柔性直流输电系统耗能装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020221909.0 (22)申请日 2020.02.27 (73)专利权人 特变电工西安柔性输配电有限公 司 地址 710119 陕西省西安市高新区上林苑 四路70号 专利权人 特变电工新疆新能源股份有限公 司 (72)发明人 刘汉军林卫星盛俊毅靳广超 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 郭瑶 (51)Int.Cl. H02J 3/36(2006.01) H02M 1/32(2007.01) H02M 7/00(2006.01) (。

2、ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 一种柔性直流输电系统耗能装置 (57)摘要 本实用新型公开了一种柔性直流输电系统 耗能装置， 用于解决交流系统故障时， 直流功率 盈余导致直流侧产生直流过压的问题， 所述耗能 装置由多个级联的功率子模块M1Mn、 集中式耗 能电阻R1、 限流电感L1L2、 隔离开关S1S2组 成； 所述功率子模块拓扑由电容C、 全控型开关器 件T、 反并联二极管D、 均压电阻R、 通流二极管D1、 旁路开关BRK及晶闸管VB组成。 所述耗能装置用 于消耗柔性直流输电系统直流侧盈余功率， 配合 实现柔直系统交流故障穿越， 在故障无法清除时 也为风机。

3、争取动作时间， 保障整个柔直系统的安 全可靠。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 211530759 U 2020.09.18 CN 211530759 U 1.一种柔性直流输电系统耗能装置， 其特征在于， 所述耗能装置包括n个级联的功率子 模块M1Mn、 集中式耗能电阻R1、 隔离开关S1和隔离开关S2； 所述隔离开关S1的正端接于直流母线正极， 隔离开关S1负端接于功率子模块M1的正 端， 功率子模块M1Mn级联， 功率子模块Mn的负端接于集中式耗能电阻R1的正端， 集中式耗 能电阻R1的负端接于隔离开关S2的正端， 隔离开关S2的负端接于直流母线负极。 2.根据权利要求1所述的。

4、一种柔性直流输电系统耗能装置， 其特征在于， 所述功率子模 块包括至少一个基本单元， 当基本单元的数量大于1时， 基本单元的第二端口和与其相邻的 第二基本单元的第一端口连接。 3.根据权利要求2所述的一种柔性直流输电系统耗能装置， 其特征在于， 所述基本单元 包括电容C、 全控型开关器件T、 反并联二极管D和均压电阻R， 所述电容C的正端、 全控型开关 器件T的集电极、 反并联二极管D的阴极和均压电阻R的正端接于功率子模块端口的正端， 所 述电容C的负端、 均压电阻R的负端、 全控型开关器件T的发射极和反并联二极管D的阴极接 于功率子模块的负端。 4.根据权利要求3所述的一种柔性直流输电系统耗。

5、能装置， 其特征在于， 所述功率子模 块端口的正端与导通旁路开关BRK的正端连接， 导通旁路开关BRK的负端和功率子模块的负 端连接。 5.根据权利要求3所述的一种柔性直流输电系统耗能装置， 其特征在于， 所述功率子模 块端口的正端与晶闸管VB的阳极连接， 晶闸管VB的阴极和功率子模块的负端连接。 6.根据权利要求3所述的一种柔性直流输电系统耗能装置， 其特征在于， 所述电容C的 负端与通流二极管D1的阳极连接， 所述通流二极管D1的阴极与功率子模块的负端连接。 7.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统耗能装置， 其特征在于， 所述集中式耗 能电阻R1为金属电阻。 权利要求书 1/1 页 。

6、2 CN 211530759 U 2 一种柔性直流输电系统耗能装置 技术领域 0001 本实用新型属于柔直技术领域， 具体涉及一种柔性直流输电系统耗能装置。 背景技术 0002 柔性直流输电系统以其显著的技术优势， 非常适合新能源并网、 孤岛供电、 电网互 联等领域， 特别是远距离、 大容量新能源场合， 柔性直流输电系统基本是目前新能源送出最 优的解决方案。 0003 目前能源转型、 能源升级的需求日益迫切， 新能源发展步伐显著提升。 我国幅员辽 阔， 近海与远海风资源丰富， 将风资源送出能很好的缓解我国电力紧张的局势。 柔性直流输 电虽然是目前新能源送出的最优解决方案， 但由于风机的机械惯性。

7、大， 反应时间慢， 当陆上 柔直站发生交流故障时， 风机无法及时切除， 新能源送出受阻， 造成换流阀能量堆积， 模块 电压升高、 直流电压升高， 危害整个系统。 针对以上问题， 需要给柔直系统增加耗能装置吸 收盈余能量， 给风机争取动作时间， 保护系统安全。 目前工程上通常采用晶闸管+耗能电阻 的方案， 耗能装置接于柔直站交流侧， 需要成组投切， 但直流电流会流过换流阀， 加大了换 流阀的耐受压力。 发明内容 0004 本实用新型提供了一种柔性直流输电系统耗能装置， 该装置采用功率子模块串联 集中式耗能方案， 限制盈余能量流向受端换流阀而造成换流阀中模块电压的抬升。 0005 为达到上述目的，。

