CN106300200A

CN106300200A - 一种兼具statcom功能的可移动直流融冰装置及其融冰方法

Info

Publication number: CN106300200A
Application number: CN201510289267.1A
Authority: CN
Inventors: 兰越前; 张龙; 石清
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Nanjing NARI Group Corp; China EPRI Science and Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Nanjing NARI Group Corp; China EPRI Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明涉及一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置及其融冰方法，装置拓扑采用IGBT功率单元串联的方式，同时兼具融冰功能和STATCOM功能。工作在融冰模式时，可以实现恒电流控制和单位功率因数运行；工作在STATCOM模式时，可以实现无功补偿和电压支撑。该装置具有谐波含量小、工作方式切换灵活、装置利用率高、方便移动作业的特点。

Description

一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置及其融冰方法

技术领域

本发明涉及一种融冰装置及其融冰方法，具体讲涉及一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置及其融冰方法。

背景技术

输电线路覆冰是电力***所面临的最为严重的自然灾害之一，从1954年12月到2009年底，中国各地6kV及以上电压等级的电网发生过1000多起各种各样的覆冰灾害，其中35kV及以上规模电网发生并引起电网严重故障的覆冰灾害就有100起左右。导线覆冰严重时的断线、倒杆塔、线路跳闸、通信中断等会导致大面积停电事故，对国民经济造成重大损失。

从***容量、融冰效率来看，直流融冰法通过三相整流以获得直流融冰电源，直流融冰电源给电力线路融冰，负载为三相线路，经过一段时间后，线路发热，从而将架空线路上的覆冰融化，是最为有效和实用的方法。

对输电线路的直流融冰研究和实验已经有了一些理论基础和应用，目前主要集中于通过6脉波晶闸管整流电源进行融冰的方式。南方电网公司在2009年研发了一种固定式可控硅整流直流融冰装置，分别在贵州、广东等地对500kV、220kV和110kV供电线路进行了试验。但是在一年之中，融冰功能使用时间相对较短，对单一功能的直流融冰装置来说，大部分时间线路不需融冰，装置处于闲置状态，导致装置利用率较低。

中国电科院研制了国内首套直流融冰兼静态无功补偿装置，融冰装置安装在湖南500kV复兴变电站，国网电科院和湖北省公司共同研制的500kV移动式直流融冰装置，于2008年在500kV咸宁变电站完成试验。然而这些直流融冰装置都是采用晶闸管阀来实现的，不仅体积较大、移动不方便，而且基于晶闸管整流方式的直流融冰接入会给网侧带来谐波污染、无功注入等问题,并严重影响电力***供电的电能质量。

因此，需要开发一种基于全控型器件的直流融冰装置，实现单位功率因数运行、无功补偿功能复用和可移动作业。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置及其融冰方法，本发明的直流融冰装置采用三相整流桥直流侧串联的方式，不依赖单个功率器件的串并联，通过模块化设计降低体积以利于实现移动化，同时VSC形式的换流器可作为STATCOM进行无功补偿，实现兼具STATCOM功能的移动式直流融冰。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置，其改进之处在于，所述装置包括整流变压器、软启动开关、功率单元、交流滤波器和断路器；所述整流变压器原边接入10kV电网，副边包括至少两个绕组，每个绕组均与功率单元连接；在每个功率单元和整流变压器的副边之间依次连接由软启动开关和交流滤波器；所述功率单元的直流侧串联，且每个功率单元均通过断路器接入融冰线路。

进一步的，所述整流变压器用于提供多脉波低压交流电源，隔离电网电源和功率单元；所述整流变压器原边采用星形连接，副边采用三角形连接，副边绕组的个数根据融冰线路的电压等级和输电线路的长度来确定；所述整流变压器的星-三角接法用于防止调制模式引起的零序分量和直流分量向交流***传递。

进一步的，所述软启动开关由带限流电阻的辅助接触器和主接触器并联构成，以防止启动过程中的过电流。

进一步的，所述交流滤波器包括电容和电感，所述电感的一端连接软启动开关的主接触器的一端，另一端连接功率单元；所述电容的一端连接在主接触器和电感之间的公共端，另一端接地。

进一步的，所述功率单元采用三相全桥的IGBT模块，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的二极管构成。

本发明还提供一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置的融冰方法，其改进之处在于，所述方法通过调节直流电压实现；所述调节直流电压通过调节多个功率单元的组合以及功率单元的直流电压实现；所述方法包括直流融冰模式和STATCOM模式；当有两个功率单元串联时，所述断路器包括断路器QF1、QF2和QF3；两个功率单元通过断路器QF3串联；其中一个功率单元通过断路器QF1与融冰线路连接，另一个功率单元通过断路器QF2与融冰线路连接。

