CN112491035A - 一种基于晶闸管的直流耗能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于晶闸管的直流耗能装置及其控制方法，其中装置包括：开关单元包括第一晶闸管阀、第二晶闸管阀、第三晶闸管阀、第四晶闸管阀和晶闸管关断电容；第一晶闸管阀和第二晶闸管阀串联，第三晶闸管阀和第四晶闸管阀串联；晶闸管关断电容一端与第一晶闸管阀和第二晶闸管阀的连接端连接，其另一端与第三晶闸管阀和第四晶闸管阀的连接端连接；开关单元的正极通过第一隔离开关与直流线路正极连接，开关单元的负极通过耗能电阻和第二隔离开关与直流线路负极连接；反并联二极管的负极与开关单元的负极连接。当由于交流系统或换流站临时性故障导致的直流测盈余功率问题，通过耗能装置对盈余功率进行了泄放，避免系统过压停运，实现故障穿越。

Description

一种基于晶闸管的直流耗能装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力设备控制技术领域，特别涉及一种基于晶闸管的直流耗能装置及其控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术具有不存在换相失败，电压谐波含量少波形质量高，能快速调节有功功率与无功功率等优势。这些技术优势，使柔性直流技术在电力系统中产生了广泛的应用需求，如大规模清洁能源的接入、汇集与输送，孤岛无源负荷供电。当柔直应用于新能源系统送出时，当受电端发生故障导致交流电网电压跌落时，有功功率无法送出或者只能部分送出至交流电网，富余有功功率造成直流输电线路的电压升高，危害柔性直流换流阀等设备的安全。

通过直流耗能装置可以对盈余功率进行泄放，提高系统的故障穿越能力。采用的一种方法是用全控型功率半导体器件作为开关，并与耗能电阻串联，通过对功率半导体器件的控制，投入电阻进行盈余功率的泄放。该方法的主要问题包括：一方面，多个串联功率半导体开关器件同时开通和关断存在技术困难；另一方面，全控型功率半导体器件的成本比较高。

为了进一步降低装置技术难度，提高系统可靠性，降低系统成本，降低直流耗能装置投入期间对直流系统所造成的电气冲击，现有的另外一种技术主要是将耗能电阻分散布置在多个子模块中，通过调节所投入的耗能电阻数量，来调节泄放功率，达到泄放功率和盈余功率的平衡，降低耗能期间直流电压的波动。但该方法的成本较为高昂。

直流耗能装置目前主要有两种技术方案，一种是分布式直流耗能装置，将耗能电阻分布在子模块中，通过控制投入电阻的数量，控制泄放功率的大小；另一种技术路线是集中式耗能装置，由单一的耗能电阻耗散功率，并串设有其他电路装置构成的耗能开关。对于分布式耗能装置，主要不足是造价较高，而且电阻的散热缘故还需要配置水冷，综合成本较高。对于集中式耗能装置，对于直接器件直串组成的集中式耗能装置，该方法的主要问题是多个串联功率半导体开关器件同时开通和关断存在技术困难；对于全控型功率器件组成的子模块构成的耗能装置，主要不足是全控型功率半导体器件的成本比较高。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于晶闸管的直流耗能装置及其控制方法，当由于交流系统或换流站临时性故障导致的直流测盈余功率问题，通过耗能装置对盈余功率进行了泄放，避免系统过压停运，实现故障穿越。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种基于晶闸管的直流耗能装置，包括：开关单元、耗能电阻、反并联二极管、第一隔离开关和第二隔离开关；

所述开关单元包括：第一晶闸管阀、第二晶闸管阀、第三晶闸管阀、第四晶闸管阀和晶闸管关断电容；

所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀串联，所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀串联；

所述晶闸管关断电容一端与所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀的连接端连接，其另一端与所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀的连接端连接；

所述开关单元的正极通过所述第一隔离开关与直流线路正极连接，所述开关单元的负极通过所述耗能电阻和所述第二隔离开关与所述直流线路负极连接；

所述反并联二极管的负极与所述开关单元的负极连接。

进一步地，所述基于晶闸管的直流耗能装置还包括：限流电抗单元；

所述限流电抗单元包括：第一限流电抗和第二限流电抗；

所述第一限流电抗串联设置于所述开关单元的正极与所述第一隔离开关之间；

所述第二限流电抗串联设置于所述耗能电阻与所述第二隔离开关之间。

进一步地，所述第一晶闸管阀、所述第二晶闸管阀、所述第三晶闸管阀和/或所述第四晶闸管阀包括若干个串联连接的晶闸管。

相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种基于晶闸管的直流耗能装置控制方法，用于控制上述任一基于晶闸管的直流耗能装置中的开关单元，包括如下步骤：

