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
技術領域：
本發明屬于電力電子變流器技術領域，具體涉及一種電網直流融冰裝置。
背景技術：
近年來，我國南方地區冬季極端雨雪天氣頻發，直流融冰裝置在電力系統中開始廣泛應用。傳統的直流融冰裝置采用晶閘管整流技術，通過相控整流將交流電變換為幅值可調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使用，因而裝置的設備利用率較低，給輸配電企業帶來了額外的負擔。為提高融冰裝置的設備利用率，與靜止無功補償器(SVC)相結合已經成為直流融冰裝置的主流技術。一方面，SVC與直流融冰裝置都采用晶閘管相控技術，所用到的主要元件相同，只需要對主電路的拓撲結構進行一定的轉換就能分別實現直流融冰和無功補償的 功能；另一方面，輸配電系統的變電站一般都需要配置一定容量的無功補償裝置，以方便調節電網電壓，SVC恰好能夠滿足這一應用需求。但是，經過幾年的實際運行發現，SVC晶閘管整流裝置用于直流融冰時，具有體積大、諧波污染嚴重以及拓撲切換復雜等問題。特別是用作移動式融冰裝置時，盡管通過集裝箱方式安裝，但集裝箱、整流變壓器體積龐大，運輸極為不便；同時裝置接線復雜，在無功補償和融冰功能之間切換，需要經過多個開關操作才能完成拓撲結構的轉換，大大削弱了移動式融冰裝置所需要的安裝簡單、快速投運的特點。隨著電力電子技術的發展，有學者在文獻中提出將鏈式SVG與直流融冰裝置相結合的思路，一方面，與下一代無功補償裝置相結合，提高裝置補償動態無功的性能；另一方面，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題。但是由于這種鏈式結構總模塊直流電壓各自懸浮，沒有公共的直流母線，因而無法直接用于直流融冰當中，目前也尚未見有相關技術方案的文獻報道。此外，也有學者提出通過輕型直流輸電(HVDCLight)的半橋模塊化多電平(HBMMC)方案進行直流融冰，HVDC Light具有公共直流母線，天然地具備直流高壓輸出的條件，同時其交流側連接電網，也具備動態無功補償能力。但是，利用HVDC Light技術融冰也存在一些局限性，其中最為突出的就是HBMMC輸出直流電壓的可調范圍小，必須在滿足可控整流條件的直流電壓以上進行調節，無法有效適應不同長度的輸電線路，因而裝置的可用率將大打折扣。
發明內容
本發明針對現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H橋級聯形成具有公共直流母線的AC/DC變流器拓撲方案，這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始連續調節，另一方面完全兼容鏈式SVG拓撲，可以實現快速的動態無功調節，從而同時具備直流融冰和交流動態無功補償功能。本發明具體采用以下技術方案。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構，變流器的每一相包含一個上橋臂和一個下橋臂，上、下橋臂分別由N個全橋功率模塊首尾串聯組成，形成鏈式多電平結構，且各個上、下橋臂從上到下分別為第I個、第2個、…、第N個全橋功率模塊，其中N為大于I的整數；各相上橋臂第I個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個功率模塊的末端連接在一起，形成公共直流母線的負極；各相上橋臂第N個功率模塊的末端和該相下橋臂第I個功率模塊的首端各通過一個平波電抗器連接在一起，每 一相兩個平波電抗器的連接點連接該相的交流母線；所述公共直流母線的正極和公共直流母線的負極分別施加在相應的待融冰線路上。本發明所述的全橋功率模塊為H橋結構，由四個可關斷器件Qf Q4和直流支撐電容器C構成，其特征在于可關斷器件Ql和Q3的集電極與直流支撐電容器C的正極相連，可關斷器件Q2和Q4的發射極與直流支撐電容器C的負極相連；可關斷器件Ql的發射極與可關斷器件Q2的集電極相連，形成全橋功率模塊的首端M1，可關斷器件Q3的發射極與可關斷器件Q4的集電極相連，形成全橋功率模塊的末端M2。本發明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融冰所需要的直流電壓Udc和交流側并網所需要的交流相電壓uac平均分配給每個全橋功率模塊，即在每個功率模塊的輸出電壓中，直流分量為Udc/2N，交流分量為uac/N。本發明充分利用全橋模塊的雙極性輸出特點，每個功率模塊都能輸出可調的直流電壓，從而使整個變流器裝置具備輸出連續可調的直流電壓的能力，最大程度的滿足不同線路參數和線路長度的融冰要求。本發明所提出的全橋模塊化多電平變流器采用可關斷器件替代傳統晶閘管器件，省去了傳統直流融冰裝置中龐大笨重的整流變壓器以及無源濾波器組，且在直流融冰功能和動態無功補償功能之間切換時，裝置主電路拓撲結構不發生變化，因而具有體積小、損耗低、諧波小、操作簡便等突出優點；同時不僅解決了 HBMMC結構面臨的直流電壓無法大范圍調節的問題，而且能夠完全兼容鏈式SVG的無功補償功能，為直流融冰應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橋功率模塊拓撲結構圖；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節過程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明設計的基于全橋模塊化多電平變流器的直流融冰裝置的技術原理和實施方案作詳細的說明。
