的方式实现了直流能量动态调节系统的通讯组网，通过通讯配置冗余取代了设备本体冗余，提高了系统可靠性，整体方案性价比高。

Description

一种直流能量动态调节系统以及控制方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种直流能量动态调节系统及控制方法。

背景技术

在高压直流输电系统中，直流能量动态调节系统应用于高压直流耗能的应用场合，高压直流耗能主要应用于孤岛供电的应用场景，如果发电端为与风电类似的惯性电源，当受电端发生故障时，由于功率无法送出，将在直流侧累积能量，造成直流输电线路的电压升高，对设备的安全运行造成危害。

现有高压直流输电技术或者直流耗能技术均采用了模块化多电平的技术，系统中均包含大量的子模块以及功率半导体器件，为了确保控制和通讯的可靠性，控制系统通常采用多个层级，其中主控制器或阀控制器与子模块通讯时均采用点对点的方式，由于子模块的数量大，因此这种方式复杂度较高，成本很高，通讯延时也会增加，如果采用通讯组网的方式，即首尾相连的通讯方式可以很大程度降低通讯的成本，但无法采用首尾级联的组网通讯方式的一个主要原因是：子模块的控制单元均是通过本模块的直流电容或其他一次电路部分取能，一旦子模块发生故障，会将旁路开关闭合，子模块从一次电路中被旁路，子模块控制单元的通讯单元无法正常工作，这样整个通讯组网开环运行。当再次发生子模块旁路时，则两次故障之间的子模块必须强迫旁路，严重降低了系统的可靠性。

因此，在现有技术中由于无法解决上述问题，需要采用成本更高的点对点的通讯方式。但点对点方式引入了更多的通讯端口和通讯链路，故障概率上升。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种直流能量动态调节系统以及控制方法，本发明提出的系统和方法提出带电阻旁路的方式结合冗余的取能方式极大的提高了系统的冗余能力，可以通过低成本的级联方式实现了直流能量动态调节系统的闭环通讯组网，大大降低了系统复杂度以及成本。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

一种直流能量动态调节系统，所述系统包括N个均压耗能模块同方向串联，N为大于等于2的整数；其中所述均压耗能模块包括直流电容与耗能支路的并联连接，所述耗能支路由第一功率半导体器件与耗能电阻串联连接构成；其特征在于，所述均压耗能模块还包括旁路开关，所述旁路开关与第一功率半导体器件并联；所述系统还包括M个子模块控制单元以及主控制单元，M≤N；所述子模块控制单元至少包括两个通讯单元；主控制单元包括第一组通讯单元，所述第一组通讯单元包括至少一个通讯单元；所述M个子模块控制单元的通讯单元串联后与主控制单元的第一组通讯单元中的任一通讯单元连接，构成通讯组网。

进一步地，所述通讯单元包括光接收单元与光发射单元，所述通讯单元的级联方式为一个通讯单元的光接收单元与另一个通讯单元的光发射单元连接，光发射单元与另一个通讯单元的光接收单元连接。

进一步地，所述主控制单元的第一组通讯单元包括至少两个通讯单元，M个子模块控制单元的通讯单元串联后的首尾分别与第一组通讯单元中的两个通讯单元相连，构成闭环通讯组网。

进一步地，所述主控制单元还包括第二组通讯单元，所述第二组通讯单元包括至少一个通讯单元，M个子模块控制单元中的任意一个设置冗余通讯单元，主控制单元的第二组通讯单元独立通过冗余通讯单元与该子模块控制单元通讯。

进一步地，所述子模块控制单元就近布置在均压耗能模块处，可控制均压耗能模块中第一功率半导体器件和旁路开关的开通、关断，所述主控制单元布置在远端地电位处。

进一步地，所述M个子模块控制单元的通讯单元分为K组，K为大于等于2的整数，主控制单元的第一组通讯单元包括至少K个通讯单元，每组子模块控制单元的通讯单元串联后与主控制单元的通讯单元连接，构成K个通讯子网。

