CN112787317A - 一种直流耗能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流耗能装置，该装置包括至少一个耗能单元，各耗能单元串联，所述耗能单元包括耗能支路和至少两个耗能子模块，所述耗能支路由第一开关器件和耗能电阻串联组成，每个耗能子模块包括储能电容，各耗能子模块输入端串联，各耗能子模块的输出端并联后与所述耗能支路连接。本发明避免了功率半导体器件直接串联方案中开断不一致导致的器件损坏风险，功率泻放期间直流电压稳定性好，还可以减少泻放过程中的功率冲击，多个耗能子模块共用一个耗能支路，大大简化了装置结构，降低了系统成本。

Description

一种直流耗能装置

技术领域

本发明属于高压直流输电技术领域，具体涉及一种直流耗能装置。

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。

现有技术中，采用的方法是将功率半导体器件直接串联，当直流电压过高时，通过电力电子器件的控制，投入电阻，电阻的投入将使直流电压下降，当电阻的耗能速度超过直流侧累积能量的速度，直流电压就会下降，关断电阻放电回路，直流电压再上升，通过反复的开通和关断电阻支路以控制直流电压，该方法主要存在的问题在于：在关断时，由于多个功率半导体开关器件同时关断存在技术困难，很难保证一致性，一旦关断不同步，就会有导通慢的器件或关断快的器件承受过电压而损坏。

虽然有一些直流耗能装置能够解决功率半导体开关器件关断不同步导致器件损坏的问题，但是装置结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流耗能装置，解决现有的直流耗能装置在解决功率半导体开关器件关断不同步导致器件损坏的问题时，结构复杂，成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的直流耗能装置包括至少一个耗能单元，各耗能单元串联，所述耗能单元包括耗能支路和至少两个耗能子模块，所述耗能支路由第一开关器件和耗能电阻串联组成，每个耗能子模块包括储能电容，各耗能子模块输入端串联，各耗能子模块的输出端并联后与所述耗能支路连接。

本发明的直流耗能装置避免了功率半导体器件直接串联方案中开断不一致导致的器件损坏风险，功率泻放期间直流电压稳定性好，还可以减少泻放过程中的功率冲击。装置中耗能单元采用模块化的方式，极大的降低了装置的生产制造难度和工程实施难度，提高了装置的运行可靠性，提高了维护的便益性，而且易于扩展到更高电压等级和更大容量的应用场合。多个耗能子模块共用一个耗能支路，大大简化了装置结构，降低了系统成本。

为了防止储能电容向直流线路放电，所述耗能子模块还包括二极管，所述二极管串设在耗能子模块的输入端。

为了隔离各储能电容，在功率泄放时防止储能电容之间放电及与耗能支路中的续流二极管形成续流回路，所述耗能子模块的输出端上串设有箝位二极管。

为了便于对耗能子模块进行投切，所述耗能子模块还包括第二开关器件，所述第二开关器件与储能电容并联。

为了便于切除故障的耗能子模块，所述耗能子模块还包括第一旁路开关，所述第一旁路开关与储能电容并联。

为了改善模块中储能电容的静态均压效果，所述耗能子模块还包括均压电阻，所述均压电阻并联在储能电容两端。

为了便于投切耗能单元，所述耗能单元两端并联有第三开关器件。

为了便于切除故障的耗能单元，所述耗能单元两端并联有第二旁路开关。

为了提高装置可靠性，所述第一开关器件和第二开关器件并联有续流二极管。

为了提高装置可靠性，所述耗能电阻上并联有续流二极管。

附图说明

图1是本发明的直流耗能装置结构图；

图2是本发明的直流耗能装置电路原理图；

图3是本发明的一种耗能单元电路结构图；

图4是本发明的另一种耗能单元电路结构图；

图5是本发明的一种耗能子模块电路结构图；

图6是本发明的另一种耗能子模块电路结构图；

图7为本发明的分压模块均压控制流程图；

图8为本发明直流耗能装置的控制框图；

图中：1-耗能单元，2-耗能支路，3-耗能子模块，4-储能电容，5-开关器件，6-旁路开关，7-第一箝位二极管，8-第二箝位二极管，9-耗能开关，10-耗能电阻，11-二极管，12-均压电阻，13-隔离开关。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明的直流耗能装置包括至少一个耗能单元，各耗能单元串联组成，所述耗能单元包括耗能支路，所述耗能支路由第一开关器件和耗能电阻串联组成，所述耗能单元还包括至少两个耗能子模块，每个耗能子模块包括储能电容，各耗能子模块输入端串联连接，每个耗能子模块的输出端并联，并联后与所述耗能支路连接。

