本发明涉及电气工程，具体涉及一种具有余热发电功能的集约型直流融冰装置及其控制方法。
背景技术：
直流融冰是电网抗击雨雪冰冻灾害最直接有效的手段，在冬季覆冰期有力保障了大电网的安全稳定运行。但早期的直流融冰装置普遍功能结构单一、仅具有融冰功能并只在冬季线路覆冰时使用，导致装置利用率极低，长期处于闲置状态。集约型直流融冰装置是在直流融冰的基础上兼具了动态无功补偿功能，通常可采用svg或svc结构，因此装置可在非覆冰期对电网进行动态无功补偿，极大地提高了装置利用率。但无功补偿部件均由大量可控半导体器件组成，在进行无功补偿时需要频繁开断，长时间运行时会产生巨大的热损耗。该部分热量通常由相应设计的风冷或水冷散热系统排放至外界，以保证装置正常稳定运行。
国内、外少数高校和科研单位对集约型直流融冰装置开展的研究工作大多为装置功能结构设计、参数仿真计算及控制算法优化等，少有关于装置余热回收利用的报导。而现实情况中，以兼具svg型直流融冰装置为例，容量为100mva的装置，额定功率下热损耗可达300kw，若按装置额定功率下年平均使用时间为5628小时，则共计产生热量6*109kj。通过计算可发现，集约型融冰装置在动态无功补偿模式下长期运行所产生的热损耗巨大，若不对该部分热量进行回收利用，则造成很大的能源浪费，对环境造成热污染。因此有必要对集约型直流融冰装置所产生的热损耗进行回收利用。本专利针对兼具svg型直流融冰装置的特点，结合变电站功能需求，设计了集约型直流融冰装置低温余热发电系统，可有效解决装置长期运行所产生热量无法回收的问题，实现了节能减排，保护了环境，具有重要的社会和经济价值。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种装置运行经济性好、降低了装置损耗、避免了能源的浪费、发出的电压会发生动态变化无法满足并网要求、可广泛运用于各类变电站的具有余热发电功能的集约型直流融冰装置及其控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一方面，本发明提供一种具有余热发电功能的集约型直流融冰装置，包括带有大功率散热系统的集约型直流融冰装置本体，还包括介质热交换装置、膨胀机组、冷凝回收装置、发电机组和并网控制器，所述介质热交换装置包括相互独立的两路热交换通道，一路热交换通道和大功率散热系统的热流体回路接口相连、另一路热交换通道依次和膨胀机组、冷凝回收装置形成热工质封闭循环回路，所述发电机组的控制端和并网控制器相连，所述发电机组的输出端和交流电网相连，所述发电机组包括直流发电机和逆变单元，所述膨胀机组的输出轴和直流发电机相连，所述直流发电机的输出端依次通过逆变单元和交流电网相连。
优选地，所述发电机组还包括储能单元，所述直流发电机的输出端依次通过储能单元、逆变单元和交流电网相连。
优选地，所述热工质为r601a有机工质、r601有机工质、r134a有机工质、r290有机工质、r1270有机工质中的单种物质或者两种以上的混合物。
优选地，所述集约型直流融冰装置本体包括接入35kv交流母线的定阻抗低损耗连接变压器和电容器与电抗器组，所述定阻抗低损耗连接变压器上还连接有运行模式转换装置，所述运行模式转换装置则分别连接有融冰支路和无功补偿及有源滤波支路，所述融冰支路包括低谐波直流融冰电压转换部件和融冰线路切换装置，所述无功补偿及有源滤波支路则包括并联布置的两台静止无功补偿及有源滤波部件，且两台静止无功补偿及有源滤波部件上连接有大功率散热系统。
另一方面，本发明还提供一种前述具有余热发电功能的集约型直流融冰装置的控制方法，实施步骤包括：
1）检测集约型直流融冰装置本体的工作模式，如果集约型直流融冰装置本体工作在无功补偿模式，则跳转执行步骤2）；否则，跳转执行步骤1）继续检测；
2）并网控制器检测集约型直流融冰装置的输出的无功功率；
3）并网控制器根据输出的无功功率控制发电机组中直流发电机的励磁电流，使得直流发电机的输出电压幅值保持恒定以不受集约型直流融冰装置输出的无功功率变化的影响，同时并网控制器控制逆变单元中的全控型器件的开断时间和频率将直流发电机输出的电压转换为与交流电网同频率同相位的三相交流电。
