一种集中式直流耗能阀、控制装置及其控制方法与流程

本公开涉及直流输电领域，尤其涉及一种集中式直流耗能阀、控制装置及其控制方法。

背景技术：

1、海上风电和太阳能等新能源大规模发展，新能源本身存在波动性，且大规模新能源均经变流器接入电网，如柔性直流输电系统等。在电网受端出现交流故障时，新能源通常会持续向柔直变流器中注入功率，而网侧短时故障期间新能源送出功率无法送出至交流系统，会导致柔直变流器中直流电容电压快速升高，从而出现整体过压而跳闸停运，对于接入新能源比例较高的交流系统，交流故障穿越期间如果叠加新能源机组停运，进一步导致功率缺额，可能会导致电力系统继电保护装置动作，引起大范围停电。为避免前述工况出现，通常在新能源经柔直变流器并网系统中加入直流耗能装置，在受端网侧故障时，通过检测柔直系统直流电压升高，控制直流侧耗能装置导通，将剩余能量经直流侧耗能电阻泄放，提高系统故障穿越能力。

2、柔性直流输电系统的直流耗能装置通常分为集中式和分布式两种，典型的集中式耗能装置是采用全控电力电子器件如igbt直接串联组成耗能阀，或者半桥的模块多电平(mmc)作为耗能阀，再将耗能阀与耗能电阻串联，之后并联在柔直系统正负极母线之间，通过控制耗能阀中直接串联的igbt同时导通/关断或者mmc中模块投切数量变化，实现直流侧能量的泄放。

3、其中igbt直接串联的耗能阀，需要控制所有串联的igbt同时导通或关断，无法控制泄放电流的大小，所用功率器件数量较少，成本较低，但投入和切除耗能阀时对直流电压冲击较大。

4、而对于mmc组成的耗能阀能够利用投切模块数量的变化，调节泄放电流大小，避免对系统直流电压造成冲击。现有技术中针对基于单igbt半桥/全桥或双igbt半桥串联的模块化多电平耗能阀及其控制方法，在直流电压超过上下限值时依次投入或依次切除耗能阀中耗能子模块。但该拓扑中双igbt半桥拓扑采用全控型功率器件较多，并配置预充电电阻和旁路开关，明显成本较高。而对于单igbt拓扑中成本相对较低，但该种拓扑也需要预充电电阻和旁路开关，对于柔性直流输电系统，其直流电压相对较高，通常为数百千伏，对预充电电阻和旁路接触耐压等级和可靠性要求较高。同时单igbt的耗能子模块仅提供了模块直流容的充电回路，耗能投入过程中电容器所缓冲的能量释放较慢，因此多次反复投入过程则需要较大的缓冲电容，否则容易出现整体过压。同时该耗能阀控制方法中，当直流电压超过滞环上下限值时投入或退出耗能阀，使直流电压在滞环宽度范围内变化，滞环宽度过小则直流耗能阀投退频繁，容易造成耗能子模块直流电容过压，而滞环宽度过大，则直流电压波动较大。

技术实现思路

1、本公开提供了一种集中式直流耗能阀、控制装置及其控制方法。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种集中式直流耗能阀，包括串联的分压子模块和耗能电阻，所述分压子模块和耗能电阻为多个，其中，

3、所述分压子模块包括功率器件、二极管、均压电阻、rcd缓冲电路；功率器件与rcd缓冲电路并联、与二极管反并联、还与均压电阻并联。

4、根据本公开的第二方面，提供了一种集中式直流耗能阀的控制装置，其中，所述控制装置包括：

5、投退控制模块、直流电压控制模块和斜坡投切模块；

6、所述投退控制模块和直流电压控制模块的输出作为斜坡投切模块的输入；

7、斜坡投切模块输出集中式直流耗能阀中所有功率器件igct的触发脉冲。

8、进一步地，所述投退控制模块包括滞环比较器、投入延时模块、退出延时模块、状态转换模块；

9、所述滞环比较器的输入为耗能阀端间直流电压采样值，当输入的直流电压高于滞环比较器上限时滞环比较器输出逻辑1，当直流电压低于滞环比较器下限时，滞环比较器输出逻辑0；

10、滞环比较器输出同时与投入延时模块和退出延时模块连接，其中，投入延时模块将滞环比较器输出的0到1的跳变做投入给定时间的滤波，对1到0的跳变不做延时，直接输出；退出延时模块将滞环比较器输出的1到0的跳变做退出给定值时间的滤波，对0到1的跳变不做延时，直接输出；

11、投入延时模块和退出延时模块的输出端分别连接至状态转换模块的第一和第二输入端，状态转换模块根据第一和第二输入端的状态进行逻辑判断，输出耗能阀投入或退出命令。

12、进一步地，所述直流电压控制模块包括均值滤波模块、误差计算模块、pi调节器、限幅模块、三角波生成器、比较器；

13、均值滤波模块对直流电压采样值均值滤波，误差计算模块对经均值滤波后的直流电压采样值与直流电压给定值作差，得到误差；pi调节器对所述误差进行调节，pi调节器输出经限幅模块限幅得到耗能阀调制信号，比较器对耗能阀调制信号与三角波生成器生成的给定开关频率的三角波进行比较，从而得到耗能阀开关信号。

