本實用新型涉及電氣工程技術，具體涉及一種輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置。
背景技術：
：我國南方地區冰雪災害頻發，輸電線路覆冰后易于引起斷線倒桿，嚴重威脅到電網的安全穩定運行和供電可靠性。特別是2008年特大冰災中，我國華東、華中地區的多個省份發生大面積、長時間停電，給國民經濟和人民群眾的生產生活造成了巨大損失。為應對冰雪災害，國內研制了多種類型的直流融冰裝置來對覆冰線路實施直流融冰。這些裝置可分為基于二極管的不控整流型、基于晶閘管的相控整流型、基于IGBT等全控型開關器件的PWM整流型三類。其中PWM整流型融冰裝置的輸入輸出技術性能都很好，但所需多組單價較貴的全控型開關器件，造價太高而難以推廣應用；相控整流型輸出電壓連續可調，但需要額外配置大容量低次諧波器組才能滿足并網諧波要求，導致整套裝置占地面積大、造價較高；不控整流型通過融冰變壓器的檔位配合可實現對不同線型、不同長度線路的融冰，結構簡單、成本低廉、融冰可靠性高等優點而成為市場主流。但由于不控整流型的輸出電壓電流只能實現離散的分級調節，不能實現對融冰電流和融冰時間的精細控制。文獻《可減小輸入側諧波及輸出電壓可調的融冰裝置》(高電壓技術，2013年第五期)提出了一種將二極管不控整流電路和直流斬波電路結合的農配網融冰裝置拓撲結構，僅需一個全控型開關器件就能實現對輸出直流電壓電流的連續可調，但該拓撲全控型開關器件的電壓、電流容量不能低于裝置額定輸出電壓和額定電流。對高壓大容量融冰裝置而言，所需全控型開關器件的容量大、造價高，而且受目前全控型開關器件的耐壓水平限制，需要多個開關器件串聯組合使用，均壓難度大、控制復雜、可靠性不高。因此，需要研究簡單可靠、造價便宜、同時又能實現融冰電壓電流連續可調的融冰裝置拓撲結構形式，已經成為融冰裝置性能提升、降低成本所亟待解決的關鍵技術問題。技術實現要素：本實用新型要解決的技術問題：針對現有技術的上述問題，提供一種能夠實現融冰電壓電流在大范圍內連續可調，適用于220kV及以上電壓等級輸電線路用，成本較低且融冰性能好、容錯能力強、融冰可靠性高、并網諧波電流較小，不需要晶閘管相控整流電路那些附加低次濾波器組的輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置。為了解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為：一種輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置，包括大容量可調檔融冰變壓器、小容量變壓器、主不控整流器、次不控整流器、斬波調壓模塊和輸出刀閘，所述大容量可調檔融冰變壓器、小容量變壓器的原邊分別與交流電網相連，所述大容量可調檔融冰變壓器的副邊和主不控整流器的交流側相連，所述小容量變壓器的副邊和次不控整流器的交流側相連，所述斬波調壓模塊設于次不控整流器的直流側構成次整流器，所述次整流器的直流側和作為主整流器的主不控整流器的直流側串聯后和輸出刀閘的輸入端相連。優選地，所述斬波調壓模塊包括全控型開關器件和續流二極管，所述主不控整流器的直流側負極和輸出刀閘的負極輸入端相連，所述主不控整流器的直流側正極和次不控整流器的直流側負極相連，且所述次不控整流器的直流側負極通過續流二極管和輸出刀閘的正極輸入端相連，所述次不控整流器的直流側正極和全控型開關器件的集電極C相連，所述全控型開關器件的發射極E和輸出刀閘的正極輸入端相連。優選地，所述全控型開關器件為IGBT。優選地，所述大容量可調檔融冰變壓器的原邊與交流電網相連、副邊設有對應多個檔位的多個副邊抽頭，所述多個副邊抽頭的動觸點和主不控整流器的交流側相連。