优选地，步骤3）中并网控制器逆变单元中全控型器件的开断时间和频率时还包括闭锁策略，详细步骤包括：实时检测集约型直流融冰装置的大功率散热系统工作状态，如果集约型直流融冰装置出现异常，则闭锁逆变单元，从而断开发电机组与交流电网的连接。
本发明具有余热发电功能的集约型直流融冰装置具有下述优点：
1、本发明具有余热发电功能的集约型直流融冰装置可以对集约型直流融冰装置在无功补偿模式下长时间运行产生的巨大热损耗进行回收利用，通过低温余热发电系统发出与系统同频率同相位的交流电，提高了装置的运行经济性，降低了装置损耗，避免了能源的浪费。
2、集约型直流融冰装置的无功补偿支路会根据站内无功分布情况对输出无功功率进行调节实现动态补偿。而集约型直流融冰装置所产生的余热与其当前所输出补偿无功的功率有关，因此常规发电机发出的电压会发生动态变化无法满足并网要求。因此本实施例中的发电机组由一台直流发电机，储能单元和逆变单元构成。其中膨胀机组与直流发电机的转轴相连，带动直流发电机旋转，将机械能转化为直流电能。并网控制器通过检测当前直流融冰装置输出的无功功率，对直流发电机的励磁电流进行调节，保证发电机输出电压幅值不受装置发出无功功率变化的影响。直流发电机输出端与储能单元相连，对发电机产生的电能先进行存储。逆变单元与储能单元相连，将直流电逆变成符合要求的三相交流电，实现并网。
3、本发明具有余热发电功能的集约型直流融冰装置所设计余热发电系统与水冷散热和风冷散热系统兼容可广泛运用于各类变电站。
本发明具有余热发电功能的集约型直流融冰装置的控制方法具有下述优点：本发明具有余热发电功能的集约型直流融冰装置的控制方法通过并网控制器检测集约型直流融冰装置的输出的无功功率，并网控制器根据输出的无功功率控制发电机组中直流发电机的励磁电流，使得直流发电机的输出电压幅值保持恒定且不受集约型直流融冰装置输出的无功功率变化的影响，同时并网控制器逆变单元中全控型器件的开断时间和频率将直流发电机输出的电压转换为与交流电网同频率同相位的三相交流电，能够克服集约型直流融冰装置的无功补偿及有源滤波支路会根据站内无功分布情况对输出无功功率进行调节实现动态补偿、装置所产生的余热与其当前所输出补偿无功的功率有关，进而导致发电机发出的电压会发生动态变化无法满足并网要求的技术问题，使得具有余热发电功能的集约型直流融冰装置不受集约型直流融冰装置输出的无功功率变化的影响，具有输出电压稳定可靠的优点。
附图说明
图1为本发明实施例系统的应用结构示意图。
图例说明：1、介质热交换装置；2、膨胀机组；3、冷凝回收装置；4、发电机组；5、并网控制器；6、集约型直流融冰装置本体；61、定阻抗低损耗连接变压器；62、电容器与电抗器组；63、运行模式转换装置；64、低谐波直流融冰电压转换部件；65、融冰线路切换装置；66、静止无功补偿及有源滤波部件；67、大功率散热系统。
具体实施方式
如图1所示，本实施例具有余热发电功能的集约型直流融冰装置包括带有大功率散热系统67的集约型直流融冰装置本体6，还介质热交换装置1、膨胀机组2、冷凝回收装置3、发电机组4和并网控制器5，介质热交换装置1包括相互独立的两路热交换通道，一路热交换通道和大功率散热系统67的热流体回路接口相连、另一路热交换通道依次和膨胀机组2、冷凝回收装置3形成热工质封闭循环回路，发电机组4的控制端和并网控制器5相连，发电机组4的输出端和交流电网相连，发电机组4包括直流发电机和逆变单元，膨胀机组2的输出轴和直流发电机相连，直流发电机的输出端依次通过逆变单元和交流电网相连。集约型直流融冰装置中无功补偿及有源滤波支路通过特殊设计的大功率散热系统67实现闭式循环散热，大功率散热系统67与本实施例的介质热交换装置1相连，将余热传递至热介质使其汽化，介质热交换装置1与膨胀机组2相连，膨胀机组2将热能转化为机械能，膨胀机组2与发电机组4相连带动发电机工作，产生电能并入电网，膨胀机组2通过冷凝回收装置3与介质热交换装置1相连，将冷凝后的热介质送回热交换装置构成闭式循环，并网控制器5则通过控制发电机组4中的逆变单元逆变出与电网电压同频率同相位的三相交流电。本实施例具有余热发电功能的集约型直流融冰装置能够对集约型直流融冰装置中无功补偿及有源滤波支路所产生的余热回收，并将回收的余热转化为电能并入电网，提高了能源利用率，降低了融冰装置热污染，对实现节能减排、发展环保战略具有重要意义。
