CN209448436U - 一种模块化直流耗能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模块化直流耗能装置，所述装置包括至少两个均压耗能模块，所述至少两个均压耗能模块同方向串联连接；所述均压耗能模块包括直流电容、限流单元、耗能支路与旁路开关，所述直流电容与限流单元串联连接构成第一串联单元，所述第一串联单元的首端和尾端作为均压耗能模块的首端和尾端；所述耗能支路并联在直流电容的两端，所述旁路开关与第一串联单元并联连接。当直流线路电压升高时，可以通过控制第一功率半导体器件控制耗能电阻的投退，以稳定直流电压，当均压耗能模块故障或直流线路短路时，通过限流单元限制电容放电电流。装置性价比很高，可靠性高，易于实现。
Description
技术领域
本实用新型属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种模块化直流耗能装置。
背景技术
在高压直流输电系统中，模块化直流耗能装置是至关重要的设备。模块化直流耗能装置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。
现有技术中目前常用的技术方案为采用功率半导体器件，如IGBT直接串联和集中的电阻方案构成，由IGBT阀串承受高压，集中电阻消耗能量，该方案工作时所有IGBT同时导通，对器件开通和关断的一致性要求极高，一旦出现不一致，会导致部分阀段过压烧毁，由于工作时会不断的开通关断，装置损坏的风险很高；也有技术方案提出模块化方案，但方案存在器件数量多，成本高，可靠性低的缺陷，如专利CN102132484B-具有分布式制动电阻的变换器中提出的解决方案，如图3所示，该方案图中二极管构成的桥臂主要作用是防止外部发生短路时，电容直接向短路点放电，二极管的单向导通特性阻断了电容放电的路径，这样做的主要缺陷在于：(1)充电时等效回路为二极管桥臂上管串联电容，具有较高电流变化率，需要在回路中串联限流电抗器；(2)该方案中器件数量较多，共包含4组功率半导体器件，功率半导体器件可靠性相对较低，使整个模块的故障率更高，且成本较高。(3)该方案在耗能时二极管桥臂上管流过大电流，由于寄生电感的作用，关断时存在过电压风险，实际工程应用中需要增加钳位吸收回路；(4)当模块故障旁路时或需要检修时，直流电容没有放电通路，降至安全电压的时间很长且无法检测；(5)在外部短路时，相当于是一种故障状态，此时电容无法放电，存在安全隐患，最理想的处理方式是使电容迅速放电，使电容电压下降到安全值以下；为了克服上述缺陷，本实用新型提供一种成本低、可靠性高的解决方案。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提出了一种模块化直流耗能装置，装置并联在中、高压直流线路之间，当均压耗能模块故障或直流线路短路时，通过限流单元限制电容放电电流；采用均压耗能模块直接串联方式，结构简单，占地小，可靠性高。
为了达成上述目的，本实用新型采用的具体的方案如下：
一种模块化直流耗能装置，包括至少两个均压耗能模块，所述至少两个均压耗能模块同方向串联连接；所述均压耗能模块包括直流电容、限流单元、耗能支路与旁路开关，所述直流电容与限流单元串联连接构成第一串联单元，所述第一串联单元的首端和尾端作为均压耗能模块的首端和尾端；所述耗能支路并联在直流电容的两端，所述耗能支路包括串联连接的第一功率半导体器件和耗能电阻；所述限流单元包含带有限流功能的器件；所述旁路开关与第一串联单元并联连接。
进一步地，所述均压耗能模块还包括第二功率半导体器件，所述第二功率半导体器件与第一串联单元并联连接。
进一步地，所述装置还包括单向导通单元，所述单向导通单元由至少两个第三功率半导体器件同方向串联构成；所述单向导通单元与所述至少两个均压耗能模块串联连接。
