CN103915808B - 基于电压源型换流器的直流融冰装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是基于电压源型换流器的直流融冰装置及其控制方法。直流融冰装置包括有连接电抗器、模块化多电平换流器、平波电抗器、融冰刀闸、融冰母线和融冰交流线路,其中模块化多电平换流器交流侧通过连接电抗器、隔离刀闸和断路器接在交流侧母线上，直流侧通过平波电抗器、融冰刀闸、融冰母线与融冰交流线路连接。本发明的直流融冰装置不需要专用变压器，充分利用了全H桥模块可输出正、零、负的三种模块电压的特性，使得模块化多换流器直流侧电压、电流均可在额定值与零之间连续可调，一套融冰装置可满足多条不同长度、不同电阻率输电线路融冰需要，在所有运行工况中，交流电能质量均可得到保证。本发明的直流融冰装置的控制方法简单方便。

Description

基于电压源型换流器的直流融冰装置及其控制方法
技术领域
本发明是涉及基于电压源型换流器的直流融冰装置及其控制方法，特别是一种基于全H桥子模块的模块化多电平换流器的直流融冰装置及其控制方法，属于输电网输电线路直流融冰应用的创新技术。
背景技术
电力系统遭受的各种自然灾害中，冰灾是最严重的威胁之一。与其它事故相比，冰灾给电网造成的损失往往更为严重，轻则发生冰闪，重则会造成倒塔断线，甚至电网瘫痪。
近年来，全球各类气象灾害更为频繁，极端天气气候事件更显异常，冰灾造成电力系统的损失和影响更趋严重，破坏程度越来越强，影响也越来越复杂，应对难度也越来越大。如1921年10月瑞典冰灾、1972 年1月美国哥伦比亚州冰灾、1998年1月美国东北部和加拿大东南部冰灾、1999年12月法国冰灾、瑞典南部2005年1月冰灾、德国2005年 11月冰灾。
受大气候、微地形、微气象条件的影响，我国冰灾事故频繁发生，电网受到的影响越来越严重。2005年初,华中地区历史上罕见的低温雨雪冰冻天气给我国华中、华北电网造成严重的灾害。2008年初，低温雨雪冰冻天气袭击我国南方、华中、华东地区，导致贵州、湖南、广东、云南、广西和江西等省输电线路大面积、长时间停运，给国民经济和人民生活造成巨大损失。2011年1月，贵州省、湖南省、江西省、广西桂北地区、广东粤北地区和云南滇东北地区的输变电设施相继出现覆冰险情，先后导致多条线路和变电站。2012年初、2013年初我国电网都不同程度受到覆冰的影响。
2008年冰灾后，我国电力科技工作者自主进行了直流融冰技术及装置的研发，成功研发出了具有完全自主知识产权的大功率直流融冰装置，主要包括带专用整流变压器直流融冰装置（ZL201010140060.5）和不带专用整流变压器的直流融冰装置（ZL201010140086.X），进而在全国进行了推广应用，到目前为止，共有约100余套直流融冰装置投入运行，其中南方电网内布置有80多套。
2009年-2014年的各个覆冰期中，南方电网应用直流融冰装置对 110kV及以上架空线路实施直流融冰400多次，保证了线路和电网的安全，湖南、四川、江西和浙江等地也有一定的应用。
上述两种直流融冰装置均采用了晶闸管可控整流技术，在运行中均会消耗一定的无功、产生特征次谐波，给接入交流系统带来一定的影响。特别是不带专用整流变压器的直流融冰装置，只能采用6脉波整流，运行时谐波污染严重，现场实际应用时需将其接入点的负荷转移到其它母线。
自2008年开始，本项目组和国内其他同行就开始了基于可关断电力电子器件直流融冰装置的研究，但由于可关断电力电子器件价格昂贵，且基于可关断电力电子器件的电压源型换流器自身特点，至今为止，国内外均还没有成功研发出可代替基于晶闸管技术的、经济实用的基于电压源型换流器的直流融冰装置。赵国帅,李兴源,傅闯,等.线路交直流融冰技术综述[J].电力系统保护与控制,2011,39(14):148-154页中提出了直流融冰兼STATCOM功能的直流融冰装置方案，但该方案只能满足低压交流输电线路融冰需求。李澍森,左文霞,石延辉,等.直流融冰技术探讨[J].电力设备,2008,9(6):20-24页中提出的采用柔性直流输电技术进行直流融冰的方案，无论是IGBT直接串联，还是采用MMC，其直流侧的工作电压都必须高于交流整流电压才能避免出现PWM过调制，调节很非常有限，无法满足不同线路长度和不同电阻率导线的融冰需求。