一种变压式直流耗能装置及其控制方法

1.本发明属于柔性直流输电保护技术领域，特别是涉及一种变压式直流耗能装置及其控制方法。


背景技术：

2.当今化石能源逐渐枯竭，因传统化石能源所产生的环境问题日益严峻，可再生能源在发电总量的占比中将不断加大。风力发电是目前新能源发电技术中较为成熟、且极具潜力的发电方式，海上风力发电经过数十年的发展已经成为可再生能源的重要组成部分，随着现代科学技术的不断提高，海上风力发电将向深海领域转移，海上风力发电机组装机数量也将进一步增大。
3.基于电压源换流器的柔性直流输电技术，具有控制灵活，无需换向等优点，是一种极为适合海上风电并网的输电技术。在基于海上风电的柔性直流输电系统中，耗能装置是至关重要的设备，当系统受电端发生故障时，风电场输出功率无法送出，将导致直流侧输电线路电压上升。目前，海上风电直流送出工程大多采用mmc(modular multilevel converter)拓扑结构。此类换流器结构虽具有一定的冗余特性，但内部igbt等开关器件耐压程度有限，受电端故障所导致的直流电压上升等级远超其正常工作范围，进而极易导致系统中各类设备因过压而永久性失效。
4.随着我国经济建设的不断提高，海上风电直流送出工程将会得到大规模发展，对其稳定性的要求也将愈发严苛，尤其是在故障工况下如何确保风电场及主电网的稳定性，提高海上风力发电系统的故障穿越能力，是目前亟待解决的技术问题和重要研究方向。
5.直流耗能装置多采用集中耗能电阻或分布式耗能电阻对能量进行耗散，集中式耗能电阻与电路中其它元件可通过高压穿墙套管分开布置，投入运行过程中无需独立的水冷系统进行散热，其中高压穿墙套管的成本随着电压等级的提升而增长。分布式耗能电阻布置于耗能装置的各个子模块中，实际安装过程中无法将耗能电阻与电路中其它元器件分开布置，因此其投入运行过程中需要安装独立的水冷系统对其进行散热，以使耗能电阻散发的热量及时导出，避免电路中其它器件因过热而导致失效，价格稍昂贵。


