CN118399748A - 直流斩波器装置、用于直流斩波器装置的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种直流斩波器装置、用于直流斩波器装置的控制方法和装置。所述直流斩波器装置包括多个斩波子模块，所述多个斩波子模块串联连接，并且每个斩波子模块包括：半导体堆，所述半导体堆包括串联连接的多个半导体器件；以及避雷器，所述避雷器与所述半导体堆并联连接，其中，串联连接的多个斩波子模块的两个自由端分别用于与高压直流换流器的第一直流端和第二直流端连接，以调节所述第一直流端和所述第二直流端之间的电压。本公开的实施方式可以实现装置的“软开关”特性，并且以简单的方式实现电压的调节，简化结构的复杂度，降低成本。

Description

直流斩波器装置、用于直流斩波器装置的控制方法和装置

技术领域

本公开涉及电力电子变流技术领域，更具体地，涉及一种用于高压直流输电的直流斩波器装置、用于直流斩波器装置的控制方法和控制装置、电子设备、非瞬时计算机可读存储介质、用于高压直流输电的换流器系统以及高压直流输电系统。

背景技术

近年来，基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)系统已成为国际公认的可再生能源(包括海上风电)的优势输电方式。目前，越来越多的海上风电VSC-HVDC项目已计划建设，以便获取清洁能源。

在高压直流输电系统中，直流斩波器装置是至关重要的设备。这是由于当受电端发生故障时，功率无法送出并且将在直流侧累积。然而供电端的电力例如由于风力涡轮机的速度不能在短时间内交替变化，因此供电端一侧的供给的电力基本保持不变。由此，在受电端和供电端之间存在着功率的不平衡。在严重的情况下，这种不平衡会导致直流电线过电压，从而损坏VSC-HVDC系统。

发明内容

本公开提供一种用于高压直流输电的直流斩波器装置、用于直流斩波器装置的控制方法和控制装置、电子设备、非瞬时计算机可读存储介质、用于高压直流输电的换流器系统以及高压直流输电系统。

根据本公开的一方面，提供了一种用于高压直流输电的直流斩波器装置。所述直流斩波器装置包括：多个斩波子模块，所述多个斩波子模块串联连接，并且每个斩波子模块包括：半导体堆，所述半导体堆包括串联连接的多个半导体器件；以及避雷器，所述避雷器与所述半导体堆并联连接，其中，串联连接的多个斩波子模块的两个自由端分别用于与高压直流换流器的第一直流端和第二直流端连接，以调节所述第一直流端和所述第二直流端之间的电压。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于根据本公开的直流斩波器装置的控制方法。所述控制方法包括：以预设延迟时间为间隔依次对所述多个斩波子模块进行操作。

根据本公开的再一方面，提供了一种用于根据本公开的直流斩波器装置的控制装置。所述控制装置包括：操作模块，所述操作模块被配置为以预设延迟时间为间隔依次对所述多个斩波子模块进行操作。

根据本公开的又再一方面，提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行根据本公开的控制方法。

根据本公开的又再一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据本公开的控制方法。

根据本公开的又再一方面，提供了一种用于高压直流输电的换流器系统，包括：根据本公开的直流斩波器装置；以及与所述直流斩波器装置并联连接的高压直流换流器。

根据本公开的又再一方面，提供了一种高压直流输电系统，包括：根据本公开的换流器系统。

应当理解，本节所描述的内容并不用于标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。通过以下描述将容易地理解本公开的其他特征。

附图说明

附图示例性地示出实施例并且形成说明书的一部分，并且与说明书的描述一起用于说明实施例的示例实施方式。所示实施例仅用于说明目的，并不限制权利要求的范围。在整个附图中，相似的附图标记表示相似但不一定相同的元件。

图1是示出了根据本公开的一个或多个示例的包括直流斩波器装置的换流器系统的示意图。

图2是示出了根据本公开的一个或多个示例的用于直流斩波器装置的控制方法的流程图。

图3是示出了根据本公开的一个或多个示例的依次延迟导通各个半导体堆的示意图。

图4是示出了根据本公开的一个或多个示例的依次延迟对各个半导体堆进行充电的示意图。

图5是示出了现有的具有极电容的直流斩波器的测试结果图。

图6是示出了图1的直流斩波器装置实施图2中的控制方法后的测试结果图。

图7是示出了根据本公开的一个或多个示例的用于直流斩波器装置的控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本公开作进一步详细说明。可以理解，本文所描述的实施例仅仅用以解释相关公开，并不用于限制本公开。另外需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与相关公开内容有关的部分。