进一步地，所述装置中耗能支路的连接方式为以下两种之一：
方式1：所述第一功率半导体器件的集电极与耗能电阻连接后，与直流电容正极连接，所述第一功率半导体器件的发射极与直流电容负极连接；
方式2：所述第一功率半导体器件的集电极与直流电容正极连接，所述第一功率半导体器件的发射极与耗能电阻连接后，与直流电容负极连接。
进一步地，所述限流单元为电阻、电感、熔断器或三种器件的组合。
进一步地，所述旁路开关是机械开关或由功率半导体器件构成的固态开关。
进一步地，所述模块化直流耗能装置还包括至少一个隔断开关，与所述均压耗能模块串联连接。
进一步地，所述模块化直流耗能装置中的第一功率半导体器件为全控型功率半导体器件。
进一步地，所述模块化直流耗能装置中的第二功率半导体器件为半控型功率半导体器件或二极管。
进一步地，所述模块化直流耗能装置中的第三功率半导体器件为半控型功率半导体器件或二极管。
进一步地，所述模块化直流耗能装置中的第一功率半导体器件还并联一个反并联二极管。
进一步地，所述模块化直流耗能装置中的耗能电阻还并联一个二极管。
进一步地，所述限流单元还并联一个二极管。
进一步地，所述模块化直流耗能装置中的单向导通单元还并联一个非线性电阻。
进一步地，所述模块化直流耗能装置的一端连接直流线路高电位电极，另一端连接直流线路低电位电极。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型利用限流单元可有效的限制电容充放电电流，主要作用体现在以下几个方面：(1)当充电时，限流单元与直流电容串联，通过限流单元向电容充电，避免了充电电流过大损坏电容以及其他器件，节省了外加的电容预充电回路，一旦预充电完成后，电压施加在直流电容上，限流单元几乎为零损耗。(2)当直流线路发生短路时，直流电容通过限流单元放电，限制了放电电流，与采用二极管阻断的方案相比，故障情况下将电容电量放光，可靠性和安全性更好。(3)当均压耗能模块发生故障时，闭合旁路开关，旁路开关与限流单元结合，为直流电容构成了安全的放电回路，旁路开关一旦闭合后，整个故障模块被旁路，可靠性高。(4)该限流单元并不在直流电容与耗能支路所在串联回路中，因此在耗能支路工作时，第一功率半导体器件的导通或关断不会受到限流单元的影响。
2、本实用新型的第二功率半导体器件主要作用体现在以下方面：在均压耗能模块控制失效或旁路开关失效时，起到被动过压击穿的作用，可靠旁路均压耗能模块。
3、本实用新型的限流单元如采用电阻，除起到限流作用外，还可起到耗能的作用，减少耗能支路电阻的功耗，降低设备制造难度，节约成本。
4、本实用新型方案仅增加限流单元(优选地，限流单元为电阻)即实现了原有技术方案中二极管的作用，总体成本大大降低，且在正常工作时，限流单元并不会影响装置的主要功能，仅在电容快速充放电的过程中发挥作用。
5、本实用新型提出的模块化直流耗能装置并联在中、高压直流线路高、低电位之间，利用均压耗能模块将装置拆分成各个子模块，每个模块均包含直流电容，可共同承受线路电压，降低了均压耗能模块中功率半导体器件承受过电压的风险。且电容具有缓冲作用，对电压的上升和下降的速率起到一定的控制作用。
附图说明
图1为本实用新型的模块化直流耗能装置的第一实施例。
图2为本实用新型的模块化直流耗能装置的第二实施例。
图3为现有技术的模块结构图。
图4为本实用新型的模块化直流耗能装置的充电示意图。
图5为本实用新型的模块化直流耗能装置在直流线路短路时电容放电示意图。
图6为本实用新型的模块化直流耗能装置在模块故障时电容放电示意图。