如图1所示，直流耗能装置包括N个耗能单元，N≥1，各个耗能单元串联连接。下面以耗能单元1为例说明其内部结构。耗能单元1中包括耗能支路2和两个耗能子模块3，耗能支路2由耗能开关器件9和耗能电阻10组成，每个储能单元3中均包括储能电容，两个耗能子模块输入端串联连接，两个耗能子模块的输出端并联后，与耗能支路连接。图1中耗能单元中包括两个耗能子模块，当然作为其他实施例，还可以设置3，4，……等等。

为了防止储能电容向直流系统放电，各个耗能子模块的输入端还串设了二极管。如图2中耗能子模块3中的二极管11，二极管11串设在耗能子模块3的输入端，二极管11的负极连接储能电容4的正极，二极管11的正极连接耗能子模块3的正输入端。

为了隔离储能电容，本发明的耗能单元还包括箝位二极管，箝位二极管的设置个数与耗能子模块的个数相同，箝位二极管分别串设在耗能子模块的输出端，以阻止耗能单元中两个储能电容之间相互放电。如图2所示，耗能单元3中包括两个箝位二极管，分别是箝位二极管7和箝位二极管8，箝位二极管7串设在第一耗能子模块的输出端，箝位二极管8串设在第二耗能子模块的输出端，具体为箝位二极管7串设在第一耗能子模块的负输出端，箝位二极管7的阴极连接第一耗能子模块中储能电容的负极；箝位二极管8串设在第二耗能子模块的正输出端，箝位二极管8的阳极连接第二耗能子模块中储能电容的正极。

为了便于投切耗能子模块，可在耗能子模块中设置开关器件，开关器件与储能电容并联。如图2所示，开关器件5并联在储能电容4两端，当开关器件5闭合，耗能子模块3切除，当开关器件5打开，耗能子模块3投入。

为了改善模块电容的静态均压效果，可在耗能子模块中设置均压电阻，均压电阻并联在储能电容两端。如图2所示，均压电阻12并联在储能电容4两端。

当耗能子模块故障时，为了隔离故障，可在耗能子模块中设置旁路开关，旁路开关并联在储能电容两端，当耗能子模块故障时，将耗能子模块旁路，隔离故障。如图2所示，旁路开关6并联在储能电容4两端，当旁路开关6闭合，耗能子模块3旁路。

还可在耗能单元两端并联开关器件，用于投切整个耗能单元，当开关器件闭合，耗能单元切除，当开关器件打开，耗能单元投入。如图3所示，耗能单元3两端并联有开关器件5。

还可以在耗能单元两端并联有旁路开关，用于当耗能单元故障时，将整个耗能单元旁路，隔离故障。如图3-4所示，耗能单元3两端并联有旁路开关6。

其中，开关器件可采用并联有续流二极管的功率开关器件。耗能电阻上也可以并联续流二极管。直流耗能装置通过隔离开关接入直流线路正负极，如图2所示，直流耗能装置与直流线路的正负极之间设置有隔离开关13。通过控制隔离开关13的通断，控制直流耗能装置是否投入工作。

本发明给出了一种直流耗能装置的最优实施例，如图2所示，直流耗能装置由至少一个耗能单元串联连接组成，所述耗能单元中包含第一耗能子模块、第二耗能子模块、第一箝位二极管7、第二箝位二极管8、一个耗能电阻10和一个耗能开关9。所述第一耗能子模块和第二耗能子模块由功率半导体开关器件5、二极管11、均压电阻12、直流电容4与旁路开关6构成；其中，功率半导体器件5的发射极与直流电容4的负极相连，集电极与二极管11的正极相连；二极管11的负极与直流电容4的正极相连；所述旁路开关6、所述均压电阻12与功率半导体器件5并联；

所述耗能开关9的发射极与耗能电阻10的正极相连；所述耗能电阻10并联一个二极管作为续流单元；所述第一耗能子模块中直流电容4的负极与第一箝位二极管7的负极相连，第一箝位二极管7的正极与耗能电阻的负极相连；所述第一耗能子模块中的直流电容4的正极与耗能功率开关的集电极相连；所述第二耗能子模块中直流电容4的负极与耗能电阻10的负极相连；所述第二耗能子模块中直流电容4的正极与第二箝位二极管8的正极相连，第二箝位二极管8的负极与与耗能功率开关9的集电极相连；

所述第一耗能子模块中功率半导体器件5的集电极作为耗能单元的正极引出点；所述第二耗能子模块中功率半导体器件5的发射极作为耗能单元的负极引出点；所述第一耗能子模块中的功率半导体器件5的负极引出点与第二耗能子模块中功率半导体器件5的正极引出点相连。

