LCC-MMC混合型直流融冰装置拓扑结构的设计的制作方法

lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构的设计
技术领域
1.本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种直流融冰装置结构，尤指一种lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构的设计。


背景技术：

2.随着我国现代化的进程加速，社会各界对电能的依赖程度逐渐升高，电力系统的安全稳定运行也有了更高的要求，输电线路覆冰是威胁电网安全稳定运行的重要自然灾害之一。2005年12月，美国四个州遭受冰暴侵袭，多个地区倒杆断线以至大面积供电中断，约68.3万用户受到影响；2008年1月，中国南方先后出现4次大范围雨雪天气，部分省份供电中断甚至电网瘫痪，受灾人口超过1亿；2020年11月，吉林省遭遇雨雪冰冻灾害，长春地区325条供电线路电压不稳、频繁跳闸，造成33.5万用户停电。随着电力系统电力电子化进程不断加速，冰雪灾害造成的影响也愈加严峻，为了抵御冰雪危害，世界各国从防冰、除冰、融冰方面开展研究。其中，直流融冰装置电源容量小、融冰速度快、融冰效果好，广泛应用于输电线路覆冰过重的场合，成为易覆冰地区的标准配置。
3.lcc(line commuted converter电网换相换流器)型直流融冰装置具有直流侧调节范围广、可靠性高、经济性好等优点，缺点是融冰消耗大量无功功率，交流侧产生大量谐波，影响系统的电能质量；且该技术存在最低运行功率限制，当直流侧电流小于某一数值时会出现电流断续现象，这种电流断续会在换流变压器、平波电抗器上产生很大的过电压；lcc型直流融冰装置所需配置的无功补偿及滤波装置会增加融冰装置的整体占地面积。mmc(modular multilevel converter模块化多电平换流器)型直流融冰装置交流侧多电平输出不存在谐波问题，具有占地小、重量轻、运行效率高、零起升压/升流等优点，缺点是该种融冰技术相对复杂、装置成本高、融冰能力受igbt器件的影响有一定的限制。因此，设计可控性强、经济高效的融冰装置，依然是需要解决的关键技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构，解决了现有直流融冰技术存在的上述问题。本发明设计了一种由电网换相换流器和模块化多电平换流器共同组成的混合型直流融冰装置，其中lcc换流器采用十二脉动晶闸管组成的整流结构，mmc换流器采用全桥子模块和半桥子模块1:1混合结构。依据不同线路长度和覆冰工况需求，设计了直流融冰装置工作模式的切换方案与协调控制策略；同时，设计了提高装置利用率的复用功能模式。最终形成了一套完整的lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构及控制方案，此结构可应用电力系统覆冰导线除冰过程中。
5.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
6.lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构的设计，首先，采用电网换相换流器和模块化多电平换流器组成lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构；其次，根据线路不同工作状态需求改变装置的控制方式，对覆冰线路进行有效除冰；最后，针对于lcc在融冰过程中的谐
波问题，设计mmc谐波电流控制策略，抵消馈入电网中的谐波成分。包括以下步骤：
7.步骤(1)lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构；
8.步骤(2)lcc-mmc混合型直流融冰装置工作状态需求分析；
9.步骤(3)lcc融冰谐波特性分析及谐波抑制；
10.步骤(4)确定lcc-mmc融冰状态下工作模式及其控制方式。
11.步骤(1)所述的lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构，采用由电网换相换流器(line commuted converter,lcc)和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)共同组成的混合型直流融冰装置，其中lcc电网换相换流器采用十二脉动晶闸管组成的整流结构，mmc模块化多电平换流器采用全桥子模块和半桥子模块1:1混合结构。
12.步骤(2)所述的lcc-mmc混合型直流融冰装置工作状态需求分析，根据线路的不同需求改变控制方式，从而改变融冰装置的工作状态。
13.步骤(3)所述的lcc融冰谐波特性分析及谐波抑制，分析lcc融冰装置融冰时交流侧的谐波电流频次，通过谐波电流控制策略抑制谐波。
