CN108880277A - 一种兼有融冰功能的电压源换流器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼有融冰功能的电压源换流器,所述换流器包括一个多绕组变压器和N个换流器模块,N≥2,所述多绕组变压器包含一个原边绕组以及N个次级绕组,换流器模块的交流侧与次级绕组一一对应连接,换流器模块的直流侧级联构成直流母线,换流器模块包括第一开关、第二开关、电阻、滤波器以及交直变换器。本发明还公开了所述电压源换流器对应的控制方法。本发明通过开关切换、调整交直变换器的控制方法,实现电压源换流器的融冰功能以及无功补偿功能,通过分级启动解决了电压源换流器直流电压调节范围过窄的问题,无需增加额外设备,可靠性高,性价比高。
Description
技术领域
本发明属于大功率电力电子变流技术领域,具体涉及一种兼有融冰功能的电压源换流器及控制方法。
背景技术
冬季由于气温、空气湿度和风速的共同作用,存在着由液态水形成冰的覆冰现象。因此,覆冰是一种特定气象条件下产生的冰冻现象,如果在架空导线上大面积形成覆冰,会导致杆塔倾倒、导线覆冰舞动或断裂,将直接影响架空线路的正常安全运行。目前已有融冰方案均需要增加额外的融冰设备,会增加额外的投资,增加设备占地空间,也增加了***的复杂性。现有技术中也有电压源换流器兼融冰的方案,但现有方案中电压源换流器中直流电压运行范围受限,由于电压源换流器存在由二极管构成的整流桥,无法输出较低电压,无法满足融冰需求;也有方案中在电压源换流器的后级增加斩波电路,虽然可以提升一定的运行范围,但是装置的效率和成本大大增加。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提出了一种兼有融冰功能的电压源换流器,在不增加额外的投资的情况下实现电压源换流器直流电压运行范围的提升,并提出了相应的控制方法。
为了达成上述目的,本发明采用的具体的方案如下:
一种兼有融冰功能的电压源换流器,所述换流器包括一个多绕组变压器和N个换流器模块,N≥2,所述多绕组变压器包含一个原边绕组以及N个次级绕组,换流器模块的交流侧与次级绕组一一对应连接,换流器模块的直流侧依次串联连接,第一换流器模块的正极作为电压源换流器的正极,第一换流器模块的负极与第二换流器模块的正极连接,依次类推,第N换流器模块的负极作为电压源换流器的负极;
其中所述换流器模块包含第一开关、第二开关、电阻、滤波器以及交直变换器,其中第二开关与电阻串联连接构成限流回路,第一开关与限流回路并联连接构成开关单元,所述开关单元依次与滤波器、交直变换器依次连接。
其中,所述电压源换流器还包含第四开关和第五开关,所述第四开关串联在电压源换流器正极输出侧,所述第五开关串联在电压源换流器负极输出侧。
其中,所述换流器模块还包含第三开关,所述第三开关并联在换流器模块的直流侧。
其中,所述交直变换器为由带有反并联二极管的全控型功率半导体开关器件与直流支撑电容构成的三相半桥结构。
其中,所述滤波器可以由电感构成。
其中,所述滤波器也可以由电感与电容构成。
本发明还包括一种所述电压源换流器的控制方法:
(1)当换流器进入融冰模式的启动阶段时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:启动第一换流器模块,闭合第一换流器模块的第二开关;
步骤2:待第一换流器模块的直流支撑电容电压大于启动门槛值时闭合第一开关;
步骤3:分开第二开关,完成第一换流器模块的启动;在此期间保持第2~N换流器模块的第一开关与第二开关处于分开状态;
步骤4:启动第二换流器模块,重复步骤1-3,完成第二换流器模块的启动;在此期间保持第3~N换流器模块的第一开关与第二开关处于分开状态;
步骤5:依次完成所有换流器模块的启动;
所述控制方法还包括
步骤6:启动完成后确认所有换流器模块的第一开关处于闭合状态,直流支撑电容电压处于正常范围。
(2)当换流器已完成融冰模式的启动阶段,进入融冰模式的运行阶段时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:换流器模块中交直变换器内的功率半导体器件解锁;
