一种串联型直流卸荷装置及其与换流站配合的控制方法

本发明涉及柔性直流输配电、电力电子，具体地，涉及一种串联型直流卸荷装置及其与换流站配合的控制方法。

背景技术：

1、柔性直流输电技术，具有有功无功独立可控、无需无功补偿、可向无源网络供电、潮流反转时电压极性不变等特点，非常适用于远距离大规模新能源并网。

2、以大规模海上风电并网系统为例，由于风电机组惯性大，海上换流站(送端)的送出功率不能突变。当岸上换流站(受端)交流并网侧发生故障时，岸上换流站(受端)并网功率受到限制，无法将海上换流站(送端)的送出功率完全消纳。盈余功率会对换流器中的电容器以及直流海缆寄生电容进行充电，导致过电压。直流卸荷装置能够消耗直流电网中的盈余功率，避免发生过电压或风机大规模脱网。

3、现有的直流卸荷装置都是并联型拓扑结构，即并联在直流电网的正负极之间，可以分为集中式卸荷装置、分布式卸荷装置和混合式卸荷装置三种。其中，集中式卸荷装置存在串联开关器件均压困难问题，且工作时电压波动大；分布式卸荷装置的电压波动小，但是大量子模块需要更多的igbt、晶闸管等开关器件，同时需要额外的水冷装置，显著增加了成本；混合式卸荷装置是集中式和分布式卸荷装置的结合，与分布式卸荷装置相比，一定程度上减少了装置成本，但仍需要大量开关器件和水冷装置。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种串联型直流卸荷装置及其与换流站配合的控制方法。

2、根据本发明的一个方面，提供一种串联型直流卸荷装置，直流卸荷装置与换流站串联连接在直流电网中；所述直流卸荷装置采用集中式卸荷电阻的拓扑，或集中式卸荷电阻与直流断路器相结合的拓扑，或分布式卸荷电阻与直流断路器相结合的拓扑，每种拓扑结构均包含若干并联的桥臂，且至少有一个桥臂运用半控型器件。

3、优选地，所述直流卸荷装置的采用集中式卸荷电阻的拓扑，包括相互并联的三个桥臂，分别是开关桥臂、旁路桥臂和卸荷桥臂；其中，所述开关桥臂包括机械开关、反向串联全控型开关器件；所述旁路桥臂包括串联连接的半控型开关器件；所述卸荷桥臂包括卸荷电阻。

4、优选地，定义直流系统中的电流正方向为送端换流站流向受端换流站，电流从串联卸荷装置的输入端流入、从输出端流出，所述旁路桥臂中半控型开关器件的方向与串联卸荷装置的方向相反，即电流只能从卸荷装置的输出端流入旁路桥臂、再从旁路桥臂流出到卸荷装置的输入端。

5、优选地，所述直流卸荷装置的直流断路器相结合的拓扑，包括相互并联的四个桥臂，分别是开关桥臂、旁路桥臂、保护桥臂和卸荷桥臂；其中，所述开关桥臂机械包括机械开关、反向串联全控型开关器件；所述旁路桥臂包括多个反向串联连接的全控型开关器件；所述保护桥臂包括多个串联的避雷器；卸荷桥臂包括多个串联连接的半控型开关器件和卸荷电阻；直流卸荷装置嵌入到直流断路器中。

6、优选地，定义直流系统中的电流正方向为送端换流站流向受端换流站，电流从串联卸荷装置的输入端流入、从输出端流出，所述卸荷桥臂中半控型开关器件的方向与串联卸荷装置的方向相同，即电流只能从卸荷装置的输入端流入卸荷桥臂、再从卸荷桥臂流出到卸荷装置的输出端。

7、优选地，所述直流卸荷装置的模块化的拓扑，包括相互并联的两个桥臂，分别为开关桥臂和卸荷桥臂；其中，所述开关桥臂机械包括机械开关、反向串联全控型开关器件；所述卸荷桥臂包括多个串联的卸荷子模块。

8、优选地，所述卸荷子模块包括相互并联的三个支路：第一支路包括串联的卸荷电阻和半控型开关器件；第二支路为避雷器；第三支路包括一对反向串联的全控型开关器件。

9、优选地，所述卸荷子模块中的第一支路，其安装方向由电流方向决定；定义直流系统中的电流正方向为送端换流站流向受端换流站，则第一支路中的半控型开关器件的方向与直流系统电流正方向一致。

10、所述换流站为中压级或高压级、具有模块化多电平结构的、三相的、电压源型变流器，具有交直流电能变换的功能，能够实现中高压交流电网和直流系统的联接。

11、优选地，直流卸荷装置嵌入到直流断路器。

12、根据本发明的第二个方面，提供一种直流卸荷装置拓扑与换流站配合的控制方法，采用所述的串联型直流卸荷装置，包括两种运行模式，分别为旁路模式和卸荷模式；在所述旁路模式下，所述机械开关处于闭合状态，与机械开关串联的所述反向串联全控型开关器件保持开通，电流只从机械开关和串联全控型开关器件流过，不从卸荷桥臂流过；在所述卸荷模式下，所述机械开关处于分断状态，电流只从卸荷桥臂流过，不从机械开关和串联全控型开关器件流过。

