CN113839409B - 一种模块式分布电阻耗能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块式分布电阻耗能装置，包括基于电容后置解耦电路耗能子模块，所述基于电容后置解耦电路耗能子模块包括：开关、第一开关器件、第二开关器件、第二电子开关、直流电容、耗能电阻和解耦电路。本发明提出的基于电容后置解耦电路的模块式分布电阻耗能装置可根据当前所需耗能功率的设定值，通过对解耦电路占空比的控制，使耗能装置的耗能功率控制能够实现平滑性而不会产生追踪误差。因此，通过本发明，分布式电阻耗能装置不仅具有高度的模块化，同时可以使耗能功率达到平滑调节的效果，避免耗能功率不连续调节所带来的不良后果。

Description

一种模块式分布电阻耗能装置及其控制方法

技术领域

本发明属于直流耗能装置技术领域，特别涉及一种基于电容后置解耦电路的模块式分布电阻耗能装置及其控制方法。

背景技术

当前，随着化石能源的逐渐枯竭和人们对生态环境保护的日益重视，作为可再生能源与清洁能源代表的风能，尤其是海上风能的开发利用逐渐受到了更多的关注。在海上风电的送出方式的选择中，交流电缆由于存在电容充电电流问题限制了输送距离，因此现有的远海风电长距离输送工程中均采用了直流输送的方式。在远海风电的直流送出系统中，如何有效地实现受端电网故障时整个系统的故障穿越(Fault-Ride-Through，FRT)始终是重要的工程技术问题，而直流耗能装置则是实现海上风电直流送出系统FRT的重要物理装置。

目前已经提出的直流耗能装置根据主电路结构的不同主要可以分为三类：开关器件串联阀耗能电路、模块化分布电阻耗能电路以及模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，以下简称MMC)型集中电阻耗能电路。

然而，开关器件串联阀耗能电路中需要使用大量的开关器件(例如IGBT器件)串联，开关器件的动态均压在实际应用是一个很大的挑战，实现难度非常大：1、由于采用的是两电平斩波方式，功率调节平滑度也较差，并影响故障穿越性能；2、由于在耗能电阻上施加的是高压两电平脉冲，导致装置的dv/dt和di/dt值非常高。MMC集中电阻耗能电路虽然避免了大量开关的集中串联，但链式全桥的使用过大增加了耗能装置的成本，不利于系统建设的经济性。鉴于此，模块化分布电阻耗能电路便成了实际工程应用中耗能装置的首选方案，且ABB公司已将其在欧洲北海的风电场中进行了应用。

但是，在传统的模块化分布电阻耗能电路中，由于子模块中不存在主动对电容电压进行调节的电路，因此耗能装置的耗能功率控制是不连续的，只能以阶梯的形式进行耗能功率的控制。也就是说，传统的模块化分布电阻耗能电路的输出功率连续性取决于耗能子模块的个数，子模块越多，功率调节越平滑，否则会出现功率跟踪误差，影响海上风电直流送出系统FRT的整体控制效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于电容后置解耦电路的模块式分布电阻耗能装置，以期改善分布式电阻耗能装置的功率调节平滑性。

本发明的模块式分布电阻耗能装置，包括基于电容后置解耦电路耗能子模块，所述基于电容后置解耦电路耗能子模块包括：开关、第一开关器件、第二开关器件、第二电子开关、直流电容、耗能电阻和解耦电路，

