CN210744737U - 一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑 - Google Patents
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Abstract
一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，所述的模块化子模块包括上、下串联的上模块和下模块，上模块和下模块的电气结构相同，共用一个旁路开关。将两个相同结构的子模块整合为一个集成度更高的子模块结构，这将有利于子模块串联数量的降低，同时也减小子模块的结构空间的需求。在受端系统发生故障时，子模块耗能回路的可关断半导体开关会接受导通信号，精确控制直流泄能装置将线路上过剩的电能迅速消耗，避免因为电能累积所导致的电压升高，从而维持系统的稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑。
背景技术
新能源是未来能源的发展方向，尤其是大规模海上风能的开发和应用。新能源并网换流器连接的直流电压输电网中往往需要直流泄能装置，以便在逆变侧发生交流侧发生故障的情况下，能够在几秒内将本条线路上输送的多余电能消耗。系统判断交流侧的故障类型并决定是否将逆变端换流器重新投入运行。
在目前设计的采用分布电阻的泄能装置中，子模块为单模块结构，采用单一配置的旁路开关、续流二极管、储能电容、可关断半导体开关及耗能电阻。为了同时简化控制和结构，并能减少光纤的投入，可以将两个子模块整合成一个子系统模块。这将会使子模块结构集成度更高，整体体积更小，光收发光纤的数量减半。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，本实用新型提供一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，该模块将两个相同结构的子模块整合为一个集成度更高的子模块结构，这将有利于子模块串联数量的降低，同时也减小子模块的结构空间的需求。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：
一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，所述的模块化子模块包括上、下串联的上模块和下模块，上模块和下模块的电气结构相同，共用一个旁路开关(92)。
所述的上模块包括第一储能电容(31)及第一泄放电阻(51)；还包括第一可关断开关器件(41)，第一可关断开关器件(41)与第一泄放电阻(51)串联后再与第一储能电容(31)并联；
进一步地，所述的上模块还包括两个串联的二极管：第一二极管(21)和第二二极管 (22)，两个二极管串联后负极与第一储能电容(31)的正极相连，正极与第一储能电容(31)的负极相连，两个二极管串联的中间点为所述模块化子模块的正极接入点X1。
进一步地，所述的上模块的第一可关断开关器件(41)的两端还并联有第一反相二极管(23)；所述的第一泄放电阻(51)的两端还并联有第二反相二极管(24)。
进一步地，所述的第二二极管(22)两端还并联有第三可关断开关器件(43)。
所述的下模块包括第二储能电容(32)及第二泄放电阻(52)；还包括第二可关断开关器件(42)，第二可关断开关器件(42)与第二泄放电阻(52)串联后再与第二储能电容(32)并联。
所述的下模块还包括两个串联的二极管：第三二极管(25)和第四二极管(26)，两个二极管串联后负极与第二储能电容(32)的正极相连，正极与第二储能电容(32)的负极相连，两个二极管串联的中间点为所述模块化子模块的负极接入点X2。
进一步地，所述的下模块的第二可关断开关器件(42)的两端还并联有第三反相二极管(28)；所述的第二泄放电阻(52)的两端还并联有第四反相二极管(27)。
进一步地，所述的第三二极管(25)两端还并联有第四可关断开关器件(44)。
进一步地，所述的第一可关断开关器件(41)至第四可关断开关器件(44)为IGBT、MOSFET、晶闸管中的一种。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1)本实用新型将两个相同结构的子模块整合为一个集成度更高的子模块结构，这将有利于子模块串联数量的降低，同时也减小子模块的结构空间的需求。
2)在受端系统发生故障时，子模块耗能回路的可关断半导体开关(第一和第二可关断开关器件)会接受导通信号，精确控制直流泄能装置将线路上过剩的电能迅速消耗，避免因为电能累积所导致的电压升高，从而维持系统的稳定性。
