基于直流输电系统的动态泄能支路及模块化多电平换流器高
压直流输电系统
技术领域
背景技术
[0002] 近年来电力电子
开关器件的快速发展，柔性直流输电在
电压等级、输电距离和传输容量上，已经向传统直流输电逐步靠近。柔性直流输电系统的控制和保护系统能够通过合理的配置来提高系统在故障情况下的不间断运行能力，从而实现系统的保护功能。然而，当逆变站的交流
母线故障或者发生扰动时，母线电压将会跌落，从而会引起系统传输功率的下降，此时整流站若在故障期间保持额定传输功率不变的情况下，将会导致换流站子模块电容电压和直
流线路电压升高，从而导致功率器件和电容的损坏，此类问题在新
能源并网外送的情况下较为凸出。因此，有必要在逆变站交流侧发生故障期间，也就是在200ms～300ms内，针对逆变站的交流系统无法完全吸收的功率进行泄放，在故障
切除后完成系统重启恢复正常运行状态，从而保证两端换流站中功率器件的安全运行。
[0003] 当直流输电系统发生故障时，现有的直流泄能支路虽然也能对过剩的功率进行泄放，但是，由于元器件直接与直流线路连接，会使得相关的元器件的两端承受直线线路两端的高电压，耐压能力弱，容易造成功率元器件损坏。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的是提供一种基于直流输电系统的动态泄能支路及模块化多电平换流器高压直流输电系统，能够有效地降低元器件两端的电压，保证元器件的正常运行，增加元器件的耐压能力。
[0005] 为解决以上技术问题，本实用新型
实施例提供了一种基于直流输电系统的动态泄能支路，所述动态泄能支路包括：第一动态泄能支路和第二动态泄能支路；其中，所述第一动态泄能支路的输入端用于与直流输电系统的直流线路的正极相连接，所述第一动态泄能支路的输出端、所述第二动态泄能支路的输入端接地，所述第二动态泄能支路的输出端用于与所述直流输电系统的直流线路的负极相连接；所述第一动态泄能支路包括第一晶闸管组
电路、第一泄能
电阻和第一电容器；所述第二动态泄能支路包括第二晶闸管组电路、第二泄能电阻和第二电容器；其中，所述第一晶闸管组电路的输入端与所述第一动态泄能支路的输入端相连接，所述第一晶闸管组电路的输出端与所述第一泄能电阻的第一端相连接, 所述第一泄能电阻的第二端与所述第一电容器的第一端相连接,所述第一电容器的第二端与所述第一动态泄能支路的输出端相连接；所述第二晶闸管组电路的输入端与所述第二动态泄能支路的输入端相连接，所述第二晶闸管组电路的输出端与所述第二泄能电阻的第一端相连接,所述第二泄能电阻的第二端与所述第二电容器的第一端相连接,所述第二电容器的第二端与所述第二动态泄能支路的输出端相连接。
[0006] 优选地，所述第一晶闸管组电路包括若干个
串联连接的第一晶闸管组，其中，所述第一晶闸管组包括晶闸管。
[0007] 优选地，所述第二晶闸管组电路包括若干个串联连接的第二晶闸管组，其中，所述第二晶闸管组包括晶闸管。
[0008] 本实用新型实施例还提供了一种模块化多电平换流器高压直流输电系统，所述模块化多电平换流器高压直流输电系统包括整流站、逆变站、直流线路以及如上述的基于直流输电系统的动态泄能支路；其中，所述整流站、所述逆变站各包括模块化多电平换流器；所述整流站通过所述直流线路与所述逆变站连接；所述第一动态泄能支路的输入端与所述直流线路的正极相连接，所述第二动态泄能支路的输出端与所述直流线路的负极相连接。
[0009] 相对于
