專利名稱：基于電壓源型換流器的雙功能直流融冰裝置及其融冰方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電壓源型換流器的雙功能直流融冰裝置及其融冰方法，屬于遠(yuǎn)距離交、直流輸電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
輸電線路在冬季覆冰是電力系統(tǒng)的重大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重覆冰會導(dǎo)致輸電線路機(jī)械和電氣性能急劇下降，引起供電中斷，甚至電網(wǎng)解列等嚴(yán)重事故，并且修復(fù)工作難度大、周期長，影響大。因此，加強(qiáng)輸電線路融冰技術(shù)的研究對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。
目前國內(nèi)外輸電線路除冰方法可分為交流融冰法和直流融冰法兩類。交流融冰法又分為改變線路潮流法和短路法兩類。其核心思想主要是利用調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式，改變系統(tǒng)的潮流走向，增加需融冰線路的負(fù)荷電流或者將融冰線路的一端三相短路接地，在另一端施加合適的融冰電源，由較大的短路電流加熱導(dǎo)線，從而實(shí)現(xiàn)線路融冰。經(jīng)過多年的運(yùn)行實(shí)踐，研究發(fā)現(xiàn)，交流融冰法存在改變系統(tǒng)潮流難度大、融冰電源無功功率需求高、對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響大、500kV及以上電壓等級線路融冰效果差等問題，因此該方法逐漸被淘汰。取而代之的是現(xiàn)在流行的直流融冰法。該方法將交流電源通過電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)化為直流進(jìn)而加熱一定長度的覆冰線路達(dá)到融冰的目的。由于直流融冰電流本身在線路上流動時不消耗無功功率，僅直流換流器自身需要消耗一部分無功功率，因此直流融冰電源容量需求相比交流法要小很多，而且適合各種電壓等級融冰，并且融冰時對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響小，是當(dāng)前最有效的融冰手段。
現(xiàn)有直流融冰裝置主要是由晶閘管構(gòu)成的6脈波換流橋組成，換流橋融冰時實(shí)現(xiàn)整流功能，產(chǎn)生直流電流進(jìn)行融冰，運(yùn)行原理和控制方法和傳統(tǒng)的高壓直流輸電系統(tǒng)電流源型換流器基本一致。為提高裝置的利用率，通常將融冰裝置在非融冰期間作靜止無功補(bǔ)償器(SVC)對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)在技術(shù)的不足而提供一種基于電壓源型換流器的雙功能直流融冰裝置及其融冰方法，其特點(diǎn)是該直流融冰裝置為雙工作模式在融冰模式時，裝置處于整流工作狀態(tài)，提供足夠大的直流電流，對覆冰線路進(jìn)行融冰；在非融冰模式時，通過相應(yīng)的開關(guān)投切和控制策略，使裝置處于逆變工作狀態(tài)，作為靜止同步補(bǔ)償器(STATC0M) 運(yùn)行，對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。
本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)
基于電壓源型換流器的雙功能直流融冰裝置包括雙功能模式
1)融冰模式
四組相同的變壓器一側(cè)與交流系統(tǒng)母線I連接，另一側(cè)與融冰裝置母線II連接， 四組相同的交流濾波器通過四組開關(guān)分別與四組相同的變壓器并聯(lián)接于母線I，四組相同的電抗器首端通過四組開關(guān)與母線II并聯(lián)，尾端分別與四組相同的電壓源型換流橋的橋臂連接，四組相同的電壓源型換流橋并聯(lián)連接，換流橋采用兩電平六脈動型結(jié)構(gòu)，每個橋臂都由多個全控型器件IGBT串聯(lián)而成，控制方式為定直流電壓控制，運(yùn)行方式為整流運(yùn)行， 每個IGBT旁有一個反并聯(lián)的二極管，四組相同的電容器分別與四組相同的換流橋并聯(lián)；
2)非融冰模式
