CN100461593C - 一种可控串联补偿晶闸管的电子触发系统 - Google Patents
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Abstract
一种可控串联补偿晶闸管电子触发系统，应用于电力系统当中。本发明主要由电压电流混合取能及电源转换回路、电源监视回路、电压检测回路、逻辑回路、触发回路、后备触发回路、光接收回路及光发射回路构成。电压电流混合取能及电源转换回路从一次设备侧取得系统工作所需的电源；逻辑回路协调各部分的工作，对信号进行编码和解码，生成晶闸管的触发脉冲和晶闸管的状态信息；后备触发回路在晶闸管阀两端出现过高的电压时，自动触发晶闸管阀，避免晶闸管阀被过高的电压击穿。本发明工作在220kV或500kV及以上电压等级，工作可靠、稳定性高、抗干扰能力强，很好的解决了柔性交流输电技术在电力系统中应用的瓶颈问题。
Description
技术领域 本发明涉及一种大功率半导体元件，尤其是一种可控串联补偿晶闸管电子触发系统，应用于电网和电力系统当中。
背景技术 目前，随着大功率电力电子技术的成熟和电力系统发展的需要，越来越多的电力电子设备已经应用到电力系统中来。近年来，由于长距离、大容量输电线路运行安全性的需要和新建输电走廊的难度变大，柔性交流输电技术(FACTs，Flexible Alternate Current Transmissions)得到越来越多的应用。其中，目前应用最广、最成熟的技术是可控串联补偿技术(TCSC，ThyristorControlled Series Compensation)。晶闸管阀的电子触发系统(TETS)是可控串联补偿技术的核心技术，该技术的优劣直接决定了可控串联补偿技术的优劣。
可控串联补偿晶闸管阀一般都位于高电位，对地绝缘电压等级均在220kV或500kV，因此采用常规的控制方法已经不能满足要求。与传统控制对象相比，主要的技术难点如下：1)由于晶闸管阀电子触发系统位于高电位，与处于地面的系统不同，必须解决晶闸管阀电子触发系统的能源问题；2)晶闸管阀电子触发系统位于高电位侧，其所处电磁环境比较恶劣，一方面输电线路的大电流、高场强会对电子触发系统造成较大的电磁干扰，另一方面，晶闸管阀快速开关过程也会产生大量的强电磁干扰，因此必须解决晶闸管阀电子触发系统的抗干扰设计问题；3)晶闸管阀电子触发系统与地面设备间的通讯问题；4)晶闸管阀触发与实时检测的控制策略。这些技术难点决定了晶闸管阀电子触发系统的开发具有非常大的技术难度。
发明内容 为了解决上述技术问题，本发明的目的就是实现一种可控串联补偿晶闸管电子触发系统(TETS)，其应具备有如下功能：1)电压、电流高电位混合取能功能；2)晶闸管阀触发功能；3)晶闸管阀检测功能；4)信号的光电、电光转换功能；5)晶闸管阀后备触发功能；6)晶闸管阀电子触发系统电源监视功能。通过这些功能的有机结合，晶闸管阀电子触发系统可以很好的实现对晶闸管阀的触发和检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：可控串联补偿晶闸管阀电子触发系统(TETS)主要由电压电流混合取能及电源转换回路、电源监视回路、电压检测回路、逻辑回路、触发回路、后备触发回路、光接收回路及光发射回路八部分构成。
光接收回路将来自光纤的光信号转换为电信号，并将电信号输入逻辑回路；电压取能及电源转换回路从位于高电位的一次设备侧取得电源，输出多路电压至电源监视回路，并向光接收回路、光发射回路、逻辑回路和触发回路输出电压；电源监视回路将整个系统的电源状态信息输入逻辑回路；电压检测回路检测晶闸管两端的电压瞬时值，将检测信号输出至逻辑回路，为晶闸管的触发、状态监测和过压保护提供门槛电压；逻辑回路对控制命令进行编码和解码，根据触发命令生成晶闸管的触发脉冲和晶闸管的状态信息，并将触发脉冲经触发回路输出至晶闸管门极，还向光发射回路输出光发射信号；光发射回路与光接收回路之间通过光纤和光路装置相连接；后备触发回路监视晶闸管两端的电压，将触发脉冲输出至晶闸管门极。