優選地，所述大容量可調檔融冰變壓器為Y/d11型雙繞組變壓器。優選地，所述小容量變壓器為Y/d11型雙繞組變壓器。優選地，所述主不控整流器為由二極管構成的三相不控整流橋。優選地，所述次不控整流器為由二極管構成的三相不控整流橋。本實用新型輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置具有下述優點：1、本實用新型僅需一個斬波調壓模塊就實現了對融冰電壓在很快范圍內的連續可調，斬波調壓模塊相比于同樣可實現電壓連續可調的全控整流或相控整流型結構而言，大大減少了可控開關器件的數量和容量，相比于“不控整流+斬波調壓”兩級級聯型拓撲結構，則顯著減少了對可控開關器件的容量需求。因此，本實用新型的混合式直流融冰裝置是一種成本較低且融冰性能又好的高性價比融冰裝置解決方案。2、本實用新型的結構容錯能力強、融冰可靠性高，由于斬波調壓模塊設置在主不控整流器、次不控整流器的直流側，主不控整流器、次不控整流器的直流側相互串聯后通過斬波調壓模塊和輸出刀閘的輸入端相連，因此因斬波調壓模塊自身損壞會驅動控制系統故障而導致開路或短路的異常工況下，仍能輸出在大范圍內可調的融冰電壓來實現融冰，只是調控精度稍微變差而已。3、本實用新型的并網諧波電流較小，不需要晶閘管相控整流電路那些附加低次濾波器組。附圖說明圖1為本實用新型實施例的拓撲結構示意圖。圖2為本實用新型實施例中IGBT斷路時的運動方式示意圖。圖3為本實用新型實施例中IGBT短路時的運動方式示意圖。圖4為本實用新型實施例中主不控整流器的輸出電壓U1dc的仿真波形。圖5為本實用新型實施例中次不控整流器的輸出電壓U2dc的仿真波形。圖6為本實用新型實施例中次整流器輸出電壓U2o的仿真波形。圖7為本實用新型實施例中本實施例混合式直流融冰裝置的輸出總電壓Udc的仿真波形。圖8為本實用新型實施例中本實施例混合式直流融冰裝置的輸出融冰電流Idc的仿真波形。圖例說明：1、大容量可調檔融冰變壓器；2、小容量變壓器；3、主不控整流器；4、次不控整流器；5、斬波調壓模塊；51、全控型開關器件；52、續流二極管；6、輸出刀閘。具體實施方式下文將以實現融冰電壓在2-12.5kV直流電壓連續可調輸出，額定融冰容量為25MW的輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置為例，對本實用新型輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置進行進一步的詳細說明。如圖1所示，本實施例輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置包括大容量可調檔融冰變壓器1、小容量變壓器2、主不控整流器3、次不控整流器4、斬波調壓模塊5和輸出刀閘6，大容量可調檔融冰變壓器1、小容量變壓器2的原邊分別與交流電網相連，大容量可調檔融冰變壓器1的副邊和主不控整流器3的交流側相連，小容量變壓器2的副邊和次不控整流器4的交流側相連，斬波調壓模塊5設于次不控整流器4的直流側構成次整流器，次整流器的直流側和作為主整流器的主不控整流器3的直流側串聯后和輸出刀閘6的輸入端相連。通過上述結構可知，主不控整流器3作為主整流器，通過與大容量可調檔融冰變壓器1的檔位配合輸出在很寬范圍內分級變化的直流電壓，斬波調壓模塊5再與次不控整流器4一起構成次整流器，輸出僅能在小范圍內連續可調的電壓，由于主整流器和次整流器的直流側串聯，因此本實施例混合式直流融冰裝置的輸出電壓等于兩者電壓的線性疊加，如式(1)所示；Udc＝U1dc+U2o(1)式(1)中，Udc為本實施例混合式直流融冰裝置實際輸出的直流電壓，U1dc表示主整流器的輸出電壓，U2o表示次整流器的輸出電壓。