CN103326300A - 一种不停电直流融冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统和电力电子技术领域，具体为一种不停电的直流融冰装置。本发明融冰装置在不影响正常供电的基础上，在融冰线路叠加直流融冰电流，并使融冰电流仅在融冰线路中循环，不干扰站内主变等重要设备。本发明融冰装置安装在线路一侧变电站内，所有操作在一侧站内即可完成。本发明除实现不停电融冰功能外，还具有融冰效率高，装置容量小等优点。

Description

一种不停电直流融冰装置

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种不停电直流融冰装置。

背景技术

一些地区冬季常现电力线路覆冰问题，给电网带来严重灾害。解决覆冰问题的方法分为机械除冰或热力融冰，其中热力融冰又分为停电融冰和不停电融冰两类。

停电热力融冰已在电网中应用，实施方式包括交流短路升流融冰和直流电流融冰。前者将2～3条待融冰线路通过刀闸操作串接，一端人工短路，另一端接入交流电源进行短路融冰。其优点在于无需专用设备，生产现场实用。缺点在于需要对串联线路的条数进行计算、选定，投切电源时对电网冲击较大，短路升流过程要消耗大量无功，对电网电压影响大，不适用于500kV及以上线路。另一种停电融冰方式是利用SVC兼作为融冰装置，当线路发生覆冰后将线路停运，线路末端人工短路，先在首段的两相上加入经SVC型无功静补装置整流输出的直流电压，对线路的两相进行直流短路融冰，结束后再对第三相融冰。其优点在于装置输出的直流电压可调，可适应于任何长度和电压等级的线路。不消耗系统无功。覆冰时作为融冰设备，平时作为无功静止补偿装置，设备利用率高。缺点是一次只能融两相，融冰时间长，刀闸操作及人工设置短路线工作量大，且要停电进行。

目前使用的不停电热力融冰方法为：在线路中部建设融冰站，给每相双分裂导线加上融冰环流，和负荷电流共同发生的热效应叠加实现不停电融冰。但每条线路上都要建一座融冰站，投入大，设备利用率低，使用对象必须是双分裂导线，局限性大，且融冰站建在线路中部，维护困难，难以推广应用。

不停电融冰的其他方式尚未在电网中实践，其中一种为基于电力变压器的高压架空线自助式不停电融冰技术，该种方式会引发变压器的偏磁问题。另外的设计思路为加大融冰线路负荷，利用交流电流融冰。实施方式包括通过调度切除线路，将多条线路的负荷转移到一条线路使其融冰，此方法对于截面较小的110kV及以下线路有一定的可行性，对于220kV及以上电压等级的线路而言，由于导线截面大，加之系统容量和运行方式的限制，且所有电压等级线路都存在系统稳定问题。增加负荷融冰的方式也包括采用背靠背电压源换流器，在有融冰需求时构成统一潮流控制器接线形式，通过变压器串入融冰线路，拉大所在线路的潮流。由于线路电抗远大于线路电阻，融冰电流又远大于线路正常负荷电流，融冰功率基本全部由电压源换流器提供。随着线路输电线路长度增加，对融冰装置的容量需求猛增。目前，基于全控器件的大容量电压源换流器成本很高，因此该方法现实可行性不高。

综上所述，现有融冰技术中，停电融冰方式影响线路正常供电，且人工挂接短路线及停电操作工作量大，时间长；现有不停电方式下的融冰技术现阶段尚不具有普遍推广条件，需要寻求性价比较高的新型不停电融冰技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种不停电直流融冰装置，实现了不停电状态下的线路融冰，融冰过程不影响潮流正常传输。

本发明提供的一种不停电直流融冰装置，其改进之处在于，所述装置包括调压电路、交-直流变换电路、谐振电路I和谐振电路II；所述调压电路一端与变电站站内供电母线连接，另一端依次与所述交-直流变换电路和谐振电路I连接；

所述谐振电路II设置在站内非融冰线路所在分段母线与融冰线路所在分段母线，其包括串联的电感和电容。

其中，所述调压电路为有载调压变压器；

所述有载调压变压器的原边与所述站内供电母线连接，其副边与所述交-直流变换电路连接。

其中，所述调压电路包括依次连接的变压器I、电力电子变换装置和变压器II；

所述变压器I的原边与所述站内供电母线连接，其副边与所述电力电子变换装置的一端连接；所述电力电子变换装置的另一端与所述变压器II原边连接，所述变压器II的副边与所述交-直流变换电路连接。