范瑞祥,孙旻,贺之渊,等.江西电网移动式直流融冰装置设计及其系统试验[J].电力系统自动化,2009,33(15):67-71页、刘栋,贺之渊,范瑞祥, 等.可关断器件移动式直流融冰装置研究[J].电网技术,2012,36(3):228-233页及敬华兵,年晓红,罗文广.一种兼具融冰功能的柔性直流输电换流站的研究[J].中国电机工程学报,2012,32(19):65-73页中提出了一种基于直流斩波单元串联的电压源逆变器(VSC)型直流融冰装置，通过移相变压器和PWM整流来获得好的谐波特性，利用单元串联实现直流高压输出，并通过采用斩波电路来保证输出直流电压宽范围连续可调。使用移相变压器增加了装置的体积和占地要求，三相PWM整流加直流斩波的单元结构过于复杂，成本高、占地面积大、损耗大、可靠性较差。梅红明,刘建政,新型模块化多电平直流融冰装置.电力系统自动化,2013,37(16):96-101中提出了一种采用双星接全桥型模块化多电平变流器(DSBC-MMC)的直流融冰装置，采用了零序电压注入调制原理进行直流电压控制；该方案提出的拓扑只是一个简单的整流器，不是一个完整直流融冰装置；使用的全桥子模块没有旁路回路，直流侧没有设置平波电抗器，不能用于实际工程；全桥子模块使用单个可关断器件，输出直流电流受限，只能用于220kV及以下的输电线路融冰；采用的直流电压和电流控制方法不能保证交流侧电能质量。上述提出的这些基于电压源型换流器的直流融冰装置均只能用于 220kV，甚至更低电压等级输电线路的融冰，也无法满足直流融冰装置对直流侧零起升流和零起升压的需要。
近几年来，电压源型换流器已经取得了长足的进步，基于H桥的静止同步补偿器(STATCOM)已经得到较为广泛的应用，南方电网在500kV 东莞变电站、水乡变电站、北郊变电站和木棉变电站各安装了容量为± 200MVAr的STATCOM。基于半H桥模块化多电平变流器(MMC)也已应用于柔性直流输电领域并展现出明显的技术优势，世界上首个应用MMC技术的VSC-HVDC工程Trans Bay Cable2010年3月在美国正式投运，世界首个多端柔性直流输电工程——南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程已于2013年12月投入运行。模块化多电平变流器的可靠性在逐步提高，价格在逐步下降。基于全H桥子模块的模块化多电平换流器具有直流电压和直流电流双向运行能力,可满足直流融冰对换流器运行工况的要求，将其应用于直流融冰，可克服现有基于晶闸管直流融冰装置缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有基于晶闸管直流融冰装置的缺点而提供一种基于电压源型换流器的直流融冰装置。
本发明的另一目的在于考虑上述问题而提供一种确保直流融冰装置满足各线路安全快速融冰需求、确保接入交流系统电能质量的基于电压源型换流器的直流融冰装置的控制方法。
本发明的技术方案是：本发明的基于电压源型换流器的直流融冰装置,包括有连接电抗器Lac，基于全H桥子模块的模块化多电平换流器 VSC,平波电抗器Ldc1、Ldc2，融冰刀闸S1、S2、S3、S4，融冰母线B、融冰交流线路L,其中连接电抗器Lac的一端通过隔离刀闸K和断路器 QF接在交流侧母线上，另一端与基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC的输入端连接，基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC的输出端与平波电抗器Ldc1、Ldc2的一端分别连接，融冰刀闸S1、S2的一端连接后与平波电抗器Ldc1的另一端连接，融冰刀闸S3、S4的一端连接后与平波电抗器Ldc2的另一端连接，融冰刀闸S1的另一端与融冰母线B的a相的一端连接，融冰刀闸S2和S3的另一端连接后与融冰母线B的b相的一端连接，融冰刀闸S4的另一端与融冰母线B的c相的一端连接，融冰母线B的a、b、c相的另一端与融冰交流线路L的a、b、 c相的一端对应连接，融冰交流线路L的a、b、c相的另一端短接在一起。
上述直流融冰装置的直流侧无接地点。