其中，

所述解耦电路具有三个连接端：第一连接端、第二连接端和第三连接端；

所述开关的第一电极连接所述第一开关器件的第二电极和所述第二开关器件的第一电极；

所述开关的第二电极连接所述第一开关器件的第一电极、所述直流电容的第二电极、所述解耦电路的第三连接端和所述耗能电阻的第二电极；

所述第二开关器件的第二电极连接所述解耦电路的第一连接端和所述直流电容的第一电极；

所述解耦电路的第二连接端与所述第二电子开关的第一电极连接；

所述第二电子开关的第二电极和所述耗能电阻的第一电极连接。

进一步，

所述解耦电路包括第一电子开关、降压电感和第三开关器件，

其中，

所述第一电子开关的第二电极连接所述第三开关器件的第二电极和所述降压电感的一端。

进一步，

所述第一电子开关的第一电极为所述解耦电路的第一连接端；

所述降压电感的另一端为所述解耦电路的第二连接端；

所述第三开关器件的第一电极为所述解耦电路的第三连接端。

进一步，

所述第一电子开关为单向电力电子开关；

所述第三开关器件为二极管，所述第三开关器件的第一电极为阳极，所述第三开关器件的第二电极为阴极。

进一步，

所述开关的第一电极构成所述基于电容后置解耦电路耗能子模块的第一端子；

所述开关的第二电极构成所述基于电容后置解耦电路耗能子模块的第二端子。

进一步，

所述开关为机械开关，所述开关的第一电极为正极，所述开关的第二电极为负极；

所述第一开关器件为二极管，所述第一开关器件的第一电极为阳极，所述第一开关器件的第二电极为阴极；

所述第二开关器件为二极管，所述第二开关器件的第一电极为阳极，所述第二开关器件的第二电极为阴极；

所述第二电子开关为单向电力电子开关；

所述耗能电阻为直流耗能电阻。

进一步，

所述第一电子开关和/或第二电子开关均为下列器件之一：金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管，

所述第一电子开关和/或第二电子开关为金属氧化物半导体场效应晶体管时，第一电极为源极，第二电极为漏极；

所述第一电子开关和/或第二电子开关为绝缘栅双极晶体管时，第一电极为集电极，第二电极为发射极；

所述第一电子开关和/或第二电子开关为集成门极换流晶闸管时，第一电极为阳极，第二电极为阴极。

本发明还提供一种模块式分布电阻耗能装置控制方法，所述控制方法用于控制上述的模块式分布电阻耗能装置，包括步骤：

根据解耦电路的占空比D确定第一电子开关的第一触发脉冲。

进一步，

所述解耦电路的占空比D满足

其中，

N_总为模块式分布电阻耗能装置中的耗能子模块总数，为大于1的整数；

V_DC为海上风电直流送出系统正负极线的直流电压值；

P_{in_G}为海上风电直流送出系统网侧换流站的直流侧输入功率；

P_{out_G}为所述海上风电直流送出系统网侧换流站的交流侧输出功率；

R为耗能电阻的电阻值；

Floor[]为向下取整函数。

进一步，

还包括步骤：通过电容电压均压环节确定第二电子开关的第二触发脉冲。

本发明的模块式分布电阻耗能装置基于电容后置解耦电路的降压作用，可对耗能子模块中直流耗能电阻两端的直流电压进行连续调节，从而实现整个模块式分布电阻耗能装置输出功率的连续变化。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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1示出了根据本发明实施例的模块式分布电阻耗能装置拓扑结构图；

图2示出了根据本发明实施例的模块式分布电阻耗能装置控制框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

图1为本发明的模块式分布电阻耗能装置拓扑结构图。

由图1可知，本发明的模块式分布电阻耗能装置(简称耗能装置)的主电路部分包括N1个级联的基于电容后置解耦电路耗能子模块：R-SM₁，R-SM₂，…，R-SM_N，N1为大于1的整数。所述N1个级联的基于电容后置解耦电路耗能子模块具有相同的结构，包括：机械开关MS、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一单向电力电子开关S₁、第二单向电力电子开关S₂、直流电容C、降压电感L及直流耗能电阻R。其中，第一单向电力电子开关S₁、第二单向电力电子开关S₂可为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)及集成门极换流晶闸管(IGCT)等能够主动进行开通于关断动作的电力电子器件。下面以第一单向电力电子开关S₁、第二单向电力电子开关S₂为IGBT为例说明本发明的实施例。