其中，所述电力电子变换装置为：

由依次并联的不可控整流、电容和电压源换流器I构成；或

由依次并联的电压源换流器II、电容和电压源换流器III构成。

其中，所述交-直流变换电路包括不可控整流电路或可控整流电路；

所述不可控整流电路或可控整流电路的交流端与所述调压电路连接，其直流端与所述电网分段母线和旁路母线连接。

其中，在所述交-直流变换电路的直流端的正负极之间连接有所述谐振电路I；

所述谐振电路I包括串联的电感和电容。

其中，所述装置包括分接开关；

所述分接开关包括开关I、开关II；开关I包括单相开关PA、单相开关PB和单相开关PC；开关II包括单相开关NA、单相开关NB和单相开关NC；

所述交-直流变换电路的直流端的正负极分别通过分接开关I与分接开关II与站内分段母线和旁路母线连接；其正极与所述分段母线连接时，通过所述开关I中的单相开关PA、单相开关PB和单相开关PC分别与所述分段母线的三相相连；其负极与所述旁路母线连接时，通过所述开关II中的单相开关NA、单相开关NB和单相开关NC分别与所述旁路母线的三相对应相连。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明实现了不停电状态下的线路融冰，融冰过程不影响潮流正常传输。

本发明实现了直流融冰，显著降低融冰装置容量，具备应用可行性。

本发明融冰电流通路仅限于融冰线路，不对变电站内重要设备、站内电源或负荷造成干扰，融冰过程中系统安全稳定运行。

本发明的控制方法相对简单，可靠性高，融冰针对性强，对系统的干扰小，适用于220kV及以上电网，并且适用于单电源线路的融冰。

附图说明

图1为本发明提供的不停电融冰装置电路接线图。

图2为本发明提供的A相融冰直流电流通路图。

图3为本发明提供的系统各处输电线路电流波形图。

图4为本发明提供的系统各处电源及负荷电流波形图。

图5为本发明提供的系统各处母线电压波形图。

图6为本发明提供的基于有载调压变压器的融冰装置主电路结构图。

图7为本发明提供的基于电力电子调压电路的融冰装置主电路结构图1。

图8为本发明提供的基于电力电子调压电路的融冰装置主电路结构图2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

在形成环路的输电线路两端叠加电压源，形成环流电流使待融冰线路电流显著增大是热力融冰的基本思路。由于线路电阻远小于线路电抗，在不改变线路参数的前提下，采用直流电压源融冰的效率远高于交流电压源融冰。但直流电流会导致电力变压器等设备出现严重的偏磁现象，使系统无法安全稳定运行，必须采取有效措施。

如附图1所示，图中左侧为甲站，右侧为乙站，不停电融冰装置安装在甲站。系统电源为甲站所接输电系统的等值模型，甲站系统电源接I段母线，母联开关BRK1和BRK2处于合闸状态。乙站的两段母线可以合环，也可以开环，不作要求，即未装设融冰装置的变电站不需要改变母线分段状态，所有的不停电融冰操作都在甲站进行。

首先，通过倒闸，将融冰线路L2接II段母线，融冰线路L3接旁母，系统正常供电。然后将母联开关BRK1三相分闸，与其并联的三相交流电流通过三相50Hz串联谐振支路，不影响正常供电。之后在II段母线A相和旁母A相之间跨接一个50Hz串联谐振支路，再将母联开关BRK2的A相分闸，A相交流电流通过50Hz串联谐振支路，不影响正常供电。

50Hz串联谐振支路两端并联一个可调直流电压源，可以根据需要向融冰线路的A相注入直流电流，直流电流从融冰线路L2的A相进，从融冰线路L3的A相出，不影响电源和负载的正常供电。

三相50Hz串联谐振支路的主要作用是隔离直流，避免其流入电源和负载，同时不影响线路正常供电。支路电流等于融冰线路L2和L3的正常供电电流之和。

单相50Hz串联谐振支路的主要作用是旁路工频电流，避免其流入整流电路，同时不会影响线路正常供电。支路电流等于融冰线路L3的正常供电电流。

以A相融冰为例，直流电流通路如附图2所示。融冰装置向II段母线和旁路母线的A相注入直流电压，直流电流通过融冰线路L2的A相和融冰线路L3的A相线路构成闭合回路。由于LC谐振电路隔离了直流分量，直流电流不会流向电源和负荷，可以保证系统正常供电。

