采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置、控制方法及应用制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置，包括若干个有源缓冲电路模块、一个耗能电阻；所述耗能电阻与若干个有源缓冲电路模块串联后并联在直流母线的正、负极之间。本发明专利技术在借鉴传统缓冲电路的思想上，引入有源器件，提出结合主动缓冲电路的新型直流耗能装置。通过晶闸管实现电容电压的主动控制，从而实现了在不改变开关损耗的前提下，关断损耗的大大降低。断损耗的大大降低。

【技术实现步骤摘要】
采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置、控制方法及应用


[0001]本专利技术涉及柔直输电方式下风电场故障穿越问题，具体涉及一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置、控制方法及其应用。

技术介绍

[0002]柔直输电方式下，风电场发生故障穿越问题，当发生网侧低压故障时，交流电压跌落使受端换流站功率送出能力下降，而风场输入的功率保持不变，导致功率盈余，进而造成系统过压，严重情况下可能发生风机脱网。极限情况下，当受端三相交流电压降为0，系统完全丧失功率送出能力，系统则只能采用加装耗能装置或风机停运等措施，避免较高的电压对换流阀等装备造成破坏。
[0003]固态开关在关断时损耗大的本质原因固态开关并非理想元件，电压电流存在重叠区域，并且关断数百安电流的时间仅3～5μs，因而固态开关硬关断时损耗大。因此，降低器件关断损耗的核心在于引入电容，降低器件电压的上升速率，尽可能减小电压电流的重叠区域。
[0004]图1展示了现有固态开关常用的缓冲电路方案，图1(a)为X.Yang,M.Xu,Q.Li,Z.Wang and M.He于2022年四月在IEEE Transactions on Power Electronics第37卷第4期发表的Analytical Method for RC Snubber Optimization Design to Eliminate Switching Oscillations of SiC MOSFET中提出,通过增加RC电路，当固态开关关断时，电流先迅速下降，而后对电容进行充电，从而降低固态开关的电压变化速率降低损耗，但该缓冲电路为了保证固态开关每次关断前电容电压为0，其缓冲电阻值较小，在固态开关开通的过程中会存在浪涌电流，从而增加器件的开通损耗。此外，由于直流系统中存在电感，器件关断后电容可能与系统的电感发生谐振，因此RC缓冲电路一般应用于低压小容量的固态开关。
[0005]为了克服RC电路的缺陷，使缓冲电路能应用于高压大功率的场景，RCD电路被提出。
[0006]图1(b)为S.J.Finney,B.W.Williams and T.C.Green于1996年1
‑
4月在IEEE Transactions on Industry Applications第32卷第1期发表的RCD snubber revisited中提出，RCD电路采用二极管并联大电阻再与电容串联的方案，大电阻抑制了固态开关开通过程中的浪涌电流。但由于采用了大电阻，电容放电缓慢，在固态开关关断时若电容存在较高的电压，其缓冲效果大大减弱，同时由大电阻带来的缓冲电路的损耗也需要在设计时考虑。
[0007]图1(c)为K.Liu,X.Zhang,L.Qi,X.Qu and G.Tang于2022年3月在IEEE Transactions on Power Electronics第37卷第3期发表的ANovel Solid
‑
State Switch Scheme With High Voltage Utilization Efficiency by Using Modular Gapped MOV for DC Breakers中提出RCD电路通过分别并联电阻与电容和二极管两侧，降低了Type I RCD电路中大电阻造成的缓冲电路损耗，被广泛应用于高压大容量固态开关中，但其仍然存在着电容在固态开关关断时有较高电压的缺陷，由于直流断路器在故障时仅单次动作，因
而该缺陷可以被忽略。
[0008]此外，本领域公知常识，RC电路不适用于高压大功率场景而RCD电路不适用于固态开关器件多次动作的场景。直流耗能装置由于在故障穿越期间采用脉冲宽度调制，不仅固态开关在故障1.5～2.5s的时间内会连续动作，而且其占空比会随着所要消纳的盈余功率变化而变化，其改变范围从0～100％。因此传统的缓冲电路方案不适用于直流耗能装置的场景，需要提出新的方案。

