CN112600400A - 一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，通过在开关子模块上增加第二可控半导体器件T2，有效的解决了半导体开关内的可控半导体器件单一化，避免了单只可控半导体开关拒动时，导致半导体开关无法使用，增加第二可控半导体器件T2可有效的代替拒动后的第一可控半导体器件T1，提高了半导体开关的可持续性，保证了开关子模块可有效旁路，使可控半导体器件T1故障后，不会炸裂MOV。解决了海上风电柔性直流输电系统当陆上站发生交流故障时，能量泄放装置能消耗盈余能量，避免故障扩散到海上系统；实现监测直流电流,泄放盈余能量；通过预设目标直流电压,可靠抑制直流过压；使紧急功率控制成为可能，给运维人员更多控制。

Description

一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体为一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑。
背景技术
随着海上柔性直流输电技术的发展，电力传输可靠性逐渐成为了一个不可忽略的技术指标。针对系统交流故障，通过外加耗能装置成为了一种可执行的故障穿越方案.目前耗能装置技术路线主要分两种，分布式和集中式。分布式与换流阀技术路线一致，实现相对简单。集中式相对分布式技术上没有采用多模块串联的方式，而是采用多个开关组件串联的方式，再附加一些保护及均压器件，依靠开关的同时动作，实现能量的泄放。目前集中式耗能装置的工程化应用仍存在一些问题，比如半导体开关冗余用尽过快，在半导体开关组件中的所设置的半导体器件单一化，导致若损坏后，没有器件代替工作，从而影响整个半导体开关组件的工作。
发明内容
针对现有技术中如半导体开关子模块内的可控半导体器件单一化存在若单只可控半导体开关拒动时，没有器件代替工作的问题使开关子模块无法旁路，退出系统运行；本发明提供一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，该装置拓扑结构简单，操作方便，有效的解决开关组件中可控半导体器件单一化带来的可靠性差的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，包括在直流母线DC上依次连接的第一隔离开关S1、第一电抗器L1、耗能装置M、第二电抗器L2、耗能电阻R和第二隔离单元S2；所述耗能装置M包括若干个级联的开关组件m；其中一个开关组件m包括至少一个开关子模块；所述开关子模块内包括第一可控半导体器件T1、第二可控半导体器件T2、吸收电阻R1、均压电阻R2、限压器MOV、二极管D1和吸收电容C；
第一可控半导体器件T1的集电极、二极管D1的负极、限压器MOV的一端、均压电阻R2的一端、吸收电阻R1的一端和第二可控半导体器件T2的集电极连接开关子模块端口正端；所述电容C的一端、吸收电阻R1的另一端、限压器MOV的另一端、第一可控半导体器件T1的发射极、第二可控半导体器件T2的发射极和二极管D1的阳极连接开关子模块端口负端设置。
优选的，限压器MOV、吸收电阻R1和第二可控半导体器件T2并联在开关子模块的正负端口之间设置。
优选的，均压电阻R2和电容C串联后并联在开关子模块的正负端口之间设置。
优选的，第一可控半导体器件T1与二极管D1并联后并联在开关子模块的正负端口之间设置。
优选的，第一可控半导体器件T1为绝缘栅双极型晶体管IGBT、电子注入增强门极晶体管IEGT、双模式绝缘栅晶体管BIGT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR或晶闸管。
优选的，第二可控半导体器件T2为绝缘栅双极型晶体管IGBT、电子注入增强门极晶体管IEGT、双模式绝缘栅晶体管BIGT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR或晶闸管。
优选的，二极管D1为普通二极管或快恢复二极管。
优选的，一个所述开关组件m包括至少一个开关子模块，当开关子模块的数量大于1时，开关子模块的负端口与其相邻的开关子模块的正端口连接。