进一步的，所述直流融冰模式采用的控制目标为定直流电流和单位功率因数运行；采用单位功率因数运行，能够充分利用融冰装置的变流器容量；

当有两个功率单元串联时，每个功率单元采用IGBT脉冲整流，两个功率单元之间在输入端用整流变压器交流隔离；在短距离(由于线路的电压等级和***数的不同，每公里的线路电阻相差很大，所以这里不能提供一个长度范围，这里重点阐述的是对于不同的线路长度可以采用单个功率单元或两个功率单元串联的方式)线路融冰时，投入一个功率单元；在长距离线路融冰时，投入两个功率单元，输出端U-与U+连接形成串联模式，满足长距离(由于线路的电压等级和***数的不同，每公里的线路电阻相差很大，所以这里不能提供一个长度范围，这里重点阐述的是对于不同的线路长度可以采用单个功率单元或两个功率单元串联的方式)线路融冰对直流输出电压的要求；功率单元的直流输出电压连续调节，通过功率单元组合，实现宽电压调节，满足不同长度线路的融冰要求。

进一步的，采用定直流电流的控制对融冰线路进行恒定电流融冰，包括下述步骤：比较融冰线路电流的参考值和实际值得到误差信号值，误差信号值经过PI调节器后得到电流的有功分量参考值比较无功功率参考值和实际值得到误差信号值，误差信号值经过PI调节器得到电流的无功分量参考值

通过电流内环的控制，对d轴和q轴的电流进行跟踪，d轴和q轴电流之间进行解耦控制，并加入前馈解耦项，得到d轴和q轴电压控制量，电压控制量通过Park反变换，得到ABC三相的调制信号，将调制信号进行三角载波PWM调制，所得脉冲经光电转换触发桥臂上的IGBT模块；电流内环的d轴和q轴电压控制量如下式表示：

{\begin{matrix} v_{d}^{*} = (K_{P} + \frac{K_{i}}{s}) (i_{d}^{*} - i_{d}) - {ωLi}_{q} + e_{d} \\ v_{q}^{*} = (K_{P} + \frac{K_{i}}{s}) (i_{q}^{*} - i_{q}) + {ωLi}_{d} + e_{q} \end{matrix};

其中：和分别表示电流内环的d轴和q轴电压控制量；K_P和K_i分别表示电流内环的PI系数；i_d和i_q分别表示电流的有功分量实际值和电流的无功分量实际值；ω和L分别表示角频率和滤波电感值、e_d和e_q分别表示交流侧电压的d轴和q轴分量。

进一步的，当工作在所述STATCOM模式时，将直流侧断路器QF1、QF2和QF3断开；两个功率单元分别通过整流变压器的副边绕组对电网进行无功补偿和电压支撑。

进一步的，所述STATCOM模式采用电压外环和电流内环的双环控制，电压外环控制直流侧电压，通过比较直流电压给定值Udc*和实际值Udc得到误差信号值，误差信号值经PI调节器得到电流的有功分量参考值无功功率参考值和实际值的误差经过PI调节器得到电流的无功分量参考值

电流内环用于跟踪电压外环和无功控制给定的电流参考值，对d轴和q轴电流分别进行PI调节，得到d轴和q轴电压控制量，得到ABC三相的调制信号，将调制信号进行三角载波PWM调制，控制IGBT模块的通断。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、融冰装置采用直流侧串联的方式，变压器的多个副边绕组分别与功率单元相连；融冰装置的直流电压调节可通过多个功率单元的组合以及功率单元的直流电压调节来实现；功率单元采用IGBT全控型元件，在直流融冰时采用定电流控制，在STATCOM时采用定无功功率控制，可以实现直流融冰和STATCOM功能的复用，提高装置利用率。

2、通过功率单元的组合和功率单元直流电压的调节，实现更宽的电压调节，满足不同长度线路的融冰要求；

3、融冰作业时谐波含量低，不消耗电网无功功率；

4、装置体积小，可满足移动式多地点作业的要求。

附图说明

图1是本发明提供的直流融冰装置主电路结构示意图；

图2是本发明提供的直流融冰模式控制框图；

图3是本发明提供的STATCOM模式控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置，其主电路示意图如图1所示，该装置包括整流变压器、软启动开关、功率单元、交流滤波器和断路器；所述整流变压器原边接入10kV电网，副边包括至少两个绕组，每个绕组均与功率单元连接；在每个功率单元和整流变压器的副边之间依次连接由软启动开关和交流滤波器；所述功率单元的直流侧串联，且每个功率单元均通过断路器接入融冰线路。

