CN205863870U - 一种输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，包括大容量可调档融冰变压器、小容量变压器、主不控整流器、次不控整流器、斩波调压模块和输出刀闸，大容量可调档融冰变压器的副边和主不控整流器的交流侧相连，小容量变压器的副边和次不控整流器的交流侧相连，斩波调压模块设于次不控整流器的直流侧构成次整流器，次整流器的直流侧和作为主整流器的主不控整流器的直流侧串联后和输出刀闸的输入端相连。本实用新型能够实现融冰电压电流在大范围内连续可调，适用于220kV及以上电压等级输电线路用，成本较低且融冰性能好、容错能力强、融冰可靠性高、并网谐波电流较小，不需要晶闸管相控整流电路那些附加低次滤波器组。

Description

一种输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置

技术领域

本实用新型涉及电气工程技术，具体涉及一种输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置。

背景技术

我国南方地区冰雪灾害频发，输电线路覆冰后易于引起断线倒杆，严重威胁到电网的安全稳定运行和供电可靠性。特别是2008年特大冰灾中，我国华东、华中地区的多个省份发生大面积、长时间停电，给国民经济和人民群众的生产生活造成了巨大损失。

为应对冰雪灾害，国内研制了多种类型的直流融冰装置来对覆冰线路实施直流融冰。这些装置可分为基于二极管的不控整流型、基于晶闸管的相控整流型、基于IGBT等全控型开关器件的PWM整流型三类。其中PWM整流型融冰装置的输入输出技术性能都很好，但所需多组单价较贵的全控型开关器件，造价太高而难以推广应用；相控整流型输出电压连续可调，但需要额外配置大容量低次谐波器组才能满足并网谐波要求，导致整套装置占地面积大、造价较高；不控整流型通过融冰变压器的档位配合可实现对不同线型、不同长度线路的融冰，结构简单、成本低廉、融冰可靠性高等优点而成为市场主流。但由于不控整流型的输出电压电流只能实现离散的分级调节，不能实现对融冰电流和融冰时间的精细控制。文献《可减小输入侧谐波及输出电压可调的融冰装置》(高电压技术，2013年第五期)提出了一种将二极管不控整流电路和直流斩波电路结合的农配网融冰装置拓扑结构，仅需一个全控型开关器件就能实现对输出直流电压电流的连续可调，但该拓扑全控型开关器件的电压、电流容量不能低于装置额定输出电压和额定电流。对高压大容量融冰装置而言，所需全控型开关器件的容量大、造价高，而且受目前全控型开关器件的耐压水平限制，需要多个开关器件串联组合使用，均压难度大、控制复杂、可靠性不高。因此，需要研究简单可靠、造价便宜、同时又能实现融冰电压电流连续可调的融冰装置拓扑结构形式，已经成为融冰装置性能提升、降低成本所亟待解决的关键技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现融冰电压电流在大范围内连续可调，适用于220kV及以上电压等级输电线路用，成本较低且融冰性能好、容错能力强、融冰可靠性高、并网谐波电流较小，不需要晶闸管相控整流电路那些附加低次滤波器组的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，包括大容量可调档融冰变压器、小容量变压器、主不控整流器、次不控整流器、斩波调压模块和输出刀闸，所述大容量可调档融冰变压器、小容量变压器的原边分别与交流电网相连，所述大容量可调档融冰变压器的副边和主不控整流器的交流侧相连，所述小容量变压器的副边和次不控整流器的交流侧相连，所述斩波调压模块设于次不控整流器的直流侧构成次整流器，所述次整流器的直流侧和作为主整流器的主不控整流器的直流侧串联后和输出刀闸的输入端相连。

优选地，所述斩波调压模块包括全控型开关器件和续流二极管，所述主不控整流器的直流侧负极和输出刀闸的负极输入端相连，所述主不控整流器的直流侧正极和次不控整流器的直流侧负极相连，且所述次不控整流器的直流侧负极通过续流二极管和输出刀闸的正极输入端相连，所述次不控整流器的直流侧正极和全控型开关器件的集电极C相连，所述全控型开关器件的发射极E和输出刀闸的正极输入端相连。

