基于混合型模块化多电平变换器的拓扑结构及融冰装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于混合型模块化多电平变换器的拓扑结构及融冰装置。
【背景技术】
[0002]在全球变暖的长期趋势下，电网覆冰问题在局部地区将显得尤为突出，当前输电系统按照覆冰10_设计，如遇极端灾害天气，则冰雪灾害将造成大面积停电事故。目前电网除冰主要有热力除冰、机械除冰、被动除冰等方法，这些方法都存在着不同程度的不足。因高压输电线路大多架设在荒郊野外、崇山峻岭之间，一旦产生覆冰，就目前的技术水平而言，采用机械法除冰难以达到及时除冰的目的。因此热力融冰仍是目前可行的常用方法。热力融冰采用交、直流电流均可，但高压输电线路采用分裂导线，线路的分布电容大，直流电阻只有交流阻抗的10%左右，交流短路融冰时，融冰电源需提供大量无功用于线路充电，作用于电阻发热的部分相对很小。因此要得到同样大小的融冰功率，采用直流电流融冰所需电源容量将小得多。
[0003]直流融冰技术研究的关键在于融冰成套装置的研制开发，高压输电线路的融冰电流及功率太大，一般的直流整流装置难以满足要求。而融冰装置工作时间很短，单一用于融冰，将导致设备资源的闲置浪费，因此如何使装置在覆冰时期能用于线路融冰，平常又可用作它用，以充分利用设备资源，同时一台设备如何兼顾多条线路融冰，都是直流融冰技术需要解决的问题。最早提出的基于大容量静止无功补偿器(SVC)的直流融冰装置已经在实际中得到了广泛的应用，但由于开关器件采用晶闸管，因此直流融冰时谐波含量高、模式切换操作复杂，装置本身体积较大，不是理想的直流融冰装置。此外随着轻型直流输电(HVDC Light)技术的发展，将HVDC Light的控制策略改变即可用作静止同步补偿装置(STATC0M)，也可以实现直流融冰装置的复用。基于HVDC Light技术的直流融冰装置采用全控器件，但可调直流电压范围小，一般不适合于大功率场合.
[0004]公开号为CN102739080B的中国发明专利公开的《一种基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置》针对现有的直流融冰装置的不足，提出一种采用全桥模块的模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，通过全桥型子模块(Full BridgeSub-Module, FBSM)级联形成具有公共直流母线的AC/DC变流器拓扑方案，如图1所示，全桥型子模块FBSM结构图如图2所示。这种方案一方面具备高压直流输出能力，且直流电压可以从零开始连续调节，另一方面完全兼容链式STATC0M或SVG拓扑，可以实现快速的动态无功调节，从而同时具备直流融冰和动态无功补偿功能。公开号为CN103715643A的中国发明专利公开的《一种集装箱式直流融冰系统及控制方法》、公开号为CN103915808A的中国发明专利公开的《基于电压源型换流器的直流融冰装置及其控制方法》、公开号为CN104319786A的中国发明专利公开的《一种基于SVG的直流融冰装置控制系统》以及公开号为CN104078909A的中国发明专利公开的《一种电压源型直流融冰兼静止同步补偿装置及其控制方法》提出的直流融冰装置的拓扑方案与上述方案基本相同，它们的共同特点都是采用基于全桥型子模块的MMC拓扑结构，因此使用的大功率开关器件及相应辅助电路较多，损耗较大，成本较高，体积较大，存在一定的不必要浪费。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决上述问题，提出了一种基于混合型模块化多电平变换器的拓扑结构及融冰装置，本拓扑结构基于级联半桥型子模块和全桥型子模块混合而成，既可以作为直流融冰装置，还同时可以用作静止同步补偿器，具有节省电能、实现从零到最大值之间的连续可调的优点。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种基于混合型模块化多电平变换器的拓扑结构，所述混合型模块化多电平变换器为三相桥结构，变换器每一相包括一个上桥臂功率链和一个下桥臂功率链，上、下桥臂功率链均包括N个串联的功率单元子模块，所有功率单元子模块首尾串联，从上到下分别为第1个、第2个、…、第N个子模块，其中N为大于1的整数，所述功率单元子模块为半桥型子模块和全桥型子模块，且半桥型子模块和全桥型子模块的个数比为1:1 ;
[0008]各相上桥臂功率链第1个功率单元的首端连接在一起，作为公共直流母线的正极，各相下桥臂功率链第N个功率单元的末端连接在一起，作为公共直流母线的负极，各相上桥臂功率链第N个功率单元的末端和该相下桥臂功率链第1个功率单元SM的首端各通过一个电感连接在一起，每一相两个电感的连接点连接该相的交流母线。
[0009]所述半桥型子模块，包括两个带反并联二极管的全控型功率开关器件Q5、Q5和电容器，其中，Q5的发射极与Q6的集电极相连，Q5的集电极、Q6的发射极分别连接电容器的两端。
[0010]所述全桥型子模块，包括四个带反并联二极管的全控型功率开关器件Ql、Q2、Q3与Q4和电容器，其中，全控型功率开关器件Ql、Q2的集电极相连，且连接在电容器的正极，全控型功率开关器件Q3、Q4的发射极相连，且均连接在电容器的负极，全控型功率开关器件Q1的发射极和Q3的集电极相连构成全桥型子模块的首端，Q2的发射极和Q4的集电极相连构成全桥型子模块的末端。
[0011]所述上、下桥臂功率链的功率单元子模块类型不同。
[0012]所述上桥臂功率链的功率单元子模块为全桥型子模块，所述下桥臂功率链的功率单元子模块为半桥型子模块。
[0013]所述下桥臂功率链的功率单元子模块为全桥型子模块，所述上桥臂功率链的功率单元子模块为半桥型子模块。
[0014]所述功率链包括N个功率单元子模块，且N为2的倍数，上、下桥臂功率链的功率单元子模块有N/2个为全桥型子模块，N/2为半桥型子模块。
[0015]一种基于混合型模块化多电平变换器的直流融冰装置，包括上述拓扑结构，且所述拓扑结构的公共直流母线的正极和公共直流母线的负极分别施加在相应的待融冰线路上。
[0016]一种基于混合型模块化多电平变换器的静止同步补偿器，包括上述拓扑结构，且直流侧母线正负极开路。
[0017]一种基于混合型模块化多电平变换器的静止无功发生器，包括上述拓扑结构，且直流侧母线正负极开路。
[0018]本发明的工作原理为:
[0019]图1所示的现有的基于全桥型MMC直流融冰装置，其直流母线电压Ud可在-NUc与+NUc之间调节，即
[0020]Ud = -NUc ?+NUc(1)
[0021]式中N为MMC上或下桥臂子模块数量，Uc为子模块直流侧电压。
[0022]显然，MMC直流母线电压可为交变电压，但是，实际中MMC直流母线施加在被融冰线路时并不需要交变电流，而只需直流即可，因此图1所示的直流融冰装置存在一定的不必要浪费。
[0023]由式(1)可知，若使MMC直流母线电压Ud能在0与+NUc之间调节，即
[0024]Ud = 0 ?+NUc(2)
[0025]就能满足实际融冰的需要。
[0026]如果将图1所示的MMC子模块全部改为半桥子模块，则其直流母线电压Ud基本为NUc (或在NUc电压附近)，其调节范围很小，显然，该类型MMC不能用作直流融冰装置使用。
[0027]根据上述分析，如果将图1所不的MMC子模块的一半由全桥子模块改为半桥子模块，即每相功率链中全桥子模块与半桥子模块的个数比为1:1时，则其直流母线电压Ud可由两部