CN102496898A - 基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置及其融冰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置及其融冰方法，其特点是该直流融冰装置为双工作模式：在融冰模式时，装置处于整流工作状态，提供足够大的直流电流，对覆冰线路进行融冰；在非融冰模式时，通过相应的开关投切和控制策略，使装置处于逆变工作状态，作为静止同步补偿器(STATCOM)运行，对系统进行无功补偿。与现有的电流源型融冰装置相比，新装置除了能增大融冰功率、减小无功消耗，优化谐波输出外，最大的特点是设计了双模式工作性能，即在融冰模式下实现最小融冰时间内，三相均匀融冰以及融冰电流最小化的节能经济目标。

Description

基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置及其融冰方法
技术领域
本发明涉及一种基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置及其融冰方法，属于远距离交、直流输电领域。
背景技术
输电线路在冬季覆冰是电力系统的重大自然灾害之一，严重覆冰会导致输电线路机械和电气性能急剧下降，引起供电中断，甚至电网解列等严重事故，并且修复工作难度大、周期长，影响大。因此，加强输电线路融冰技术的研究对提高电力系统稳定性、促进国民经济发展具有重要的意义。
目前国内外输电线路除冰方法可分为交流融冰法和直流融冰法两类。交流融冰法又分为改变线路潮流法和短路法两类。其核心思想主要是利用调整系统运行方式，改变系统的潮流走向，增加需融冰线路的负荷电流或者将融冰线路的一端三相短路接地，在另一端施加合适的融冰电源，由较大的短路电流加热导线，从而实现线路融冰。经过多年的运行实践，研究发现，交流融冰法存在改变系统潮流难度大、融冰电源无功功率需求高、对系统稳定性影响大、500kV及以上电压等级线路融冰效果差等问题，因此该方法逐渐被淘汰。取而代之的是现在流行的直流融冰法。该方法将交流电源通过电力电子设备转化为直流进而加热一定长度的覆冰线路达到融冰的目的。由于直流融冰电流本身在线路上流动时不消耗无功功率，仅直流换流器自身需要消耗一部分无功功率，因此直流融冰电源容量需求相比交流法要小很多，而且适合各种电压等级融冰，并且融冰时对系统稳定性影响小，是当前最有效的融冰手段。
现有直流融冰装置主要是由晶闸管构成的6脉波换流桥组成，换流桥融冰时实现整流功能，产生直流电流进行融冰，运行原理和控制方法和传统的高压直流输电系统电流源型换流器基本一致。为提高装置的利用率，通常将融冰装置在非融冰期间作静止无功补偿器(SVC)对系统进行无功补偿。
发明内容
本发明的目的是针对现在技术的不足而提供一种基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置及其融冰方法，其特点是该直流融冰装置为双工作模式：在融冰模式时，装置处于整流工作状态，提供足够大的直流电流，对覆冰线路进行融冰；在非融冰模式时，通过相应的开关投切和控制策略，使装置处于逆变工作状态，作为静止同步补偿器(STATCOM)运行，对系统进行无功补偿。
本发明的目的由以下技术措施实现
基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置包括双功能模式：
1)融冰模式
四组相同的变压器一侧与交流系统母线I连接，另一侧与融冰装置母线II连接，四组相同的交流滤波器通过四组开关分别与四组相同的变压器并联接于母线I，四组相同的电抗器首端通过四组开关与母线II并联，尾端分别与四组相同的电压源型换流桥的桥臂连接，四组相同的电压源型换流桥并联连接，换流桥采用两电平六脉动型结构，每个桥臂都由多个全控型器件IGBT串联而成，控制方式为定直流电压控制，运行方式为整流运行，每个IGBT旁有一个反并联的二极管，四组相同的电容器分别与四组相同的换流桥并联；
2)非融冰模式
四组相同的变压器一侧与交流系统母I线连接，另一侧与融冰装置母线II连接，四组相同的交流滤波器通过四组开关分别与四组相同的变压器并联接于母线I，四组相同的电抗器首端通过四组开关与母线II并联，尾端分别与四组相同的电压源型换流桥的桥臂连接，四组相同的电压源型换流桥反向并联，换流桥采用两电平六脉动型，每个桥臂都由多个全控型器件IGBT串联而成，控制方式为定交流电压控制，运行方式为逆变运行，四组相同的电容器相互串联，通过装置内部接线切换，融冰装置转变为静止同步补偿器，该装置的作用是通过连续调节发出或吸收无功功率的大小，控制接入点——系统母线的电压，从而实现融冰装置的功能扩展，在非融冰期间，使电压源型换流器处于逆变状态，作为STATCOM对系统进行动态无功补偿，具有很好的无功补偿和谐波特性。
