一种能量消耗装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种能量消耗装置及其控制方法，适用于高压直流输电、新能源并网及电机驱动等领域，可快速的将直流极线上的富余有功转变为热量耗散，继而实现故障穿越。

背景技术：

风能、太阳能等可再生能源利用规模不断扩大，但其固有分散性、远离负荷中心等特点，使研究如何将新型的风电等能源接入电网成为一项紧迫且有挑战性的工作。因风电场通常远离电网，通过交流接入电网会产生大的电容电流，高压直流传输技术成为一个可行与经济的方案。因高压柔性直流输电技术(vsc-hvdc)能够灵活的控制有功功率与无功功率，功率反向直流电压极性不变，能为风电场提供交流电压支撑等优点被认为是风电等新能源并网的最优选择之一。

利用柔性直流技术并网的新能源等领域均需面对直流极线有功富余而导致的直流过压问题，现有解决这一问题最为快速可靠的方法为在直流极线之间设置耗能电阻，采用直流斩波技术将富余的有功通过耗能电阻转变为热量耗散掉，实现直流极线电压的稳定，使得系统在故障时不至于发生脱网，实现故障穿越的目的。目前常用的技术方案为igbt直串式集中电阻方案(如附图1所示)，该方案工作时所有功率器件同时导通，存在串联功率器件均压、电压电流变化率过大的问题。此外还有采用模块化多电平集中式电阻方案(如附图2所示)，此方案需要设置单独的模块化多电平桥臂阀塔和单独的集中式电阻塔，增加了系统的整体成本及占地面积。

为解决前述技术方案所存在的不足之处，本发明提出一种低电压电流变化率、器件均压容易、系统成本低与占地面积小的能量消耗装置。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种能量消耗装置及其控制方法，装置并联在正、负直流极线之间，采用模块化设计方案，解决了现有技术所存在的功率器件均匀困难、功率器件通断瞬间电压电流变化率过大等问题。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

本发明所提出的能量消耗装置，其由n(n为大于1的整数)个子模块串联，该串联电路连接在正、负直流极线之间，该装置用于将直流极线上的富余有功功率转变为热能耗散，进而防止直流极线上的有功堆积造成直流极线电压攀升危害系统的运行安全。其中，所述装置的子模块由耗能电路、旁路开关、储能电容和功率器件组成，储能电容为子模块功率器件提供钳位电压，解决功率器件均压问题，降低耗能电阻投入过程中的电压电流变化率，减小对系统的冲击。所述耗能电路由第二功率器件和耗能电阻串联，所述储能电容同功率器件串联后再与耗能电路并联。

进一步的，所述耗能电路的耗能电阻与第一二极管并联，当耗能电阻有电流流过而关断第二功率器件时，由于耗能电阻存在杂散电感，该并联二极管可为耗能电阻上的感性电流提供续流通道。此外，第二功率器件与第二二极管反并联，第一功率器件与第三二极管反并联，两个二极管同样的提供续流作用。

进一步的，所述旁路开关并联在子模块的输出端子之间，所述输出端子连接在储能电容与第一功率器件串联电路两端，当子模块发生故障时旁路开关闭合，将子模块旁路而不影响其他子模块正常工作。

进一步的，所述第一功率器件和第二功率器件可为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或mos场效应管。

前述装置的控制方法分为以下几个步骤：

步骤1：所述装置实时检测直流极线的电压，当直流极线电压没有超过上限值umax时，该装置处于待机模式，转至步骤2；当直流极线电压超过上限值umax，所述装置处于耗能模式，转至步骤3；

步骤2：通过第一功率器件和第二功率器件的导通与关断动态调节单个子模块中储能电容的电压，使所有子模块储能电容的电压处于允许范围内；

步骤3：根据子模块中储能电容的电压由高到低依次导通对应子模块的第一功率器件和第二功率器件，导通时间间隔为t，所有子模块的第一功率器件和第二功率器件均导通后持续时间长度t1，随后根据子模块中储能电容的电压由低到高依次关断对应子模块的第一功率器件和第二功率器件，直至所有功率器件均关断，维持该关断状态时间长度t2。

