一种直流耗能装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及高压直流输电技术领域，特别涉及一种直流耗能装置。


背景技术：

[0002]
柔性直流输电技术具有不存在换相失败，电压谐波含量少波形质量高，能快速调节有功功率与无功功率等优势。这些技术优势，使柔性直流技术在电力系统中产生了广泛的应用需求，如大规模清洁能源的接入、汇集与输送，孤岛无源负荷供电。当柔性直流输电技术应用于新能源系统送出时，当受电端发生故障导致交流电网电压跌落时，有功功率无法送出或者只能部分送至交流电网，多余的有功功率造成直流输电线路的电压升高，危害柔性直流换流阀等设备的安全。
[0003]
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耗能电阻，耗能电阻将使直流电压下降，当耗能电阻的耗能速度超过直流侧能量累积的速度，直流电压就会下降，关断耗能电阻放电回路，直流电压再上升，通过反复的开通和关断耗能电阻支路来控制直流电压。上述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存在技术困难，很难保证一致性，一旦关断不同步，就会有导通慢的器件或关断快的器件承受过电压而损坏；另一方面，耗能电阻在投退时对于直流系统的功率冲击也比较大。现有的另外一种技术主要是将耗能电阻分散布置在多个子模块中，通过调节所投入的耗能电阻数量，来调节泄放功率，达到泄放功率和盈余功率的平衡，降低耗能期间直流电压的波动，但该方法的成本较为高昂。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型实施例的目的是提供一种直流耗能装置，通过采用与耗能电阻均串连的多个分压模块，解决了现有技术中多个串连功率半导体开关器件难以实现同时导通或关断的技术问题，在切除所有分压模块后通过耗能电阻进行盈余功率泄放，通过斜坡化投退策略控制分压模块的投切，降低了耗能电阻电压变化率和对直流系统的冲击，具有高性能、高可靠性和低成本的优点。
[0005]
为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种直流耗能装置，包括：串连连接的耗能电阻和若干个分压模块；
[0006]
所述分压模块包括：第一功率半导体开关管、第二功率半导体开关管、直流电容、反并联二极管、均压电阻；
[0007]
所述分压模块的输入端与所述第一功率半导体开关管的集电极连接，其输出端与所述第一功率半导体开关管的发射极连接；
[0008]
所述第二功率半导体开关管的发射极与所述第一功率半导体开关管的集电极连接，其集电极与所述直流电容的正极连接；
[0009]
所述直流电容的负极与所述第一功率半导体开关管的发射极连接；
[0010]
所述反并联二极管的正极与所述第二功率半导体开关管的发射极连接，其负极与
所述第二功率半导体开关管的集电极连接；
[0011]
所述均压电阻与所述直流电容并联连接。
[0012]
进一步地，所述分压模块还包括：旁路开关；
[0013]
所述旁路开关与所述第一功率半导体开关管并联连接。
[0014]
进一步地，所述直流耗能装置还包括：第一隔离开关和/或第二隔离开关；
[0015]
所述第一隔离开关设置于所述直流耗能装置的输入端；
[0016]
所述第二隔离开关设置于所述直流耗能装置的输出端。
[0017]
进一步地，所述第一功率半导体开关管为igbt或igct；
[0018]
所述第二功率半导体开关管为igbt或igct。
[0019]
进一步地，所述直流电容为滤波电容。
[0020]
本实用新型实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0021]
通过采用与耗能电阻均串连的多个分压模块，解决了现有技术中多个串连功率半导体开关器件难以实现同时导通或关断的技术问题，在切除所有分压模块后通过耗能电阻进行盈余功率泄放，通过斜坡化投退策略控制分压模块的投切，降低了耗能电阻电压变化率和对直流系统的冲击，具有高性能、高可靠性和低成本的优点。