如图1所示，本实施例中发电机组4还包括储能单元，直流发电机的输出端依次通过储能单元、逆变单元和交流电网相连，对发电机产生的电能先进行存储，逆变单元与储能单元相连，将直流电逆变成符合要求的三相交流电，实现并网，使发电机组4能够产生符合并网要求的三相交流电。
介质热交换装置内部含有热工质，用于实现热传递，将风冷散热系统所带出的装置余热传递至热工质，使热工质发生汽化，融冰装置余热转化为热工质的热能和动能。本实施例中，热工质为r601a有机工质，此外还可以采用r601有机工质、r134a有机工质、r290有机工质、r1270有机工质中的单种物质或者前述两种以上的混合物，不同工质所适合的热源温度不同，可根据热源实际温度选取合适的工质。
如图1所示，集约型直流融冰装置6包括接入35kv交流母线的定阻抗低损耗连接变压器61和电容器与电抗器组62，定阻抗低损耗连接变压器61上还连接有运行模式转换装置63，运行模式转换装置63则分别连接有融冰支路和无功补偿及有源滤波支路，分别用于实现融冰模式和无功补偿模式。融冰支路包括低谐波直流融冰电压转换部件64和融冰线路切换装置65，融冰线路切换装置65用于与直流25kv/5000a的待融冰高压直流线路相连；无功补偿及有源滤波支路则包括并联布置的两台静止无功补偿及有源滤波部件66，且两台静止无功补偿及有源滤波部件66上连接有大功率散热系统67，本发明的具有余热发电功能的集约型直流融冰装置正是以大功率散热系统67的余热进行回收利用来用于发电。
综上所述，针对集约型直流融冰装置，本发明的具有余热发电功能的集约型直流融冰装置将集约型融冰装置在动态无功补偿模式下长期运行所产生的巨大热损耗进行回收，最终转化为电能反馈回交流电网，因此极大程度地降低了装置的能耗，减轻了装置运行对周边环境产生的热污染，同时本发明的具有余热发电功能的集约型直流融冰装置可广泛适用于各种类型的集约型直流融冰装置，具有重要的社会经济意义。
本实施例中，集约型直流融冰装置的无功补偿及有源滤波支路会根据站内无功分布情况对输出无功功率进行调节实现动态补偿，而装置所产生的余热与其当前所输出补偿无功的功率有关，因此常规发电机发出的电压会发生动态变化无法满足并网要求。为了解决上述技术问题，本实施例具有余热发电功能的集约型直流融冰装置的控制方法的实施步骤包括：
1）检测集约型直流融冰装置本体6的工作模式，如果集约型直流融冰装置本体6工作在无功补偿模式，则跳转执行步骤2）；否则，跳转执行步骤1）继续检测；
2）并网控制器5检测集约型直流融冰装置的输出的无功功率；
3）并网控制器5根据输出的无功功率控制发电机组4中直流发电机的励磁电流，使得直流发电机的输出电压幅值保持恒定以不受集约型直流融冰装置输出的无功功率变化的影响，同时并网控制器5控制逆变单元中的全控型器件的开断时间和频率将直流发电机输出的电压转换为与交流电网同频率同相位的三相交流电，使得具有余热发电功能的集约型直流融冰装置不受集约型直流融冰装置输出的无功功率变化的影响，具有输出电压稳定可靠的优点。
本实施例中，逆变单元为三相逆变结构，并网控制器5控制逆变单元的控制算法采用spwm调制算法，并网控制器5通过spwm算法控制逆变器输出交流电与电网同频率、同相位实现并网。
本实施例中，步骤3）中并网控制器5逆变单元中全控型器件的开断时间和频率时还包括闭锁策略，详细步骤包括：实时检测集约型直流融冰装置的大功率散热系统工作状态，如果集约型直流融冰装置出现异常，则闭锁逆变单元，从而断开发电机组4与交流电网的连接，通过检测融冰装置散热系统的工作状况，在散热出现异常时闭锁逆变器，断开并网连接，防止电网能量倒灌防止故障情况下发电机组4发生损坏，进而影响融冰装置正常散热。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。