基于谐振滤波器的mmc直流融冰装置及其设计方法
【专利摘要】本发明属于电力系统控制技术领域，尤其涉及一种基于谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装置及其设计方法。装置包括依次相连的断路器、隔离开关、连接电抗器、基于谐振滤波器的全桥型MMC、四个融冰刀闸以及待融冰交流线路。方法包括：确定直流融冰装置覆盖线路范围；计算覆盖线路范围内各导线的融冰电流；根据融冰电流以及融冰接线方式计算直流电压和直流功率；计算全桥型MMC直流融冰装置的子模块数目；计算全桥型MMC直流融冰装置的子模块电容的电容值；计算全桥型MMC直流融冰装置的桥臂电抗器的电抗值；计算谐振滤波器的参数。
【专利说明】
基于谐振滤波器的剛C直流融冰装置及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统控制技术领域，尤其设及一种基于谐振滤波器的全桥型MMC 直流融冰装置及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 在各种电力系统遭遇到的自然灾害中，冰雪灾害是最严重的之一。与其他事故相 比，冰雪灾害对电网造成的损失一般情况下更为严重，轻则冰闪，重则塔倒线断，甚至电力 网络擁痕。
[0003] 目前为了提高电网抵御冰雪灾害能力对线路进行除冰、融冰的方法和设备有多 种。国内外已经提出的融冰方法一般分为四类:热力融冰、机械除冰、自然被动除冰及其他 方法。机械除冰不容易操纵，自然被动除冰效率很低，由于传统方法均有不同程度的缺点， 因此都无法对线路进行高效的除冰、融冰。而热力融冰的优点是短时融冰、操作简便、容易 实施。热力融冰是一种将电能转变为热能的除冰技术，一般是在导线中通入电流使导线发 热来达到融冰目的，可分为交流融冰和直流融冰。
[0004] 传统的直流融冰装置通过外部隔离开关的简单分合操作，可W实现无功补偿和直 流融冰模式的转换，但是运行时产生谐波较大，响应速度略慢，需要安装较大容量的滤波 器;传统直流融冰装置SVC运行时电压应力、阀损耗都较大，而且直流融冰兼无功补偿装置 绝大部分时间运行于无功补偿模式，导致其综合运行效益大大降低。运些特点大大限制了 传统直流融冰装置的应用范围。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种基于谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装 置及其设计方法。装置包括:连接电抗器L、基于谐振滤波器的全桥型MMC、融冰刀闽S1、S2、 S3、S4，
[0006] 其中，连接电抗器L的一端通过隔离开关K和断路器QF接在35kV或者IOkV交流母线 上，连接电抗器L的另一端与基于谐振滤波器的全桥型MMC的交流侧相连；
[0007] 融冰刀闽S1、S2的一端与基于谐振滤波器的全桥型MMC的直流侧的正极相连，融冰 刀闽S3、S4的一端与基于谐振滤波器的全桥型MMC的直流侧的负极相连；
[0008] 融冰刀闽Sl的另一端与待融冰交流线路a相的一端相连，融冰刀闽S2、S3的另一端 与待融冰交流线路b相的一端相连，融冰刀闽S4的另一端与待融冰交流线路C相的一端相 连，待融冰交流线路a相、b相、C相的另一端短接在一起。
[0009] 所述基于谐振滤波器的全桥型MMC为=相六桥臂结构，每个桥臂由滤波电抗器Lf、 阀电抗器Ls和N个全桥型子模块SM串联组成，a、b、cS相中任意一相的上桥臂或下桥臂中的 滤波电抗器Lf的一端与连接电抗器L相连，滤波电抗器Lf的另一端与阀电抗器Ls的一端相 连，阀电抗器Ls的另一端与串联而成的N个全桥型子模块SM的一端相连，上桥臂和下桥臂上 的两个滤波电抗器Lf之间并联谐振滤波器Cf ;a、b、cS相的上桥臂上的N个全桥型子模块SM 的另一端连接在一起构成全桥型MMC直流融冰装置的正极，a、b、c =相的下桥臂上的N个全 桥型子模块SM的另一端连接在一起构成全桥型MMC直流融冰装置的负极。