所述整流变压器用于提供多脉波低压交流电源，隔离电网电源和功率单元；所述整流变压器原边采用星形连接，副边采用三角形连接，副边绕组的个数根据融冰线路的电压等级和输电线路的长度来确定；所述整流变压器的星-三角接法用于防止调制模式引起的零序分量和直流分量向交流***传递。软启动开关由带限流电阻的辅助接触器和主接触器并联构成，以防止启动过程中的过电流。

交流滤波器包括电容和电感，所述电感的一端连接软启动开关的主接触器的一端，另一端连接功率单元；所述电容的一端连接在主接触器和电感之间的公共端，另一端接地。

所述功率单元采用三相全桥的IGBT模块，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的二极管构成，对IGBT模块进行PWM控制，具有完全可控，谐波含量低，体积小的特点。

本发明还提供一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置的融冰方法，所述方法通过调节直流电压实现；所述调节直流电压通过调节多个功率单元的组合以及功率单元的直流电压实现，包括：直流融冰模式和STATCOM模式。

以两个功率单元串联的情况进行说明，对装置的直流融冰和STATCOM两种工作模式进行介绍。

当有两个功率模块串联时，断路器包括断路器QF1、QF2和QF3；两个功率单元通过断路器QF3串联；其中一个功率单元通过断路器QF1与融冰线路连接，另一个功率单元通过断路器QF2与融冰线路连接。

(1)直流融冰模式

融冰装置交流侧与10kV电网相连，整流变压器用于提供多脉波低压交流电源，隔离电网电源和功率单元。变压器原边采用星形接法，副边采用三角形接法，共有2个400V绕组。每个绕组连接一个功率单元模块，变压器的DY接法可防止由调制模式引起的零序分量和直流分量向交流***的传递。

每个功率单元模块采用IGBT脉冲整流，功率单元之间在输入部分用变压器交流隔离。在短距离线路融冰时，只需要投入一个功率单元；在长距离线路融冰时，需投入两个功率单元，输出端U-与U+连接形成串联模式，输出断路器QF1和QF2接需要融冰的线路，满足长距离线路融冰对直流电压的要求。功率单元的直流输出电压可以连续调节，通过功率单元的组合，实现更宽的电压调节，满足不同长度线路的融冰要求。

融冰模式的控制，采用的控制目标是定直流电流和单位功率因数运行。采取定直流电流的控制，对融冰线路进行恒定电流融冰。采取单位功率因数运行，可以充分利用融冰装置的变流器容量。将融冰电流的参考值和实际值进行比较，误差信号经过PI调节器后得到电流的有功分量参考值id*；将无功功率参考值和实际值进行比较，误差信号经过PI调节器得到无功电流参考值iq*；电流内环的d轴和q轴电压控制量如下式表示：

{\begin{matrix} v_{d}^{*} = (K_{P} + \frac{K_{i}}{s}) (i_{d}^{*} - i_{d}) - {ωLi}_{q} + e_{d} \\ v_{q}^{*} = (K_{P} + \frac{K_{i}}{s}) (i_{q}^{*} - i_{q}) + {ωLi}_{d} + e_{q} \end{matrix};

通过电流内环的控制，对d轴和q轴的电流进行跟踪。由于d轴和q轴电流之间仍然存在耦合项，所以需要进行解耦控制，并加入前馈解耦项，以此得到d轴和q轴电压控制量，通过Park反变换，得到ABC三相的调制信号，进行三角载波PWM调制，所得脉冲经光电转换触发桥臂上的IGBT。融冰模式的控制框图如图2所示。

(2)STATCOM工作模式

工作在STATCOM模式时，将直流侧断路器QF1、QF2和QF3断开。两个功率单元分别通过变压器的***绕组对电网进行无功补偿和电压支撑。

STATCOM模式控制采用传统的电压外环和电流内环的双环控制。给定STATCOM的直流电压和无功功率参考值。电压外环控制直流侧电压，通过比较直流电压给定值Udc*和实际值Udc，误差经PI调节器得到电流的有功分量参考值id*。无功功率参考值和实际值的误差经过PI调节器得到电流的无功分量参考值iq*。

电流内环用于跟踪电压外环和无功控制给定的电流参考值，对d轴和q轴电流分别进行PI调节，得到d轴和q轴电压控制量，进而得到ABC三相的调制信号，进行PWM调制，控制IGBT的通断。STATCOM模式的控制框图如图3所示。

