CN210182988U - 一种混合型直流融冰装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种混合型直流融冰装置,包括全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置,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并联联接到电源的交流电源母线上,晶闸管型直流融冰装置的直流侧分别串接刀闸K4、一个直流平波电抗器和刀闸K5、一个直流平波电抗器后连接到直流母线,全桥MMC换流器的直流侧分别串接刀闸K1、一个直流平波电抗器和刀闸K2、一个直流平波电抗器后连接到直流母线,正极直流母线和负极直流母线间搭接有刀闸K3,直流母线连接到被融冰的两条输电线路一端,两条输电线路另一端短接。本实用新型解决了单一融冰装置存在的缺陷,融冰时的电网可靠性更高和能耗更低,设备的使用效率提高。
Description
技术领域
本实用新型属于混合型直流融冰设备技术领域,具体涉及一种混合型直流融冰装置。
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(申请号为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(申请号为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(申请号为201320048177.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
本实用新型要解决的技术问题是:提供一种混合型直流融冰装置,以解决现有技术中存在的问题。
本实用新型采取的技术方案为:一种混合型直流融冰装置,包括全桥MMC 换流器和晶闸管型直流融冰装置,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并联联接到电源的交流电源母线上,晶闸管型直流融冰装置的直流侧输出端正极和负极分别串接刀闸K4、一个直流平波电抗器和刀闸K5、一个直流平波电抗器后连接到正极直流母线和负极直流母线,全桥MMC 换流器的直流侧输出端正极和负极分别串接刀闸K1、一个直流平波电抗器和刀闸K2、一个直流平波电抗器后连接到正极直流母线和负极直流母线,正极直流母线和负极直流母线间搭接有刀闸K3,正极直流母线和负极直流母线分别连接到被融冰的两条输电线路一端,两条输电线路另一端短接。
本实用新型的有益效果:与现有技术相比,本实用新型将晶闸管的直流融冰装置和基于IGBT的全桥MMC换流器的融冰装置有机结合起来,从而很好地解决了:1)单一晶闸管型直流融冰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IGBT的全桥MMC换流器的直流融冰装置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。
附图说明
图1是本实用新型的整体电路结构示意图;
图2是本实用新型中系统控制原理流程图;
图3是本实用新型中全桥MMC换流器直流融冰电流控制原理图;
图4是本实用新型中全桥MMC换流器系统控制原理图;
图5是本实用新型中晶闸管型整流器融冰装置控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍。
实施例:如图1-5所示,一种混合型直流融冰装置,包括全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置,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并联联接到电源的交流电源母线上,晶闸管型直流融冰装置的直流侧输出端正极和负极分别串接刀闸K4、一个直流平波电抗器和刀闸K5、一个直流平波电抗器后连接到正极直流母线和负极直流母线,全桥MMC换流器的直流侧输出端正极和负极分别串接刀闸K1、一个直流平波电抗器和刀闸K2、一个直流平波电抗器后连接到正极直流母线和负极直流母线,正极直流母线和负极直流母线间搭接有刀闸K3,正极直流母线和负极直流母线分别连接到被融冰的两条输电线路一端,两条输电线路另一端短接。
由于该发明将基于晶闸管的直流融冰方法和基于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。
上述一种混合型直流融冰装置的控制方法,该方法为:晶闸管型直流融冰装置采用定直流融冰电流比例积分控制方法:通过将直流母线电流的设定值与实际值相减,经过比例积分环节后输出晶闸管的触发角进行控制。
上述一种混合型直流融冰装置的控制方法,该方法为:全桥MMC换流器的子模块电压控制采用定电压比例积分控制方法:全桥MMC换流器的有功功率控制采用交流侧输入有功功率等于直流侧融冰消耗有功功率的平衡控制方法,全桥MMC换流器将所有模块电压的设定值Vc_ref与实际均值 Vc_abcM_av做差,实际均值Vc_abcM_av即所有子模块电压的均值,将得到的误差信号经过比例积分控制器后得到流入MMC换流器直流系统的有功电流,把流入直流系统的有功电流和实际直流侧功率折算成交流侧电流值 iq_Pdtoac比较,通过PI控制使流入直流系统的有功电流和实际直流侧功率折算成交流侧电流值相等,从而实现有功功率控制,使得从交流系统流入MMC 换流器的有功功率值等于直流侧直流融冰所消耗的直流功率,这样一来就可以保证MMC的电容电压恒定,即忽略开关器件的损耗之下,交流侧流入的有功功率等于直流侧输出的有功功率,则平均来看电容不会充放电。