优选地，所述全控型开关器件为IGBT。

优选地，所述大容量可调档融冰变压器的原边与交流电网相连、副边设有对应多个档位的多个副边抽头，所述多个副边抽头的动触点和主不控整流器的交流侧相连。

优选地，所述大容量可调档融冰变压器为Y/d11型双绕组变压器。

优选地，所述小容量变压器为Y/d11型双绕组变压器。

优选地，所述主不控整流器为由二极管构成的三相不控整流桥。

优选地，所述次不控整流器为由二极管构成的三相不控整流桥。

本实用新型输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置具有下述优点：

1、本实用新型仅需一个斩波调压模块就实现了对融冰电压在很快范围内的连续可调，斩波调压模块相比于同样可实现电压连续可调的全控整流或相控整流型结构而言，大大减少了可控开关器件的数量和容量，相比于“不控整流+斩波调压”两级级联型拓扑结构，则显著减少了对可控开关器件的容量需求。因此，本实用新型的混合式直流融冰装置是一种成本较低且融冰性能又好的高性价比融冰装置解决方案。

2、本实用新型的结构容错能力强、融冰可靠性高，由于斩波调压模块设置在主不控整流器、次不控整流器的直流侧，主不控整流器、次不控整流器的直流侧相互串联后通过斩波调压模块和输出刀闸的输入端相连，因此因斩波调压模块自身损坏会驱动控制***故障而导致开路或短路的异常工况下，仍能输出在大范围内可调的融冰电压来实现融冰，只是调控精度稍微变差而已。

3、本实用新型的并网谐波电流较小，不需要晶闸管相控整流电路那些附加低次滤波器组。

附图说明

图1为本实用新型实施例的拓扑结构示意图。

图2为本实用新型实施例中IGBT断路时的运动方式示意图。

图3为本实用新型实施例中IGBT短路时的运动方式示意图。

图4为本实用新型实施例中主不控整流器的输出电压U_1dc的仿真波形。

图5为本实用新型实施例中次不控整流器的输出电压U_2dc的仿真波形。

图6为本实用新型实施例中次整流器输出电压U_2o的仿真波形。

图7为本实用新型实施例中本实施例混合式直流融冰装置的输出总电压U_dc的仿真波形。

图8为本实用新型实施例中本实施例混合式直流融冰装置的输出融冰电流I_dc的仿真波形。

图例说明：1、大容量可调档融冰变压器；2、小容量变压器；3、主不控整流器；4、次不控整流器；5、斩波调压模块；51、全控型开关器件；52、续流二极管；6、输出刀闸。

具体实施方式

下文将以实现融冰电压在2-12.5kV直流电压连续可调输出，额定融冰容量为25MW的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置为例，对本实用新型输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置进行进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置包括大容量可调档融冰变压器1、小容量变压器2、主不控整流器3、次不控整流器4、斩波调压模块5和输出刀闸6，大容量可调档融冰变压器1、小容量变压器2的原边分别与交流电网相连，大容量可调档融冰变压器1的副边和主不控整流器3的交流侧相连，小容量变压器2的副边和次不控整流器4的交流侧相连，斩波调压模块5设于次不控整流器4的直流侧构成次整流器，次整流器的直流侧和作为主整流器的主不控整流器3的直流侧串联后和输出刀闸6的输入端相连。通过上述结构可知，主不控整流器3作为主整流器，通过与大容量可调档融冰变压器1的档位配合输出在很宽范围内分级变化的直流电压，斩波调压模块5再与次不控整流器4一起构成次整流器，输出仅能在小范围内连续可调的电压，由于主整流器和次整流器的直流侧串联，因此本实施例混合式直流融冰装置的输出电压等于两者电压的线性叠加，如式(1)所示；

U_dc＝U_1dc+U_2o (1)

式(1)中，U_dc为本实施例混合式直流融冰装置实际输出的直流电压，U_1dc表示主整流器的输出电压，U_2o表示次整流器的输出电压。其中，主整流器输出电压U_1dc与大容量可调档融冰变压器1的档位一一对应，可表示为式(2)所示；

U_1dc＝u_x,u_x∈{U_{1_1},U_{1_2},……U_{1_N}} (2)

式(2)中，U_1dc和u_x表示主整流器的输出电压，U_{1_1}、U_{1_2}、……U_{1_N}分别表示大容量可调档融冰变压器1各档位下主不控整流器3的输出电压。

次整流器的输出电压U_2o可由斩波调压模块5连续可调，其值可表示为式(3)所示；

U_2o＝u_x,u_x∈[0,U_2dc] (3)

式(3)中，U_2o和u_x表示次整流器的输出电压，U_2dc为次不控整流器4的输出电压。

根据式(1)、(2)和(3)，本实施例输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置输出的融冰电压可表示为式(4)所示；