其中，主整流器輸出電壓U1dc與大容量可調檔融冰變壓器1的檔位一一對應，可表示為式(2)所示；U1dc＝ux,ux∈{U1_1,U1_2,……U1_N}(2)式(2)中，U1dc和ux表示主整流器的輸出電壓，U1_1、U1_2、……U1_N分別表示大容量可調檔融冰變壓器1各檔位下主不控整流器3的輸出電壓。次整流器的輸出電壓U2o可由斬波調壓模塊5連續可調，其值可表示為式(3)所示；U2o＝ux,ux∈[0,U2dc](3)式(3)中，U2o和ux表示次整流器的輸出電壓，U2dc為次不控整流器4的輸出電壓。根據式(1)、(2)和(3)，本實施例輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置輸出的融冰電壓可表示為式(4)所示；Udc=ux,ux∈[{U1_1+0,U1_1+U2dc]∪[U1_2+0,U1_2+U2dc]∪......[U1_N+0,U1_N+U2dc]---(4)]]>式(4)中，各個參數的含義詳見式(1)～(3)，在此不再贅述。當次不控整流器4的輸出電壓U2dc滿足式(5)所示關系時，直流融冰裝置的輸出電壓可在[U1_1,U1_N+U2dc]之間連續可調，足以滿足對融冰電壓電流的精細調節要求；如有需要，通過對變壓器檔位的合理布局，還可使融冰電壓在[0,U1_N+U2dc]之間連續可調。考慮到融冰變壓器的檔位設計典型可知，U2dc一般不需超過融冰裝置額定輸出電壓的20％。U2dc≥U1_2-U1_1且U2dc≥U1_3-U1_2且……U2dc≥U1_N-U1_(N-1)(5)式(5)中，各個參數的含義詳見式(1)～(3)，在此不再贅述。本實施例混合式直流融冰裝置在實際融冰時，首先根據被融冰線路的線型、溫度、風速等參數確定所需要的融冰電流，再結合線路長度、阻抗等參數預估所需要的融冰電壓，然后選擇合適的大容量可調檔融冰變壓器1的檔位使其略低于所需融冰電壓，再調控全控型開關器件51(IGBT)的占空比來調節次整流器及本實施例混合式直流融冰裝置的整體輸出電壓，使融冰電流正好在所需要的數值點上。如圖1所示，大容量可調檔融冰變壓器1的原邊與交流電網相連、副邊設有對應多個檔位的多個副邊抽頭，所述多個副邊抽頭的動觸點和主不控整流器3的交流側相連。本實施例中，大容量可調檔融冰變壓器1為Y/d11型雙繞組變壓器，原邊額定輸入電壓10kV，副邊設有對應2kV、4kV、6kV、8kV、10kV電壓檔位共設置5個副邊抽頭13，原邊和副變的額定容量都為20.8MVA，原副變額定電流都為1200A。本實施例中，小容量變壓器2為Y/d11型雙繞組變壓器，其原邊和副變電壓分別為10kV和2kV，原邊和副變的額定容量都為5.16MVA，原副變額定電流都為1200A。本實施例中，主不控整流器3為由二極管構成的三相不控整流橋，額定輸入電壓為10kV(AC)，額定輸出電壓為12.5V(DC)，額定輸出電流為2000A。本實施例中，次不控整流器4為由二極管構成的三相不控整流橋，額定輸入電壓為2kV(AC)，額定輸出電壓為2.5V(DC)，額定輸出電流為2000A。如圖1所示，斬波調壓模塊5包括全控型開關器件51和續流二極管52，主不控整流器3的直流側負極和輸出刀閘6的負極輸入端相連，主不控整流器3的直流側正極和次不控整流器4的直流側負極相連，且次不控整流器4的直流側負極通過續流二極管52和輸出刀閘6的正極輸入端相連，次不控整流器4的直流側正極和全控型開關器件51的集電極C相連，全控型開關器件51的發射極E和輸出刀閘6的正極輸入端相連。通過全控型開關器件51和續流二極管52構成了可以實現連續調壓的Buck斬波調壓電路，結合Buck斬波調壓電路的工作原理可知，全控型開關器件51兩端的最高電壓不超過U2dc，因此其耐壓可遠小于本實施例混合式直流融冰裝置的額定輸出電壓，也就不需要全控型開關器件51串聯使用；再加上該全控型開關器件51流過的電流等于本實施例混合式直流融冰裝置的輸出電流，因此其容量可以遠小于本實施例混合式直流融冰裝置的的額定容量。