进一步地，子模块控制单元的通讯单元的供电回路冗余设置，供电方式为以下方式的组合，1)由本均压耗能模块电容中取能；2)由相邻均压耗能模块电容中取能；3)由激光取能。

进一步地，子模块控制单元的通讯单元的冗余供电回路采用磁隔离或光隔离方式。

进一步地，所述主控制单元的第一组或第二组通讯单元由双路电源供电。

本发明还包括所述直流能量动态调节系统的控制方法。

(1)当所述直流能量动态调节系统配置开环通讯组网：

任意一个均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，则故障的均压耗能模块等效为旁路开关串联耗能电阻，串入直流能量动态调节系统中，原有的通讯组网从故障均压耗能模块的通讯模块处断开，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

当主控制单元的第一组通讯单元中任一通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则该组通讯单元退出运行，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

(2)当所述直流能量动态调节系统配置闭环通讯组网：

当主控制单元的第一组通讯单元的其中一个通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则该通讯单元退出运行，由另一个通讯单元与M个子模块控制单元的通讯单元形成开环的通讯组网。

当所述任意一个均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，所述故障的均压耗能模块等效为旁路开关串联耗能电阻，串入直流能量动态调节系统中，原有的闭环通讯组网从故障均压耗能模块的通讯模块处断开，形成两个独立的开环通讯组网，该故障模块定义为第一故障模块。

当两个独立的开环通讯组网中有另外的一个均压耗能模块旁路时，该模均压耗能块记为第二故障模块，则第一故障模块与第二故障模块之间的均压耗能模块全部执行旁路开关闭合命令。

(3)当所述直流能量动态调节系统的均压耗能模块配置了冗余的供电回路。

当所述任意一个均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，所述故障的均压耗能模块等效为旁路开关串联耗能电阻，串入直流能量动态调节系统中，该均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元以其他冗余供能方式继续工作，M个子模块控制单元与主控制单元的通讯单元仍构成通讯组网。

当与故障均压耗能模块相邻的均压耗能模块的旁路开关闭合时，原有的通讯组网从故障均压耗能模块与相邻均压耗能模块的通讯模块处断开，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

(4)当所述直流能量动态调节系统的主控制单元配置了冗余的通讯单元

当主控制单元第一组通讯单元的其中一个或多个通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则第一组通讯单元退出运行，切换到主控制单元的第二组通讯单元，与M个子模块控制单元的通讯单元形成通讯组网。

本发明的有益效果：

1、本系统的作用为消耗直流侧积累的能量，其中本发明的均压耗能模块包含两级旁路方式，当旁路开关闭合时，均压耗能模块等效为耗能电阻串联旁路开关，如图8所示，实际等效为将耗能电阻串入一次电路，此时均压耗能模块虽然处于异常状态，但耗能电阻仍然可以起到消耗能量的作用。当旁路开关闭合时，系统的耗能的能力并没有因为旁路而过多损失，仅仅是由于第一功率半导体器件被旁路，而失去了电阻投入与退出的控制能力，而单个均压耗能的投入和退出对整体耗能效果影响较小。而现有技术方案均压耗能模块旁路后等效为旁路开关串入一次系统，如图7所示，实际子模块等效为0电阻的导线，完全失去作用，因此需要配置一定的冗余子模块，因此，当现有模块化换流器采用级联的通讯组网方式时，则与主控制器连接的子模块成为关键节点，一旦有故障则会造成大量子模块被迫旁路；同时任意两个子模块故障后之间的大量子模块也存在被迫旁路的风险，旁路后的子模块不能起到原设定功能，导致系统的可靠性降低。与现有技术相比，由于本系统方案中的均压耗能模块在旁路状态下仍然可以发挥作用，因此，本发明提出基于上述均压耗能模块的闭环通讯组网的组网方式，仅在远端的地电位处设置一个主控制单元，通过少量光纤，与均压耗能模块的通讯单元首尾连接，构成一个或几个闭环的闭环通讯组网，大大减少了通讯系统的复杂度，降低了成本。

