專利名稱：一種基于全橋模塊化多電平變流器的直流融冰裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電力電子變流器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種電網(wǎng)直流融冰裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，我國(guó)南方地區(qū)冬季極端雨雪天氣頻發(fā)，直流融冰裝置在電カ系統(tǒng)中開(kāi)始廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的直流融冰裝置采用晶閘管整流技術(shù)，通過(guò)相控整流將交流電變換為幅值可調(diào)的直流電用于輸電線路除冰。由于融冰裝置只在冬季極端天氣條件下才會(huì)使用，因而裝置的設(shè)備利用率較低，給輸配電企業(yè)帶來(lái)了額外的負(fù)擔(dān)。為提高融冰裝置的設(shè)備利用率，與靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)相結(jié)合已經(jīng)成為直流融冰裝置的主流技木。一方面，SVC與直流融冰裝置都采用晶閘管相控技術(shù)，所用到的主要元件相同，只需要對(duì)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換就能分別實(shí)現(xiàn)直流融冰和無(wú)功補(bǔ)償?shù)?功能；另一方面，輸配電系統(tǒng)的變電站一般都需要配置一定容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，以方便調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，SVC恰好能夠滿足這ー應(yīng)用需求。但是，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，SVC晶閘管整流裝置用于直流融冰吋，具有體積大、諧波污染嚴(yán)重以及拓?fù)淝袚Q復(fù)雜等問(wèn)題。特別是用作移動(dòng)式融冰裝置時(shí)，盡管通過(guò)集裝箱方式安裝，但集裝箱、整流變壓器體積龐大，運(yùn)輸極為不便；同時(shí)裝置接線復(fù)雜，在無(wú)功補(bǔ)償和融冰功能之間切換，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)開(kāi)關(guān)操作才能完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，大大削弱了移動(dòng)式融冰裝置所需要的安裝簡(jiǎn)單、快速投運(yùn)的特點(diǎn)。隨著電カ電子技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者在文獻(xiàn)中提出將鏈?zhǔn)絊VG與直流融冰裝置相結(jié)合的思路，一方面，與下一代無(wú)功補(bǔ)償裝置相結(jié)合，提高裝置補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無(wú)功的性能；另ー方面，引入全控型器件有利于解決晶閘管相控整流器普遍存在的諧波問(wèn)題。但是由于這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)總模塊直流電壓各自懸浮，沒(méi)有公共的直流母線，因而無(wú)法直接用于直流融冰當(dāng)中，目前也尚未見(jiàn)有相關(guān)技術(shù)方案的文獻(xiàn)報(bào)道。此外，也有學(xué)者提出通過(guò)輕型直流輸電(HVDCLight)的半橋模塊化多電平(HBMMC)方案進(jìn)行直流融冰，HVDC Light具有公共直流母線，天然地具備直流高壓輸出的條件，同時(shí)其交流側(cè)連接電網(wǎng)，也具備動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償能力。但是，利用HVDC Light技術(shù)融冰也存在ー些局限性，其中最為突出的就是HBMMC輸出直流電壓的可調(diào)范圍小，必須在滿足可控整流條件的直流電壓以上進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)法有效適應(yīng)不同長(zhǎng)度的輸電線路，因而裝置的可用率將大打折扣。