CN110571815B - 一种基于阻容器件的可控卸荷模块，电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于阻容器件的可控卸荷模块，电路及控制方法，所述电路与受端换流站并联后接入直流输电线路，所述电路包括：主电阻和多个可控卸荷模块；所述主电阻以及多个可控卸荷模块依次串联；所述主电阻用于提供能量控制电路耗能的主要功率；所述可控卸荷模块用于电路分压。本方案可直接控制能量控制电路中的可控卸荷模块的接入或切除进行对直流线路能耗的控制，控制过程简单；此外，通过控制可控卸荷模块的接入或切除可以实现在直流线路为高压的情况下，对直流线路电压进行分压处理，避免了由于电压过高而出现的对能量控制电路电气元件损坏的问题。简单的控制方法，实现了能量控制电路调压和分压的效果，节省了电路的占地空间。

Description

一种基于阻容器件的可控卸荷模块，电路及控制方法

技术领域

本发明涉及直流输电能量转移领域，具体涉及一种基于阻容器件的可控卸荷模块，电路及控制方法。

背景技术

直流输电线路能够高效便捷地把大量电能从能源基地传输到负荷中心，直流输电线路的结构图如图2所示，对于运行中直流输电工程来说，受端消纳的电能与送端发出的电能相平衡，送端的电网的电压和工作频率维持恒定。当受端电力系统发生扰动或故障，无法消纳送端送出的电能时，送端电网的电压和频率将发生扰动，可以通过快速调节发电机的出力来减少这种扰动；若送端的电源是火力发电机或水力发电机，发电机的出力可以调节，但是调节过程需要一定的时延，无法做到即时响应，电网的电压和频率仍会出现扰动；若送端电源是风力发电机组，由于自然界的风力无法控制，无法根据运行需要调节风力发电机组的出力，送端电网的电压和频率将出现严重扰动，严重时可能造成发电机组解裂，引起严重电网事故。

特高压直流输电技术的发展使直流输电的输电容量提升至8000～12000MW，送端电网传统火力和水力发电机装机容量随之水涨船高，发电机出力的快速调节日趋困难，风、光、水、火电打捆外送更加重了这种困难；柔性直流输电技术的发展使得风力发电并网规模的日益扩大，受端电网故障引起送受端功率不匹配而导致风力发电机组解裂的风险日益增大。

为解决上述问题，提高直流输电的运行可靠性，需要设计一种能量控制电路维持整个直流输电系统送受端功率平衡。

目前已有三种能量控制电路。其中，电路1使用开关与电阻串联的型式，如图3所示，开关是由电力电子器件串联组成的阀，通过脉宽调制方式(PWM)控制阀的开断来实现电阻消耗功率的调节，该电路具有结构简单、易于控制的特点；但是当直流电压升高到一定程度之后，电力电子器件数量的增加将使得器件均压变得困难，由于采用脉宽调制方式，所有的电力电子器件动作一致性也无法保证；所以，该控制电路适用于低电压的领域。电路2在电路1的基础上进行了模块化设计，如图4所示，其控制方法为：把开关和电阻分散布置在每一个模块中，模块的均压由模块电容实现，通过控制导通的模块开关的数量来控制电路消耗的功率；该电路具有控制方式简单、不受直流电压限制的优点，缺点在于消耗能量的电阻放置于模块之内，将增大模块体积和阀厅建筑面积，对冷却系统要求高。电路3与电路1相比，改进之处在于开关阀采用了模块化多电平换流器(MMC)模块串联，如图5所示，模块化多电平换流器模块可采用全桥或半桥结构，其控制方法可以通过模块化多电平换流器模块电容的充放电实现模块均压，当控制电路动作时模块化多电平换流器模块无须同时开关，因此该电路不受直流电压限制，可以应用于高电压工程；该电路的控制方法的缺点在于控制方式复杂，设备成本高昂。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺少一种适用于高压直流线路的能量控制方法的问题，本发明提供了一种基于阻容器件的可控卸荷模块，电路及控制方法。