如圖1所示，全控型開關器件51為IGBT。本實施例中，IGBT具體采用英飛凌公司的FZ1500R33HL3型IGBT，單個模塊的額定電壓和電流分別為3300V、1500A，為滿足電流需求，采用雙模塊并聯使用。本實施例中，續流二極管52采用市售電力二極管ZP1-2000，額定電流2000A，額定電壓4000V。本實施例中，當全控型開關器件51(IGBT)因功率器件或控制驅動電路導致全控型開關器件51(IGBT)故障時，其一般有且僅有短路和短路兩種工作狀態。如圖2所示，當全控型開關器件51(IGBT)斷路時，次不控整流器4相當于空載開路，此時主不控整流器3經過續流二極管52、輸出刀閘6、線路融冰負載等構成電流回路，此時本實施例混合式直流融冰裝置的電壓不再連續可調(相當于U2c≡0)，但仍具有融冰功能。如圖3所示，當全控型開關器件51(IGBT)短路時，次不控整流器4與主不控整流器3直接串聯，其輸出經過續流二極管52、輸出刀閘6、線路融冰負載等構成電流回路，此時本實施例混合式直流融冰裝置的電壓也是不再連續可調(相當于U2c≡U2dc)，但仍具有融冰功能。因此本實施例混合式直流融冰裝置的拓撲結構自身具有很強的容錯功能，可靠性很高。如圖4～圖8所示為本實施例混合式直流融冰裝置在Matlab/Simulink中建模后進行仿真得到的仿真結果，其中圖4為主不控整流器3的輸出電壓U1dc的仿真波形，圖5為次不控整流器4的輸出電壓U2dc的仿真波形，圖6為次整流器輸出電壓U2o的仿真波形，圖7為本實施例混合式直流融冰裝置的輸出總電壓Udc的仿真波形，圖8為本實施例混合式直流融冰裝置的輸出融冰電流Idc。從圖4～圖8中可以明顯看到，主不控整流器3的輸出電壓U1dc和次不控整流器4的輸出電壓U2dc都為典型的六脈波整流電壓，次整流器輸出電壓U2o為對次不控整流器4的輸出電壓U2dc進行直流斬波后的電壓，本實施例混合式直流融冰裝置輸出總電壓為Udc為主不控整流器3的輸出電壓U1d和次整流器輸出電壓U2o的線性疊加，本實施例混合式直流融冰裝置的輸出融冰電流Idc為紋波很小的直流電流，上述各量的幅值和波形都符合理論預期，從而證明了所提拓撲結構的有效性。綜上所述，本實施例輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置包括大容量可調檔融冰變壓器1、小容量變壓器2、主不控整流器3、次不控整流器4、斬波調壓模塊5和輸出刀閘6，其中主不控整流器3作為主整流器，通過與大容量可調檔融冰變壓器1的檔位配合輸出在很寬范圍內分級變化的直流電壓；斬波調壓模塊5與次不控整流器4一起構成次整流器，輸出僅能在小范圍內連續可調的電壓。主整流器和次整流器的直流側串聯后輸出融冰直流電壓，其中主整流器用于輸出融冰電壓電流的寬范圍初步調節，次次整流器用于對融冰電壓電流的小范圍精細調控，本實施例輸出電壓電流連續可調的混合式直流融冰裝置的結構僅需要少量小容量的全控型開關器件就足以實現融冰電壓電流在大范圍內連續可調，可為研制高壓大容量直流融冰裝置提供一種結構簡單可靠、經濟且性能優異的變流系統結構。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，本實用新型的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本實用新型思路下的技術方案均屬于本實用新型的保護范圍。應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。當前第1頁1 2 3