动态泄能模块、装置及直流输电系统的制作方法

本实用新型涉及直流输电技术领域，具体涉及到一种动态泄能模块、装置及直流输电系统。

背景技术：

随着西电东送战略逐步实施，特高压直流输电工程集中投运，我国已建成容量最大、拓扑最复杂的交直流混联电网。特高压直流单回输送容量不断提升，使得“强直弱交”特征显现，主要体现在：一是受电端电网多为负荷中心，多直流溃入落点集中，各逆变站间电气距离较近，换流站近区交流系统故障可能导致多回直流同时以发生换相失败；而是送电端电网为能源集中区域，交流系统联系相对薄弱，若受电端幻想失败引起直流功率输送发生暂时中断，将导致送电端电网部分重要断面超过稳定极限，部分火电机组超速，风电机组因低压或高压大规模脱网，严重威胁系统安全稳定运行。

为此，如何在直流输电系统连续发生换相失败后，保证系统安全稳定运行成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于在直流输电系统连续发生换相失败后，保证系统安全稳定运行。

本实用新型实施例提供了一种动态泄能模块，包括：正极连接端和负极连接端，并联连接在正极连接端和负极连接端之间的第一支路和第二支路；第一支路包括串联连接的第一电阻和第一开关；第二支路包括串联连接的二极管和电容；第一电阻与第一开关之间连接第二开关的一端，二极管和电容之间连接第二开关的另一端；在二极管的两端中的一端上串联有第二电阻。

可选地，第二电阻设置在二极管的正极与正极连接端之间，和/或，第二电阻设置在二极管的负极与电容和第二开关的另一端的连接节点之间。

可选地，第二电阻设置在二极管的负极与负极连接端之间，和/或，第二电阻设置在二极管的正极电容以和第二开关的另一端的连接节点之间。

根据第二方面，本实用新型实施例提供了一种动态泄能装置，包括：如上述第一方面任意一项的动态泄能模块；检测模块，与直流输电线连接，用于检测直流输电线中的电压值或电流值；控制终端，分别与动态泄能模块和检测模块连接，用于根据电压值或电流值控制动态泄能模块动作。

可选地，控制终端包括：第一电压比较器，与检测模块连接，用于将检测模块检测到的第一电压值与第一预设电压值比较，得到第一比较结果；第一定时单元，与第一电压比较器连接，用于统计检测模块检测到的第一电压值小于第一预设电压值的第一持续时长；第一驱动单元，与第一定时单元连接，用于在第一持续时长超过第一预设时间时驱动第一开关和第二开关闭合，以使动态泄能模块投入直流输电线路。

可选地，第一驱动单元与第一电压比较器连接，用于根据检测模块检测到的第二电压值大于第一预设电压值时，驱动第一开关和第二开关断开，以使动态泄能装置从直流输电线路中切除。

根据第三方面，本实用新型实施例提供了一种直流输电系统，包括：如上述第二方面任意一项的动态泄能装置；受电端，包括逆变器，与直流输电线路连接，用于将直流电转换成交流电。

可选地，控制终端包括：第二电压比较器，与动态泄能装置的检测模块连接，用于将检测模块检测到的第二电压值与第二预设电压值比较，得到第二比较结果；第二定时模块，与第二电压比较器连接，用于统计检测模块检测到的第二电压值小于第二预设电压值的第二持续时长；第二驱动模块，与第二定时单元连接，用于在第二持续时长超过第二预设时间时驱动逆变器闭锁。

可选地，第二驱动模块与第二电压比较器连接，还用于根据检测模块检测到的第二电压值大于第二预设电压值时，驱动逆变器解锁。

可选地，受电端还包括平波电抗器，设置在逆变器和动态泄能装置之间的直流输电线路上；动态泄能装置还用于与平波电抗器配合以使流过逆变器的电流过零。

在二极管的两端中的一端上串联有第二电阻可以使得第二开关导通电流更小，使其可以采用常规交流断路器，降低成本，电容振荡结束，受端换流器闭锁之后的第一电阻泄能环节中，通过设置第二电阻，提高了二极管支路的电阻，大量减小了流经第二开关的电流。使得第二开关可以通过常规交流断路器切断电流，同时可以通过合理设置电阻，避免二极管关断后误导通。

