一种模块式分布电阻耗能装置、控制方法及存储介质

专利名称：一种模块式分布电阻耗能装置、控制方法及存储介质

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111074169.8

专利申请（专利权）人：广东电网有限责任公司阳江供电局,南方电网科学研究院有限责任公司
权利人地址：广东省阳江市漠江路110号

专利发明（设计）人：王清玲,陈怡静,敖健永,黄伟煌,谭涛亮,彭发喜,李岩,吕贤利,赵晓斌,卢洵,许树楷

专利摘要：本申请属于直流输电技术领域，涉及一种模块式分布电阻耗能装置、控制方法及存储介质。模块式分布电阻耗能装置包括机械开关，用于防止旁路故障耗能子模块对整个耗能装置的运行产生不利影响；混合桥型电路，用于根据直流线路极性，控制直流电容的双向充电；耗能控制电路，用于控制耗能电阻的投入与否，对耗能参考功率进行实时检测。本发明借助于二极管与电力电子开关混合桥型改进电路的双向充电功能，在已有装置的每个子模块中添加了混合桥型电路，并依靠所提出的混合桥型电路与耗能电阻投切电路的协调控制方法，在满足了耗能装置在极性可变直流系统中的应用要求的同时，实现了耗能功率的平滑调节，对于拓宽耗能装置的应用范围具有重要意义。