基于电压源型换流器的直流融冰装置的融冰方法包括以下步骤：
1)融冰模式：交流电源通过变压器从母线I处接入，经过换相电抗器、电压源型换流桥和电容器进行整流，电容器分别与电压源型换流桥并联为换流桥提供电压支撑，换流桥采用双闭环控制，将交流电源整流成直流电流，并输出到融冰线路，实现对覆冰线路融冰，将四组换流桥并联，通过开关投切，可得到1-4倍I0的融冰电流，达到融冰目的；
2)非融冰模式
(1)模式切换：在断电情况下，电容器组改为串联连接，取消与融冰线路的连接，同时换流桥控制策略转变为STATCOM控制，将融冰模式切换为非融冰模式；
(2)电压源型换流桥与电容器组构成STATCOM，通过换相电抗器和变压器与母线I进行无功功率交换，滤波器过滤装置中的谐波，防止的谐波进入系统，STATCOM控制策略使电压源型换流桥处于逆变状态，为母线I提供动态无功功率补偿。
本发明具有如下优点
相比电流源型的融冰装置，新型装置主要有两个显著的优点：一是实现融冰有功功率和无功功率的解耦控制，可以尽可能的提高融冰的功率因素，减少换流器消耗的无功功率；二是采用脉宽调制技术(SPWM或者PWM)，可以很好的改善输出电压波形，减小系统谐波含量，在不间断供电融冰时，较大提高系统的电能质量。在非融冰期间，通过改变开关动作和线路接法，可将该装置转变为静止同步补偿器(STATCOM)运行，对系统进行动态无功补偿。
附图说明
图1为融冰模式时的电路原理图。
1-4为四组相同的变压器；5-8为四组相同的交流滤波器；9-12为四组相同的换流电抗器；13-16为四组相同的电压源型换流桥；17-20为四组相同的电容器；21为融冰装置接入系统母线I；22为融冰装置母线II；23为覆冰线路；S1-S8为八组开关。
图2为是非融冰模式下电路拓扑结构。
1-4为四组相同的变压器；5-8为四组相同的交流滤波器；9-12为四组相同的换流电抗器；13-16为四组相同的电压源型换流桥；17-20为四组相同的电容器；21为融冰装置接入系统母线I；22为融冰装置母线II；S1-S8为八组开关。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例：
1)融冰模式
融冰模式时，电路拓扑结构如图1所示，其中四组相同的变压器1-4的一侧与交流系统母线I 21连接，另一侧与融冰装置母线II 22连接，作用是为融冰装置提供融冰电源。四组相同的交流滤波器5-8通过四组开关S1-S4与四组相同的变压器1-4并联接于母线II22，作用是滤除系统交流侧的特征谐波。四组相同的电抗器9-12首端通过四组开关S5-S8并联接于母线II 22，尾端分别与电压源型换流桥13-16桥臂相连，它是换流桥与交流侧能量交换的纽带，同时也起到抑制直流过电流的上升速度和滤除换流器产生的特征谐波的作用。四组相同的电压源型换流桥13-16并联连接，换流桥采用两电平六脉动型，每个桥臂都由多个全控型器件IGBT串联而成，控制方式为定直流电压控制，运行方式为整流运行，作用是为覆冰线路提供直流融冰电流，是该装置的核心部件。每个IGBT旁有一个反并联的二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起着使负载电流连续的作用。电容器17-20分别与换流桥13-16并联，作用是为逆变侧提供电压支撑，缓冲桥臂关闭时的冲击电流、减小直流侧谐波。
由图1可知，在融冰模式时，四组相同的换流桥13-16可将四组相同的变压器1-4提供的交流电流，整流成大小相同的直流融冰电流，该电流在图1中表示为I0(额定值为1.5kA)。通过对开关S5-S8的控制，可以分级调节融冰电流大小，最高可以达到4I0。一般情况下，如果对短距离、平原地区覆冰线路融冰，闭合S1-S4、S5和S6，断开S7和S8，产生2I0电流进行融冰；对远距离、高原地区或者跨越江湖河海地区线路融冰，则S1-S8全部闭合，可迅速将融冰电流提高至4I0。
2)非融冰模式
非融冰模式时，电路拓扑结构如图2所示，其中四组相同的变压器1-4的一侧与交流系统母线I 21连接，另一侧与融冰装置母线II 22连接，作用是为融冰装置提供融冰电源。四组相同的交流滤波器5-8通过四组开关S1-S4与四组相同的变压器1-4并联接于母线II22，作用是滤除系统交流侧的特征谐波。四组相同的电抗器9-12首端通过四组开关S5-S8并联接于母线II 22，尾端分别与电压源型换流桥13-16桥臂相连，四组相同的换流桥13-16反向并联，四组相同的电容器组17-20相互串联，作用是为换流桥13-16运行提供足够的换相电压。此时，换流桥13-16的控制方式为定交流电压控制，运行方式为逆变运行。由此可见，通过装置内部接线切换，图1所示的融冰装置变为一个简单的静止同步补偿器(STATCOM)。该装置的作用是通过连续调节发出或吸收无功功率的大小，控制接入点——系统母线22的电压，从而实现融冰装置的功能扩展。
