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1、(10)申请公布号 CN 102496898 A (43)申请公布日 2012.06.13 C N 1 0 2 4 9 6 8 9 8 A *CN102496898A* (21)申请号 201110362882.2 (22)申请日 2011.11.16 H02G 7/16(2006.01) H02M 7/797(2006.01) H02J 3/18(2006.01) (71)申请人四川大学 地址 610065 四川省成都市一环路南一段 24号 (72)发明人李兴源 刘天琪 王渝红 魏巍 赵国帅 李思思 项英桐 戴寒光 (74)专利代理机构成都科海专利事务有限责任 公司 51202 代理人邓继轩。
2、 (54) 发明名称 基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置 及其融冰方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于电压源型换流器的双 功能直流融冰装置及其融冰方法,其特点是该直 流融冰装置为双工作模式:在融冰模式时,装置 处于整流工作状态,提供足够大的直流电流,对覆 冰线路进行融冰;在非融冰模式时,通过相应的 开关投切和控制策略,使装置处于逆变工作状态, 作为静止同步补偿器(STATCOM)运行,对系统进 行无功补偿。与现有的电流源型融冰装置相比,新 装置除了能增大融冰功率、减小无功消耗,优化谐 波输出外,最大的特点是设计了双模式工作性能, 即在融冰模式下实现最小融冰时间内,三相均匀 融冰以及融。
3、冰电流最小化的节能经济目标。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置,其特征在于该装置包括双功能模 式: 1)融冰模式 四组相同的变压器(1-4)一侧与交流系统母线I(21)连接,另一侧与融冰装置母线 II(22)连接,四组相同的交流滤波器(5-8)通过四组开关(S 1 -S 4 )分别与四组相同的变压器 (1-4)并联接于母线II(22),四组相同的电抗器(9-12)首端通过四组开关(S 5 -S 8。
4、 )与母线 II(22)并联,尾端分别与四组相同的电压源型换流桥(13-16)的桥臂连接,四组相同的电 压源型换流桥(13-16)并联连接,换流桥采用两电平六脉动型结构,每个桥臂都由多个全 控型器件IGBT串联而成,控制方式为定直流电压控制,运行方式为整流运行,每个IGBT旁 有一个反并联的二极管,四组相同的电容器(17-20)分别与四组相同的换流桥(13-16)并 联; 2)非融冰模式 四组相同的变压器(1-4)一侧与交流系统母线I(21)连接,另一侧与融冰装置母线 II(22)连接,四组相同的交流滤波器(5-8)通过四组开关(S 1 -S 4 )分别与四组相同的变压 器(1-4)并联接于母。
5、线II(22),四组相同的电抗器(9-12)首端通过四组开关(S 5 -S 8 )与母 线II(22)并联,尾端分别与四组相同的电压源型换流桥(13-16)的桥臂连接,四组相同的 电压源型换流桥(13-16)反向并联,换流桥采用两电平六脉动型,每个桥臂都由多个全控 型器件IGBT串联而成,控制方式为定交流电压控制,运行方式为逆变运行,四组相同的电 容器(17-20)相互串联,通过装置内部接线切换,融冰装置转变为静止同步补偿器,该装置 的作用是通过连续调节发出或吸收无功功率的大小,控制接入点系统母线II(22)的电 压,从而实现融冰装置的功能扩展,在非融冰期间,使电压源型换流器处于逆变状态,作为。
6、 STATCOM对系统进行动态无功补偿,具有很好的无功补偿和谐波特性。 2.如权利要求1所述基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置的融冰方法,其特征 在于该融冰方法包括以下步骤: 1)融冰模式 交流电源通过变压器(1-4)从母线I(21)处接入,经过换相电抗器(9-12)、电压源型 换流桥(13-16)和电容器(17-20)进行整流,电容器分别与电压源型换流桥并联为换流桥 提供电压支撑,换流桥采用双闭环控制,将交流电源整流成直流电流,并输出到融冰线路 (23),实现对覆冰线路融冰,将四组换流桥(13-16)并联,通过开关(S 5 -S 8 )投切,可得到1-4 倍I 0 的融冰电流,达到融冰目。