[0010] 所述全桥型子模块SM包括四个全控型电力电子器件1'1^2^3^4，四个二极管01、 02、03、04，一个电容(：，一个快速开关心;全控型电力电子器件1'1^2^3、1'4的集电极分别与 二极管01、02、03、04的负极相连，全控型电力电子器件1'1^2^3、1'4的发射极分别与二极管 01、02、03、04的正极相连;全控型电力电子器件1'1的发射极与全控型电力电子器件13的集 电极相连构成全桥型子模块SM的正极，全控型电力电子器件T2的发射极与全控型电力电子 器件T4的集电极相连构成全桥型子模块的负极，全控型电力电子器件Tl的集电极与全控型 电力电子器件T2的集电极相连并于电容C的正极相连，全控型电力电子器件T3的发射极与 全控型电力电子器件T4的发射极相连并于电容C的负相连，快速开关Ks的两端分别与全桥 型子模块SM的正极和负极相连。
[0011] -种基于谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装置的设计方法，包括W下步骤：
[0012] 步骤1、确定直流融冰装置覆盖线路范围；
[0013] 步骤2、计算覆盖线路范围内各导线的融冰电流；
[0014] 步骤3、根据融冰电流W及融冰接线方式计算直流电压和直流功率；
[0015] 步骤4、计算全桥型MMC直流融冰装置的子模块数目；
[0016] 步骤5、计算全桥型MMC直流融冰装置的子模块电容的电容值；
[0017] 步骤6、计算全桥型MMC直流融冰装置的桥臂电抗器的电抗值；
[0018] 步骤7、计算谐振滤波器的参数。
[0019] 本发明的有益效果在于：
[0020] 全桥型MMC的每个子模块由控制灵活度更高的全桥型子模块构成，按照一定的控 制和调制规律输出正、零、负的模块电压，可W使得换流器直流侧电压能够在额定值与零之 间连续可调，可在一定范围内针对不同长短的线路进行融冰，操作比较简单。同时在换流器 输出较低直流电压和直流电流时，也可W保证换流器交流侧输出电压、电流的品质。因此， 基于全桥型子模块的模块化多电平换流器具有直流电压和直流电流双向运行能力，可满足 直流融冰对换流器运行工况的要求。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的基于谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装置的结构图。
[0022] 图2为基于谐振滤波器的全桥型MMC结构图。
[0023] 图3为全桥型子模块结构图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图，详细说明实施方案。
[0025] 本发明的一种基于谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装置的结构图如图1所示，包 括:连接电抗器L、基于谐振滤波器的全桥型MMC、融冰刀闽51、52、53、54;其中，连接电抗器1 的一端通过隔离开关K和断路器QF接在35kV或者IOkV交流母线上，连接电抗器L的另一端与 基于谐振滤波器的全桥型MMC的交流侧相连;融冰刀闽S1、S2的一端与基于谐振滤波器的全 桥型MMC的直流侧的正极相连，融冰刀闽S3、S4的一端与基于谐振滤波器的全桥型MMC的直 流侧的负极相连;融冰刀闽SI的另一端与待融冰交流线路a相的一端相连，融冰刀闽S2、S3 的另一端与待融冰交流线路b相的一端相连，融冰刀闽S4的另一端与待融冰交流线路C相的 一端相连，待融冰交流线路a相、b相、C相的另一端短接在一起。
[0026] 基于谐振滤波器的全桥型MMC拓扑结构如图2所示，其结构为=相六桥臂结构，每 个桥臂由滤波电抗器Lf、阀电抗器Ls和N个全桥型子模块SM串联组成，a、b、cS相中任意一相 的上桥臂或下桥臂中的滤波电抗器Lf的一端与连接电抗器L相连，滤波电抗器Lf的另一端与 阀电抗器Ls的一端相连，阀电抗器Ls的另一端与串联而成的N个全桥型子模块SM的一端相 连，上桥臂和下桥臂上的两个滤波电抗器Lf之间并联谐振滤波器Cf ;a、b、c =相的上桥臂上 的N个全桥型子模块SM的另一端连接在一起构成全桥型MMC直流融冰装置的正极，a、b、cS 相的下桥臂上的N个全桥型子模块SM的另一端连接在一起构成全桥型MMC直流融冰装置的 负极。
