CN109617108A - 一种链式耗能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链式耗能装置，装置由耗能支路与耗能电阻构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块同方向串联连接构成，所述串联连接的首端与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置与耗能支路串联连接，耗能电阻的一端与耗能支路的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接，所述耗能子模块由第一功率半导体开关器件、二极管与直流电容构成；本发明还包括链式耗能装置的控制方法，当直流线路电压升高时，可以通过依次导通或关断耗能子模块中的功率半导体开关器件，实现直流电压控制，实现耗能电阻柔性投入和柔性退出，装置性价比很高，可靠性高，易于实现。

Description

一种链式耗能装置及其控制方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种链式耗能装置及控制方法。

背景技术

在高压直流输电***中，链式耗能装置是至关重要的设备。链式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，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，此时，再去关断电阻放电回路，直流电压再上升，反复的开通和关断电阻支路，形成滞环控制的效果，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很难保证一致性，一旦关断不同步，就会有关导通慢的器件或关断快的器件承受过电压而损坏；而且高速的开通和关断状态切换也会导致产生很大的电压和电流变化率，从而产生磁场干扰。另外，现有技术中每个子模块均包括数量较多的功率半导体器件，成本较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种链式耗能装置以及使用上述装置的控制方法，装置可连接在直流电极之间，当直流线路电压升高时，可以通过依次导通或关断耗能子模块中的功率半导体开关器件，实现直流电压控制，实现耗能电阻柔性投入和柔性退出，避免产生冲击。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

一种链式耗能装置，所述装置由耗能支路与耗能电阻构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块同方向串联连接构成，所述串联连接的首端与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置与耗能支路串联连接，耗能电阻的一端与耗能支路的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接；所述耗能子模块由第一功率半导体开关器件、二极管与直流电容构成，其中第一功率半导体开关器件与二极管串联连接，连接方式有以下两种：

连接方式1：二极管的阴极与直流电容的正极连接，二极管的阳极与第一功率半导体开关器件的集电极连接，第一功率半导体器件的发射极与直流电容的负极连接；

连接方式2：第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第一功率半导体开关器件发射极与二极管的阴极连接，二极管的阳极与直流电容的负极连接；

第一功率半导体开关器件的集电极作为正极引出点，其发射极作为负极引出点。

其中，所述耗能子模块中的二极管还反向并联一个第二功率半导体开关器件。

其中，所述耗能电阻还并联一个由二极管构成的电压钳位单元。

其中，所述耗能子模块还并联一个旁路开关。

其中，所述链式耗能装置的耗能支路还串联至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻和充电开关并联构成。

其中，所述链式耗能装置还串联至少一个隔断开关。

其中，所述耗能电阻可替换为储能器，所述储能器具备充放电能力。

其中，所述耗能子模块还可以仅包括机械开关。

本发明还包括一种链式耗能装置的控制方法，

(1)当装置启动时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述耗能子模块中的功率半导体开关器件关断，所述充电开关分开，隔断开关分开；

步骤2：直流线路带电后，闭合隔断开关，通过充电电阻向耗能子模块中的直流电容充电；

步骤3：待充电完成后，闭合充电开关，将充电电阻旁路。

(2)当装置检测到直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

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，该装置处于待机模式；

步骤2：当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转入步骤3；

步骤3：依次导通耗能子模块中的第一功率半导体器件，导通间隔时间为t；

步骤4：待所有第一功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1；

步骤5：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，依次关断耗能子模块中的第一功率半导体器件，关断间隔时间为t3；

步骤6：待所有第一功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2；

步骤7：在耗能模式下，一旦检测到耗能子模块电压超出最大耐受值，立即导通第一功率半导体器件。

本发明的有益效果：

1、本发明装置、***及方法利用了耗能子模块直流电容的缓冲，依次导通或关断耗能子模块中的功率半导体开关器件，实现直流电压控制，实现了耗能电阻柔性投入和柔性退出，避免了直接串联的功率半导体开关器件在关断时可能造成的电压不均的问题，大大减小了功率半导体开关器件关断过压的风险。