3)在子模块端口增加两个可关断半导体开关(第三和第四可关断开关器件)。常规拓扑只能投切泄能电阻，不能切除电容，该拓扑提供了运行中快速投切子模块的可能。实现了泄能子模块的完全控制，可以对泄能支路的电压、电流进行完全控制。例如在受端系统交流故障初期，快速控制直流泄能装置消耗线路上多余电能的方式。该控制方式利用端口可关断半导体开关，主动控制子模块的切除/投入，从而可以控制直流泄能装置消耗的电能。
附图说明
图1是直流泄能装置的多子模块串联拓扑结构图；
图2是本实用新型的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑实施例1电气图；
图3是本实用新型的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑实施例2电气图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，由本实用新型中提及的各个子模块相互串联所组成的直流泄能装置的实施例。在直流输电领域，当受端系统发生交流故障，线路输送功率无法流入受端系统时，随着能量的累积，直流侧线路电压将急剧上升。这将给电力系统带来停运或设备损坏的风险。在此情况下，安装在受端系统的直流泄能装置将在短时间内消耗多余的电能，以确保直流电压处在合理范围内。当受端系统交流侧故障清除后，系统可再次恢复正常运行，实现交流故障穿越。图1还示出了直流泄能装置(12)中，控制系统(82)与每个子模块(62) 通过光纤(72)通讯。光纤(72)将子模块的电压、电流及每个可关断半导体开关的状态上送给控制系统，控制系统将对这些信息进行处理。当受端系统发生故障时，控制系统将通过光纤(72)把导通可关断半导体开关的控制信号下发给子模块。
如图2所示，本实用新型的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，所述的模块化子模块(62)包括上、下串联的上模块和下模块，上模块和下模块的电气结构相同，共用一个旁路开关(92)。
所述的上模块包括第一储能电容(31)及第一泄放电阻(51)；还包括第一可关断开关器件(41)，第一可关断开关器件(41)与第一泄放电阻(51)串联后再与第一储能电容(31)并联；
所述的上模块还包括两个串联的二极管：第一二极管(21)和第二二极管(22)，两个二极管串联后负极与第一储能电容(31)的正极相连，正极与第一储能电容(31)的负极相连，两个二极管串联的中间点为所述模块化子模块(62)的正极接入点X1。
所述的上模块的第一可关断开关器件(41)的两端还并联有第一反相二极管(23)；所述的第一泄放电阻(51)的两端还并联有第二反相二极管(24)。
所述的第二二极管(22)两端还并联有第三可关断开关器件(43)。
所述的下模块包括第二储能电容(32)及第二泄放电阻(52)；还包括第二可关断开关器件(42)，第二可关断开关器件(42)与第二泄放电阻(52)串联后再与第二储能电容(32)并联。
所述的下模块还包括两个串联的二极管：第三二极管(25)和第四二极管(26)，两个二极管串联后负极与第二储能电容(32)的正极相连，正极与第二储能电容(32)的负极相连，两个二极管串联的中间点为所述模块化子模块(62)的负极接入点X2。
所述的下模块的第二可关断开关器件(42)的两端还并联有第三反相二极管(28)；所述的第二泄放电阻(52)的两端还并联有第四反相二极管(27)。
所述的第三二极管(25)两端还并联有第四可关断开关器件(44)。
所述的第一可关断开关器件(41)至第四可关断开关器件(44)为IGBT、MOSFET、晶闸管中的一种。
本实用新型的原理为：
1)图2的第一实施例模块化子模块(62)包含第一二极管(21)、第二二极管(22)，第三二极管(25)、第四二极管(26)，第一储能电容(31)、第二储能电容(32)构成了并联储能回路。第一可关断开关器件(41)，第二可关断开关器件(42)和第一泄放电阻(51)，第二泄放电阻(52)相互串联组成耗能回路。耗能回路中的元件分别与第一反相二极管(23)、第二反相二极管(24)、第三反相二极管(27)、第四反相二极管(28) 反相并联。直流泄能装置中所含子模块的数量减少，所以控制系统中所使用的光纤数量减少，大幅降低了经济成本。
子模块(62)可以通过第一可关断开关器件(41)、第二可关断开关器件(42)实现电流可控，由此实现能量的转换，利用MMC技术中常见的方法对各个半导体功率开关元件进行控制。当可关断半导体开关导通时，相应串联的耗能电阻将电流能量转换为热能。当可关断半导体开关关断时，相应串联的耗能电阻将没有电流通过。与耗能回路反向并联的二极管能对关键器件起到续流及保护作用。当子模块(62)内部元件出现故障时，控制系统将旁路开关(92)闭合，从而旁路故障子模块，保证直流泄能装置稳定运行。