需要说明的是，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合而不冲突。如果没有具体定义元件的数量，则可以有一个或多个元件，除非在上下文中另外明确指出。另外，本公开中使用的步骤或功能模块的数量仅用于标识该步骤或功能模块，并不限制执行步骤的顺序或功能模块之间的连接关系。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任意和所有组合。术语“基于”应解释为“至少部分基于”。

相关技术中，在需要直流斩波器的情况(例如，典型的海上风电项目)中，在双极/不对称的单极传输中使用极电容器来使得具有“硬开关”性质的直流斩波器能够正常运行。而使用极电容来限制电压以实现“软开关”的方式并不适用于高压直流传输。因为高压直流传输的电压非常高，而由于极对极的连接导致斩波器的直流电压也非常高。这将导致直流斩波器的结构复杂且成本高昂。

针对这一问题，本公开提供一种用于高压直流输电的直流斩波器装置，在该装置中，包括多个斩波子模块，每个斩波子模块包括具有串联连接的多个半导体器件的半导体堆以及与该半导体堆并联连接的避雷器。由此一方面可以实现多个斩波子模块独立地控制，另一方面并联连接的避雷器有助于限制所连接的半导体堆的电压，由此可以实现直流斩波器装置的“软开关”特性，而无需极电容，并且以简单的方式实现电压的调节，简化结构的复杂度，降低成本。

本公开的技术方案可以用于高压直流输电系统，例如，可以实现±500kV到±1000kV的直流斩波器的设计。高压直流输电系统可以是VSC型高压直流输电系统，也可以是基于晶闸管的传统高压直流输电系统。高压直流输电系统可以包括整流站、高压直流输电线路和逆变站。高压直流输电线路可以是直流电缆，也可以是架空电缆。本公开的技术方案可以用于高压直流输电系统的整流站处，也可以用于逆变站处等。

图1是示出了根据本公开的一个或多个示例的包括直流斩波器装置100的换流器系统1000的示意图。如图1所示，换流器系统1000可包括直流斩波器装置100以及与直流斩波器装置100并联连接的高压直流换流器200。其中，高压直流换流器200可例如为VSC型高压直流换流器。

直流斩波器装置100可包括：多个斩波子模块110。多个斩波子模块110串联连接，并且每个斩波子模块包括：半导体堆111以及避雷器112。半导体堆111包括串联连接的多个半导体器件。避雷器112与半导体堆111并联连接。串联连接的多个斩波子模块110的两个自由端E1和E2(即，多个斩波子模块中的第一个斩波子模块和最后一个斩波子模块的未与其他斩波子模块连接的端)分别用于与高压直流换流器200的第一直流端D1和第二直流端D2连接，以调节第一直流端D1和第二直流端D2之间的电压。

在此应注意，虽然图中示出了9个斩波子模块，即，P1,P2,…,P8,P9，但是多个斩波子模块110可以包括2个、3个、4个等斩波子模块，并且本公开不限于此。

此外应注意，在本文中，“连接”可以指电连接，并且可以指没有中间连接件的直接连接，也可以指通过中间连接件的间接连接。

上述实施例中通过将串联连接的多个半导体器件以及与其并列连接的避雷器构造成一个模块，由此可以实现模块化的结构，以便较为独立地分别控制多个斩波子模块(例如，多个斩波子模块依次延迟导通等)，从而实现以简单的方式调节电压并且实现“软开关”特性。此外，并联连接的避雷器有助于限制所连接的半导体堆的高瞬态电压并限制续流时间和/或幅值(由于避雷器在正常工作电压下，呈现高电阻状态，仅有微安级电流通过，而在过电压大电流作用下呈现低电阻，以限制避雷器两端的残压)，从而有助于进一步实现装置的“软开关”特性。由于上述实施例在省略极电容的情况下仍可以实现软开关特性，因而可以降低装置的成本、占地面积和复杂性，尤其是针对高压直流输电系统而言。此外，由于可以实现软开关特性，因而可以降低能量的消耗，减少资源的浪费并且降低热量的产生，从而甚至可以省略冷却系统。

在一些实施例中，每个斩波子模块的多个半导体器件的数量在20到30的范围以内，即，在一个半导体堆中可以设置20个、21个、25个或30个的半导体器件。由此，可以便于对半导体堆中的多个半导体器件进行协同控制。在此应理解，多个半导体器件的数量也可以设置为其他数值，并且本公开不限于此。

