CN107546698A - 一种基于mmc拓扑结构的直流融冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，包括两级三相桥式换流单元，三相桥式换流单元每一相的上桥臂和下桥臂中均串设有功率模块阀组；每级三相桥式换流单元的交流侧用于连接一台变压器，第一级三相桥式换流单元的直流侧负极与第二级三相桥式换流单元的直流侧正极之间串设有串联开关，两级三相桥式换流单元的正极之间串设有正极并联开关，两级三相桥式换流单元的负极之间串设有负极并联开关。本发明的两级三相桥式换流单元通过开关实现串并联使用，可以满足多种电压等级不同线路的融冰需求，适用性较强。

Description

一种基于MMC拓扑结构的直流融冰装置

技术领域

本发明涉及一种基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，属于直流输电技术领域。

背景技术

目前，直流线路融冰主要采用晶闸管和二极管式结构，二极管式结构简单，但不可控，且仅在覆冰季节使用，使用周期长；晶闸管式结构较为成熟，且在非融冰季节可以作为无功补偿装置应用于直流输电系统中，提高了装置的使用率，但作为电流源型直流融冰技术及装置时换相失败问题较为突出。

近年来，以全控型器件IGBT为基础的电压源换流器型高压直流输电迅速发展，具有控制灵活、可以供电无源网络等优势。基于子模块单元的模块化多电平换流器在柔性直流输电系统中具有很大优势，并得到广泛研究。公布号为CN105245119A的中国专利文件公开了一种基于混合型模块化多电平变换器的直流融冰装置，该融冰装置以三相混合型模块化多电平变换器为主电路，每相由级联半桥型子模块和全桥型子模块混合而成。该融冰装置具有节省电能、实现从零到最大值之间连续可调的优点，但是，由于受国内外IGBT技术限制，例如目前IGBT模块最大电流为3600A时，电压最大只有1700V；IGBT模块最大电压为6500V时，电流最大只有750A，该融冰装置最大输出电流有限，并且串联的子模块个数多，成本较高，不能满足多种电压等级不同线路的融冰需求，适应性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，用于解决现有的融冰装置不能满足多种电压等级不同线路的融冰需求这一技术问题。

为解决上述技术问题，本发明而提供了一种基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，包括两级三相桥式换流单元，所述三相桥式换流单元每一相的上桥臂和下桥臂中均串设有功率模块阀组；每级三相桥式换流单元的交流侧用于连接一台变压器，第一级三相桥式换流单元的直流侧负极与第二级三相桥式换流单元的直流侧正极之间串设有串联开关，两级三相桥式换流单元的正极之间串设有正极并联开关，两级三相桥式换流单元的负极之间串设有负极并联开关。

进一步的，所述三相桥式换流单元每一相的上桥臂和下桥臂中均串设有电抗器。

进一步的，所述功率模块阀组包括至少两个串联连接的半桥型子模块、全桥型子模块或者半桥子模块和全桥子模块的混合结构。

进一步的，所述半桥型子模块包括半桥直流支撑电容、半桥均压电阻和两个带反并联二极管的全控型功率开关器件，两全控型功率开关器件同向串联后与所述半桥直流支撑电容和半桥均压电阻并联；所述全桥型子模块包括全桥直流支撑电容、全桥均压电阻和四个带反并联二极管的全控型功率开关器件，所述全控型功率开关器件两两同向串联后均与所述全桥直流支撑电容和全桥均压电阻并联。

进一步的，所述半桥型子模块或全桥型子模块的两端还并联有旁路开关。

进一步的，所述全控型功率开关器件为IGBT。

本发明的有益效果是：

本发明的直流融冰装置包括两级三相桥式换流单元，在作为直流融冰时，根据线路电压等级和计算的线路融冰电流，三相桥式换流单元可以通过串联开关实现串联使用，或者通过并联开关实现并联使用，可以满足多种电压等级不同线路的融冰需求，适用性较强；另外，通过控制串联开关和并联开关的通断，两级三相桥式换流单元还可以作为柔性直流输电或潮流控制器使用，提高了设备利用率。