步骤11：在待机状态下晶闸管关断电容上不带电，首次开通前，需要开通第一晶闸管阀和第四晶闸管阀，对所述晶闸管关断电容充电，待电容充满电后断开所述开关单元；

步骤12：开通所述开关单元时，需判断所述晶闸管关断电容电压极性，若所述晶闸管关断电容在所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀侧的电压高，则开通所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀；若所述晶闸管关断电容电压在第三晶闸管阀和第四晶闸管阀侧的电压高，则开通所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀；

步骤13：关断所述开关单元时，需判断所述晶闸管关断电容电压极性，若所述晶闸管关断电容电压在所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀侧的电压高，则开通所述第三晶闸管阀并取消所述第一晶闸管阀的开通脉冲，在所述晶闸管关断电容反压的作用下所述第一晶闸管阀被关断，然后所述晶闸管关断电容会被反向充电至额定电压；最后取消所述第二晶闸管阀和所述第三晶闸管阀的开通脉冲，所述开关单元完成关断；若所述晶闸管关断电容电压在所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀侧的电压高，则开通所述第一晶闸管阀并取消所述第三晶闸管阀的开通脉冲，在所述晶闸管关断电容反压的作用下所述第三晶闸管阀会被关断；随后所述晶闸管关断电容会被反向充电至所述额定电压；最后取消所述第一晶闸管阀和所述第四晶闸管阀的开通脉冲，所述开关单元完成关断。

进一步地，所述基于晶闸管的直流耗能装置控制方法还包括：

步骤21：控制直流耗能装置实时检测直流线路电压，当所述直流线路电压没有超过预设电压上限值Umax时，使所述直流耗能装置装置处于待机状态，所述第一晶闸管阀、所述第二晶闸管阀、所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀处于关断状态，所述晶闸管关断电容未带电；当直流线路电压超过预设电压上限值Umax，所述直流耗能装置进入耗能模式，执行步骤22；

步骤22：首次开通时根据所述开关单元控制方法的步骤11对关断电容充电；

步骤23：根据所述开关单元控制方法中的所述步骤12，开通所述开关单元，进行功率泄放；

步骤24：在功率泄放状态下，实时检测所述直流线路电压和交流系统故障情况，当直流线路电压小于预设电压下限值Umin，根据所述开关单元控制方法中的所述步骤13，关断所述开关单元，停止功率泄放；

步骤25：若停止功率泄放后，如所述直流电压在盈余功率的作用下又高于所述预设电压上限值Umax，则重复步骤23进行功率泄放，直至故障消失或电阻投入时间达到最大设计值。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

当由于交流系统或换流站临时性故障导致的直流测盈余功率问题，通过耗能装置对盈余功率进行了泄放，避免系统过压停运，实现故障穿越。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于晶闸管的直流耗能装置原理示意图；

图2是本发明实施例提供的晶闸管阀全部关断示意图；

图3是本发明实施例提供的晶闸管开关电容充电示意图；

图4是本发明实施例提供的功率泄放示意图一；

图5是本发明实施例提供的功率泄放示意图二。

附图标记：

1、第一晶闸管阀，2、第二晶闸管阀，3、第三晶闸管阀，4、第四晶闸管阀，5、晶闸管关断电容，6、耗能电阻，7、反并联二极管，8、第二限流电抗，9、第一限流电抗，10、第一隔离开关，11、第二隔离开关。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是本发明实施例提供的基于晶闸管的直流耗能装置原理示意图。

请参照图1，本发明实施例的第一方面提供了一种基于晶闸管的直流耗能装置，包括：开关单元、耗能电阻6、反并联二极管7、第一隔离开关10和第二隔离开关11。其中，开关单元包括：第一晶闸管阀1、第二晶闸管阀2、第三晶闸管阀3、第四晶闸管阀4和晶闸管关断电容5；第一晶闸管阀1和第二晶闸管阀2串联，第三晶闸管阀3和第四晶闸管阀4串联；晶闸管关断电容5一端与第一晶闸管阀1和第二晶闸管阀2的连接端连接，其另一端与第三晶闸管阀3和第四晶闸管阀4的连接端连接；开关单元的正极通过第一隔离开关10与直流线路正极连接，开关单元的负极通过耗能电阻6和第二隔离开关11与直流线路负极连接；反并联二极管7的负极与开关单元的负极连接。

