一種mmc直流故障快速隔離裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種MMC直流故障快速隔離裝置，包括可關(guān)斷功率器件閥段和由電阻器件和電感器件構(gòu)成的阻抗單元，該閥段由至少一個(gè)功率器件構(gòu)成，阻抗單元與可關(guān)斷功率器件閥段并聯(lián)。該阻抗單元不但具有電阻的限流的作用，以及吸收短路能量的作用，保證故障電流快速衰減，以便盡快采取下一步故障隔離措施；而且，阻抗單元中的電感元件能夠抑制短路電流的上升率，避免故障電流的變化率過(guò)大，從而降低故障電流對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的充電，使系統(tǒng)設(shè)備得到有效地保護(hù)，幫助MMC系統(tǒng)在直流故障后快速恢復(fù)。
【專利說(shuō)明】
一種圖C直流故障快速隔離裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種MMC直流故障快速隔離裝置，屬于電力系統(tǒng)及電力電子柔性直流換流閥領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]基于MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)控制靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無(wú)功的獨(dú)立解耦控制，在大規(guī)模分布式新能源并網(wǎng)、城市供電、孤島供電、電網(wǎng)黑啟動(dòng)、多端直流聯(lián)網(wǎng)、弱系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有很大市場(chǎng)應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)已有多個(gè)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用工程。
[0003]直流短路故障是換流器設(shè)計(jì)運(yùn)行中必須考慮的一種嚴(yán)重故障類型，無(wú)論是暫時(shí)性還是永久性故障，MMC系統(tǒng)通常采用的措施是閉鎖換流閥并跳開交流斷路器，特別是對(duì)于多端柔性直流輸電系統(tǒng)，若一端發(fā)生直流雙極短路故障，其他多端也會(huì)同時(shí)通過(guò)該端系統(tǒng)故障點(diǎn)構(gòu)成直流雙極短路故障，造成多端系統(tǒng)相繼停運(yùn)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)供電質(zhì)量。為減少直流故障發(fā)生概率，目前已投運(yùn)或正建設(shè)工程均采用電纜線路，這使柔性直流輸電工程經(jīng)濟(jì)成本大大增加。
[0004]目前柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障穿越技術(shù)與快速隔離技術(shù)路線分為采用具備直流故障穿越能力的子模塊拓?fù)渑c直流斷路器的研制。但是采用具備直流故障穿越能力的子模塊拓?fù)涑杀颈饶壳鞍霕蜃幽K結(jié)構(gòu)成本至少要增加一倍，而直流斷路器的研制受到大功率電力電子器件制造技術(shù)水平的限制，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性的突破。為了克服上述問(wèn)題，申請(qǐng)?zhí)枮?01410848005.X的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種適應(yīng)于半橋式MMC直流故障的隔離方案，其包括一種具有直流故障限流能力的MMC換流器改進(jìn)結(jié)構(gòu)，在換流器每個(gè)橋臂中設(shè)置有限流模塊，該限流模塊包括由至少一個(gè)功率器件構(gòu)成的功率單元，以及限流電阻，功率單元和限流電阻并聯(lián)，在直流故障發(fā)生時(shí)，控制功率單元關(guān)斷，此時(shí)故障電流流經(jīng)限流電阻，限流電阻起到故障限流的作用。但是，該限流模塊只能在故障發(fā)生時(shí)起到限流的作用，在故障電流的變化率較大時(shí)，該限流電阻無(wú)法起到降低變化率的作用，進(jìn)而無(wú)法降低故障電流對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的沖擊，會(huì)損壞系統(tǒng)設(shè)備。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種MMC直流故障快速隔離裝置，用以解決限流電阻無(wú)法降低故障電流對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的沖擊的問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的方案包括一種MMC直流故障快速隔離裝置，包括可關(guān)斷功率器件閥段，該閥段由至少一個(gè)功率單元構(gòu)成，所述隔離裝置還包括由電阻器件和電感器件構(gòu)成的阻抗單元，所述阻抗單元與所述可關(guān)斷功率器件閥段并聯(lián)。
[0007]所述隔離裝置還包括吸收電容單元，所述吸收電容單元與所述可關(guān)斷功率器件閥段并聯(lián)。
