一种使用熔断器的耗能装置开关子模块

1.本发明属于直流输电技术领域，特别涉及一种使用熔断器的耗能装置开关子模块。


背景技术：

2.直流耗能装置是基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统(modular multilevel converterbased high voltage direct current，mmc
‑
hvdc系统)中用以保护系统安全稳定运行的重要设备，可以在受端交流电网出现故障期间通过装置内部的耗能电阻消耗系统盈余功率，从而避免系统的能量在模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)换流阀开关子模块电容累积导致的严重后果。
3.电阻集中式直流耗能装置是一种使用大量大功率半导体开关子模块和一个集中式耗能电阻串联的结构，开关串采用同开同关的控制方式，通过改变单个耗能周期中的投切占空比，来达到匹配系统盈余功率变化的目的。由于制造工艺的问题，串联的开关之间会存在不均压现象，导致器件之间承受不相同的电压而提升损坏率。为解决该现象，现有技术是在每个开关子模块中都并入一个金属氧化物避雷器(mov)，通过金属氧化物避雷器的电压箝位功能限制对应开关子模块的过电压波动，并通过压敏电阻来实现开关子模块之间的静态均压。
4.但当并入金属氧化物避雷器的单个开关子模块出现拒动故障时，由于其余开关子模块正常导通，系统直流电流会直接通过耗能装置，在该工况下，会有数千安的大电流通过开关子模块的金属氧化物避雷器所在的支路，使得金属氧化物避雷器在数秒的耗能时间内吸收大量能量而迅速遭到破坏。金属氧化物避雷器电阻片开裂，外壳熔损，泄压孔喷出大量烟雾、火星与电弧，对耗能装置开关子模块的其它元器件，尤其是较为敏感的半导体开关造成严重影响，并最终可能导致整个耗能装置在耗能期间断路损坏，因此，对开关子模块中的金属氧化物避雷器的保护就尤为重要。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种使用熔断器的耗能装置开关子模块，其特征在于，所述开关子模块包括有晶闸管支路、静态均压支路以及电压箝位支路；
6.其中，所述晶闸管支路、静态均压支路和电压箝位支路并联连接。
7.进一步的，所述晶闸管支路包括晶闸管和二极管；
8.所述二极管的阴极与所述晶闸管的阳极连接，所述二极管的阳极与所述晶闸管的阴极连接。
9.进一步的，所述晶闸管为集成门极换流晶闸管。
10.进一步的，所述静态均压支路包括一个或多个静态均压电阻。
11.进一步的，所述电压箝位支路包括有金属氧化物避雷器、熔断器，所述熔断器与金属氧化物避雷器串联。
12.本发明还提供一种开关电路，所述开关电路包括并联的开关支路和电容支路，所述开关支路包括：
13.串联连接的一个或多个开关子模块；以及
14.与该开关子模块串联连接的耗能电阻。
15.本发明还提供一种利用开关子模块对电路进行防护的方法，所述方法包括：
16.电流流入电压箝位支路直至达到所述晶闸管支路的击穿电压；
17.击穿后的所述晶闸管支路短路将所述电压箝位支路旁路。
18.进一步的，所述电压箝位支路包括金属氧化物避雷器、熔断器；所述熔断器与金属氧化物避雷器串联，其特征在于，在电流流入电压箝位支路直至达到所述晶闸管支路的击穿电压的步骤中，包括以下步骤：
19.电流流经熔断器后，直至熔断器熔断后形成一个两端电压迅速升高的间隙；
20.该间隙两端的电压达到晶闸管支路的击穿电压。
21.进一步的，其中，所述熔断器的熔断时间短于金属氧化物避雷器在吸收电流情况下损坏的时间。
22.本发明提供的使用熔断器的耗能装置开关子模块，在熔断器的作用下，能够及时的在金属氧化物避雷器损坏之前将金属氧化物避雷器与熔断器之间的支路切断，从而对金属氧化物避雷器进行了保护。
23.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
24.为了更清楚地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一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
25.图1示出了根据本发明实施例的添加熔断器后的开关子模块拓扑图。
26.图2示出了根据本发明实施例的熔断器熔断后的开关子模块状态图。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明提供了一种使用熔断器的耗能装置开关子模块，耗能装置中的开关子模块数量有多个。开关子模块包括有晶闸管支路、静态均压支路以及电压箝位支路；其中，晶闸管支路、静态均压支路和电压箝位支路并联连接。
29.电压箝位支路包括有金属氧化物避雷器、熔断器，熔断器与金属氧化物避雷器串联。如图1所示，金属氧化物避雷器(以下简称为mov)与熔断器串联。
30.图1中，i
dc
为单个开关子模块发生拒动故障时，通过电压箝位支路的系统电流，由于熔断器与mov串联，熔断器可对mov进行保护，具体的，系统电流i
dc
先通过熔断器，再通过mov，由于熔断器的重要特性为其熔断时间，因此，选择的熔断器熔断时间是短于mov在吸收系统电流i
dc
情况下损坏的时间，熔断器可在mov损坏之前将mov与熔断器之间的支路切断，此时，如图2所示，熔断器熔断后会形成一个熄弧后的间隙，图2中，u
brk
为该间隙两端的电压。
31.如图1以及图2所示的，晶闸管支路包括晶闸管和二极管；二极管的阴极与所述晶闸管的阳极连接，二极管的阳极与所述晶闸管的阴极连接，从而避免晶闸管反向承压，以防晶闸管损坏，进一步的，晶闸管为集成门极换流晶闸管(intergrated gate commutated thyristors，以下简称igct)。
32.如图1所示的，igct的阳极还与熔断器的一端连接，igct的阳极还与mov的一端连接。根据igct的稳定失效短路特性，当igct被击穿时，会长时间维持在失效短路状态，相当于将对应的开关子模块从整个耗能装置中旁路。在该特性下，来自系统的大电流会通过igct，从而避免大电流直接通过mov产生大量热量，对周边器件造成不良影响。
33.综上，本实施例中，开关子模块对电路进行防护原理是：系统电流i
dc
先通过电压箝位支路中的熔断器，再通过mov，当系统电流i
dc
超过熔断器的特定电流值足够长时间后，熔断器的熔体会熔融并产生电弧，电弧会在周边灭弧介质(一般为石英砂)的帮助下熄灭。完成熄弧后，熔断器将彻底切断支路且形成一个间隙，该间隙两端的电压u
brk
会迅速升高，并会击穿关断的igct，使igct转换为稳定失效短路状态，从而将该发生拒动故障的开关子模块旁路，避免了mov的损坏，起到保护整个耗能装置的作用。
34.进一步的，本实施例中，静态均压支路包括一个或多个静态均压电阻。如图1以及图2所示的，r
std
为静态均压电阻。
35.进一步的，本实施例中，igct相比传统igbt，拥有如下优势：通流能力更强、最大关断电流更高、开通和关断损耗更小、运行故障率更低、失效后可进入长时间稳定失效短路状态，保护串接式开关的结构安全。
36.本实施例中的使用熔断器的耗能装置开关子模块可用于替换电阻集中式直流耗能装置的半导体开关子模块，另一方面，本实施例还提供一种开关电路，开关电路包括并联的开关支路和电容支路，开关支路包括：串联连接的一个或多个开关子模块，以及与该开关子模块串联连接的耗能电阻。
37.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。