附图说明

图1示出了本实用新型实施例中直流输电动态泄能系统的示意图；

图2示出了本实用新型实施例中泄能装置的拓扑示意图；

图3示出了本实用新型实施例中另一泄能装置的拓扑示意图；

图4示出了本实用新型实施例中仿真的直流输电系统中直流电压变化示意图；

图5示出了本实用新型实施例连续换相失败时直流输电系统中电压的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型实施例提供了一种动态泄能模块，如图1所示，该模块包括：

正极连接端1和负极连接端2以及并联连接在正极连接端1和负极连接端2之间的第一支路3和第二支路4；第一支路3包括串联连接的第一电阻R和第一开关SW1；第二支路4包括串联连接的二极管D和电容C；第一电阻R与第一开关SW1之间连接第二开关SW2的一端，二极管D和电容C之间连接第二开关SW2的另一端；在二极C管的两端中的一端上串联有第二电阻Ra。

在具体的实施例中，第一电阻R也可以为储蓄电池等消耗电能的元器件。电容C，由于直流输电系统输送的往往是较高电压的电能，例如500Kv直流电，电容C通常选用高压电容，在本实施例中，电容C还可以为储电装置等可存储电能，并能释放电能的元器件。

在本实施例中，动态泄能模块的拓扑结构可以为图1或图2所示的拓扑结构，具体的，如图1所示，二极管D的正极分别与正极连接端1和第一开关SW1的一端连接，二极管D的负极分别与电容C的第一端和第二开关SW2的一端连接，第一开关SW1的另一端与第二开关SW2的另一端连接，并连接至第一电阻R的第一端，电容C的第二端和第一电阻R的第二端与负极连接端2连接。其中，第二电阻设置Ra在二极管D的正极与正极连接端之间，以及，二极管D的负极与电容C以和第二开关SW2的另一端的连接节点之间的至少一处。

图2示出了动态泄能模块20另一拓扑结构，具体的，第一电阻R的第一端分别与正极连接端1和电容C的第一端连接，第一电阻R的第二端分别与第一开关SW1的一端和第二开关SW2的一端连接，电容C的第二端分别与第一开关SW1的另一端和二极管D的正极连接，二极管D的负极与第二开关SW2的另一端负极连接端2。第二电阻Ra设置在二极管D的负极与负极连接端2之间，以及，二极管D的正极电容C以和第二开关SW2的另一端的连接节点之间的至少一处。

下面将详细介绍动态泄能模块的工作原理，直流系统启动时，动态泄能模块中电容C充电，待充电完成后进入热准备状态，仅需很小的电流维持电容C电压，基本无功率损耗。直流系统正常经送端换流器、直流线路、受端换流器输送功率至受端交流系统。在受端系统故障引起换相失败时，控制保护系统启动，动态泄能模块的第一开关SW1和第二开关SW2闭合，动态泄能模块投入，受端换流器在电流过零时闭锁。通过动态泄能模块，受端换流器可靠闭锁，直流功率全部转移流经泄能装置，维持送端系统稳定。

在二极管C的两端中的一端上串联有第二电阻Ra可以使得第二开关SW2导通电流更小，使其可以采用常规交流断路器，降低成本，电容振荡结束，受端换流器闭锁之后的第一电阻R泄能环节中，通过设置第二电阻Ra，提高了二极管D支路的电阻，大量减小了流经第二开关SW2的电流。使得第二开关SW2可以通过常规交流断路器切断电流，同时可以通过合理设置电阻Ra，避免二极管关断后误导通。

本实用新型实施例还提供了一种动态泄能装置，如图3所示，动态泄能装置包括：

上述实施例描述的动态泄能模块10；检测模块20，与直流输电线连接，用于检测直流输电线中的电压值或电流值；控制终端30，分别与动态泄能模块和检测模块连接，用于根据电压值或电流值控制动态泄能模块动作。

