一种电压源型直流融冰装置及柔性互联系统的制作方法

1.本发明涉及输电线路融冰技术领域，尤其是一种电压源型直流融冰装置及柔性互联系统。


背景技术：

2.电力系统遭受的各种自然灾害中，冰冻灾害是最严重的威胁之一，冰冻灾害会导致输电线路覆冰，严重影响其机械和电气性能，甚至出现倒塔断线引起供电中断，并且电网输电线路其所经地区复杂，气象条件多变，在冬季极易发生严重覆冰，给电力系统的稳定可靠运行造成了严重的威胁。2008年以来，南方大范围的冰冻灾害对湖南、贵州和江西等省份的电力系统造成了重创，无法及时融冰导致倒塔断线事故频发，给输电线路和电网结构造成了极大的破坏，直接影响到了用户的可靠供电。
3.当前随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为人们生产生活中必不可少的二次能源，给人们的生活提供了无尽的便利，因此，当电网出现输电线路覆冰情况时，若无法及时清除覆冰，可能会导致供电中断，从而严重的影响人们的日常生活。


技术实现要素：

4.针对以上问题，本技术提供一种电压源型直流融冰装置及柔性互联系统，用于解决在电网输电线路出现覆冰情况时，无法及时清除覆冰，导致覆冰严重而出现倒塔断线的问题。此外，本发明还可以实现对交流电网的无功补偿和两个交流电网的柔性互联，从而提高供电可靠性。为实现上述目的，现提出的方案如下：
5.一种电压源型直流融冰装置，包括：
6.与交流电源端连接的启动单元；
7.交流输入端与所述启动单元连接的模块化多电平换流器，所述模块化多电平换流器的直流输出端用于在所述电压源型直流融冰装置处于融冰模式时连接待融冰线路；
8.与所述模块化多电平换流器连接，用于控制所述模块化多电平换流器的运行状态的测量控制单元；
9.所述测量控制单元与所述启动单元连接，所述测量控制单元发送开关信号给所述启动单元，所述启动单元基于所述开关信号，调整流入装置中的交流电流的电流值。
10.优选地，所述启动单元包括：交流断路器，充电电阻和旁路开关；
11.所述旁路开关和所述充电电阻并联，并联后的第一公共端通过所述交流断路器与交流电源端连接，第二公共端与所述模块化多电平换流器的交流输入端连接；
12.所述旁路开关与所述测量控制单元连接，所述旁路开关接收所述测量控制单元发送的开关信号，完成旁路开关的闭合和断开。
13.优选地，所述模块化多电平换流器包括：结构完全相同的三相，每相分为上下两个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电抗器和一个柔性直流换流阀串联组成，每相上下桥臂电抗器同向串联连接；
14.所述模块化多电平换流器的每一相的上下桥臂的连接点均与启动单元相连；
15.所述模块化多电平换流器中各个桥臂上的柔性直流换流阀均与测量控制单元连接。
16.优选地，所述测量控制单元包括：控制保护子单元、阀级控制子单元和测量子单元；
17.所述控制保护子单元分别与阀级控制子单元、测量子单元和启动保护单元连接；
18.所述阀级控制子单元与所述模块化多电平换流器连接，用于控制所述模块化多电平换流器的运行状态；
19.所述测量子单元用于测量所述模块化多电平换流器的直流输出端或交流电源端的电参数。
20.优选地，前述的任意一种装置还包括：第一刀闸和第二刀闸；
21.所述模块化多电平换流器的直流输出端分别通过所述第一刀闸和第二刀闸与待融冰线路连接。
22.优选地，所述测量控制单元与所述启动单元连接，所述测量控制单元发送信号给所述启动单元，所述启动单元接收所述信号，并解除对流入装置中的交流电流的限制。
23.一种柔性互联系统，包括：
24.两个如前述的任意一种电压源型直流融冰装置；
25.两个电压源型直流融冰装置内的测量控制单元连接；
26.两个电压源型直流融冰装置内的模块化多电平换流器的直流输出端对应连接，实现两个电压源型直流融冰装置直流侧并联连接。
27.优选地，两个电压源型直流融冰装置中的测量控制单元都包括：控制保护子单元、阀级控制子单元和测量子单元；
28.所述两个电压源型直流融冰装置内的测量控制单元连接，包括：
29.两个电压源型直流融冰装置内的控制保护子单元连接。
30.优选地，两个电压源型直流融冰装置中的测量控制单元都包括：控制保护子单元、阀级控制子单元和测量子单元；
31.所述两个电压源型直流融冰装置内的测量控制单元连接，包括：
32.两个电压源型直流融冰装置内的控制保护子单元为同一子单元。
33.优选地，前述的任意一种系统还包括：第三刀闸和第四刀闸；
34.所述第三刀闸和第四刀闸用于将所述柔性互联系统中的两个模块化多电平换流器的直流输出端对应连接，实现两个电压源型直流融冰装置直流侧并联连接。