四組相同的變壓器一側(cè)與交流系統(tǒng)母I線連接，另一側(cè)與融冰裝置母線II連接， 四組相同的交流濾波器通過四組開關(guān)分別與四組相同的變壓器并聯(lián)接于母線I，四組相同的電抗器首端通過四組開關(guān)與母線II并聯(lián)，尾端分別與四組相同的電壓源型換流橋的橋臂連接，四組相同的電壓源型換流橋反向并聯(lián)，換流橋采用兩電平六脈動型，每個橋臂都由多個全控型器件IGBT串聯(lián)而成，控制方式為定交流電壓控制，運(yùn)行方式為逆變運(yùn)行，四組相同的電容器相互串聯(lián)，通過裝置內(nèi)部接線切換，融冰裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止同步補(bǔ)償器，該裝置的作用是通過連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)出或吸收無功功率的大小，控制接入點(diǎn)——系統(tǒng)母線的電壓，從而實(shí)現(xiàn)融冰裝置的功能擴(kuò)展，在非融冰期間，使電壓源型換流器處于逆變狀態(tài)，作為 STATC0M對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償，具有很好的無功補(bǔ)償和諧波特性。
基于電壓源型換流器的直流融冰裝置的融冰方法包括以下步驟
1)融冰模式交流電源通過變壓器從母線I處接入，經(jīng)過換相電抗器、電壓源型換流橋和電容器進(jìn)行整流，電容器分別與電壓源型換流橋并聯(lián)為換流橋提供電壓支撐，換流橋采用雙閉環(huán)控制，將交流電源整流成直流電流，并輸出到融冰線路，實(shí)現(xiàn)對覆冰線路融冰，將四組換流橋并聯(lián)，通過開關(guān)投切，可得到1-4倍Itl的融冰電流，達(dá)到融冰目的；
2)非融冰模式
(1)模式切換在斷電情況下，電容器組改為串聯(lián)連接，取消與融冰線路的連接， 同時換流橋控制策略轉(zhuǎn)變?yōu)镾TATC0M控制，將融冰模式切換為非融冰模式；
(2)電壓源型換流橋與電容器組構(gòu)成STATC0M，通過換相電抗器和變壓器與母線I 進(jìn)行無功功率交換，濾波器過濾裝置中的諧波，防止的諧波進(jìn)入系統(tǒng)，STATC0M控制策略使電壓源型換流橋處于逆變狀態(tài)，為母線I提供動態(tài)無功功率補(bǔ)償。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
相比電流源型的融冰裝置，新型裝置主要有兩個顯著的優(yōu)點(diǎn)一是實(shí)現(xiàn)融冰有功功率和無功功率的解耦控制，可以盡可能的提高融冰的功率因素，減少換流器消耗的無功功率；二是采用脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM或者PWM)，可以很好的改善輸出電壓波形，減小系統(tǒng)諧波含量，在不間斷供電融冰時，較大提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。在非融冰期間，通過改變開關(guān)動作和線路接法，可將該裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止同步補(bǔ)償器(STATC0M)運(yùn)行，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償。


圖1為融冰模式時的電路原理圖。
1-4為四組相同的變壓器；5-8為四組相同的交流濾波器；9-12為四組相同的換流電抗器；13-16為四組相同的電壓源型換流橋；17-20為四組相同的電容器；21為融冰裝置接入系統(tǒng)母線I ；22為融冰裝置母線II ；23為覆冰線路A1-S為八組開關(guān)。
圖2為是非融冰模式下電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1-4為四組相同的變壓器；5-8為四組相同的交流濾波器；9-12為四組相同的換流電抗器；13-16為四組相同的電壓源型換流橋；17-20為四組相同的電容器；21為融冰裝置接入系統(tǒng)母線I ；22為融冰裝置母線II ；S1-S8為八組開關(guān)。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例
1)融冰模式
融冰模式時，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中四組相同的變壓器1-4的一側(cè)與交流系統(tǒng)母線I 21連接，另一側(cè)與融冰裝置母線II 22連接，作用是為融冰裝置提供融冰電源。四組相同的交流濾波器5-8通過四組開關(guān)S1-S4與四組相同的變壓器1-4并聯(lián)接于母線1122，作用是濾除系統(tǒng)交流側(cè)的特征諧波。四組相同的電抗器9-12首端通過四組開關(guān) S5-S8并聯(lián)接于母線II 22，尾端分別與電壓源型換流橋13-16橋臂相連，它是換流橋與交流側(cè)能量交換的紐帶，同時也起到抑制直流過電流的上升速度和濾除換流器產(chǎn)生的特征諧波的作用。