一种链式直流耗能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，具体涉及一种链式直流耗能装置及控制方法。

背景技术：

在高压直流输电系统中，链式直流耗能装置是至关重要的装置。链式直流耗能装置主要应用于高压直流耗能的应用场景，如当海上风电进行功率输送时，发电端为风机，属于惯性电源，当一端发生故障时，由于功率无法送出，将在直流侧积累能量，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。

在现有技术中，目前常用的方案使用功率半导体器件(如igbt)直接串联后与集中布置电阻串联构成直流耗能装置，由igbt阀串耐受高压，集中电阻消耗能量，工作时所有igbt均同时导通，对器件开通和关断的一致性要求很高，一旦出现不一致，会导致一部分阀段过压烧毁，由于工作时会不断的开通或关断，装置损坏的风险极高；也有技术方案提出模块化的方案，但方案存在器件数量多，成本高，可靠性低的缺陷，如专利cn102132484b-具有分布式制动电阻的变换器中提出的方案，如图4所示，该方案图中二极管构成的桥臂主要是为了防止外部发生短路时，电容直接向短路点放电，二极管的单向导通特性形成了对电容放电路径的阻断，这样做的主要缺点在于：(1)充电时等效回路为二极管桥臂上管对直流电容，具有较高的电流变化率，需要在回路中串联限流电抗器；(2)该方案中器件数量较多，共包含4组功率半导体器件，功率半导体器件的可靠性相对较低，使整个模块故障率更高，且成本较高。(3)该方案在耗能时二极管桥臂上管会流过大电流，由于寄生电感的作用，关断时存在过电压的风险，实际工程中需要增加钳位吸收回路；(4)当模块故障旁路时或检修时，直流电容没有放电路径，降至安全电压的时间很长，且无法检测；(5)在外部短路时，相当于是一种故障状态，此时电容无法放电，或放电时间很长，存在安全隐患，最理想的处理方式应该是使电容迅速放电，使电容电压下降到安全值以下；

为了克服上述问题，本发明提供一种成本低、可靠性高的解决方案。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种链式直流耗能装置以及使用上述装置的控制方法，装置并联在直流线路正负极之间，当均压耗能模块故障或直流线路短路时，通过限流单元限制电容放电电流；采用均压耗能模块直接串联方式，具有结构简单，占地小，可靠性高的优点。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

所述装置包括至少两个均压耗能模块，所述至少两个均压耗能模块同方向串联连接；

所述均压耗能模块包括直流电容、第一限流单元、第一耗能电阻、第一功率半导体器件、第二功率半导体器件，连接方式为以下两种之一：

方式1：第一限流单元的一端与第一耗能电阻的一端相连，连接点作为均压耗能模块首端；直流电容的负极与第一功率半导体器件的发射极连接，连接点作为均压耗能模块尾端；第一限流单元的另一端与直流电容的正极连接，第一耗能电阻的另一端与第一功率半导体器件的集电极连接；第二功率半导体器件的阳极与第一功率半导体器件的集电极连接，阴极与直流电容的正极连接；

方式2：直流电容的正极与第一功率半导体器件的集电极连接，连接点作为均压耗能模块首端；第一限流单元的一端与第一耗能电阻的一端相连，连接点作为均压耗能模块尾端；直流电容的负极与第一限流单元的另一端连接，第一功率半导体器件的发射极与第一耗能电阻的另一端连接，第二功率半导体器件的阳极与直流电容的负极连接，阴极与第一功率半导体器件的发射极连接。

所述均压耗能模块还包括旁路开关，所述旁路开关一端连接均压耗能模块的首端，另一端连接均压耗能模块的尾端；

所述第一限流单元包含带有限流功能的器件。

其中，所述均压耗能模块还包括第三功率半导体器件，第三功率半导体器件一端与均压耗能模块的首端连接，另一端与均压耗能模块的尾端连接。

其中，所述装置还包括单向导通单元，所述单向导通单元由至少两个第四功率半导体器件同方向串联构成；所述单向导通单元与所述至少两个均压耗能模块串联连接。

其中，所述均压耗能模块还包括第三种组成及连接方式，除了包括直流电容、第一限流单元、第一耗能电阻、第一功率半导体器件、第二功率半导体器件，还包括第五功率半导体器件、第六功率半导体器件、第二限流单元、第二耗能电阻；连接方式如下：