通过控制每相桥臂中半桥型子模块或全桥型子模块两端并联的旁路开关，可以实现输出电压从零到最大值之间的调节，以满足不同线路的融冰需求。

附图说明

图1是本发明基于MMC拓扑结构的直流融冰装置的电路原理图；

图2是半桥型子模块的电路原理图；

图3是全桥型子模块的电路原理图；

图4是压接式IGBT结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明基于MMC拓扑结构的直流融冰装置的电路结构图如图1所示，包括两级三相桥式换流单元，三相桥式换流单元每一相包括串联连接的上桥臂和下桥臂，6个桥臂组成一个三相桥式换流单元，该三相桥式换流单元又称为MMC拓扑。

其中上桥臂中串设有上桥臂功率模块阀组和上桥臂电抗器，下桥臂中串设有下桥臂功率模块阀组和下桥臂电抗器。三相桥式换流单元每一相的上桥臂和下桥臂的串联端用于连接变压器，三相桥式换流单元每一相的上桥臂的非串联端连接在一起作为正极直流母线(直流侧正极)，每一相的下桥臂的非串联端连接在一起作为负极直流母线(直流侧负极)。第二级三相桥式换流单元的正极直流母线与第一级三相桥式换流单元的负极直流母线之间串设有串联开关KS1，两级三相桥式换流单元的正极直流母线之间串设有正极并联开关KS2，两级三相桥式换流单元的负极直流母线之间串设有负极并联开关KS3。

具体的，上桥臂功率模块阀组和下桥臂功率模块阀组均由n个半桥型子模块首尾串联而成，对于上桥臂功率模块阀组，从上到下分别为第1个、第2个、…、第n个半桥型子模块；对于下桥臂功率模块阀组，从下到上分别为第1个、第2个、…、第n个半桥型子模块，其中n为2的整数倍。半桥型子模块的电路原理图如图2所示，包括半桥直流支撑电容C₁、半桥均压电阻R₁和两个带反并联二极管的IGBT(T₁和T₂)，T₁和T₂同向串联后与半桥直流支撑电容C₁和半桥均压电阻R₁并联，T₂的两端分别作为半桥型子模块的两输出端。每个半桥型子模块的最大输出电压为u_sm，最大输出电流为i_sm。当T₁导通时，该半桥型子模块输出电压为u_sm，子模块为投入状态；当T₂导通时，该半桥型子模块输出电压为0，子模块为切除状态。当然，该半桥型子模块中的IGBT也可以替换为IGCT等其他全控型功率器件，各半桥型子模块的两输出端之间还并联有旁路开关。

当两级三相桥式换流单元的6个桥臂均由半桥型子模块构成时，每级三相桥式换流单元的输出最大直流电压均为nu_sm，输出直流电流分别为i_dc1和i_dc2。两级三相桥式换流单元可串可并，当两级三相桥式换流单元串联时，闭合开关KS1，输出总电压最大为2nu_sm，总电流为i_dc＝i_dc1＝i_dc2；当两级三相桥式换流单元并联时，闭合开关KS2和KS3，输出总电压最大为nu_sm，总电流为i_dc＝i_dc1+i_dc2。

当然，作为其他的实施方式，上述的半桥型子模块也可以替换成全桥型子模块等现有技术中的其他功率子模块，其中全桥型子模块的电路原理图如图3所示，包括全桥直流支撑电容C₂、全桥均压电阻R₂和四个带反并联二极管的IGBT(T₃、T₄、T₅和T₆)，T₃和T₄同向串联，T₅和T₆同向串联，然后均与全桥直流支撑电容C₂和全桥均压电阻R₂并联，T₃和T₄的串联端以及T₅和T₆的串联端分别作为全桥型子模块的两输出端。每个全桥型子模块的输出电压的范围为-u_sm～+u_sm，输出电流范围为-i_sm～+i_sm。同样的，该全桥型子模块中的IGBT也可以替换为IGCT等其他全控型功率器件，全桥型子模块的两输出端之间也并联有旁路开关。