其中，电压电流混合取能及电源转换回路、逻辑回路和后备触发回路是本发明的核心技术。电压电流混合取能及电源转换回路主要功能是从一次设备侧取得系统工作所需的电源；逻辑回路主要功能是协调各部分的工作，对信号进行编码和解码，生成晶闸管的触发脉冲和晶闸管的状态信息；后备触发回路主要功能是在晶闸管阀两端出现过高的电压时，自动触发晶闸管阀，避免晶闸管阀被过高的电压击穿。
可控串联补偿晶闸管阀电子触发系统(TETS)在国内、外尚未见到相同的技术。目前，在国内外市场上有多种晶闸管触发系统，但是它们与本发明的技术方案都有较大的差别，主要表现在以下几个方面，1)电压等级不同，本发明的技术方案主要用于220kV以上电压等级；2)取能方式不同，本发明的技术方案采用电压电流混合取能方式；3)抗干扰措施不同，本发明的技术方案采用了多项抗干扰措施。
由于采用了上述的技术方案，因此本发明的技术方案具备了下列有益效果：1、用光信号实现晶闸管阀的触发与检测；2、在高电位侧实现电压、电流混合取能，提高了系统的安全性和可靠性；3、采用了低功耗设计方法，尽量减少对混合取能回路的功率要求；4、该系统包含了晶闸管阀的后备触发功能，避免了晶闸管阀电压击穿性损坏；5、电路实现简单，抗干扰能力强；6、成本低、器件易于选取。
本发明的可控串联补偿晶闸管阀电子触发系统(TETS)工作在220kV或500kV的电压等级上，具有工作可靠、稳定性高、抗干扰能力强的优点。本发明很好的解决了柔性交流输电技术(FACTs，Flexible Alternate CurrentTransmissions)在电力系统中应用的瓶颈问题，具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明的可控串联补偿晶闸管阀电子触发系统的总体构造的电路方框图；
图2(a)是图1中的电压、电流混合取能及电源转换回路的电路原理图；
图2(b)是图1中的逻辑回路的电路原理图；
图2(c)是图1中的后备触发回路的电路原理图；
图2(d)是图1中的电压检测回路的电路原理图；
图2(e)是图1中的光接收回路的电路原理图；
图2(f)是图1中的电源监视回路的电路原理图；
图2(g)是图1中的触发回路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，具体描述本发明的一种实施方式的电路构造。
图1至图2(g)表示本发明的一种具体实施方式的具体电路图。
参见图1所示，表示可控串联补偿晶闸管阀电子触发系统(TETS)，其主要由电压电流混合取能及电源转换回路、电源监视回路、电压检测回路、逻辑回路、触发回路、后备触发回路、光接收回路及光发射回路八部分构成。
光接收回路将来自光纤的光信号转换为电信号，并将电信号输入逻辑回路；电压取能及电源转换回路从一次设备侧取得电源，输出+10V和+70V的电压至电源监视回路，并向光接收回路、光发射回路、逻辑回路和触发回路输出+10V电压；电源监视回路将整个系统的电源状态信息输入逻辑回路；电压检测回路检测晶闸管两端的电压瞬时值，将检测信号输出至逻辑回路，为晶闸管的触发、状态监测和过压保护提供门槛电压；逻辑回路对控制命令进行编码和解码，根据触发命令生成晶闸管的触发脉冲和晶闸管的状态信息，并将触发脉冲经触发回路输出至晶闸管门极，还向光发射回路输出光发射信号；光发射回路与光接收回路之间通过光纤和光路装置相连接；后备触发回路监视晶闸管两端的电压，将触发脉冲输出至晶闸管门极。