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有的直流融冰裝置的不足，提出一種采用全橋模塊的模塊化多電平變流器，通過(guò)H橋級(jí)聯(lián)形成具有公共直流母線的AC/DC變流器拓?fù)浞桨福@種方案一方面具備高壓直流輸出能力，且直流電壓可以從零開(kāi)始連續(xù)調(diào)節(jié)，另一方面完全兼容鏈?zhǔn)絊VG拓?fù)?，可以?shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)，從而同時(shí)具備直流融冰和交流動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償功倉(cāng)^:。本實(shí)用新型所提出一種基于全橋模塊化多電平變流器的直流融冰裝置，其特征在干所述全橋模塊化多電平變流器為三相橋結(jié)構(gòu)，變流器的每ー相包含ー個(gè)上橋臂和ー個(gè)下橋臂，上、下橋臂分別由N個(gè)全橋功率模塊首尾串聯(lián)組成，形成鏈?zhǔn)蕉嚯娖浇Y(jié)構(gòu)，且各個(gè)橋臂從上到下分別為第I個(gè)、第2個(gè)、 、第N個(gè)功率模塊。各相上橋臂第I個(gè)功率模塊的首端連接在一起，形成公共直流母線的正極M)C+，各相下橋臂第N個(gè)功率模塊的末端連接在一起，形成公共直流母線的負(fù)極UDC-。各相上橋臂第N個(gè)功率模塊的末端和該相下橋臂第I個(gè)功率模塊的首端各通過(guò)ー個(gè)平波電抗器連接在一起，兩個(gè)電抗器的連接點(diǎn)連接該相的交流母線。本實(shí)用新型所述的全橋功率模塊為H橋結(jié)構(gòu)，由四個(gè)可關(guān)斷器件Qf Q4和直流支撐電容器C構(gòu)成，其特征在于可關(guān)斷器件Ql和Q3的集電極與直流支撐電容器C的正極相連，可關(guān)斷器件Q2和Q4的發(fā)射極與直流支撐電容器C的負(fù)極相連；可關(guān)斷器件Ql的發(fā)射極與可關(guān)斷器件Q2的集電極相連，形成全橋功率模塊的首端M1，可關(guān)斷器件Q3的發(fā)射極與可關(guān)斷器件Q4的集電極相連，形成全橋功率模塊的末端M2。所述公共直流母線的正極和公共直流母線的負(fù)極分別施加在相應(yīng)的融冰線路上?！0009]本實(shí)用新型所提出的基于全橋模塊化多電平變流器的直流融冰裝置，其特征在于將直流側(cè)融冰所需要的直流電壓Udc和交流側(cè)并網(wǎng)所需要的交流相電壓uac平均分配給每個(gè)全橋功率模塊，即在每個(gè)功率模塊的輸出電壓中，直流分量為Udc/2N，交流分量為uac/N。本實(shí)用新型充分利用全橋模塊的雙極性輸出特點(diǎn)，每個(gè)功率模塊都能輸出可調(diào)的直流電壓，從而使整個(gè)變流器裝置具備輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓的能力，最大程度的滿足不同線路參數(shù)和線路長(zhǎng)度的融冰要求。本實(shí)用新型所提出的全橋模塊化多電平變流器采用可關(guān)斷器件替代傳統(tǒng)晶閘管器件，省去了傳統(tǒng)直流融冰裝置中龐大笨重的整流變壓器以及無(wú)源濾波器組，且在直流融冰功能和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償功能之間切換時(shí)，裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，因而具有體積小、損耗低、諧波小、操作簡(jiǎn)便等突出優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)不僅解決了 HBMMC結(jié)構(gòu)面臨的直流電壓無(wú)法大范圍調(diào)節(jié)的問(wèn)題，而且能夠完全兼容鏈?zhǔn)絊VG的無(wú)功補(bǔ)償功能，為直流融冰應(yīng)用提供了一種全新的解決方案。

圖I基于全橋模塊化多電平變流器的直流融冰裝置；圖2H橋功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖3直流融冰裝置1-1接線方式；圖4直流融冰裝置1-2接線方式；圖5上下橋臂功率模塊在融冰模式下的輸出電流波形；圖6融冰裝置輸出直流電壓全范圍調(diào)節(jié)過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的基于全橋模塊化多電平變流器的直流融冰裝置的技術(shù)原理和實(shí)施方案作詳細(xì)的說(shuō)明。本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的全橋模塊化多電平結(jié)構(gòu)的直流融冰裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附圖I所示。