第一限流单元的一端与第一耗能电阻的一端相连，连接点作为均压耗能模块首端；直流电容的负极与第一功率半导体器件的发射极连接；第二限流单元的一端连接直流电容的负极，另一端作为均压耗能模块的尾端；第一限流单元的另一端与直流电容的正极连接，第一耗能电阻的另一端与第一功率半导体器件的集电极连接；第二功率半导体器件的阳极与第一功率半导体器件的集电极连接，阴极与直流电容的正极连接；第五功率半导体器件的集电极与直流电容的正极连接；第二耗能电阻的一端与第五功率半导体器件的发射极连接，另一端与均压耗能模块的尾端连接，所述第六功率半导体器件的阳极与直流电容负极连接，阴极与第五功率半导体器件的发射极连接；

所述第二限流单元为电阻、电感、熔断器或三种器件的组合；

所述第五功率半导体器件为全控型功率半导体器件；

所述第六功率半导体器件为半控型功率半导体器件或二极管。

其中，所述第一限流单元为电阻、电感、熔断器或三种器件的组合。

其中，所述旁路开关是机械开关或由功率半导体器件构成的固态开关。

其中，所述链式直流耗能装置还包括至少一个隔断开关，与所述均压耗能模块串联连接。

其中，所述链式直流耗能装置中的第一功率半导体器件是全控型功率半导体器件。

其中，所述链式直流耗能装置中的第二功率半导体器件是半控型功率半导体器件或二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的第三功率半导体器件是半控型功率半导体器件或二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的第四功率半导体器件是半控型功率半导体器件或二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的第一功率半导体器件还并联一个反并联二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的第一耗能电阻还并联一个二极管。

其中，所述第一限流单元还并联一个二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的单向导通单元还并联一个非线性电阻。

其中，所述装置的一端连接直流线路高电位电极，另一端连接直流线路低电位电极。

本发明还包括所述装置的控制方法：

(1)当与装置连接的直流线路正常运行时，关断所有均压耗能模块中的第一功率半导体器件；当直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定直流线路电压控制目标第一阀值，第二阀值，正常值；

步骤2：当检测到直流线路电压超过第一阀值时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中的第一功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第一功率半导体器件；

步骤3：当检测到直流线路电压超过第二阀值时，导通所有均压耗能模块中的第一功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第一功率半导体器件。

(2)当均压耗能模块发生故障时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到均压耗能模块发生故障时，如故障均压耗能模块的第一功率半导体器件处于导通状态，则关断所述故障均压耗能模块的第一功率半导体器件；

步骤2：闭合故障均压耗能模块的旁路开关；所述故障均压耗能模块的直流电容通过第一限流单元放电。

(3)当直流线路短路时，所述方法包括如下步骤：

步骤1，关断处于导通状态的第一功率半导体器件；

步骤2：所述均压耗能模块的直流电容通过第一限流单元向短路点放电。

本发明的有益效果：

1、本发明利用限流单元可有效的限制电容充放电电流，作用体现在以下几方面：(1)当充电时，限流单元和直流电容串联，通过限流单元和耗能电阻向电容充电，避免了充电电流过大损坏直流电容以及其他器件，节省了外加的电容预充电回路，一旦预充电完成，电压几乎全部施加在直流电容上，限流单元和电阻几乎为零损耗。(2)当直流线路发生短路时，直流电容通过限流单元放电，可有效限制放电电流，与现有技术中采用二极管阻断的方案相比，故障情况下可将电容电量放光，安全性更好。(3)当均压耗能模块发生故障后，闭合旁路开关，旁路开关与限流单元结合，为直流电容构成了安全的放电回路，旁路开关一旦成功闭合后，整个故障模块被旁路掉，可靠性高。

2、本发明的第二功率半导体器件主要作用体现在以下方面：优选地，当第二功率半导体器件为二极管时，二极管连接在直流电容和第一功率半导体器件的两端，可将第一功率半导体器件集电极和发射极间的电压钳位，不会受到由于电流突变造成的过电压影响。

3、本发明的第三功率半导体器件主要作用体现在以下方面：在均压耗能模块控制失效或旁路开关失效时，承受过电压后，可被动过压击穿，作为后备保护方案，可靠旁路均压耗能模块。