上述基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC为三相六桥臂结构，每个桥臂由一个电抗器L和若干个全H桥子模块SM串联组成，每相上下桥臂有电抗器L的一端连接后与连接电抗器Lac对应相连接，三个上桥臂的另一端连接在一起构成直流侧正极，三个下桥臂的另一端连接在一起构成直流侧负极。
上述基于全H桥子模块的模块化多电平换流器中的全H桥子模块采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块，或采用多个全控型电力电子器件并联的全H型桥子模块。
上述采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块包括四个全控型电力电子器件S1、S2、S3、S4，四个二极管D1、D2、D3、D4，一个电容C，两个晶闸管SCR1、SCR2，一个快速开关Ks，全控型电力电子器件S1与二极管D1反向并联，S2与D2反向并联，S3与D3反向并联， S4与D4反向并联，即全控型电力电子器件正端与二极管负端连接，全控型电力电子器件负端与二极管正端连接；晶闸管SCR1与SCR2反向并联，即SCR1正端与SCR2负端连接，SCR1负端与SCR2正端连接；全控型电力电子器件S1的负端与S2的正端连接构成所述全H型桥子模块的一端，全控型电力电子器件S3的负端与S4的正端连接构成所述全H型桥子模块的另一端；全控型电力电子器件S1的正端及S3的正端与电容器C一端连接，全控型电力电子器件S4的负端及S2的负端与电容器C 的另一端连接；快速开关Ks连接于所述全H型桥子模块的两端；SCR1 与SCR2组成的反并联晶闸管对连接于所述全H型桥子模块两端。
上述采用两个全控型电力电子器件并联的全H型桥子模块包括有八个全控型电力电子器件S11、S21、S31、S41、S12、S22、S32、S42，八个二极管D11、D21、D31、D41、D12、D22、D32、D42，一个电容C，两个晶闸管SCR1、SCR2，一个快速开关Ks，其中全控型电力电子器件S11 与二极管D11反向并联，S21与D21反向并联，S31与D31反向并联， S41与D41反向并联，S12与D12反向并联，S22与D22反向并联，S32 与D32反向并联，S42与D42反向并联；晶闸管SCR1与SCR2反向并联；全控型电力电子器件S11的负端及S12的负端与S21正端及S22的正端连接构成所述全H型桥并联子模块的一端，全控型电力电子器件S31的负端及S32负端与S41的正端及S42正端连接构成所述全H型桥子模块的另一端；全控型电力电子器件S11的正端及S12的正端与S31的正端及S32的正端连接，且与电容器C的一端连接，全控型电力电子器件S41 的负端及S42的负端与S21负端及S22的负端连接，且与电容器C另一端连接；快速开关Ks连接于所述全H型桥子模块两端；SCR1和SCR2 组成的反并联晶闸管对连接于所述全H型桥子模块的两端，即将采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块对应位置的一个全控型电力电子器件-二极管反并联对改为两个并联的全控型电力电子器件-二极管反并联对。
或将采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块对应位置的一个全控型电力电子器件-二极管反并联对改为三个并联的全控型电力电子器件-二极管反并联对。
或将采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块对应位置的一个全控型电力电子器件-二极管反并联对改为多个并联的全控型电力电子器件-二极管反并联对。
本发明基于全H桥子模块的模块化多电平换流器的直流融冰装置的控制方法，包括如下步骤：
1）根据融冰交流线路设计融冰电流Ideicing和直流侧回路直流电阻 Rloop计算出基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC直流侧输出电压参考值Udc·ref：
Udc·ref=IdeicingRloop （1）
2）根据直流输出电压参考值确定各相上下桥臂中负向投入子模块 SM的个数Nminus：