7、的; 2)非融冰模式 (1)模式切换:在断电情况下,电容器组(17-20)改为串联连接,取消与融冰线路(23) 的连接,同时换流桥控制策略转变为STATCOM控制,将融冰模式切换为非融冰模式; (2)电压源型换流桥(13-16)与电容器组(17-20)构成STATCOM,通过换相电抗器 (9-12)和变压器(1-4)与母线I(21)进行无功功率交换,滤波器(5-8)过滤装置中的谐波, 防止的谐波进入系统,STATCOM控制策略使电压源型换流桥处于逆变状态,为母线提供动态 无功功率补偿。 权 利 要 求 书CN 102496898 A 1/4页 3 基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置及其融冰。
8、方法 技术领域 0001 本发明涉及一种基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置及其融冰方法,属于 远距离交、直流输电领域。 背景技术 0002 输电线路在冬季覆冰是电力系统的重大自然灾害之一,严重覆冰会导致输电线路 机械和电气性能急剧下降,引起供电中断,甚至电网解列等严重事故,并且修复工作难度 大、周期长,影响大。因此,加强输电线路融冰技术的研究对提高电力系统稳定性、促进国民 经济发展具有重要的意义。 0003 目前国内外输电线路除冰方法可分为交流融冰法和直流融冰法两类。交流融冰法 又分为改变线路潮流法和短路法两类。其核心思想主要是利用调整系统运行方式,改变系 统的潮流走向,增加需融冰线路的负。
9、荷电流或者将融冰线路的一端三相短路接地,在另一 端施加合适的融冰电源,由较大的短路电流加热导线,从而实现线路融冰。经过多年的运行 实践,研究发现,交流融冰法存在改变系统潮流难度大、融冰电源无功功率需求高、对系统 稳定性影响大、500kV及以上电压等级线路融冰效果差等问题,因此该方法逐渐被淘汰。取 而代之的是现在流行的直流融冰法。该方法将交流电源通过电力电子设备转化为直流进而 加热一定长度的覆冰线路达到融冰的目的。由于直流融冰电流本身在线路上流动时不消耗 无功功率,仅直流换流器自身需要消耗一部分无功功率,因此直流融冰电源容量需求相比 交流法要小很多,而且适合各种电压等级融冰,并且融冰时对系统稳定。
10、性影响小,是当前最 有效的融冰手段。 0004 现有直流融冰装置主要是由晶闸管构成的6脉波换流桥组成,换流桥融冰时实现 整流功能,产生直流电流进行融冰,运行原理和控制方法和传统的高压直流输电系统电流 源型换流器基本一致。为提高装置的利用率,通常将融冰装置在非融冰期间作静止无功补 偿器(SVC)对系统进行无功补偿。 发明内容 0005 本发明的目的是针对现在技术的不足而提供一种基于电压源型换流器的双功能 直流融冰装置及其融冰方法,其特点是该直流融冰装置为双工作模式:在融冰模式时,装置 处于整流工作状态,提供足够大的直流电流,对覆冰线路进行融冰;在非融冰模式时,通过 相应的开关投切和控制策略,使装。
11、置处于逆变工作状态,作为静止同步补偿器(STATCOM) 运行,对系统进行无功补偿。 0006 本发明的目的由以下技术措施实现 0007 基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置包括双功能模式: 0008 1)融冰模式 0009 四组相同的变压器一侧与交流系统母线I连接,另一侧与融冰装置母线II连接, 四组相同的交流滤波器通过四组开关分别与四组相同的变压器并联接于母线I,四组相同 说 明 书CN 102496898 A 2/4页 4 的电抗器首端通过四组开关与母线II并联,尾端分别与四组相同的电压源型换流桥的桥 臂连接,四组相同的电压源型换流桥并联连接,换流桥采用两电平六脉动型结构,每个桥臂 都。