主权利要求：
1.一种模块式分布电阻耗能装置的控制方法，其特征在于，包括：
（1）构建模块式分布电阻耗能装置；其中，所述模块式分布电阻耗能装置由N个耗能子模块级联而成，每个耗能子模块包括：一个机械开关MS，用于防止旁路故障耗能子模块对整个耗能装置的运行产生不利影响；
一个混合桥型电路，用于根据直流线路极性，控制直流电容的双向充电；
一个耗能控制电路，用于控制耗能电阻的投入与否，对耗能参考功率进行实时检测；
所述耗能子模块中，前置电感Laux、第一双向电力电子开关Saux1的集电极、第一二极管D1的阳极相互连接后构成耗能子模块的第一端子T1；所述的第二双向电力电子开关Saux2的集电极、第二二极管D2的阳极相互连接后构成耗能子模块的第二端子T2；所述的第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阴极、单向电力电子开关S的集电极和直流电容C的正极相互连接；
所述的第一双向电力电子开关Saux1的发射极、第二双向电力电子开关Saux2的发射极、单向电力电子开关S的发射极连接电阻R后和直流电容C的负极相互连接；
（2）根据直流线路的极性，确定混合桥型电路中第一双向电力电子开关和第二双向电力电子开关的控制方式：当能源直流送出系统的直流电压极性为正时，混合桥型电路中的第二双向电力电子开关Saux2处于闭锁状态，第一双向电力电子开关Saux1根据能源直流送出系统控制中心所计算的调压占空比，产生触发脉冲信号；当能源直流送出系统的直流电压极性为负时，混合桥型电路中的第一双向电力电子开关Saux1始终处于闭锁状态，第二双向电力电子开关Saux2则根据调压占空比的计算结果产生触发脉冲信号；
（3）根据能源直流送出系统受端交流侧发生故障后直流系统所需的耗能功率与模块式分布电阻耗能装置各子模块中电力电子开关器件及电容的最大耐压，计算模块式分布电阻耗能装置预设投入子模块数Nin的范围：式中，Nin为模块式分布电阻耗能装置预设投入的子模块数，N为模块式分布电阻耗能装置中的子模块总数，Pref为故障发生后能源直流送出系统控制中心所计算的耗能功率参考值，R为模块式分布电阻耗能装置中各子模块的耗能电阻值，VCmax为每个子模块中电力电子开关器件及电容的最大耐压；
（4）根据步骤（3）计算的预设投入子模块数、海上风电直流送出系统受端交流侧发生故障后直流系统所需的耗能功率及直流电压测量值，计算调压占空比DC：式中，VDC为能源直流送出系统控制中心所提供的正、负极直流线路之间的直流电压测量值；
（5）根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)的计算结果，由模块式分布电阻耗能装置的控制系统分别产生模块式分布电阻耗能装置中各子模块的单向电力电子开关S，第一双向电力电子开关Saux1与第二双向电力电子开关Saux2的触发脉冲，完成对耗能装置的控制。
2.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机可执行的指令；
处理器，所述处理器被配置执行权利要求1的模块式分布电阻耗能装置的控制方法。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使所述计算机执行权利要求1的模块式分布电阻耗能装置的控制方法。 说明书 : 一种模块式分布电阻耗能装置、控制方法及存储介质技术领域[0001] 本申请属于直流输电技术领域，具体而言涉及一种模块式分布电阻耗能装置、控制方法及存储介质。背景技术[0002] 随着电力电子技术的发展，直流输电技术目前已经成为高压大容量输电的首选方案，且在新能源的送出系统中扮演着越来越重要的角色。在基于直流输电技术的新能源送出领域中，直流耗能装置是交流故障时直流系统实现故障穿越的重要物理装置。目前已经提出的直流耗能装置根据主电路结构的不同主要可以分为三类：开关器件串联阀耗能电路、模块化分布电阻耗能电路以及模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，以下简称MMC)型集中电阻耗能电路。其中，开关器件串联阀耗能电路中由于存在着大量开关器件的串联，其动态均压在实际应用是一个很大的挑战，实现难度非常大。同时，由于采用的是两电平斩波方式，装置的dv/dt和di/dt值非常高，影响故障穿越性能。MMC集中电阻耗能电路虽然避免了大量开关的集中串联，但链式全桥的使用过大增加了耗能装置的成本，不利于系统建设的经济性。发明内容[0003] 本公开旨在至少一定程度上解决上述技术问题，基于发明人对以下事实和问题的发现和认识，虽然模块化分布电阻耗能电路便成了目前实际工程应用中耗能装置的主要方案，且已在欧洲北海风电场等工程中进行了应用，但是目前的模块化分布电阻耗能装置方案只适用于基于电压源型换流器(VoltageSourceConverter，以下简称VSC)的直流系统，而不能适用于基于VSC与电网换相换流器(LineCommutatedConverter，以下简称LCC)的混合直流送出系统，以及仅基于LCC的直流输电系统。