本发明提供的技术方案是：

一种基于阻容器件的可控卸荷模块，包括：

主开关、辅助开关、辅助电阻、辅助电感和第一电容；

所述辅助电感、辅助开关和辅助电阻依次串联后与所述主开关和第一电容并联；

所述辅助电感用于限制所述第一电容放电的电流最大值和电流变换率；

所述可控卸荷模块包括三种工作状态：

短接状态：所述主开关闭合；

分压状态：所述主开关和辅助开关断开；

保护状态：所述主开关断开且所述辅助开关闭合。

优选的，还包括：第二电容；

所述第二电容与所述辅助电阻并联。

优选的，还包括：

第一二极管、第二二极管和第三二极管；

所述第一二极管与所述主开关反向并联后与所述第二二极管串联；

所述第三二极管与所述辅助开关反向并联。

一种基于阻容器件的模块化可控卸荷电路，所述电路与受端换流站并联后接入直流输电线路，所述电路包括：

主电阻、主电感和多个如权利要求1-3所述的可控卸荷模块；

所述主电阻、主电感和多个可控卸荷模块依次串联；

所述主电阻用于提供能量控制电路耗能的主要功率；

所述主电感用于限制所述电路中的电流变化率；

所述可控卸荷模块用于电路分压。

优选的，所述电路非对称或对称并接于直流输电线路上。

优选的，所述主电阻的阻值由所述电路的额定直流电压和最大吸收功率决定，所述主电阻的阻值按下时计算：

其中，R_m为主电阻的阻值，U_dc为电路的额定直流电压，P_max为电路的最大吸收功率。

优选的，所述可控卸荷模块的数量由额定直流电压和所述可控卸荷模块中第一电容的最大耐受电压决定，所述可控卸荷模块的数量，由下式计算：

其中，N为所述可控卸荷模块的数量，U_dc为电路的额定直流电压，U_c为所述第一电容的最大耐受电压。

优选的，所述可控卸荷模块中第二电容的容值由所述可控卸荷模块吸收的最大能量、所述可控卸荷模块数量和所述第一电容的最大耐受电压决定，所述第二电容的容值，由下式计算：

其中，C₂为所述第二电容的容值，E_max为所述可控卸荷模块吸收的最大能量，N为所述可控卸荷模块的数量，U_c为第一电容的最大耐受电压。

优选的，所述可控卸荷模块中辅助电阻的阻值由所述第二电容所在线路中最大放电电流确定，所述辅助电阻的阻值由下式计算：

其中，R_a为所述辅助电阻的阻值，U_c为所述第一电容的最大耐受电压，I_{c2_max}为所述第二电容所在线路中最大放电电流。

优选的，所述可控卸荷模块中辅助电感的感性值由所述第一电容的最大耐受电压和可控卸荷模块中辅助开关的开通电流耐受能力决定，所述辅助电感的感性值，由下式计算：

其中，L_a为所述辅助电感的感性值，U_c为所述第一电容的最大耐受电压，

为辅助开关的开通电流耐受能力。

优选的，所述主电感的最小感性值由所述电路额定直流电压、所述可控卸荷模块的数量和所述主开关的开通电流耐受能力决定，所述主电感的最小感性值，由下式计算：

其中，所述L_m为所述主电感的最小值，U_dc为所述电路额定直流电压，N为所述可控卸荷模块的数量，

为所述主开关的开通电流耐受能力。

一种基于阻容器件的模块化可控卸荷电路的控制方法，包括：

根据耗能需求，确定模块化可控卸荷电路中可控卸荷模块的投入量；

根据所述投入量，将需要投入的所述可控卸荷模块调整为分压状态，并将剩余的所述可控卸荷模块调整为短接状态；

跟踪所述可控卸荷模块的状态，保持分压稳定。

优选的，所述根据所述投入量，将需要投入的所述可控卸荷模块调整为分压状态，包括：

根据所述投入量，确定需要投入的可控卸荷模块；

将需要投入的所述可控卸荷模块中的主开关和辅助开关断开，此时所述第一电容串接于所述电路中进行充电并分压。

优选的，所述将剩余的所述可控卸荷模块调整为短接状态，包括：

将所述可控卸荷模块中的主开关闭合，旁路当前所述可控卸荷模块。

优选的，跟踪所述可控卸荷模块的状态，保持分压稳定，包括：

实时获取所述第一电容两端的电压，当所述第一电容两端的电压增大到第一设定阈值时，闭合所述辅助开关，此时所述可控卸荷模块中的第一电容、辅助电感、第二电容构成闭合回路，所述第一电容放电并降压，所述第二电容充电；