对上述步骤进行仿真验证，观测到非融冰线路L1和融冰线路L2、L3，以及两侧等值系统电源的电流波形，如附图3所示，其中第一个波形为非融冰线路电流波形，不含直流分量；第二个波形为融冰线路1的波形，A相含有下偏直流分量；第三个波形为融冰线路2的电流波形，A相含有向上偏的直流分量。观测到非融冰线路L1和融冰线路L2、L3的负荷的电流波形，如附图4所示，这三个波形分别为两侧电源和负载变压器电流波形，不含直流分量。可以看出，直流电流仅在融冰线路L2和L3之间构成回路，直流分量的大小可根据线路融冰需要在线调节。

相关母线和谐振支路的电压仿真波形如附图5所示，甲站I段母线和乙站I段和II段母线电压都正常，不含直流分量。甲站二段母线A相电压和旁路母线A相电压含有大小相同、方向相反的直流偏置，大小为直流融冰电压的一半。由于线路电阻较小，因此几千伏的融冰直流电压不会影响变电站母线正常操作。

通过倒闸操作，本方案可以在保证不停电的条件下，分别实现A相、B相和C相的融冰。如果同时在站内装设三台融冰装置，则可实现对A相、B相和C相线路的同时融冰。

融冰装置可采用不同的主电路结构，下面结合具体实施例进行详细说明。

实施例1

基于有载调压变压器的不停电直流融冰装置，如附图6所示。该装置包括调压电路、交-直流变换电路、谐振电路I和谐振电路II；该调压电路为有载调压变压器；其原边与站内供电母线连接，如典型220kV变电站内的35kV母线，其副边依次与交-直流变换电路和谐振电路I连接。

交-直流变换电路包括不可控整流电路或可控整流电路，本实施例采用二极管不可控整流电路，其交流端与调压电路连接，其直流端与电网母线和旁路母线连接，依据导线参数和融冰电流需求向线路注入直流电压，获得融冰电流。

在交-直流变换电路的直流端的正负极之间连接有谐振电路I，在装置对两条线路的A相、B相或C相线路注入直流电流时，用来为该相的交流电流提供通路，并隔离直流分量，不影响系统正常供电，并防止输电线路的交流电流流入交-直流变换电路，实现不停电融冰的目的。其包括串联的电感和电容。

为了隔离直流，避免其流入电源和负载，同时不影响线路正常供电，本实施例设置的谐振电路II（即三相串联谐振电路）设置在站内非融冰线路所在分段母线与融冰线路所在分段母线，防止直流融冰电流流入非融冰线路、站内主变或输电系统，同时为三相交流电流提供通路，不影响系统正常供电。谐振电路II包括串联的电感和电容。

本实施例在上述的基础上，为了方便控制，为了融冰电流选择通路，还添加了分接开关；分接开关包括开关I、开关II；交-直流变换电路的直流端的正负极分别通过分接开关I和II与站内分段母线和旁路母线连接；其正极与所述分段母线连接时，通过开关I中的单相开关PA、PB和PC分别与分段母线的三相相连；其负极与所述旁路母线连接时，通过开关II中的单相开关NA、NB和NC与旁路母线的三相对应相连（即A相连接PA和NA、B相连接PB和NB、C相连接PC和NC）。通过分接开关投切，轮流在II段母线和旁路母线间分相注入直流电压。该直流电压叠加在融冰线路电阻两端，向回路注入直流电流。可依据融冰需求改变调压器输出的电压，获得所期望的直流电流。这种主电路结构的优点是成本较低，适用于220kV或500kV变电站不同融冰线路长度差别并非极其显著的场合。

实施例2

本实施例基本与实施例1相同，但区别在于该种主电路结构基于电力电子调压电路，如附图7所示。整流变压器将供电母线隔离、降压后通过二极管整流，之后经过VSC将直流电压逆变为交流电压。再通过升压变压器和二极管整流桥串联接入融冰线路中。通过二极管不控整流和VSC有源逆变，利用VSC交流输出电压灵活、快速可调的特点，获取能够较大范围变化的交流电压，进而通过变压器升压、不控整流电路交-直流变换，获取融冰所需的直流电压。