8、 本实用新型一种柔性直流输电系统耗能装置， 包括n个级联的功 率子模块M1Mn、 集中式耗能电阻R1、 隔离开关S1和隔离开关S2； 隔离开关S1的正端接于直 流母线正极， 隔离开关S1负端接于功率子模块M1的正端， 功率子模块M1Mn级联， 功率子模 块Mn的负端接于集中式耗能电阻R1的正端， 集中式耗能电阻R1的负端接于隔离开关S2的正 端， 隔离开关S2的负端接于直流母线负极。 0006 进一步的， 功率子模块包括至少一个基本单元， 当基本单元的数量大于1时， 基本 单元的第二端口和与其相邻的第二基本单元的第一端口连接。 0007 进一步的， 基本单元包括电容C、 全控型开关器件T、 反。

9、并联二极管D和均压电阻R， 电容C的正端、 全控型开关器件T的集电极、 反并联二极管D的阴极和均压电阻R的正端接于 功率子模块端口的正端， 电容C的负端、 均压电阻R的负端、 全控型开关器件T的发射极和反 并联二极管D的阴极接于功率子模块的负端。 0008 进一步的， 功率子模块端口的正端与导通旁路开关BRK的正端连接， 导通旁路开关 BRK的负端和功率子模块的负端连接。 0009 进一步的， 功率子模块端口的正端与晶闸管VB的阳极连接， 晶闸管VB的阴极和功 率子模块的负端连接。 0010 进一步的， 电容C的负端与通流二极管D1的阳极连接， 通流二极管D1的阴极与功率 子模块的负端连接。 。

10、说明书 1/4 页 3 CN 211530759 U 3 0011 进一步的， 集中式耗能电阻R1为金属电阻。 0012 本实用新型至少具有以下有益的技术效果： 0013 耗能装置跨接于柔直系统直流侧正、 负极母线上， 在发生交流电网故障时， 耗能装 置通过导通所有功率子模块的全控型开关器件T， 将盈余能量泄放到集中式耗能电阻R1上， 限制直流电压抬升， 限制盈余能量流向受端换流阀而造成换流阀中模块电压的抬升， 保障 了柔直换流阀的安全。 在柔直系统停运后， 直流电缆上存储了大量的电能， 利用耗能装置中 耗能电阻消耗能量的特点， 可实现直流电缆的快速放电， 为系统再次启动创造有利条件。 001。

11、4 集中式耗能电阻R1具备一定能量耐受能力， 可为交流故障顺利穿越提供有利条 件， 当交流故障无法消除时， 为风机争取动作时间。 0015 进一步的， 耗能装置受均压电阻R的有益影响， 当某功率子模块的电容C的电压较 高时， 通过触发该功率子模的全控型开关器件T， 使系统停止对电容C充电， 电容C对均压电 阻R放电使电压下降， 当电压低于设定值时关闭该功率子模块全控型开关器件T， 恢复系统 该功率子模块电容C的充电， 将耗能装置中各功率子模块电容电压控制在一定范围内。 0016 进一步的， 耗能装置受电容C的有益影响， 功率子模块取能电源从电容C上取电， 不 需要额外配置供电电源。 0017 。

12、进一步的， 集中式耗能电阻R1可选择技术成熟且价格低的金属电阻， 采用自然冷 却， 可放置于户外以降低阀厅暖通要求， 降低了耗能装置的成本。 0018 进一步的， 耗能装置受旁路开关BRK的有益影响， 功率子模块出现故障时可进行隔 离； 0019 进一步的， 耗能装置受晶闸管VB的有益影响， 功率子模块出现过压时， 旁路开关 BRK故障无法隔离该功率子模块时， 功率子模块过压使晶闸管VB击穿短路， 达到隔离故障子 模块的目的。 0020 进一步的， 耗能装置受通流二极管D1的有益影响， 当旁路开关BRK合闸时， 防止电 容C对旁路开关BRK放电而导致旁路开关的损坏。 0021 进一步的， 隔离。

13、开关S1负端和功率子模块M1的正端之间连接有限流电感L1， 功率 子模块Mn和隔离开关S2之间连接有限流电感L2， 限流电感L1和L2限制了耗能装置R1上电流 变化率， 使流过耗能装置的电流有一定缓冲。 附图说明 0022 图1为柔性直流输电系统耗能装置拓扑； 0023 图2为实施例1中的功率子模块拓扑； 0024 图3为实施例2中的第二功率子模块拓扑。 0025 图1中， 9-第一基本单元， 10-第二基本单元， 91-第一基本单元第一端口， 92-第一 基本单元第二端口， 101-第二基本单元第一端口， 102-第二基本单元第二端口。 具体实施方式 0026 为了使本实用新型的目的和技术方。

14、案更加清晰和便于理解。 以下结合附图和实施 例， 对本实用新型进行进一步的详细说明， 此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新 型， 并非用于限定本实用新型。 说明书 2/4 页 4 CN 211530759 U 4 0027 实施例1 0028 图1中， 柔性直流输电系统耗能装置拓扑， 该装置由多个级联的功率子模块M1 Mn、 集中式耗能电阻R1、 限流电感L1、 限流电感L2、 隔离开关S1和隔离开关S2组成。 假定耗能 装置中各设备靠近直流母线正极为正端， 靠近直流母线负极为负端， 该装置隔离开关S1的 正端接于直流母线正极， 隔离开关S1负端接于限流电感L1正端， 限流电感L1的负端接。