[0008]所述隔離裝置還包括旁路開關(guān)，所述旁路開關(guān)與所述可關(guān)斷功率器件閥段并聯(lián)。
[0009]所述隔離裝置還包括控制模塊，所述控制模塊采樣連接所述吸收電容，所述控制模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制連接所述功率器件，所述控制模塊控制連接所述旁路開關(guān)。
[0010]所述阻抗單元由一個(gè)電感和至少一個(gè)電阻串聯(lián)構(gòu)成。
[0011]所述吸收電容單元由一個(gè)吸收電容構(gòu)成或者由至少兩個(gè)吸收電容串聯(lián)構(gòu)成。
[0012]所述功率單元為一個(gè)功率器件或者由至少兩個(gè)功率器件串聯(lián)構(gòu)成。
[0013]所述隔離裝置還包括用于從MMC子模塊中的直流電容取電的取能單元，所述取能單元供電連接所述控制模塊。
[0014]所述功率器件還對(duì)應(yīng)設(shè)置有保護(hù)支路，所述保護(hù)支路與對(duì)應(yīng)的功率器件并聯(lián)設(shè)置，所述保護(hù)支路上串設(shè)有保護(hù)電阻和保護(hù)電容，所述保護(hù)電阻與一個(gè)保護(hù)二極管并聯(lián)。
[0015]所述功率器件為GT0、IGBT、IEGT或者IGCT。
[0016]本實(shí)用新型提供的MMC直流故障快速隔離裝置包括阻抗單元，該阻抗單元由電阻元件和電感元件組成，所以，該阻抗單元不但具有電阻的限流的作用，以及吸收短路能量的作用，保證故障電流快速衰減，以便盡快采取下一步故障隔離措施;而且，阻抗單元中的電感元件能夠抑制短路電流的上升率，避免故障電流的變化率過(guò)大，從而降低故障電流與系統(tǒng)設(shè)備的充電，使系統(tǒng)設(shè)備得到有效地保護(hù)，幫助MMC系統(tǒng)在直流故障后快速恢復(fù)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是MMC直流故障快速隔離裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是隔離裝置與MMC子模塊之間的連接關(guān)系圖；
[0019]圖3是MMC直流故障快速隔離裝置的結(jié)構(gòu)詳圖；
[0020]圖4是隔離裝置的控制流程圖；
[0021 ]圖5是多個(gè)隔離裝置的連接關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0023]實(shí)施例1
[0024]如圖1和圖2所示，MMC直流故障快速隔離裝置串接在MMC系統(tǒng)中的橋臂上，其與該橋臂上的MMC子模塊串聯(lián)設(shè)置，并且該隔離裝置尤其適用于半橋式MMC系統(tǒng)。
[0025]該MMC直流故障快速隔離裝置包括旁路開關(guān)1、可關(guān)斷功率器件閥段2、阻抗單元3和吸收電容單元4，這四部分為并聯(lián)關(guān)系。
[0026]可關(guān)斷功率器件閥段2可以根據(jù)MMC系統(tǒng)的系統(tǒng)容量(包括換流器傳輸容量及交流系統(tǒng)短路容量)及直流電壓等級(jí)而由一段或多段閥組成，并且每個(gè)閥段中可關(guān)斷功率器件的數(shù)量可以是I個(gè)，也可以是η個(gè)(η大于或者等于2，n根據(jù)MMC系統(tǒng)電壓等級(jí)而定)，如圖3所不O
[0027]可關(guān)斷功率器件閥段2中的閥段數(shù)量(m)的取決于單個(gè)直流故障快速隔離閥組投入時(shí)刻閥組兩端承壓(Uf)、閥段中可關(guān)斷功率器件承壓(Usm)與可關(guān)斷功率器件的數(shù)量(η)，具體可表示為:
[0028]m = Uf/(n XUsm)。
[0029]另外，可關(guān)斷功率器件閥段2中包含的可關(guān)斷功率器件可以是GTO、IGBT、IEGT及IGCT等眾多可關(guān)斷功率器件中的一種或多種混聯(lián)組成，而不局限于某一種。也就是說(shuō)，可關(guān)斷功率器件閥段2由上述一種或多種功率器件串聯(lián)構(gòu)成。
[0030]總之，可關(guān)斷功率器件閥段2由一個(gè)功率器件或至少兩個(gè)功率器件串聯(lián)構(gòu)成，具體設(shè)置的個(gè)數(shù)以及器件類型的選取可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。
[0031]為了對(duì)每一個(gè)功率器件進(jìn)行保護(hù)，每一個(gè)功率器件均并聯(lián)有一個(gè)保護(hù)支路，如圖3所示，保護(hù)支路與對(duì)應(yīng)的功率器件并聯(lián)設(shè)置，保護(hù)支路上串設(shè)有保護(hù)電阻和保護(hù)電容，保護(hù)電阻與一個(gè)保護(hù)二極管并聯(lián)。