所述全橋模塊化多電平變流器為三相橋結(jié)構(gòu)，變流器的每ー相包含一個(gè)上橋臂和ー個(gè)下橋臂，上、下橋臂分別由N個(gè)全橋功率模塊首尾串聯(lián)組成，形成鏈?zhǔn)蕉嚯娖浇Y(jié)構(gòu)，且各個(gè)橋臂從上到下分別為第I個(gè)、第2個(gè)、 、第N個(gè)全橋功率模塊，其中N為大于I的整數(shù)；各相上橋臂第I個(gè)功率模塊的首端連接在一起，形成公共直流母線的正極，各相下橋臂第N個(gè)功率模塊的末端連接在一起，形成公共直流母線的負(fù)極；各相上橋臂第N個(gè)功率模塊的末端和該相下橋臂第I個(gè)功率模塊的首端通過(guò)ー個(gè)平波電抗器連接在一起，電抗器的中點(diǎn)作為該相的交流母線。在附圖I中，左側(cè)DC+、DC-為直流母線，連接到需要融冰的輸電線路兩端；右側(cè)ua.ub.uc為交流母線，連接交流電網(wǎng)，所述的H橋功率模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附圖2中所示，全橋功率模塊為H橋結(jié)構(gòu)，由四個(gè)可關(guān)斷器件QfQ4和直流支撐電容器C構(gòu)成，其特征在于可關(guān)斷器件Ql和Q3的集電極與直流支撐電容器C的正極相連，可關(guān)斷器件Q2和Q4的發(fā)射極與直流支撐電容器C的負(fù)極相連；可關(guān)斷器件Ql的發(fā)射極與可關(guān)斷器件Q2的集電極相連，形成全橋功率模塊的首端M1，可關(guān)斷器件Q3的發(fā)射極與可關(guān)斷器件Q4的集電極相連，形成全橋功率模塊的末端M2。從附圖I中可以看到，所述的全橋模塊化多電平變流器采用和通常鏈?zhǔn)絊VG—致的模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)Y型連接的鏈?zhǔn)絊VG并聯(lián)運(yùn)行，不同之處在于將每個(gè)SVG的公共端引出作為公共直流母線。所述的的全橋模塊化多電平變流器作為直流融冰裝置運(yùn)行時(shí)，交流側(cè)通過(guò)鏈?zhǔn)蕉嚯娖酵負(fù)溥\(yùn)行于PWM整流狀態(tài)，有功功率從交流電網(wǎng)流向裝置，利用輸入的交流電流對(duì)每個(gè)功率模塊的直流電容進(jìn)行充電；同時(shí)每個(gè)功率模塊通過(guò)PWM調(diào)制技術(shù)，輸出所需的直流電壓，經(jīng)過(guò)串聯(lián)疊加后，形成高壓直流輸出電壓UDC，Udc施加在線路兩端便得到所需要的融冰電流。從直流側(cè)來(lái)看，裝置輸出直流電壓和直流電流，每個(gè)功率模塊流入的交流功率被轉(zhuǎn)化為直流功率釋放到融冰線路上。正是通過(guò)交流側(cè)和直流側(cè)的協(xié)調(diào)控制，使得每個(gè)功率模塊的交流輸入功率和直流輸出功率相等，從而保證功率模塊的直流支撐電容的電壓始終保持穩(wěn)定。直流融冰模式下，融冰裝置與交流線路的接線方式如附圖3、4中所示。所述的的全橋模塊化多電平變流器作為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行時(shí)，由干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈?zhǔn)絊VG高度一致，交流側(cè)仍然連接交流電網(wǎng)，直流輸出側(cè)甚至無(wú)需斷開(kāi)連接即可直接切換到無(wú)功控制模式。交流側(cè)仍然工作于PWM整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收很小的有功功率以維持模塊直流支撐電容的電壓穩(wěn)定，同時(shí)直流側(cè)通過(guò)減小調(diào)制比將直流母線的輸出電壓Udc降低到零。整個(gè)切換過(guò)程通過(guò)軟件控制自動(dòng)完成，無(wú)需進(jìn)行硬件拓?fù)渥兓?，降低了故障概率，提高了裝置整體可靠性。本實(shí)用新型的ー個(gè)實(shí)施實(shí)例中，針對(duì)典型的IlOkV輸電線路設(shè)計(jì)直流融冰裝置，典型的IlOkv變電站單臺(tái)主變?nèi)萘繛?0MVA，線路長(zhǎng)度為50km，變電站出線為L(zhǎng)GJ-185。根據(jù)蘇聯(lián)布爾戈斯道爾夫公式在典型條件下(_5°C,風(fēng)速5m/s,覆冰厚度10mm, Ih融冰)的計(jì)算結(jié)果，LGJ-185型導(dǎo)線的典型最小融冰電流為515A，50km線路需要的最小電源容量約為