四組相同的電壓源型換流橋13-16并聯(lián)連接，換流橋采用兩電平六脈動型，每個橋臂都由多個全控型器件IGBT串聯(lián)而成，控制方式為定直流電壓控制，運(yùn)行方式為整流運(yùn)行，作用是為覆冰線路提供直流融冰電流，是該裝置的核心部件。每個IGBT旁有一個反并聯(lián)的二極管，它不僅是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道，同時也起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用。 電容器17-20分別與換流橋13-16并聯(lián)，作用是為逆變側(cè)提供電壓支撐，緩沖橋臂關(guān)閉時的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。
由圖1可知，在融冰模式時，四組相同的換流橋13-16可將四組相同的變壓器1-4 提供的交流電流，整流成大小相同的直流融冰電流，該電流在圖1中表示為Io(額定值為 1.5kA)。通過對開關(guān)4- 的控制，可以分級調(diào)節(jié)融冰電流大小，最高可以達(dá)到一般情況下，如果對短距離、平原地區(qū)覆冰線路融冰，閉合S1-S4. S5和&，斷開S7和S8,產(chǎn)生2、電流進(jìn)行融冰；對遠(yuǎn)距離、高原地區(qū)或者跨越江湖河海地區(qū)線路融冰，則S1I8全部閉合，可迅速將融冰電流提高至41。。
2)非融冰模式
非融冰模式時，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中四組相同的變壓器1-4的一側(cè)與交流系統(tǒng)母線I 21連接，另一側(cè)與融冰裝置母線II 22連接，作用是為融冰裝置提供融冰電源。四組相同的交流濾波器5-8通過四組開關(guān)S1-S4與四組相同的變壓器1-4并聯(lián)接于母線1122，作用是濾除系統(tǒng)交流側(cè)的特征諧波。四組相同的電抗器9-12首端通過四組開關(guān) 4- 并聯(lián)接于母線II 22，尾端分別與電壓源型換流橋13-16橋臂相連，四組相同的換流橋 13-16反向并聯(lián)，四組相同的電容器組17-20相互串聯(lián)，作用是為換流橋13-16運(yùn)行提供足夠的換相電壓。此時，換流橋13-16的控制方式為定交流電壓控制，運(yùn)行方式為逆變運(yùn)行。 由此可見，通過裝置內(nèi)部接線切換，圖1所示的融冰裝置變?yōu)橐粋€簡單的靜止同步補(bǔ)償器 (STATC0M)。該裝置的作用是通過連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)出或吸收無功功率的大小，控制接入點(diǎn)——系統(tǒng)母線22的電壓，從而實(shí)現(xiàn)融冰裝置的功能擴(kuò)展。
基于電壓源型換流器的雙功能直流融冰裝置的融冰方法包括以下步驟
1)融冰模式
交流電源通過變壓器(1-4)從母線I 處接入，經(jīng)過換相電抗器(9-12)、電壓源型換流橋(13-16)和電容器(17-20)進(jìn)行整流，電容器分別與電壓源型換流橋并聯(lián)為換流橋提供電壓支撐，換流橋采用雙閉環(huán)控制，將交流電源整流成直流電流，并輸出到融冰線路(23)，實(shí)現(xiàn)對覆冰線路融冰，將四組換流橋(13-16)并聯(lián)，通過開關(guān)(S5-S8)投切，可得到 1-4倍Itl的融冰電流，達(dá)到融冰目的；
2)非融冰模式
(1)模式切換在斷電情況下，電容器組(17-20)改為串聯(lián)連接，取消與融冰線路 (23)的連接，同時換流橋控制策略轉(zhuǎn)變?yōu)镾TATC0M控制，將融冰模式切換為非融冰模式；
(2)電壓源型換流橋(13-16)與電容器組(17_20)構(gòu)成STATC0M，通過換相電抗器 (9-12)和變壓器(1-4)與母線I 進(jìn)行無功功率交換，濾波器(5-8)過濾裝置中的諧波， 防止的諧波進(jìn)入系統(tǒng)，STATC0M控制策略使電壓源型換流橋處于逆變狀態(tài)，為母線I提供動態(tài)無功功率補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.