优选的，第一隔离开关S1的正极与直流母线DC的正极连接设置，第一隔离开关S1的负极接于第一电抗器L1的正端；第一电抗器L1的负端接于耗能装置M的正端口；耗能装置M的负端口接于第二电抗器L2的正端；第二电抗器L2的负端接于耗能电阻R的正端，耗能电阻R的负端接于第二隔离单元S2的正端，第二隔离单元S2的负端接于直流母线DC的负极设置。
优选的，耗能电阻R为金属电阻。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，通过在开关子模块上增加第二可控半导体器件T2，有效的解决了半导体开关内的可控半导体器件单一化，避免了单只可控半导体开关拒动时，导致半导体开关无法使用，增加第二可控半导体器件T2可有效的代替拒动后的第一可控半导体器件T1，提高了半导体开关的可持续性，保证了半导体开关的工作效率，保证了开关子模块可有效旁路，使可控半导体器件T1故障后，不会炸裂MOV；解决了海上风电柔性直流输电系统当陆上站发生交流故障时，能量泄放装置能消耗盈余能量，避免故障扩散到海上系统；实现监测直流电流,泄放盈余能量；通过预设目标直流电压,可靠抑制直流过压；使紧急功率控制成为可能，给运维人员更多控制。
进一步的，限压器MOV、吸收电阻R1和第二可控半导体器件T2并联在开关子模块的正负端口之间设置，限压器MOV在耗能装置退出运行时，吸收第一电抗器L1和第二电抗器L2存储的能量，保护半导体器件以免过压损坏。
进一步的，均压电阻R2和电容C串联后并联在开关子模块的正负端口之间设置，电容C有效的对开关子模块提供电源。
进一步的，第一可控半导体器件T1与二极管D1并联后并联在开关子模块的正负端口之间设置，有效的保证了开关子模块的开关效率。
进一步的，开关组件m包括至少一个开关子模块，当开关子模块的数量大于1时，开关子模块的负端口与其相邻的开关子模块的正端口连接，保证了开关子模块之间的连通性。
进一步的，第一隔离开关S1的正极与直流母线DC的正极连接设置，第一隔离开关S1的负极接于第一电抗器L1的正端；第一电抗器L1的负端接于耗能装置M的正端口；耗能装置M的负端口接于第二电抗器L2的正端；第二电抗器L2的负端接于耗能电阻R的正端，耗能电阻R的负端接于第二隔离单元S2的正端，第二隔离单元S2的负端接于直流母线DC的负极设置，解决了海上风电柔性直流输电系统当陆上站发生交流故障时，能量泄放装置能消耗盈余能量，避免故障扩散到海上系统，有效的提高了对柔性直流输电系统的控制性，利用耗能装置M两端串联在第一电抗器L1和第二电抗器L2之间，抑制故障电流，对泄能装置里的器件进行保护。
进一步的，耗能电阻R为金属电阻，耗能电阻R1可选择技术成熟且价格低的金属电阻，采用自然冷却，可放置于户外以降低阀厅暖通要求，降低了耗能装置的成本。
附图说明
图1为本发明中柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑示意图；
图2为本发明中实施例1中的开关子模块数量为1个的结构示意图；
图3为本发明中实施例2中的开关子模块数量为多个的结构示意图。
图中：S1-第一隔离开关；S2-第二隔离单元；L1-第一电抗器；L2-第二电抗器；R-耗能电阻；M-耗能装置；m-开关组件；T1-第一可控半导体器件；T2-第二可控半导体器件；R1-吸收电阻；R2-均压电阻；MOV-限压器；D1-二极管；C-吸收电容；DC-直流母线；IGBT-绝缘栅双极型晶体管；IEGT-电子注入增强门极晶体管；BIGT-双模式绝缘栅晶体管；IGCT-集成门极换流晶闸管；GTO-可关断晶闸管。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
在本发明的描述中，需理解的是，术语“相连”、“连接”、“级联”、“接于”应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介连接；可以是器件内部连接、也可以是外部连接。
本发明提供一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，如图1所示，包括在直流母线DC上依次连接的第一隔离开关S1、第一电抗器L1、耗能装置M、第二电抗器L2、耗能电阻R和第二隔离单元S2；