4、本发明的限流单元如采用电阻，除了起到限流作用外，还能够起到耗能的作用，减少耗能支路电阻功耗，降低设备制造难度，节约成本。

5、本发明方案仅增加限流单元(优选地，限流单元为电阻)即实现了原有技术方案中二极管的作用，总体成本显著降低，且在正常工作时，限流单元不会影响装置的主要功能，仅在电容快速充放电过程中发挥作用。

6、本发明提出的链式直流耗能装置并联在中、高压直流线路，利用均压耗能模块将装置拆分成各个模块，每个模块均包含直流电容，可分担线路电压，降低了均压耗能模块中功率半导体器件承受过电压的风险。且电容具有缓冲作用，对电压的上升和下降的速率起到控制作用。

附图说明

图1为本发明的链式直流耗能装置的第一实施例。

图2为本发明的均压耗能模块的三种实施例。

图3为本发明的链式直流耗能装置的第二实施例。

图4为现有技术的模块结构图。

图5为本发明的链式直流耗能装置的充电示意图。

图6为本发明的链式直流耗能装置在直流线路短路时电容放电示意图。

图7为本发明的链式直流耗能装置在模块故障时电容放电示意图。

图中标号名称：1、链式直流耗能装置；2、均压耗能模块；3、第一限流单元；4、直流电容；5、第一功率半导体器件；6、第一耗能电阻；7、第二功率半导体器件；8、旁路开关；9、第四功率半导体器件；10、非线性电阻；11、隔断开关；12、第三功率半导体器件；13、第五功率半导体器件；14、第六功率半导体器件；15、第二限流单元；16、第二耗能电阻。

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：所述装置1包括至少两个均压耗能模块2，所述至少两个均压耗能模块同方向串联连接；

所述均压耗能模块包括直流电容4、第一限流单元3、第一耗能电阻6、第一功率半导体器件5、第二功率半导体器件7，连接方式为以下两种之一：

方式1：如图2(a)所示，第一限流单元的一端与第一耗能电阻的一端相连，连接点作为均压耗能模块首端；直流电容的负极与第一功率半导体器件的发射极连接，连接点作为均压耗能模块尾端；第一限流单元的另一端与直流电容的正极连接，第一耗能电阻的另一端与第一功率半导体器件的集电极连接；第二功率半导体器件的阳极与第一功率半导体器件的集电极连接，阴极与直流电容的正极连接；

方式2：如图2(b)所示，直流电容的正极与第一功率半导体器件的集电极连接，连接点作为均压耗能模块首端；第一限流单元的一端与第一耗能电阻的一端相连，连接点作为均压耗能模块尾端；直流电容的负极与第一限流单元的另一端连接，第一功率半导体器件的发射极与第一耗能电阻的另一端连接，第二功率半导体器件的阳极与直流电容的负极连接，阴极与第一功率半导体器件的发射极连接。

所述均压耗能模块还包括旁路开关8，所述旁路开关一端连接均压耗能模块的首端，另一端连接均压耗能模块的尾端；

所述第一限流单元包含带有限流功能的器件。

其中，所述均压耗能模块还包括第三功率半导体器件12，第三功率半导体器件一端与均压耗能模块的首端连接，另一端与均压耗能模块的尾端连接。

其中，如图3所示，所述装置还包括单向导通单元，所述单向导通单元由至少两个第四功率半导体器件9同方向串联构成；所述单向导通单元与所述至少两个均压耗能模块串联连接。在本实施例中，第四功率半导体器件为二极管。

如图2(c)所示，所述均压耗能模块还包括第三种组成及连接方式，除了包括直流电容、第一限流单元、第一耗能电阻、第一功率半导体器件、第二功率半导体器件，还包括第五功率半导体器件13、第六功率半导体器件14、第二限流单元15、第二耗能电阻16；连接方式如下：

第一限流单元的一端与第一耗能电阻的一端相连，连接点作为均压耗能模块首端；直流电容的负极与第一功率半导体器件的发射极连接；第二限流单元的一端连接直流电容的负极，另一端作为均压耗能模块的尾端；第一限流单元的另一端与直流电容的正极连接，第一耗能电阻的另一端与第一功率半导体器件的集电极连接；第二功率半导体器件的阳极与第一功率半导体器件的集电极连接，阴极与直流电容的正极连接；第五功率半导体器件的集电极与直流电容的正极连接；第二耗能电阻的一端与第五功率半导体器件的发射极连接，另一端与均压耗能模块的尾端连接，所述第六功率半导体器件的阳极与直流电容负极连接，阴极与第五功率半导体器件的发射极连接；