14.三绕组变压器副边y侧绕组电流对应到原边绕组的电流为
15.i
a1
＝i
a1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-2)
16.式中：i
a1
为副边y侧绕组电流对应到原边绕组的电流；i
a1
为副边y侧绕组的电流。
17.三绕组变压器副边δ侧绕组电流对应到原边绕组的电流为
[0018][0019]
式中：i
a2
为副边δ侧绕组电流对应到原边绕组的电流；id为直流电流；n为谐波次数，n＝6k
±
1，k＝1，2，3
…
[0020]
故lcc融冰时交流出口处的电流可表示为
[0021][0022]
式中：ia为原边绕组总电流。
[0023]
步骤(4)所述的lcc-mmc融冰状态下工作模式及其控制方式的确定，依照不同覆冰状况下所需融冰电流的不同确定工作模式，并采取相应的控制策略。
[0024]
考虑到导线规格和覆冰情况的差异性，输出的直流电压应满足宽范围调节条件。当所需融冰容量较小时，仅采用混合型mmc融冰模式进行融冰；当所需融冰容量较大时，采用lcc融冰 mmc_statcom模式进行融冰，通过谐波电流控制过程使混合型mmc交流侧电流中含有与谐波极性相反的电流成分，以抵消馈入电网中的谐波成分。融冰过程中，配以相应的倒闸操作完成三相线路均衡融冰。
[0025]
本发明的有益效果在于：解决了使用lcc型融冰装置运行过程中最低功率限制、提供小电流时电流断续及谐波占比相对较大的问题，利用mmc工作状态的切换完成对lcc融冰时的谐波滤除以及无功支撑，同时，lcc-mmc混合型直流融冰装置工作状态的切换提高了装置的利用率，并具有无功补偿、谐波抑制、融冰电流高等优点，实用性强。
附图说明
[0026]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0027]
图1为本发明的lcc-mmc混合型融冰装置的拓扑结构图；
[0028]
图2为本发明的十二脉动晶闸管型融冰拓扑结构图；
[0029]
图3为本发明的混合型mmc融冰拓扑结构图；
[0030]
图4为本发明混合型mmc融冰控制原理图；
[0031]
图5为本发明晶闸管型融冰控制原理图；
[0032]
图6为本发明的混合型mmc谐波电流抑制原理图(11次谐波电流控制)；
[0033]
图7为本发明的混合型mmc谐波电流抑制原理图(13次谐波电流控制)；
[0034]
图8为本发明的融冰状态下装置动作逻辑框图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
[0036]
参见图1至图8所示，本发明的lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构的设计，首先提出了一种由电网换相换流器(line commuted converter,lcc)和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)共同组成的混合型直流融冰装置，其中mmc换流器采用全桥和半桥子模块混合结构；其次，依据不同线路长度和覆冰工况需求，设计了直流融冰装置工作模式的切换方案与协调控制策略，同时设计了提高装置利用率的复用功能模式。本发明对混合型融冰技术的拓扑结构进行改进，以解决lcc融冰装置运行过程中最低功率限制、提供小电流时电流断续及谐波占比相对较大的问题，同时利用mmc工作状态的切换完成对lcc融冰时的谐波滤除以及无功支撑，该融冰装置具有无功补偿、谐波抑制、融冰电流高等优点。
[0037]
1、lcc-mmc混合型直流融冰装置拓扑结构，采用由电网换相换流器和模块化多电平换流器共同组成的混合型直流融冰装置，其中lcc换流器采用十二脉动晶闸管组成的整流结构，mmc换流器采用全桥子模块和半桥子模块混合结构。
[0038]
lcc-mmc混合型融冰装置的拓扑结构如图1所示，该结构结合了两种直流融冰技术的优点，规避了自身结构导致的融冰缺陷。对于lcc型融冰部分，采用工程常见的十二脉动晶闸管可控整流电路，如图2所示。与六脉动整流电路相比，该结构降低了交流侧谐波含量。对于混合型mmc融冰部分，采用每半个桥臂中全桥子模块和半桥子模块之比为1:1的结构，该结构在实现输出电压宽范围连续可调的同时减少了装置中全桥子模块的数目，所需器件数目降低25％、装置经济性提高20％左右。如图3所示。正常工作时，混合型mmc和半桥型mmc的外部特性近似一致，但由于混合型mmc中采用了全桥子模块，使其具有降直流电压运行的能力，实现了直流电压从零到额定值的宽范围调节。
[0039]
2、lcc-mmc混合型直流融冰装置工作状态需求分析，根据线路的不同需求改变控制方式，从而改变融冰装置的工作状态。
[0040]
输电线路覆冰时，当判断出所需融冰电流及容量在mmc可提供的容量范围内时，此时应用装置中mmc部分进行融冰，实现交流侧的多电平输出，不存在谐波干扰问题，无需加装滤波器，操作简单，运行效率高；当判断出所需融冰电流及容量大于mmc可提供的容量范