图中标号名称：1、模块化直流耗能装置；2、均压耗能模块；3、限流单元；4、直流电容；5、第一功率半导体器件；6、耗能电阻；7、二极管；8、旁路开关；9、第三功率半导体器件；10、非线性电阻；11、隔断开关；12、第二功率半导体器件。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，所述装置1包括至少两个均压耗能模块2，所述至少两个均压耗能模块同方向串联连接；所述均压耗能模块包括直流电容4、限流单元3、耗能支路与旁路开关8，所述直流电容与限流单元串联连接构成第一串联单元，所述第一串联单元的首端和尾端作为均压耗能模块的首端和尾端；所述耗能支路并联在直流电容的两端，所述耗能支路包括串联连接的第一功率半导体器件5和耗能电阻6；所述限流单元包含带有限流功能的器件；所述旁路开关与第一串联单元并联连接。
其中，所述均压耗能模块还包括第二功率半导体器件12，第二功率半导体器件与第一串联单元并联连接。
其中，所述装置还包括单向导通单元，所述单向导通单元由至少两个第三功率半导体器件9同方向串联构成；所述单向导通单元与所述至少两个均压耗能模块串联连接。如图2所示，图2为本实用新型增加了单向导通单元后的实施例。
其中，所述装置中耗能支路的连接方式为以下两种之一：
方式1：所述第一功率半导体器件的集电极与耗能电阻连接后，与直流电容正极连接，所述第一功率半导体器件的发射极与直流电容负极连接；
方式2：所述第一功率半导体器件的集电极与直流电容正极连接，所述第一功率半导体器件的发射极与耗能电阻连接后，与直流电容负极连接。
其中，所述限流单元为电阻、电感、熔断器或三种器件的组合。优选地，在本实施例中，限流单元为电阻。
其中，所述旁路开关是机械开关或由功率半导体器件构成的固态开关。
其中，所述模块化直流耗能装置还包括至少一个隔断开关11，与所述均压耗能模块串联连接。
其中，所述模块化直流耗能装置中的第一功率半导体器件为全控型功率半导体器件。优选地，在本实施例中，第一功率半导体器件为IGBT。
其中，所述模块化直流耗能装置中的第二功率半导体器件为半控型功率半导体器件或二极管。在本实施例中，为二极管或晶闸管。
其中，所述模块化直流耗能装置中的第三功率半导体器件为半控型功率半导体器件或二极管。在本实施例中，为二极管或晶闸管。
其中，所述模块化直流耗能装置中的第一功率半导体器件还并联一个反并联二极管。
其中，所述模块化直流耗能装置中的耗能电阻还并联一个二极管7。
其中，所述限流单元还并联一个二极管。
其中，所述模块化直流耗能装置中的单向导通单元还并联一个非线性电阻10。
其中，所述装置的一端连接直流线路高电位电极，另一端连接直流线路低电位电极。在伪双极直流输电系统中，所述装置的一端连接直流线路正极，装置的另一端连接直流线路负极；在真双极直流输电系统中，所述装置可以与直流线路的正、负极连接，也可以连接在正极与地之间，或地与负极之间。
上述模块化直流耗能装置的控制方法：
(1)如图4所示，当装置启动时，直流电容初始电压为0，需要向直流电容充电，本实用新型通过限流单元向均压耗能模块中的直流电容充电，可有效的限制充电电流。
(2)当与装置连接的直流线路正常运行时，关断所有均压耗能模块中的第一功率半导体器件；
当直流线路过压时，
当检测到直流线路电压超过第一阈值时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中的第一功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第一功率半导体器件；当检测到直流线路电压超过第二阈值时，导通所有均压耗能模块中的第一功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第一功率半导体器件。
当直流线路过压时，进入耗能模式。设定电压控制目标的第一阈值为420kV，第二阈值为440kV，正常值为400kV.