本發明所設計的全橋模塊化多電平結構的直流融冰裝置拓撲結構如附圖I所示。所述全橋模塊化多電平變流器為三相橋結構，變流器的每一相包含一個上橋臂和一個下橋臂，上、下橋臂分別由N個全橋功率模塊首尾串聯組成，形成鏈式多電平結構，且各個橋臂從上到下分別為第I個、第2個、…、第N個全橋功率模塊，其中N為大于I的整數；各相上橋臂第I個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個功率模塊的末端連接在一起，形成公共直流母線的負極；各相上橋臂第N個功率模塊的末端和該相下橋臂第I個功率模塊的首端通過一個平波電抗器連接在一起，電抗器的中點作為該相的交流母線。在附圖I中，左側DC+、DC-為直流母線，連接到需要融冰的輸電線路兩端；右側ua.ub.uc為交流母線，連接交流電網，所述的H橋功率模塊的拓撲結構如附圖2中所示，全橋功率模塊為H橋結構，由四個可關斷器件QfQ4和直流支撐電容器C構成，其特征在于可關斷器件Ql和Q3的集電極與直流支撐電容器C的正極相連，可關斷器件Q2和Q4的發射極與直流支撐電容器C的負極相連；可關斷器件Ql的發射極與可關斷器件Q2的集電極相連，形成全橋功率模塊的首端M1，可關斷器件Q3的發射極與可關斷器件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式SVG —致的模塊串聯結構，其總體結構相當于兩個Y型連接的鏈式SVG并聯運行，不同之處在于將每個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行時，交流側通過鏈式多電平拓撲運行于PWM整流狀態，有功功率從交流電網流向裝置，利用輸入的交流電流對每個功率模塊的直流電容進行充電；同時每個功率模塊通過PWM調制技術，輸出所需的直流電壓，經過串聯疊加后，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。從直流側來看，裝置輸出直流電壓和直流電流，每個功率模塊流入的交流功率被轉化為直流功率釋放到融冰線路上。正是通過交流側和直流側的協調控制，使得每個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態無功補償裝置運行時，由于拓撲結構和鏈式SVG高度一致，交流側仍然連接交流電網，直流輸出側甚至無需斷開連接即可直接切換到無功控制模式。交流側仍然工作于PWM整流狀態，從電網吸收很小的有功功率以維持模塊直流支撐電容的電壓穩定，同時直流側通過減小調制比將直流母線的輸出電壓Udc降低到零。整個切換過程通過軟件控制自動完成，無需進行硬件拓撲變化，降低了故障概率，提高了裝置整體可靠性。本發明的一個實施實例中，針對典型的IlOkV輸電線路設計直流融冰裝置，典型的I IOkV變電站單臺主變容量為40MVA，線路長度為50km，變電站出線為LGJ-185。根據蘇聯布爾戈斯道爾夫公式在典型條件下(_5°C,風速5m/s,覆冰厚度10mm, Ih融冰)的計算結果，LGJ-185型導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按照典型條件下60min有效融冰的目標計算的，實際工程中融冰裝置的額定電流應高于最小融冰電流，以方便進行快速融冰。根據工程經驗，當裝置的額定電流達到I. 5 2. 0倍的最小融冰電流時，能夠在較短的時間內(IOmin)進行有效除冰。在上述技術條件下，按照本發明所述的技術方案設計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，本發明所述的直流融冰裝置的輸出電壓可以從O到額定12kV之間任意調節，如附圖6中所示。以上實施實例是本發明的一個具體的實施電路示意圖，并不以此限定本發明的保 護范圍。
權利要求
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構，變流器的每一相包含一個上橋臂和一個下橋臂，上、下橋臂分別由N個全橋功率模塊首尾串聯組成，形成鏈式多電平結構，且各個上、下橋臂從上到下分別為第I個、第2個、…、第N個全橋功率模塊，其中N為大于I的整數； 各相上橋臂第I個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個功率模塊的末端連接在一起，形成公共直流母線的負極； 各相上橋臂第N個功率模塊的末端和該相下橋臂第I個功率模塊的首端各通過一個平波電抗器連接在一起，每一相兩個平波電抗器的連接點連接該相的交流母線； 所述公共直流母線的正極和公共直流母線的負極分別施加在相應的待融冰線路上。
2.根據權利要求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橋結構，由四個可關斷器件Qf Q4和直流支撐電容器C構成，上方的可關斷器件Ql和Q3的集電極與直流支撐電容器C的正極相連，下方的可關斷器件Q2和Q4的發射極與直流支撐電容器C的負極相連；可關斷器件Ql的發射極與可關斷器件Q2的集電極相連，形成全橋功率模塊的首端，可關斷器件Q3的發射極與可關斷器件Q4的集電極相連，形成全橋功率模塊的末端。
全文摘要
本發明公開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構，變流器的每一相包含一個上橋臂和一個下橋臂，上、下橋臂分別由N個全橋功率模塊首尾串聯組成，形成鏈式多電平結構，各相上橋臂第1個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個功率模塊的末端連接在一起，形成公共直流母線的負極；各相上橋臂第N個功率模塊的末端和該相下橋臂第1個功率模塊的首端通過一個平波電抗器連接在一起，電抗器的中點作為該相的交流母線。本發明一方面具備高壓直流輸出能力，且直流電壓可以從零開始連續調節，另一方面完全兼容鏈式SVG拓撲，可以實現快速的動態無功調節，從而同時具備直流融冰和交流動態無功補償功能。
文檔編號H02M7/17GK102739080SQ20121021192
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者農靜, 劉志超, 劉樹, 呂志鵬, 張裕, 操豐梅, 李慶生, 梅紅明, 皮顯松, 趙慶明, 鄧樸, 陳秋榮 申請人:北京四方繼保自動化股份有限公司, 貴州電網公司電網規劃研究中心