围时，此时应用装置中的lcc部分进行融冰，避免了lcc最低运行功率的限制，但应用lcc进行融冰时，不可避免地存在对应的谐波输出及无功功率消耗，可通过改变融冰装置内mmc部分的控制方式将其转化为statcom模式，为lcc融冰提供对应谐波滤除以及无功支撑，达到提高网侧电能质量的目的。此时装置运行在融冰状态；
[0041]
当处于非冰期时，可将lcc-mmc混合型直流融冰装置内的两部分分别为电力系统提供无功支撑。lcc部分通过刀闸将直流侧经电感短路，调节触发角实现一定范围内的无功功率的调节；mmc部分通过改变无功功率参考值对电力系统进行无功补偿。此时装置运行在无功补偿状态；
[0042]
当系统检修时，可通过切换刀闸的开合状态，将直流侧的正负母线短接，测试是否输出额定的直流电流。十二脉动晶闸管型直流融冰装置进行零功率试验时，仅投入晶闸管换流装置，mmc换流器开路，调整使晶闸管型直流融冰装置的直流侧输出电流达到额定值；同理，仅投入mmc换流器即可完成mmc融冰装置的零功率试验。此时装置运行在检修状态。
[0043]
3、lcc融冰谐波特性分析。
[0044]
如图2所示，lcc型融冰部分采用十二脉动晶闸管可控整流电路，三绕组变压器由一个原边绕组和两个副边绕组共同组成，变压器的变比为两个副边绕组分别与一组六脉动整流装置相连，以a相电流为例，副边y侧绕组的电流可表示为：
[0045][0046]
式中：i
a1
为副边y侧绕组的电流；id为直流电流；n为谐波次数，n＝6k
±
1，k＝1，2，3
…
。根据原、副边绕组之间的关系，原边电流i
a1
可表示为
[0047]ia1
＝i
a1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-2)
[0048]
式中：i
a1
为副边y侧绕组电流对应到原边绕组的电流。
[0049]
副边绕组的接线使两组六脉动整流电路中电源相位相差30
°
，故此时i
a2
可表示为
[0050][0051]
式中：i
a2
为副边δ侧绕组的电流。
[0052]
对于原边电流i
a2
，副边电流i
a2
中的正序分量应超前30
°
，负序分量应滞后30
°
，即
[0053][0054]
式中：i
a2
为副边δ侧绕组电流对应到原边绕组的电流。
[0055]
因此原边电流ia可表示为
[0056][0057]
式中：ia为原边绕组总电流。
[0058]
通过上述分析可得出，在lcc融冰时两个六脉动的晶闸管整流装置分别会在变压器副边交流出口侧产生6k
±
1次特征次谐波，经过两部分谐波叠加，最终交流侧原边存在谐波频次为12k
±
1的特征谐波，因此mmc装置需要滤除的谐波为含量比较高的12k
±
1次谐波。
[0059]
4、lcc-mmc融冰状态下工作模式及其控制方式确定，依照不同覆冰状况下所需融冰电流的不同确定工作模式，并采取相应的控制策略。
[0060]
根据融冰需求，判断所需融冰电流及容量在混合型mmc所能提供范围内时，采用仅混合型mmc融冰模式进行融冰。考虑到导线规格与覆冰情况的差异性，输出的直流电压需满足宽范围调节条件。混合型mmc的控制从结构上可分为内环控制和外环控制，内环控制用于解决电流的快速跟踪问题，外环控制用于确定id、iq参考值的大小。混合mmc的内外环控制框图如图4所示，由于半桥子模块不能提供负电平，当直流侧电压降低时，全桥子模块运行在负电平状态。混合型mmc的均压调制方法采用最低电平逼近调制策略，确定对应时刻内混合mmc桥臂中所需导通的子模块的个数。
[0061]
根据融冰导则判断，当所需的融冰电流及融冰容量超过混合mmc所能提供的融冰能力时，选取lcc融冰 mmc_statcom模式进行融冰。在实际工程中，配置相应的倒闸切换策略完成三相线路均衡融冰，直流融冰电流由线路参数、覆冰厚度以及气象参数等确定，通过控制直流电流满足不同架空输电线路在不同覆冰厚度及气象环境下融冰电流需求。融冰电流确定后作为直流电流的参考值i
dcref
，直流电流的参考值i
dcref
与直流电流实际值i
dc
的偏差经过pi控制得到晶闸管的触发信号，对直流电流进行控制，控制原理如图5所示。这种控制方式对融冰电流跟踪性好，适当调节pi控制参数，既可以提高相应速度，又不至于发生超调现象。
[0062]
对于lcc融冰过程中馈入电网中的谐波电流，通过谐波电流控制过程使混合型mmc交流侧电流中含有与谐波极性相反的电流成分，以抵消馈入电网中的谐波成分，达到电能综合治理的目的。如图6及图7所示，由于12k-1次谐波为负序分量，12k 1次谐波为正序分量，因此在考虑mmc滤波时的控制略有差异。
[0063]
综上所述，lcc-mmc混合型直流融冰装置在融冰状态下动作的逻辑框图如图8所示。
[0064]
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。