电压源型的分布式模块化直流卸荷装置及电容均衡方法

本发明涉及一种应用于海上风电电压源型直流输电的分布式模块化三电平直流泄放装置以及其对应的电容均衡方法，属于电力系统电力电子化的柔性直流输电领域。

背景技术：

1、由于海上风能发展迅速，具有远距离、大容量的特点，基于电压源变换器的高压直流系统已成为海上风电场输电的首选方式。然而，当陆上换流站交流侧发生短路故障时，陆上和海上的有功输出不平衡会使直流母线电压迅速升高。为了保持直流母线的稳定，必须将多余的有功功率消耗掉。否则，过电压会损坏设备。为了保证vsc-hvdc安全通过三相故障，控制策略可以总结为以下两种方式。在ieee transactions on power delivery【ieee电能传输学报】于2014年发表的“"enhanced voltage drop control by vsc-hvdcsystems for improving wind farm fault ride through capability”【通过vsc-hvdc系统增强电压降控制提高风电场故障穿越能力】中提出了一种策略，通过频率控制和vsc控制来降低输出功率，以保持直流母线处于安全水平。第二种策略是用电阻来耗散直流母线的多余能量，可分为ac斩波器和dc斩波器。相反，交流卸荷装置增加了海上平台的体积和重量。因此，直流卸荷装置由于其安装条件方便，是海上风电场较好的选择。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种电压源型的分布式模块化直流卸荷装置及电容均衡方法，采用分布式模块化直流卸荷，每个直流卸荷装置上装有dsp独立控制，能够在柔性直流输电系统发生故障，直流母线电压抬升的情况下，保证两个分压电容c1u、c1l电压均衡，避免两个电容压差过大，导致电容过压，显著节约成本。本发明尤其适用于海上风电电压源型直流输电。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种电压源型的分布式模块化直流卸荷装置，采用分布式直流卸荷装置子模块，每个直流卸荷装置子模块装有dsp独立控制。直流卸荷装置子模块为三电平拓扑，三电平拓扑电路中分为两个卸荷电路，其中电容c1u与电容c2u并在模块化多电平换流器的母线上，每个电容承担一半的电压，开关管s1u与开关管s1l一端分别与电容c1u及电容c2u相连，开关管s1u的另一端连接到二极管d1u的阴极，开关管s2u的另一端连接到二极管d1l的阳极，二极管d1u与二极管d1l的中点连接到电容c1u与电容c1l的中点，耗散电阻r1并联在二极管d1u与二极管d1l上，因此直流卸荷装置子模块的每个开关承受单个分压电容的电压。

4、通过两个耗散电路共用一个泄放电阻，降低直流卸荷装置子模块的成本和体积。当电容c1u的电压值大于设定的阈值时，开关管s1u动作，电容上的电压通过c1u、s1u、r1以及d1l形成回路，将电容c1u的能量通过泄放电阻耗散掉，当电容c1l的电压值大于设定的阈值时，开关管s1l动作，电容上的电压通过c1l、s1l、r1、d1u形成回路，将电容c1l的能量通过泄放电阻耗散掉，当电容c1u与电容c1l的电压值都大于设定的阈值时，s1l、s1u全部导通，通过d1u、d1l、s1u、s1l、r1耗散掉c1u、c1l中的能量，降低直流卸荷装置子模块的成本和体积。

5、对于高电压工况，单个直流卸荷装置子模块的电压等级难以满足实际需求。在高电压工况下采用直流卸荷装置子模块串联连接。各直流卸荷装置子模块采用相同的电压平衡策略，使直流卸荷装置子模块电压与分压电容电压相等。对于直流卸荷装置，所有子模块中相同位置的开关处于同一相位，但单个直流卸荷装置子模块的开关相移180度。

6、本发明同时公开用于电压源型的分布式模块化直流卸荷装置的在工作时的电容均衡方法：

7、直流卸荷装置开始工作后，两个耗散电路通过功率电阻耗散分压电容的能量。直流卸荷装置子模块各开关由pwm控制，s1u和s1l驱动信号相差180度。此外，为了保证最大的能耗，将s1u和s1l的初始占空比d设为1。并且在每个周期中对s1u和s1l的初始占空比d进行校正，确保c1u和c1l的电压相等。

8、直流卸荷装置对分压电容采用滞环控制和有源电压控制。一旦udc超过滞环的上阈值，直流卸荷装置投入运行。同时，为了以最快的速度将udc降至滞环下阈值，将开关的初始占空比d设为1，当电容c1u或c1l中的电压处于滞环比较器中的上升部分时，开关管不动作并且设置两个开关管的相移相差180°，并且测量c1u和c1l的电压，与直流电压的一半进行比较。当柔性直流输电系统发生故障导致直流母线电压上升时，通过直流卸荷装置对柔性直流输电系统进行保护，直流卸荷装置共有四种工作模式。

9、模式一：当电容c1u或c1l中的电压处于滞环比较器中的上升阶段时，装置不动作。

10、模式二：当电容c1u或c1l中的电压达到滞环比较器的上阈值时，直流卸荷装置开始工作，泄放电容中的能量，并通过pi控制器保证两电容电压均衡。

11、模式三：在装置开始动作后，电容c1u或c1l中的电压处于滞环比较器的下降阶段，在该阶段直流卸荷装置持续工作，并通过pi控制器保证两电容电压均衡。

12、模式四：当电容c1u或c1l中的电压下降到滞环比较器的下阈值时，直流卸荷装置停止动作，此时电容电压又进入到上升阶段。

13、有益效果：

14、1、结合集中式dcc和分布式dcc的优缺点，本发明公开的电压源型的分布式模块化直流卸荷装置，直流卸荷装置子模块为三电平拓扑，主要由c1u、c1l、s1u、s1l、d1u、d1l、r1构成，相比于其他的直流卸荷装置，直流卸荷装置结构更加简单，在柔性直流输电领域中常见的高直流电压情况下能够极大的节约成本。

15、2、本发明公开的电压源型的分布式模块化直流卸荷装置及电容均衡方法，滞环电压控制方法，在柔性直流输电系统发生故障，直流母线电压抬升的情况下，直流卸荷装置投入运行时，能够保证两个分压电容c1u、c1l电压均衡，从而避免两个电容压差过大，导致电容过压。

16、3、本发明公开的电压源型的分布式模块化直流卸荷装置及电容均衡方法，在应用于高压场景时，采用多模块串联的方式，每个直流卸荷装置上装有dsp独立控制，在这种工况下，直流卸荷装置对分压电容采用滞环控制和有源电压控制。一旦udc超过滞环的上阈值，直流卸荷装置投入运行。当电容c1u或c1l中的电压处于滞环比较器中的上升部分时，开关管不动作并且设置两个开关管的相移相差180°，并且测量c1u和c1l的电压，与直流电压的一半进行比较。当柔性直流输电系统发生故障导致直流母线电压上升时，通过直流卸荷装置对柔性直流输电系统进行保护，该直流卸荷装置共有四种工作模式。通过四种工作模式调控保证所有电容电压均衡。

17、4、本发明公开的电压源型的分布式模块化直流卸荷装置及电容均衡方法，通过两个耗散电路共用一个泄放电阻，降低直流卸荷装置子模块的成本和体积。

18、5、本发明公开的电压源型的分布式模块化直流卸荷装置及电容均衡方法，直流卸荷装置开始工作后，两个耗散电路通过功率电阻耗散分压电容的能量。通过将s1u和s1l的初始占空比d设为1，保证最大的能耗。在每个周期中对s1u和s1l的初始占空比d进行校正，确保c1u和c1l的电压相等，保证电容电压平衡。