一种兼具SVG功能的500kV变电站集约型直流融冰系统的制作方法

本发明涉及电气工程的融冰装置，具体涉及一种兼具SVG功能的500kV变电站集约型直流融冰系统。

背景技术：

我国的贵州、湖南、湖北等南方地区冰雪灾害频发，由于近年气候变化异常乃至北京、辽宁等北方地区也时有冰雪灾害发生，输电线路覆冰后易引起倒塔断线，严重威胁到电网安全稳定运行和供电可靠性。为了提高输电线路抵抗冰灾的能力，国内多家单位研制了多种型号的直流融冰装置，为电网冬季安全稳定运行提供了坚实的技术保障，但融冰装置仅在冬季线路覆冰期使用，利用率较低，而500kV变电站融冰装置投资大，设备过度闲置阻碍了融冰装置的推广应用，为此，国内、外少数高校和科研单位开发了适用于500kV变电站的兼具SVG无功补偿功能的直流融冰装置，不仅可对覆冰线路实施直流融冰，还可通过改变装置内部结构实现动态无功补偿。但是，此类装置存在以下技术问题：问题1，谐波大，占地面积大：装置运行时会产生大量5次、7次等谐波电流，装置自身及滤波需要配置多组大容量电容器、电抗器，导致装置占地面积大、建设成本高；问题2，融冰与无功补偿须同容量配置：整体容量要兼顾SVG和融冰装置，电压取SVG的高电压，电流取融冰装置的大电流，导致整体容量非常大，成本高；问题3，发热量大，须采用水冷：该方式损耗大，运行成本高，必须采用水冷方式，增加水冷系统，水质要求高，需进行去离子处理，同时要防止漏水，冬季又需进行防冻处理，维护工作量大，影响装置可靠性。因此，针对500kV变电站兼具SVG无功补偿功能的直流融冰装置的特点，迫切需要开展500kV变电站新型集约型直流融冰装置拓扑结构研究，以便解决现有融冰装置存在的问题，为装置的结构设计与最终研制提供指导。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现装置自身热损耗回收利用，并可与变电站调度AVC系统兼容，为融冰装置多功能拓扑结构研究及装置研制提供有效的指导，可广泛适用于500kV变电站的兼具SVG功能的500kV变电站集约型直流融冰系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种兼具SVG功能的500kV变电站集约型直流融冰系统，包括电能测量计量及保护装置、变压器、运行模式切换器、直流融冰单元和动态无功补偿单元，所述变压器的原边通过电能测量计量及保护装置和变电站的交流母线相连，所述变压器的副边通过运行模式切换器分别和直流融冰单元、动态无功补偿单元相连。

优选地，所述直流融冰单元包括整流部件、感应电压抑制器和三相融冰线路切换器，所述整流部件的交流侧和运行模式切换器的一个输入端相连，所述整流部件的直流侧依次通过感应电压抑制器和三相融冰线路切换器相连，且通过三相融冰线路切换器的输出端提供融冰输出电压。

优选地，所述动态无功补偿单元包括SVG型动态无功补偿器和电容器组及电抗器组，所述SVG型动态无功补偿器和运行模式切换器的另一个输入端相连，且所述SVG型动态无功补偿器的二次输入端分别与电容器组及电抗器组的二次输出端、变电站的测控系统以及变电站的调度AVC系统相连，所述电容器组及电抗器组的一次输入端和变电站的交流母线相连。

优选地，所述SVG型动态无功补偿器还连接有热损耗余热利用单元。

优选地，所述SVG型动态无功补偿器装设在封闭空间的功率柜内，所述功率柜的顶部设有相互连接的风机和风道出口。

优选地，所述热损耗余热利用单元包括散热器和热泵机组，所述热泵机组包括蒸发器、冷凝器和压缩泵，所述散热器包括相互独立的风通道和第一水通道，所述蒸发器包括相互独立的第二水通道和第一介质通道，所述冷凝器包括相互独立的第二介质通道和余热利用通道，所述散热器的第一水通道入口端和风道出口连通、出口端和封闭空间连通，所述第一水通道、第二水通道之间通过循环泵循环流通，所述第一介质通道、第二介质通道之间通过压缩泵循环流通，所述余热利用通道包括热水制热通道，所述热水制热通道一端设有冷水进水管、另一端设有热水出水管。