其中第一隔离开关S1的正极与直流母线DC的正极连接设置，第一隔离开关S1的负极接于第一电抗器L1的正端；第一电抗器L1的负端接于耗能装置M的正端口；耗能装置M的负端口接于第二电抗器L2的正端；第二电抗器L2的负端接于耗能电阻R的正端，耗能电阻R的负端接于第二隔离单元S2的正端，第二隔离单元S2的负端接于直流母线DC的负极设置。
耗能装置M包括若干个级联的开关组件m；，其中一个开关组件m包括至少一个开关子模块；所述开关子模块内包括第一可控半导体器件T1、第二可控半导体器件T2、吸收电阻R1、均压电阻R2、限压器MOV、二极管D1和吸收电容C；
其中，第一可控半导体器件T1的集电极、二极管D1的负极、限压器MOV的一端、均压电阻R2的一端、吸收电阻R1的一端和第二可控半导体器件T2的集电极连接开关子模块端口正端；所述电容C的一端、吸收电阻R1的另一端、限压器MOV的另一端、第一可控半导体器件T1的发射极、第二可控半导体器件T2的发射极和二极管D1的阳极连接开关子模块端口负端设置。限压器MOV、吸收电阻R1和第二可控半导体器件T2并联在开关子模块的正负端口之间设置。均压电阻R2和电容C串联后并联在开关子模块的正负端口之间设置。第一可控半导体器件T1与二极管D1并联后并联在开关子模块的正负端口之间设置。
本发明中第一可控半导体器件T1为绝缘栅双极型晶体管IGBT、电子注入增强门极晶体管IEGT、双模式绝缘栅晶体管BIGT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR或晶闸管，第二可控半导体器件T2为绝缘栅双极型晶体管IGBT、电子注入增强门极晶体管IEGT、双模式绝缘栅晶体管BIGT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR或晶闸管。
本发明中一个所述开关组件m包括至少一个开关子模块，当开关子模块的数量大于1时，开关子模块的负端口与其相邻的开关子模块的正端口连接。
本发明中每个开关子模块中包含一只限压器MOV，在耗能装置退出运行时，吸收第一电抗器L1和第二电抗器L2存储的能量，保护半导体器件以免过压损坏。每个开关子模块共包括2只可控半导体开关，分别是第一可控半导体器件T1、第二可控半导体器件T2，当发生单只可控半导体开关拒动时，可导通另一只可控半导体器件，提高功率单元的可靠性；同时在开关单元出现故障，特别是可控半导体器件损坏时，功率单元可通过另一只可控半导体器件退出系统。当耗能装置M出现反压的时候，二极管D1可以提供电流通路，避免可控半导体器件承受反压损坏。通过调整RC参数，提高开关组件m的开关一致性。
实施例1
根据图2所示，一个所述开关组件m中设有一个开关子模块，一个开关子模块包括第一可控半导体器件T1、第二可控半导体器件T2、吸收电阻R1、均压电阻R2、限压器MOV、二极管D1和吸收电容C；
其中第一可控半导体器件T1优选集成门极换流晶闸管IGCT，第二可控半导体器件T2优选晶闸管。
集成门极换流晶闸管IGCT的阳极和二极管的D1的负极连接，集成门极换流晶闸管IGCT的阴极和二极管的正级连接。晶闸管的阳极和集成门极换流晶闸管IGCT的阳极连接，晶闸管的阴极和集成门极换流晶闸管IGCT的阴极连接。吸收电阻R1的一端和集成门极换流晶闸管IGCT的阳极连接，另一端和集成门极换流晶闸管IGCT的阴极连接。均压电阻R2的一端和集成门极换流晶闸管IGCT的阳极连接，另一端和吸收电容C串联连接，吸收电容的另一端和集成门极换流晶闸管IGCT的阴极连接。限压器MOV一端和集成门极换流晶闸管IGCT的阴极连接，另一端和集成门极换流晶闸管IGCT的阳极连接。
集成门极换流晶闸管IGCT作为模块投入和退出的主开关器件。在陆上换流阀出现过压时，各开关组件控制集成门极换流晶闸管IGCT导通，投入耗能电阻R，将系统盈余功率泄放至耗能电阻，达到限制系统直流电压的目的。当陆上换流阀过压消失后，关断各开关组件，退出耗能装置运行。关断过程中，第一电抗器L1和第二电抗器L2的能量通过限压器MOV吸收，并限制开关组件端口电压，保证半导体器件不会过压损坏。关断过程中功率单元内杂散电感造成的电压尖峰，通过RC吸收支路吸收，避免半导体器件过压击穿。当系统出现故障导致开关组件端口出现反压时，二极管D1导通，保护集成门极换流晶闸管IGCT及晶闸管不会反向击穿。当集成门极换流晶闸管IGCT投入的过程中发生拒动，在限压器MOV损坏前，导通晶闸管，避免损坏MOV。当系统处于退出状态时，通过单一轮换导通集成门极换流晶闸管IGCT，实现自检，确认集成门极换流晶闸管IGCT是否可有效导通，使系统在发生过压后可主动选择导通集成门极换流晶闸管IGCT还是晶闸管。