当检测到直流线路电压超过420kV时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中的IGBT。
在耗能模式下，IGBT导通后，此时由于电阻的投入，能量被消耗，直流电压值的变化取决于能量积累的速度和消耗的速度。当能量的消耗速度大于积累速度时，检测到直流电压恢复到400kV及以下，关断一部分均压耗能模块中的IGBT；如果积累的能量速度大于消耗的速度，开通一部分均压耗能模块中的IGBT，将直流电压稳定在400kV。
如果直流电压继续上升，直流电压超过了440kV，此时，同时导通所有均压耗能模块中的IGBT，以最大的耗能能力释放直流侧累积能量。
(2)当均压耗能模块发生故障时，所述方法包括如下步骤：
步骤1：当检测到均压耗能模块发生故障时，如故障均压耗能模块的第一功率半导体器件处于导通状态，则关断所述故障均压耗能模块的第一功率半导体器件；
步骤2：闭合故障均压耗能模块的旁路开关；所述故障均压耗能模块的直流电容通过限流单元放电。
如图6所示，当模块发生故障时，闭合旁路开关，此时，直流电容将通过限流单元放电，可有效的限制放电电流。保证了旁路的可靠性。
(3)当直流线路短路时，所述方法包括如下步骤：
步骤1，关断处于导通状态的第一功率半导体器件；
步骤2：所述均压耗能模块的直流电容通过限流单元向短路点放电。
如图5所示，当直流线路短路时，直流电容将对短路点放电，此时多个模块的限流单元均串联在放电回路中，可有效的限制放电电流，保证了放电的安全性。
以上实施例仅用于说明本实用新型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实用新型的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种模块化直流耗能装置，其特征在于，所述装置包括至少两个均压耗能模块，所述至少两个均压耗能模块同方向串联连接；所述均压耗能模块包括直流电容、限流单元、耗能支路与旁路开关，所述直流电容与限流单元串联连接构成第一串联单元，所述第一串联单元的首端和尾端作为均压耗能模块的首端和尾端；所述耗能支路并联在直流电容的两端，所述耗能支路包括串联连接的第一功率半导体器件和耗能电阻；所述限流单元包含带有限流功能的器件；所述旁路开关与第一串联单元并联连接。
2.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述均压耗能模块还包括第二功率半导体器件，所述第二功率半导体器件与第一串联单元并联连接。
3.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述装置还包括单向导通单元，所述单向导通单元由至少两个第三功率半导体器件同方向串联构成；所述单向导通单元与所述至少两个均压耗能模块串联连接。
4.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述装置中耗能支路的连接方式为以下两种之一：
方式1：所述第一功率半导体器件的集电极与耗能电阻连接后，与直流电容正极连接，所述第一功率半导体器件的发射极与直流电容负极连接；
方式2：所述第一功率半导体器件的集电极与直流电容正极连接，所述第一功率半导体器件的发射极与耗能电阻连接后，与直流电容负极连接。
5.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述限流单元为电阻、电感、熔断器或三种器件的组合。
6.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述旁路开关是机械开关或由功率半导体器件构成的固态开关。
7.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述模块化直流耗能装置还包括至少一个隔断开关，与所述均压耗能模块串联连接。
8.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述模块化直流耗能装置中的第一功率半导体器件为全控型功率半导体器件。
9.如权利要求2所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述模块化直流耗能装置中的第二功率半导体器件为半控型功率半导体器件或二极管。
10.如权利要求3所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述模块化直流耗能装置中的第三功率半导体器件为半控型功率半导体器件或二极管。
11.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述模块化直流耗能装置中的第一功率半导体器件还并联一个反并联二极管。
12.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述模块化直流耗能装置中的耗能电阻还并联一个二极管。
13.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述限流单元还并联一个二极管。
14.如权利要求3所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述模块化直流耗能装置中的单向导通单元还并联一个非线性电阻。
15.如权利要求1所述的一种模块化直流耗能装置，其特征在于：所述模块化直流耗能装置的一端连接直流线路高电位电极，另一端连接直流线路低电位电极。
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| CN201920271620.7U CN209448436U (zh) | 2019-03-04 | 2019-03-04 | 一种模块化直流耗能装置 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN109742767A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-05-10 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种模块化直流耗能装置及控制方法 |
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