CN108899849B - 一种混合型融冰装置及控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合型融冰装置，所述装置包括一个交直流变换器，所述装置还包括三组换流链以及两个切换开关，所述换流链包括至少两个第二子模块，所述第二子模块相互串联；所述三组换流链的一端分别与交直流变换器的A相、B相和C相连接，另一端作为融冰装置的交流输入端；所述两个切换开关中第一切换开关连接交直流变换器的A相和B相，第二切换开关连接交直流变换器的B相和C相，本发明还包括使用该装置的控制方法和控制装置。本发明通过交直流变换器控制结合换流链的控制可实现融冰电流的大范围调节，同时兼具无功补偿功能，成本低，可靠性高，易于实现，性价比高。

Description

一种混合型融冰装置及控制方法和控制装置

技术领域

本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种混合型融冰装置及控制方法和控制装置。

背景技术

冬季由于气温、空气湿度和风速的共同作用，存在着由液态水形成冰的覆冰现象。因此，覆冰是一种特定气象条件下产生的冰冻现象，如果在架空导线上大面积形成覆冰，会导致杆塔倾倒、导线覆冰舞动或断裂，将直接影响架空线路的正常安全运行。目前已有融冰方案均需要增加额外的融冰设备，会增加额外的投资，增加设备占地空间，也增加了系统的复杂性。现有技术中也有电压源换流器融冰的方案，电压源换流器与传统的由晶闸管构成的电流源换流器相比，具有谐波小且可四象限运行的特点，除融冰外可兼做无功补偿装置。但电压源换流器方案直流电压运行范围受限，由于电压源换流器存在由二极管构成的整流桥，无法输出较低电压，而融冰线路的等效电阻存在不确定性，其值的范围较大，因此，采用电压源换流器融冰极有可能造成装置输出过流；也有方案中在电压源换流器的后级增加斩波电路，虽然可以提升一定的运行范围，但是装置的效率和成本大大增加。而传统的由晶闸管构成的电流源换流器可以实现零电压启动。本发明方案结合了电压源型换流器与电流源型换流器的优势，提出一种性价比更高的混合型融冰装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种混合型融冰装置，结合了电压源型换流器与电流源型换流器的优势，并提出了相应的控制方法和控制装置。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

一种混合型融冰装置，所述融冰装置包括一个交直流变换器，其中交直流变换器包括三相，每一相包括上下两个桥臂，上下桥臂的中间连接点作为换流器交流输入的一相，三相分别定义为A相、B相和C相；每相的上桥臂正端相连构成直流正极，与装置的直流输出正端连接，每相的下桥臂负端相连构成直流负极，与装置的直流输出负端连接；其中每个桥臂均包括至少两个含有功率半导体开关器件的第一子模块，所述第一子模块相互串联，所述装置还包括三组换流链以及两个切换开关，所述换流链包括至少两个含有功率半导体开关器件的第二子模块，所述第二子模块相互串联；所述三组换流链的一端分别与交直流变换器的A 相、B相和C相连接，另一端作为融冰装置的交流输入端；所述两个切换开关中第一切换开关连接交直流变换器的A相和B相，第二切换开关连接交直流变换器的B相和C相。

其中，所述装置还包括两个平波电抗器，第一平波电抗器串联连接在直流正极与装置的直流输出正端之间，第二平波电抗器串联连接在直流负极与装置的直流输出负端之间。

其中，所述第一子模块可以为二极管。

其中，所述第一子模块可以为晶闸管。

其中，所述第一子模块可以为由至少两个功率半导体开关器件以及电容构成的半桥模块。

其中，所述第二子模块为由至少四个功率半导体开关器件以及电容构成的全桥模块。

其中，所述切换开关可以为机械开关。

其中，所述切换开关可以为半导体开关。

本发明还包括使用该装置的控制方法

(1)当第一子模块为二极管时，所述装置进入融冰模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：将装置的直流输出端口与融冰线路连接；

步骤2：分开两个切换开关；

步骤3：换流链中的功率半导体开关器件闭锁；

步骤4：启动装置的交流电源，换流链中的功率半导体开关器件解锁，并调节交直流变换器的输入电压；

步骤5：测量融冰电流，当实测融冰电流小于给定值时，调节交直流变换器的输入电压升高，当实测融冰电流大于给定值时，调节交直流变换器的输入电压降低，直至达到融冰电流的给定值；