[0032]阻抗單元3由電阻器件和電感器件構(gòu)成，其中電阻器件和電感器件的個(gè)數(shù)根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置，比如:包括一個(gè)電阻和一個(gè)電感，或者多個(gè)電阻和多個(gè)電感，或者一個(gè)電阻和多個(gè)電感，再或者一個(gè)電感和多個(gè)電阻；并且電感和電阻之間的連接關(guān)系可以根據(jù)需要進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混聯(lián)組成，具體匹配值根據(jù)MMC系統(tǒng)的系統(tǒng)容量(包括換流器傳輸容量及交流系統(tǒng)短路容量)及直流電壓等級(jí)確定。如圖3所示，給出了一個(gè)具體實(shí)施例，阻抗單元3由多個(gè)電阻和一個(gè)電感串聯(lián)構(gòu)成。電感值的選取取決于MMC橋臂子模塊閥組件安全承受范圍及換流閥閉鎖時(shí)刻橋臂電流瞬時(shí)值。阻抗單元3串入短路回路可以限制短路電流幅值、抑制短路電流上升率及快速吸收短路能量，從而縮短故障故障隔離條件達(dá)到時(shí)間，其中，電阻起到限流，以及吸收短路能量的作用，保證故障電流快速衰減；電感能夠抑制短路電流的上升率，避免故障電流的變化率過(guò)大。
[0033]旁路開關(guān)I為高速機(jī)械開關(guān)或者其他的繼電器等控制開關(guān)。
[0034]吸收電容單元4用于吸收線路中的尖峰電壓，達(dá)到平緩電壓波動(dòng)的效果。該電容單元可以由一個(gè)吸收電容構(gòu)成;亦可以由至少兩個(gè)吸收電容串聯(lián)構(gòu)成，如圖3所示。
[0035]為了對(duì)旁路開關(guān)I和閥段2進(jìn)行有效控制，該隔離裝置還設(shè)置有控制模塊，該控制模塊可為現(xiàn)有的控制芯片，比如:單片機(jī)，根據(jù)其內(nèi)部設(shè)置的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。
[0036]MMC系統(tǒng)中的控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)MMC系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)直流短路故障時(shí)該控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，控制模塊接收該控制信號(hào)并通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)控制可關(guān)斷功率器件閥段2中的功率元件可靠動(dòng)作。該控制模塊還采樣連接吸收電容單元4，控制連接旁路開關(guān)I。
[0037]另外，為了對(duì)閥段以及控制模塊進(jìn)行供電，該隔離裝置中設(shè)置有取電單元，該取能單元供電連接控制模塊。該取電單元可以是DC/DC模塊，其從相鄰的MMC子模塊中的直流電容取電，然后將電能輸送給控制模塊，如圖2所示，圖2中的兩個(gè)箭頭代表著電能從相鄰子模塊進(jìn)行取電。
[0038]該MMC直流故障快速隔離裝置在系統(tǒng)中有兩種狀態(tài)，一種是切除狀態(tài)，另一種是投入狀態(tài)。切除狀態(tài)是指可關(guān)斷功率器件均處于開通狀態(tài)，投入狀態(tài)指可關(guān)斷功率器件處于關(guān)斷狀態(tài)。該隔離裝置處于切除狀態(tài)時(shí)，MMC系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下；當(dāng)該隔離裝置處于投入狀態(tài)時(shí)，MMC系統(tǒng)處于故障狀態(tài)下。
[0039]MMC系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，MMC直流故障快速隔離裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)，功率器件T(T1、T2、……、Τη)處于導(dǎo)通狀態(tài)，T及其反并聯(lián)二極管分別通過(guò)橋臂正反向電流。
[0040]當(dāng)控制保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到直流短路故障發(fā)生后，立即執(zhí)行MMC換流閥閉鎖，這屬于現(xiàn)有技術(shù)，不再詳細(xì)說(shuō)明；同時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)給控制模塊一個(gè)控制信號(hào)，控制模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制功率器件Τ(Τ1、Τ2、……、Τη)關(guān)斷，阻抗單元投入故障回路中，從而限制柔性直流輸電直流側(cè)故障引起的橋臂電流過(guò)流峰值，以及縮短故障電流衰減時(shí)間。作為其他的實(shí)施例，該控制模塊還可以直接檢測(cè)直流短路故障，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制功率器件T(T1、Τ2、……、Τη)關(guān)斷。
[0041]另外，控制模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)電容單元兩端的電壓，電容單元兩端的電壓為該隔離裝置兩端的電壓，當(dāng)由于出現(xiàn)突發(fā)情況或者故障情況導(dǎo)致電容單元兩端的電壓過(guò)高時(shí)，控制模塊立即下發(fā)旁路開關(guān)閉合指令，通過(guò)旁路開關(guān)短路該隔離裝置，以避免該隔離裝置損壞。
[0042]圖4為該隔離裝置的控制流程圖。
[0043]另外，MMC橋臂上還可以設(shè)置多個(gè)隔離裝置，連接關(guān)系如圖5所示。