一種基于電壓源型換流器的雙功能直流融冰裝置，其特征在于該裝置包括雙功能模式1)融冰模式四組相同的變壓器(1-4) 一側(cè)與交流系統(tǒng)母線I 連接，另一側(cè)與融冰裝置母線 II (22)連接，四組相同的交流濾波器(5-8)通過四組開關(guān)(S1^4)分別與四組相同的變壓器 (1-4)并聯(lián)接于母線II (22)，四組相同的電抗器(9-12)首端通過四組開關(guān)(S5-S8)與母線 11(22)并聯(lián)，尾端分別與四組相同的電壓源型換流橋(13-16)的橋臂連接，四組相同的電壓源型換流橋(13-16)并聯(lián)連接，換流橋采用兩電平六脈動型結(jié)構(gòu)，每個橋臂都由多個全控型器件IGBT串聯(lián)而成，控制方式為定直流電壓控制，運(yùn)行方式為整流運(yùn)行，每個IGBT旁有一個反并聯(lián)的二極管，四組相同的電容器(17-20)分別與四組相同的換流橋(13-16)并聯(lián)；2)非融冰模式四組相同的變壓器(1-4) 一側(cè)與交流系統(tǒng)母線I 連接，另一側(cè)與融冰裝置母線 11(22)連接，四組相同的交流濾波器(5-8)通過四組開關(guān)(S1^4)分別與四組相同的變壓器(1-4)并聯(lián)接于母線II (22)，四組相同的電抗器(9-12)首端通過四組開關(guān)( - 與母線IK22)并聯(lián)，尾端分別與四組相同的電壓源型換流橋(13-16)的橋臂連接，四組相同的電壓源型換流橋(13-16)反向并聯(lián)，換流橋采用兩電平六脈動型，每個橋臂都由多個全控型器件IGBT串聯(lián)而成，控制方式為定交流電壓控制，運(yùn)行方式為逆變運(yùn)行，四組相同的電容器(17-20)相互串聯(lián)，通過裝置內(nèi)部接線切換，融冰裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止同步補(bǔ)償器，該裝置的作用是通過連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)出或吸收無功功率的大小，控制接入點(diǎn)——系統(tǒng)母線II 02)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)融冰裝置的功能擴(kuò)展，在非融冰期間，使電壓源型換流器處于逆變狀態(tài)，作為 STATC0M對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償，具有很好的無功補(bǔ)償和諧波特性。
2.如權(quán)利要求1所述基于電壓源型換流器的雙功能直流融冰裝置的融冰方法，其特征在于該融冰方法包括以下步驟1)融冰模式交流電源通過變壓器(1-4)從母線I 處接入，經(jīng)過換相電抗器(9-12)、電壓源型換流橋(13-16)和電容器(17-20)進(jìn)行整流，電容器分別與電壓源型換流橋并聯(lián)為換流橋提供電壓支撐，換流橋采用雙閉環(huán)控制，將交流電源整流成直流電流，并輸出到融冰線路 (23)，實(shí)現(xiàn)對覆冰線路融冰，將四組換流橋(13-16)并聯(lián)，通過開關(guān)(S5^8)投切，可得到1-4 倍Itl的融冰電流，達(dá)到融冰目的；2)非融冰模式(1)模式切換在斷電情況下，電容器組(17-20)改為串聯(lián)連接，取消與融冰線路03) 的連接，同時換流橋控制策略轉(zhuǎn)變?yōu)镾TATC0M控制，將融冰模式切換為非融冰模式；(2)電壓源型換流橋(13-16)與電容器組(17-20)構(gòu)成STATC0M，通過換相電抗器 (9-12)和變壓器(1-4)與母線I 進(jìn)行無功功率交換，濾波器(5-8)過濾裝置中的諧波， 防止的諧波進(jìn)入系統(tǒng)，STATC0M控制策略使電壓源型換流橋處于逆變狀態(tài)，為母線提供動態(tài)無功功率補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電壓源型換流器的雙功能直流融冰裝置及其融冰方法，其特點(diǎn)是該直流融冰裝置為雙工作模式在融冰模式時，裝置處于整流工作狀態(tài)，提供足夠大的直流電流，對覆冰線路進(jìn)行融冰；在非融冰模式時，通過相應(yīng)的開關(guān)投切和控制策略，使裝置處于逆變工作狀態(tài)，作為靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)運(yùn)行，對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。與現(xiàn)有的電流源型融冰裝置相比，新裝置除了能增大融冰功率、減小無功消耗，優(yōu)化諧波輸出外，最大的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)了雙模式工作性能，即在融冰模式下實(shí)現(xiàn)最小融冰時間內(nèi)，三相均勻融冰以及融冰電流最小化的節(jié)能經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。
文檔編號H02M7/797GK102496898SQ20111036288
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者劉天琪, 戴寒光, 李興源, 李思思, 王渝紅, 趙國帥, 項(xiàng)英桐, 魏巍 申請人:四川大學(xué)