现有技术，本实用新型实施例提供的一种基于直流输电系统的动态泄能支路的有益效果在于：所述基于直流输电系统的动态泄能支路包括：第一动态泄能支路和第二动态泄能支路；其中，所述第一动态泄能支路的输入端用于与直流输电系统的直流线路的正极相连接，所述第一动态泄能支路的输出端、所述第二动态泄能支路的输入端接地，所述第二动态泄能支路的输出端用于与所述直流输电系统的直流线路的负极相连接；所述第一动态泄能支路包括第一晶闸管组电路、第一泄能电阻和第一电容器；所述第二动态泄能支路包括第二晶闸管组电路、第二泄能电阻和第二电容器；其中，所述第一晶闸管组电路的输入端与所述第一动态泄能支路的输入端相连接，所述第一晶闸管组电路的输出端与所述第一泄能电阻的第一端相连接,所述第一泄能电阻的第二端与所述第一电容器的第一端相连接,所述第一电容器的第二端与所述第一动态泄能支路的输出端相连接；所述第二晶闸管组电路的输入端与所述第二动态泄能支路的输入端相连接，所述第二晶闸管组电路的输出端与所述第二泄能电阻的第一端相连接,所述第二泄能电阻的第二端与所述第二电容器的第一端相连接,所述第二电容器的第二端与所述第二动态泄能支路的输出端相连接。通过在直流线路的正极接入若干个串联晶闸管组以及电容器，同时为动态泄能支路构造一个接地点,能够有效地降低元器件两端的电压，保证元器件的正常运行，增加元器件的耐压能力。
附图说明
[0010] 图1是本实用新型实施例中一种模块化多电平换流器高压直流输电系统的结构示意图。
具体实施方式
[0011] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0012] 请参阅图1，是本实用新型实施例提供的一种模块化多电平换流器高压直流输电系统的结构示意图，所述模块化多电平换流器高压直流输电系统包括整流站 1、逆变站2、直流线路3以及动态泄能支路4；其中，所述整流站1、所述逆变站2各包括模块化多电平换流器；所述整流站1通过所述直流线路3与所述逆变站2连接；所述第一动态泄能支路41的输入端与所述直流线路3的正极相连接，所述第二动态泄能支路42的输出端与所述直流线路3的负极相连接。
[0013] 进一步地，所述整流站1的模块化多电平换流器和所述逆变站2的模块化多电平换流器均有6个桥臂，每个桥臂由N个规格一样的子模块SM(Sub-Module) 和一个电抗器L串联组成。所述整流站1的模块化多电平换流器和所述逆变站2 的模块化多电平换流器均通过三相
变压器与交流系统连接，交流系统电源用Usa由表示，变压器用等值电感Lsa表示，换流站损耗用req表示，变压器电抗用XT表示，直流线路3的电压用Ud表示。其中，所述子模块SM为半桥子模块。
[0014] 在本实施例中，在所述模块化多电平换流器高压直流输电系统中,设定整流站 1的输送功率为P1,逆变站2的接收功率为P2,流入所述动态泄能支路4的功率为P3, 当直流输电系统正常运行时P1＝P2，P3＝0；当逆变站2的交流侧母线发生单相接地故障时，所述交流侧母线电压会下降，逆变站2的接收功率降低，而此时整流站1的输送功率保持不变，因此需要启动动态泄能支路4来消耗多余的功率。
[0015] 请参阅图1，在一种可选的实施例中，所述动态泄能支路4包括：第一动态泄能支路41和第二动态泄能支路42；其中，所述第一动态泄能支路41的输入端用于与直流输电系统的直流线路3的正极相连接，所述第一动态泄能支路41的输出端、所述第二动态泄能支路42的输入端接地，所述第二动态泄能支路42的输出端用于与所述直流输电系统的直流线路3的负极相连接；所述第一动态泄能支路41包括第一晶闸管组电路411、第一泄能电阻R0和第一电容器C0；所述第二动态泄能支路42包括第二晶闸管组电路、第二泄能电阻和第二电容器；其中，所述第一晶闸管组电路411的输入端与所述第一动态泄能支路41的输入端相连接，所述第一晶闸管组电路411的输出端与所述第一泄能电阻R0的第一端相连接,所述第一泄能电阻R0的第二端与所述第一电容器C0的第一端相连接,所述第一电容器C0的第二端与所述第一动态泄能支路41的输出端相连接；所述第二晶闸管组电路的输入端与所述第二动态泄能支路42的输入端相连接，所述第二晶闸管组电路的输出端与所述第二泄能电阻的第一端相连接,所述第二泄能电阻的第二端与所述第二电容器的第一端相连接,所述第二电容器的第二端与所述第二动态泄能支路42的输出端相连接。通过在直流线路3的正极接入若干个串联晶闸管组以及电容器，同时为动态泄能支路4构造一个接地点,能够有效地降低元器件两端的电压。