优选地，所述余热利用通道还包括空气散热通道。

优选地，所述变压器的连接组别为Y/y0d11，所述变压器为上、下绕组同心度完全一致的轴向双分裂结构变压器，所述轴向双分裂结构变压器的副边两个绕组共用一个铁心磁路呈轴向分裂布置。

本发明兼具SVG功能的500kV变电站集约型直流融冰系统具有下述优点：

1、本发明包括电能测量计量及保护装置、变压器、运行模式切换器、直流融冰单元和动态无功补偿单元，所述变压器的原边通过电能测量计量及保护装置和变电站的交流母线相连，所述变压器的副边通过运行模式切换器分别和直流融冰单元、动态无功补偿单元相连，能够实现融冰容量与SVG容量因需分别优化配置，减小装置体积与造价，满足融冰高可靠性与动态无功补偿要求，并具有谐波治理功能，优化变电站动态无功与静态无功配合。

2、本发明可与变电站测控系统信息互换，收集每条线路电压、电流、有功和无功等信息，实现邻站电压预估，与变电站调度AVC系统兼容，实现本站动态电压、稳态电压及邻站电压多重优化协调控制。

3、本发明冷却系统采用闭式循环风冷，运行维护简单，且无渗水的风险，并易于实现装置自身热损耗的回收利用。

4、本发明可开展装置自身热损耗的回收，将装置运行热损耗产生的热量回收后，加热冷水，将冷水转换成55℃左右的生活热水，实现能量的回收利用，降低装置运行成本，解决现有动态无功补偿装置补了无功损了有功的难题，实现大功率电力电子设备真正意义的节能环保运行。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理示意图。

图2为本发明实施例的变压器的绕组柱状图。

图3为本发明实施例的变压器的副边两个绕组中磁通分布图。

图4为本发明实施例的热损耗余热利用单元结构示意图。

图5为应用本发明实施例进行无功需求及分配策略的原理示意图。

图例说明：1、电能测量计量及保护装置；2、变压器；3、运行模式切换器；4、直流融冰单元；41、整流部件；42、感应电压抑制器；43、三相融冰线路切换器；5、动态无功补偿单元；51、SVG型动态无功补偿器；510、封闭空间；511、功率柜；512、风机；513、和风道出口；52、电容器组及电抗器组；6、热损耗余热利用单元；61、散热器；62、热泵机组；621、蒸发器；622、冷凝器；623、压缩泵；624、冷水进水管；625、热水出水管。

具体实施方式

如图1所示，本实施例兼具SVG功能的500kV变电站集约型直流融冰系统包括电能测量计量及保护装置1、变压器2、运行模式切换器3、直流融冰单元4和动态无功补偿单元5，变压器2的原边通过电能测量计量及保护装置1和变电站的35kV交流母线相连，变压器2的副边通过运行模式切换器3分别和直流融冰单元4、动态无功补偿单元5相连。本实施例中，变压器2将35kV高压降压后输出端接运行模式切换器3的输入端，运行模式切换器3的输出端分别与直流融冰单元4和动态无功补偿单元5的输入端相连，运行模式切换器3输出额定电压为22.5kV，额定容量为120MW的直流电压至三相待融冰线路；动态无功补偿单元5输出额定电压20kV，额定容量为±100Mvar的感性或容性无功。

本实施例中，电能测量计量及保护装置1采用市售DNCLBH-35kV型电能测量、计量与保护装置。

本实施例中，变压器2采用自研的BYQ-350kV-20kV型12脉波变压器，该12脉波变压器的连接组别为Y/y0d11，变压器2为上、下绕组同心度完全一致的轴向双分裂结构变压器，轴向双分裂结构变压器的副边两个绕组共用一个铁心磁路呈轴向分裂布置，通过上述结构能够实现融冰整流5次、7次谐波自动抵消，保证SVG谐波补偿通过变压器进入电网以及补偿的快速性。本实施例中，变压器2为低阻抗、宽调压整流的非饱和三绕组变压器，可以实现多档位电压输出，变压器2同时采用低阻抗、宽调压设计方法，通过前述绕组的优化布置与电场计算，使变压器调压范围宽达80％(20％～100％)，且各档位的短路阻抗相差较小，可用二极管整流融冰，满足融冰高可靠性要求。