这是由于LCC换流站的存在，使得系统出现潮流反向时，必须反转直流线路两极的电压，从而影响现有模块化分布电阻耗能装置对其子模块电容进行充放电，造成其不能正常运行。[0004] 有鉴于此，本公开提出一种模块式分布电阻耗能装置、控制方法及存储介质，对其控制原理进行了详细的分析，以解决相关技术中的技术问题。[0005] 根据本公开的第一方面，提出了模块式分布电阻耗能装置，该装置由N个耗能子模块级联而成，每个耗能子模块包括：[0006] 一个机械开关MS，用于防止旁路故障耗能子模块对整个耗能装置的运行产生不利影响；[0007] 一个混合桥型电路，用于根据直流线路极性，控制直流电容的双向充电；[0008] 一个耗能控制电路，用于控制耗能电阻的投入与否，对耗能参考功率进行实时检测。[0009] 可选地，所述耗能子模块中，前置电感Laux、第一双向电力电子开关Saux1的集电极、第一二极管D1的阴极相互连接后构成耗能子模块的第一端子T1；所述的第二双向电力电子开关Saux2的集电极、第二二极管D2的阴极相互连接后构成耗能子模块的第二端子T2；所述的第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极、单向电力电子开关S的集电极和直流电容C的正极相互连接；所述的第一双向电力电子开关Saux1的发射极、第二双向电力电子开关Saux2的发射极、单向电力电子开关S的发射极和直流电容C的负极相互连接。[0010] 根据本公开的第二方面，提出了模块式分布电阻耗能装置的控制方法，包括：[0011] (1)构建一个模块式分布电阻耗能装置，该装置由N个耗能子模块级联而成，每个耗能子模块包括：一个机械开关MS，用于防止旁路故障耗能子模块对整个耗能装置的运行产生不利影响；一个混合桥型电路，用于根据直流线路极性，控制直流电容的双向充电；以及一个耗能控制电路，用于控制耗能电阻的投入与否，对耗能参考功率进行实时检测；[0012] (2)根据直流线路的极性，确定混合桥型电路中第一双向电力电子开关和第二双向电力电子开关的控制方式：[0013] 当能源直流送出系统的直流电压极性为正时，混合桥型电路中的第二双向电力电子开关Saux2处于闭锁状态，第一双向电力电子开关Saux1根据能源直流送出系统控制中心所计算的调压占空比，产生触发脉冲信号；当能源直流送出系统的直流电压极性为负时，混合桥型电路中的第一双向电力电子开关Saux1始终处于闭锁状态，第二双向电力电子开关Saux2则根据调压占空比的计算结果产生触发脉冲信号；[0014] (3)根据能源直流送出系统受端交流侧发生故障后直流系统所需的耗能功率与模块式分布电阻耗能装置各子模块的电容电压耐压值，计算模块式分布电阻耗能装置预设投入子模块数Nin的范围：[0015][0016] 式中，Nin为模块式分布电阻耗能装置预设投入的子模块数，N为模块式分布电阻耗能装置中的子模块总数，Pref为故障发生后能源直流送出系统控制中心所计算的耗能功率参考值，R为模块式分布电阻耗能装置中个子模块的耗能电阻值，VCmax为每个子模块中电力电子开关器件及电容的最大耐压；[0017] (4)根据步骤(3)计算的预设投入子模块数、海上风电直流送出系统受端交流侧发生故障后直流系统所需的耗能功率及直流线路电压值，计算调压占空比DC：[0018][0019] 式中，VDC为能源直流送出系统控制中心所提供的正、负极直流线路之间的直流电压测量值；[0020] (5)根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)的计算结果，由模块式分布电阻耗能装置的控制系统分别产生模块式分布电阻耗能装置中各子模块的单向电力电子开关S，第一双向电力电子开关Saux1与第二双向电力电子开关Saux2的触发脉冲，完成对耗能装置的控制。[0021] 根据本公开的第三方面，提出了一种电子设备，包括：[0022] 存储器，用于存储计算机可执行的指令；[0023] 处理器，所述处理器被配置执行本公开一个实施例的模块式分布电阻耗能装置的控制方法。[0024] 根据本公开的第四方面，提出了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使所述计算机执行本公开的模块式分布电阻耗能装置的控制方法。[0025] 根据本公开的实施例，本公开的应用于极性可变直流系统的模块式分布电阻耗能装置，考虑了二极管与电力电子开关混合桥型改进电路的双向充电功能，在直流线路电压极性发生翻转时，通过对开关器件的控制，完成翻转后系统对子模块电容的充放电，保证耗能装置在极性可变直流系统中的可靠运行。同时，混合桥型改进电路通过所提出的升压控制方法完成对电容电压的主动控制，优化耗能装置对耗能功率控制的连续性。本公开实施例所提出的升压控制方法是一种基于投入子模块个数与调压占空比的二维参数控制方法。