当所述第二电容中的电荷量达到最大电荷量时，所述可控卸荷模块中与所述第二电容并联的辅助电阻继续消耗能量；

当所述第一电容两端的电压降低到第二设定阈值时，所述辅助开关断开，所述第一电容继续充电；

其中，所述第一设定阈值大于第二设定阈值。

优选的，所述可控卸荷模块的投入量，通过下式计算：

n＝kN

其中，n为所述可控卸荷模块的投入量，所述k为预先获取的功率吸收倍数，N为所述可控卸荷模块的总数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的技术方案为一种基于阻容器件的可控卸荷模块，电路及控制方法，包括：主开关、辅助开关、辅助电阻、辅助电感和第一电容；所述辅助电感、辅助开关和辅助电阻依次串联后与所述主开关和第一电容并联；所述辅助电感用于限制所述第一电容放电的电流最大值和电流变换率；所述可控卸荷模块包括三种工作状态：短接状态：所述主开关闭合；分压状态：所述主开关和辅助开关断开；保护状态：所述主开关断开且所述辅助开关闭合。本方案中提供的可控卸荷模块，当外部连接的直流系统正常运行或发生扰动和故障时，可控卸荷模块通过控制三个工作状态的转换，控制能量消耗功率，从而维持整个直流输电系统的平衡运作。

本方案可直接控制可控卸荷模块的接入或切除进行对直流线路能耗的控制，控制过程简单；且通过控制可控卸荷模块的接入或切除可以实现在直流线路为高压的情况下，对直流线路电压进行分压处理，避免了由于电压过高而出现的对能量控制电路电气元件损坏的问题。

本方案中的可控卸荷模块仅包括开关、电容、电感和二极管，成本较低，电路连接简单且占地小。

本方案提供的电路中，辅助电阻可安装在室内，主电阻可以采取户外集中布置，通过自然冷风冷却，节省了制冷成本。

附图说明

图1为本发明中基于阻容器件的可控卸荷模块结构示意图；

图2为现有技术中的直流输电线路结构图；

图3为现有技术中的电路1结构图；

图4为现有技术中的电路2结构图；

图5为现有技术中的电路3结构图；

图6为本发明实施例中模块化可控卸荷电路对称连接图；

其中，1-换流变压器；2-换流器；3-交流滤波器；4-平波电抗器；5-直流滤波器；6-换流站外冷却系统。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

本实施例提供了一种基于阻容器件的模块化可控卸荷电路，电路中可控卸荷模块结构示意图，如图1所示。本实施例中的电路应用于直流输电电力系统，可控卸荷电路与逆变换流站并联；其技术方案实现步骤如下：

(1)可控卸荷电路由主电阻R_m、可控卸荷模块和外部电感L_m串联组成；

(2)可控卸荷电路消耗的最大功率主要由主电阻R_m决定；

(3)可控卸荷模块的最小个数由主开关耐压能力和直流线路电压决定；

(4)电容C₂容值及放电电阻阻值R_a由可控卸荷电路吸收能量的最大值、直流电压及子模块数共同确定；

(5)通过K₁的开关动作可实现一个子模块电容电压的投切，进而调节外电阻R_m上的分压以调节吸收功率；

(6)通过K₂的开关动作可实现电容器C₁的充放电控制，以维持电容器C₁的电压稳定；

(7)子模块内部的辅助电感L_a用以限制电容器的放电电流最大值和电流变化率，二极管D3用于限制电流方向，防止电容器反向放电；

(8)当可控卸荷电路的吸收功率变化时，外部电感L_m用来限制电流变化率，保护开关元件。

首先，所述直流输电电力系统包括：整流换流站、逆变换流站、直流输电线路、整流侧交流系统和逆变侧交流系统，其中，整流站和逆变站由若干个换流器组成，换流器的主要作用是实现电能形式的交直流转换；换流器可以常规半控换流器，也可以是全控换流器。可控卸荷电路可以直接接在直流输电线路极线之间(非对称布置)，也可以对称布置，在中点处设置接地点，模块化可控卸荷电路对称连接图，如图6所示。

如步骤(1)所述，可控卸荷电路由主电阻R_m、可控卸荷模块和外部电感L_m串联组成，电路原理图如图3或图4所示。其中，可控卸荷模块中的主开关K₁和辅助开关K₂可以是IGBT，门极关断晶闸管，场效应管，门极注入增强管，集成门极换相晶闸管，或其他具备可控开通和可控阻断的电力电子器件；当需要主开关K₁和辅助开关K₂耐压水平较高时，K₁和K₂可以由上述器件串联组成。