[0027] 全桥型子模块SM的拓扑结构如图3所示，包括四个全控型电力电子器件T1、T2、T3、 T4,四个二极管01、02、03、04，一个电容(：，一个快速开关私;全控型电力电子器件1'1^2^3、 T4的集电极分别与二极管01、02、03、04的负极相连，全控型电力电子器件1'1^2^3、1'4的发 射极分别与二极管01、02、03、04的正极相连;全控型电力电子器件1'1的发射极与全控型电 力电子器件T3的集电极相连构成全桥型子模块SM的正极，全控型电力电子器件T2的发射极 与全控型电力电子器件T4的集电极相连构成全桥型子模块的负极，全控型电力电子器件Tl 的集电极与全控型电力电子器件T2的集电极相连并于电容C的正极相连，全控型电力电子 器件T3的发射极与全控型电力电子器件T4的发射极相连并于电容C的负相连，快速开关Ks 的两端分别与全桥型子模块SM的正极和负极相连。
[0028] 对于全桥型MMC中的N个全桥型子模块SM串联结构是指a、b、cS相的上桥臂串联而 成的N个全桥型子模块SM中的N个子模块的正负极依次相连，即SMl的负极与SM2的正极相 连，SM2的负极与SM3的正极相连，W此类推，最后SMl的正极与基于谐振滤波器的全桥型MMC 相连，S丽的负极与Lf相连;a、b、cS相的下桥臂串联而成的N个全桥型子模块SM中的N个子 模块的正负极依次相连，即SMl的负极与SM2的正极相连，SM2的负极与SM3的正极相连，W此 类推，最后SMl的正极与Lf相连，SMN的负极与基于谐振滤波器的全桥型MMC相连
[0029] 本发明中基于谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装置的设计方法包括W下步骤：
[0030] (1)确定直流融冰装置覆盖线路范围：
[0031] 根据直流融冰装置的使用地点确定需要利用该装置进行融冰的线路，并且根据各 个线路不同型号的导线确定各导线的直流电阻值。
[0032] (2)计算覆盖线路范围内各导线的融冰电流：
[0033] 根据布尔格斯道尔夫计算各线路典型覆冰条件下的最小融冰电流，取计算值的 1.1倍作为待融冰交流线路的融冰电流，即
[0034] Idc 二 1 . 1 X Idejnin
[0035] 其中Id。为待融冰交流线路的融冰电流，Ide_"in为最小融冰电流。
[0036] (3)根据融冰电流W及融冰接线方式计算直流电压和直流功率：
[0037] 融冰方式选用"1-r接线方式，即可计算得到融冰装置的直流电压和直流功率，即
[0038] Udc = Idc X 2R
[0039] Pdc = UdcXIdc
[0040]其中Udc为直流电压，Pdc为直流功率，R为待融冰交流线路一相的直流电阻。
[0041 ] (4)计算全桥型MMC直流融冰装置的子模块数目：
[0042] 设全桥型匪C根据需求负电平输出的子模块数目为Nneg,则全桥型匪C每个桥臂中 的子模块数目为
[0043] N>Nneg+Udc/Uc
[0044] 其中N为每个桥臂子模块数目，U。为每个全桥型子模块的额定电容电压。
[0045] (5)计算全桥型MMC直流融冰装置的子模块电容的电容值：
[0046]
[0047] 其中坊1全桥型子模块电容的电容值，取111 = 0.85~0.95，(：〇39=1，6 = 5%
[004引（6)计算全桥型MMC直流融冰装置的桥臂电抗器Lt的电抗值：
[0049] 桥臂电抗器Lt的电抗值一般选取为0.化U，并且LT = Ls+Lf
[0050] (7)计算谐振滤波器的参数：
[0051] 因为全桥型MMC的环流从谐波成分上分析主要表现为二次谐波分量，所W谐振滤 波器的设计主要是为了滤除二次谐波，所W谐振滤波器其如下计算得到：
[0化2] Lf = PLx [0053] Ls=(I-P)Lt
[0化4]
[005引其中P表示Lf占 Lt的比例，W质示基波角频率。