4.5MW。由于最小融冰電流時(shí)按照典型條件下60min有效融冰的目標(biāo)計(jì)算的，實(shí)際工程中融冰裝置的額定電流應(yīng)高于最小融冰電流，以方便進(jìn)行快速融冰。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)裝置的額定電流達(dá)到I. 5 2. 0倍的最小融冰電流吋，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)(IOmin)進(jìn)行有效除冰。在上述技術(shù)條件下，按照本實(shí)用新型所述的技術(shù)方案設(shè)計(jì)的全橋模塊化多電平變流的的額定直流電壓為12kV，額定直流電流為1000A。在直流融冰模式下，所述的全橋功率模塊的輸出電流中既包含交流分量，又包含直流分量，如附圖5中所示。與HBMMC相比，本實(shí)用新型所述的直流融冰裝置的輸出電壓可以從O到額定12kV之間任意調(diào)節(jié)，如附圖6中所示。以上實(shí) 施實(shí)例是本實(shí)用新型的ー個(gè)具體的實(shí)施電路示意圖，并不以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于全橋模塊化多電平變流器的直流融冰裝置，其特征在于 所述全橋模塊化多電平變流器為三相橋結(jié)構(gòu)，變流器的每ー相包含ー個(gè)上橋臂和ー個(gè)下橋臂，上、下橋臂分別由N個(gè)全橋功率模塊首尾串聯(lián)組成，形成鏈?zhǔn)蕉嚯娖浇Y(jié)構(gòu)，且各個(gè)橋臂從上到下分別為第I個(gè)、第2個(gè)、 、第N個(gè)全橋功率模塊，其中N為大于I的整數(shù)； 各相上橋臂第I個(gè)功率模塊的首端連接在一起，形成公共直流母線的正極，各相下橋臂第N個(gè)功率模塊的末端連接在一起，形成公共直流母線的負(fù)極； 各相上橋臂第N個(gè)功率模塊的末端和該相下橋臂第I個(gè)功率模塊的首端各通過(guò)ー個(gè)平波電抗器連接在一起，兩個(gè)電抗器的連接點(diǎn)連接該相的交流母線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的直流融冰裝置，其特征在于 所述的全橋功率模塊為H橋結(jié)構(gòu)，由四個(gè)可關(guān)斷器件Qf Q4和直流支撐電容器C構(gòu)成，上方的可關(guān)斷器件Ql和Q3的集電極與直流支撐電容器C的正極相連，下方的可關(guān)斷器件 Q2和Q4的發(fā)射極與直流支撐電容器C的負(fù)極相連；可關(guān)斷器件Ql的發(fā)射極與可關(guān)斷器件Q2的集電極相連，形成全橋功率模塊的首端，可關(guān)斷器件Q3的發(fā)射極與可關(guān)斷器件Q4的集電極相連，形成全橋功率模塊的末端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流融冰裝置，其特征在于 所述公共直流母線的正極和公共直流母線的負(fù)極分別施加在相應(yīng)的融冰線路上。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于全橋模塊化多電平變流器的直流融冰裝置，所述全橋模塊化多電平變流器為三相橋結(jié)構(gòu)，變流器的每一相包含一個(gè)上橋臂和一個(gè)下橋臂，上、下橋臂分別由N個(gè)全橋功率模塊首尾串聯(lián)組成，形成鏈?zhǔn)蕉嚯娖浇Y(jié)構(gòu)，各相上橋臂第1個(gè)功率模塊的首端連接在一起，形成公共直流母線的正極，各相下橋臂第N個(gè)功率模塊的末端連接在一起，形成公共直流母線的負(fù)極；各相上橋臂第N個(gè)功率模塊的末端和該相下橋臂第1個(gè)功率模塊的首端通過(guò)一個(gè)平波電抗器連接在一起，電抗器的中點(diǎn)作為該相的交流母線。本實(shí)用新型一方面具備高壓直流輸出能力，且直流電壓可以從零開(kāi)始連續(xù)調(diào)節(jié)，另一方面完全兼容鏈?zhǔn)絊VG拓?fù)?，可以?shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)，從而同時(shí)具備直流融冰和交流動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償功能。
文檔編號(hào)H02J3/18GK202798507SQ20122030127
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者呂志鵬, 梅紅明, 劉樹(shù), 陳秋榮, 操豐梅, 劉志超, 李慶生, 皮顯松, 趙慶明, 鄧樸, 農(nóng)靜, 張?jiān)?申請(qǐng)人:北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司, 貴州電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心