$\begin{array}{c}{U}_{dc}=u_x,u_x\∈\[\{U_{1\_1}+0,U_{1\_1}+U_{2dc}\]\∪\[U_{1\_2}+0,U_{1\_2}+U_{2dc}\]\\ \∪\mathrm{......}\[U_{1\_N}+0,U_{1\_N}+U_{2dc}\]\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，各个参数的含义详见式(1)～(3)，在此不再赘述。

当次不控整流器4的输出电压U_2dc满足式(5)所示关系时，直流融冰装置的输出电压可在[U_{1_1},U_{1_N}+U_2dc]之间连续可调，足以满足对融冰电压电流的精细调节要求；如有需要，通过对变压器档位的合理布局，还可使融冰电压在[0,U_{1_N}+U_2dc]之间连续可调。考虑到融冰变压器的档位设计典型可知，U_2dc一般不需超过融冰装置额定输出电压的20％。

U_2dc≥U_{1_2}-U_{1_1}且U_2dc≥U_{1_3}-U_{1_2}且……U_2dc≥U_{1_N}-U_{1_(N-1)} (5)

式(5)中，各个参数的含义详见式(1)～(3)，在此不再赘述。

本实施例混合式直流融冰装置在实际融冰时，首先根据被融冰线路的线型、温度、风速等参数确定所需要的融冰电流，再结合线路长度、阻抗等参数预估所需要的融冰电压，然后选择合适的大容量可调档融冰变压器1的档位使其略低于所需融冰电压，再调控全控型开关器件51(IGBT)的占空比来调节次整流器及本实施例混合式直流融冰装置的整体输出电压，使融冰电流正好在所需要的数值点上。

如图1所示，大容量可调档融冰变压器1的原边与交流电网相连、副边设有对应多个档位的多个副边抽头，所述多个副边抽头的动触点和主不控整流器3的交流侧相连。

本实施例中，大容量可调档融冰变压器1为Y/d11型双绕组变压器，原边额定输入电压10kV，副边设有对应2kV、4kV、6kV、8kV、10kV电压档位共设置5个副边抽头13，原边和副变的额定容量都为20.8MVA，原副变额定电流都为1200A。

本实施例中，小容量变压器2为Y/d11型双绕组变压器，其原边和副变电压分别为10kV和2kV，原边和副变的额定容量都为5.16MVA，原副变额定电流都为1200A。

本实施例中，主不控整流器3为由二极管构成的三相不控整流桥，额定输入电压为10kV(AC)，额定输出电压为12.5V(DC)，额定输出电流为2000A。

本实施例中，次不控整流器4为由二极管构成的三相不控整流桥，额定输入电压为2kV(AC)，额定输出电压为2.5V(DC)，额定输出电流为2000A。

如图1所示，斩波调压模块5包括全控型开关器件51和续流二极管52，主不控整流器3的直流侧负极和输出刀闸6的负极输入端相连，主不控整流器3的直流侧正极和次不控整流器4的直流侧负极相连，且次不控整流器4的直流侧负极通过续流二极管52和输出刀闸6的正极输入端相连，次不控整流器4的直流侧正极和全控型开关器件51的集电极C相连，全控型开关器件51的发射极E和输出刀闸6的正极输入端相连。通过全控型开关器件51和续流二极管52构成了可以实现连续调压的Buck斩波调压电路，结合Buck斩波调压电路的工作原理可知，全控型开关器件51两端的最高电压不超过U_2dc，因此其耐压可远小于本实施例混合式直流融冰装置的额定输出电压，也就不需要全控型开关器件51串联使用；再加上该全控型开关器件51流过的电流等于本实施例混合式直流融冰装置的输出电流，因此其容量可以远小于本实施例混合式直流融冰装置的的额定容量。如图1所示，全控型开关器件51为IGBT。本实施例中，IGBT具体采用英飞凌公司的FZ1500R33HL3型IGBT，单个模块的额定电压和电流分别为3300V、1500A，为满足电流需求，采用双模块并联使用。本实施例中，续流二极管52采用市售电力二极管ZP1-2000，额定电流2000A，额定电压4000V。

本实施例中，当全控型开关器件51(IGBT)因功率器件或控制驱动电路导致全控型开关器件51(IGBT)故障时，其一般有且仅有短路和短路两种工作状态。

如图2所示，当全控型开关器件51(IGBT)断路时，次不控整流器4相当于空载开路，此时主不控整流器3经过续流二极管52、输出刀闸6、线路融冰负载等构成电流回路，此时本实施例混合式直流融冰装置的电压不再连续可调(相当于U2c≡0)，但仍具有融冰功能。