为了增加灵活度，子模块(62)的控制方式可以采用分立式控制，也可采用同步控制，即可以分别独立触发第一可关断开关器件(41)或第二可关断开关器件(42)开通和关断，也可以选择同时触发第一可关断开关器件(41)和第二可关断开关器件(42)开通和关断。
2)图3示出了第二实施例的模块化子模块(64)，子模块(64)较子模块(62)而言，增加了第三可关断开关器件(43)与第四可关断开关器件(44)。高压直流输电系统正常运行时，安装在受端系统的直流泄能装置(12)工作在不泄能工作状态。此时每个子模块 (64)的第一泄放电阻(51)，第二泄放电阻(52)未接入，第一储能电容(31)，第二储能电容(32)电压稳定。
当受端系统交流侧发生故障，导致线路上电能过剩时，直流泄能装置(12)的控制系统(82)将通过端口处的第三可关断开关器件(43)与第四可关断开关器件(44)可选择性的切除部分子模块(64)后，通过蓄能电容快速吸收直流线路上的能量，加快泄能回路的响应速度，再将余下子模块(64)耗能回路的第一可关断开关器件(41)和第二可关断开关器件(42)导通。由于一个子模块端口配置了第三可关断开关器件(43)与第四可关断开关器件(44)，因而在使用该控制方式时，可以更灵活地选择切除/投入的第一泄放电阻(51)或第二泄放电阻(52)，从而达到更加灵活、精准的控制效果。
对于实施方式二，可以分别独立触发第一可关断开关器件(41)、第二可关断开关器件(42)、第三可关断开关器件(43)、第四可关断开关器件(44)开通和关断，也可以选择同时触发第一可关断开关器件(41)、第二可关断开关器件(42)或第三可关断开关器件(43)、第四可关断开关器件(44)开通和关断。
以上实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (8)
1.一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，其特征在于，所述的模块化子模块包括上、下串联的上模块和下模块，上模块和下模块的电气结构相同，共用一个旁路开关(92)。
2.根据权利要求1所述的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，其特征在于，所述的上模块包括第一储能电容(31)及第一泄放电阻(51)；还包括第一可关断开关器件(41)，第一可关断开关器件(41)与第一泄放电阻(51)串联后再与第一储能电容(31)并联；
还包括两个串联的二极管：第一二极管(21)和第二二极管(22)，两个二极管串联后负极与第一储能电容(31)的正极相连，正极与第一储能电容(31)的负极相连，两个二极管串联的中间点为所述模块化子模块的正极接入点X1。
3.根据权利要求2所述的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，其特征在于，所述的上模块的第一可关断开关器件(41)的两端还并联有第一反相二极管(23)；所述的第一泄放电阻(51)的两端还并联有第二反相二极管(24)。
4.根据权利要求2所述的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，其特征在于，所述的第二二极管(22)两端还并联有第三可关断开关器件(43)。
5.根据权利要求1所述的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，其特征在于，所述的下模块包括第二储能电容(32)及第二泄放电阻(52)；还包括第二可关断开关器件(42)，第二可关断开关器件(42)与第二泄放电阻(52)串联后再与第二储能电容(32)并联；
还包括两个串联的二极管：第三二极管(25)和第四二极管(26)，两个二极管串联后负极与第二储能电容(32)的正极相连，正极与第二储能电容(32)的负极相连，两个二极管串联的中间点为所述模块化子模块的负极接入点X2。
6.根据权利要求5所述的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，其特征在于，所述的下模块的第二可关断开关器件(42)的两端还并联有第三反相二极管(28)；所述的第二泄放电阻(52)的两端还并联有第四反相二极管(27)。
7.根据权利要求5所述的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，其特征在于，所述的第三二极管(25)两端还并联有第四可关断开关器件(44)。
8.根据权利要求1所述的一种直流泄能装置的模块化子模块拓扑，其特征在于，所述的第一可关断开关器件(41)至第四可关断开关器件(44)为IGBT、MOSFET、晶闸管中的一种。
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