2、本发明均压耗能模块的通讯单元设置了多种取能方式，包括本模块就近取能，临近均压耗能模块取能、激光功能或同时配置多种方式，当两种方式同时配置时，均压耗能模块的通讯单元也可以通过相邻均压耗能模块取能，不会使通讯组网中断。

3、本发明采用了级联的闭环通讯组网，当其中任意一个均压耗能模块发生故障时，可以在故障模块处将闭环通讯组网解列，形成两个级联的开环通讯组网，当再发生模块故障旁路，可以将两个故障模块之间的均压耗能模块旁路，极大的提高了通讯可靠性。

附图说明

图1为本发明直流能量动态调节系统的第一实施例。

图2为本发明直流能量动态调节系统的第二实施例。

图3为本发明直流能量动态调节系统的第三实施例。

图4为本发明直流能量动态调节系统的第四实施例。

图5为本发明直流能量动态调节系统发生单个均压耗能模块故障解列的示意图。

图6为本发明直流能量动态调节系统发生两个均压耗能模块故障解列的示意图。

图7现有技术子模块旁路等效图。

图8本发明均压耗能模块旁路等效图。

图中标号名称：1、均压耗能模块；2、第一功率半导体器件；3、直流电容；4、耗能电阻；5、旁路开关；7、子模块控制单元；8、子模块控制单元的通讯单元；9、子模块控制单元的通讯单元的光接收单元；10、子模块控制单元的通讯单元的光发射单元；11、主控制单元；12、主控制单元的第一组通讯单元；13、主控制单元的通讯单元的光发射单元；14、主控制单元的通讯单元的光接收单元；15、主控单元的第二组通讯单元；16、子模块控制单元的冗余的通讯单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明第一实施例，一种直流能量动态调节系统，所述系统包括N个均压耗能模块1同方向串联，N为大于等于2的整数；其中所述均压耗能模块包括直流电容3与耗能支路的并联连接，所述耗能支路由第一功率半导体器件2与耗能电阻4串联连接构成；所述均压耗能模块还包括旁路开关5，所述旁路开关与第一功率半导体器件并联；所述系统还包括M个子模块控制单元7以及主控制单元11，M≤N；所述子模块控制单元至少包括两个通讯单元8；主控制单元包括第一组通讯单元12，所述第一组通讯单元12包括至少一个通讯单元；所述M个子模块控制单元的通讯单元串联后与主控制单元的第一组通讯单元中的任一通讯单元连接，构成通讯组网。

其中，所述通讯单元包括光接收单元与光发射单元，包括子模块控制单元的通讯单元的光接收单元9和光发射单元10，以及主控制单元的通讯单元的光接收单元14和光发射单元13。

本发明还包括第二实施例，该实施例中所述主控制单元的第一组通讯单元包括至少两个通讯单元；M个子模块控制单元的通讯单元串联后的首尾分别与第一组通讯单元中的两个通讯单元相连，构成闭环通讯组网，如图2所示。

本发明还包括第三实施例，所述主控制单元还包括第二组通讯单元15，所述第二组通讯单元15包括至少一个通讯单元，M个子模块控制单元中的任意一个设置冗余通讯单元16，主控制单元的第二组通讯单元独立通过冗余通讯单元与该子模块控制单元通讯，如图3所示。

其中，所述子模块控制单元就近布置在均压耗能模块处，可控制均压耗能模块中第一功率半导体器件和旁路开关的开通、关断，所述主控制单元布置在远端地电位处。

本发明还包括第四实施例，所述M个子模块控制单元的通讯单元分为K组，K为大于等于2的整数，主控制单元的第一组通讯单元包括至少K个通讯单元，每组子模块控制单元的通讯单元串联后与主控制单元的通讯单元连接，构成K个通讯子网。

