CN106953287A - 混合型多功能直流大电流融冰装置 - Google Patents

混合型多功能直流大电流融冰装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高压输配电系统技术领域，结构简单，使用方便。混合型多功能直流大电流融冰装置的全桥MMC换流器、晶闸管型直流融冰装置的交流侧分别连接到电源的交流母线；晶闸管型直流融冰装置的直流侧正、负极通过刀闸K4及直流平波电抗器连接到正、负极直流母线；全桥MMC换流器的直流侧正极通过刀闸K1连接到正极直流母线，全桥MMC换流器的直流侧负极通过刀闸K2连接到负极直流母线；刀闸K3跨接在正、负极直流母线之间，刀闸K6的两端分别连接在刀闸K4与直流平波电抗器之间的节点、刀闸K5与直流平波电抗器之间；正、负极直流母线通过刀闸K7、K8连接到被融冰的输电线路的其中两相，被融冰的输电线路末端的A、B、C相短接。

Description

混合型多功能直流大电流融冰装置
技术领域
本发明属于高压输配电系统技术领域，具体涉及一种基于全桥MMC换流器和晶闸管整流器的混合型多功能直流大电流融冰装置。
背景技术
目前，因输电线路结冰和积雪而造成高压输电线断线和倒塔、倒杆的事故时有发生，高压输电线路断线和倒塔事故严重影响了电网的安全运行，造成大面积停电事故。为了防止这类事故的发生，必须及时将导线上的结冰和积雪化掉，目前主要采取机械(振动)式、电热式两大类的融冰方法。机械(振动)式融冰，即采用振动导线的方法使冰雪脱落，其特点是简单操作，无需浪费电能，但其缺点是必须逐档进行，速度慢，而且在地面结冰和积雪严重的情况下，往往因为交通问题而不能到达高山上的输电线路而无法进行操作。电热式融冰技术，即利用将线路末端短路而产生的大电流将导线加热而达到融冰的目的，和机械(振动)式融冰方法相比，电热式融冰技术的优点是融冰速度较快，不受路面结冰和积雪的影响，但需耗费一定的电能和配置相关的配套装置。
现在普遍采用电热式融冰技术有交流大电流融冰技术和直流大电流融冰技术。由于直流大电流融冰技术的具有融冰电源容量小、融冰电流平滑可调、融冰时对系统冲击很小等优点得到电力系统的广泛应用。其缺点是需要另外配备整流和滤波装置，并且因为线路严重结冰的现象并不常见，这些装置的利用率较低。中国专利200810060026.X和200810120372.2公开了两类能将直流大电流融冰技术和静态无功补偿技术(SVC)相结合的装置，有效地提高了设备利用率，并且由于采用晶闸管为功率器，因此具有很高的融冰电流。但是上述发明的两类装置里均需要配置大量的基于电容器和电抗器的无源滤波器，因此存在占地面积大、融冰时无功功率变化大、容易产生谐波谐振等问题。中国专利201110362882.2公开了一种基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置，该发明装置将融冰功能和STATCOM功能结合起来，但是，该发明存在如下缺点：1)该装置需要一个降压变压器，增加了损耗和成本；2)因为电路结构的限制，该发明装置的直流电压可调范围小，从而要求所有被融冰输电线路的长度大致相同，但往往一个变电站的输电线路的长度并不是大致相同的，因此该发明装置不能对变电站的所有输电线路进行融冰。中国专利ZL201320048177.X公开了一种基于级联型电压源型换流器(全桥MMC换流器)的融冰兼STATCOM技术，较成功地解决了上述问题。但是由于该技术采用IGBT为功率器件，其融冰电流受到了一定的限制。另外，我国现有的直流融冰装置每年在入冬时均要进行带输电线路的融冰演练以确保设备的正常工作，该演练带来两个问题：1)由于演练时需要停运输电线路，降低了电网的安全可靠性；2)造成了大量的电能浪费(每次演练均要消耗几万到几十万度电)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种混合型多功能直流大电流融冰装置，可以实现：直流大电流融冰、装置不带输电线路的零功率试验、装置不带输电线路的满功率试验、APF(有源电力滤波器)和STATCOM(静止同步补偿器)的功能，而且具有结构简单，使用方便的技术特点。
本发明采用的技术方案是：
混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：包括一个全桥MMC换流器、一个晶闸管型直流融冰装置、一组直流平波电抗器以及一组刀闸；全桥MMC换流器的交流侧和晶闸管型直流融冰装置的交流侧分别连接到电源的交流母线上；晶闸管型直流融冰装置的直流侧正极通过刀闸K4及直流平波电抗器连接到正极直流母线上，晶闸管型直流融冰装置的直流侧负极通过刀闸K5及直流平波电抗器连接到负极直流母线上；全桥MMC换流器的直流侧正极通过刀闸K1连接到正极直流母线上，全桥MMC换流器的直流侧负极通过刀闸K2连接到负极直流母线上；刀闸K3跨接在正、负极直流母线之间，刀闸K6的两端分别连接在刀闸K4与直流平波电抗器之间的节点、刀闸K5与直流平波电抗器之间；正极直流母线通过刀闸K7连接到被融冰的输电线路的其中一相，负极直流母线通过刀闸K8连接到被融冰的输电线路的另一相，被融冰的输电线路末端的A、B、C相短接。
