一种直流斩波装置及控制方法与流程

本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种直流斩波装置及控制方法。

背景技术：

在高压直流输电系统中，直流斩波装置是至关重要的设备。直流斩波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：一方面，电阻的快速投入和退出需要并联功率半导体开关器件，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，易承受过电压而损坏。另一方面，利用电阻耗能的方式由于阻值是固定的，阻值的大小直接影响耗能的效果，主要体现在一旦阻值选取过小，流过电阻的电流过大，增加电阻的成本和体积，如果阻值选取过大，流过电阻的电流过小，使耗能的速度变慢，甚至会出现电阻的耗能速度小于直流侧累积能量的速度，此时无法耗能，风险极大。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种直流斩波装置以及使用上述装置的控制方法，装置并联在中、高压直流线路的正、负极之间，对均压耗能单元投入退出的控制，调整并联在线路之间的均压耗能单元的数量，使非线性电阻消耗能量，装置性价比很高，且解决了现有技术中分断电压不均以及电阻难取值的问题。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

所述装置由至少两个均压耗能单元同方向串联连接构成，所述串联连接的首端定义为装置的正极、所述串联连接的尾端定义为装置的负极；所述装置的正极与直流线路的高电位电极连接(正极)、装置的负极与直流线路的低电位电极(负极)连接；所述均压耗能单元由均压支路和非线性电阻并联连接构成，所述均压支路由至少一个均压子模块与耗能电阻串联连接构成，所述均压子模块由至少一个功率半导体开关器件与电容构成。

其中，所述均压子模块包括第一、二功率半导体开关器件以及直流电容，其中，第一、二功率半导体开关器件同向串联连接，连接方式为以下两种之一：

连接方式1：第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第二功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；

连接方式2：第二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直流电容负极连接；

所述第二功率半导体开关器件的集电极定义为均压子模块的正极，第二功率半导体开关器件的发射极定义为均压子模块的负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。

其中，所述均压子模块包括第三、四、五、六功率半导体开关器件以及直流电容，所述第三、四功率半导体开关器件同向串联连接构成第一桥臂，第五、六功率半导体开关器件同向串联连接构成第二桥臂；第三、五功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第四、六功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；所述第一桥臂与第二桥臂的中点定义为均压子模块的正极与负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。

其中，所述均压子模块包括至少一个第七功率半导体开关器件，所述第七功率半导体开关器件带有反并联二极管。

其中，所述均压子模块包括第八功率半导体开关器件、二极管以及直流电容；所述第八功率半导体开关器件带有反并联二极管，二极管与第八功率半导体开关器件串联连接，连接方式为以下两种之一：

连接方式1：二极管的阴极与直流电容的正极连接、二极管的阳极与第八功率半导体开关器件的集电极连接，第八功率半导体开关器件的发射极与直流电容的负极连接；

连接方式2：第八功率半导体开关器件的集电极与直流电容的正极连接，第八功率半导体开关器件的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；

所述第八功率半导体开关器件的集电极定义为均压子模块的正极，第八功率半导体开关器件的发射极定义为均压子模块的负极。

其中，所述均压耗能单元还并联一个均压电阻。

其中，所述均压耗能单元还并联一个旁路开关。

其中，所述直流斩波装置还串联至少一个隔断开关。

本发明还包括一种所述直流斩波装置的控制方法：

(1)当与装置启动时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述均压子模块中的功率半导体开关器件关断，所述切换开关分开，隔断开关分开；

步骤2：直流线路带电后，闭合隔断开关，通过旁路电阻向均压子模块中的直流电容充电；

步骤3：待充电完成后，闭合切换开关，将旁路电阻旁路。

(2)当与装置连接的直流线路正常运行时，所述均压子模块中的第一、二功率半导体开关器件处于关断状态，所述切换开关闭合；当直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定电压控制目标上限值和下限值，计算出需要被旁路的均压耗能单元的数量计为第一数量；