其中，电压电流混合取能及电源转换回路、逻辑回路和后备触发回路是本发明的核心技术。电压电流混合取能及电源转换回路主要功能是从位于高电位的一次设备侧取得系统工作所需的电源；逻辑回路主要功能是协调各部分的工作，对信号进行编码和解码，生成晶闸管的触发脉冲和晶闸管的状态信息；后备触发回路主要功能是在晶闸管阀两端出现过高的电压时，自动触发晶闸管阀，避免晶闸管阀被过高的电压击穿。
参见图2(a)所示，是电压、电流混合取能及电源转换回路的电路原理框图。
在该电压电流混合取能及电源转换回路中，晶闸管阳极和阴极的两端并联有第一取能电容C1和第二取能电容C2，第一取能电容C1和第二取能电容C2串联。第二取能电容C2与保护二极管D2和保护晶闸管Ta并联，保护晶闸管Ta的门极接有第一电阻R1和第一稳压管DZ。这样第二取能电容C2两端的电压就输入电压电流混合取能协调回路。另一方面，由取能CT所获取的电源经过桥式整流输入电流取能保护回路，再经并联的第三电容C5输入电压电流混合取能协调回路。电压电流混合取能协调回路再经过一个并联的第一电容C3，与滤波及抗干扰回路连接。串联的第二电阻R2和第二稳压管DZ1并联在滤波及抗干扰回路的输出端，第二电阻R2的两端经限流电阻R3与功率三极管T1的阳极和门极相连，第二稳压管DZ1的两端则与功率三极管T1的阴极和门极相连，功率三极管T1的阴极连接有第二电容C4。这样，在第二电容C4的两端就输出了+10V的电压。
该部分电路主要完成从一次电压、电流中窃取一定的能量，并转换为TETS所需的电压。为了能够获取足够的能量，要求晶闸管两端的一次电压有效值不低于80V，流过晶闸管的一次电流有效值不低于65A。
参见图2(b)所示，是图1中逻辑回路的电路原理框图。
在该逻辑回路中，来自光接收回路的信号经通用单稳触发器D(其具体型号可选用CD4538)，分别送入第一通用或非门OR1和第二通用或非门OR2(其具体型号可选用CD4001)，再分别送入中央处理单元和两个通用单稳触发器CD4538。第三通用或非门OR3(其具体型号可选用CD4001)分别接收来自中央处理单元和电源监测回路的信号，再送至触发回路。来自后备触发回路的信号送入中央处理单元。来自电压检测回路的信号分别送入第五通用与非门AND5(其具体型号可选用CD4023)，和中央处理单元，再分别与第一通用与非门AND1、第二通用与非门AND2、第三通用与非门AND3(其具体型号可选用CD4023)和通用非门NOT(其具体型号可选用CD40106)连接，最后经第四通用与非门AND4(其具体型号可选用CD4023)送至光发射回路。
该部分是可控串联补偿晶闸管阀电子触发系统(TETS)的核心，负责协调各部分的功能，对控制命令进行解码和对晶闸管监测信息进行编码。为了尽量减小TETS的功耗，该部分电路采用低功耗设计，主要包括选用低功耗芯片和中央处理器休眠功能设计等。
参见图2(c)所示，是图1中后备触发回路的电路原理框图。
晶闸管的两端的电压施加到与第一电阻R1串联的电压击穿元件上，再经第一稳压管Z1和第一二极管D2连接到晶闸管的门极。当晶闸管两端电压大于其动作值时，电压击穿元件导通，从而通过第一二极管D2和第一稳压管Z1去触发晶闸管。电压击穿元件经串联的第三电阻R3和第二二极管D3接入光发射回路，而且经并联的第二电阻R2和第一电容C1接地。第三电阻R3之后经并联的第二稳压管Z2和第二电容C2接地。
该部分电路的主要功能是监视晶闸管两端的电压，当电压值达到保护定值时，自动生成晶闸管触发脉冲，使晶闸管导通。主要用于保护晶闸管，防止晶闸管两端由于电压过高而损坏。
参见图2(d)所示，是图1中电压检测回路的电路原理框图。