所述机械开关MS的正极连接第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阳极后构成所述基于电容后置解耦电路耗能子模块(可简称耗能子模块)的第一端子T1。所述的机械开关MS的负极连接第一二极管D₁的阳极、直流电容C的负极、第三二极管D₃的阳极、直流耗能电阻R的负极后构成耗能子模块的第二端子T2。所述的第二二极管D₂的阴极连接第一单向电力电子开关S₁的集电极和直流电容C的正极。所述的第一单向电力电子开关S₁的发射极连接第三二极管D₃的阴极、降压电感L的一端。降压电感L的另一端与第二单向电力电子开关S₂的集电极连接。所述的第二单向电力电子开关S₂的发射极和直流耗能电阻R正极连接。其中，第一单向电力电子开关S₁、降压电感L和第三二极管D₃的构成解耦电路DL，解耦电路DL具有三个连接端，第一单向电力电子开关S₁的集电极为解耦电路DL的第一连接端，降压电感L的另一端为解耦电路DL的第二连接端，第三二极管D₃的阳极为解耦电路DL的第三连接端。

本发明还提供了上述模块式分布电阻耗能装置控制方法。图2所示为本发明的模块式分布电阻耗能装置控制框图。所述模块式分布电阻耗能装置的控制原理及控制方法如下。

首先，需要整个远海风电的系统级控制根据系统的运行状态来确定所需要的耗能功率P_ref。具体地，假设P_{in_G}表示海上风电直流送出系统网侧换流站的直流侧输入功率，P_{out_G}为其交流侧输出功率，则所需要的耗能功率为：

P_ref＝P_{in_G}-P_{out_G} (1)。

然后，计算需要投入的子模块个数N。在计算需要投入的子模块(即上述基于电容后置解耦电路耗能子模块)个数时，我们认为解耦电路DL占空比为1，即第一单向电力电子开关S₁处于恒导通状态。此时，假设海上风电直流送出系统正负极线的直流电压值为V_DC，则通过均压环节的作用，各子模块的直流电容电压V_SM为：

式中，N_总为基于电容后置解耦电路的模块式分布电阻耗能装置中的耗能子模块总数，为大于1的整数。

基于式(2)，每个子模块的耗能功率P_SM为：

式(2)中，R为耗能子模块中直流耗能电阻R的电阻值。

由式(1)与(3)可知，需要投入的子模块数(或简称投入的子模块数)N为

式(4)中，Floor[]为向下取整函数。式(4)所确定的投入子模块数小于或等于理论子模块数(可能不是整数)，因此需要解耦电路DL来对直流耗能电阻R的电压进行调节，补偿所缺失的耗能功率。

其次，根据计算所得的需要投入子模块数N，一方面通过电容电压均压环节确定所有耗能子模块中第二单向电力电子开关S₂的触发脉冲，另一方面计算所有耗能子模块中第一单向电力电子开关S₁的占空比D(即解耦电路DL的占空比)，并确定触发脉冲。所述电容电压均压环节包括：首先对耗能装置中的所有子模块的电容电压进行由大到小的排序，再根据需要的投入子模块数N及排序结果，确定前N个子模块的第二单向电力电子开关S₂的触发脉冲。

第一单向电力电子开关S₁的占空比D计算原则如下：

在一个第一单向电力电子开关S₁的工作周期内，假设第一单向电力电子开关S₁的占空比为D，且耗能子模块中直流耗能电阻R上的电压为U_R，则在第一单向电力电子开关S₁导通的时间DT(T为第一单向电力电子开关S₁的开关周期)内，加在降压电感L上的电压为(V_SM-U_R)；在第一单向电力电子开关S₁关断的时间(1-D)T内，加在降压电感L上的电压为(0-U_R)。由于一个周期内，流过降压电感L(电感值为L)的电流平均值应为0，因此

即：

U_R＝DV_SM (6)。

由于投入的子模块数已经在式(4)确定了，因此：

最后，依据上述计算与图2，可控制本发明的模块式分布电阻耗能装置的运行。本发明的模块式分布电阻耗能装置控制方法包括步骤：

一，根据直流系统所需要的耗能功率参考值指令确定所需要的耗能功率P_ref；

二，然后，求得解耦电路DL占空比为1时每个子模块的耗能功率P_SM；三，再通过向上取整计算得到需要投入的子模块数N，并依据投入的子模块数N计算求得解耦电路DL的占空比D；