(2)当第一子模块为晶闸管时，所述装置进入融冰模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：将装置的直流输出端口与融冰线路连接；

步骤2：分开两个切换开关；

步骤3：换流链中的功率半导体开关器件闭锁；

步骤4：启动装置的交流电源，换流链中的功率半导体开关器件解锁，并调节交直流变换器的输入电压，使输入电压低于交直流变换器允许的最大电压；

步骤5：调节交直流变换器中的晶闸管的触发脉冲，升高装置的输出电压，使融冰电流逐渐增加，直至达到融冰电流的给定值。

(3)当装置由融冰模式进入无功补偿模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：闭锁换流链中的功率半导体开关器件；

步骤2：待融冰电流降低至0；

步骤3：闭合两个切换开关；

步骤4：换流链中的功率半导体开关器件解锁；

步骤5：换流链的控制目标切换为无功补偿模式。

本发明同时提出了混合型融冰装置的控制装置，用于融冰装置进入融冰模式时的运行控制，包括切换开关分断单元、开关器件闭锁单元、开关器件解锁单元、调节单元，其中：

所述切换开关分断单元，用于分开两个切换开关，然后启动开关器件闭锁单元；

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于在启动融冰装置的交流电源后，解锁换流链中的功率半导体开关器件，并调节交直流变换器的输入电压，然后启动调节单元；

所述调节单元，测量融冰电流，当实测融冰电流小于给定值时，调节交直流变换器的输入电压升高，当实测融冰电流大于给定值时，调节交直流变换器的输入电压降低，直至达到融冰电流的给定值；

本发明同时提出了混合型融冰装置的控制装置，用于融冰装置进入融冰模式时的运行控制，包括切换开关分断单元、开关器件闭锁单元、开关器件解锁单元、调节单元，其中：

所述切换开关分断单元，用于分开两个切换开关，然后启动开关器件闭锁单元；

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于在启动融冰装置的交流电源后，解锁换流链中的功率半导体开关器件，并调节交直流变换器的输入电压，使输入电压低于交直流变换器允许的最大电压，然后启动调节单元；

所述调节单元，用于调节交直流变换器中的晶闸管的触发脉冲，升高融冰装置的输出电压，使融冰电流逐渐增加，直至达到融冰电流的给定值。

本发明同时提出了混合型融冰装置的控制装置，用于融冰装置由融冰模式进入无功补偿模式时的运行控制，包括开关器件闭锁单元、切换开关闭合单元、开关器件解锁单元，其中：

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动切换开关闭合单元；

所述切换开关闭合单元，用于待融冰电流降低至0，闭合两个切换开关，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于解锁换流链中的功率半导体开关器件；换流链的控制目标切换为无功补偿模式。

本发明的有益效果：

1、本发明提出了一种混合型融冰装置，装置换流链串联在交直流变换器的前端，可调节交直流变换器的输入电压，可间接调节融冰电流，在启动时，由于融冰线路的等效电阻未知，通过换流链调节电压启动的方式，避免了启动过程中过流冲击，损坏装置，最大程度降低了启动过程中风险，该方式成本低，简单实用。

2、本发明的换流链由全桥子模块构成，具备电压源换流器的优势，可调节电压，增加融冰电流调节范围，同时可消除后级的晶闸管换流器或二极管换流器的谐波，后级晶闸管电流源型换流器，具备可以零电压启动的优势，二者相互结合，既能够满足融冰电流范围的要求，同时还能保证装置的电能质量满足要求，体现了两种方案优势互补。