上述技术方案实现对晶闸管阀泄放回路的开断，控制盈余功率的泄放，工程实现简单可靠，且具有很好的经济性；避免了全控型功率半导体器件直接串联方案中开断不一致导致的风险，实现方法简单可靠，可以实现泻放功率快速、灵活、可控，装置的生产制造难度和工程实施难度低，便于维护，而且易于扩展到更高电压等级和更大容量的应用场合。

可选的，基于晶闸管的直流耗能装置还包括：限流电抗单元。限流电抗单元包括：第一限流电抗9和第二限流电抗8；第一限流电抗9串联设置于开关单元的正极与第一隔离开关10之间；第二限流电抗8串联设置于耗能电阻6与第二隔离开关11之间。

可选的，第一晶闸管阀1、第二晶闸管阀2、第三晶闸管阀3和/或第四晶闸管阀4包括若干个串联连接的晶闸管。

图2是本发明实施例提供的晶闸管阀全部关断示意图。

图3是本发明实施例提供的晶闸管开关电容充电示意图。

图4是本发明实施例提供的功率泄放示意图一。

图5是本发明实施例提供的功率泄放示意图二。

相应地，请参照图2、图3、图4和图5，本发明实施例的第二方面提供了一种基于晶闸管的直流耗能装置控制方法，用于控制上述基于晶闸管的直流耗能装置中的开关单元，包括如下步骤：

步骤11：在待机状态下晶闸管关断电容5上不带电，首次开通前，需要开通第一晶闸管阀1和第四晶闸管阀4，对晶闸管关断电容5充电，待电容充满电后断开开关单元。

步骤12：开通开关单元时，需判断晶闸管关断电容5电压极性，若晶闸管关断电容5在第一晶闸管阀1和第二晶闸管阀2侧的电压高，则开通第一晶闸管阀1和第二晶闸管阀2；若晶闸管关断电容5电压在第三晶闸管阀3和第四晶闸管阀4侧的电压高，则开通第三晶闸管阀3和第四晶闸管阀4。

步骤13：关断开关单元时，需判断晶闸管关断电容5电压极性，若晶闸管关断电容5电压在第一晶闸管阀1和第二晶闸管阀2侧的电压高，则开通第三晶闸管阀3并取消第一晶闸管阀1的开通脉冲，在晶闸管关断电容5反压的作用下第一晶闸管阀1被关断，然后晶闸管关断电容5会被反向充电至额定电压；最后取消第二晶闸管阀2和第三晶闸管阀3的开通脉冲，开关单元完成关断；若晶闸管关断电容5电压在第三晶闸管阀3和第四晶闸管阀4侧的电压高，则开通第一晶闸管阀1并取消第三晶闸管阀3的开通脉冲，在晶闸管关断电容5反压的作用下第三晶闸管阀3会被关断；随后晶闸管关断电容5会被反向充电至额定电压；最后取消第一晶闸管阀1和第四晶闸管阀4的开通脉冲，开关单元完成关断。

进一步地，基于晶闸管的直流耗能装置控制方法还包括：

步骤21：控制直流耗能装置实时检测直流线路电压，当直流线路电压没有超过预设电压上限值Umax时，使直流耗能装置装置处于待机状态，第一晶闸管阀1、第二晶闸管阀2、第三晶闸管阀3和第四晶闸管阀4处于关断状态，晶闸管关断电容5未带电；当直流线路电压超过预设电压上限值Umax，直流耗能装置进入耗能模式，执行步骤22。

步骤22：首次开通时根据开关单元控制方法的步骤11对关断电容充电。

步骤23：根据开关单元控制方法中的步骤12，开通开关单元，进行功率泄放。

步骤24：在功率泄放状态下，实时检测直流线路电压和交流系统故障情况，当直流线路电压小于预设电压下限值Umin，根据开关单元控制方法中的步骤13，关断开关单元，停止功率泄放。

步骤25：若停止功率泄放后，如直流电压在盈余功率的作用下又高于预设电压上限值Umax，则重复步骤23进行功率泄放，直至故障消失或电阻投入时间达到最大设计值。

本发明实施例旨在保护一种基于晶闸管的直流耗能装置及其控制方法，其中装置包括：开关单元、耗能电阻、反并联二极管、第一隔离开关和第二隔离开关；开关单元包括：第一晶闸管阀、第二晶闸管阀、第三晶闸管阀、第四晶闸管阀和晶闸管关断电容；第一晶闸管阀和第二晶闸管阀串联，第三晶闸管阀和第四晶闸管阀串联；晶闸管关断电容一端与第一晶闸管阀和第二晶闸管阀的连接端连接，其另一端与第三晶闸管阀和第四晶闸管阀的连接端连接；开关单元的正极通过第一隔离开关与直流线路正极连接，开关单元的负极通过耗能电阻和第二隔离开关与直流线路负极连接；反并联二极管的负极与开关单元的负极连接。上述技术方案具备如下效果：

