一种复合式耗能装置开关子模块及其防护方法

1.本发明属于直流输电领域，特别涉及一种复合式耗能装置开关子模块及其防护方法。


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，如图1所示，开关串采用同开同关的控制方式，直流耗能装置包括串联设置的两个半导体开关s
p
和开关s
n
和一个集中式耗能电阻r以及并联于所述开关s
p
、开关s
n
和集中式耗能电阻r的电容c
f
，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。
4.为解决该现象，现有技术提出了一种金属氧化物避雷器(metal oxide varistor，mov)复合式子模块，即将mov并联于半导体开关子模块，通过mov的电压箝位功能限制半导体开关子模块过电压波动，并通过其压敏电阻特性来实现调动子模块之间的静态均压。
5.但当开关直串式出现单个半导体开关子模块拒动故障时，由于其余子模块正常导通，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拒动子模块的mov支路，使得mov在数秒的耗能时间内吸收大量能量而迅速遭到破坏。mov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。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供一种复合式耗能装置开关子模块及其防护方法，避免出现由于器件之间承受不相同的电压而提升损坏率的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种复合式耗能装置开关子模块，所述开关子模块包括：晶闸管支路、静态均压支路和电压箝位支路；
8.其中所述晶闸管支路、所述静态均压支路和所述电压箝位支路并联连接。
9.可选地，所述晶闸管支路包括晶闸管和二极管；
10.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。
11.可选地，所述晶闸管为集成门极换流晶闸管。
12.可选地，所述静态均压支路包括一个或多个第一电阻。
13.可选地，所述电压箝位支路包括第二电阻、电容和金属氧化物避雷器；
14.所述第二电阻与所述电容串联，所述金属氧化物避雷器与所述电容并联。
15.以及，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：
16.串联连接的一个或多个上述的开关子模块；以及
17.与该开关子模块串联连接的耗能电阻。
18.以及，一种利用开关子模块对电路进行防护的方法，所述开关子模块为上述的开关子模块，所述方法包括：
19.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；
20.击穿后的所述晶闸管支路短路将所述电压箝位支路旁路。
21.可选地，所述电压箝位支路包括第二电阻、电容和金属氧化物避雷器；所述第二电阻与所述电容串联，所述金属氧化物避雷器与所述电容串联，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：
22.电流流经第二电阻为电容充电，直至所述电容两端的电压达到金属氧化物避雷器的残压；
23.所述第二电阻和所述电压两端的电压之和达到所述晶闸管支路的击穿电压。
24.本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：避免出现由于器件之间承受不相同的电压而提升损坏率的问题，解决了单个子模块拒动故障带来的问题，也避免金属氧化物避雷器损坏而导致整个耗能装置在耗能期间断路损坏。
附图说明
25.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。
26.图1示出了现有技术的整体电路结构示意图；
27.图2示出了根据本发明实施例的整体电路结构示意图；
28.图3示出了根据本发明实施例中电压箝位支路的电路结构示意图。
具体实施方式
29.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。
30.本发明实施例的复合式耗能装置开关子模块，所述开关子模块包括：晶闸管支路、静态均压支路和电压箝位支路；其中所述晶闸管支路、所述静态均压支路和所述电压箝位支路并联连接。
31.优选的，如图2所示，所述晶闸管支路包括晶闸管和二极管，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。
32.在本实施例中，晶闸管为集成门极换流晶闸管(intergrated gate commutated thyristors，以下简称igct)，集成门极换流晶闸管的集电极与主电路的电路流入方向的电路连接，发射极与主电路电路流出的方向连接。所述二极管的导流方向与igct的导流方向相反，其中，二极管的阳极与igct的发射机连接，二极管的阴极与igct的发射极连接。通过二极管避免igct反向承压，以防igct损坏。在本方案中，igct的通流能力更强、最大关断电流更高、开通和关断损耗更小、运行故障率更低，且具有失效后可进入长时间稳定失效短路状态，保护串接式开关结构安全的特点。
33.优选的，静态均压支路包括一个或多个第一电阻r
std
，第一电阻r
std
在电路中起到静态均压的作用。
34.优选的，电压箝位支路包括第二电阻r
s
、电容c
s
和金属氧化物避雷器(以下简称mov)，如图2所示，所述第二电阻r
s
与所述电容c
s
串联，所述金属氧化物避雷器mov与所述电容c
s
并联。该电压箝位支路不仅能够通过rc结构(第二电阻r
s
电容c
s
)降低开关子模块的电压变化率，更能够通过mov的电压箝位效果对开关子模块的过电压情况进行抑制，并结合第一电阻r
std
提供动静态均压辅助。
35.直流耗能装置作为一种开关电路，包括多个串联连接的多个半导体开关和耗能电阻，如图1所示，本方案以两个半导体开关为例，结合图1和图2所示，本发明实施例所述的开关子模块替换直流耗能装置中的半导体开关s
p
，以避免直流耗能装置中的半导体开关s
p
拒动时导致整个耗能装置在耗能期间断路损坏的情况发生。更佳的，直流耗能装置中的其他半导体开关(例如s
n
)也替换为本发明实施例中的开关子模块。
36.在直流耗能装置正常工作状态下，当串联的开关子模块闭合时，如图3所示，系统电流i
dc
会流过igct与耗能电阻r；当串联开关断开，由于存在装置内电抗，系统电流i
dc
会在大小不发生变化的情况下流过电压箝位支路，此时第二电阻r
s
两端电压有最大值。该电流为电容c
s
充电，电压箝位支路两端的电压逐渐升高。当mov起到电压箝位作用，达到电压最高值时，通过电压箝位支路的电流已经不是最大值，第二电阻r
s
两端电压降低，该结构将电容c
s
和第二电阻r
s
的电压最高值错开，保护igct开关的安全。
37.结合图2、3所示，本发明实施例的利用开关子模块对电路进行防护的方法，其中，该方法基于上述本发明实施例的一种复合式耗能装置开关子模块实现，该方法为：
38.在发生单个开关子模块拒动故障时，系统电流i
dc
会全部通过电压箝位支路，为电容c
s
充电直至其两端电压达到mov的残压。而此时第二电阻r
s
两端的电压也存在最大值，两部分电压之和将超过igct的最大运行电压。由于igct存在击穿后稳定短路的特性，出现故障的情况下，该igct将被击穿而维持在短路状态，从而将故障开关子模块从装置中旁路，保护整个装置的安全运行。
39.在本实施例中，该电路模块结构中各部件的参数选择取决于使用的igct的击穿电压。当该开关子模块拒动而其余开关子模块导通时，输电系统额定直流电流i
dc
将通过第二电阻r
s
为电容c
s
充电，第二电阻r
s
两端的电压为u
r
，电容c
s
两端的电压会逐渐提升至mov残压水平u
res
。在该条件下，igct两端的电压为
40.u
sm
＝u
res
+u
r
＝u
res
+i
dc
r
s
。
41.电压u
sm
会在叠加了两部分电压后达到igct的击穿电压，从而将其击穿并维持在稳
定失效短路状态。当电压水平超过igct的最高耐受电压后，会在数百微秒至数毫秒的时间内将igct击穿，从而将电压箝位支路结构旁路，避免高电流水平下mov的严重损坏以及其导致的次生危害。
42.该开关子模块在直流耗能装置正常运行的情况下，可通过电容c
s
将u
res
和u
r
的尖峰错开，从而避免igct在正常工况下的误击穿。
43.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。