如步骤(2)所述，外部集中电阻R_m的阻值由额定直流电压U_dc和最大吸收功率P_max决定，当采用非对称布置方式时外部集中电阻阻值为：

当采用对称布置方式时外部集中电阻为2个，其阻值为：

电路消耗的最大功率为P_max可以根据工程需要进行设置。

如步骤(3)所述，可控卸荷模块个数N由直流电压U_dc和器件的耐压水平决定，单个模块器件承受电压为电容器C₁两端电压为Uc，模块个数由下式决定：

如步骤(4)所述，储能电容器的容值C2由可控卸荷电路吸收的最大能量E_max、子模块个数N、电容器C₁两端电压U_c共同决定，满足下式关系

与储能电容器的容值C₂并联的电阻Ra由设置的最大放电电流I_{c2_max}决定，满足下式关系

如步骤(5)所述，通过可控卸荷模块主开关K₁控制该模块输出电压在0和Uc(C₁的电容电压)之间切换，所有子模块的总输出电压U_out可在[0，NUc]之前调节，其中N为子模块总数，NUc＝U_dc，U_dc为直流母线间电压。通过控制所有模块的开关K₁可调节总输出电压Uout，进而调节外电阻R_m上的分压为U_dc-U_out，从而控制可控卸荷电路的吸收功率。假设有n个子模块内部的开关K₁闭合导通，则外部电阻R_m上的功率消耗P_Rm为

如步骤(6)所述，子模块内部开关K₂用于C₁电容器放电，当其电容电压高于设定值时K₂闭合，C₁放电、C₂充电，电容器C₂再通过并联的电阻Ra放电，电容器C₁电压降低，从而维持电压稳定。

如步骤(7)所述，与储能电容器的容值C₂串联的限流电感La由开关K₂的开通电流耐受能力

决定，其最小值为

如步骤(8)所述，设可控卸荷模块开关器件K₁的开通电流耐受能力为

当可控卸荷电路从热备用向满功率运行切换瞬间，直流电压将由电感L_m承担，电感最小值为：

实施例2：

本实施例提供了一种能量控制方法，包括：

根据耗能需求，确定可控卸荷模块的投入量；

根据所述投入量，将需要投入的可控卸荷模块调整为分压状态，并将剩余的所述可控卸荷模块调整为短接状态；

跟踪所述可控卸荷模块的状态，保持分压稳定。

所述根据所述投入量，将需要投入的可控卸荷模块调整为分压状态，包括：

根据所述投入量，确定需要投入的可控卸荷模块；

将需要投入的所述可控卸荷模块中的主开关和辅助开关断开，此时所述第一电容串接于所述电路中进行充电并分压。

所述将剩余的所述可控卸荷模块调整为短接状态，包括：

将所述可控卸荷模块中的主开关闭合，旁路当前所述可控卸荷模块。

跟踪所述可控卸荷模块的状态，保持分压稳定，包括：

实时获取所述第一电容两端的电压，当所述第一电容两端的电压增大到第一设定阈值时，闭合所述辅助开关，此时所述可控卸荷模块中的第一电容、辅助电感、第二电容构成闭合回路，所述第一电容放电并降压，所述第二电容充电；

当所述第二电容中的电荷量达到最大电荷量时，所述可控卸荷模块中与所述第二电容并联的辅助电阻继续消耗能量；

当所述第一电容两端的电压降低到第二设定阈值时，所述辅助开关断开，所述第一电容继续充电；

其中，所述第一设定阈值大于第二设定阈值。

所述可控卸荷模块的投入量，通过下式计算：

n＝kN

其中，n为所述可控卸荷模块的投入量，所述k为预先获取的功率吸收倍数，N为所述可控卸荷模块的总数量。

显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于阻容器件的模块化可控卸荷电路，其特征在于，所述电路与受端换流站并联后接入直流输电线路，所述电路包括：主电阻、主电感和多个可控卸荷模块；