四，通过电容电压均压环节确定所有耗能子模块中第二单向电力电子开关S₂的触发脉冲(即第二触发脉冲)；

五，根据解耦电路DL的占空比D确定所有耗能子模块中第一单向电力电子开关S₁的触发脉冲(即第一触发脉冲)；

六，通过触发脉冲发生器产生上述步骤四和步骤五中的第一触发脉冲和第二触发脉冲。

本发明提出的基于电容后置解耦电路的模块式分布电阻耗能装置可根据当前所需耗能功率的设定值，通过对解耦电路占空比的控制，使耗能装置的耗能功率控制能够实现平滑性而不会产生追踪误差。因此，通过本发明，分布式电阻耗能装置不仅具有高度的模块化，同时可以使耗能功率达到平滑调节的效果，避免耗能功率不连续调节所带来的不良后果。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种模块式分布电阻耗能装置，其特征在于，包括基于电容后置解耦电路耗能子模块，所述基于电容后置解耦电路耗能子模块包括：开关、第一开关器件、第二开关器件、第二电子开关、直流电容、耗能电阻和解耦电路，

其中，

所述解耦电路具有三个连接端：第一连接端、第二连接端和第三连接端；

所述开关的第一电极连接所述第一开关器件的第二电极和所述第二开关器件的第一电极；

所述开关的第二电极连接所述第一开关器件的第一电极、所述直流电容的第二电极、所述解耦电路的第三连接端和所述耗能电阻的第二电极；

所述第二开关器件的第二电极连接所述解耦电路的第一连接端和所述直流电容的第一电极；

所述解耦电路的第二连接端与所述第二电子开关的第一电极连接；

所述第二电子开关的第二电极和所述耗能电阻的第一电极连接；

所述解耦电路包括第一电子开关、降压电感和第三开关器件，

其中，

所述第一电子开关的第二电极连接所述第三开关器件的第二电极和所述降压电感的一端；

所述第一电子开关的第一电极为所述解耦电路的第一连接端；

所述降压电感的另一端为所述解耦电路的第二连接端；

所述第三开关器件的第一电极为所述解耦电路的第三连接端；

所述第一电子开关为单向电力电子开关；

所述第三开关器件为二极管，所述第三开关器件的第一电极为阳极，所述第三开关器件的第二电极为阴极；

所述开关的第一电极构成所述基于电容后置解耦电路耗能子模块的第一端子；

所述开关的第二电极构成所述基于电容后置解耦电路耗能子模块的第二端子；

所述开关为机械开关，所述开关的第一电极为正极，所述开关的第二电极为负极；

所述第一开关器件为二极管，所述第一开关器件的第一电极为阳极，所述第一开关器件的第二电极为阴极；

所述第二开关器件为二极管，所述第二开关器件的第一电极为阳极，所述第二开关器件的第二电极为阴极；

所述第二电子开关为单向电力电子开关；

所述耗能电阻为直流耗能电阻；

所述第一电子开关和/或第二电子开关均为下列器件之一：金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管，

所述第一电子开关和/或第二电子开关为金属氧化物半导体场效应晶体管时，第一电极为源极，第二电极为漏极；

所述第一电子开关和/或第二电子开关为绝缘栅双极晶体管时，第一电极为集电极，第二电极为发射极；

所述第一电子开关和/或第二电子开关为集成门极换流晶闸管时，第一电极为阳极，第二电极为阴极。

2.一种模块式分布电阻耗能装置控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1所述的模块式分布电阻耗能装置，包括步骤：

根据解耦电路的占空比D确定第一电子开关的第一触发脉冲。

3.根据权利要求2所述的模块式分布电阻耗能装置控制方法，其特征在于，

所述解耦电路的占空比D满足

其中，

N_总为模块式分布电阻耗能装置中的耗能子模块总数，为大于1的整数；

V_DC为海上风电直流送出系统正负极线的直流电压值；

P_{in_G}为海上风电直流送出系统网侧换流站的直流侧输入功率；

P_{out_G}为所述海上风电直流送出系统网侧换流站的交流侧输出功率；

R为耗能电阻的电阻值；

Floor[]为向下取整函数。

4.根据权利要求2或3所述的模块式分布电阻耗能装置控制方法，其特征在于，

还包括步骤：通过电容电压均压环节确定第二电子开关的第二触发脉冲。