一种集装箱式直流融冰系统及控制方法
【专利摘要】一种集装箱式直流融冰系统及控制方法，所述直流融冰系统主回路拓扑采用三相链式结构，每相由上下两个桥臂及对应的桥臂电抗器组成，每个桥臂由N个全桥功率模块串联组成，三相上桥臂的首端相联的公共联结点作为直流母线的正极，三相下桥臂的尾端相联的公共联结点作为直流母线负极；所述直流融冰系统安装于集装箱内，按功能划分为两个功率箱、一个开关倒闸箱，结构划分清晰，便于运输，操作时所需倒闸操作简单。本发明所述一种集装箱式直流融冰系统兼具无功补偿、直流融冰功能，安装于集装箱内，便于运输，功能结构划分清晰，运行所需倒闸开关少，采用公共连接点电位偏移的控制方法可实现直流输出电压的零起连续可调。
【专利说明】一种集装箱式直流融冰系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子变流器【技术领域】，具体涉及一种集装箱式直流融冰系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]近年我国南方地区冰冻雨雪灾害频发，电网中输电线路大面积覆冰，造成输电网中出现大量断线、倒塔，造成大面积的停电事故，也使得快速恢复送电变得非常困难。自2008年南方冰灾后，我国电力行业对输电线路的融冰做了大量研究，并相继开发了基于不控整流桥、基于SVC的直流融冰装置，并取得了一定的效果。其中基于SVC的直流融冰装置平时可工作于无功补偿方式，需要时可通过开关的切换将主回路拓扑转为直流融冰状态，可提高设备的使用率，得到了较为广泛的应用。
[0003]然而在使用上述装置的同时也出现了一些问题，如基于SVC的直流融冰装置谐波污染严重，需要配备相应的谐波消除装备；装置体积大，安装复杂，拓扑切换时倒闸复杂，需要经过多个开关的切换才能实现。特别是作为移动式装置时，虽可采用集装箱方式安装，但集装箱、整流变压器体积庞大，运输极为不便，不具备移动式应有的安装简单、快速投运的特点。
[0004]随着电力电子技术的发展，引入了全控型器件以解决晶闸管相控整流器普遍存在的谐波问题。但在链式结构中总模块直流电压各自悬浮，没有公共的直流母线，因而无法直接用于直流融冰当中，目前也尚未见有相关技术方案的文献报道。此外，也提出通过轻型直流输电(HVDC Light)的半桥模块化多电平(HBMMC)方案进行直流融冰，HVDC Light具有公共直流母线，天然地具备直流高压输出的条件，同时其交流侧连接电网，也具备动态无功补偿能力。但是，利用HVDC Light技术融冰也存在一些局限性，其中最为突出的就是HBMMC输出直流电压的可调范围小，必须在满足可控整流条件的直流电压以上进行调节，无法有效适应不同长度的输电线路，因而装置的可用率将大打折扣。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有的直流融冰装置的不足，提出一种集装箱式的直流融冰装置及控制方法，该融冰系统主回路采用基于全桥模块的模块化多电平换流器，三相上下桥臂的公共连接点引出作为公共直流母线的正负极，该装置可实现零起调压，并可输出较高的直流电压以实现对不同线路的融冰。
[0006]本发明具体采用以下方案:
[0007]一种集装箱式直流融冰系统，其特征在于:
[0008]所述一种集装箱式直流融冰系统包括功率部分、倒闸部分；
[0009]所述一种集装箱式直流融冰系统采用集装箱方式安装，功率部分安装于两个集装箱、开关倒闸部分安装于一个集装箱内；
[0010]所述一种集装箱式直流融冰系统采用按功能划分的结构布置方法，所述功率箱与开关倒闸箱功能相对独立，功率箱与开关倒闸箱之间通过电缆相连，两功率箱间无连接线.[0011]所述功率部分采用三相链式结构、星形连接，各相由一个上桥臂和一个下桥臂及对应的桥臂电抗器组成，各桥臂由N个全桥功率模块串联组成，其中N为大于I的整数；三相上桥臂的首端相联形成的公共连接点作为直流母线的正极，三相下桥臂的尾端相联形成的公共连接点作为直流母线的负极；
[0012]所述直流母线的正负极电压施加于待融冰线路上；
[0013]所述倒闸部分包括联络开关、第一交流并网开关、第二交流并网开关、第一直流换相隔离开关、第二直流换相隔离开关；