步骤2:控制每个交直变换器直流支撑电容电压稳定;
步骤3:检测电压源换流器流出电流的幅值;
步骤4:当电流幅值超过融冰电流给定值时,控制减小每个交直变换器直流支撑电容电压;
步骤5:当电流幅值低于融冰电流给定值时,控制增加每个交直变换器直流支撑电容电压;
(3)当换流器进入无功补偿模式,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:分开第四开关与第五开关;
步骤2:闭合所有换流器模块的第二开关;
步骤3:待换流器模块的直流支撑电容电压大于启动门槛值时闭合第一开关;
步骤4:分开第二开关,完成所有换流器模块的启动;
步骤5:换流器模块中交直变换器内的功率半导体器件解锁;
步骤6:控制每个交直变换器直流支撑电容电压稳定;
步骤7:根据总的无功指令,除N后,将指令分配到每个交直变换器模块,交直变换器模块根据指令调节输出无功;
(4)当换流器检测到有换流器模块发生故障时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:闭锁故障换流器模块,使其停止运行;
步骤2:闭合故障换流器模块的第三开关;
步骤3:故障换流器模块退出运行;
本发明的有益效果:
1、本发明提出了一种兼有融冰功能的电压源换流器,通过多个换流模块级联的方式,以及控制方法的设计,可以根据融冰阻抗和融冰电流值选择投入的换流模块数量,并通过分级启动的方式,降低启动的风险,同时,可以实现电压源换流器直流电压运行范围的提升,不增加额外的投资,简单实用,可靠性高。
2、本发明电压源换流器本身可以作为无功补偿器,通过开关的切换实现对直流线路的融冰功能,提高了设备利用率。
附图说明
图1为本发明的兼有融冰功能的电压源换流器组成原理图,
图中标号名称:1、多绕组变压器;2、电阻;3、第二开关;4、第一开关;5、换流器模块;6、第三开关;7、融冰线路等效阻抗;8、第四开关;9、第五开关;
图2为本发明的兼有融冰功能的电压源换流器分级启动电流回路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种兼有融冰功能的电压源换流器,所述换流器包括一个多绕组变压器和N个换流器模块,N≥2,所述多绕组变压器包含一个原边绕组以及N个次级绕组,换流器模块的交流侧与次级绕组一一对应连接,换流器模块的直流侧依次串联连接,第一换流器模块的正极作为电压源换流器的正极,第一换流器模块的负极与第二换流器模块的正极连接,依次类推,第N换流器模块的负极作为电压源换流器的负极;
其中所述换流器模块包含第一开关、第二开关、电阻、滤波器以及交直变换器,其中第二开关与电阻串联连接构成限流回路,第一开关与限流回路并联连接构成开关单元,所述开关单元依次与滤波器、交直变换器依次连接。
本实施例中,所述电压源换流器还包含第四开关和第五开关,所述第四开关串联在电压源换流器正极输出侧,所述第五开关串联在电压源换流器负极输出侧。
本实施例中,所述换流器模块还包含第三开关,所述第三开关并联在换流器模块的直流侧。
本实施例中,所述交直变换器为由带有反并联二极管的全控型功率半导体开关器件与直流支撑电容构成的三相半桥结构。在本实施例中,全控型功率半导体开关器件为IGBT,即交直变换器为由带反并联二极管的IGBT构成的AC-DC整流器。
在本实施例中,滤波器由电感与电容构成,电感串联在回路中,三个电容接成星型接法,与电感构成LC滤波器。
本实施例的控制方法如下:
(1)当换流器进入融冰模式的启动阶段时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:启动第一换流器模块,闭合第一换流器模块的第二开关;
步骤2:待第一换流器模块的直流支撑电容电压大于启动门槛值时闭合第一开关;
步骤3:分开第二开关,完成第一换流器模块的启动;在此期间保持第2~N换流器模块的第一开关与第二开关处于分开状态;
步骤4:启动第二换流器模块,重复步骤1-3,完成第二换流器模块的启动;在此期间保持第3~N换流器模块的第一开关与第二开关处于分开状态;
步骤5:依次完成所有换流器模块的启动;