如图4所示，在本实施例中，K＝2，该实施例中包括两个独立的闭环通讯组网。

其中，子模块控制单元的通讯单元的供电回路冗余设置，供电方式为以下方式的组合，1)由本均压耗能模块电容中取能；2)由相邻均压耗能模块电容中取能；3)由激光取能。

其中，子模块控制单元的通讯单元的冗余供电回路采用磁隔离或光隔离方式。

其中，所述主控制单元的第一组或第二组通讯单元由双路电源供电。

本发明还包括所述直流能量动态调节系统的控制方法。

(1)当所述直流能量动态调节系统配置开环通讯组网：

任意一个均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，则故障的均压耗能模块等效为旁路开关串联耗能电阻，串入直流能量动态调节系统中，原有的通讯组网从故障均压耗能模块的通讯模块处断开，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

当主控制单元的第一组通讯单元中任一通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则该组通讯单元退出运行，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

(2)当所述直流能量动态调节系统配置闭环通讯组网：

当主控制单元的第一组通讯单元的其中一个通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则该通讯单元退出运行，由另一个通讯单元与M个子模块控制单元的通讯单元形成开环的通讯组网。

当所述任意一个均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，所述故障的均压耗能模块等效为旁路开关串联耗能电阻，串入直流能量动态调节系统中，原有的闭环通讯组网从故障均压耗能模块的通讯模块处断开，形成两个独立的开环通讯组网，该故障模块定义为第一故障模块。

如图5所示，双向通讯组网在故障模块处解列，分成两个独立的开环通讯组网，开环通讯组网虽然未构成闭环，但是主控制单元仍然可以与未发生故障的均压耗能模块通讯。

当两个独立的开环通讯组网中有另外的一个均压耗能模块旁路时，该均压耗能模块记为第二故障模块，则第一故障模块与第二故障模块之间的均压耗能模块全部执行旁路开关闭合命令。

如图6所示，当再有均压耗能模块发生故障，开环通讯组网在两个故障模块之间解列，解列后，故障模块之间的均压耗能模块旁路。

(3)当所述直流能量动态调节系统的均压耗能模块配置了冗余的供电回路。

当所述任意一个均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，所述故障的均压耗能模块等效为旁路开关串联耗能电阻，串入直流能量动态调节系统中，该均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元以其他冗余供能方式继续工作，M个子模块控制单元与主控制单元的通讯单元仍构成通讯组网。

当与故障均压耗能模块相邻的均压耗能模块的旁路开关闭合时，原有的通讯组网从故障均压耗能模块与相邻均压耗能模块的通讯模块处断开，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

(4)当所述直流能量动态调节系统的主控制单元配置了冗余的通讯单元

当主控制单元第一组通讯单元的其中一个或多个通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则第一组通讯单元退出运行，切换到主控制单元的第二组通讯单元，与M个子模块控制单元的通讯单元形成通讯组网。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种直流能量动态调节系统，所述系统包括N个均压耗能模块同方向串联，N为大于等于2的整数；其中所述均压耗能模块包括直流电容与耗能支路的并联连接，所述耗能支路由第一功率半导体器件与耗能电阻串联连接构成；其特征在于，所述均压耗能模块还包括旁路开关，所述旁路开关与第一功率半导体器件并联；所述系统还包括M个子模块控制单元以及主控制单元，M≤N；所述子模块控制单元至少包括两个通讯单元；主控制单元包括第一组通讯单元，所述第一组通讯单元包括至少一个通讯单元；所述M个子模块控制单元的通讯单元串联后与主控制单元的第一组通讯单元中的任一通讯单元连接，构成通讯组网；

当任意一个所述均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，则故障的均压耗能模块等效为旁路开关串联耗能电阻，串入直流能量动态调节系统中，原有的通讯组网从故障均压耗能模块的通讯模块处断开，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