15、于功 率子模块M1的正端， 功率子模块M1功率子模块Mn级联， n2； 功率子模块Mn的负端接于限 流电感L2的正端， 限流电感L2的负端接于集中式耗能电阻R1的正端， 集中式耗能电阻R1的 负端接于隔离开关S2的正端， 隔离开关S2的负端接于直流母线负极。 0029 图2为柔性直流输电系统耗能装置的功率子模块拓扑， 该功率子模块拓扑包括电 容C、 全控型开关器件T、 反并联二极管D、 均压电阻R、 通流二极管D1、 旁路开关BRK、 晶闸管 VB； 电容C的正端、 全控型开关器件T的集电极、 反并联二极管D的阴极、 均压电阻R的正端、 旁 路开关BRK的正端和晶闸管VB的阳极均接于功率子模块。

16、端口的正端， 电容C的负端、 均压电 阻R的负端接于通流二极管D1的阳极， 全控型开关器件T的发射极、 反并联二极管D的阴极、 旁路开关BRK的负端、 晶闸管VB的阴极、 通流二极管D1的阴极接于功率子模块的负端。 0030 当直流母线电压高于设定值Uset1时， 所有功率子模块的全控型开关器件T导通， 耗能装置的阻抗主要为耗能电阻R1， 直流侧部分或全部电流流过集中式耗能电阻R1， 直流 母线电压下降； 当直流母线电压低于设定值Uset2时， 所有功率子模块的全控型开关器件T 关断， 因所有功率子模块电容电压之和大致与设定值Uset1相当， 而Uset1Uset2， 受功率子 模块通流二极管。

17、D1的反向截止作用， 耗能装置无电流流向直流侧， 直流侧电流全部流向受 端换流阀， 直流母线电压升高， 当再次达到Uset1时， 耗能装置导通泄能， 依次循环。 在耗能 装置所有功率子模块全控型开关器件T导通瞬间， 限流电感L1和L2限制了耗能装置R1上电 流变化率， 使流过耗能装置的电流有一定缓冲。 当直流侧电压长期低于Uset1时， 耗能装置 工作于稳态均压状态， 当某功率子模块电容C的电压较高时， 通过触发该功率子模的全控型 开关器件T， 使系统停止对电容C充电， 电容C对均压电阻R放电使电压下降， 当电压低于设定 值时关闭该功率子模块全控型开关器件T， 恢复系统对该功率子模块电容C的充。

18、电， 将耗能 装置中各功率子模块电容电压控制在设定范围内， 设定范围一般在额定电压的10范围 内。 当功率子模块故障时， 可触发旁路开关BRK隔离故障， 当旁路开关BRK故障时无法隔离功 率子模块， 功率子模块电压进一步上升， 当达到晶闸管VB的击穿电压时， 晶闸管VB击穿短 路， 达到隔离故障功率子模块的目的。 当系统停运时， 直流电缆中存有大量电能， 直流电压 下降慢， 可降低设定值Uset1和Uset2， 通过集中式耗能电阻R1快速释放电缆中的电能， 为系 统重启创造有利条件。 当耗能装置需要检修时， 断开隔离开关S1和隔离开关S2， 保证了检修 安全。 该装置通过柔直系统额定功率泄放时。

19、间来设计集中式耗能电阻的能量耐受能力， 在 交流故障无法顺利穿越时， 为风机争取一定的动作时间， 保障系统的安全。 0031 实施例2 0032 本实施例与实施例1的不同之处在于功率子模块拓扑不同， 本实施例中， 功率子模 块拓扑如图3所示， 柔性直流输电系统耗能装置功率子模块拓扑， 该功率子模块拓扑由两个 相同的基本单元级联组成， 基本单元为实施例1中的功率子模块拓扑， 功率子模块第一基本 单元9的第二端92与第二基本单元10的第一端口101连接， 功率子模块第一基本单元的第一 端口91与上一个功率子模块第二基本单元的第二端口连接， 功率子模块第二基本单元的第 说明书 3/4 页 5 CN 。

20、211530759 U 5 二端口102与下一个功率子模块第一基本单元的第一端口连接； 本实施例中， 功率子模块拓 扑与实施例1中的功率子模块拓扑的控制方法及功能一样， 但本实施例中的功率子模块拓 扑使用的结构组件(封装的板材、 模块内部的一些结构件)比功率子模块拓扑1少， 可以一定 程度上降低耗能装置的成本。 0033 最后应该说明的是： 结合上述实施例仅说明本实用新型的技术方案而非对其限 制。 所属领域的普通技术人员应当理解到： 本领域技术人员可以对本实用新型的具体实施 方式进行修改或者等同替换， 但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。 说明书 4/4 页 6 CN 211530759 U 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 211530759 U 7 图3 说明书附图 2/2 页 8 CN 211530759 U 8 。