进一步地，融冰时，刀闸K1、K2、K4、K5、K7、K8合上，刀闸K3、K6打开，晶闸管型直流融冰装置和全桥MMC换流器均工作在整流状态，共同向被融冰的输电线路提供直流融冰电流；全桥MMC换流器同时还工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。具体是：融冰时，全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置同时工作在整流状态，从而提高了融冰电流，并且全桥MMC换流器的交流侧能够独立控制对晶闸管型直流融冰装置产生的谐波电流和无功功率进行补偿。因此交流侧不需要配置无源滤波装置，大大降低了占地面积。
进一步地，融冰时，刀闸K1、K2、K7、K8合上，刀闸K3、K4、K5、K6打开，晶闸管型直流融冰装置不工作，仅全桥MMC换流器工作在整流状态，向被融冰的输电线路提供直流融冰电流。
进一步地，融冰时，刀闸K4、K5、K7、K8合上，刀闸K1、K2、K5、K6打开，仅晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态，向被融冰的输电线路提供直流融冰电流，全桥MMC换流器仅工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。
进一步地，晶闸管型直流融冰装置的零功率试验时，刀闸K3、K4、K5合上，刀闸K1、K2、K6、K7、K8打开，调节晶闸管型直流融冰装置的直流侧输出电流到其额定值，全桥MMC换流器仅工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。具体是：通过控制软件系统的切换使晶闸管型直流融冰装置工作在零功率工作状态(直流输出电流为额定电流，平均直流输出电压为0)；通过控制软件系统的切换使全桥MMC换流器工作在APF和STATCOM工作状态，对晶闸管型直流融冰装置试验时产生的谐波和无功电流进行主动补偿，使得试验时不对交流系统产生谐波污染和无功需求。
进一步地，全桥MMC换流器的零功率试验时，刀闸K1、K2、K6合上，刀闸K3、K4、K5、K7、K8打开，调节全桥MMC换流器的直流侧输出电流到其额定值。具体是：通过控制软件系统的切换使全桥MMC换流器工作在零功率工作状态(直流输出电流为额定电流，平均直流输出电压为0，交流侧输入电流为0)。
进一步地，同时做全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置的不带输电线路的满功率试验时，刀闸K1、K2、K4、K5合上，刀闸K3、K6、K7、K8打开,晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态，且晶闸管型直流融冰装置输出额定直流电压和电流，全桥MMC换流器工作在逆变状态，将直流侧功率逆变后回馈至交流侧电网；全桥MMC换流器同时还工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波电流，并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的无功电流。具体是：通过控制软件系统的切换，控制晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态且输出额定直流电压和额定直流，控制全桥MMC换流器工作在逆变状态将直流功率逆变后馈入交流母线，从而实现了对晶闸管型直流融冰装置和全桥MMC换流器的不带输电线路的满功率试验。同时还控制全桥MMC换流器的交流侧输出，对晶闸管型直流融冰装置产生的谐波和无功电流进行主动补偿，使得试验时不对交流系统产生谐波污染和无功需求。
进一步地，刀闸K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8全部打开，全桥MMC换流器作为有源电力滤波器和静止同步无功补偿器运行。具体是：刀闸全部打开后，构成APF和STATCOM主电路(仅全桥MMC换流器接在交流母线上)；通过控制软件系统的切换使全桥MMC换流器工作在APF和STATCOM工作状态，作为有源电力滤波器和静止同步无功补偿器运行，以确保交流系统的电能质量。
本发明的有益效果如下：由于该发明技术将基于晶闸管的直流融冰技术和基于IGBT的全桥MMC换流器技术有机结合起来，从而很好地解决了：1)单一基于晶闸管的直流融冰技术在融冰时的谐波和无功功率问题,以及占地面积的问题；2)单一基于IGBT的直流融冰技术在融冰时的直流电流受限问题；3)融冰装置试验时的电网可靠性问题和能耗问题；4)设备的使用效率问题；整体结构简单，使用范围广。