13、优选地，所述串联型直流卸荷装置采用分布式卸荷电阻与直流断路器相结合的拓扑，所述卸荷模式包括两种运行模式，分别为投入电阻模式和旁路电阻模式；

14、在所述投入电阻模式下，卸荷子模块的半控型开关器件开通，反向串联全控型开关器件关断，电流只从第一支路流过，不从第二支路和第三支路流过，电流作用于卸荷电阻，形成功率消耗；

15、在所述旁路电阻模式下，卸荷子模块的半控型开关器件关断，反向串联全控型开关器件开通，电流只从第三支路流过，不从第一支路和第二支路流过，卸荷电阻被旁路。

16、优选的，所述串联型直流卸荷装置采用分布式卸荷电阻与直流断路器相结合的拓扑，其步骤包括：

17、步骤1：系统处于正常运行状态，送端换流站功率和受端换流站功率相等；直流卸荷装置处于旁路模式；受端换流站直流侧输出电压等于直流电网电压udc；卸荷装置电压ur和换流站的电压ummc，具体为：

18、

19、步骤2：受端换流站交流侧发生故障，交流电网电压下降，受端换流站功率受到限制；直流卸荷装置从旁路模式过渡到卸荷模式，具体为：

20、将所有的卸荷模块运行于旁路电阻模式，分流全控型开关器件t0和t1上的电流；

21、关闭全控型开关器件t0和t1，令机械开关k中的电流为零；

22、断开机械开关k，直流卸荷装置进入卸荷模式。

23、步骤3：直流卸荷装置处于卸荷模式，消耗盈余功率；直流卸荷装置存在电压降ur，控制换流站输出直流电压ummc下降，保持换流站电压和卸荷装置电压之和等于直流电网电压udc，具体为：

24、ur+ummc＝udc

25、步骤4：当受端换流站交流侧故障切除后，卸荷装置回到旁路模式，控制受端换流站直流侧输出电压等于直流电网电压；卸荷装置电压ur和换流站的电压ummc，具体为：

26、

27、优选地，步骤3中，卸荷装置中的n个卸荷子模块，其中有m个卸荷子模块始终处于投入电阻模式，有1个卸荷子模块在投入电阻模式和旁路电阻模式之间反复切换，剩余n-m-1个卸荷子模块始终处于旁路电阻模式。

28、优选地，对于卸荷子模块投入数量及时间的计算，具体为：

29、

30、其中，m是始终处于投入电阻模式的卸荷子模块数量，pr是卸荷装置需要消耗的功率，idc是直流电网电流，r是单个卸荷子模块内部卸荷电阻的大小，int是向下取整函数，d是卸荷子模块在投入电阻模式和旁路电阻模式之间反复切换的占空比，其中模式1代表投入电阻模式，模式2代表旁路电阻模式。

31、优选地，控制各个卸荷子模块状态轮换，满足同一时间内有n个卸荷子模块处于投入电阻模式、1个卸荷子模块在投入电阻模式和旁路电阻模式之间切换、剩余n-m-1个卸荷子模块处于旁路电阻模式。

32、与现有技术相比，本发明实施例至少具有如下的一种有益效果：

33、1、本发明实施例的串联型直流卸荷装置串联在直流电网中，无需承担系统全电压，降低成本；能够消耗盈余功率，有效避免直流系统过电压。在卸荷装置中使用半控型器件，与现有直流卸荷装置相比，减少了开关器件数量、无需子模块电容，具有建造成本低、波动电压小、兼有直流断路器功能等优点；

34、2、与现有并联型集中式直流卸荷装置相比，本发明实施例的串联型直流卸荷装置，不存在器件串联均压困难的问题，还可以分级投入和切除卸荷电阻，更精准的控制卸荷功率，在卸荷时实现更小的直流电网电压波动；

35、3、与现有并联型分布式或混合式直流卸荷装置相比，本发明实施例的串联型直流卸荷装置，开关器件更少，无需子模块电容，因此显著降低了装置的成本；

36、4、与现有并联型直流卸荷装置相比，本发明实施例的串联型直流卸荷装置，还兼有直流断路器功能，实现多种用途，因此经济性更好；

37、5、本发明实施例的串联型直流卸荷装置与换流站配合的控制方法，控制换流站的直流输出电压和卸荷装置的卸荷子模块投切，实现受端换流站交流侧故障时，直流电网电压的稳定。本发明的串联型直流卸荷装置没有子模块电容，不存在传统卸荷装置的子模块电容均压问题，控制方法更为简化。