[0014]所述上桥臂通过桥臂电抗器及第一交流并网开关连接至I段交流母线，所述下桥臂通过桥臂电抗器及第二交流并网开关连接至II段交流母线，在上桥臂电抗器与第一交流并网开关的连接点和下桥臂电抗器与第二交流并网开关的连接点之间设置所述联络开关;
[0015]所述集装箱式直流融冰系统的正极直流输出侧连接第一直流换相隔离开关；
[0016]所述集装箱式直流融冰系统的负极直流输出侧连接第二直流换相隔离开关；
[0017]所述一种集装箱式直流融冰系统采用公共连接点电位偏移的控制方式，具体为在上下桥臂的调制波中加入极性相反的直流偏置分量，使其在上下桥臂的公共连接点之间产生直流电压差，实现连续可调的直流输出电压；
[0018]所述一种集装箱式直流融冰系统在直流侧采用各相可独立操作的第一直流换相隔离开关和第二直流换相隔离开关，实现对三相线路不同的融冰方法；
[0019]所述一种集装箱式直流融冰系统除直流融冰外兼具无功补偿功能，其无功补偿功能既可补偿单段母线电压，亦可独立补偿两段母线电压，融冰系统可通过联络开关以改变其拓扑。
[0020]本发明还进一步公开了一种基于前述集装箱式直流融冰系统的控制方法(即拓扑切换方法)，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
[0021](I)当所述集装箱式直流融冰系统独立对两段交流母线进行无功补偿时，断开联络开关，闭合第一交流并网开关和第二交流并网开关；
[0022](2)当所述集装箱式直流融冰系统只对某一段交流母线进行无功补偿时，闭合联络开关以及待补偿交流母线对应的交流并网开关，断开另一交流并网开关；
[0023](3)当所述集装箱式直流融冰系统运行于直流融冰时，所述集装箱式直流融冰系统需从同一段交流母线取电，闭合图中联络开关以及其中一个交流并网开关以实现从交流母线I段或II段取电，以实现对另一段母线的融冰。
[0024]本发明具有以下有益效果:
[0025]本发明所述一种集装箱式直流融冰系统兼具无功补偿、直流融冰功能，安装于集装箱内，便于运输，功能结构划分清晰，运行所需倒闸开关少，采用公共连接点电位偏移的控制方法可实现直流输出电压的零起连续可调。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1 一种集装式直流融冰装置主回路拓扑图；[0027]图2 H桥功率模块拓扑结构图；
[0028]图3直流融冰系统集装箱布置方案；
[0029]图4直流融冰系统上下桥臂调制波
[0030]图5直流侧换相开关接法；
[0031]图6直流融冰装置1-1接线方式；
[0032]图7直流融冰装置1-2接线方式。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明设计的一种集装箱式直流融冰系统及控制方法的技术原理和实施方案作详细的说明。
[0034]本发明所设计的一种集装箱式直流融冰系统的主回路拓扑如附图1所示，所述一种集装箱式直流融冰系统包括功率部分、倒闸部分。所述一种集装箱式直流融冰系统采用集装箱方式安装，功率部分安装于两个集装箱、开关倒闸部分安装于一个集装箱内(如图3所示)。
[0035]所述功率部分包括三相六个桥臂及对应的六个桥臂电抗器，各桥臂由N (N>1)个全桥模块串联组成，全桥模块结构如附图2所示，三相上桥臂的首端相联作为公共直流母线的正极如附图1中左侧DC+，三相下桥臂的尾端相联作为公共直流母线的负极，如附图1中左侧DC-，装置直流输出电压为附图1中左侧UDC。
[0036]附图1中所示QF1、QF2为三相上桥臂、三相下桥臂的第一交流并网开关及第二交流并网开关，L1、L2、L3为三相上桥臂的桥臂电抗器，L4、L5、L6为三相下桥臂的连接电抗器，QF3为联络开关，QS1、QS2为直流输出侧的第一直流换相隔离开关及第二直流换相隔离开关。
[0037]所述一种集装箱式直流融冰系统分为功率部分及开关倒闸部分，两部分功能相对独立，采用集装箱安装，如附图3所示，集装箱式直流融冰系统由两个功率箱，一个开关倒闸箱组成，其中模式切换时所需对开关的操作仅在开关倒闸箱中即可完成，所述的功率箱及开关倒闸箱功能相对独立，所述功率箱与开关倒闸箱之间仅需三相交流电缆、一极直流电缆连接，所述两个功率箱之间无需电缆连接，箱间连接电缆少，易于施工，可独立运输，可进行不同规格功率箱与开关倒闸箱的组合。