步骤6:启动完成后确认所有换流器模块的第一开关处于闭合状态,直流支撑电容电压处于正常范围。
在本实施例中,首先启动第一换流器模块,闭合第一换流器模块的第二开关,此时第一换流器通过交流侧电源经过限流回路以及整流桥向电容充电,限流回路中电阻的作用是限制充电电流,当直流支撑电容电压达到一定值时,在本实施例中高于800V即认为充电完成,闭合第一开关,限流回路即被旁路,此时第一换流器模块完成启动,在此期间其他换流器模块的开关均保持在分开状态。
当第一换流器模块完成启动后,电流回路如图2所示,此时,第一换流器模块的交流开关处于闭合状态,融冰电流由第一变流器模块从交流侧取能,此时其他换流器模块交流侧的开关处于分断状态,电流流经其他换流器的二极管,此时,其他换流器处于旁路状态,第一换流器模块的输出直流电压,即约为整个电压源换流器的输出电压,由于融冰线路等效阻抗是确定的,因此此时电流较小。
在本实施例中,在交流侧接通时,每个模块的不控整流桥提供的最小直流电压为1000V,因此,在第一个模块启动时,电压源换流器的总直流电压约为1000V,本实施例中融冰线路阻抗为10Ω,此时电流为100A。
依次类推,投入第二个模块,电压源换流器的直流电压提高到2000V,此时电流为200A。
在本实施例中,共包含10个模块,当所有模块全部投入时,电流上升为1000A。
这种启动方式,直流电压可以从1kV调节到10kV,共10个档位,可以根据融冰电流的大小选择投入的换流器模块的数量,直流电压的调节范围更大;这种启动方式可靠性更高:在启动过程中,如果发现模块故障可以通过旁路开关将故障模块旁路;以低压方式启动,当融冰线路异常时,可以通过检测电流的幅值以及变化率及时发现故障,终止启动过程,避免直接将10kV的电压源投入,造成瞬时较大的短路电流。
(2)当换流器已完成融冰模式的启动阶段,进入融冰模式的运行阶段时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:换流器模块中交直变换器内的功率半导体器件解锁;
步骤2:控制每个交直变换器直流支撑电容电压稳定;
步骤3:检测电压源换流器流出电流的幅值;
步骤4:当电流幅值超过融冰电流给定值时,控制减小每个交直变换器直流支撑电容电压;
步骤5:当电流幅值低于融冰电流给定值时,控制增加每个交直变换器直流支撑电容电压;
在本实施例中,完成启动后,直流电压约为10kV,融冰电流为1kA,此时换流器仅通过二极管整流提供能量,IGBT工作后可以控制直流电压逐渐升高,使得融冰电流连续可调,通过闭环控制,使融冰电流达到给定值,稳定工作。在本实施例中,假定融冰电流给定值为1.2kA,此时可以调节每个换流器模块的直流电压升高到1.2kV,总的直流电压提升到12kV,融冰电流即提升为1.2kV。
(3)当换流器进入无功补偿模式,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:分开第四开关与第五开关;
步骤2:闭合所有换流器模块的第二开关;
步骤3:待换流器模块的直流支撑电容电压大于启动门槛值时闭合第一开关;
步骤4:分开第二开关,完成所有换流器模块的启动;
步骤5:换流器模块中交直变换器内的功率半导体器件解锁;
步骤6:控制每个交直变换器直流支撑电容电压稳定;
步骤7:根据总的无功指令,除N后,将指令分配到每个交直变换器模块,交直变换器模块根据指令调节输出无功;
(4)当换流器检测到有换流器模块发生故障时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:闭锁故障换流器模块,使其停止运行;
步骤2:闭合故障换流器模块的第三开关;
步骤3:故障换流器模块退出运行;
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制,参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种兼有融冰功能的电压源换流器,其特征在于,所述换流器包括一个多绕组变压器和N个换流器模块,N≥2,所述多绕组变压器包含一个原边绕组以及N个次级绕组,换流器模块的交流侧与次级绕组一一对应连接,换流器模块的直流侧依次串联连接,第一换流器模块的正极作为电压源换流器的正极,第一换流器模块的负极与第二换流器模块的正极连接,依次类推,第N换流器模块的负极作为电压源换流器的负极;