[0056] 本发明所提供一种基于谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装置的设计方法可W为 装置研究提供参考。
[0057] 此实施例仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该W权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种基于谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装置，其特征在于，包括:连接电抗器L、 基于谐振滤波器的全桥型MMC、融冰刀闸SI、S2、S3、S4; 其中，连接电抗器L的一端通过隔离开关K和断路器QF接在35kV或者10kV交流母线上， 连接电抗器L的另一端与基于谐振滤波器的全桥型MMC的交流侧相连； 融冰刀闸S1、S2的一端与基于谐振滤波器的全桥型MMC的直流侧的正极相连，融冰刀闸 S3、S4的一端与基于谐振滤波器的全桥型MMC的直流侧的负极相连； 融冰刀闸S1的另一端与待融冰交流线路a相的一端相连，融冰刀闸S2、S3的另一端与待 融冰交流线路b相的一端相连，融冰刀闸S4的另一端与待融冰交流线路c相的一端相连，待 融冰交流线路a相、b相、c相的另一端短接在一起。2. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述基于谐振滤波器的全桥型MMC为三相六 桥臂结构，每个桥臂由滤波电抗器Lf、阀电抗器L s和N个全桥型子模块SM串联组成，a、b、c三 相中任意一相的上桥臂或下桥臂中的滤波电抗器Lf的一端与连接电抗器L相连，滤波电抗 器Lf的另一端与阀电抗器L s的一端相连，阀电抗器Ls的另一端与串联而成的N个全桥型子模 块SM的一端相连，上桥臂和下桥臂上的两个滤波电抗器L f之间并联谐振滤波器Cf;a、b、c三 相的上桥臂上的N个全桥型子模块SM的另一端连接在一起构成全桥型MMC直流融冰装置的 正极，a、b、c三相的下桥臂上的N个全桥型子模块SM的另一端连接在一起构成全桥型MMC直 流融冰装置的负极。3. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述全桥型子模块SM包括四个全控型电力电 子器件1'1、了2、了3、了4，四个二极管01、02、03、04，一个电容(：，一个快速开关1( 3;全控型电力电 子器件11323334的集电极分别与二极管01、02、03、04的负极相连，全控型电力电子器件 1'1、了233、了4的发射极分别与二极管01、02、03、04的正极相连 ;全控型电力电子器件11的发 射极与全控型电力电子器件T3的集电极相连构成全桥型子模块SM的正极，全控型电力电子 器件T2的发射极与全控型电力电子器件T4的集电极相连构成全桥型子模块的负极，全控型 电力电子器件T1的集电极与全控型电力电子器件T2的集电极相连并于电容C的正极相连， 全控型电力电子器件T3的发射极与全控型电力电子器件T4的发射极相连并于电容C的负相 连，快速开关K s的两端分别与全桥型子模块SM的正极和负极相连。4. 一种基于权利要求1所述谐振滤波器的全桥型MMC直流融冰装置的设计方法，其特征 在于，包括以下步骤： 步骤1、确定直流融冰装置覆盖线路范围； 步骤2、计算覆盖线路范围内各导线的融冰电流； 步骤3、根据融冰电流以及融冰接线方式计算直流电压和直流功率； 步骤4、计算全桥型MMC直流融冰装置的子模块数目； 步骤5、计算全桥型MMC直流融冰装置的子模块电容的电容值； 步骤6、计算全桥型MMC直流融冰装置的桥臂电抗器的电抗值； 步骤7、计算谐振滤波器的参数。
【文档编号】H02G7/16GK105977894SQ201610439443
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】赵成勇, 郭裕群, 周月宾, 傅闯, 许树楷, 许建中
【申请人】华北电力大学, 南方电网科学研究院有限责任公司