[0038]所述一种集装箱式直流融冰系统兼具无功补偿、直流融冰功能，两种功能的切换可通过开关倒闸实现。
[0039]当直流融冰系统运行于无功补偿工况时，如需对两段交流母线进行独立补偿，则如附图1所示，可将联络开关QF3断开，第一交流并网开关QF1、第二交流并网开关QF2闭合，相当于融冰系统的三相上桥组成一星接的SVG，三相桥臂的下桥组成一星接的SVG，两个SVG分别对交流母线I段、II段进行无功补偿。当需对交流母线I段进行同时补偿时，闭合联络开关QF3、第一交流并网开关QF1，断开第二交流并网开关QF2，则三相上下桥臂相当于并联运行的两个星接SVG，同时对交流母线I段进行补偿。
[0040]当直流融冰系统运行于直流融冰工况时，仅能从同一段交流母线取电，如从交流母线I段取电，则如附图1所示，闭合第一交流并网开关QF1、联络开关QF3，断开第二交流并网开关QF2，则直流融冰装置仅从交流母线I段取电。[0041]所述一种集装箱式直流融冰系统运行于直流融冰工况时，直流侧输出电压可零起连续可调，其控制方法为在三相上下桥臂的调制波中加入极性相反的直流分量，如附图4所示上下桥臂调制波，其中上桥臂中加入了 0.225的直流分量，下桥臂的调制波中加入-0.225的直流分量，其三相上桥臂的公共联结点与三相下桥臂的公共联结点间将对应产生直流压差，随着调制波中加入的直流分量不同，直流压差也随之变化，当调制波所加入的直流分量为O时，上下桥臂的调制波完全相同，上下桥臂的公共连结点的电位相同，其所输出的直流电压为零；当调制波中所加入的直流分量为最大时，上下桥臂公共联结点的电位差将达到最大，也即直流融冰系统可输出的最大直流电压。
[0042]所述一种集装箱式直流融冰系统在直流输出的正负极处采用三相可独立操作的隔离开关，两个隔离开关的各相输出之间短接，所需融冰线路连接于两个隔离开关的公共连接处，如附图5所示。目前的融冰方法主要包括如附图6所示1-1接线法以及附图7所示的1-2接线法，当采用1-1接线法时，直流侧隔离开关的操作方法为:对应步骤1，闭合第一直流换相隔离开关QSl的Al相及第二直流换相隔离开关QS2的C2相，以将直流电压施加于AC相之间的线路进行串联融冰；对应步骤2，闭合第一直流换相隔离开关QSl的Al相及第二直流换相隔离开关QS2的B2相，以将直流输出电压施加于AB相之间的线路进行融冰。当采用2-1接线法融冰时，直流侧隔离开关的操作方法为:对应步骤1，闭合第一直流换相隔离开关QSl的A1、B1相及第二直流换相隔离开关QS2的C2相，实现A、B相线路并联后再与C相线路串联，将直流电压施加于线路的两端；对应步骤2，闭合第一直流换相隔离开关QSl的A1、C1相及第二直流换相隔离开关QS2的B2相，实现A、C相线路并联后再与B相线路串联；对应步骤2，闭合第一直流换相隔离开关QSl的B1、C1相及第二直流换相隔离开关QS2的A2相，实现B、C相线路并联后再与B相线路串联。通过上述对直流隔离开关的操作最终实现不同的融冰方法。
[0043]以上实施实例是本发明的一个具体的实施电路示意图，并不以此限定本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种集装箱式直流融冰系统，其特征在于: 所述一种集装箱式直流融冰系统包括功率部分、倒闸部分； 所述一种集装箱式直流融冰系统采用集装箱方式安装，功率部分安装于两个集装箱、开关倒闸部分安装于一个集装箱内； 所述一种集装箱式直流融冰系统采用按功能划分的结构布置方法，所述功率箱与开关倒闸箱功能相对独立，功率箱与开关倒闸箱之间通过电缆相连，两功率箱间无连接线。