14、进一步地，所述斜坡投切模块包括逻辑与计算器、功率器件导通个数生成模块、电容电压平衡控制模块；

15、所述逻辑与计算器将所述投退控制模块输出的耗能阀投入退出命令与所述直流电压控制模块输出的耗能阀开关信号相与，得到耗能阀最终开关信号；功率器件导通个数生成模块，根据所述耗能阀最终开关信号，按照给定投切斜坡时间要求，生成功率器件导通个，输出至电容电压平衡控制模块；电容电压平衡控制模块根据耗能阀主回路中所有功率器件并联的rcd缓冲电路中电容电压的排序结果，将导通器件数量转换为具体每个串联功率器件的触发脉冲，再输出至直流耗能阀。

16、根据本公开的第三方面，提供了一种集中式直流耗能阀的控制装置的控制方法，所述方法包括：

17、投退控制模块根据耗能阀端间直流电压采样值生成耗能阀投退信号；

18、直流电压控制模块根据直流电压采样值生成耗能阀开关信号；

19、斜坡投切模块根据所述耗能阀投退信号与所述耗能阀开关信号，生成集中式直流耗能阀中所有功率器件igct的触发脉冲。

20、进一步地，所述投退控制模块根据耗能阀端间直流电压采样值生成耗能阀投退信号包括：

21、滞环比较器将耗能阀端间直流电压采样值与预设上限和预设下限进行比较，当输入的直流电压高于滞环比较器上限时，滞环比较器输出逻辑1，当直流电压低于滞环比较器下限时，滞环比较器输出逻辑0；

22、投入延时模块将滞环比较器输出的0到1的跳变做投入给定时间的滤波，对1到0的跳变不做延时，直接输出；之前之后或同时，退出延时模块将滞环比较器输出的1到0的跳变做退出给定值时间的滤波，对0到1的跳变不做延时，直接输出；

23、状态转换模块根据投入延时模块和退出延时模块的输出状态进行逻辑判断，输出耗能阀投入或退出命令。

24、进一步地，所述直流电压控制模块根据直流电压采样值生成耗能阀开关信号包括：

25、均值滤波模块对直流电压采样值均值滤波，误差计算模块对经均值滤波后的直流电压采样值与直流电压给定值作差，得到误差；

26、pi调节器对所述误差进行调节，pi调节器输出经限幅模块限幅得到耗能阀调制信号；

27、比较器对耗能阀调制信号与三角波生成器生成的给定开关频率的三角波进行比较，从而得到耗能阀开关信号。

28、进一步地，所述斜坡投切模块根据所述耗能阀投退信号与所述耗能阀开关信号，生成集中式直流耗能阀中所有功率器件igct的触发脉冲包括：

29、逻辑与计算器将所述投退控制模块输出的耗能阀投入退出命令与所述直流电压控制模块输出的耗能阀开关信号相与，得到耗能阀最终开关信号；

30、功率器件导通个数生成模块根据所述耗能阀最终开关信号，按照给定投切斜坡时间要求，生成功率器件导通个数，输出至电容电压平衡控制模块；

31、电容电压平衡控制模块根据耗能阀主回路中所有功率器件并联的rcd缓冲电路中电容电压的排序结果，将导通器件数量转换为具体每个串联功率器件的触发脉冲，再输出至直流耗能阀。

32、进一步地，所述耗能阀最终开关信号为耗能阀投入/切除信号；

33、所述功率器件导通个数生成模块根据所述耗能阀最终开关信号，按照给定投切斜坡时间要求，生成功率器件导通个数包括：

34、将耗能阀的投入/切除信号转换为耗能阀中功率器件的动态投入/切除个数；其中，

35、为当耗能阀投入/切除信号产生0到1的上升沿跳变时，导通个数生成模块按照设定的投入斜坡时间，输出功率器件导通个数由0斜坡变化至最大值；

36、当耗能阀投入/切除信号产生1到0的下降沿跳变时，导通个数生成模块按照设定的切除斜坡时间，输出功率器件导通个数由最大值斜坡变化至0。

37、本公开的实施例提供的一种集中式直流耗能阀、控制装置及其控制方法，所述控制方法包括投退控制模块根据耗能阀端间直流电压采样值生成耗能阀投退信号；直流电压控制模块根据直流电压采样值生成耗能阀开关信号；斜坡投切模块根据所述耗能阀投退信号与所述耗能阀开关信号，生成集中式直流耗能阀中所有功率器件igct的触发脉冲。能够通过调节直接串联的功率器件导通和关断的数量实现平滑调节耗能电阻泄放电流和耗能阀端间直流电压，从而减小耗能阀投入和退出过程中对柔直系统直流侧电压的冲击。

38、应当理解，技术实现要素：部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。