2.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节系统，其特征在于：所述通讯单元包括光接收单元与光发射单元，所述通讯单元的级联方式为一个通讯单元的光接收单元与另一个通讯单元的光发射单元连接，光发射单元与另一个通讯单元的光接收单元连接。

3.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节系统，其特征在于：所述主控制单元的第一组通讯单元包括至少两个通讯单元；M个子模块控制单元的通讯单元串联后的首尾分别与第一组通讯单元中的两个通讯单元相连，构成闭环通讯组网。

4.如权利要求1至3任意一项所述的一种直流能量动态调节系统，其特征在于：所述主控制单元还包括第二组通讯单元，所述第二组通讯单元包括至少一个通讯单元，M个子模块控制单元中的任意一个设置冗余通讯单元，主控制单元的第二组通讯单元独立通过冗余通讯单元与该子模块控制单元通讯。

5.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节系统，其特征在于：所述子模块控制单元就近布置在均压耗能模块处，控制均压耗能模块中第一功率半导体器件和旁路开关的开通、关断，所述主控制单元布置在远端地电位处。

6.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节系统，其特征在于：所述M个子模块控制单元的通讯单元分为K组，K为大于等于2的整数，主控制单元的第一组通讯单元包括至少K个通讯单元，每组子模块控制单元的通讯单元串联后与主控制单元的通讯单元连接，构成K个通讯子网。

7.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节系统，其特征在于，子模块控制单元的通讯单元的供电回路冗余设置，供电方式为以下方式的组合，1)由本均压耗能模块电容中取能；2)由相邻均压耗能模块电容中取能；3)由激光取能。

8.如权利要求7所述的一种直流能量动态调节系统，其特征在于，子模块控制单元的通讯单元的冗余供电回路采用磁隔离或光隔离方式。

9.如权利要求4所述的一种直流能量动态调节系统，其特征在于，所述主控制单元的第一组或第二组通讯单元由双路电源供电。

10.一种如权利要求1-2中任意一项所述直流能量动态调节系统的控制方法，其特征在于，当主控制单元的第一组通讯单元中任一通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则该组通讯单元退出运行，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

11.一种如权利要求3所述直流能量动态调节系统的控制方法，其特征在于，当主控制单元的第一组通讯单元的其中一个通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则该通讯单元退出运行，由另一个通讯单元与M个子模块控制单元的通讯单元形成开环的通讯组网。

12.一种如权利要求3所述直流能量动态调节系统的控制方法，其特征在于，当任意一个所述均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，原有的闭环通讯组网从故障均压耗能模块的通讯模块处断开，形成两个独立的开环通讯组网，该故障模块定义为第一故障模块。

13.一种如权利要求12所述直流能量动态调节系统的控制方法，其特征在于，当两个独立的开环通讯组网中有另外的一个均压耗能模块旁路时，该均压耗能模块记为第二故障模块，则第一故障模块与第二故障模块之间的均压耗能模块全部执行旁路开关闭合命令。

14.一种如权利要求7或8所述直流能量动态调节系统的控制方法，其特征在于，当任意一个所述均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元检测到自身通讯故障或模块内部故障时，闭合该均压耗能模块的旁路开关，该均压耗能模块的子模块控制单元的通讯单元以其他冗余供能方式继续工作，M个子模块控制单元与主控制单元的通讯单元仍构成通讯组网。

15.一种如权利要求14所述直流能量动态调节系统的控制方法，其特征在于，当与故障均压耗能模块相邻的均压耗能模块的旁路开关闭合时，原有的通讯组网从故障均压耗能模块与相邻均压耗能模块的通讯模块处断开，通讯断开的均压耗能模块全部执行旁路开关合闸命令。

16.一种如权利要求4所述直流能量动态调节系统的控制方法，其特征在于，当主控制单元第一组通讯单元的其中一个或多个通讯单元故障或与之相连的通讯链路故障时，则第一组通讯单元退出运行，切换到主控制单元的第二组通讯单元，与M个子模块控制单元的通讯单元形成通讯组网。

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