2.根据权利要求1所述的集装箱式直流融冰系统，其特征在于: 所述功率部分采用三相链式结构、星形连接，各相由一个上桥臂和一个下桥臂及对应的桥臂电抗器组成，各桥臂由N个全桥功率模块串联组成，其中N为大于I的整数；三相上桥臂的首端相联形成的公共连接点作为直流母线的正极，三相下桥臂的尾端相联形成的公共连接点作为直流母线的负极； 所述的直流母线正负极电压施加于待融冰线路上； 所述倒闸部分包括联络开关、第一交流并网开关、 第二交流并网开关、第一直流换相隔离开关、第二直流换相隔离开关； 所述上桥臂通过对应的桥臂电抗器及第一交流并网开关连接至I段交流母线，所述下桥臂通过对应的桥臂电抗器及第二交流并网开关连接至II段交流母线，在上桥臂电抗器与第一交流并网开关的连接点和下桥臂电抗器与第二交流并网开关的连接点之间设置所述联络开关； 所述集装箱式直流融冰系统的正极直流输出侧连接第一直流换相隔离开关； 所述集装箱式直流融冰系统的负极直流输出侧连接第二直流换相隔离开关； 所述一种集装箱式直流融冰系统采用公共连接点电位偏移的控制方式，使其在上下桥臂的公共连接点之间产生直流电压差，实现连续可调的直流输出电压； 所述一种集装箱式直流融冰系统在直流侧采用各相可独立操作的第一直流换相隔离开关和第二直流换相隔离开关，实现对三相线路不同的融冰方法； 所述一种集装箱式直流融冰系统除直流融冰外兼具无功补偿功能，其无功补偿功能既可补偿单段母线电压，亦可独立补偿两段母线电压，融冰系统可通过联络开关以改变其拓扑。
3.根据权利要求1所述的一种集装箱式直流融冰系统，其特征在于: 所述的全桥功率模块为H桥结构，由四个可关断器件Ql~Q4和直流支撑电容器C构成，上方的可关断器件Ql和Q3的集电极与直流支撑电容器C的正极相连，下方的可关断器件Q2和Q4的发射极与直流支撑电容器C的负极相连；可关断器件Ql的发射极与可关断器件Q2的集电极相连，形成全桥功率模块的首端，可关断器件Q3的发射极与可关断器件Q4的集电极相连，形成全桥功率模块的末端。
4.根据权利要求1或2所述的一种集装箱式直流融冰系统，其特征在于: 所述功率部分除了组成各相上下桥臂的全桥功率模块外，还包括风冷散热系统、控制系统，所述风冷散热系统用于各功率模块的散热，所述控制系统用于对功率模块、交直流开关的控制及保护。
5.根据权利要求4所述的一种集装箱式直流融冰系统，其特征在于: 所述一种集装箱式直流融冰系统的功率部分的三相上桥臂及与上桥臂对应串联的电抗器，和三相下桥臂及与下桥臂对应串联的电抗器分别安装于两个集装箱内形成两个功率箱，开关倒闸部分安装于一个集装箱内形成一个开关倒闸箱； 需进行拓扑切换时，仅在开关倒闸箱内对第一交流并网开关、第二交流并网开关、联络开关、第一直流换相隔离开关、第二直流换相隔离开关、控制系统的操作； 功率箱与开关倒闸箱之间功能相对独立，，可实现积木式组合，各箱体可独立运输。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种集装箱式直流融冰系统的控制方法，其特征在于: 所述一种集装箱式直流融冰系统采用公共连接点电位偏移的控制方式，即在所述直流融冰系统的上下桥臂调制波中加入相反的直流分量，使其公共连接点电位不为零，上下桥臂间的公共连接点间产生可控的电压差，从而实现直流输出电压从零开始至额定电压的连续可调。
7.一种基于权利要求1-6所述的集装箱式直流融冰系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤: (1)当所述集装箱式直流融冰系统独立对两段交流母线进行无功补偿时，断开联络开关，闭合第一交流并网开关和第二交流并网开关； (2)当所述集装箱式直流融冰系统只对某一段交流母线进行无功补偿时，闭合联络开关以及待补偿交流母线对应的交流并网开关，断开另一交流并网开关； (3)当所述集装箱式直流融冰系统运行于直流融冰时，所述集装箱式直流融冰系统需从同一段交流母线取电，闭合图中联络开关以及其中一个交流并网开关以实现从同一段交流母线取电。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于: 在步骤(3)中，所述一种集装箱式直流融冰系统在直流输出侧正负极间采用三相独立操作的换相隔离开关，两换相隔离开关各相输出之间短接，所需融冰线路一端接入两个换相隔离开关的公共联接处，另一端三相短接，通过对两个换相隔离开关的操作以实现以三相融冰线路的不同融冰方法。
【文档编号】H02G7/16GK103715643SQ201310741404
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】刘树, 王皆庆, 康成, 张凌俊, 李彦 申请人:北京四方继保自动化股份有限公司