在可选的实施例中，控制终端包括第一电压比较器，与检测模块连接，用于将检测模块检测到的第一电压值与第一预设电压值比较，得到第一比较结果；第一定时单元，与第一电压比较器连接，用于统计检测模块检测到的第一电压值小于第一预设电压值的第一持续时长；第一驱动单元，与第一定时单元连接，用于在第一持续时长超过第一预设时间时驱动第一开关和第二开关闭合，以使动态泄能模块投入直流输电线路。

在可选的实施例中，第一驱动单元与第一电压比较器连接，用于根据检测模块检测到的第二电压值大于第一预设电压值时，驱动第一开关和第二开关断开，以使动态泄能装置从直流输电线路中切除。

在可选的实施例中，如图3所示，检测模块20，与直流输电线连接，用于检测直流输电线中的连续换相失败信号。在本具体的实施例中，检测模块20可以检测直流输电线中的电压信号，也可以检测直流输电线中的电流信号，当直流输电线中发生换相失败时，直流输电新中的电压迅速下降，电流迅速上升，偶发性的换相失败，逆变侧可以自行调节恢复，在发生连续换相失败时，导致逆变侧闭锁，电压迅速下降，电流迅速上升，并且持续较长的时间，检测模块20实时监测输电线路的电流或电压，在电流大于预设值或电压小于预设值超过预设时间后例如可以位0.5s-2.5s，则可以确定检测到换相失败信号。在本实施例中，检测模块20还可以检测直流输电线的正常信号。在本实施例中，动态泄能模块10与检测模块20连接，检测模块20可以将检测到的连续换相失败信号发送至动态泄能模块10，并触发动态泄能模块10的第一开关SW1和第二开关SW2闭合，使其投入到直流输电线路中去。在本实施例中，检测模块20还与受电端连接，可以将检测到的连续换相失败信号传送至受电端，驱动受电端逆变器闭锁。

控制终端30，分别与动态泄能模块10和检测模块20连接，在本实施例中，用于根据连续换相失败信号控制动态泄能模块10动作。在具体的实施例中，控制终端30可以控制动态泄能模块10的投入和切除，控制终端30通过与检测模块20连接，接收检测模块20检测到的连续换相失败信号，根据连续换相失败信号输出用于驱动投入动态泄能模块10的驱动信号，控制终端30还可以响应检测模块20检测到的正常信号，输出驱动动态泄能模块10的旁路驱动信号，使动态泄能模块10脱离直流输电系统。在本实施例中，控制终端30，用于在受电端100连续换相失败信号的触发下输出闭锁控制信号控制受电端闭锁。

在可选的实施例中，控制终端30可以包括电压比较器，与检测模块20连接，用于将检测模块20检测到的电压值与预设电压值比较，得到比较结果，所称电压比较器可以为单限比较器，滞回比较器，窗口比较器，三态比较器等电压比较器中任意一种；在本实施例中，控制终端30还可以包括电流比较器。用于对检测模块20检测到的电流与预设电流值进行比较。定时单元，分别与检测模块20和电压比较器连接，用于根据比较结果统计检测模块20检测到的电压值小于预设电压值的持续时间；驱动单元，与定时单元连接，用于驱动第一开关SW1和第二开关SW2闭合，以使动态泄能模块10投入直流输电线。

在可选的实施例中，驱动单元与电压比较器连接，用于根据检测模块20到的电压值大于预设电压值的比较结果驱动第一开关SW1和第二开关SW2断开，以使动态泄能模块10从直流输电线路中切除。在具体的实施例中，在检测模块20检测到电压值大于预设电压值时，表示线路故障去除，输电线路恢复正常，驱动单元驱动第一开关SW1和第二开关SW2断开，使动态泄能模块10脱离直流输电线，此时，电容C充电，电容C充电完成后，直流输电系统恢复正常运行。