12、由多个全控型器件IGBT串联而成,控制方式为定直流电压控制,运行方式为整流运行, 每个IGBT旁有一个反并联的二极管,四组相同的电容器分别与四组相同的换流桥并联; 0010 2)非融冰模式 0011 四组相同的变压器一侧与交流系统母I线连接,另一侧与融冰装置母线II连接, 四组相同的交流滤波器通过四组开关分别与四组相同的变压器并联接于母线I,四组相同 的电抗器首端通过四组开关与母线II并联,尾端分别与四组相同的电压源型换流桥的桥 臂连接,四组相同的电压源型换流桥反向并联,换流桥采用两电平六脉动型,每个桥臂都 由多个全控型器件IGBT串联而成,控制方式为定交流电压控制,运行方式为逆变运行,四 组。
13、相同的电容器相互串联,通过装置内部接线切换,融冰装置转变为静止同步补偿器,该 装置的作用是通过连续调节发出或吸收无功功率的大小,控制接入点系统母线的电 压,从而实现融冰装置的功能扩展,在非融冰期间,使电压源型换流器处于逆变状态,作为 STATCOM对系统进行动态无功补偿,具有很好的无功补偿和谐波特性。 0012 基于电压源型换流器的直流融冰装置的融冰方法包括以下步骤: 0013 1)融冰模式:交流电源通过变压器从母线I处接入,经过换相电抗器、电压源型 换流桥和电容器进行整流,电容器分别与电压源型换流桥并联为换流桥提供电压支撑,换 流桥采用双闭环控制,将交流电源整流成直流电流,并输出到融冰线路,。
14、实现对覆冰线路融 冰,将四组换流桥并联,通过开关投切,可得到1-4倍I 0 的融冰电流,达到融冰目的; 0014 2)非融冰模式 0015 (1)模式切换:在断电情况下,电容器组改为串联连接,取消与融冰线路的连接, 同时换流桥控制策略转变为STATCOM控制,将融冰模式切换为非融冰模式; 0016 (2)电压源型换流桥与电容器组构成STATCOM,通过换相电抗器和变压器与母线I 进行无功功率交换,滤波器过滤装置中的谐波,防止的谐波进入系统,STATCOM控制策略使 电压源型换流桥处于逆变状态,为母线I提供动态无功功率补偿。 0017 本发明具有如下优点 0018 相比电流源型的融冰装置,新型装。
15、置主要有两个显著的优点:一是实现融冰有功 功率和无功功率的解耦控制,可以尽可能的提高融冰的功率因素,减少换流器消耗的无功 功率;二是采用脉宽调制技术(SPWM或者PWM),可以很好的改善输出电压波形,减小系统谐 波含量,在不间断供电融冰时,较大提高系统的电能质量。在非融冰期间,通过改变开关动 作和线路接法,可将该装置转变为静止同步补偿器(STATCOM)运行,对系统进行动态无功 补偿。 附图说明 0019 图1为融冰模式时的电路原理图。 0020 1-4为四组相同的变压器;5-8为四组相同的交流滤波器;9-12为四组相同的换流 电抗器;13-16为四组相同的电压源型换流桥;17-20为四组相同。
16、的电容器;21为融冰装置 接入系统母线I;22为融冰装置母线II;23为覆冰线路;S 1 -S 8 为八组开关。 0021 图2为是非融冰模式下电路拓扑结构。 说 明 书CN 102496898 A 3/4页 5 0022 1-4为四组相同的变压器;5-8为四组相同的交流滤波器;9-12为四组相同的换流 电抗器;13-16为四组相同的电压源型换流桥;17-20为四组相同的电容器;21为融冰装置 接入系统母线I;22为融冰装置母线II;S 1 -S 8 为八组开关。 具体实施方式 0023 下面通过实施例对本发明进行具体的描述,有必要在此指出的是本实施例只用于 对本发明进行进一步说明,不能理解为。
17、对本发明保护范围的限制,该领域的技术熟练人员 可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。 0024 实施例: 0025 1)融冰模式 0026 融冰模式时,电路拓扑结构如图1所示,其中四组相同的变压器1-4的一侧与交 流系统母线I 21连接,另一侧与融冰装置母线II 22连接,作用是为融冰装置提供融冰电 源。四组相同的交流滤波器5-8通过四组开关S 1 -S 4 与四组相同的变压器1-4并联接于母 线II22,作用是滤除系统交流侧的特征谐波。四组相同的电抗器9-12首端通过四组开关 S 5 -S 8 并联接于母线II 22,尾端分别与电压源型换流桥13-16桥臂相连,它是换流桥与交 流。