如图2所示，变压器2为上、下绕组同心度完全一致的轴向双分裂结构变压器即：原边D绕组的每一相、副边y11绕组的每一相、副边d0绕组的每一相一一对应且同心度完全一致呈轴向双分裂结构；如图3所示，Φ₁、Φ₂分别为通过副边两个绕组A相的磁通，Φ₁-Φ₂为通过副边两个绕组B相的磁通。由于原边D绕组的每一相、副边y11绕组的每一相、副边d0绕组的每一相一一对应且同心度完全一致呈轴向双分裂结构，因此可以满足式：

F_A(5,7次)＝F_ay(5,7次)+F_ad(5,7次)＝0

F_B(5,7次)＝F_by(5,7次)+F_bd(5,7次)＝0

F_C(5,7次)＝F_cy(5,7次)+F_cd(5,7次)＝0

其中，F_A(5,7次)表示原边A相的谐波，F_ay(5,7次)表示副边y11绕组A相的谐波，F_ad(5,7次)表示副边d0绕组A相的谐波，F_B(5,7次)表示原边B相的谐波，F_by(5,7次)表示副边y11绕组B相的谐波，F_bd(5,7次)表示副边d0绕组B相的谐波，F_C(5,7次)表示原边C相的谐波，F_cy(5,7次)表示副边y11绕组C相的谐波，F_cd(5,7次)表示副边d0绕组C相的谐波。因此，能够实现融冰整流5次、7次谐波自动抵消，保证SVG谐波补偿通过变压器进入电网以及补偿的快速性。

本实施例中，运行模式切换器3采用市售YXMS-20kV型运行模式切换器。

如图1所示，直流融冰单元4包括整流部件41、感应电压抑制器42和三相融冰线路切换器43，整流部件41的交流侧和运行模式切换器3的一个输入端相连，整流部件41的直流侧依次通过感应电压抑制器42和三相融冰线路切换器43相连，且通过三相融冰线路切换器43的输出端提供融冰输出电压。本实施例中，整流部件41采用二极管不控整流的ZLQ-20kV型12脉波二极管整流器，由两个三相整流全桥组成，可实现12脉波直流电压输出；感应电压抑制器42采用自主研制的DYYZ-20kV型感应电压抑制器；三相融冰线路切换器43采用市售RBQH-20kV型融冰线路切换器。

如图1所示，动态无功补偿单元5包括SVG型动态无功补偿器51和电容器组及电抗器组52，SVG型动态无功补偿器51和运行模式切换器3的另一个输入端相连，且SVG型动态无功补偿器51的二次输入端分别与电容器组及电抗器组52的二次输出端、变电站的测控系统(本实施例中具体为变电站现有的CKXT-12型测控装置)以及变电站的调度AVC系统(本实施例中具体为变电站现有的AVC-8型系统)相连，电容器组及电抗器组52的一次输入端和变电站的交流母线相连。本实施例中，SVG型动态无功补偿器51采用DTWGBC-20kV型动态无功补偿器，电容器组及电抗器组52为变电站已有的电容器与电抗器组。

如图1所示，SVG型动态无功补偿器51还连接有热损耗余热利用单元6，热损耗余热利用单元6可有效解决SVG型动态无功补偿器51发热量大、自身热损耗大、须采用水冷，运行成本高等问题，实现大电流功率器件高效散热，同时实现自身热损耗回收利用。

如图4所示，SVG型动态无功补偿器51装设在封闭空间510的功率柜511内，功率柜511的顶部设有相互连接的风机512和风道出口513，采用封闭空间510的室内空气封闭循环，再与室外换热的新型密封式风冷方式来避免灰尘进入室内，确保SVG型动态无功补偿器51工作环境的稳定和可靠。

