CN102739080A - 一种基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置，所述全桥模块化多电平变流器为三相桥结构，变流器的每一相包含一个上桥臂和一个下桥臂，上、下桥臂分别由N个全桥功率模块首尾串联组成，形成链式多电平结构，各相上桥臂第1个功率模块的首端连接在一起，形成公共直流母线的正极，各相下桥臂第N个功率模块的末端连接在一起，形成公共直流母线的负极；各相上桥臂第N个功率模块的末端和该相下桥臂第1个功率模块的首端通过一个平波电抗器连接在一起，电抗器的中点作为该相的交流母线。本发明一方面具备高压直流输出能力，且直流电压可以从零开始连续调节，另一方面完全兼容链式SVG拓扑，可以实现快速的动态无功调节，从而同时具备直流融冰和交流动态无功补偿功能。

Description

一种基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置
技术领域
本发明属于电力电子变流器技术领域，具体涉及一种电网直流融冰装置。
背景技术
近年来，我国南方地区冬季极端雨雪天气频发，直流融冰装置在电力系统中开始广泛应用。传统的直流融冰装置采用晶闸管整流技术，通过相控整流将交流电变换为幅值可调的直流电用于输电线路除冰。由于融冰装置只在冬季极端天气条件下才会使用，因而装置的设备利用率较低，给输配电企业带来了额外的负担。
为提高融冰装置的设备利用率，与静止无功补偿器（SVC）相结合已经成为直流融冰装置的主流技术。一方面，SVC与直流融冰装置都采用晶闸管相控技术，所用到的主要元件相同，只需要对主电路的拓扑结构进行一定的转换就能分别实现直流融冰和无功补偿的功能；另一方面，输配电系统的变电站一般都需要配置一定容量的无功补偿装置，以方便调节电网电压，SVC恰好能够满足这一应用需求。
但是，经过几年的实际运行发现，SVC晶闸管整流装置用于直流融冰时，具有体积大、谐波污染严重以及拓扑切换复杂等问题。特别是用作移动式融冰装置时，尽管通过集装箱方式安装，但集装箱、整流变压器体积庞大，运输极为不便；同时装置接线复杂，在无功补偿和融冰功能之间切换，需要经过多个开关操作才能完成拓扑结构的转换，大大削弱了移动式融冰装置所需要的安装简单、快速投运的特点。
随着电力电子技术的发展，有学者在文献中提出将链式SVG与直流融冰装置相结合的思路，一方面，与下一代无功补偿装置相结合，提高装置补偿动态无功的性能；另一方面，引入全控型器件有利于解决晶闸管相控整流器普遍存在的谐波问题。但是由于这种链式结构总模块直流电压各自悬浮，没有公共的直流母线，因而无法直接用于直流融冰当中，目前也尚未见有相关技术方案的文献报道。此外，也有学者提出通过轻型直流输电（HVDCLight）的半桥模块化多电平（HBMMC）方案进行直流融冰，HVDC Light具有公共直流母线，天然地具备直流高压输出的条件，同时其交流侧连接电网，也具备动态无功补偿能力。但是，利用HVDC Light技术融冰也存在一些局限性，其中最为突出的就是HBMMC输出直流电压的可调范围小，必须在满足可控整流条件的直流电压以上进行调节，无法有效适应不同长度的输电线路，因而装置的可用率将大打折扣。
发明内容
本发明针对现有的直流融冰装置的不足，提出一种采用全桥模块的模块化多电平变流器，通过H桥级联形成具有公共直流母线的AC/DC变流器拓扑方案，这种方案一方面具备高压直流输出能力，且直流电压可以从零开始连续调节，另一方面完全兼容链式SVG拓扑，可以实现快速的动态无功调节，从而同时具备直流融冰和交流动态无功补偿功能。
本发明具体采用以下技术方案。
一种基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置，其特征在于：
所述全桥模块化多电平变流器为三相桥结构，变流器的每一相包含一个上桥臂和一个下桥臂，上、下桥臂分别由N个全桥功率模块首尾串联组成，形成链式多电平结构，且各个上、下桥臂从上到下分别为第1个、第2个、…、第N个全桥功率模块，其中N为大于1的整数；