技术实现要素：

6.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种变压式直流耗能装置及其控制方法。
7.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种变压式直流耗能装置，所述耗能装置包括四组开关桥臂和集中耗能模块；四组开关桥臂分别为上桥臂a1、上桥臂b1、下桥臂b2和下桥臂a2；每组开关桥臂由若干组开关模块组成；所述集中耗能模块包括串联设置的变压器和与变压器副边串联的集中耗能电阻。
8.进一步地，每个开关模块的电路结构均相同，包括开关管q1和压敏电阻mov1，开关管q1的集电极、发射极与压敏电阻mov1的两端并联，构成一组开关模块。
9.进一步地，上下桥臂各组开关模块之间通过开关管q1的集电极与发射极相连；上下桥臂从上到下，从左到右依次排列为上桥臂a1、上桥臂b1、下桥臂b2和下桥臂a2。
10.进一步地，集中耗能模块包括变压器t1与耗能电阻r1；变压器t1原边的一端与两组桥臂a1、b1尾端开关模块开关管q1的发射极相连，桥臂a1、b1的首端通过桥臂中首个开关模块中开关管q1的集电极与直流母线的正极相连；变压器t1原边的另一端与另外两组桥臂a2、b2首端首个开关模块的开关管q1的集电极相连，桥臂a2、b2的尾端通过尾端最后一组开关模块的开关管q1的发射极与直流母线的负极相连。
11.进一步地，变压器t1副边的两端分别与耗能电阻的两端连接，通过高压穿墙套管布置在室外，以便于释放耗能过程中产生的热量。
12.进一步地，所述开关管q1为功率半导体开关器件，开关管的基极为控制端，开关管的集电极为输入端，开关管的发射极为输出端。
13.进一步地，每组开关桥臂均包括2组开关模块。
14.本发明还提出一种变压式直流耗能装置的控制方法，所述控制方法具体为：
15.将上桥臂a1，下桥臂a2分为一组桥臂，上桥臂b1，下桥臂b2分为另外一组桥臂，每组桥臂由相同的开关信号控制开关管的导通与关断；
16.当直流母线电压上升时，对上桥臂a1与下桥臂a2中的开关管施加一定频率的pwm信号，控制开关管通断，上桥臂b1与下桥臂b2始终保持关断；或对上桥臂b1与下桥臂b2中的开关管施加一定频率的pwm信号，控制开关管通断，上桥臂a1与下桥臂a2始终保持关断；
17.使变压器原边产生正向电流或反向电流；变压器副边产生感应电压，耗能电阻进行能量耗散；根据直流母线两端电压对施加在开关管的pwm信号进行调节，当耗能电阻电流大于设定值时，减小pwm信号的占空比，当耗能电阻电流小于设定值时，增大pwm信号的占空比，实现耗散功率的调节。
18.本发明还提出一种变压式直流耗能装置的控制方法，所述控制方法具体为：
19.将上桥臂a1，下桥臂a2分为一组桥臂，上桥臂b1，下桥臂b2分为另外一组桥臂，每组桥臂由相同的开关信号控制开关管的导通与关断；
20.当直流母线电压上升时，对上桥臂a1与下桥臂a2中的开关管施加一定频率的pwm信号，同时对上桥臂b1与下桥臂b2中的开关管施加与其相反的pwm信号，使变压器原边产生一定频率的正负交变电流，同时副边产生感应电压，耗能电阻进行能量的耗散；当耗能电阻电流大于设定值时，减小pwm信号的占空比，当耗能电阻电流小于设定值时，增大pwm信号的占空比，实现耗散功率的调节。
21.本发明至少具有如下优点：本发明提出了一种集中式耗能装置，无需设置水冷系统对其进行散热，将其并联在高压直流线路的正、负两极之间，通过在集中式耗能电阻与开关器件之间增加变压装置，降低了耗能电阻两端电压，减少了高压穿墙套管的使用，达到在能量耗散目的的同时降低设备整体成本，解决了耗能装置因高压穿墙套管而导致经济型较差的问题；采用耗能电阻与变压器副边直接串联方式，结构简单，可靠性高；配合桥臂中开关器件的通断可有效实现耗能电阻的投退。本发明所提出的耗能装置结构具有成本低，可靠性高的特点。
附图说明
22.图1为耗能装置拓扑结构图；
23.图2为单组耗能桥臂结构图；
24.图3为单组开关模块结构图。
25.图中标号名称：1、上桥臂a1；2、上桥臂b1；3、开关模块；4、下桥臂b2；5、下桥臂a2；6、直流母线正极；7、直流母线负极；8、变压器；9、建筑物外墙；10、高压穿墙套管；11、耗散电阻；12、开关管q1；13、金属氧化物压敏电阻mov1。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
