一种基于海上风力发电的直流耗能装置及其控制方法

1.本发明属于大功率电力电子变流技术领域，特别是涉及一种基于海上风力发电的直流耗能装置及其控制方法。


背景技术：

2.在基于海上风电的高压直流输电系统中，受电端发生故障后，功率无法正常送出，而风电场风力发电机持续满负荷运行将造成直流输电线路电压的升高，对系统中换流器的开关器件的正常运行造成严重影响，极易造成因过压而导致的永久性失效。
3.现有技术中目前常采用的技术方案为在直流线路正负极之间增加单独的耗散桥臂，其总体可分为分布式耗散与集中式耗散两种类型，分布式耗散为将多个耗散电阻分别布置在桥臂的各个子模块中，当直流线路电压上升时，通过各个子模块中的电阻进行盈余能量的耗散，由于各个耗能电阻与电力电子器件布置在同一空间内，为避免耗散电阻投入过程中产生的热量对设备中电力电子器件造成影响，因此需要安装价格高昂的水冷系统对其进行降温；而集中式耗散则只在桥臂中布置一个大功率耗散电阻，耗散电阻与桥臂中其它电力器件分开布置，安放在室外，因此无需水冷装置对其进行散热，但由于耗散电阻与电路中其它器件分开布置时需要通过大量的高压穿墙套管，随着电压等级的提升，高压穿墙套管的造价也将大幅提高；为了克服上述缺陷，本发明提供一种成本较低、可靠性高的解决方案。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于海上风力发电的直流耗能装置及其控制方法。
5.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于海上风力发电的直流耗能装置，所述耗能装置包括设置在直流线路上的上下两组结构对称的电压调整桥臂、变压器和耗能电阻，每组电压调整桥臂由若干半桥子模块与全桥子模块串联而成；变压器原边串联在上下两组电压调整桥臂之间，变压器副边通过高压穿墙套管连接至室外的耗能电阻。
6.进一步地，两组电压调整桥臂分别为上桥臂和下桥臂，上桥臂的一端与直流母线正极相连，另一端与变压器原边的一端相连，下桥臂的一端与直流母线负极相连，另一端与变压器原边的另一端相连。
7.进一步地，所述半桥子模块包括开关管q1、二极管d1、二极管d2和电容c1；电容c1的一端与二极管d1的一端相连，二极管d1的另一端分别与开关管q1的集电极和二极管d2的一端相连，所述电容c1的另一端分别与开关管q1的发射极和二极管d2的另一端相连。
8.进一步地，所述全桥子模块包括2个开关管模块、二极管d3、二极管d4和电容c2；其中一个开关管模块的一端分别与电容c2的一端和二极管d3的一端相连接，该开关管模块的另一端与二极管d4的一端相连接，所述二极管d4的另一端分别与电容c2的另一端和另一个
开关管模块的一端相连接，该另一个开关管模块的另一端与二极管d3的另一端相连接。
9.进一步地，所述一个开关管模块由开关管q2和二极管d5并联而成，所述另一个开关管模块由开关管q3和二极管d6并联而成。
10.进一步地，半桥子模块包含两种工作状态：当半桥子模块中开关管q1导通时，子模块闭锁，电流直接由输入端流入，经开关管q1后由输出端流出，子模块电容不投入至桥臂中；当开关管q1断开时，电流经输入端流入，经二极管d1后流入子模块电容，由输出端流出，子模块电容正向投入至电路中。
11.进一步地，全桥子模块包含两种工作状态：当开关管q2与开关管q3关断时，电流由输入端流入，经二极管d3流入子模块电容，后经二极管d4，由输出端流出，子模块电容正向投入至电路中；当全桥子模块中开关管q2与开关管q3导通时，电流由输入端流入，经开关管q3流入子模块电容，经开关管q2后流出子模块，子模块电容反向投入至电路中。