在可选的实施例中，检测模块20和控制终端30可以为逆变器的控制系统，检测模块20和控制终端30设置在受电端100，与逆变器连接，并与动态泄能模块10连接，该控制系统可以根据逆变侧的故障信号(例如连续换相失败信号)控制逆变器闭锁，还可以在逆变侧或直流输电线路正常时控制逆变器闭锁解锁。在具体的实施例中，控制终端30中的驱动单元在定时单元统计的电压值小于预设电压值的持续时间超过预设时间时响应，驱动逆变侧的换流器闭锁。在本实施例中，控制终端30在接收到换相失败信号后，输出控制逆变器闭锁的闭锁信号，该闭锁信号驱动逆变器闭锁。在定时单元统计的电压值大于预设电压值时，控制终端30发出解锁信号，该解锁信号驱动逆变器解锁。驱动单元在定时单元统计的电压值大于预设电压值时，驱动逆变器解锁。

为保证逆变器在连续换相失败故障发生时能够可靠闭锁，在可选的实施例中，在逆变侧还设置有与电容C串联的平波电抗器，在泄能模块投入到直流输电系统中后，其电阻对直流功率进行快速泄放，电容C不仅可以提供直流电压，而且电容还可以向逆变器放电，由于平波电抗器的反电势作用，强迫流过逆变器的电流过零，使其可靠闭锁。

本实用新型提供了一种直流输电系统，如图4所示，直流输电系统包括：上述实施例描述的动态泄能装置200；受电端100，与直流输电线路连接，用于将直流电转换成交流电。

在可选的实施例中，动态泄能装置200的控制终端还用于根据比较结果控制受电端的逆变器执行相应的动作。控制终端包括：第二电压比较器，与动态泄能装置200的检测模块连接，用于将检测模块检测到的第二电压值与第二预设电压值比较，得到第二比较结果；第二定时模块，与第二电压比较器连接，用于统计检测模块检测到的第二电压值小于第二预设电压值的第二持续时长；第二驱动模块，与第二定时单元连接，用于在第二持续时长超过第二预设时间时驱动逆变器闭锁。

在可选的实施例中，第二驱动模块与第二电压比较器连接，还用于根据检测模块检测到的第二电压值大于第二预设电压值时，驱动逆变器解锁。

在可选的实施例中，受电端还包括平波电抗器，设置在逆变器和动态泄能装置之间的直流输电线路上；动态泄能装置还用于与平波电抗器配合以使流过逆变器的电流过零。

受电端100，安装在直流输电线路上，用于将直流电转换成交流电；在本实施例中，所称受电端100为直流电能接收端，可以将直流电能转换为交流电，具体的可以包括各级变电站，以及用户端变电站。

动态泄能装置200，安装在受电端的直流输入端，用于在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线路，并将送电端直流电能进行泄能，在本实施例中，通常直流输电变电站之间或者送电端和受电端之间的距离较远，动态泄能装置200可以设置在受电端的直流输入端。可以设置在如图1所示的虚线框标注的位置即直逆变器与电抗器之间。动态泄能装置200用于在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线上，并将送电端100直流电能进行泄能。在具体的实施例中，直流输电中一般连续换相失败发生在直流输电线的逆变侧，动态泄能装置200为可控装置，在线路正常输电时，为非工作状态，与直流输电线为脱离状态，在逆变侧发生连续换相失败时，投入直流输电线路中，用于消耗整流侧送出的直流电能，可以防止送端电网部分重要断面超过稳定极限、部分火电机组超速、风电机组因低压或高压大规模脱网。保证电网及发电设备的安全。

在可选的实施例中，如图4所示，直流输电系统还可以包括：送电端300，用于输送直流电，在本实施例中，所称送电端为直流电能输出端，具体的可以包括，火电厂发电设备经过整流器输出的直流电能，风电场经过整流器输出的直流电能，太阳能发电输出的直流电能中的任意一种或多种，在本实施例中，送电端还可以包括变电站，所称变电站向下级变电站输送。在本实施例中，送电端300可以包括依次串联的发电设备31、变压器32、整流器33和第一平波电抗器34，第一平波电抗器34的另一端与直流输电线连接，发电设备31产生交流电，通过变压器32和整流器33输出直流电。

在可选的实施例中，受电端100包括依次串联的第二平波电抗器11、逆变器12、第二变压器13和用电设备14。第二平波电抗器11的另一端与直流输电线1连接，第二平波电抗器11通过第一开关SW1和第二开关SW2与电容C连接，用于对电容C放电产生反电势，驱动逆变器12电流过零。可以保证在发生连续换相失败，泄能装置投入直流输电系统中后，电容C放电确保逆变器12可靠闭锁。