各相上桥臂第1个功率模块的首端连接在一起，形成公共直流母线的正极，各相下桥臂第N个功率模块的末端连接在一起，形成公共直流母线的负极；
各相上桥臂第N个功率模块的末端和该相下桥臂第1个功率模块的首端各通过一个平波电抗器连接在一起，每一相两个平波电抗器的连接点连接该相的交流母线；
所述公共直流母线的正极和公共直流母线的负极分别施加在相应的待融冰线路上。
本发明所述的全桥功率模块为H桥结构，由四个可关断器件Q1~Q4和直流支撑电容器C构成，其特征在于可关断器件Q1和Q3的集电极与直流支撑电容器C的正极相连，可关断器件Q2和Q4的发射极与直流支撑电容器C的负极相连；可关断器件Q1的发射极与可关断器件Q2的集电极相连，形成全桥功率模块的首端M1，可关断器件Q3的发射极与可关断器件Q4的集电极相连，形成全桥功率模块的末端M2。
本发明所提出的基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置，其特征在于将直流侧融冰所需要的直流电压Udc和交流侧并网所需要的交流相电压uac平均分配给每个全桥功率模块，即在每个功率模块的输出电压中，直流分量为Udc/2N，交流分量为uac/N。本发明充分利用全桥模块的双极性输出特点，每个功率模块都能输出可调的直流电压，从而使整个变流器装置具备输出连续可调的直流电压的能力，最大程度的满足不同线路参数和线路长度的融冰要求。
本发明所提出的全桥模块化多电平变流器采用可关断器件替代传统晶闸管器件，省去了传统直流融冰装置中庞大笨重的整流变压器以及无源滤波器组，且在直流融冰功能和动态无功补偿功能之间切换时，装置主电路拓扑结构不发生变化，因而具有体积小、损耗低、谐波小、操作简便等突出优点；同时不仅解决了HBMMC结构面临的直流电压无法大范围调节的问题，而且能够完全兼容链式SVG的无功补偿功能，为直流融冰应用提供了一种全新的解决方案。
附图说明
图1基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置；
图2H桥功率模块拓扑结构图；
图3直流融冰装置1-1接线方式；
图4直流融冰装置1-2接线方式；
图5上下桥臂功率模块在融冰模式下的输出电流波形；
图6融冰装置输出直流电压全范围调节过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明设计的基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置的技术原理和实施方案作详细的说明。
本发明所设计的全桥模块化多电平结构的直流融冰装置拓扑结构如附图1所示。所述全桥模块化多电平变流器为三相桥结构，变流器的每一相包含一个上桥臂和一个下桥臂，上、下桥臂分别由N个全桥功率模块首尾串联组成，形成链式多电平结构，且各个桥臂从上到下分别为第1个、第2个、…、第N个全桥功率模块，其中N为大于1的整数；各相上桥臂第1个功率模块的首端连接在一起，形成公共直流母线的正极，各相下桥臂第N个功率模块的末端连接在一起，形成公共直流母线的负极；各相上桥臂第N个功率模块的末端和该相下桥臂第1个功率模块的首端通过一个平波电抗器连接在一起，电抗器的中点作为该相的交流母线。
在附图1中，左侧DC+、DC-为直流母线，连接到需要融冰的输电线路两端；右侧ua、ub、uc为交流母线，连接交流电网，所述的H桥功率模块的拓扑结构如附图2中所示，全桥功率模块为H桥结构，由四个可关断器件Q1~Q4和直流支撑电容器C构成，其特征在于可关断器件Q1和Q3的集电极与直流支撑电容器C的正极相连，可关断器件Q2和Q4的发射极与直流支撑电容器C的负极相连；可关断器件Q1的发射极与可关断器件Q2的集电极相连，形成全桥功率模块的首端M1，可关断器件Q3的发射极与可关断器件Q4的集电极相连，形成全桥功率模块的末端M2。