3、在融冰线路发生故障时，通过换流链中可关断的功率半导体开关器件的快速闭锁，将故障电流迅速清除，提高了装置运行的可靠性。

4、装置还具备无功补偿的功能，在不需要融冰时，通过切换开关闭合，装置可方便的重构为星型链式无功补偿装置的结构，提高了设备利用率。

5、装置成本低：前面的换流链采用全桥子模块，该部分成本较高、数量较少，后面的交直流变换器由成本低的二极管整流器或晶闸管构成，使得装置的总成本低，性价比高。

附图说明

图1为本发明的混合型融冰装置的拓扑结构。

图2为本发明的混合型融冰装置第一子模块的第一实施例。

图3为本发明的混合型融冰装置第一子模块的第二实施例。

图4为本发明的混合型融冰装置第一子模块的第三实施例。

图5为本发明的混合型融冰装置第二子模块的一种实施例。

图中标号名称：1、交直流变换器；2、换流链；3、切换开关；4、平波电抗； 5、融冰线路等效电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种混合型融冰装置，所述融冰装置包括一个交直流变换器1，其中交直流变换器包括三相，每一相包括上下两个桥臂，上下桥臂的中间连接点作为换流器交流输入的一相，三相分别定义为A相、B相和C相；每相的上桥臂正端相连构成直流正极，与装置的直流输出正端连接，每相的下桥臂负端相连构成直流负极，与装置的直流输出负端连接；其中每个桥臂均包括至少两个含有功率半导体开关器件的第一子模块X，所述第一子模块相互串联，所述装置还包括三组换流链2以及两个切换开关3，所述换流链包括至少两个含有功率半导体开关器件的第二子模块Y，所述第二子模块相互串联；所述三组换流链的一端分别与交直流变换器的A相、B相和C相连接，另一端作为融冰装置的交流输入端；所述两个切换开关中第一切换开关连接交直流变换器的A相和B相，第二切换开关连接交直流变换器的B相和C相。

其中，所述装置还包括两个平波电抗器4，第一平波电抗器串联连接在直流正极与装置的直流输出正端之间，第二平波电抗器串联连接在直流负极与装置的直流输出负端之间。

如图2所示，所述第一子模块可以为二极管。

举例说明上述方案，当第一子模块为二极管时，所述交直流变换器为由二极管构成的不控整流型的变换器，此时直流电压依靠前级的换流链调节，输入的交流电源电压通过换流链调节后，使得交直流变换器的输入电压在合适的范围，二极管整流桥不具备电压调节能力，因此输出的交直流变换器的直流电压随输入电压的变化而变化，融冰电流也会随之变化。

具体说明：系统参数如下：装置输入的交流侧电压为35kV，所需要的线路融冰电流为5kA。融冰线路等效电阻5为6Ω。

此时可以计算所需融冰直流电压为30kV，计算可得交直流变换器的输入电压约为21kV，此时要求交流链的电压调节范围应高于(35-21＝14)kV，即-14kV～ +14kV，在本实施中涉及交流链的电压调节范围为-15kV～+15kV，即此时交直流换流器的输入电压范围变为20kV～50kV,当融冰电流为5kA时，适应的融冰线路等效电阻为5.6Ω～14Ω。

由此可以看出，采用该方案控制简单，通过调节换流链即可实现融冰电流值，在设计时可以根据融冰线路电阻的范围设计换流链中子模块的数量。

由于二极管整流电路存在谐波，而换流链中是有IGBT全桥电路构成，因此该谐波可以由换流链消除，使整个装置的交流输入电流电能质量满足要求。

在该方案中，二极管整流桥负责实现交直流变换，换流链负责实现融冰电流调节以及谐波消除，将二者的优势相结合，使装置的性能获得较大的提升。

如图3所示，所述第一子模块可以为晶闸管。

举例说明上述方案，当第一子模块为晶闸管时，所述交直流变换器为可控的整流型变换器，由于晶闸管整流可以通过调节触发脉冲，调节输出直流电压，可以实现电压从0调节，因此，在这种方案中，前级的换流链数量可以很少，此时换流链的主要作用是消除谐波，同时，还能够一定程度上提高装置的输出电压，提升融冰电流范围。

如图4所示，所述第一子模块可以为由至少两个功率半导体开关器件以及电容构成的半桥模块。

如图5所示，所述第二子模块为由至少四个功率半导体开关器件以及电容构成的全桥模块。

其中，所述切换开关可以为机械开关。

其中，所述切换开关可以为半导体开关。

本发明还包括使用该装置的控制方法：

(1)当第一子模块为二极管时，所述装置进入融冰模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：将装置的直流输出端口与融冰线路连接；

步骤2：分开两个切换开关；

步骤3：换流链中的功率半导体开关器件闭锁；

步骤4：启动装置的交流电源，换流链中的功率半导体开关器件解锁，并调节交直流变换器的输入电压；

步骤5：测量融冰电流，当实测融冰电流小于给定值时，调节交直流变换器的输入电压升高，当实测融冰电流大于给定值时，调节交直流变换器的输入电压降低，直至达到融冰电流的给定值；