上述一种混合型直流融冰装置的控制方法,该方法为:全桥MMC换流器的无功功率控制采用定交流侧无功功率控制方法:通过比例积分控制器,补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的无功功率,利用Q=-1.5*iq*uq(iq和uq 分别是电力系统三相交流侧的q轴电流和q轴电压)的数学关系计算出MMC 换流器无功电流的给定值,全桥MMC换流器运行在无功补偿的状态补偿,全桥MMC换流器交流侧无功功率的设定值为零,刚好补偿掉晶闸管融冰装置所带来的无功损耗,设置iq_ref等于0,可实现无功功率补偿的控制目标。
优选的上述一种混合型直流融冰装置的控制方法,该方法为:全桥MMC 换流器滤除晶闸管型融冰装置的六脉可控整流桥带来的特征次谐波的方法:特征次谐波也就是5、7、11、13、15、17……次谐波,由同步坐标变换方法知,三相交流系统的6k±1次谐波经过同步坐标变换后会变成dq坐标系下的 6k次谐波,在Park坐标变换后的工频50Hz同步旋转坐标系设置6、12、18 次比例积分谐振滤波器对特征次谐波进行提取,6k特征次谐波滤波器的表达式如下
式中,Kp是比例积分谐振控制器的比例系数,Ki是比例积分控制器的积分系数,KR,n是比例积分谐振控制器的分子系数,KR2n是比例积分谐振控制器的一次项分母系数,n分别为1、2、3代表对6、12、18次谐波进行补偿,ω是工频角速度即2*π*50;式(1)同时也是有源滤波部分的滤波器传递函数C(s),将谐波分量提取后的d、q轴计算结果叠加在MMC换流器的d、q轴输入信号上,产生与检测到的特征次谐波幅值相等相位相反的谐波,即实现有源滤波功能。
上述一种混合型直流融冰装置的控制方法,该方法为:全桥MMC换流器采用双环直接电流控制方法:MMC换流器的子模块电压和有功功率控制、无功功率控制和有源滤波部分的d轴和q轴电流经过双环电流解耦控制产生全桥MMC换流器的d轴和q轴电压指令信号,电压指令信号经过Park逆变换后加上电压前馈信号和直流融冰定电流控制信号后最终送至载波移相环节,产生MMC换流器的控制触发信号。
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,全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置都采用定直流电流控制策略,按照指令输出直流融冰电流,二者汇合后成为线路总的融冰电流。
通过对交流系统侧无功功率控制为零,全桥MMC换流器可以补偿晶闸管型直流融冰装置产生的无功功率。
通过对对晶闸管型直流融冰装置交流侧电流谐波分量的提取和计算,全桥MMC可以通过有源滤波技术手段补偿直流融冰装置给电网引入的谐波污染。
当装置不需要融冰或试验时,可以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,以确保交流系统的电能质量。
如图1所示,本实用新型“混合型多功能直流大电流融冰装置”由:一个全桥MMC换流器、一个晶闸管型直流融冰装置、一组平波电抗器、一组切换刀闸构成,全桥MMC换流器的交流侧和电流源型直流融冰装置的交流侧并联联接到电源的交流电源母线上;晶闸管型直流融冰装置的直流侧通过刀闸 K4,K5和直流平波电抗器连接到直流母线上;全桥MMC换流器的直流侧通过刀闸K1,K2连接到同一条直流母线上;刀闸K3跨接在直流母线的正负极;直流母线通过刀闸K7,K8连接到被融冰的输电线路的一端,该输电线路的另一端短接。
融冰时:刀闸K1,K2,K4,K5,K7,K8合上,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,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,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。
图2为本实用新型“混合型多功能直流大电流融冰装置”的系统控制原理流程图,由:一个MMC系统控制器、一个晶闸管型整流器控制器、一个晶闸管融冰装置产生的交流侧谐波提取环节、MMC直流母线电流给定值、晶闸管直流母线电流给定值和MMC交流侧无功功率给定值组成。
全桥MMC换流器按照指令信号产生MMC融冰装置的融冰直流电流,晶闸管型整流器按照指令信号产生晶闸管型融冰装置的融冰直流电流,MMC融冰装置的融冰直流电流和晶闸管型融冰装置的融冰直流电流汇合后共同组成混合型融冰装置的融冰电流,此外全桥MMC换流器还要通过控制交流系统侧无功功率等于零来补偿晶闸管型融冰装置消耗的无功,全桥MMC换流器通过检测晶闸管型融冰装置在交流系统侧的谐波,通过有源滤波手段产生幅值相等相位相反的谐波,对其进行滤除。
图3为本实用新型“混合型多功能直流大电流融冰装置”的全桥MMC换流器直流融冰电流控制原理图,由:一个比例积分(PI)控制器、两个比例环节(乘法器)和两个加法器组成。
Ip_abc和In_abc分别是MMC换流器正桥臂和负桥臂的电流,它们加和后除以2将得到环流,包括1/3的直流电流,Idc_MMC_set是模块化多电平换流器融冰装置的直流融冰电流设定值,将它们做差后的误差信号进行比例积分 (Proportional Integral,PI)控制,得到直流均衡控制输出量,实现对直流融冰电流控制的静态无差。