35.从上述技术方案中可以看出，本技术实施例提供了一种电压源型直流融冰装置，所述电压源型直流融冰装置实现直流融冰模式时，启动单元的两端分别连接交流电源和模块化多电平换流器，使交流电流流入模块化多电平换流器，测量控制单元调整模块化多电平换流器的运行状态，从而使得模块化多电平换流器将交流电转换为直流电，并在其直流输出端输出直流电流。通过测量控制单元对模块化多电平换流器的运行状态的调整，可以将模块化多电平换流器的直流输出端的直流电流调整为几百安或几千安，在流入待融冰线路之后，待融冰线路将会产生热量，进而使得线路表面覆冰融化。
36.进一步的，所述测量控制单元与所述启动单元连接，基于此连接关系，测量控制单
元能够发送开关信号给启动单元。在交流电流太大时，启动单元基于开关信号限制交流电流的大小，避免交流电流太大对模块化多电平换流器造成损坏；在交流电流稳定在装置可承受范围时，启动单元基于开关信号解除对交流电流大小的限制，避免启动单元长时间对电流进行限制造成启动单元损坏。
37.更进一步的，该装置还可以用于对交流电源进行无功补偿，实现无功补偿模式时，模块化多电平换流器的直流输出端处于断开状态，不与待融冰线路连接。启动单元的两端分别连接交流电源和模块化多电平换流器，使交流电流流入模块化多电平换流器，测量控制单元调节模块化多电平换流器的运行状态，从而使得模块化多电平换流器向交流电源吸收或输出无功功率。当测量控制单元测量交流电源无功功率过多时，使模块化多电平换流器吸收交流电源的无功功率；当测量控制单元测量交流电源无功功率不足时，使模块化多电平换流器输出交流电源的无功功率，进而实现对交流电源端的无功补偿。
附图说明
38.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
39.图1为本技术实施例提供的一种电压源型直流融冰装置结构示意图；
40.图2为本技术实施例提供的一种电压源型直流融冰装置处于直流融冰模式时电路结构图；
41.图3为本技术实施例提供的一种电压源型直流融冰装置处于无功补偿模式时电路结构图；
42.图4为本技术实施例提供的一种柔性互联系统结构示意图；
43.图5为本技术实施例提供的一种柔性互联系统处于柔性互联模式时电路结构图；
44.图6为本技术实施例提供的一种柔性互联系统处于直流融冰模式时电路结构图。
具体实施方式
45.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.图1为本技术实施例提供的一种电压源型直流融冰装置结构示意图，装置可以包括：与交流电源端连接的启动单元10；交流输入端ac1与所述启动单元10连接的模块化多电平换流器20，所述模块化多电平换流器20的直流输出端用于在所述电压源型直流融冰装置处于融冰模式时连接待融冰线路；与所述模块化多电平换流器20连接，用于控制所述模块化多电平换流器20的运行状态的测量控制单元30，所述测量控制单元30与所述启动单元10连接，所述测量控制单元30发送开关信号给所述启动单元10，所述启动单元10基于所述开关信号，调整流入装置中的交流电流的电流值。
47.本实施例中，电压源型直流融冰装置可以实现直流融冰，进入直流融冰模式时，交
流电流通过启动单元10流入模块化多电平换流器20，测量控制单元30控制模块化多电平换流器20的运行状态，使得模块化多电平换流器20将交流电转换为设定数值的直流电，在直流电流流入待融冰线路之后，待融冰线路将会产生热量，进而对线路覆冰进行融化。
48.进一步的，所述测量控制单元与所述启动单元连接，基于此连接关系，测量控制单元能够发送开关信号给启动单元。在交流电流太大时，启动单元基于开关信号限制交流电流的大小，避免交流电流太大对模块化多电平换流器造成损坏；在交流电流稳定在装置可承受范围时，启动单元基于开关信号解除对交流电流大小的限制，避免启动单元长时间对电流进行限制造成启动单元损坏。
49.更进一步的，电压源型直流融冰装置还可以用于对交流电源ac1进行无功补偿，实现无功补偿模式时，模块化多电平换流器20的直流输出端处于断开状态，不与待融冰线路连接。启动单元10控制交流电流流入模块化多电平换流器20，测量控制单元30控制模块化多电平换流器20的运行状态，从而使得模块化多电平换流器20向交流电源ac1吸收或输出无功功率。当测量控制单元30测量交流电源ac1的无功功率过多时，测量控制单元30控制模块化多电平换流器20吸收交流电源ac1的无功功率；当测量控制单元30测量交流电源ac1的无功功率不足时，测量控制单元30控制模块化多电平换流器20向交流电源ac1输出无功功率，进而实现对交流电源ac1的无功补偿。
50.在本技术的一些实施例中，提供了另一种电压源型直流融冰装置的电路结构，结合图2所示，电压源型直流融冰装置中的启动单元10可以包括：交流断路器k11、充电电阻r11和旁路开关k12。