附图说明
[0022]
图1是本实用新型实施例提供的直流耗能装置的电路原理图；
[0023]
图2是本实用新型实施例提供的直流耗能装置的控制方法流程图；
[0024]
图3是本实用新型实施例提供的直流耗能装置的仿真结果图。
[0025]
附图标记：
[0026]
1、分压模块，2、直流电容，3、均压电阻，4、第一功率半导体开关管，5、第二功率半导体开关管，6、反并联二极管，7、旁路开关，8、耗能电阻，9、第一隔离开关，10、第二隔离开关。
具体实施方式
[0027]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
[0028]
图1是本实用新型实施例提供的直流耗能装置的电路原理图。
[0029]
请参照图1，本实用新型实施例提供一种直流耗能装置，包括：串连连接的耗能电阻和若干个分压模块。分压模块包括：第一功率半导体开关管、第二功率半导体开关管、直流电容、反并联二极管、均压电阻。分压模块的输入端与第一功率半导体开关管的集电极连接，其输出端与第一功率半导体开关管的发射极连接。第二功率半导体开关管的发射极与第一功率半导体开关管的集电极连接，其集电极与直流电容的正极连接。直流电容的负极与第一功率半导体开关管的发射极连接。反并联二极管的正极与第二功率半导体开关管的发射极连接，其负极与第二功率半导体开关管的集电极连接。均压电阻与直流电容并联连接。
[0030]
上述技术方案通过采用与耗能电阻均串连的多个分压模块，解决了现有技术中多个串连功率半导体开关器件难以实现同时导通或关断的技术问题，在切除所有分压模块后通过耗能电阻进行盈余功率泄放，通过斜坡化投退策略控制分压模块的投切，降低了耗能电阻电压变化率和对直流系统的冲击，具有高性能、高可靠性和低成本的优点。
[0031]
可选的，分压模块还包括：旁路开关。旁路开关的一端与第一功率半导体开关管的集电极连接，其另一端与第一功率半导体开关管的发射极连接。
[0032]
可选的，直流耗能装置还包括：第一隔离开关和/或第二隔离开关。第一隔离开关设置于直流耗能装置的输入端；第二隔离开关设置于直流耗能装置的输出端。
[0033]
可选的，第一功率半导体开关管为igbt或igct；和/或，第二功率半导体开关管为igbt或igct。
[0034]
可选的，直流电容为滤波电容，配合第一功率半导体开关和/或第二功率半导体开关的阀段的高频投切，可以实现功率的平滑泄放，有助于直流电压的稳定。
[0035]
图2是本实用新型实施例提供的直流耗能装置的控制方法流程图。
[0036]
本实用新型实施例还公开了一种直流耗能装置控制方法，请参照图2，用以控制上述直流耗能装置，包括如下步骤：
[0037]
s100，在完成所有分压模块的充电后，控制直流耗能装置进入热备用状态。
[0038]
在热备用状态下，直流耗能装置执行均压控制，通过导通分压模块的第一功率半导体开关管并关断第二功率半导体开关管，动态切除直流电压较高的一部分分压模块，闭锁剩余的分压模块。
[0039]
s200，实时检测直流电压，当直流电压超过第一预设电压值，控制直流耗能装置进入耗能状态。
[0040]
直流耗能装置实时对直流电压进行检测，当直流系统发生故障，出现盈余功率，导致直流电压异常时，即检测到直流电压超出第一预设电压值后，控制直流耗能装置从热备用状态进入耗能状态：直流耗能装置按照第一预设斜率切除所有分压模块，耗能电阻开始进行功率泄放。通过第一预设斜率投切可以降低电流的变化率，减少对直流系统的冲率冲击。此外，在斜率切除过程中，直流耗能装置维持均压操作。
[0041]
s300，当直流电压低于第二预设电压值时，按照第二预设斜率投入相应数量的分压模块。
[0042]
当直流电压低于第二预设电压值时，直流耗能装置按照第二预设斜率投入相应数量的分压模块(即关断分压模块的第一功率半导体开关管、导通第二功率半导体开关管)。相应分压模块投入后，分压模块直流电容将斜坡变化过程中吸收的能量通过第二功率半导体开关管释放。在上述过程中，直流耗能装置维持均压操作。
[0043]