12.本发明提出一种基于海上风力发电的直流耗能装置的控制方法，所述控制方法具体为：
13.海上风电的高压直流输电系统正常状态下，桥臂中所有半桥子模块的开关管q1呈关断状态，子模块电容正向投入至电路中，全桥子模块中的开关管q2和q3呈关断状态，子模块电容正向投入至电路中，与半桥子模块中的子模块电容共同支撑直流电压；当系统检测到直流母线电压上升时，桥臂中所有半桥子模块中的开关管q1导通，所有半桥子模块呈闭锁状态，子模块电容不投入至电路中；同时部分全桥子模块中的开关管q2和q3导通，部分全桥子模块电容反向投入至电路中，其中反向投入的全桥子模块的具体数量根据直流电压上升程度计算而出，部分全桥子模块电容反向投入后，使变压器原边两端电压产生变化；变压器原边两端电压发生变化后，桥臂中各子模块恢复正常工作状态，循环往复，通过变压器原边不断产生的交变电压，使变压器副边产生感应电流，耗能电阻进行能量耗散。
14.本发明至少具有如下优点：本发明提出了一种耗能装置以及使用上述装置的控制方法，装置采用集中耗散方式进行能量的耗散，装置并联在海上风电高压直流输电系统直流线路的正负极之间，电压调整桥臂的结构采用模块化级联的方式，避免了开关器件的直接串联，有效避免了因开关器件频繁通断导致的谐波污染问题；采用变压器对耗能桥臂与耗散电阻连接，降低了耗散电阻两端的电压；减少了设备中高压穿墙套管部分的硬件成本，结构简单，可靠性高，可实现耗能装置的按需投退。同时本发明所提出的结构与方法无需与高压直流输电系统中其它设备进行通信，摆脱了对通信系统的依赖，本发明所提出的耗能装置具有成本低，可靠性高的特点。
附图说明
15.图1为本发明耗能装置的结构图；
16.图2为本发明耗能装置电压调整桥臂半桥子模块电路结构图；
17.图3为本发明耗能装置电压调整桥臂全桥子模块电路结构图。
18.图中标号名称：1、半桥子模块；2、全桥子模块；3、变压器；4、建筑物外墙；5、高压穿墙套管；6、耗能电阻；7、直流母线正极；8、直流母线负极；9、上桥臂；10、下桥臂。
具体实施方式
19.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。
20.本发明提出了一种耗能装置以及使用上述装置的控制方法，装置采用集中耗散方式进行能量的耗散，装置并联在海上风电高压直流输电系统直流线路的正负极之间，电压调整桥臂的结构采用模块化级联的方式，避免了开关器件的直接串联，有效避免了因开关器件频繁通断导致的谐波污染问题；采用变压器对耗能桥臂与耗散电阻连接，降低了耗散电阻两端的电压；减少了设备中高压穿墙套管部分的硬件成本，结构简单，可靠性高，可实现耗能装置的按需投退。同时本发明所提出的结构与方法无需与高压直流输电系统中其它设备进行通信，摆脱了对通信系统的依赖，本发明所提出的耗能装置具有成本低，可靠性高的特点。
21.本发明目的是这样实现的：在直流母线间设置独立的耗能桥臂，桥臂中包含用于调节电压的上、下桥臂，用于降低耗能电阻两端的变压器，以及耗能电阻。上下桥臂结构一致，上桥臂中包含若然半桥子模块与全桥子模块；上下桥臂的一端分别连接直流母线的正负两极，另外一段连接至变压器原边，变压器副边通过高压穿墙套管与建筑物外侧的耗能电阻进行连接，至此构成直流耗能装置。
22.本发明所述控制方法利用桥臂中的全桥半桥子模块中电容的正反投入，改变桥臂中变压器原边两端的电压，通过不断的对变压器原边两端的电压进行调整，使变压器原边产生不断交变的电压，进而使变压器副边产生感应感应电流，耗能电阻投入工作，完成耗能过程。此耗能桥臂结构避免了大量的开关器件串联与同时通断，有效避免了因此导致的谐波干扰与功率开关器件串联技术不成熟所带来的负面影响，同时该耗能结构简单合理、质量可靠、适用性强。