51.其中，旁路开关k12和充电电阻r11并联，并联后的第一公共端通过交流断路器k11与交流电源ac1连接，第二公共端与模块化多电平换流器20中的每一相的上下桥臂的连接点相连。
52.旁路开关k12与测量控制单元30连接，所述旁路开关k12接收测量控制单元30发送的开关信号，完成旁路开关k12的闭合和断开。
53.交流断路器k11，用于控制交流电流流入电压源型直流融冰装置。
54.充电电阻r11，用于在装置起动时起限流作用，避免上电瞬间产生较大的电流导致模块化多电平换流器20损坏。在对充电电阻r11进行选择时，还需要综合考虑设备允许的最大电流、启动速度和电阻体积等因素。
55.旁路开关k12，用于切断充电电阻r11，解除对流入装置中的交流电流的限制。可以理解的是，由于装置中充电回路流过的电流较大，导致充电电阻r11消耗的功率也很大，充电电阻r11长时间串联在充电回路中，会因发热太大而损坏，所以在装置上电后，当柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)内部电容电压达到设定阈值时，需要闭合旁路开关k12使交流电流从旁路开关k12流过，而不再流经充电电阻r11，从而实现充电电阻r11的切除，对充电电阻r11进行保护，旁路开关k12可以通过接收测量控制单元30发送的开关信号完成闭合和断开的操作。
56.进一步的，结合图2所示，电压源型直流融冰装置中的模块化多电平换流器20可以包括：结构完全相同的三相，每相分为上下两个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电抗器和一个柔性直流换流阀串联组成，每相上下桥臂电抗器同向串联连接。
57.其中，模块化多电平换流器20中各个桥臂上的柔性直流换流阀(k101，k102，k103，
k104，k105，k106)均与测量控制单元30中的阀级控制子单元302连接。需要说明的是，在图2中为了附图的简洁，仅仅示意了阀级控制子单元302与柔性直流换流阀k102的连接关系，其余柔性直流换流阀(k101，k103，k104，k105，k106)与阀级控制子单元302的连接关系并未通过附图进行展示。
58.桥臂电抗器(l11，l12，l13，l14，l15，l16)，用于抑制模块化多电平换流器20输出电流谐波、桥臂间环流和短路时桥臂电流快速上升。
59.柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)，用于实现交流与直流的灵活转换，以及对无功功率的输出与吸收。每个柔性直流换流阀均是由多个功率模块串联组成，功率模块为基于igbt组成的全桥或者半桥模块。
60.所述igbt指的是insulated gate bipolar transistor，也就是绝缘栅双极型晶体管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，驱动功率小而饱和压降低。
61.再进一步的，结合图2所示，电压源型直流融冰装置中的测量控制单元30可以包括：控制保护子单元301、阀级控制子单元302和测量子单元(图2中未示出)。
62.其中，控制保护子单元301分别与阀级控制子单元302、测量子单元和启动单元连接，用于发送控制信号给阀级控制子单元302控制柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)的运行状态和接收测量子单元实时发送的相关电参数的测量值。
63.控制保护子单元301，用于获取用户输入的设定值，并基于设定值与获取的装置内各个测量子单元实时发送的相关电参数的测量值，得到并发送信号给阀级控制子单元302，并通过发送开关信号给启动单元，来调整流入装置中的交流电流的电流值。除此之外，控制保护子单元301还对装置工作时的各个电参数进行监测，当测量电参数出现异常时控制相应的器件调整相关电参数或切断装置电源，对装置进行保护。
64.阀级控制子单元302，用于在交流电输入模块化多电平换流器20之后，检测模块化多电平换流器20中柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)的电容电压，当电容电压值达到设定的解锁阈值之后，阀级控制子单元302发送信号给模块化多电平换流器20中柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)，使柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)完成解锁。除此之外，柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)解锁后，阀级控制子单元302还基于控制保护子单元301发来的内容，确定并发送柔性直流换流阀能够接收并识别的信号，该信号能够调整柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)的运行状态，实现对柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)输出的直流电流值、直流电压值的调整，以及对无功功率的输出或吸收等功能。