附图说明
图1是本发明的整体电路结构示意图。
图2是图1中全桥MMC换流器的电气主接线结构示意图。
图3是图2中全桥电路的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明“混合型多功能直流大电流融冰装置”包括：一个全桥MMC换流器1、一个晶闸管型直流融冰装置5、一组直流平波电抗器6以及一组刀闸K1～K8。全桥MMC换流器的交流侧和晶闸管型直流融冰装置的交流侧分别连接到电源的三相交流母线3上。晶闸管型直流融冰装置的直流侧正极通过刀闸K4及直流平波电抗器连接到正极直流母线4-1上，晶闸管型直流融冰装置的直流侧负极通过刀闸K5及直流平波电抗器连接到负极直流母线4-2上。全桥MMC换流器的直流侧正极通过刀闸K1连接到正极直流母线上，全桥MMC换流器的直流侧负极通过刀闸K2连接到负极直流母线上。刀闸K3跨接在正、负极直流母线之间，刀闸K6的两端分别连接在刀闸K4与直流平波电抗器之间的节点、刀闸K5与直流平波电抗器之间。正极直流母线通过刀闸K7连接到被融冰的输电线路的其中一相(例如图1中的A相)，负极直流母线通过刀闸K8连接到被融冰的输电线路的另一相(例如图1中的B相)，被融冰的输电线路末端的A、B、C相短接。
下面举例说明本发明的几种工作模式。
融冰时：刀闸K1、K2、K4、K5、K7、K8合上，刀闸K3、K6打开，晶闸管型直流融冰装置和全桥MMC换流器均工作在整流状态向被融冰的输电线路共同提供直流融冰电流；全桥MMC换流器还同时工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功率。融冰时也可以将刀闸K1、K2、K7、K8合上，刀闸K3、K4、K5、K6打开，晶闸管型直流融冰装置不工作，仅全桥MMC换流器工作在整流状态向被融冰的输电线路提供直流融冰电流。融冰时还可以将刀闸K4、K5、K7、K8合上，刀闸K1、K2、K5、K6打开，仅晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态向被融冰的输电线路提供直流融冰电流，而全桥MMC换流器仅工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。
做晶闸管型直流融冰装置的零功率试验时：刀闸K3、K4、K5合上，刀闸K1、K2、K6、K7、K8打开，调节晶闸管型直流融冰装置的直流侧输出电流到其额定值，而全桥MMC换流器仅工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。
做全桥MMC换流器的零功率试验时：刀闸K1、K2、K6合上，刀闸K3、K4、K5、K7、K8打开，调节全桥MMC换流器的直流侧输出电流到其额定值。
同时做全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置的不带输电线路的满功率试验时：刀闸K1、K2、K4、K5合上，刀闸K3、K6、K7、K8打开,晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态，且晶闸管型直流融冰装置输出额定直流电压和电流，全桥MMC换流器工作在逆变状态将直流侧功率逆变后回馈至交流侧电网。全桥MMC换流器同时还工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波电流，并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的无功电流。
将刀闸K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8全部打开，全桥MMC换流器可以作为有源电力滤波器(APF)和静止同步无功补偿器(STATCOM)运行。
图2为全桥MMC换流器的电气主接线图，分别由一个正极全桥MMC换流器和一个负极全桥MMC换流器及相应的交流电抗器2构成。MMC换流器的每相均由若干个全桥电路1-1级联构成；全桥电路如图3所示，由四个IGBT器件1-1-1组成全桥。正极全桥MMC换流器和负极全桥MMC换流器的结构以及参数均完全相同。