[0044]上述實(shí)施例中，隔離裝置中設(shè)置有控制模塊，根據(jù)該控制模塊實(shí)現(xiàn)隔離裝置切除和投入以及吸收電容過(guò)壓的控制，作為其他的實(shí)施例，該控制模塊可以不設(shè)置，而使用MMC系統(tǒng)中的原有的相關(guān)控制設(shè)備來(lái)進(jìn)行隔離裝置切除和投入以及吸收電容過(guò)壓的控制。
[0045]實(shí)施例2
[0046]該實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:隔離裝置不涉及吸收電容單元4和旁路開關(guān)1，那么，控制模塊也就不能采樣連接吸收電容單元，控制連接旁路開關(guān)，也就無(wú)法進(jìn)行過(guò)壓的控制。所以，本實(shí)施例中的隔離裝置不進(jìn)行吸收電容兩端電壓的檢測(cè)和旁路開關(guān)的控制，只進(jìn)行以下控制:利用阻抗單元中的電感和電阻實(shí)現(xiàn)限制短路電流幅值、抑制短路電流上升率及快速吸收短路能量，從而縮短故障故障隔離條件達(dá)到時(shí)間的目的。
[0047]實(shí)施例3
[0048]該實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:隔離裝置不涉及旁路開關(guān)I，那么，該控制裝置無(wú)法進(jìn)行過(guò)壓的控制。所以，本實(shí)施例中的隔離裝置不進(jìn)行吸收電容兩端電壓的檢測(cè)和旁路開關(guān)的控制，只進(jìn)行以下控制:利用阻抗單元中的電感和電阻實(shí)現(xiàn)限制短路電流幅值、抑制短路電流上升率及快速吸收短路能量，利用電容單元進(jìn)行尖峰電壓的吸收，從而縮短故障故障隔離條件達(dá)到時(shí)間的目的。
[0049]以上給出了具體的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型不局限于所描述的實(shí)施方式。本實(shí)用新型的基本思路在于上述基本方案，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本實(shí)用新型的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種MMC直流故障快速隔離裝置，包括可關(guān)斷功率器件閥段，該閥段由至少一個(gè)功率單元構(gòu)成，其特征在于，所述隔離裝置還包括由電阻器件和電感器件構(gòu)成的阻抗單元，所述阻抗單元與所述可關(guān)斷功率器件閥段并聯(lián)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述隔離裝置還包括吸收電容單元，所述吸收電容單元與所述可關(guān)斷功率器件閥段并聯(lián)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述隔離裝置還包括旁路開關(guān)，所述旁路開關(guān)與所述可關(guān)斷功率器件閥段并聯(lián)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述隔離裝置還包括控制模塊，所述控制模塊采樣連接所述吸收電容，所述控制模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制連接所述功率器件，所述控制模塊控制連接所述旁路開關(guān)。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述阻抗單元由一個(gè)電感和至少一個(gè)電阻串聯(lián)構(gòu)成。6.根據(jù)權(quán)利要求2-4任意一項(xiàng)所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述吸收電容單元由一個(gè)吸收電容構(gòu)成或者由至少兩個(gè)吸收電容串聯(lián)構(gòu)成。7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述功率單元為一個(gè)功率器件或者由至少兩個(gè)功率器件串聯(lián)構(gòu)成。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述隔離裝置還包括用于從MMC子模塊中的直流電容取電的取能單元，所述取能單元供電連接所述控制模塊。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述功率器件還對(duì)應(yīng)設(shè)置有保護(hù)支路，所述保護(hù)支路與對(duì)應(yīng)的功率器件并聯(lián)設(shè)置，所述保護(hù)支路上串設(shè)有保護(hù)電阻和保護(hù)電容，所述保護(hù)電阻與一個(gè)保護(hù)二極管并聯(lián)。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MMC直流故障快速隔離裝置，其特征在于，所述功率器件為61'0、1681'、^61'或者16(:1'。
【文檔編號(hào)】H02M1/32GK205509845SQ201620246524
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月28日
【發(fā)明人】范彩云, 劉路路, 韓坤, 張志剛, 司志磊, 甄帥
【申請(qǐng)人】許繼電氣股份有限公司, 許繼集團(tuán)有限公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司