65.测量子单元，用于测量模块化多电平换流器20的直流输出端和交流电源端的电参数。可以理解的是，装置中有多个测量子单元，且需要安装在模块化多电平换流器20的直流输出端和交流电源端，测量子单元可以对装置需要的电参数进行测量，并实时发送给控制保护子单元301。需要说明的是，为了附图的简洁，各测量子单元的安装位置以及与控制保护子单元301的连线并未在附图中示意，具体安装位置以能够准确测量所需电参数的位置为准。
66.在本技术的一些实施例中，如图2所示，电压源型直流融冰装置还可以包括：刀闸k13、k14。在电压源型直流融冰装置实现直流融冰模式时，模块化多电平换流器20的直流输
入端可以通过刀闸k13、k14分别连接待融冰线路。
67.在本技术的一些实施例中，测量保护单元30还可以与启动单元10连接，用于控制启动单元10调整流入装置中的交流电流的电流值。结合图2所示，测量保护单元30与启动单元10连接，具体为控制保护子单元301与旁路开关k12连接，当柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)内部电容电压达到设定阈值时，控制保护子单元301发送开关信号给旁路开关k12，使得旁路开关k12基于开关信号闭合，以使得交流电流不再流入充电电阻r11，解除对流入装置中的交流电流的限制。需要说明的是，为了附图的简洁，控制保护子单元301与旁路开关k12的连接关系并未在附图中展示。
68.结合图2所示，在电压源型直流融冰装置实现直流融冰模式时，模块化多电平换流器20的直流输出端连接待融冰线路，交流电流通过交流断路器k11和充电电阻r11流入模块化多电平换流器20，阀级控制子单元302发送信号给模块化多电平换流器20中的柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)，柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)接收信号，将流入的交流电转换为直流电，再通过模块化多电平换流器20的直流输出端输出直流电流，电流在流入待融冰线路后产生热量，实现线路融冰。
69.结合图3所示，在电压源型直流融冰装置实现无功补偿模式时，模块化多电平换流器20的直流输出端处于断开状态。进一步的，当模块化多电平换流器20的直流输出端分别连接刀闸k13、k14时，刀闸k13、k14另一端不与线路进行连接；若在与融冰线路处于连接状态下需要开启无功补偿模式，则该刀闸k13、k14中至少有一个需要一直处于断开状态。
70.参考图3，电压源型直流融冰装置实现无功补偿模式时，交流电流通过交流断路器k11和充电电阻r11流入模块化多电平换流器20，阀级控制子单元302发送信号给模块化多电平换流器20中的柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)，柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)接收信号，使柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)吸收或输出无功功率。在交流电源无功功率不足时，柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)向交流电源输出无功功率；交流电源无功功率过多时，柔性直流换流阀(k101，k102，k103，k104，k105，k106)吸收交流电源的无功功率。
71.本技术实施例还提供一种柔性互联系统，参考图4，图4为本技术实施例提供的一种柔性互联系统单元结构图。
72.如图4所示，该系统包括两个如图1所示的电压源型直流融冰装置，其中，两个电压源型直流融冰装置测量控制单元之间相互连接，各装置模块化多电平换流器的直流输出端对应连接，实现两个电压源型直流融冰装置直流侧并联连接。