本发明提供的一种可移动作业的直流融冰装置及其融冰方法，拓扑采用IGBT功率单元串联的方式，同时兼具融冰功能和STATCOM功能。工作在融冰模式时，可以实现恒电流控制和单位功率因数运行；工作在STATCOM模式时，可以实现无功补偿和电压支撑。该装置具有谐波含量小、工作方式切换灵活、装置利用率高、方便移动作业的特点。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置，其特征在于，所述装置包括整流变压器、软启动开关、功率单元、交流滤波器和断路器；所述整流变压器原边接入10kV电网，副边包括至少两个绕组，每个绕组均与功率单元连接；在每个功率单元和整流变压器的副边之间依次连接由软启动开关和交流滤波器；所述功率单元的直流侧串联，且每个功率单元均通过断路器接入融冰线路。

2.如权利要求1所述的可移动直流融冰装置，其特征在于，所述整流变压器用于提供多脉波低压交流电源，隔离电网电源和功率单元；所述整流变压器原边采用星形连接，副边采用三角形连接，副边绕组的个数根据融冰线路的电压等级和输电线路的长度来确定；所述整流变压器的星-三角接法用于防止调制模式引起的零序分量和直流分量向交流***传递。

3.如权利要求1所述的可移动直流融冰装置，其特征在于，所述软启动开关由带限流电阻的辅助接触器和主接触器并联构成，以防止启动过程中的过电流。

4.如权利要求1所述的可移动直流融冰装置，其特征在于，所述交流滤波器包括电容和电感，所述电感的一端连接软启动开关的主接触器的一端，另一端连接功率单元；所述电容的一端连接在主接触器和电感之间的公共端，另一端接地。

5.如权利要求1所述的可移动直流融冰装置，其特征在于，所述功率单元采用三相全桥的IGBT模块，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的二极管构成。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的兼具STATCOM功能的可移动直流融冰装置的融冰方法，其特征在于，所述方法通过调节直流电压实现；所述调节直流电压通过调节多个功率单元的组合以及功率单元的直流电压实现；所述方法包括直流融冰模式和STATCOM模式；当有两个功率单元串联时，所述断路器包括断路器QF1、QF2和QF3；两个功率单元通过断路器QF3串联；其中一个功率单元通过断路器QF1与融冰线路连接，另一个功率单元通过断路器QF2与融冰线路连接。

7.如权利要求6所述的融冰方法，其特征在于，所述直流融冰模式采用的控制目标为定直流电流和单位功率因数运行；采用单位功率因数运行，能够充分利用融冰装置的变流器容量；

当有两个功率单元串联时，每个功率单元采用IGBT脉冲整流，两个功率单元之间在输入端用整流变压器交流隔离；在短距离线路融冰时，投入一个功率单元；在长距离线路融冰时，投入两个功率单元，输出端U-与U+连接形成串联模式，满足长距离线路融冰对直流输出电压的要求；功率单元的直流输出电压连续调节，通过功率单元组合，实现宽电压调节，满足不同长度线路的融冰要求。

8.如权利要求7所述的融冰方法，其特征在于，采用定直流电流的控制对融冰线路进行恒定电流融冰，包括下述步骤：比较融冰线路电流的参考值和实际值得到误差信号值，误差信号值经过PI调节器后得到电流的有功分量参考值比较无功功率参考值和实际值得到误差信号值，误差信号值经过PI调节器得到电流的无功分量参考值

\{\begin{matrix} v_{d}^{*} = (K_{P} + \frac{K_{i}}{s}) (i_{d}^{*} - i_{d}) - ω {Li}_{q} + e_{d} \\ v_{q}^{*} = (K_{P} + \frac{K_{i}}{s}) (i_{q}^{*} {- i}_{q}) + ω {Li}_{d} + e_{q} \end{matrix};

9.如权利要求6所述的融冰方法，其特征在于，当工作在所述STATCOM模式时，将直流侧断路器QF1、QF2和QF3断开；两个功率单元分别通过整流变压器的副边绕组对电网进行无功补偿和电压支撑。

10.如权利要求9所述的融冰方法，其特征在于，所述STATCOM模式采用电压外环和电流内环的双环控制，电压外环控制直流侧电压，通过比较直流电压给定值Udc*和实际值Udc得到误差信号值，误差信号值经PI调节器得到电流的有功分量参考值无功功率参考值和实际值的误差经过PI调节器得到电流的无功分量参考值