其中所述换流器模块包含第一开关、第二开关、电阻、滤波器以及交直变换器,其中第二开关与电阻串联连接构成限流回路,第一开关与限流回路并联连接构成开关单元,所述开关单元依次与滤波器、交直变换器依次连接。
2.如权利要求1所述的一种兼有融冰功能的电压源换流器,其特征在于:所述电压源换流器还包含第四开关和第五开关,所述第四开关串联在电压源换流器正极输出侧,所述第五开关串联在电压源换流器负极输出侧。
3.如权利要求1或2所述的一种兼有融冰功能的电压源换流器,其特征在于:所述换流器模块还包含第三开关,所述第三开关并联在换流器模块的直流侧。
4.如权利要求1或2所述的一种兼有融冰功能的电压源换流器,其特征在于:所述交直变换器为由带有反并联二极管的全控型功率半导体开关器件与直流支撑电容构成的三相半桥结构。
5.如权利要求1或2所述的一种兼有融冰功能的电压源换流器,其特征在于:所述滤波器由电感构成。
6.如权利要求1或2所述的一种兼有融冰功能的电压源换流器,其特征在于:所述滤波器由电感与电容构成。
7.一种基于权利要求1至6任一项所述兼有融冰功能的电压源换流器的控制方法,其特征在于:当换流器进入融冰模式的启动阶段时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:启动第一换流器模块,闭合第一换流器模块的第二开关;
步骤2:待第一换流器模块的直流支撑电容电压大于启动门槛值时闭合第一开关;
步骤3:分开第二开关,完成第一换流器模块的启动;在此期间保持第2~N换流器模块的第一开关与第二开关处于分开状态;
步骤4:启动第二换流器模块,重复步骤1-3,完成第二换流器模块的启动;在此期间保持第3~N换流器模块的第一开关与第二开关处于分开状态;
步骤5:依次完成所有换流器模块的启动。
8.如权利要求7所述的兼有融冰功能的电压源换流器的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包括
步骤6:启动完成后确认所有换流器模块的第一开关处于闭合状态,直流支撑电容电压处于正常范围。
9.一种基于权利要求1至6任一项所述兼有融冰功能的电压源换流器的控制方法,其特征在于:当换流器已完成融冰模式的启动阶段,进入融冰模式的运行阶段时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:换流器模块中交直变换器内的功率半导体器件解锁;
步骤2:控制每个交直变换器直流支撑电容电压稳定;
步骤3:检测电压源换流器流出电流的幅值;
步骤4:当电流幅值超过融冰电流给定值时,控制减小每个交直变换器直流支撑电容电压;
步骤5:当电流幅值低于融冰电流给定值时,控制增加每个交直变换器直流支撑电容电压。
10.一种基于权利要求2至6任一项所述兼有融冰功能的电压源换流器的控制方法,其特征在于:当换流器进入无功补偿模式,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:分开第四开关与第五开关;
步骤2:闭合所有换流器模块的第二开关;
步骤3:待换流器模块的直流支撑电容电压大于启动门槛值时闭合第一开关;
步骤4:分开第二开关,完成所有换流器模块的启动;
步骤5:换流器模块中交直变换器内的功率半导体器件解锁;
步骤6:控制每个交直变换器直流支撑电容电压稳定;
步骤7:根据总的无功指令,除N后,将指令分配到每个交直变换器模块,交直变换器模块根据指令调节输出无功。
11.一种基于权利要求3所述兼有融冰功能的电压源换流器的控制方法,其特征在于:当换流器检测到有换流器模块发生故障时,所述控制方法包括如下步骤:
步骤1:闭锁故障换流器模块,使其停止运行;
步骤2:闭合故障换流器模块的第三开关;
步骤3:故障换流器模块退出运行。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181123 |