在一些实施例中，多个半导体器件可以是全控型器件。全控型器件又称为自关断器件，是指通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件，可以例如包括IGBT、IGCT、MOSFET、GTO、三极管等。全控型器件的关断是指开关器件始终处于关断状态，即开关器件被配置为具有高阻抗，使得例如即使在跨开关器件的电压非常高，通过开关器件的电流也非常低。全控型器件的导通是指开关器件始终处于导通状态，即开关器件被配置为具有低阻抗，使得例如即使在跨开关器件的电压非常低，通过开关器件的电流也较高。在一些其他实施例中，多个半导体器件可以部分是全控型器件，部分为不可控器件，例如二极管等。

在一些实施例中，多个斩波子模块110可以采用相同的方式构造，例如，各个斩波子模块所包括的多个半导体器件的数量相等、和/或各个斩波子模块所包括的多个半导体器件的朝向相同，并且多个半导体器件采用同向串联连接等。由此可以便于对多个斩波子模块进行协同控制。

在一些实施例中，多个斩波子模块110的数量可根据高压直流换流器200的第一直流端D1和第二直流端D2之间的电压确定。具体地，例如，换流器系统1000中的高压直流换流器200的第一直流端D1和第二直流端D2之间的电压较高，则可以构造更多个斩波子模块串联连接。

在一些实施例中，直流斩波器装置100还可包括斩波器电阻120，斩波器电阻120连接在两个自由端E1、E2中的一个自由端(例如，E2)和高压直流换流器200的第一直流端D1和第二直流端D2中与该一个自由端E2连接的直流端(例如D2)之间。在此，假设D1为高压直流换流器200的正极端，D2为高压直流换流器的负极端，则此时斩波器电阻120可连接在高压直流换流器的负极端D2和多个斩波子模块的自由端E2之间。替代地，斩波器电阻也可以连接在高压直流换流器的正极端D1和多个斩波子模块的自由端E1之间。替代地，斩波器电阻也可以连接在多个斩波子模块110中的任意两个相邻的斩波子模块之间，并且本公开不限于此。

图2是示出了根据本公开的一个或多个示例的用于直流斩波器装置的控制方法2000的流程图；图3是示出了根据本公开的一个或多个示例的依次延迟导通各个半导体堆的示意图；图4是示出了根据本公开的一个或多个示例的依次延迟对各个半导体堆进行充电的示意图。其中，直流斩波器装置与图1中的装置100基本相同，因而这里省略了关于相同特征的细节。方法2000可包括步骤S201，下文将参照图1至图4进一步详细描述该步骤。此外，应当理解的是，下面将以图1中的直流斩波器装置100为例描述控制方法2000，这并非旨在限制方法2000仅控制直流斩波器装置100。

在步骤S201中，以预设延迟时间为间隔依次对多个斩波子模块110进行操作。

也就是说，按照一定顺序依次延迟地对多个斩波子模块110中的各个斩波子模块进行操作。例如，先对斩波子模块P1进行操作，在预设延迟时间间隔后，再对斩波子模块P2进行操作，然后在预设延迟时间间隔后，对下一个斩波子模块进行操作，按照此规律依次进行下去，直到最后对斩波子模块P9进行操作。其中，操作可包括导通各个斩波子模块中的多个半导体器件、关断各个斩波子模块中的多个半导体器件以及对各个斩波子模块中的多个半导体器件进行充电中的至少一者。此外，顺序可以是多个斩波子模块的连接顺序并且从正极到负极，例如，从P1、P2、…、P8、P9，并且本公开不限于此。上述实施方式可以促进实现装置的“软开关”性质并且抑制过度的直流过电压。

在一些实施例中，步骤S201、以预设延迟时间为间隔依次对多个斩波子模块进行操作可包括：按照串联连接的多个斩波子模块的连接顺序(例如，从正极到负极，或者从负极到正极)，以第一延迟时间为间隔依次导通多个斩波子模块各自所包括的半导体堆，其中，同一斩波子模块的半导体堆中的多个半导体器件同时导通。具体地，例如，如图3所示，首先导通斩波子模块P1中的半导体堆，然后在第一延迟时间y1后导通斩波子模块P2中的半导体堆，再过第一延迟时间y1后导通斩波子模块P3中的半导体堆，按照此规律依次延迟地导通斩波子模块P4、P5、…、P8、P9中的半导体堆。上述实施方式可以促进实现装置的“软开关”性质并且抑制过度的直流过电压。

在一些实施例中，第一延迟时间不可设置得过长，以避免避雷器吸收过多的能量，也不可设置得过短，以避免直流斩波器装置的电压变化过大而引起过压。第一延迟时间可被设定为平衡避雷器吸收的能量和电压变化，例如，可设置为约40us(如图3所示)，或根据需要设定为其他数值。