由于全桥MMC换流器电路中级联全桥电路的数量较多，即使每个全桥电路的输出电压不是很高(受IGBT器件耐压限制)，但整个级联全桥电路的交流侧输出电压的幅值可以达到较高的值，因此该装置可以不需要变压器就可以直接连接到电网中常见的电压等级(如35KV、10KV)；并且其交流侧输出可以采用“阶梯波最近电平逼近”调制技术或“移相PWM”调制技术，可以灵活跟踪电流参考波从而实现:整流、STATCOM和APF功能。不管工作在哪一种工作状态，本发明装置的交流侧电流谐波含量均很低、功率因数接近一，因此本发明的装置不需要在交流侧配置大量的基于电容器和电抗器的无源滤波器，从而大大降低了整个装置的占地面积；同时由于装置可以进行不带输电线路的满功率试验，从而提高了电网的安全可靠性，节约了电能。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：包括一个全桥MMC换流器(1)、一个晶闸管型直流融冰装置(5)、一组直流平波电抗器(6)以及一组刀闸；全桥MMC换流器的交流侧和晶闸管型直流融冰装置的交流侧分别连接到电源的交流母线(3)上；晶闸管型直流融冰装置的直流侧正极通过刀闸K4及直流平波电抗器连接到正极直流母线(4-1)上，晶闸管型直流融冰装置的直流侧负极通过刀闸K5及直流平波电抗器连接到负极直流母线(4-2)上；全桥MMC换流器的直流侧正极通过刀闸K1连接到正极直流母线上，全桥MMC换流器的直流侧负极通过刀闸K2连接到负极直流母线上；刀闸K3跨接在正、负极直流母线之间，刀闸K6的两端分别连接在刀闸K4与直流平波电抗器之间的节点、刀闸K5与直流平波电抗器之间；正极直流母线通过刀闸K7连接到被融冰的输电线路的其中一相，负极直流母线通过刀闸K8连接到被融冰的输电线路的另一相，被融冰的输电线路末端的A、B、C相短接。
2.根据权利要求1所述的混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：融冰时，刀闸K1、K2、K4、K5、K7、K8合上，刀闸K3、K6打开，晶闸管型直流融冰装置和全桥MMC换流器均工作在整流状态，共同向被融冰的输电线路提供直流融冰电流；全桥MMC换流器同时还工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。
3.根据权利要求1所述的混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：融冰时，刀闸K1、K2、K7、K8合上，刀闸K3、K4、K5、K6打开，晶闸管型直流融冰装置不工作，仅全桥MMC换流器工作在整流状态，向被融冰的输电线路提供直流融冰电流。
4.根据权利要求1所述的混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：融冰时，刀闸K4、K5、K7、K8合上，刀闸K1、K2、K5、K6打开，仅晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态，向被融冰的输电线路提供直流融冰电流，全桥MMC换流器仅工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。
5.根据权利要求1所述的混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：晶闸管型直流融冰装置的零功率试验时，刀闸K3、K4、K5合上，刀闸K1、K2、K6、K7、K8打开，调节晶闸管型直流融冰装置的直流侧输出电流到其额定值，全桥MMC换流器仅工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。
6.根据权利要求1所述的混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：全桥MMC换流器的零功率试验时，刀闸K1、K2、K6合上，刀闸K3、K4、K5、K7、K8打开，调节全桥MMC换流器的直流侧输出电流到其额定值。
7.根据权利要求1所述的混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：同时做全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置的不带输电线路的满功率试验时，刀闸K1、K2、K4、K5合上，刀闸K3、K6、K7、K8打开,晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态，且晶闸管型直流融冰装置输出额定直流电压和电流，全桥MMC换流器工作在逆变状态，将直流侧功率逆变后回馈至交流侧电网；全桥MMC换流器同时还工作在有源滤波和无功补偿状态，滤除晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波电流，并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的无功电流。
8.根据权利要求1所述的混合型多功能直流大电流融冰装置，其特征在于：刀闸K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8全部打开，全桥MMC换流器作为有源电力滤波器和静止同步无功补偿器运行。
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