所述主电阻、主电感和多个可控卸荷模块依次串联；

所述主电阻用于提供能量控制电路耗能的主要功率；

所述主电感用于限制所述电路中的电流变化率；

所述可控卸荷模块用于电路分压；

所述电路非对称或对称并接于直流输电线路上；

所述主电阻的阻值由所述电路的额定直流电压和最大吸收功率决定，所述主电阻的阻值按下时计算：

其中，R_m为主电阻的阻值，U_dc为电路的额定直流电压，P_max为电路的最大吸收功率；

所述可控卸荷模块，包括：主开关、辅助开关、辅助电阻、辅助电感和第一电容；

所述辅助电感、辅助开关和辅助电阻依次串联后与所述主开关和第一电容并联；

所述辅助电感用于限制所述第一电容放电的电流最大值和电流变换率；

所述可控卸荷模块包括三种工作状态：

短接状态：所述主开关闭合；

分压状态：所述主开关和辅助开关断开；

保护状态：所述主开关断开且所述辅助开关闭合；

还包括：第二电容；

所述第二电容与所述辅助电阻并联；

还包括：第一二极管、第二二极管和第三二极管；

所述第一二极管与所述主开关反向并联后与所述第二二极管串联；

所述第三二极管与所述辅助开关反向并联。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，

所述可控卸荷模块的数量由额定直流电压和所述可控卸荷模块中第一电容的最大耐受电压决定，所述可控卸荷模块的数量，由下式计算：

其中，N为所述可控卸荷模块的数量，U_dc为电路的额定直流电压，U_c为所述第一电容的最大耐受电压。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，

所述可控卸荷模块中第二电容的容值由所述可控卸荷模块吸收的最大能量、所述可控卸荷模块数量和所述第一电容的最大耐受电压决定，所述第二电容的容值，由下式计算：

其中，C₂为所述第二电容的容值，E_max为所述可控卸荷模块吸收的最大能量，N为所述可控卸荷模块的数量，U_c为第一电容的最大耐受电压。

4.如去权利要求3所述的电路，其特征在于，

所述可控卸荷模块中辅助电阻的阻值由所述第二电容所在线路中最大放电电流确定，所述辅助电阻的阻值由下式计算：

其中，R_a为所述辅助电阻的阻值，U_c为所述第一电容的最大耐受电压，I_{c2_max}为所述第二电容所在线路中最大放电电流。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，

所述可控卸荷模块中辅助电感的感性值由所述第一电容的最大耐受电压和可控卸荷模块中辅助开关的开通电流耐受能力决定，所述辅助电感的感性值，由下式计算：

其中，L_a为所述辅助电感的感性值，U_c为所述第一电容的最大耐受电压，

为辅助开关的开通电流耐受能力。

6.如权利要求2所述的电路，其特征在于，

所述主电感的最小感性值由所述电路额定直流电压、所述可控卸荷模块的数量和所述主开关的开通电流耐受能力决定，所述主电感的最小感性值，由下式计算：

其中，所述L_m为所述主电感的最小值，U_dc为所述电路额定直流电压，N为所述可控卸荷模块的数量，

为所述主开关的开通电流耐受能力。

7.一种基于阻容器件的模块化可控卸荷电路的控制方法，其特征在于，包括：

根据耗能需求，确定模块化可控卸荷电路中可控卸荷模块的投入量；

根据所述投入量，将需要投入的所述可控卸荷模块调整为分压状态，并将剩余的所述可控卸荷模块调整为短接状态；

跟踪所述可控卸荷模块的状态，保持分压稳定；

所述可控卸荷模块的投入量，通过下式计算：

n＝kN

其中，n为所述可控卸荷模块的投入量，所述k为预先获取的功率吸收倍数，N为所述可控卸荷模块的总数量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述投入量，将需要投入的所述可控卸荷模块调整为分压状态，包括：

根据所述投入量，确定需要投入的可控卸荷模块；

将需要投入的所述可控卸荷模块中的主开关和辅助开关断开，此时第一电容串接于所述电路中进行充电并分压。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将剩余的所述可控卸荷模块调整为短接状态，包括：

将所述可控卸荷模块中的主开关闭合，旁路当前所述可控卸荷模块。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，跟踪所述可控卸荷模块的状态，保持分压稳定，包括：

实时获取第一电容两端的电压，当所述第一电容两端的电压增大到第一设定阈值时，闭合所述辅助开关，此时所述可控卸荷模块中的第一电容、辅助电感、第二电容构成闭合回路，所述第一电容放电并降压，所述第二电容充电；

当所述第二电容中的电荷量达到最大电荷量时，所述可控卸荷模块中与所述第二电容并联的辅助电阻继续消耗能量；

当所述第一电容两端的电压降低到第二设定阈值时，所述辅助开关断开，所述第一电容继续充电；

其中，所述第一设定阈值大于第二设定阈值。

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