73.其中，柔性互联系统可以实现两个交流电源之间的柔性互联，进入柔性互联模式时，启动单元10和启动单元40分别控制交流电流流入模块化多电平换流器20和模块化多电平换流器50，测量控制单元30和测量控制单元60分别发送信号给模块化多电平换流器20和模块化多电平换流器50，调整模块化多电平换流器20和模块化多电平换流器50的运行状态，从而使得模块化多电平换流器实现交流和直流之间的转换。通过对模块化多电平换流器20运行状态的调整，可以在系统中两个电压源型直流融冰装置对应的交流电源之间实现柔性互联。可以理解的是，柔性互联模式是将两个互不连接的交流电源通过柔性互联系统进行连接，并且两个交流电源能够通过柔性互联系统实现能量的相互传递。
74.假定柔性互联系统两端分别连接a、b两个交流电源，通过a端的模块化多电平换流
器实现有功功率的吸收或输出。当a端交流电源的有功功率不足，且b端交流电源的有功功率充足时，则a端的模块化多电平换流器吸收b端交流电源的有功功率；当a端交流电源的有功功率充足，且b端交流电源的有功功率不足时，则a端的模块化多电平换流器向b端交流电源输出有功功率，进而实现两个交流电源之间的柔性互联。
75.进一步的，在柔性互联系统进入柔性互联模式时，系统中两个电压源型直流融冰装置还可以通过装置内的测量控制单元调整装置内的模块化多电平换流器的运行状态，从而使得模块化多电平换流器向交流电源吸收或输出无功功率，实现对各个电压源型直流融冰装置对应交流电源的无功补偿。
76.更进一步，柔性互联系统还可以实现直流融冰，进入直流融冰模式时，柔性互联系统中两个模块化多电平换流器的直流输出端并联连接的两个公共端分别连接待融冰线路的两端。启动单元10和启动单元40分别控制交流电流流入模块化多电平换流器20和模块化多电平换流器50，测量控制单元30和测量控制单元60分别控制模块化多电平换流器20和模块化多电平换流器50的运行状态，并在模块化多电平换流器(20，50)的直流输出端输出直流电流。通过测量控制单元30和测量控制单元60分别对模块化多电平换流器20和模块化多电平换流器50运行状态的控制，可以将模块化多电平换流器(20，50)的直流输出端的直流电流调整为几百安或几千安，在流入待融冰线路之后，待融冰线路将会产生足以使线路表面覆冰融化的热量。
77.基于前述实施例介绍的装置的电路结构图，本技术实施例公开了一种系统的电路结构图，如图5所示。
78.柔性互联系统中的两个电压源型直流融冰装置中的测量控制单元可以包括：控制保护子单元、阀级控制子单元和测量子单元。其中，两个装置内测量控制单元之间的连接关系可以是控制保护子单元之间相互连接。除此之外，也可以是两个装置中的控制保护子单元为同一个单元。图5仅仅示例了两装置内测量控制单元的控制保护子单元之间相互连接的情况。
79.进一步参考图5可知，本技术实施例提供的柔性互联系统还可以包括：刀闸k31、k32。柔性互联系统中的两个模块化多电平换流器的直流输出端分别通过所述刀闸k31、k32对应连接，实现两个电压源型直流融冰装置直流侧并联。具体的，该连接关系为：刀闸k31的一端连接第一装置中模块化多电平换流器的第一输出端，另一端连接第二装置中模块化多电平换流器的第一输出端；刀闸k32的一端连接第一装置中模块化多电平换流器的第二输出端，另一端连接第二装置中模块化多电平换流器的第二输出端，进而实现两个电压源型直流融冰装置直流侧并联。
80.本技术的实施例提供的柔性互联系统，可以在实现柔性互联模式基础上，通过在两个电压源型直流融冰装置内增加设置无功功率的设定值，从而实现对各自装置内交流电源的无功功率实现无功补偿，无功补偿与柔性互联可以同时进行，在系统实现柔性互联功能的同时，柔性互联系统中的各个装置实现对各自装置的无功补偿。
81.本技术的实施例提供的柔性互联系统，还可以实现直流融冰的功能，结合图6所示，柔性互联系统在实现直流融冰模式时，需要将柔性互联系统中两个模块化多电平换流器的直流输出端并联连接的两个公共端分别连接待融冰线路的两端。
82.进一步的，结合图6所示，柔性直流系统还可以包括：刀闸k33、k34。系统中两个电
压源型直流融冰装置的模块化多电平换流器并联连接后的第一公共端，通过刀闸k33与待融冰线路连接，并联连接后的第一公共端，通过刀闸k34与待融冰线路连接。
83.其中，柔性互联系统实现直流融冰模式时，与前述电压源型直流融冰装置实现直流融冰模式一样，系统中的两个电压源型直流融冰装置互不干扰，均通过装置中的模块化多电平换流器将交流电转换为直流电，并且通过直流输出端输出几百安或几千安的直流电流，再一同流入待融冰线路，使得待融冰线路产生足以使线路表面覆冰融化的热量，进而融化线路覆冰。
84.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
85.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。
86.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。