2、本发明中耗能子模块采用模块化的方式，易于生产制造。耗能子模块并联旁路开关，在模块故障情况下，可以迅速将故障模块旁路，在子模块配置数量上可留有一定裕量，极大的提高了装置的运行可靠性。

3、电阻集中布置，有利于散热***的设计，有利于进行统一管理和监控。模块化的耗能支路结合集中式的电阻，使整个装置的性价比最优，工程实施难度小。

4、本发明每个耗能子模块仅包含一个功率半导体器件和一个二极管，与现有技术相比，充分利用了器件的特性，去除了不必要的器件，大大的减少了装置的成本和体积。

附图说明

图1为本发明链式耗能装置的拓扑结构图。

图2为本发明的耗能子模块的第二实施例。

图3为本发明链式耗能装置控制方法控制时序图。

图中标号名称：1、耗能支路；2、耗能子模块；3、耗能电阻；4、旁路开关；5、充电电阻；6、充电开关；7、隔断开关；8、电压钳位单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

如图1所示，一种链式耗能装置，所述装置由耗能支路1与耗能电阻3构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块2同方向串联连接构成，所述串联连接的首端与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置与耗能支路串联连接，耗能电阻的一端与耗能支路的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接；所述耗能子模块由第一功率半导体开关器件、二极管与直流电容构成，其中第一功率半导体开关器件与二极管串联连接，连接方式有以下两种：

连接方式1：二极管的阴极与直流电容的正极连接，二极管的阳极与第一功率半导体开关器件的集电极连接，第一功率半导体器件的发射极与直流电容的负极连接；

连接方式2：第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第一功率半导体开关器件发射极与二极管的阴极连接，二极管的阳极与直流电容的负极连接；

第一功率半导体开关器件的集电极作为正极引出点，其发射极作为负极引出点。

如图2所示，所述耗能子模块中的二极管还反向并联一个第二功率半导体开关器件。

其中，所述耗能电阻还并联一个由二极管构成的电压钳位单元8。

其中，所述耗能子模块还并联一个旁路开关4。

其中，所述链式耗能装置的耗能支路还串联至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻5和充电开关6并联构成。

其中，所述链式耗能装置还串联至少一个隔断开关7。

其中，所述耗能电阻可替换为储能器，所述储能器具备充放电能力。

其中，所述耗能子模块还可以仅包括机械开关。

本发明还包括一种链式耗能装置的控制方法，

(1)当装置启动时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述耗能子模块中的功率半导体开关器件关断，所述充电开关分开，隔断开关分开；

步骤2：直流线路带电后，闭合隔断开关，通过充电电阻向耗能子模块中的直流电容充电；

步骤3：待充电完成后，闭合充电开关，将充电电阻旁路。

(2)当装置检测到直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

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，该装置处于待机模式；

步骤2：当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转入步骤3；

步骤3：依次导通耗能子模块中的第一功率半导体器件，导通间隔时间为t；

步骤4：待所有第一功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1；

步骤5：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，依次关断耗能子模块中的第一功率半导体器件，关断间隔时间为t3；

步骤6：待所有第一功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2；

步骤7：在耗能模式下，一旦检测到耗能子模块电压超出最大耐受值，立即导通第一功率半导体器件。

引用具体实施例说明本发明链式耗能装置应用：

在本实施例中，装置连接在200kV的直流线路中，共包括100耗能子模块，当待机状态时，100个耗能子模块均分200kV电压，当直流电压超过Umax＝230kV时，进入耗能模式，依次导通耗能子模块中的第二功率半导体器件，此时，导通间隔时间为t，在本实施例中，t＝5us，由于间隔时间很短，以及电容的缓冲作用，其余的未导通的子模块电压不变，在暂态情况下，施加在电阻的电压逐渐升高，在旁路第一个模块后，电阻上承受电压增加V1，直到所有子模块全部被旁路，电阻上承受电压达到最大值VN，此时耗能的能力达到最大。