式中，Vdc为全H桥子模块额定电压，Nmax为单个桥臂中全H桥子模块数目，Udc·rated为换流器额定直流电压。
3）各相上下桥臂中正向投入子模块SM的个数Nplus：
Nplus=Nmax-Nminus （3）
4）由此确定该工况下换流器VSC的电平数：
即上桥臂电压Udc·up变化范围为[-NminusVdc,NmaxVdc],下桥臂电压Udc·down变化范围为[NmaxVdc,-NminusVdc]。
5）如融冰回路中的融冰电流小于设计融冰电流Ideicing，则将负向投入子模块SM的个数Nminus加1，相应的正向投入子模块个数Nplus减1；如融冰回路中的融冰电流大于设计融冰电流Ideicing，则将负向投入子模块 SM的个数Nminus减1，相应的正向投入子模块个数Nplus加1。
本发明的构成充分利用了全H桥子模块可输出正、零、负的三种模块电压的特性，使得换流器直流侧电压可以在额定值与零之间连续可调，一套直流融冰装置可满足多条不同长度、不同电阻率输电线路融冰需要，满足10kV、220kV、500kV及特高压输电线路的融冰需要，符合直流侧零起升流和零起升压的要求，且在所有运行工况中，交流侧电能质量均可得到保证，对交流系统几乎没有影响。本发明基直流融冰装置的控制方法简单方便。本发明设计合理，方便实用，既可用于新建直流融冰工程，也可用于已建新建直流融冰工程中直流融冰装置的升级改造，具有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明专利进一步详细说明。
图1为本发明的基于电压源型换流器的直流融冰装置的结构示意图。
图2为本发明基于模块化多电平换流器的结构示意图。
图3为本发明实施例1采用单个全控型电力电子器件的全H桥子模块的结构示意图。
图4为本发明实施例2采用两个全控型电力电子器件并联的全H桥子模块的结构示意图。
图5为本发明实施例3采用多个全控型电力电子器件并联的全H桥子模块的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
本发明的基于电压源型换流器的直流融冰装置的结构示意图如图1 所示,包括有连接电抗器Lac，基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC,平波电抗器Ldc1、Ldc2，融冰刀闸S1、S2、S3、S4，融冰母线 B、融冰交流线路L,其中连接电抗器Lac的一端通过隔离刀闸K和断路器QF接在交流侧母线上，另一端与基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC的输入端连接，基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC 的输出端与平波电抗器Ldc1、Ldc2的一端分别连接，融冰刀闸S1、S2 的一端连接后与平波电抗器Ldc1的另一端连接，融冰刀闸S3、S4的一端连接后与平波电抗器Ldc2的另一端连接，融冰刀闸S1的另一端与融冰母线B的a相的一端连接，融冰刀闸S2和S3的另一端连接后与融冰母线B的b相的一端连接，融冰刀闸S4的另一端与融冰母线B的c相的一端连接，融冰母线B的a、b、c相的另一端与融冰交流线路L的a、 b、c相的一端对应连接，融冰交流线路L的a、b、c相的另一端短接在一起。
上述直流融冰装置的直流侧无接地点。
上述基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC为三相六桥臂结构，每个桥臂由一个电抗器L和若干个全H桥子模块SM串联组成，每相上下桥臂有电抗器L的一端连接后与连接电抗器Lac对应相连接，三个上桥臂的另一端连接在一起构成直流侧正极，三个下桥臂的另一端连接在一起构成直流侧负极。
上述基于全H桥子模块的模块化多电平换流器中的全H桥子模块采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块。