在本实施例中将泄能装置设置在受电端，是由于直流输电系统中，送电端和受电端一般距离较远，其控制终端一般为逆变器的控制系统，若控制泄能装置投入或切除，可能需要通信装置进行通信，一般选用光纤通信等通信方式，可能需要铺设光纤线缆，不仅工程量大，而且成本较高，泄能装置安装在受电端，，可以将泄能装置与控制终端直接通过通信线缆连接，可以节省较大规模的铺设光纤线缆，并且，受电端一般靠近城市，如果泄能装置发生故障，维修人员可以较快做出反应到达现场，以确保将泄能装置的安全运行。

下面结合仿真实验介绍本实用新型实施例中直流输电系统在换相失败后，保证直流输电系统安全稳定的运行的原理，以500kV直流输电系统为例，考虑最大放电电流(两倍额定直流电流)，将高压电容的容量定为100uF，二极管高压硅堆，第一开关和第二开关为机械或IGBT电子开关，其控制指令来自控制终端。

(1)系统启动阶段

在直流系统初始启动阶段，第一开关和第二开关均断开，二极管受到正向直流电压导通，系统对电压支撑回路的电容充电，直至达到系统额定直流电压Ud，充电结束后，直流系统正常运行。

(2)逆变侧闭锁阶段

当逆变侧因为交流系统电压跌落、换流阀触发信号丢失等原因，导致逆变侧连续换相失败。当到达系统设定保护时间值时在本实施例中，可以通过定时单元统计，一般选取0.5-2.5s，控制终端将同时触发两个信号：信号一为逆变器闭锁信号；信号二为并联型直流泄能装置投入信号，闭合第一开关和第二开关，将泄能装置投入到逆变侧直流线路中。此时，直流电容通过第一开关和第二开关对逆变器放电，由于平波电抗器反电势的作用，强迫流过晶闸管电流过零，促使其可靠闭锁。

同时系统直流功率经大功率电阻快速泄放，直流支撑电容提供直流电压，送电端可持续输送一定的(或额定)功率，避免了连续换相失败引起的送端系统大功率转移，降低了送端系统发生暂态失稳的风险。

(3)系统恢复阶段

在系统恢复阶段，首先将送电端换流阀恢复运行，同时控制终端发出两个信号。信号一为直流系统逆变器解锁信号；信号二为断开第一开关和第二开关的信号，将第一电阻回路切除。此时直路电压维持在Ud附近，直流系统很快恢复正常运行状态。

图5示出了连续换相失败时直流输电系统中电压的变化曲线，图4中直流输电系统直流电压为500kV，功率1000MW，设定旁路装置电容为100uF，电阻250Ω，直流平波电抗器为0.5968mH，直流线路总电阻5Ω。

第1秒时，直流系统启动，直流电压上升同时通过二极管开始对电容器充电，当电压等于额定直流电压时，充电结束。

第2秒时，逆变侧交流系统发生100ms瞬时性三相接地短路，故障清除后系统恢复正常。

第4秒时，交流系统电压从额定1.0pu跌落到0.3pu，直流系统发生连续换相失败(直流电压为零或小于预设电压)。

当换相失败持续1s后(第5秒时)，控制终端控制逆变器闭锁，同时投入泄能装置，即第一开关和第二开关闭合。此时旁路装置电容C通过第一开关和第二开关以及平波电抗器对逆变器放电，平波电抗器产生的反电势强迫流过晶闸管电流过零，促使其可靠闭锁。逆变器闭锁后，送电端的直流系统功率可通过电阻R消耗，流过送电端换流器的直流功率不变，不会导致送端交流系统大量功率转移，避免了切除发电机或功率振荡，保持了送端系统的稳定。

第6秒时，逆变侧交流系统电压从0.3pu恢复到正常1.0pu。

第7秒时，控制终端解锁逆变器，随后退出泄能装置，即第一开关和第二开关断开，电容充电，直流系统恢复正常，直流功率重新从整流侧传送到逆变侧。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。