(2)当第一子模块为晶闸管时，所述装置进入融冰模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：将装置的直流输出端口与融冰线路连接；

步骤2：分开两个切换开关；

步骤3：换流链中的功率半导体开关器件闭锁；

步骤4：启动装置的交流电源，换流链中的功率半导体开关器件解锁，并调节交直流变换器的输入电压，使输入电压低于交直流变换器允许的最大电压；

步骤5：调节交直流变换器中的晶闸管的触发脉冲，升高装置的输出电压，使融冰电流逐渐增加，直至达到融冰电流的给定值。

(3)当装置由融冰模式进入无功补偿模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：闭锁换流链中的功率半导体开关器件；

步骤2：待融冰电流降低至0；

步骤3：闭合两个切换开关；

步骤4：换流链中的功率半导体开关器件解锁；

步骤5：换流链的控制目标切换为无功补偿模式。

本发明同时提出了混合型融冰装置的控制装置，用于融冰装置进入融冰模式时的运行控制，包括切换开关分断单元、开关器件闭锁单元、开关器件解锁单元、调节单元，其中：

所述切换开关分断单元，用于分开两个切换开关，然后启动开关器件闭锁单元；

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于在启动融冰装置的交流电源后，解锁换流链中的功率半导体开关器件，并调节交直流变换器的输入电压，然后启动调节单元；

所述调节单元，测量融冰电流，当实测融冰电流小于给定值时，调节交直流变换器的输入电压升高，当实测融冰电流大于给定值时，调节交直流变换器的输入电压降低，直至达到融冰电流的给定值；

本发明同时提出了混合型融冰装置的控制装置，用于融冰装置进入融冰模式时的运行控制，包括切换开关分断单元、开关器件闭锁单元、开关器件解锁单元、调节单元，其中：

所述切换开关分断单元，用于分开两个切换开关，然后启动开关器件闭锁单元；

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于在启动融冰装置的交流电源后，解锁换流链中的功率半导体开关器件，并调节交直流变换器的输入电压，使输入电压低于交直流变换器允许的最大电压，然后启动调节单元；

所述调节单元，用于调节交直流变换器中的晶闸管的触发脉冲，升高融冰装置的输出电压，使融冰电流逐渐增加，直至达到融冰电流的给定值。

本发明同时提出了混合型融冰装置的控制装置，用于融冰装置由融冰模式进入无功补偿模式时的运行控制，包括开关器件闭锁单元、切换开关闭合单元、开关器件解锁单元，其中：

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动切换开关闭合单元；

所述切换开关闭合单元，用于待融冰电流降低至0，闭合两个切换开关，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于解锁换流链中的功率半导体开关器件；换流链的控制目标切换为无功补偿模式。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种混合型融冰装置，其特征在于，所述融冰装置包括一个交直流变换器，其中交直流变换器包括三相，每一相包括上下两个桥臂，上下桥臂的中间连接点作为交直流变换器交流输入的一相，三相分别定义为A相、B相和C相；每相的上桥臂正端相连构成直流正极，与装置的直流输出正端连接，每相的下桥臂负端相连构成直流负极，与装置的直流输出负端连接；其中每个桥臂均包括至少两个含有功率半导体开关器件的第一子模块，所述第一子模块相互串联，所述装置还包括三组换流链以及两个切换开关，所述换流链包括至少两个含有功率半导体开关器件的第二子模块，所述第二子模块相互串联；所述三组换流链的一端分别与交直流变换器的A相、B相和C相连接，另一端作为融冰装置的交流输入端；所述两个切换开关中第一切换开关连接交直流变换器的A相和B相，第二切换开关连接交直流变换器的B相和C相。

2.如权利要求1所述的一种混合型融冰装置，其特征在于：所述装置还包括两个平波电抗器，第一平波电抗器串联连接在直流正极与装置的直流输出正端之间，第二平波电抗器串联连接在直流负极与装置的直流输出负端之间。