[0026] 根据本公开的实施例，根据直流线路的极性，可以自由的切换电容的充电模式，从而在直流电路极性发生翻转时完成电容的双向充电功能。同时，由于调压控制比的设置，本公开所提出的耗能装置能够连续控制耗能功率的变化，而不会产生追踪误差。因此，通过本公开的分布式电阻耗能装置能够在极性可变直流系统中进行使用，拓宽了耗能装置的应用范围。[0027] 本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明[0028] 为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0029] 图1是根据本公开一个实施例的模块式分布电阻耗能装置拓扑结构示意图。[0030] 图2是根据本公开一个实施例的模块式分布电阻耗能装置控制系统示意图。[0031] 图3是根据本公开一个实施例的模块式分布电阻耗能装置在不同直流电压极性下子模块的投切原理示意图。具体实施方式[0032] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。[0033] 图1是根据本公开的一个实施例示出的模块式分布电阻耗能装置。[0034] 在一个实施例中，模块式分布电阻耗能装置由N个耗能子模块级联而成，每个耗能子模块包括：[0035] 一个机械开关MS，用于防止旁路故障耗能子模块对整个耗能装置的运行产生不利影响；[0036] 一个混合桥型电路，用于根据直流线路极性，控制直流电容的双向充电；[0037] 一个耗能控制电路，用于控制耗能电阻的投入与否，对耗能参考功率进行实时检测。[0038] 在一个实施例中，所述耗能子模块的电路如图1所示，由前置电感Laux、第一二极管D1、第二二极管D2、第一双向电力电子开关Saux1、第二双向电力电子开关Saux2、单向电力电子开关S、直流电容C、耗能电阻R组成；所述耗能子模块中，前置电感Laux、第一双向电力电子开关Saux1的集电极、第一二极管D1的阴极相互连接后构成耗能子模块的第一端子T1；所述的第二双向电力电子开关Saux2的集电极、第二二极管D2的阴极相互连接后构成耗能子模块的第二端子T2；所述的第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极、单向电力电子开关S的集电极和直流电容C的正极相互连接；所述的第一双向电力电子开关Saux1的发射极、第二双向电力电子开关Saux2的发射极、单向电力电子开关S的发射极和直流电容C的负极相互连接。[0039] 与上述模块式分布电阻耗能装置的实施例相对应地，本公开还提出了模块式分布电阻耗能装置的控制方法，以实现混合桥型电路与耗能控制电路协调控制的方法，如图2所示。该方法由耗能电阻投切控制及混合桥型改进电路专有控制两部分组成。其中，耗能功率的连续调节，需要耗能电阻投切控制与混合桥型改进电路专有控制二者的相互协调。[0040] 在本公开的一个实施例中，模块式分布电阻耗能装置的控制方法，可以包括以下步骤：[0041] (1)构建一个如图1所示的模块式分布电阻耗能装置；[0042] (2)根据直流线路的极性，确定混合桥型电路中第一双向电力电子开关和第二双向电力电子开关的控制方式：[0043] 当能源直流送出系统的直流电压极性为正时，混合桥型电路中的第二双向电力电子开关Saux2处于闭锁状态，第一双向电力电子开关Saux1根据能源直流送出系统控制中心所计算的调压占空比，产生触发脉冲信号，如图3(a)所示；当能源直流送出系统的直流电压极性为负时，混合桥型电路中的第一双向电力电子开关Saux1始终处于闭锁状态，第二双向电力电子开关Saux2则根据调压占空比的计算结果产生触发脉冲信号；如图3(b)所示。[0044] (3)根据能源直流送出系统受端交流侧发生故障后直流系统所需的耗能功率与模块式分布电阻耗能装置各子模块的电容电压耐压值，计算模块式分布电阻耗能装置预设投入子模块数Nin的范围：[0045][0046] 式中，Nin为模块式分布电阻耗能装置预设投入的子模块数，N为模块式分布电阻耗能装置中的子模块总数，Pref为故障发生后能源直流送出系统控制中心所计算的耗能功率参考值，R为模块式分布电阻耗能装置中个子模块的耗能电阻值，VCmax为每个子模块中电力电子开关器件及电容的最大耐压；[0047] (4)根据步骤(3)计算的预设投入子模块数、海上风电直流送出系统受端交流侧发生故障后直流系统所需的耗能功率及直流线路电压值，计算调压占空比DC：[0048][0049] 式中，VDC为能源直流送出系统控制中心所提供的正、负极直流线路之间的直流电压测量值；[0050] (5)根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)的计算结果，由模块式分布电阻耗能装置的控制系统分别产生模块式分布电阻耗能装置中各子模块的单向电力电子开关S，第一双向电力电子开关Saux1与第二双向电力电子开关Saux2的触发脉冲，完成对耗能装置的控制。