步骤2：选取第一数量的均压耗能单元，开通被选中均压耗能单元中均压子模块的第二功率半导体开关器件；

步骤3：使其他未开通的均压耗能单元的非线性电阻端电压升高；

步骤4：未开通的均压耗能单元的端电压达到非线性电阻的动作门槛后，开始吸收直流线路上的能量，直流线路电压下降；

步骤5：如果线路电压仍高于电压控制目标上限值，继续开通第二数量的均压耗能单元；如果线路电压低于电压控制目标下限值，将已开通的第三数量均压耗能单元关断。

其中：所述第一数量大于第二数量，所述第三数量小于等于第一数量。

其中：所述选中的第一、二、三数量的均压耗能单元非固定选中，可根据能量平均消耗的原则，在数量不变的前提下不断切换选中目标。

执行步骤2的同时，可分开切换开关，将旁路电阻串联到装置中，参与消耗能量，同时起到限制电流的作用。

本发明的有益效果：

1、本发明提出的直流斩波装置并联在中、高压直流线路的正、负极之间，当所连接的直流线路发生过压时，通过对均压耗能单元投入退出的控制，调整并联在线路之间的均压耗能单元的数量，改变每个均压耗能单元两端电压，每个均压耗能单元均并联了非线性电阻，当需要消耗能量时，通过减少投入的均压耗能单元的数量即可提高非线性电阻承受电压，达到非线性电阻动作门槛值时，电流增大，非线性电阻吸收能量，同时，非线性电阻起到了电压钳位的作用，确保了均压耗能单元不会过压击穿，该方法简单、风险小，可靠性高。

2、本发明较好地利用了非线性电阻在承受电压值不同时，等效阻值的急剧变化，形成了电流上的差异，使得其可并联在直流线路上，在额定电压下，流过的电流极小，而随着电压超过动作电压门槛，阻值急剧减小，使耗能的控制更加灵活，仅仅需要控制投入的均压耗能单元的数量即可实现电压控制。而利用电阻耗能的方式由于阻值是固定的，阻值的大小直接影响耗能的效果，主要体现在一旦阻值选取过小，流过电阻的电流过大，增加电阻的成本和体积，如果阻值选取过大，流过电阻的电流过小，使耗能的速度变慢。

3、投入的均压耗能单元非固定，可根据能量平均消耗的原则，进行循环移位，在数量不变的前提下不断切换，实现能量均匀消耗。

4、本发明转移支路中的均压子模块采用模块化的方式，易于生产制造。均压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。

5、本发明中的旁路电阻单元既可以在装置启动时，限制充电电流，同时，在装置消耗能量时，可串入耗能回路，作为非线性电阻耗能方式的补充，可根据耗能电流的大小选择投入的数量，当耗能电流过大时，投入更多的旁路电阻，回路总电阻值增加，电流相应减少，为非线性电阻分担一部分能量；非线性电阻与线性电阻的应用结合实现了最优的耗能效果。

附图说明

图1为本发明直流斩波装置的拓扑结构图。

图2为本发明的均压子模块的第一实施例，a和b为两种连接方式。

图3为本发明的均压子模块的第二实施例。

图4为本发明的均压子模块的第三实施例。

图5为本发明的均压子模块的第四实施例，a和b为两种连接方式。

图6为本发明的一种均压子模块的充电模式示意图。

图7为本发明的一种均压子模块的旁路模式示意图。

图8为本发明实施例的第一耗能模式。

图9为本发明实施例的第二耗能模式。

图中标号名称：1、直流斩波装置；2、均压耗能单元；3、均压子模块；4、非线性电阻；5、均压电阻；6、旁路开关；7、耗能电阻；8、隔断开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明直流斩波装置1由至少两个均压耗能单元2同方向串联连接构成，所述串联连接的首端定义为装置的正极、所述串联连接的尾端定义为装置的负极；所述装置的正极与直流线路的正极连接、装置的负极与直流线路的负极连接；所述均压耗能单元由均压支路和非线性电阻4并联连接构成，所述均压支路由至少一个均压子模块3与耗能电阻7串联连接构成，所述均压子模块由至少一个功率半导体开关器件与电容构成。

如图2所示，均压子模块第一种实施例包括第一、二功率半导体开关器件以及直流电容，其中，第一、二功率半导体开关器件同向串联连接，连接方式为以下两种之一：

连接方式1：第一功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第二功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；

连接方式2：第二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直流电容负极连接；

所述第二功率半导体开关器件的集电极定义为均压子模块的正极，第二功率半导体开关器件的发射极定义为均压子模块的负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。

如图3所示，均压子模块第二种实施例包括第三、四、五、六功率半导体开关器件以及直流电容，所述第三、四功率半导体开关器件同向串联连接构成第一桥臂，第五、六功率半导体开关器件同向串联连接构成第二桥臂；第三、五功率半导体开关器件集电极与直流电容正极连接，第四、六功率半导体开关器件发射极与直流电容负极连接；所述第一桥臂与第二桥臂的中点定义为均压子模块的正极与负极；所述功率半导体开关器件带有反并联二极管。