3.如权利要求1所述的一种混合型融冰装置，其特征在于：所述第一子模块为二极管。

4.如权利要求1所述的一种混合型融冰装置，其特征在于：所述第一子模块为晶闸管。

5.如权利要求1所述的一种混合型融冰装置，其特征在于：所述第一子模块为由至少两个功率半导体开关器件以及电容构成的半桥模块。

6.如权利要求1所述的一种混合型融冰装置，其特征在于：所述第二子模块为由至少四个功率半导体开关器件以及电容构成的全桥模块。

7.如权利要求1所述的一种混合型融冰装置，其特征在于：所述切换开关为机械开关。

8.如权利要求1所述的一种混合型融冰装置，其特征在于：所述切换开关为半导体开关。

9.一种基于权利要求3所述混合型融冰装置的控制方法，其特征在于：当融冰装置进入融冰模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：将装置的直流输出端口与融冰线路连接；

步骤2：分开两个切换开关；

步骤3：换流链中的功率半导体开关器件闭锁；

步骤4：启动装置的交流电源，换流链中的功率半导体开关器件解锁，并调节交直流变换器的输入电压；

步骤5：测量融冰电流，当实测融冰电流小于给定值时，调节交直流变换器的输入电压升高，当实测融冰电流大于给定值时，调节交直流变换器的输入电压降低，直至达到融冰电流的给定值。

10.一种基于权利要求4所述混合型融冰装置的控制方法，其特征在于：当融冰装置进入融冰模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：将装置的直流输出端口与融冰线路连接；

步骤2：分开两个切换开关；

步骤3：换流链中的功率半导体开关器件闭锁；

步骤4：启动装置的交流电源，换流链中的功率半导体开关器件解锁，并调节交直流变换器的输入电压，使输入电压低于交直流变换器允许的最大电压；

步骤5：调节交直流变换器中的晶闸管的触发脉冲，升高装置的输出电压，使融冰电流逐渐增加，直至达到融冰电流的给定值。

11.一种基于权利要求1-8任一项所述混合型融冰装置的控制方法，其特征在于：当融冰装置由融冰模式进入无功补偿模式时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：闭锁换流链中的功率半导体开关器件；

步骤2：待融冰电流降低至0；

步骤3：闭合两个切换开关；

步骤4：换流链中的功率半导体开关器件解锁；

步骤5：换流链的控制目标切换为无功补偿模式。

12.一种基于权利要求3所述混合型融冰装置的控制装置，其特征在于：所述控制装置用于融冰装置进入融冰模式时的运行控制，包括切换开关分断单元、开关器件闭锁单元、开关器件解锁单元、调节单元，其中：

所述切换开关分断单元，用于分开两个切换开关，然后启动开关器件闭锁单元；

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于在启动融冰装置的交流电源后，解锁换流链中的功率半导体开关器件，并调节交直流变换器的输入电压，然后启动调节单元；

所述调节单元，测量融冰电流，当实测融冰电流小于给定值时，调节交直流变换器的输入电压升高，当实测融冰电流大于给定值时，调节交直流变换器的输入电压降低，直至达到融冰电流的给定值。

13.一种基于权利要求4所述混合型融冰装置的控制装置，其特征在于：所述控制装置用于融冰装置进入融冰模式时的运行控制，包括切换开关分断单元、开关器件闭锁单元、开关器件解锁单元、调节单元，其中：

所述切换开关分断单元，用于分开两个切换开关，然后启动开关器件闭锁单元；

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于在启动融冰装置的交流电源后，解锁换流链中的功率半导体开关器件，并调节交直流变换器的输入电压，使输入电压低于交直流变换器允许的最大电压，然后启动调节单元；

所述调节单元，用于调节交直流变换器中的晶闸管的触发脉冲，升高融冰装置的输出电压，使融冰电流逐渐增加，直至达到融冰电流的给定值。

14.一种基于权利要求1-8任一项所述混合型融冰装置的控制装置，其特征在于：所述控制装置用于融冰装置由融冰模式进入无功补偿模式时的运行控制，包括开关器件闭锁单元、切换开关闭合单元、开关器件解锁单元，其中：

所述开关器件闭锁单元，用于闭锁换流链中的功率半导体开关器件，然后启动切换开关闭合单元；

所述切换开关闭合单元，用于待融冰电流降低至0，闭合两个切换开关，然后启动开关器件解锁单元；

所述开关器件解锁单元，用于解锁换流链中的功率半导体开关器件；换流链的控制目标切换为无功补偿模式。

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