本实施例中，上述采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块包括四个全控型电力电子器件S1、S2、S3、S4，四个二极管D1、D2、 D3、D4，一个电容C，两个晶闸管SCR1、SCR2，一个快速开关Ks，全控型电力电子器件S1与二极管D1反向并联，S2与D2反向并联，S3与D3 反向并联，S4与D4反向并联，即全控型电力电子器件正端与二极管负端连接，全控型电力电子器件负端与二极管正端连接；晶闸管SCR1与 SCR2反向并联，即SCR1正端与SCR2负端连接，SCR1负端与SCR2正端连接；全控型电力电子器件S1的负端与S2的正端连接构成所述全H型桥子模块的一端，全控型电力电子器件S3的负端与S4的正端连接构成所述全H型桥子模块的另一端；全控型电力电子器件S1的正端及S3的正端与电容器C一端连接，全控型电力电子器件S4的负端及S2的负端与电容器C的另一端连接；快速开关Ks连接于所述全H型桥子模块的两端；SCR1与SCR2组成的反并联晶闸管对连接于所述全H型桥子模块两端。
本发明基于电压源型换流器的直流融冰装置的控制方法，包括如下步骤：
1）根据融冰交流线路设计融冰电流Ideicing和直流侧回路直流电阻 Rloop计算出基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC直流侧输出电压参考值Udc·ref：
Udc·ref=IdeicingRloop （1）
2）根据直流输出电压参考值确定各相上下桥臂中负向投入子模块 SM的个数Nminus：
式中，Vdc为全H桥子模块额定电压，Nmax为单个桥臂中全H桥子模块数目，Udc·rated为换流器额定直流电压。
3）各相上下桥臂中正向投入子模块SM的个数Nplus：
Nplus=Nmax-Nminus （3）
4）由此确定该工况下换流器VSC的电平数：
即上桥臂电压Udc·up变化范围为[-NminusVdc,NmaxVdc],下桥臂电压Udc·down变化范围为[NmaxVdc,-NminusVdc]。
5）如融冰回路中的融冰电流小于设计融冰电流Ideicing，则将负向投入子模块SM的个数Nminus加1，相应的正向投入子模块个数Nplus减1；如融冰回路中的融冰电流大于设计融冰电流Ideicing，则将负向投入子模块 SM的个数Nminus减1，相应的正向投入子模块个数Nplus加1。
实施例2：
本发明的基于电压源型换流器的直流融冰装置与实施例1的区别是将采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块对应位置的一个全控型电力电子器件-二极管反并联对改为两个并联的全控型电力电子器件 -二极管反并联对，如图4所示。
实施例3：
本发明的基于电压源型换流器的直流融冰装置与实施例1的区别是将采用单个全控型电力电子器件的全H型桥子模块对应位置的一个全控型电力电子器件-二极管反并联对改为多个并联的全控型电力电子器件 -二极管反并联对，如图5所示。

Claims (1)

1.一种基于电压源型换流器的直流融冰装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
1)根据融冰交流线路设计融冰电流Ideicing和直流侧回路直流电阻Rloop计算出基于全H桥子模块的模块化多电平换流器VSC直流侧输出电压参考值Udc·ref：
Udc·ref＝IdeicingRloop (1)
2)根据直流输出电压参考值确定各相上下桥臂中负向投入子模块SM的个数Nminus：
式中，Vdc为全H桥子模块额定电压，Nmax为单个桥臂中全H桥子模块数目，Udc·rated为换流器额定直流电压；
3)各相上下桥臂中正向投入子模块SM的个数Nplus：
Nplus＝Nmax-Nminus (3)
4)由此确定该工况下换流器VSC的电平数：
即上桥臂电压Udc·up变化范围为[-NminusVdc,NmaxVdc],下桥臂电压Udc·down变化范围为[NmaxVdc，-NminusVdc]；
5)如融冰回路中的融冰电流小于设计融冰电流Ideicing，则将负向投入子模块SM的个数Nminus加1，相应的正向投入子模块个数Nplus减1；如融冰回路中的融冰电流大于设计融冰电流Ideicing，则将负向投入子模块SM的个数Nminus减1，相应的正向投入子模块个数Nplus加1。
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