所述第二限流单元为电阻、电感、熔断器或三种器件的组合；本实施例中第二限流单元为电阻。

所述第五功率半导体器件为全控型功率半导体器件；在本实施例中，全控型功率半导体器件为igbt。

所述第六功率半导体器件为半控型功率半导体器件或二极管。在本实施例中，第六功率半导体器件为二极管。

其中，所述第一限流单元为电阻、电感、熔断器或三种器件的组合。在本实施例中第一限流单元为电阻。

其中，所述旁路开关是机械开关或由功率半导体器件构成的固态开关。

其中，所述链式直流耗能装置还串联至少一个隔断开关11。

其中，所述链式直流耗能装置中的第一功率半导体器件是全控型功率半导体器件。在本实施例中，全控型功率半导体器件为igbt。

其中，所述链式直流耗能装置中的第二功率半导体器件是半控型功率半导体器件或二极管。在本实施例中，第二功率半导体器件为二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的第三功率半导体器件是半控型功率半导体器件或二极管。在本实施例中，第三功率半导体器件为二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的第四功率半导体器件是半控型功率半导体器件或二极管。在本实施例中，第四功率半导体器件为二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的第一、五功率半导体器件还并联一个反并联二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的第一、二耗能电阻还并联一个二极管。

其中，所述第一、二限流单元还并联一个二极管。

其中，所述链式直流耗能装置中的单向导通单元还并联一个非线性电阻10。

其中，所述装置一端连接直流线路高电位电极，另一端连接直流线路低电位电极。在伪双极直流输电系统中，所述装置一端连接直流线路正极，装置另一端连接直流线路负极；在真双极直流输电系统中，所述装置可与直流线路的正、负极连接，也可连接在正极与地之间，或地与负极之间。

本发明还包括所述装置的控制方法：

(1)如图5所示，当装置启动时，直流电容初始电压为0v，需要向直流电容充电，本发明通过限流单元和耗能电阻同时向均压耗能模块中的直流电容充电，可有效的限制充电电流。

(2)当与装置连接的直流线路正常运行时，所述均压耗能模块中的第一功率半导体器件处于关断状态，所述隔断开关闭合；当直流线路过压时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定直流线路电压控制目标第一阀值，第二阀值，正常值；

步骤2：当检测到直流线路电压超过第一阀值时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中第一功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第一功率半导体器件；

步骤3：当检测到直流线路电压超过第二阀值时，导通所有均压耗能模块中第一功率半导体器件，直至直流线路电压恢复正常值，关断均压耗能模块中的第一功率半导体器件。

在本实施例中，当直流线路过压时，进入耗能模式。设定电压控制目标的第一阀值为520kv，第二阀值为540kv，正常值为500kv.

当检测到直流线路电压超过520kv时，按一定规律轮流导通部分均压耗能模块中的igbt。

在耗能模式下，igbt导通后，由于电阻的投入，能量被消耗，直流电压值的变化取决于能量积累速度和消耗速度。当能量消耗速度大于积累速度时，检测到直流电压恢复到500kv及以下，关断部分均压耗能模块中的igbt；如果积累能量速度大于消耗的速度，开通部分均压耗能模块中的igbt，使直流电压稳定在500kv。

如果直流电压仍然上升，直流电压超过了540kv，此时，同时导通所有均压耗能模块的igbt，以最大的耗能能力释放能量。

(2)当均压耗能模块发生故障时，所述方法包括如下步骤：

步骤1：当检测到均压耗能模块发生故障时，如故障均压耗能模块的第一功率半导体器件处于导通状态，则关断所述故障均压耗能模块的第一功率半导体器件；

步骤2：闭合故障均压耗能模块的旁路开关；所述故障均压耗能模块的直流电容通过第一限流单元放电。

如图7所示，当模块发生故障时，闭合旁路开关，此时，直流电容将通过限流单元放电，可有效限制放电电流。保证旁路可靠性。

(3)当直流线路短路时，所述方法包括如下步骤：

步骤1，关断处于导通状态的第一功率半导体器件；

步骤2：所述均压耗能模块的直流电容通过第一限流单元向短路点放电。

如图6所示，当直流线路短路时，直流电容将对短路点放电，此时多个模块的限流单元均串联在放电回路中，可有效限制放电电流，保证放电安全性。

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。