23.结合图1-图3，本发明提出一种基于海上风力发电的直流耗能装置，所述耗能装置包括设置在直流线路上的上下两组结构对称的电压调整桥臂、变压器和耗能电阻，每组电压调整桥臂由若干半桥子模块与全桥子模块串联而成；变压器原边串联在上下两组电压调整桥臂之间，变压器副边通过高压穿墙套管连接至室外的耗能电阻。
24.两组电压调整桥臂分别为上桥臂和下桥臂，上桥臂的一端与直流母线正极相连，另一端与变压器原边的一端相连，下桥臂的一端与直流母线负极相连，另一端与变压器原边的另一端相连。
25.所述半桥子模块包括开关管q1、二极管d1、二极管d2和电容c1；所述电容c1的一端与二极管d1的一端相连，二极管d1的另一端分别与开关管q1的集电极和二极管d2的一端相连，所述电容c1的另一端分别与开关管q1的发射极和二极管d2的另一端相连。
26.所述全桥子模块包括2个开关管模块、二极管d3、二极管d4和电容c2；其中一个开关管模块的一端分别与电容c2的一端和二极管d3的一端相连接，该一个开关管模块的另一端与二极管d4的一端相连接，所述二极管d4的另一端分别与电容c2的另一端和另一个开关管模块的一端相连接，该另一个开关管模块的另一端与二极管d3的另一端相连接。
27.所述一个开关管模块由开关管q2和二极管并联而成，所述另一个开关管模块由开
关管q3和二极管并联而成。
28.半桥子模块包含两种工作状态：当半桥子模块中开关管q1导通时，子模块闭锁，电流直接由输入端流入，经开关管q1后由输出端流出，子模块电容不投入至桥臂中；当开关管q1断开时，电流经输入端流入，经二极管d1后流入子模块电容，由输出端流出，子模块电容正向投入至电路中。
29.全桥子模块包含两种工作状态：当开关管q2与开关管q3关断时，电流由输入端流入，经二极管d3流入子模块电容，后经二极管d4，由输出端流出，子模块电容正向投入至电路中；当全桥子模块中开关管q2与开关管q3导通时，电流由输入端流入，经开关管q3流入子模块电容，经开关管q2后流出子模块，子模块电容反向投入至电路中。
30.本发明提出一种基于海上风力发电的直流耗能装置的控制方法，所述控制方法具体为：
31.海上风电的高压直流输电系统正常状态下，桥臂中所有半桥子模块的开关管q1呈关断状态，子模块电容正向投入至电路中，全桥子模块中的开关管q2和q3呈关断状态，子模块电容正向投入至电路中，与半桥子模块中的子模块电容共同支撑直流电压；当系统检测到直流母线电压上升时，桥臂中所有半桥子模块中的开关管q1导通，所有半桥子模块呈闭锁状态，子模块电容不投入至电路中；同时部分全桥子模块中的开关管q2和q3导通，部分全桥子模块电容反向投入至电路中，其中反向投入的全桥子模块的具体数量根据直流电压上升程度计算而出，部分全桥子模块电容反向投入后，使变压器原边两端电压产生变化；变压器原边两端电压发生变化后，桥臂中各子模块恢复正常工作状态，循环往复，通过变压器原边不断产生的交变电压，使变压器副边产生感应电流，耗能电阻进行能量耗散。
32.本发明涉及一种耗能装置及控制方法，包括并联在直流线路中的电压调节桥臂、变压器与耗能电阻；根据直流线路两端电压实时调整桥臂中反向投入的子模块电容数量，使变压器原边两端产生感应电流，副边耗能电阻进行能量耗散；本发明既继承了集中式耗能装置无需额外安装水冷系统进行散热的特点，又通过引入变压器降低了耗能电阻两端电压，减少了在实际应用过程中高压穿墙套管的使用，降低了耗能装置的成本。
33.以上对本发明所提出的一种基于海上风力发电的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。