另外，每级三相桥式换流单元也可以采用半桥型子模块和全桥型子模块混合的形式，例如，三相桥式换流单元每相的上桥臂为半桥型子模块，每相的下桥臂为全桥型子模块；或者是每相的上桥臂为全桥型子模块，每相的下桥臂为半桥型子模块；或者6个桥臂均为半桥子模块和全桥子模块混合结构，半桥子模块和全桥子模块比例根据实际情况而定。并且，整个直流融冰装置中三相桥式换流单元的级数也不局限于两级，也可以是4级、6级等，可以根据实际情况进行设置，并设置相应的开关，以实现各级三相桥式换流单元的串并联工作。

在融冰季节时作为融冰装置时，融冰装置的两级三相桥式换流单元作为整流桥结构，在第一级三相桥式换流单元的正极直流母线和第二级三相桥式换流单元的负极直流母线之间连接待融冰线路，根据线路电压等级和计算的线路融冰电流，确定装置的输出电压和电流，从而确定装置的串并联连接方式以及要投入的子模块个数。

在非融冰季节时可作为柔性直流输电使用，此时断开开关KS1、KS2和KS3，将每级三相桥式换流单元的直流侧接入输电线路，可同时用于城市配电或孤岛送电等。

在非融冰季节时还可作为潮流控制器使用，此时闭合开关KS2和KS3，两级三相桥式换流单元的一端将变压器并联接入输电线路，另一端将变压器串联接入线路，通过调节线路阻抗、线路电压的幅值和相角，以提高输电线路的稳定性。由于潮流控制器与线路的连接方式属于现有技术，此处不再赘述。

当融冰线路或者输电线路的电流较大时，由于单个IGBT电压和电流受技术条件限制，此时需要将图1中T₁和T₂改为压接式IGBT结构，其结构示意图如图4所示。根据直流侧电流和交流侧电流大小，计算出桥臂电流；再根据桥臂电压、电流应力及冗余度等，进一步计算出IGBT串并联个数。由于压接式IGBT结构属于现有技术，此处不再赘述。

本发明的基于MMC拓扑结构的直流融冰装置采用最近电平逼近调试方式，控制灵活，控制系统反应快，可调节范围大，集成度高；电压、电流谐波含量低，功率因数高；不仅为输电线路的覆冰难题提供了一种更为有效的高技术手段，还可在非融冰季节作为柔性直流输电或潮流控制器使用，具有电压调节、串联补偿和移相等功能，用来提高输电线路的稳定性；可实现“冬天融冰、夏天输电”功能，大大提高了设备利用率，为输电线路融冰和城市输电提供一种新的技术手段。

Claims (6)

1.一种基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，其特征在于，包括两级三相桥式换流单元，所述三相桥式换流单元每一相的上桥臂和下桥臂中均串设有功率模块阀组；每级三相桥式换流单元的交流侧用于连接一台变压器，第一级三相桥式换流单元的直流侧负极与第二级三相桥式换流单元的直流侧正极之间串设有串联开关，两级三相桥式换流单元的正极之间串设有正极并联开关，两级三相桥式换流单元的负极之间串设有负极并联开关。

2.根据权利要求1所述的基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，其特征在于，所述三相桥式换流单元每一相的上桥臂和下桥臂中均串设有电抗器。

3.根据权利要求1或2所述的基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，其特征在于，所述功率模块阀组包括至少两个串联连接的半桥型子模块、全桥型子模块或者半桥子模块和全桥子模块的混合结构。

4.根据权利要求3所述的基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，其特征在于，所述半桥型子模块包括半桥直流支撑电容、半桥均压电阻和两个带反并联二极管的全控型功率开关器件，两全控型功率开关器件同向串联后与所述半桥直流支撑电容和半桥均压电阻并联；所述全桥型子模块包括全桥直流支撑电容、全桥均压电阻和四个带反并联二极管的全控型功率开关器件，所述全控型功率开关器件两两同向串联后均与所述全桥直流支撑电容和全桥均压电阻并联。

5.根据权利要求3所述的基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，其特征在于，所述半桥型子模块或全桥型子模块的两端还并联有旁路开关。

6.根据权利要求4所述的基于MMC拓扑结构的直流融冰装置，其特征在于，所述全控型功率开关器件为IGBT。