如图3所示，当全控型开关器件51(IGBT)短路时，次不控整流器4与主不控整流器3直接串联，其输出经过续流二极管52、输出刀闸6、线路融冰负载等构成电流回路，此时本实施例混合式直流融冰装置的电压也是不再连续可调(相当于U_2c≡U_2dc)，但仍具有融冰功能。因此本实施例混合式直流融冰装置的拓扑结构自身具有很强的容错功能，可靠性很高。

如图4～图8所示为本实施例混合式直流融冰装置在Matlab/Simulink中建模后进行仿真得到的仿真结果，其中图4为主不控整流器3的输出电压U_1dc的仿真波形，图5为次不控整流器4的输出电压U_2dc的仿真波形，图6为次整流器输出电压U_2o的仿真波形，图7为本实施例混合式直流融冰装置的输出总电压U_dc的仿真波形，图8为本实施例混合式直流融冰装置的输出融冰电流I_dc。从图4～图8中可以明显看到，主不控整流器3的输出电压U_1dc和次不控整流器4的输出电压U_2dc都为典型的六脉波整流电压，次整流器输出电压U_2o为对次不控整流器4的输出电压U_2dc进行直流斩波后的电压，本实施例混合式直流融冰装置输出总电压为U_dc为主不控整流器3的输出电压U_1d和次整流器输出电压U_2o的线性叠加，本实施例混合式直流融冰装置的输出融冰电流I_dc为纹波很小的直流电流，上述各量的幅值和波形都符合理论预期，从而证明了所提拓扑结构的有效性。

综上所述，本实施例输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置包括大容量可调档融冰变压器1、小容量变压器2、主不控整流器3、次不控整流器4、斩波调压模块5和输出刀闸6，其中主不控整流器3作为主整流器，通过与大容量可调档融冰变压器1的档位配合输出在很宽范围内分级变化的直流电压；斩波调压模块5与次不控整流器4一起构成次整流器，输出仅能在小范围内连续可调的电压。主整流器和次整流器的直流侧串联后输出融冰直流电压，其中主整流器用于输出融冰电压电流的宽范围初步调节，次次整流器用于对融冰电压电流的小范围精细调控，本实施例输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置的结构仅需要少量小容量的全控型开关器件就足以实现融冰电压电流在大范围内连续可调，可为研制高压大容量直流融冰装置提供一种结构简单可靠、经济且性能优异的变流***结构。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型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实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，其特征在于：包括大容量可调档融冰变压器(1)、小容量变压器(2)、主不控整流器(3)、次不控整流器(4)、斩波调压模块(5)和输出刀闸(6)，所述大容量可调档融冰变压器(1)、小容量变压器(2)的原边分别与交流电网相连，所述大容量可调档融冰变压器(1)的副边和主不控整流器(3)的交流侧相连，所述小容量变压器(2)的副边和次不控整流器(4)的交流侧相连，所述斩波调压模块(5)设于次不控整流器(4)的直流侧构成次整流器，所述次整流器的直流侧和作为主整流器的主不控整流器(3)的直流侧串联后和输出刀闸(6)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，其特征在于：所述斩波调压模块(5)包括全控型开关器件(51)和续流二极管(52)，所述主不控整流器(3)的直流侧负极和输出刀闸(6)的负极输入端相连，所述主不控整流器(3)的直流侧正极和次不控整流器(4)的直流侧负极相连，且所述次不控整流器(4)的直流侧负极通过续流二极管(52)和输出刀闸(6)的正极输入端相连，所述次不控整流器(4)的直流侧正极和全控型开关器件(51)的集电极C相连，所述全控型开关器件(51)的发射极E和输出刀闸(6)的正极输入端相连。

3.根据权利要求2所述的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，其特征在于：所述全控型开关器件(51)为IGBT。

4.根据权利要求1所述的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，其特征在于：所述大容量可调档融冰变压器(1)的原边与交流电网相连、副边设有对应多个档位的多个副边抽头，所述多个副边抽头的动触点和主不控整流器(3)的交流侧相连。

5.根据权利要求4所述的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，其特征在于：所述大容量可调档融冰变压器(1)为Y/d11型双绕组变压器。

6.根据权利要求1所述的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，其特征在于：所述小容量变压器(2)为Y/d11型双绕组变压器。

7.根据权利要求1所述的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，其特征在于：所述主不控整流器(3)为由二极管构成的三相不控整流桥。

8.根据权利要求1所述的输出电压电流连续可调的混合式直流融冰装置，其特征在于：所述次不控整流器(4)为由二极管构成的三相不控整流桥。