基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置的融冰方法包括以下步骤：
1)融冰模式
交流电源通过变压器(1-4)从母线I(21)处接入，经过换相电抗器(9-12)、电压源型换流桥(13-16)和电容器(17-20)进行整流，电容器分别与电压源型换流桥并联为换流桥提供电压支撑，换流桥采用双闭环控制，将交流电源整流成直流电流，并输出到融冰线路(23)，实现对覆冰线路融冰，将四组换流桥(13-16)并联，通过开关(S5-S8)投切，可得到1-4倍I0的融冰电流，达到融冰目的；
2)非融冰模式
(1)模式切换：在断电情况下，电容器组(17-20)改为串联连接，取消与融冰线路(23)的连接，同时换流桥控制策略转变为STATCOM控制，将融冰模式切换为非融冰模式；
(2)电压源型换流桥(13-16)与电容器组(17-20)构成STATCOM，通过换相电抗器(9-12)和变压器(1-4)与母线I(21)进行无功功率交换，滤波器(5-8)过滤装置中的谐波，防止的谐波进入系统，STATCOM控制策略使电压源型换流桥处于逆变状态，为母线I提供动态无功功率补偿。

Claims (2)

1.一种基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置，其特征在于该装置包括双功能模式：
1)融冰模式
四组相同的变压器(1-4)一侧与交流系统母线I(21)连接，另一侧与融冰装置母线II(22)连接，四组相同的交流滤波器(5-8)通过四组开关(S1-S4)分别与四组相同的变压器(1-4)并联接于母线II(22)，四组相同的电抗器(9-12)首端通过四组开关(S5-S8)与母线II(22)并联，尾端分别与四组相同的电压源型换流桥(13-16)的桥臂连接，四组相同的电压源型换流桥(13-16)并联连接，换流桥采用两电平六脉动型结构，每个桥臂都由多个全控型器件IGBT串联而成，控制方式为定直流电压控制，运行方式为整流运行，每个IGBT旁有一个反并联的二极管，四组相同的电容器(17-20)分别与四组相同的换流桥(13-16)并联；
2)非融冰模式
四组相同的变压器(1-4)一侧与交流系统母线I(21)连接，另一侧与融冰装置母线II(22)连接，四组相同的交流滤波器(5-8)通过四组开关(S1-S4)分别与四组相同的变压器(1-4)并联接于母线II(22)，四组相同的电抗器(9-12)首端通过四组开关(S5-S8)与母线II(22)并联，尾端分别与四组相同的电压源型换流桥(13-16)的桥臂连接，四组相同的电压源型换流桥(13-16)反向并联，换流桥采用两电平六脉动型，每个桥臂都由多个全控型器件IGBT串联而成，控制方式为定交流电压控制，运行方式为逆变运行，四组相同的电容器(17-20)相互串联，通过装置内部接线切换，融冰装置转变为静止同步补偿器，该装置的作用是通过连续调节发出或吸收无功功率的大小，控制接入点——系统母线II(22)的电压，从而实现融冰装置的功能扩展，在非融冰期间，使电压源型换流器处于逆变状态，作为STATCOM对系统进行动态无功补偿，具有很好的无功补偿和谐波特性。
2.如权利要求1所述基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置的融冰方法，其特征在于该融冰方法包括以下步骤：
1)融冰模式
交流电源通过变压器(1-4)从母线I(21)处接入，经过换相电抗器(9-12)、电压源型换流桥(13-16)和电容器(17-20)进行整流，电容器分别与电压源型换流桥并联为换流桥提供电压支撑，换流桥采用双闭环控制，将交流电源整流成直流电流，并输出到融冰线路(23)，实现对覆冰线路融冰，将四组换流桥(13-16)并联，通过开关(S5-S8)投切，可得到1-4倍I0的融冰电流，达到融冰目的；
2)非融冰模式
(1)模式切换：在断电情况下，电容器组(17-20)改为串联连接，取消与融冰线路(23)的连接，同时换流桥控制策略转变为STATCOM控制，将融冰模式切换为非融冰模式；
(2)电压源型换流桥(13-16)与电容器组(17-20)构成STATCOM，通过换相电抗器(9-12)和变压器(1-4)与母线I(21)进行无功功率交换，滤波器(5-8)过滤装置中的谐波，防止的谐波进入系统，STATCOM控制策略使电压源型换流桥处于逆变状态，为母线提供动态无功功率补偿。
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