设调压电路的输入电压为Uv1，第一级变压器变比为k1，第一级直流电压为Udc1，VSC的调制度为m，第二级变压器的变比为k2，输出电压为Uv2，则调压电路有如下关系成立：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}1}=\frac{\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}{U}_{v1}}{k_1}=\frac{1.35U_{v1}}{k_1}\\ U_{v2}=\frac{\frac{m\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}1}}{2\sqrt{2}}}{k_2}=\frac{\frac{3\sqrt{3}}{2\mathrm{\π}}m{U}_{v1}}{k_1{k}_2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

直流融冰电压：

$U_{\mathrm{dc}0}=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}{U}_{v2}=\frac{9\sqrt{6}}{2{\mathrm{\π}}^2}\frac{m}{k_1{k}_2}{U}_{v1}---\left(2\right)$

这种拓扑结构的优点在于直流电压可以通过VSC的调制度灵活控制，获得大范围的连续直流电压输出，不需要系统提供无功补偿。适用于220kV或500kV变电站不同融冰线路长度或线形差别的场合。

实施例3

本实施例基本与实施例1相同，但区别在于，该种主电路结构基于电力电子调压电路，采用背靠背连接的电压源换流器，并增设了分接开关，如附图8所示。有融冰需求时，整流变压器将供电母线隔离、降压后通过电压源换流器VSC1整流，之后经过VSC2将直流电压逆变为交流电压。再通过升压变压器和二极管整流桥串联接入融冰线路中。通过二极管不控整流和VSC有源逆变，利用VSC交流输出电压灵活、快速可调的特点，获取能够较大范围变化的交流电压，进而通过变压器升压、不控整流电路交-直流变换，获取融冰所需的直流电压。

分接开关包括开关V和开关VI；开关V连接在交-直流变换电路的交流端和分段母线之间；开关VI连接在交-直流变换电路的交流端和旁路母线之间。无融冰需求时，通过断开所有分接开关，闭合开关BRKU1、BRKU2，将逆变变压器串联接入到II段母线和旁路母线中，此时融冰装置调压电路中的背靠背电压源换流器构成UPFC结构，可以发挥无功补偿、潮流调节等作用。使装置功能更加强大。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种不停电直流融冰装置，其特征在于，所述装置包括调压电路、交-直流变换电路、谐振电路I和谐振电路II；所述调压电路一端与变电站站内供电母线连接，另一端依次与所述交-直流变换电路和谐振电路I连接；

所述谐振电路II设置在站内非融冰线路所在分段母线与融冰线路所在分段母线。

2.如权利要求1所述的不停电直流融冰装置，其特征在于，所述调压电路为有载调压变压器；

所述有载调压变压器的原边与所述站内供电母线连接，其副边与所述交-直流变换电路连接。

3.如权利要求1所述的不停电直流融冰装置，其特征在于，所述调压电路包括依次连接的变压器I、电力电子变换装置和变压器II；

所述变压器I的原边与所述站内供电母线连接，其副边与所述电力电子变换装置的一端连接；所述电力电子变换装置的另一端与所述变压器II原边连接，所述变压器II的副边与所述交-直流变换电路连接。

4.如权利要求3所述的不停电直流融冰装置，其特征在于，所述电力电子变换装置为：

由依次并联的不可控整流、电容和电压源换流器I构成；或

由依次并联的电压源换流器II、电容和电压源换流器III构成。

5.如权利要求2-4任一所述的不停电直流融冰装置，其特征在于，所述交-直流变换电路包括不可控整流电路或可控整流电路；

所述不可控整流电路或可控整流电路的交流端与所述调压电路连接，其直流端与所述电网分段母线和旁路母线连接。

6.如权利要求5所述的不停电直流融冰装置，其特征在于，在所述交-直流变换电路的直流端的正负极之间连接有所述谐振电路I；

所述谐振电路I包括串联的电感和电容。

7.如权利要求1所述的不停电直流融冰装置，其特征在于，所述装置包括分接开关；

所述分接开关包括开关I、开关II；开关I包括单相开关PA、单相开关PB和单相开关PC；开关II包括单相开关NA、单相开关NB和单相开关NC；

所述交-直流变换电路的直流端的正负极分别通过分接开关I与分接开关II与站内分段母线和旁路母线连接；其正极与所述分段母线连接时，通过所述开关I中的单相开关PA、单相开关PB和单相开关PC分别与所述分段母线的三相相连；其负极与所述旁路母线连接时，通过所述开关II中的单相开关NA、单相开关NB和单相开关NC分别与所述旁路母线的三相对应相连。

8.如权利要求1所述的不停电直流融冰装置，其特征在于，所述谐振电路II包括串联的电感和电容。

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