[发明专利]一种基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变流器技术领域，具体涉及一种电网直流融冰装置。

背景技术

近年来，我国南方地区冬季极端雨雪天气频发，直流融冰装置在电力系统中开始广泛应用。传统的直流融冰装置采用晶闸管整流技术，通过相控整流将交流电变换为幅值可调的直流电用于输电线路除冰。由于融冰装置只在冬季极端天气条件下才会使用，因而装置的设备利用率较低，给输配电企业带来了额外的负担。

为提高融冰装置的设备利用率，与静止无功补偿器（SVC）相结合已经成为直流融冰装置的主流技术。一方面，SVC与直流融冰装置都采用晶闸管相控技术，所用到的主要元件相同，只需要对主电路的拓扑结构进行一定的转换就能分别实现直流融冰和无功补偿的功能；另一方面，输配电系统的变电站一般都需要配置一定容量的无功补偿装置，以方便调节电网电压，SVC恰好能够满足这一应用需求。

但是，经过几年的实际运行发现，SVC晶闸管整流装置用于直流融冰时，具有体积大、谐波污染严重以及拓扑切换复杂等问题。特别是用作移动式融冰装置时，尽管通过集装箱方式安装，但集装箱、整流变压器体积庞大，运输极为不便；同时装置接线复杂，在无功补偿和融冰功能之间切换，需要经过多个开关操作才能完成拓扑结构的转换，大大削弱了移动式融冰装置所需要的安装简单、快速投运的特点。

随着电力电子技术的发展，有学者在文献中提出将链式SVG与直流融冰装置相结合的思路，一方面，与下一代无功补偿装置相结合，提高装置补偿动态无功的性能；另一方面，引入全控型器件有利于解决晶闸管相控整流器普遍存在的谐波问题。但是由于这种链式结构总模块直流电压各自悬浮，没有公共的直流母线，因而无法直接用于直流融冰当中，目前也尚未见有相关技术方案的文献报道。此外，也有学者提出通过轻型直流输电（HVDCLight）的半桥模块化多电平（HBMMC）方案进行直流融冰，HVDC Light具有公共直流母线，天然地具备直流高压输出的条件，同时其交流侧连接电网，也具备动态无功补偿能力。但是，利用HVDC Light技术融冰也存在一些局限性，其中最为突出的就是HBMMC输出直流电压的可调范围小，必须在满足可控整流条件的直流电压以上进行调节，无法有效适应不同长度的输电线路，因而装置的可用率将大打折扣。

发明内容

本发明针对现有的直流融冰装置的不足，提出一种采用全桥模块的模块化多电平变流器，通过H桥级联形成具有公共直流母线的AC/DC变流器拓扑方案，这种方案一方面具备高压直流输出能力，且直流电压可以从零开始连续调节，另一方面完全兼容链式SVG拓扑，可以实现快速的动态无功调节，从而同时具备直流融冰和交流动态无功补偿功能。

本发明具体采用以下技术方案。

一种基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置，其特征在于：

所述全桥模块化多电平变流器为三相桥结构，变流器的每一相包含一个上桥臂和一个下桥臂，上、下桥臂分别由N个全桥功率模块首尾串联组成，形成链式多电平结构，且各个上、下桥臂从上到下分别为第1个、第2个、…、第N个全桥功率模块，其中N为大于1的整数；

各相上桥臂第1个功率模块的首端连接在一起，形成公共直流母线的正极，各相下桥臂第N个功率模块的末端连接在一起，形成公共直流母线的负极；

各相上桥臂第N个功率模块的末端和该相下桥臂第1个功率模块的首端各通过一个平波电抗器连接在一起，每一相两个平波电抗器的连接点连接该相的交流母线；

所述公共直流母线的正极和公共直流母线的负极分别施加在相应的待融冰线路上。

本发明所述的全桥功率模块为H桥结构，由四个可关断器件Q1~Q4和直流支撑电容器C构成，其特征在于可关断器件Q1和Q3的集电极与直流支撑电容器C的正极相连，可关断器件Q2和Q4的发射极与直流支撑电容器C的负极相连；可关断器件Q1的发射极与可关断器件Q2的集电极相连，形成全桥功率模块的首端M1，可关断器件Q3的发射极与可关断器件Q4的集电极相连，形成全桥功率模块的末端M2。

本发明所提出的基于全桥模块化多电平变流器的直流融冰装置，其特征在于将直流侧融冰所需要的直流电压Udc和交流侧并网所需要的交流相电压uac平均分配给每个全桥功率模块，即在每个功率模块的输出电压中，直流分量为Udc/2N，交流分量为uac/N。本发明充分利用全桥模块的双极性输出特点，每个功率模块都能输出可调的直流电压，从而使整个变流器装置具备输出连续可调的直流电压的能力，最大程度的满足不同线路参数和线路长度的融冰要求。