如图4所示，均压子模块第三种实施例包括至少一个第七功率半导体开关器件，所述第七功率半导体开关器件带有反并联二极管。

如图5所示，均压子模块第四种实施例包括第八功率半导体开关器件、二极管以及直流电容；所述第八功率半导体开关器件带有反并联二极管，二极管与第八功率半导体开关器件串联连接，连接方式为以下两种之一：

连接方式1：二极管的阴极与直流电容的正极连接、二极管的阳极与第八功率半导体开关器件的集电极连接，第八功率半导体开关器件的发射极与直流电容的负极连接；

连接方式2：第八功率半导体开关器件的集电极与直流电容的正极连接，第八功率半导体开关器件的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；

所述第八功率半导体开关器件的集电极定义为均压子模块的正极，第八功率半导体开关器件的发射极定义为均压子模块的负极。

其中，所述均压耗能单元还可以并联一个均压电阻5。均压电阻可进一步确保各个耗能单元的均压效果。

其中，所述均压耗能单元还可以并联一个旁路开关6。当均压耗能单元发生故障时，可通过旁路开关将故障单元旁路掉，不影响其他均压耗能单元正常运行。

其中，所述直流斩波装置还串联至少一个隔断开关8。在装置退出运行时，可利用隔断开关将装置与直流线路隔离。

图6为本发明的一种均压子模块的充电模式示意图，当半桥模块的下管关断时，通过如图6所示的电流回路，为子模块电容充电，由于电容参数一致，多个均压子模块通过电容获得了均压的效果。

图7为本发明的一种均压子模块的旁路模式示意图，当需要旁路时，均压子模块的下管导通，整个均压子模块通过下管旁路，由于上管存在反并联二极管，在旁路期间保持下管处于关断状态，电容的电压得以维持，而不会形成短路。

本发明还包括一种所述直流斩波装置的控制方法：

(1)当与装置启动时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述均压子模块中的功率半导体开关器件关断，所述切换开关分开，隔断开关分开；

步骤2：直流线路带电后，闭合隔断开关，通过旁路电阻向均压子模块中的直流电容充电；

步骤3：待充电完成后，闭合切换开关，将旁路电阻旁路。

(2)当与装置连接的直流线路正常运行时，所述均压子模块中的第一、二功率半导体开关器件处于关断状态，所述切换开关闭合；当直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定电压控制目标上限值和下限值，计算出需要被旁路的均压耗能单元的数量计为第一数量；

步骤2：选取第一数量的均压耗能单元，开通被选中均压耗能单元中均压子模块的第二功率半导体开关器件；

步骤3：使其他未开通的均压耗能单元的非线性电阻端电压升高；

步骤4：未开通的均压耗能单元的端电压达到非线性电阻的动作门槛后，开始吸收直流线路上的能量，直流线路电压下降；

步骤5：如果线路电压仍高于电压控制目标上限值，继续开通第二数量的均压耗能单元；如果线路电压低于电压控制目标下限值，将已开通的第三数量均压耗能单元关断；

执行步骤2的同时，可分开切换开关，将旁路电阻串联到装置中，参与消耗能量，同时起到限制电流的作用。

通过具体实施例说明本发明的组成以及控制方法：

在实施例中，直流输电线路正极电压为200kv，负极电压为-200kv，压差为400kv，装置共包含100个均压耗能单元，每个均压耗能单元承受额定电压4kv，每个均压耗能单元并联一个非线性电阻，非线性电阻的动作电压门槛在6kv，因此，此时流过非线性电阻的电流极小，可以忽略不计。

如果线路电压仍高于电压控制目标上限值420kv，电压控制目标下限值为390kv，当线路电压超过430kv时：选取第一数量的均压耗能单元，在本实施例中，选取33个均压耗能单元，导通被选中的均压耗能单元中均压子模块的igbt，剩余67个均压耗能单元，分担430kv电压，每个均压耗能单元分担电压6.4kv，超过非线性电阻的动作电压门槛，开始吸收能量，限制线路过电压。如图8所示，一部分均压耗能单元的非线性电阻投入，一部分均压耗能单元处于被旁路的状态。

如果线路电压仍高于电压控制目标上限值，继续开通第二数量的均压耗能单元，在本实施例中第二数量选取3个；如果线路电压低于电压控制目标下限值，将已开通的第三数量均压耗能单元关断，在本实施例中，第三数量选取3个。第二数量和第三数量的均压耗能单元投切控制起到了微调的作用。

其中：所述选中的均压耗能单元非固定选中，可根据能量平均消耗的原则，在数量不变的前提下不断切换选中目标，如图8和图9所示，两种不同模式下，数量不变，选中的均压耗能单元为不同的单元。

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。