技术实现思路

[0009]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置，设有若干有源缓冲电路模块，一个耗能电阻。耗能电阻与有源缓冲电路模块串联后并联在直流母线的正、负极之间，具体技术方案如下：
[0010]一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置，包括若干有源缓冲电路模块1、一个耗能电阻2；其特征为：耗能电阻2与若干个有源缓冲电路模块1串联后并联在直流母线的正、负极之间；所述有源缓冲电路模块1由固态开关与主动缓冲电路并联构成。
[0011]优选为：所述固态开关包括功率半导体开关管3、反并联二极管4；所述固态开关的输入端和所述功率半导体开关管3的集电极连接，其输出端与所述功率半导体开关管3的发射极连接；所述反并联二极管4的阴极与所述功率半导体开关管3的发射极连接，其阳极与所述功率半导体开关管的集电极连接。
[0012]优选为：所述功率半导体开关管为IGBT。
[0013]优选为：所述主动缓冲电路包括二极管5、晶闸管7、电容6、电阻8、电阻9；所述主动缓冲电路的输入端和所述二极管5的正极连接，二极管5的负极与所述晶闸管7正极连接；所述晶闸管7负极与电感8连接，电感8与电阻9串联，所述晶闸管7与电感8、电阻9串联后与电容并联；所述电阻9另一端与主动缓冲电路的输出端连接。
[0014]本专利技术还公开一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能方法。
[0015]有益效果
[0016]本专利技术提供的技术方案巧妙地将在借鉴传统缓冲电路的思想上，引入有源器件，提出结合主动缓冲电路的新型直流耗能装置。通过晶闸管实现电容电压的主动控制，从而实现了在不改变开关损耗的前提下，关断损耗的大大降低。
附图说明
[0017]图1是现有技术中的两种直流耗能装置电气拓扑图。
[0018]图2是本专利技术提供的一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置电气拓扑图。
[0019]图3是本专利技术提供的一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置故障穿越过程的控制图。
[0020]其中图2中：1是有源缓冲电路模块，2是耗能电阻，3是功率半导体开关管，4是反并联二极管，5是二极管(D)，6是缓冲电容(C
s
)，7是晶闸管(S)，8是电感(L)，9是电阻(R
s
)。
具体实施方式
[0021]下面我们看一篇现有技术，如申请人为清华大学，其技术专利公告号：
CN212392806U(专利技术专利申请公开号：CN111525531A)，公开一种含极间电容的直流耗能装置，提供一种含极间电容C
d
的直流耗能装置，所述直流耗能装置包括：极间电容C
d
、电力电子开关模块S
P
、电阻R，S
P
和电阻R串联构成S
P
‑
R串联结构，S
P
的一端连接至所述电阻R一端；所述极间电容C
d
与所述S
P
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置，包括若干个有源缓冲电路模块、一个耗能电阻；其特征为：所述耗能电阻与若干个有源缓冲电路模块串联后并联在直流母线的正、负极之间。2.根据权利要求1所述的所述采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置，其特征为：所述有源缓冲电路模块包括固态开关；所述固态开关包括功率半导体开关管、反并联二极管；所述固态开关的输入端和所述功率半导体开关管的集电极连接，其输出端与所述功率半导体开关管3的发射极连接；所述反并联二极管的阴极与所述功率半导体开关管3的发射极连接，其阳极与所述功率半导体开关管的集电极连接。3.根据权利要求1所述的所述采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置，其特征为：所述主动缓冲电路包括二极管、电容、晶闸管、电感、电阻；所述主动缓冲电路的输入端和所述二极管的正极连接，二极管的负极与所述晶闸管正极连接；所述晶闸管负极与电感连接，电感与电阻串联，所述晶闸管与电感、电阻串联后与电容并联；所述电阻另一端与主动缓冲电路的输出端连接。4.根据权利要求2所述的所述采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置，其特征为：所述功率半导体开关管为IGBT。5.一种采用有源缓冲电路的新型直流耗能方法，包括权利要求4所述的采用有源缓冲电路的新型直流耗能装置，其特征为：直流耗能装置控制过程分为0
‑
t0时段为系统正常运行，IGBT关断状态；t0‑
t1时段为IGBT开通过程，装置开启运作；t2时刻触发晶闸管，电阻消纳电容能量，t3‑
t4晶闸管承受反压快速关断；t5时刻为电压回归设定值，IGBT关断，电容充电四个阶段；包括如下步骤：步骤1：0
‑
t0时段，IGBT处于关断状态，其承受运行电压U
...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐磊，金美辰，吴思航，张翔宇，郭小江，潘宵峰，
申请(专利权)人：华能集团技术创新中心有限公司中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：