[0051] 本公开的模块式分布电阻耗能装置的控制方法，借助于二极管与电力电子开关混合桥型改进电路的双向充电功能，在已有装置的每个子模块中添加了混合桥型电路，并依靠所提出的混合桥型电路与耗能电阻投切电路的协调控制方法，在满足了耗能装置在极性可变直流系统中的应用要求的同时，实现了耗能功率的平滑调节，对于拓宽耗能装置的应用范围具有重要意义。[0052] 以下结合附图，详细介绍本公开一个实施例的工作原理如下：[0053] 如图3所示，给出了不同直流电压极性下，混合全桥电路的开关选择结果。[0054] 当直流电压极性为正时，混合桥型电路中的电力电子开关Saux2始终处于闭锁状态，而电力电子开关Saux1则根据调压占空比的计算结果产生触发脉冲信号，且调压占空比的大小与电容电压密切相关。[0055] 假设在电容均压环节的作用下本专利所提模块化分布电阻耗能装置的各子模块电容电压相等，且均为VC，则子模块出口电压VSM与VC的关系可以通过以下推导得到。[0056] 在一个周期内，假设调压占空比为DC，则在电力电子开关Saux1导通的时间DCT(T为电力电子开关开关Saux1的开关周期)内，加在辅助电感Laux上的电压为VSM；在辅助开关Saux1关断的时间(1‑DC)T内，加在辅助电感Laux上的电压为VSM‑VC。由于一个周期内，流过辅助电感的电流平均值应为0，因此[0057][0058] 即：[0059][0060] 当每个子模块采用相同的调压占空比时，每个子模块的出口电压相等，因此有：[0061][0062] 式中，VDC为海上风电直流送出系统正负极线的直流电压值。[0063] 基于(2)和(3)可知，VC与直流电压的关系为：[0064][0065] 假设预计的投入子模块个数为Nin，且参考耗能功率为Pref，则二者之间的关系可以表示为[0066][0067] 也就是说，[0068][0069] 基于式(6)可知，只要预计的投入子模块个数为Nin确定后，便可根据相应的运行工况计算出调压占空比。通常情况下，由于电力电子开关器件以及电容耐压的限制，预计投入的子模块数需要满足：[0070][0071] 结合式(6)与式(7)便可以得到本发明所提耗能装置控制系统所需要的两个关键参数。[0072] 当直流电压极性为负时，混合桥型电路中的电力电子开关Saux1始终处于闭锁状态，而电力电子开关Saux12则根据调压占空比的计算结果产生触发脉冲信号，且调压占空比与预计投入子模块数的计算仍然为式(6)和(7)。[0073] 依据上述控制原理便可以实现本公开所提出的模块化分布电阻耗能装置在极性可变直流系统中的应用耗，从而拓宽耗能装置的应用场景。[0074] 本公开的实施例还提出了一种电子设备，包括：[0075] 存储器，用于存储计算机可执行的指令；[0076] 处理器，所述处理器被配置执行本公开上述实施例中的模块式分布电阻耗能装置的控制方法。[0077] 本公开的实施例还提出了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使所述计算机执行本公开的一个实施例中模块式分布电阻耗能装置的控制方法。[0078] 需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。[0079] 上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。[0080] 上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：接收第一用户为接入方软件配置引导信息的请求；根据请求，为第一用户提供配置页面；获取第一用户在配置页面为引导信息设置的显示条件和显示位置信息；在引导配置系统中保存引导信息的显示条件和显示位置信息；在监测到接入方软件的运行满足显示条件时，控制接入方软件根据显示位置信息显示引导信息。[0081] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。[0082] 在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。[0083] 应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。[0084] 本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。[0085] 此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。[0086] 上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

专利地区：广东

专利申请日期：2021-09-14

专利公开日期：2024-10-25

专利公告号：CN113852113B