当由于交流系统或换流站临时性故障导致的直流测盈余功率问题，通过耗能装置对盈余功率进行了泄放，避免系统过压停运，实现故障穿越。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种基于晶闸管的直流耗能装置，其特征在于，包括：开关单元、耗能电阻、反并联二极管、第一隔离开关和第二隔离开关；

所述开关单元包括：第一晶闸管阀、第二晶闸管阀、第三晶闸管阀、第四晶闸管阀和晶闸管关断电容；

所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀串联，所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀串联；

所述晶闸管关断电容一端与所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀的连接端连接，其另一端与所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀的连接端连接；

所述开关单元的正极通过所述第一隔离开关与直流线路正极连接，所述开关单元的负极通过所述耗能电阻和所述第二隔离开关与所述直流线路负极连接；

所述反并联二极管的负极与所述开关单元的负极连接。

2.根据权利要求1所述的基于晶闸管的直流耗能装置，其特征在于，还包括：限流电抗单元；

所述限流电抗单元包括：第一限流电抗和第二限流电抗；

所述第一限流电抗串联设置于所述开关单元的正极与所述第一隔离开关之间；

所述第二限流电抗串联设置于所述耗能电阻与所述第二隔离开关之间。

3.根据权利要求1所述的基于晶闸管的直流耗能装置，其特征在于，

所述第一晶闸管阀、所述第二晶闸管阀、所述第三晶闸管阀和/或所述第四晶闸管阀包括若干个串联连接的晶闸管。

4.一种基于晶闸管的直流耗能装置控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-3任一所述的基于晶闸管的直流耗能装置中的开关单元，包括如下步骤：

步骤11：在待机状态下晶闸管关断电容上不带电，首次开通前，需要开通第一晶闸管阀和第四晶闸管阀，对所述晶闸管关断电容充电，待电容充满电后断开所述开关单元；

步骤12：开通所述开关单元时，需判断所述晶闸管关断电容电压极性，若所述晶闸管关断电容在所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀侧的电压高，则开通所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀；若所述晶闸管关断电容电压在第三晶闸管阀和第四晶闸管阀侧的电压高，则开通所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀；

步骤13：关断所述开关单元时，需判断所述晶闸管关断电容电压极性，若所述晶闸管关断电容电压在所述第一晶闸管阀和所述第二晶闸管阀侧的电压高，则开通所述第三晶闸管阀并取消所述第一晶闸管阀的开通脉冲，在所述晶闸管关断电容反压的作用下所述第一晶闸管阀被关断，然后所述晶闸管关断电容会被反向充电至额定电压；最后取消所述第二晶闸管阀和所述第三晶闸管阀的开通脉冲，所述开关单元完成关断；若所述晶闸管关断电容电压在所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀侧的电压高，则开通所述第一晶闸管阀并取消所述第三晶闸管阀的开通脉冲，在所述晶闸管关断电容反压的作用下所述第三晶闸管阀会被关断；随后所述晶闸管关断电容会被反向充电至所述额定电压；最后取消所述第一晶闸管阀和所述第四晶闸管阀的开通脉冲，所述开关单元完成关断。

5.根据权利要求4所述的一种基于晶闸管的直流耗能装置控制方法，其特征在于，还包括：

步骤21：控制直流耗能装置实时检测直流线路电压，当所述直流线路电压没有超过预设电压上限值Umax时，使所述直流耗能装置装置处于待机状态，所述第一晶闸管阀、所述第二晶闸管阀、所述第三晶闸管阀和所述第四晶闸管阀处于关断状态，所述晶闸管关断电容未带电；当直流线路电压超过预设电压上限值Umax，所述直流耗能装置进入耗能模式，执行步骤22；

步骤22：首次开通时根据所述开关单元控制方法的步骤11对关断电容充电；

步骤23：根据所述开关单元控制方法中的所述步骤12，开通所述开关单元，进行功率泄放；

步骤24：在功率泄放状态下，实时检测所述直流线路电压和交流系统故障情况，当直流线路电压小于预设电压下限值Umin，根据所述开关单元控制方法中的所述步骤13，关断所述开关单元，停止功率泄放；

步骤25：若停止功率泄放后，如所述直流电压在盈余功率的作用下又高于所述预设电压上限值Umax，则重复步骤23进行功率泄放，直至故障消失或电阻投入时间达到最大设计值。

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