[0016] 在本实施例中，当直流输电系统发生故障时，启动所述动态泄能支路4，可以通过泄能电阻消耗传输中的过剩功率，从而保证元器件的正常运行以及故障消除后直流输电系统的快速恢复。相比于现有技术中采用若干个串联的全控器件绝缘栅双极型晶体管设计泄能直路，晶闸管串联均压技术显得更加成熟、通流能力更强，而且晶闸管器件造价相较全控器件绝缘栅双极型晶体管较低，且耐压能力强于绝缘栅双极型晶体管；
[0017] 以第一动态泄能支路41为例进行说明：根据公式 计算泄能电阻的阻值；
[0018] 其中，Ud为直流线路3的电
压实际值，Udrate为直流线路3的电压额定值， m为直流线路3的电压实际值与以直流线路3的电压额定值为基值的标幺值；即为启动动态泄能支路4时直流线路3的电压
阈值系数(m>1)，具体由系统设计参数确定。
[0019] 根据公式 计算第一电容器C0的容值；
[0020] 其中，τ为由第一泄能电阻R0和第一电容器C0构成的第一RC回路412中的时间常数。
[0021] 根据公式 计算第一动态泄能支路41的
电流；
[0022] 其中，Ud0为第一动态泄能支路41两端的电压值；
[0023] 进一步地，根据第一泄能电阻R0和第一电容器C0构成的第一RC回路412 和根据第二泄能电阻和第二电容器构成的第二RC回路，当交流侧发生故障时，触发第一晶闸管组中的晶闸管(D1…DN)、第二晶闸管组中的晶闸管导通，从而剩余功率P3将通过动态泄能支路4泄放。当经过200～300ms后故障清除，此时系统开始恢复，当逆变站2的接收功率P2上升至一定值后，从而剩余功率P3将通过动态泄能支路4泄放。当经过200～300ms后故障清除，此时直流输电系统开始恢复，当逆变站2的接收功率P2上升至一定值后，动态泄能支路4断开，此时动态泄能支路4电流降为0，第一晶闸管组中的晶闸管(D1…DN)、第二晶闸管组中的晶闸管顺利闭
锁，系统恢复正常运行。
[0024] 在一种可选的实施例中，所述第一晶闸管组电路411包括若干个串联连接的第一晶闸管组，其中，所述第一晶闸管组包括晶闸管(D1…DN)。
[0025] 其中，若干个第一晶闸管组中的晶闸管(D1…DN)串联连接，通过晶闸管串联，当直流输电系统发生故障时，晶闸管(D1…DN)可以及时地为动态泄能支路 4中的元器件分压，保护元器件不被击穿；同时采用晶闸管(D1…DN)串联替换现有技术中的若干个串联全控器件绝缘栅双极型晶体管，避免了绝缘栅双极型晶体管在触发开关时产生动态均压的问题。
[0026] 在一种可选的实施例中，所述第二晶闸管组电路包括若干个串联连接的第二晶闸管组，其中，所述第二晶闸管组包括晶闸管。
[0027] 其中，若干个第一晶闸管组中的晶闸管(D1…DN)串联连接，通过晶闸管(D1…DN)串联，当直流输电系统发生故障时，晶闸管(D1…DN)可以及时地为动态泄能支路4中的元器件分压，保护元器件不被击穿；同时采用晶闸管(D1…DN) 串联替换现有技术中的若干个串联全控器件绝缘栅双极型晶体管，避免了绝缘栅双极型晶体管在触发开关时产生动态均压的问题。
[0028] 以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