图4为本实用新型“混合型多功能直流大电流融冰装置”的全桥MMC换流器系统控制原理图,由:两个式(1)的传递函数C(s)、三个比例积分控制器、八个加法器、两个比例环节(乘法器)、一个Park变换器和一个比例移相信号触发器构成。
MMC换流器将所有模块电压的设定值Vc_ref与实际均值Vc_abcM_av做差,将得到的误差信号经过比例积分控制器后得到流入直流系统的有功电流,把流入直流系统的有功电流和实际直流侧功率折算成交流侧电流值 iq_Pdtoac比较,通过PI控制使二者相等,从而实现有功功率控制,使得从交流系统流入MMC换流器的有功功率值等于直流侧直流融冰所消耗的直流功率,这样一来就可以保证MMC的电容电压恒定,即忽略开关器件的损耗之下,交流侧流入的有功功率等于直流侧输出的有功功率,则平均来看电容不会充放电。
无功控制的基本原理是利用Q=-1.5*iq*uq的数学关系计算出无功电流的给定值,实际上由于MMC融冰装置需要运行在无功补偿的状态补偿,因此MMC 交流侧无功功率的设定值为零,也就是刚好补偿掉晶闸管融冰装置所带来的无功损耗,因此设置iq_ref等于0即可实现无功功率补偿的控制目标。
MMC换流器需要滤除晶闸管型融冰装置的六脉可控整流桥带来的特征次谐波,也就是5,7,11,13,15,17……次谐波,由同步坐标变换理论可知,三相交流系统的6k±1次谐波经过同步坐标变换后会变成dq坐标系下的6k 次谐波,因此在Park坐标变换后的工频50Hz同步旋转坐标系设置6,12,18 次比例积分谐振滤波器对特征次谐波进行提取,6k特征次谐波滤波器的表达式式(1)所示,它也是有源滤波部分的滤波器传递函数C(s),将谐波分量提取后的d、q轴计算结果叠加在MMC换流器的d、q轴输入信号上,就可以产生与检测到的特征次谐波幅值相等相位相反的谐波,即实现有源滤波功能。
包含了MMC换流器的子模块电压和有功功率控制、无功功率控制和有源滤波部分的d轴和q轴电流经过双环电流解耦控制产生MMC换流器d轴和q 轴电压指令信号,这个电压指令信号经过Park逆变换后加上电压前馈信号和直流融冰电流控制信号后最终送至载波移相环节,产生MMC换流器的控制触发信号。
图5为本实用新型“混合型多功能直流大电流融冰装置”的晶闸管型直流融冰装置的控制原理流程图,由:一个比例积分(PI)控制器和一个加法器。
晶闸管融冰装置的可控整流器采用定直流电流控制,控制晶闸管融冰装置输出设定的直流融冰电流,通过将直流母线电流的设定值与实际值相减,经过比例积分环节后输出晶闸管的触发角进行控制。
以上所述,仅为本实用新型的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内,因此,本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种混合型直流融冰装置,其特征在于:包括全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置,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并联联接到电源的交流电源母线上,晶闸管型直流融冰装置的直流侧输出端正极和负极分别串接刀闸K4、一个直流平波电抗器和刀闸K5、一个直流平波电抗器后连接到正极直流母线和负极直流母线,全桥MMC换流器的直流侧输出端正极和负极分别串接刀闸K1、一个直流平波电抗器和刀闸K2、一个直流平波电抗器后连接到正极直流母线和负极直流母线,正极直流母线和负极直流母线间搭接有刀闸K3,正极直流母线和负极直流母线分别连接到被融冰的两条输电线路一端,两条输电线路另一端短接,还包括全桥MMC换流器直流融冰电流控制器和全桥MMC换流器系统控制器,全桥MMC换流器直流融冰电流控制器包括一个比例积分控制器、两个乘法器和两个加法器,两个加法器连接到两个乘法器,两个乘法器连接到比例积分控制器,全桥MMC换流器系统控制器包括三个比例积分控制器、两个乘法器、一个Park变换器和一个比例移相信号触发器,其中两个比例积分控制器串联,串联后输出端依次连接一个加法器和一个乘法器后连接到一个比例移相信号触发器,另一个比例积分控制器依次连接一个加法器和一个乘法器后连接到一个比例移相信号触发器,比例移相信号触发器依次连接两个串接的加法器和一个Park变换器。
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CN201920618945.8U CN210182988U (zh) | 2019-04-30 | 2019-04-30 | 一种混合型直流融冰装置 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113783155A (zh) * | 2021-10-11 | 2021-12-10 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种直流融冰系统及其设备 |
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2019
- 2019-04-30 CN CN201920618945.8U patent/CN210182988U/zh active Active
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