实施例2
根据图3所示，本实施例与实施例1有所区别，开关子模块由2个以上串联而成，开关子模块的负端口与其相邻的开关子模块的正端口连接；以此类推，由多个开关子模块级联形成开关组件m；再由若干个开关组件m级联形成耗能装置M的优点是可以节省结构组件，相比实施例1可以降低耗能装置的成本。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，包括在直流母线DC上依次连接的第一隔离开关S1、第一电抗器L1、耗能装置M、第二电抗器L2、耗能电阻R和第二隔离单元S2；所述耗能装置M包括若干个级联的开关组件m；其中一个开关组件m包括至少一个开关子模块；所述开关子模块内包括第一可控半导体器件T1、第二可控半导体器件T2、吸收电阻R1、均压电阻R2、限压器MOV、二极管D1和吸收电容C；
所述第一可控半导体器件T1的集电极、二极管D1的负极、限压器MOV的一端、均压电阻R2的一端、吸收电阻R1的一端和第二可控半导体器件T2的集电极连接开关子模块端口正端；所述电容C的一端、吸收电阻R1的另一端、限压器MOV的另一端、第一可控半导体器件T1的发射极、第二可控半导体器件T2的发射极和二极管D1的阳极连接开关子模块端口负端设置。
2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，所述限压器MOV、吸收电阻R1和第二可控半导体器件T2并联在开关子模块的正负端口之间设置。
3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，所述均压电阻R2和电容C串联后并联在开关子模块的正负端口之间设置。
4.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，所述第一可控半导体器件T1与二极管D1并联后并联在开关子模块的正负端口之间设置。
5.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，所述第一可控半导体器件T1为绝缘栅双极型晶体管IGBT、电子注入增强门极晶体管IEGT、双模式绝缘栅晶体管BIGT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR或晶闸管。
6.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，所述第二可控半导体器件T2为绝缘栅双极型晶体管IGBT、电子注入增强门极晶体管IEGT、双模式绝缘栅晶体管BIGT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR或晶闸管。
7.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，所述二极管D1为普通二极管或快恢复二极管。
8.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，一个所述开关组件m包括至少一个开关子模块，当开关子模块的数量大于1时，开关子模块的负端口与其相邻的开关子模块的正端口连接。
9.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，所述第一隔离开关S1的正极与直流母线DC的正极连接设置，第一隔离开关S1的负极接于第一电抗器L1的正端；第一电抗器L1的负端接于耗能装置M的正端口；耗能装置M的负端口接于第二电抗器L2的正端；第二电抗器L2的负端接于耗能电阻R的正端，耗能电阻R的负端接于第二隔离单元S2的正端，第二隔离单元S2的负端接于直流母线DC的负极设置。
10.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统集中式耗能装置拓扑，其特征在于，所述耗能电阻R为金属电阻。
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