维持时间为T1，此时直流电压低于Umin＝210kV，依次关断耗能子模块中的第二功率半导体器件，关断间隔时间为t3，在本实施例中，t3＝5us，由于间隔时间很短，以及电容的缓冲作用，在暂态情况下，施加在电阻的电压逐渐降低，直到所有子模块全部投入，电阻上承受电压达到最小值，此时耗能的能力达到最小，维持时间为T2…

两种状态反复切换，即可实现对线路直流电压的控制，使直流电压维持在210-230kV之间。整个控制时序图如图3所示。

以上实施例仅用于说明本发明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发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种链式耗能装置，其特征在于，所述装置由耗能支路与耗能电阻构成，所述耗能支路由至少一个耗能子模块同方向串联连接构成，所述串联连接的首端与直流线路的高电位电极连接；所述耗能电阻集中布置与耗能支路串联连接，耗能电阻的一端与耗能支路的尾端连接，另一端与直流线路的低电位电极连接；所述耗能子模块由第一功率半导体开关器件、二极管与直流电容构成，其中第一功率半导体开关器件与二极管串联连接，连接方式有以下两种：

连接方式1：二极管的阴极与直流电容的正极连接，二极管的阳极与第一功率半导体开关器件的集电极连接，第一功率半导体器件的发射极与直流电容的负极连接；

连接方式2：第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第一功率半导体开关器件发射极与二极管的阴极连接，二极管的阳极与直流电容的负极连接；

第一功率半导体开关器件的集电极作为正极引出点，其发射极作为负极引出点。

2.如权利要求1所述的一种链式耗能装置，其特征在于：所述耗能子模块中的二极管还反向并联一个第二功率半导体开关器件。

3.如权利要求1所述的一种链式耗能装置，其特征在于：所述耗能电阻还并联一个由二极管构成的电压钳位单元。

4.如权利要求1所述的一种链式耗能装置，其特征在于：所述耗能子模块还并联一个旁路开关。

5.如权利要求1所述的一种链式耗能装置，其特征在于：所述链式耗能装置的耗能支路还串联至少一个充电单元，所述充电单元由充电电阻和充电开关并联构成。

6.如权利要求1所述的一种链式耗能装置，其特征在于：所述链式耗能装置还串联至少一个隔断开关。

7.如权利要求1所述的一种链式耗能装置，其特征在于：所述耗能电阻替换为储能器，所述储能器具备充放电能力。

8.如权利要求1所述的一种链式耗能装置，其特征在于：所述耗能子模块仅包括机械开关。

9.一种基于权利要求1所述链式耗能装置的控制方法，其特征在于：当装置启动时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述耗能子模块中的功率半导体开关器件关断，所述充电开关分开，隔断开关分开；

步骤2：直流线路带电后，闭合隔断开关，通过充电电阻向耗能子模块中的直流电容充电；

步骤3：待充电完成后，闭合充电开关，将充电电阻旁路。

10.一种基于权利要求1所述链式耗能装置的控制方法，其特征在于：当装置检测到直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

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，该装置处于待机模式；

步骤2：当直流线路电压超过上限值Umax，所述装置处于耗能模式，转入步骤3；

步骤3：依次导通耗能子模块中的第一功率半导体器件，导通间隔时间为t；

步骤4：待所有第一功率半导体器件均导通后，维持该状态时间长度为T1；

步骤5：检测直流线路电压，当直流线路电压低于下限值Umin时，依次关断耗能子模块中的第一功率半导体器件，关断间隔时间为t3；

步骤6：待所有第一功率半导体器件均关断后，维持该状态时间长度为T2；

步骤7：在耗能模式下，一旦检测到耗能子模块电压超出最大耐受值，立即导通第一功率半导体器件。