如图4所示，热损耗余热利用单元6包括散热器61和热泵机组62，热泵机组62包括蒸发器621、冷凝器622和压缩泵623，散热器61包括相互独立的风通道和第一水通道，蒸发器621包括相互独立的第二水通道和第一介质通道，冷凝器622包括相互独立的第二介质通道和余热利用通道，散热器61的第一水通道入口端和风道出口513连通、出口端和封闭空间510连通，第一水通道、第二水通道之间通过循环泵循环流通，第一介质通道、第二介质通道之间通过压缩泵623循环流通，余热利用通道包括热水制热通道，热水制热通道一端设有冷水进水管624(接自来水)、另一端设有热水出水管625，可输出55℃左右的热水。通过上述结构，能够实现对SVG型动态无功补偿器51的风冷冷却，并将SVG型动态无功补偿器51室内空气中的热量转化成可以利用的55℃左右热水输出，实现SVG型动态无功补偿器51自身热损耗的节能环保回收与利用，而且利用热泵机组来使室内冷风温度可远低于环境温度，从而保证冷却系统在夏季高温天气下仍能可靠运行。本实施例中，散热器61采用RBLQ-60型散热器，基于复合超导平板热管的功率器件高效散热技术，来降低功率模块发热密度，同时对风道进行优化设计等，从而提高热损耗余热利用单元6的热交换效率。热泵机组62采用市售RLJH-22型冷凝器62。本实施例采用基于复合超导平板热管的功率器件高效散热技术，来降低功率模块发热密度，同时对风道进行优化设计等，从而提高热损耗余热利用单元6的热交换效率。

本实施例中，余热利用通道还包括空气散热通道，当热水无处消纳的时候，能够直接利用空气来对介质进行冷却，从而提高热泵机组62的可用性。

由于本实施例SVG型动态无功补偿器51的二次输入端分别与电容器组及电抗器组52的二次输出端、变电站的测控系统(本实施例中具体为变电站现有的CKXT-12型测控装置)以及变电站的调度AVC系统(本实施例中具体为变电站现有的AVC-8型系统)相连，因此可以结合现有变电站的测控系统和调度AVC系统实现区域电压协调控制。本实施例中综合考虑了电网需求，提出对本站动态电压、稳态电压、邻站电压及无功补偿等目标分配不同的调控优先级，在满足高优先级目标的同时尽量兼顾优先级较低的控制目标，从而实现多目标协调控制，如表1所示。

表1：控制目标及优先级表。

变电站的测控系统可向SVG型动态无功补偿器51提供变电站每条线路电压、电流、有功和无功等信息，实现邻站电压预测，根据节点电压和功率的计算方法如式(1)所示；

$U_s=\sqrt{{(U_0+\frac{PR+QX}{U_0})}^2+{\left(\frac{PX-QR}{U_0}\right)}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，，U_s为待预测的邻站电压，U₀为本站电压，取三相的平均值，R和X为本站与该站联络线上的阻抗，P和Q为本站与该站联络线上的有功和无功，P以流入本站为正，流出本站为负，Q以流入本站的感性为正，离开本站的感性为负。利用输电线路的潮流与阻抗参数，实时估算相邻变电站的母线电压；在邻站电压越限时通过控制装置输出无功，从而维持一定区域内的电压稳定。

如图5所示，在进行无功需求及分配的步骤包括：1、根据式(1)估算区域内各个相邻变电站的邻站电压；2、进行无功需求分析，首先判断本站暂态电压是否稳定，否则逐渐增加输出感性或容性无功Q*直到本站暂态电压稳定；再判断本站电压是否越限，否则逐渐增加输出感性或容性无功Q*直到本站稳态电压稳定，依次逐渐实现邻站电压协调控制、冲击性负荷动态补偿和动态无功容量主动存储；3、进行无功分配，在感性或容性无功Q*输出时，先用SVG型动态无功补偿器51自身容量实现一定容量的无功补偿，在SVG型动态无功补偿器51容量不能满足实际无功需求时，利用SVG型动态无功补偿器51控制变电站内电容器组及电抗器组52中的电容器或电抗器实现无功补偿，直至满足本站及邻站无功调节需求。

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