s400，当直流电压超过第三预设电压时，按照第三预设斜率切除分压模块，控制耗能电阻进行功率泄放。
[0044]
上述切除是指导通分压模块的第二功率半导体开关；当其导通后，相应分压模块便从支路中切除。
[0045]
当直流电压超过第三预设电压时，控制直流耗能装置按照第三预设斜率切除所有分压模块，使耗能电阻开始功率泄放。在切除过程中，直流耗能装置仍维持均压操作。
[0046]
s500，在收到故障恢复指令或耗能时间达到预设时间后，控制直流耗能装置闭锁
所有分压模块。
[0047]
上述闭锁是指断开分压模块的第一功率半导体开关和第二功率半导体开关。
[0048]
依据直流电压的变化，控制直流耗能装置分别执行步骤s300和步骤s400。在接收到控制保护的故障恢复指令后，或者耗能时间达到预设时间后，控制直流耗能装置闭锁所有分压模块，直至电阻冷却。其中，预设时间与耗能电阻的散热环境相关。
[0049]
s600，控制直流耗能装置在耗能电阻冷却后进入热备用状态。
[0050]
下面举例对直流耗能装置的控制方法进行说明，将直流耗能装置连接在800kv的直流线路中，共包括430个开关模块。在直流系统正常运行时，不存在盈余功率，直流耗能装置中的分压模块承担直流电压，其中有400个分压模块处于闭锁状态，30个电压较高的分压模块被动态切除，以维持电压均衡。
[0051]
在直流系统发生故障后，出现盈余功率，当直流电压超过第一预设电压(以1.1pu额定电压为例，为880kv)后，控制直流耗能装置按照第一预设斜率切除所有分压模块，耗能电阻开始进行功率泄放。当直流电压小于第二预设电压(以1.02pu额定电压为例，为816kv)后，控制直流耗能装置按照第二预设斜率投入400个分压模块，30个电压较高的分压模块被动态切除。
[0052]
此后，分压模块电容将通过第二功率半导体开关管释放在斜率变换过程中所吸收的能量，分压模块电压将维持在额定电压附近。
[0053]
当直流电压大于第三预设电压值(以1.04pu额定电压为例，为832kv)后，直流耗能装置按照第三预设斜率切除所有分压模块，耗能电阻开始进行功率泄放。
[0054]
依据直流电压的变化，控制直流耗能装置重复上述过程，直到接收到控制保护的故障恢复指令，或耗能时间达到电阻设定值后，控制直流耗能装置闭锁所有分压模块(仍然切除一部分分压模块以维持均压操作)，并等待耗能电阻冷却，然后重新进入热备用状态。
[0055]
图3是本实用新型实施例提供的直流耗能装置的仿真结果图。
[0056]
请参照图3，当系统发生故障，盈余功率导致直流电压超过第三预设电压值后，切除所有分压模块，通过电阻进行功率泄放；随着功率的泄放，直流电压开始降低，收到故障恢复指令或耗能时间达到预设时间，将所有分压模块由切除转为投入，即第二功率半导体开关导通，第一功率半导体开关关断。此后，直流耗能装置将根据直流电压在切除和投入之间转换，将直流电压控制在设定的范围内，直至故障恢复。
[0057]
本实用新型实施例旨在保护一种直流耗能模块，包括：串连连接的耗能电阻和若干个分压模块；分压模块包括：第一功率半导体开关管、第二功率半导体开关管、直流电容、反并联二极管、均压电阻；分压模块的输入端与第一功率半导体开关管的集电极连接，其输出端与第一功率半导体开关管的发射极连接；第二功率半导体开关管的发射极与第一功率半导体开关管的集电极连接，其集电极与直流电容的正极连接；直流电容的负极与第一功率半导体开关管的发射极连接；反并联二极管的正极与第二功率半导体开关管的发射极连接，其负极与第二功率半导体开关管的集电极连接；均压电阻与直流电容并联连接。上述技术方案具备如下效果：
[0058]
通过采用与耗能电阻均串连的多个分压模块，解决了现有技术中多个串连功率半导体开关器件难以实现同时导通或关断的技术问题，在切除所有分压模块后通过耗能电阻进行盈余功率泄放，通过斜坡化投退策略控制分压模块的投切，降低了耗能电阻电压变化
率和对直流系统的冲击，具有高性能、高可靠性和低成本的优点。
[0059]
应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。