从附图1中可以看到，所述的全桥模块化多电平变流器采用和通常链式SVG  一致的模块串联结构，其总体结构相当于两个Y型连接的链式SVG并联运行，不同之处在于将每个SVG的公共端引出作为公共直流母线。
所述的的全桥模块化多电平变流器作为直流融冰装置运行时，交流侧通过链式多电平拓扑运行于PWM整流状态，有功功率从交流电网流向装置，利用输入的交流电流对每个功率模块的直流电容进行充电；同时每个功率模块通过PWM调制技术，输出所需的直流电压，经过串联叠加后，形成高压直流输出电压UDC，UDC施加在线路两端便得到所需要的融冰电流。从直流侧来看，装置输出直流电压和直流电流，每个功率模块流入的交流功率被转化为直流功率释放到融冰线路上。正是通过交流侧和直流侧的协调控制，使得每个功率模块的交流输入功率和直流输出功率相等，从而保证功率模块的直流支撑电容的电压始终保持稳定。直流融冰模式下，融冰装置与交流线路的接线方式如附图3、4中所示。
所述的的全桥模块化多电平变流器作为动态无功补偿装置运行时，由于拓扑结构和链式SVG高度一致，交流侧仍然连接交流电网，直流输出侧甚至无需断开连接即可直接切换到无功控制模式。交流侧仍然工作于PWM整流状态，从电网吸收很小的有功功率以维持模块直流支撑电容的电压稳定，同时直流侧通过减小调制比将直流母线的输出电压UDC降低到零。整个切换过程通过软件控制自动完成，无需进行硬件拓扑变化，降低了故障概率，提高了装置整体可靠性。
本发明的一个实施实例中，针对典型的110kV输电线路设计直流融冰装置，典型的110kV变电站单台主变容量为40MVA，线路长度为50km，变电站出线为LGJ-185。根据苏联布尔戈斯道尔夫公式在典型条件下（-5℃，风速5m/s，覆冰厚度10mm，1h融冰）的计算结果，LGJ-185型导线的典型最小融冰电流为515A，50km线路需要的最小电源容量约为4.5MW。由于最小融冰电流时按照典型条件下60min有效融冰的目标计算的，实际工程中融冰装置的额定电流应高于最小融冰电流，以方便进行快速融冰。根据工程经验，当装置的额定电流达到1.5～2.0倍的最小融冰电流时，能够在较短的时间内（10min）进行有效除冰。在上述技术条件下，按照本发明所述的技术方案设计的全桥模块化多电平变流的的额定直流电压为12kV，额定直流电流为1000A。在直流融冰模式下，所述的全桥功率模块的输出电流中既包含交流分量，又包含直流分量，如附图5中所示。与HBMMC相比，本发明所述的直流融冰装置的输出电压可以从0到额定12kV之间任意调节，如附图6中所示。
以上实施实例是本发明的一个具体的实施电路示意图，并不以此限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置，其特征在于：
所述全桥模块化多电平变流器为三相桥结构，变流器的每一相包含一个上桥臂和一个下桥臂，上、下桥臂分别由N个全桥功率模块首尾串联组成，形成链式多电平结构，且各个上、下桥臂从上到下分别为第1个、第2个、…、第N个全桥功率模块，其中N为大于1的整数；
各相上桥臂第1个功率模块的首端连接在一起，形成公共直流母线的正极，各相下桥臂第N个功率模块的末端连接在一起，形成公共直流母线的负极；
各相上桥臂第N个功率模块的末端和该相下桥臂第1个功率模块的首端各通过一个平波电抗器连接在一起，每一相两个平波电抗器的连接点连接该相的交流母线；
所述公共直流母线的正极和公共直流母线的负极分别施加在相应的待融冰线路上。
2.根据权利要求1所述的直流融冰装置，其特征在于：
所述的全桥功率模块为H桥结构，由四个可关断器件Q1~Q4和直流支撑电容器C构成，上方的可关断器件Q1和Q3的集电极与直流支撑电容器C的正极相连，下方的可关断器件Q2和Q4的发射极与直流支撑电容器C的负极相连；可关断器件Q1的发射极与可关断器件Q2的集电极相连，形成全桥功率模块的首端，可关断器件Q3的发射极与可关断器件Q4的集电极相连，形成全桥功率模块的末端。
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