27.本发明提出了一种集中式耗能装置，无需设置水冷系统对其进行散热，将其并联在高压直流线路的正、负两极之间，通过在集中式耗能电阻与开关器件之间增加变压装置，降低了耗能电阻两端电压，减少了高压穿墙套管的使用，达到在能量耗散目的的同时降低设备整体成本，解决了耗能装置因高压穿墙套管而导致经济型较差的问题；采用耗能电阻与变压器副边直接串联方式，结构简单，可靠性高；配合桥臂中开关器件的通断可有效实现耗能电阻的投退。本发明所提出的耗能装置结构具有成本低，可靠性高的特点。
28.结合图1-图3，本发明提出一种变压式直流耗能装置，该装置的电路结构拓扑图如图1所示，该装置设置在直流线路上，所述耗能装置包括四组开关桥臂和集中耗能模块；四组开关桥臂分别为上桥臂a1、上桥臂b1、下桥臂b2和下桥臂a2；每组开关桥臂由若干组开关模块组成(图1中虚线框内为一组开关模块)；所述集中耗能模块包括串联设置的变压器和与变压器副边串联的集中耗能电阻。
29.每个开关模块的电路结构均相同，包括开关管q1和金属氧化物压敏电阻mov1，开关管q1的集电极、发射极与金属氧化物压敏电阻mov1的两端并联，构成一组开关模块。
30.上下桥臂各组开关模块之间通过开关管q1的集电极与发射极相连；上下桥臂从上到下，从左到右依次排列为上桥臂a1、上桥臂b1、下桥臂b2和下桥臂a2。每组开关桥臂均包括2组开关模块。
31.集中耗能模块包括变压器t1与耗能电阻r1；变压器t1原边的一端与两组桥臂a1、b1尾端开关模块开关管q1的发射极相连，桥臂a1、b1的首端通过桥臂中首个开关模块中开关管q1的集电极与直流母线的正极相连；变压器t1原边的另一端与另外两组桥臂a2、b2首端首个开关模块的开关管q1的集电极相连，桥臂a2、b2的尾端通过尾端最后一组开关模块的开关管q1的发射极与直流母线的负极相连。
32.变压器t1副边的两端分别与耗能电阻的两端连接，通过高压穿墙套管布置在室外，以便于释放耗能过程中产生的热量。
33.所述开关管q1为功率半导体开关器件，开关管的基极为控制端，开关管的集电极为输入端，开关管的发射极为输出端。
34.本发明还提出一种变压式直流耗能装置的控制方法，所述控制方法具体为：
35.将上桥臂a1，下桥臂a2分为一组桥臂，上桥臂b1，下桥臂b2分为另外一组桥臂，每组桥臂由相同的开关信号控制开关管的导通与关断；
36.当直流母线电压上升时，对上桥臂a1与下桥臂a2中的开关管施加一定频率的pwm信号，控制开关管通断，上桥臂b1与下桥臂b2始终保持关断；或对上桥臂b1与下桥臂b2中的开关管施加一定频率的pwm信号，控制开关管通断，上桥臂a1与下桥臂a2始终保持关断；
37.使变压器原边产生正向电流或反向电流；变压器副边产生感应电压，耗能电阻进行能量耗散；根据直流母线两端电压对施加在开关管的pwm信号进行调节，当耗能电阻电流大于设定值时，减小pwm信号的占空比，当耗能电阻电流小于设定值时，增大pwm信号的占空比，实现耗散功率的调节。
38.本发明还提出一种变压式直流耗能装置的控制方法，所述控制方法具体为：
39.将上桥臂a1，下桥臂a2分为一组桥臂，上桥臂b1，下桥臂b2分为另外一组桥臂，每组桥臂由相同的开关信号控制开关管的导通与关断；
40.当直流母线电压上升时，对上桥臂a1与下桥臂a2中的开关管施加一定频率的pwm信号，同时对上桥臂b1与下桥臂b2中的开关管施加与其相反的pwm信号，使变压器原边产生一定频率的正负交变电流，同时副边产生感应电压，耗能电阻进行能量的耗散；当耗能电阻电流大于设定值时，减小pwm信号的占空比，当耗能电阻电流小于设定值时，增大pwm信号的占空比，实现耗散功率的调节。
41.本发明提出了一种通过变压器变压后进行能量耗散的耗能装置及其控制方法，包括并联在直流线路端的开关桥臂、变压器和耗能电阻；本发明继承了集中式耗能装置无需另行安装独立散热系统的优点，又通过在耗能电阻与开关桥臂之间增加变压器，降低了耗能电阻两端的电压等级，减少了实际应用过程中高压穿墙套管的使用，降低了整体成本。
42.以上对本发明所提出的一种变压式直流耗能装置及其控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。