步骤4：检测直流极线的电压，当直流极线电压低于下限值umin时，转至步骤2；当直流极线电压高于下限值umin时，转至步骤3。

由此，本发明所提出的能量消耗装置及其控制方法，具有如下优点：

1、本发明所提方案的每个子模块内含有一个具有储能和电压钳位作用的电容，完美地解决了功率开关器件的均压问题，且本方案在正常待机状态时动态调节电容电压；

2、本发明所提方案在耗能运行时，子模块的耗能电阻按照电容电压大小依次投入/切除，直至所有耗能电阻均投入/切除，解决了现有方案di/dt和du/dt过大的问题；

3、本发明每个子模块集成耗能电阻的分布式电阻方案，只需要一个阀塔即可，具有占地面积小和成本低的优势。

4本发明采用模块的设计方案，每个子模块拓扑结构完全相同，通过冗余配置一定个数的子模块，当出现个别子模块故障时，可快速通过旁路开关将其旁路而不会影响其正常运行，系统冗余运行能力强。

附图说明

图1为现有技术一；

图2为现有技术二；

图3为本发明拓扑；

图4为本发明子模块拓扑；

图5为本发明耗能电阻投入/切除示意图；

图6为本发明控制逻辑框图；

图中标号名称：1、能量消耗装置；2、子模块；3、储能电容；4、功率器件；5、均压电阻；6、二极管；7、耗能电路；8、旁路开关。

具体实施方式

如图4所示，本发明所提出的能量消耗装置由n(n为大于1的整数)个子模块串联，该串联电路连接在直流极线之间，该装置用于将直流极线上的富余有功功率转变为热能耗散，进而防止直流极线上的有功堆积造成直流极线电压攀升危害系统的运行安全。

图5所示为本法明所述装置的子模块拓扑，该子模块由耗能电路、旁路开关、储能电容和功率器件组成，储能电容为子模块功率器件提供钳位电压，解决功率器件均压问题，降低耗能电阻投入过程中的电压电流变化率，减小对系统的冲击。所述耗能电路由第二功率器件和耗能电阻串联，所述储能电容同功率器件串联后再与耗能电路并联。其中，耗能电阻与第一二极管并联，当耗能电阻有电流流过而关断第二功率器件时，由于耗能电阻存在杂散电感，该并联二极管可为耗能电阻上的感性电流提供续流通道。此外，第二功率器件与第二二极管反并联，第一功率器件与第三二极管反并联，这两个二极管同样的提供续流作用。

为了实现子模块故障而不影响系统正常运行，通过在子模块两个输出端之间并联一个旁路开关，当子模块发生故障时触发该旁路开关，将该故障子模块旁路掉。

进一步的，所述第一功率器件和第二功率器件可为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或mos场效应管。

如图6所示，前述装置的控制方法分为以下几个步骤：

步骤1：所述装置实时检测直流极线的电压，当直流极线电压没有超过上限值umax时，该装置处于待机模式，转至步骤2；当直流极线电压超过上限值umax，所述装置处于耗能模式，转至步骤3；

步骤2：通过第一功率器件和第二功率器件的导通与关断动态调节单个子模块中储能电容的电压，使所有子模块储能电容的电压处于允许范围内；

步骤3：根据子模块中储能电容的电压由高到低依次导通对应子模块的第一功率器件和第二功率器件，导通时间间隔为t，所有子模块的第一功率器件和第二功率器件均导通后持续时间长度t1，随后根据子模块中储能电容的电压由低到高依次关断对应子模块的第一功率器件和第二功率器件，直至所有功率器件均关断，维持该关断状态时间长度t2。

步骤4：检测直流极线的电压，当直流极线电压低于下限值umin时，转至步骤2；当直流极线电压高于下限值umin时，转至步骤3。

其中，上述步骤3中子模块耗能电阻投入与切除的逻辑阶梯图参见图5。

综上，本发明创新地设计了本发明的技术方案也完全能够适用于中、高直流输电的其他应用领域。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，尽管为说明本发明的目的公开了本发明的较佳实施例和附图，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此在本发明原理的基础上，做出的若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。