在一些实施例中，步骤S201、以预设延迟时间为间隔依次对多个斩波子模块进行操作也可包括：按照串联连接的多个斩波子模块的连接顺序(例如，从正极到负极，或者从负极到正极)，以第二延迟时间为间隔依次关断多个斩波子模块各自所包括的半导体堆，其中，同一斩波子模块的半导体堆中的多个半导体器件同时关断。具体地，例如，首先关断斩波子模块P1中的半导体堆，然后在第二延迟时间后关断斩波子模块P2中的半导体堆，再过第二延迟时间后关断斩波子模块P3中的半导体堆，按照此规律依次延迟地关断斩波子模块P4、P5、…、P8、P9中的半导体堆。上述实施方式可以促进实现装置的“软开关”性质并且抑制过度的直流过电压。

在一些实施例中，第二延迟时间不可设置得过长，以避免避雷器吸收过多的能量，也不可设置得过短，以避免电压直流斩波器装置的电压变化地过大而引起过压。第二延迟时间可被设定为平衡避雷器吸收的能量和电压变化，例如，可设置为约40us，或根据需要设定为其他数值。

在一些实施例中，第一延迟时间可以等于第二延迟时间，也可以大于或者小于第二延迟时间。

在一些实施例中，步骤S201、以第一延迟时间为间隔依次对多个斩波子模块进行操作也可包括：按照串联连接的多个斩波子模块的连接顺序，以第三延迟时间为间隔依次对多个斩波子模块各自所包括的半导体堆进行充电，其中，同一斩波子模块的半导体堆中的多个半导体器件同时充电。其中，对半导体堆进行充电可以指对半导体堆中的半导体器件的栅极进行充电，即，提供驱动电压。具体地，例如，如图4所示，首先对斩波子模块P1中的半导体堆进行充电，然后在第三延迟时间y3后对斩波子模块P2中的半导体堆进行充电，再过第三延迟时间y3后对斩波子模块P3中的半导体堆充电，按照此规律依次延迟地对斩波子模块P4、P5、…、P8、P9中的半导体堆充电。上述实施方式可以促进实现装置的“软开关”性质并且抑制过度的直流过电压。

在一些实施例中，第三延迟时间可包括充电时间和等待时间。例如，图4中的第三延迟时间y3可包括充电时间g和等待时间w。同样地，第三延迟时间可被设定为平衡避雷器吸收的能量和电压变化，例如，可设置为约120us，或根据需要设定为其他数值。其中，在第三延迟时间y3设定为120us时，充电时间g可设定为80us，等待时间w可设定为120us，如图4所示。

图5是示出了现有的具有极电容的直流斩波器的测试结果图。图6是示出了图1的直流斩波器装置实施图2中的控制方法后的测试结果图。具体地，图5中测试模型为使用现有的具有“硬开关”性能并且具有极电容的直流斩波器在典型的海上风电场高压直流项目模型中实现极到地(PTG，pole-to-ground)连接，而图6中的测试模型为使用图1中的直流斩波器装置在典型的海上风电场高压直流项目模型中实现极到地连接并且使用图2至图4中示出的控制方法。在图5和图6中，时刻1示出直流斩波器导通的情形，时刻2示出栅极电极充电的情形，3示出直流斩波器关断的情形。对比图5和图6可知：

-本公开的直流斩波器装置使用半导体堆与避雷器并联构造的模块化的设计，与传统的具有极电容的斩波器相比，更易于提高和降低电压；

-本公开的直流斩波器装置和传统的具有极电容的直流斩波器的整体系统行为非常相似，并且斩波器电阻消耗的能量几乎相同，可见本公开的直流斩波器装置在省略了极电容的情况下依然可以实现与具有极电容的直流斩波器相似的性能；

-与传统的具有极电容的直流斩波器相比，本公开的直流斩波装置在时刻2具有明显的“软开关”性质(电压下降较小，电流变化较小)。而时刻1和3由于较大的系统级瞬态，覆盖了“软开关”的性质；以及

-所并联的避雷器中的总能量相对较低。我们可以看到在0.5s左右时，大约消耗0.1MJ能量，这意味着如果斩波器使用2s，可以估计避雷器消耗大约0.4MJ的能量。

图7是示出了根据本公开的一个或多个示例的用于直流斩波器装置的控制装置7000的结构框图。如图7所示，装置7000可包括操作模块701。操作模块701被配置成以预设延迟时间为间隔依次对多个斩波子模块进行操作。

上述模块701的功能可以与图2所示的步骤S201相对应，因此在此不再赘述。

根据本公开，如图1所示，还提供了一种用于高压直流输电的换流器系统1000，包括：上述直流斩波器装置100；以及与直流斩波器装置100并联连接的高压直流换流器200。