当然，耗能子模块除了附图2所示的结构以外，还有其他的实施方式，如图5、图6所示的结构。图5的结构中多设置了一个开关器件，可适用于直流线路正负极改变的情况。图6所示的电路结构，开关器件与直流电容串联设置，那么，当处于耗能模式时，开关器件导通，耗能子模块投入进行耗能，当开关器件关断时，耗能子模块切除。

下面以附图2所示的直流耗能装置为例，来阐述直流耗能装置的启动方法为：

步骤1：将全部耗能单元中耗能子模块的功率半导体开关器件5关断；将全部耗能单元中的耗能开关9关断；

步骤2：直流线路带电后，对耗能单元中的第一耗能子模块与第二耗能子模块开始进行充电。在单元开始充电后，需按照步骤3对单元进行均压控制。

步骤3：将耗能单元中耗能子模块的功率半导体器件断开定义为耗能子模块的投入状态，将耗能子模块的功率半导体器件闭合定义为耗能子模块的切除状态；

实时检测所有耗能单元中的耗能子模块的电压并进行排序，切除串联在回路中的N个耗能子模块中电压较高的设定数量的耗能子模块，实现均压控制；这里的实时检测指的是每隔一个控制周期检测一次。

步骤4：耗能单元中所有耗能子模块的平均电压达到设定值后，启动过程结束，耗能装置进入待机状态；待机状态下，需要继续执行步骤3的均压控制。

下面以附图2所示的直流耗能装置为例，来阐述直流耗能装置的控制方法：

步骤1：所述装置实时检测直流线路电压，当直流线路电压没有超过上限值Umax时，该装置处于待机状态，执行上述启动方法中步骤3所述的均压控制；当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置进入耗能模式，执行步骤2；

步骤2：通过PI控制器进行定直流线路电压控制，控制器的指令为泻放期间指定的直流线路电压，输入反馈值为实际的直流线路电压，控制器输出量乘以-1并取整后得到耗能电阻的投入个数Nx。实时检测所有耗能单元中的耗能子模块的电压，将两个耗能子模块电压取平均值后进行排序，将电压较高的Nx个耗能单元中的耗能开关闭合，进行功率泻放；

步骤3：检测直流线路电压，当直流线路电压小于下限值Umin，则退出耗能模式，断开所有耗能单元中的耗能功率开关，进入待机模式。

下面举例说明，将直流耗能装置连接在400kV的直流线路中，共包括130个耗能单元(260个耗能子模块)。在待机模式下时，实时对耗能单元中的耗能子模块电压进行排序，切除电压较高的N个耗能子模块，实现在模块均压控制，均压控制的流程图如图7所示。当电压超过1.1pu额定电压(即Umax＝440kV)时，进入耗能模式，通过PI控制器计算得到耗能电阻的投入数量为Nx，闭合电压较高的Nx个耗能单元中的耗能功率开关，进行功率泻放；当电压小于1pu的额定电压(即Umin＝400kV)时，退出耗能模式，断开所有耗能单元中的耗能功率开关器件，回到待机模式下，控制框图如图8所示。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流耗能装置，其特征在于，该装置包括至少一个耗能单元，各耗能单元串联，所述耗能单元包括耗能支路和至少两个耗能子模块，所述耗能支路由第一开关器件和耗能电阻串联组成，每个耗能子模块包括储能电容，各耗能子模块输入端串联，各耗能子模块的输出端并联后与所述耗能支路连接。

2.根据权利要求1所述的直流耗能装置，其特征在于，所述耗能子模块还包括二极管，所述二极管串设在耗能子模块的输入端。

3.根据权利要求2所述的直流耗能装置，其特征在于，所述耗能子模块的输出端上串设有箝位二极管。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的直流耗能装置，其特征在于，所述耗能子模块还包括第二开关器件，所述第二开关器件与储能电容并联。

5.根据权利要求1～3任意一项所述的直流耗能装置，其特征在于，所述耗能子模块还包括第一旁路开关，所述第一旁路开关与储能电容并联。

6.根据权利要求1～3任意一项所述的直流耗能装置，其特征在于，所述耗能子模块还包括均压电阻，所述均压电阻并联在储能电容两端。

7.根据权利要求1所述的直流耗能装置，其特征在于，所述耗能单元两端并联有第三开关器件。

8.根据权利要求1所述的直流耗能装置，其特征在于，所述耗能单元两端并联有第二旁路开关。

9.根据权利要求1所述的直流耗能装置，其特征在于，所述第一开关器件和第二开关器件并联有续流二极管。

10.根据权利要求1所述的直流耗能装置，其特征在于，所述耗能电阻上并联有续流二极管。

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