18、侧能量交换的纽带,同时也起到抑制直流过电流的上升速度和滤除换流器产生的特征谐 波的作用。四组相同的电压源型换流桥13-16并联连接,换流桥采用两电平六脉动型,每个 桥臂都由多个全控型器件IGBT串联而成,控制方式为定直流电压控制,运行方式为整流运 行,作用是为覆冰线路提供直流融冰电流,是该装置的核心部件。每个IGBT旁有一个反并 联的二极管,它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道,同时也起着使负载电流连续的作用。 电容器17-20分别与换流桥13-16并联,作用是为逆变侧提供电压支撑,缓冲桥臂关闭时的 冲击电流、减小直流侧谐波。 0027 由图1可知,在融冰模式时,四组相同的换流桥13-16可将四。
19、组相同的变压器1-4 提供的交流电流,整流成大小相同的直流融冰电流,该电流在图1中表示为I 0 (额定值为 1.5kA)。通过对开关S 5 -S 8 的控制,可以分级调节融冰电流大小,最高可以达到4I 0 。一般情 况下,如果对短距离、平原地区覆冰线路融冰,闭合S 1 -S 4 、S 5 和S 6 ,断开S 7 和S 8 ,产生2I 0 电 流进行融冰;对远距离、高原地区或者跨越江湖河海地区线路融冰,则S 1 -S 8 全部闭合,可迅 速将融冰电流提高至4I 0 。 0028 2)非融冰模式 0029 非融冰模式时,电路拓扑结构如图2所示,其中四组相同的变压器1-4的一侧与交 流系统母线I 2。
20、1连接,另一侧与融冰装置母线II 22连接,作用是为融冰装置提供融冰电 源。四组相同的交流滤波器5-8通过四组开关S 1 -S 4 与四组相同的变压器1-4并联接于母 线II22,作用是滤除系统交流侧的特征谐波。四组相同的电抗器9-12首端通过四组开关 S 5 -S 8 并联接于母线II 22,尾端分别与电压源型换流桥13-16桥臂相连,四组相同的换流桥 13-16反向并联,四组相同的电容器组17-20相互串联,作用是为换流桥13-16运行提供足 够的换相电压。此时,换流桥13-16的控制方式为定交流电压控制,运行方式为逆变运行。 由此可见,通过装置内部接线切换,图1所示的融冰装置变为一个简单。
21、的静止同步补偿器 (STATCOM)。该装置的作用是通过连续调节发出或吸收无功功率的大小,控制接入点系 统母线22的电压,从而实现融冰装置的功能扩展。 说 明 书CN 102496898 A 4/4页 6 0030 基于电压源型换流器的双功能直流融冰装置的融冰方法包括以下步骤: 0031 1)融冰模式 0032 交流电源通过变压器(1-4)从母线I(21)处接入,经过换相电抗器(9-12)、电压 源型换流桥(13-16)和电容器(17-20)进行整流,电容器分别与电压源型换流桥并联为换 流桥提供电压支撑,换流桥采用双闭环控制,将交流电源整流成直流电流,并输出到融冰线 路(23),实现对覆冰线路。
22、融冰,将四组换流桥(13-16)并联,通过开关(S 5 -S 8 )投切,可得到 1-4倍I 0 的融冰电流,达到融冰目的; 0033 2)非融冰模式 0034 (1)模式切换:在断电情况下,电容器组(17-20)改为串联连接,取消与融冰线路 (23)的连接,同时换流桥控制策略转变为STATCOM控制,将融冰模式切换为非融冰模式; 0035 (2)电压源型换流桥(13-16)与电容器组(17-20)构成STATCOM,通过换相电抗器 (9-12)和变压器(1-4)与母线I(21)进行无功功率交换,滤波器(5-8)过滤装置中的谐波, 防止的谐波进入系统,STATCOM控制策略使电压源型换流桥处于逆变状态,为母线I提供动 态无功功率补偿。 说 明 书CN 102496898 A 1/2页 7 图1 说 明 书 附 图CN 102496898 A 2/2页 8 图2 说 明 书 附 图CN 102496898 A 。