根据本公开，还提供了一种高压直流输电系统，包括：上述换流器系统1000。

根据本公开，还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行控制方法2000。

根据本公开，还提供了一种计算机可读存储介质，其包括指令，该指令在被处理器执行时使得处理器执行如上的控制方法2000。

根据本公开，还提供了一种计算机程序产品，其在由处理器执行时实现如上的控制方法2000。

附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的结构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个方框可以代表模块、程序段或部分代码，并且该模块、程序段或部分代码包含用于实现逻辑功能的一个或多个可执行指令。还需要说明的是，在一些替代的实施方式中，方框中标注的功能也可以按照与附图中标注的顺序不同的顺序出现。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应当注意的是，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合可以由执行功能或操作的专用基于硬件的系统来实现，或者可以通过专用硬件和计算机指令的组合来实现。

本公开的实施例中描述的相关单元/模块可以通过软件实现，或者可以通过硬件实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如可以描述为：处理器，包括获取模块和模式选择模块。在某些情况下，这些模块的名称不构成对模块本身的限制。

以上描述仅为本公开的优选实施例和应用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例所涉及的本公开的范围不限于由上述技术特征的特定组合所形成的技术方案，在不脱离上述发明构思的情况下，还应当涵盖由上述技术特征或其等同特征的任意组合所形成的其他技术方案。例如，通过将上述特征替换为与本公开的实施例所公开的技术特征具有相似功能的技术特征(但不限于此)所形成的技术方案，也落入本公开的保护范围内。

Claims (15)

1.一种用于高压直流输电的直流斩波器装置，其特征在于，包括：

多个斩波子模块，所述多个斩波子模块串联连接，并且每个斩波子模块包括：

半导体堆，所述半导体堆包括串联连接的多个半导体器件；以及

避雷器，所述避雷器与所述半导体堆并联连接，

其中，串联连接的多个斩波子模块的两个自由端分别用于与高压直流换流器的第一直流端和第二直流端连接，以调节所述第一直流端和所述第二直流端之间的电压。

2.根据权利要求1所述的直流斩波器装置，其特征在于，每个斩波子模块的多个半导体器件的数量在20到30的范围以内。

3.根据权利要求1所述的直流斩波器装置，其特征在于，各个斩波子模块所包括的多个半导体器件的数量相等。

4.根据权利要求1所述的直流斩波器装置，其特征在于，所述多个半导体器件为全控型器件。

5.根据权利要求4所述的直流斩波器装置，其特征在于，所述全控型器件为IGBT。

6.根据权利要求1所述的直流斩波器装置，其特征在于，所述多个斩波子模块的数量根据所述第一直流端和所述第二直流端之间的电压确定。

7.根据权利要求1所述的直流斩波器装置，其特征在于，所述直流斩波器装置还包括斩波器电阻，所述斩波器电阻连接在所述两个自由端中的一个自由端以及所述第一直流端和所述第二直流端中与所述一个自由端连接的直流端之间。

8.一种用于根据权利要求1至7中任一项所述的直流斩波器装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

以预设延迟时间为间隔依次对所述多个斩波子模块进行操作。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，以预设延迟时间为间隔依次对所述多个斩波子模块进行操作包括：

按照串联连接的多个斩波子模块的连接顺序，以第一延迟时间为间隔依次导通所述多个斩波子模块各自所包括的半导体堆，其中，同一斩波子模块的半导体堆中的多个半导体器件同时导通；和/或

按照串联连接的多个斩波子模块的连接顺序，以第二延迟时间为间隔依次关断所述多个斩波子模块各自所包括的半导体堆，其中，同一斩波子模块的半导体堆中的多个半导体器件同时关断。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，以第一延迟时间为间隔依次对所述多个斩波子模块进行操作包括：

按照串联连接的多个斩波子模块的连接顺序，以第三延迟时间为间隔依次对所述多个斩波子模块各自所包括的半导体堆进行充电，其中，同一斩波子模块的半导体堆中的多个半导体器件同时充电。

11.一种用于根据权利要求1至7中任一项所述的直流斩波器装置的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：

操作模块，所述操作模块被配置为以预设延迟时间为间隔依次对所述多个斩波子模块进行操作。

12.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求8-10中任一项所述的方法。

13.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求8-10中任一项所述的方法。

14.一种用于高压直流输电的换流器系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1至7中任一项所述的直流斩波器装置；以及

与所述直流斩波器装置并联连接的高压直流换流器。

15.一种高压直流输电系统，其特征在于，包括：

根据权利要求14所述的换流器系统。