该部分电路的一侧与晶闸管的两端电压并联，经第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和二极管D(其具体型号可选用4148)接入逻辑回路中的中央处理单元。另一个支路经第一电阻R1、第四电阻R4和两个串接的第一通用与非门U1和第二通用与非门U2(其具体型号可选用40106)接入逻辑回路。
该部分电路的主要功能是检测晶闸管两端的电压瞬时值，为晶闸管的触发、状态监测和过压保护提供门槛电压。
参见图2(e)所示，是图1中光接收回路的电路原理框图。
光接收器经光纤接收光信号，再经通用比较器U1(其具体型号可选用LM393)和转换电路，将由光信号转换而得的电信号送入逻辑回路中的中央处理单元。
该部分电路的主要功能是接收地面控制设备的光信号，并把该光信号转换为电信号。
参见图2(f)所示，是图1中电源监视回路的电路原理框图。
来自电压取能及电源转换回路的+70V和+10V电压经通用比较器(其具体型号可选用LM393)和包含稳压管D1的比较电路，与“参考电压”相比较，监视系统的电源状况。其中“参考电压”来自其他回路，代表整个系统闭锁或复位时系统电源的状况。
该部分电路的主要功能是监视整个系统的电源状态，当电源不能满足系统工作要求时，闭锁或复位相关功能，以免整个系统失控。
参见图2(g)所示，是图1中触发回路的电路原理框图。
在该电路中，+10V的电压分别经第一限流电阻R1和第二限流电阻R2，与PNP三极管Q2的集电极和第二NPN三极管Q3的集电极相连接；而PNP三极管Q2的基极则与第二NPN三极管Q3的集电极连接；第一NPN三极管Q1的集电极和基极则分别接在PNP三极管Q2的集电极和发射极上。这样，在第一NPN三极管Q1发射极经并联的稳压管稳压后，就可向晶闸管的门极输出触发脉冲。
该部分电路的主要功能是接收中央控制单元的触发命令，生成晶闸管导通需要的触发脉冲。
附图所表示的实施例仅是本发明的一个具体实施方式，并不是对本发明的限制。本领域的普通技术人员不脱离本发明的实质范围，还可做出各种改进和替代。
Claims (8)
1.一种可控串联补偿晶闸管电子触发系统，其特征在于：由电压电流混合取能及电源转换回路、电源监视回路、电压检测回路、逻辑回路、触发回路、后备触发回路、光接收回路及光发射回路八部分构成；
光接收回路将来自光纤的光信号转换为电信号，并将电信号输入逻辑回路；电压取能及电源转换回路从位于高电位的一次设备侧取得电源，输出多路电压至电源监视回路，并向光接收回路、光发射回路、逻辑回路和触发回路输出电压；电源监视回路将整个系统的电源状态信息输入逻辑回路；电压检测回路检测晶闸管两端的电压瞬时值，将检测信号输出至逻辑回路，为晶闸管的触发、状态监测和过压保护提供门槛电压；逻辑回路对控制命令进行编码和解码，根据触发命令生成晶闸管的触发脉冲和晶闸管的状态信息，并将触发脉冲经触发回路输出至晶闸管门极，还向光发射回路输出光发射信号；光发射回路与光接收回路之间通过光纤和光路装置相连接；后备触发回路监视晶闸管两端的电压，将触发脉冲输出至晶闸管门极。
2.根据权利要求1所述的可控串联补偿晶闸管电子触发系统，其特征在于：在该电压电流混合取能及电源转换回路中，晶闸管阳极和阴极的两端并联有第一取能电容(C1)和第二取能电容(C2)，第一取能电容(C1)和第二取能电容(C2)串联；第二取能电容(C2)与保护二极管(D2)和保护晶闸管(Ta)并联，保护晶闸管(Ta)的门极接有第一电阻(R1)和第一稳压管(DZ)；使第二取能电容(C2)两端的电压输入电压电流混合取能协调回路；另一方面，由取能CT所获取的电流经过桥式整流输入电流取能保护回路，再经并联的第三电容(C5)输入电压电流混合取能协调回路；电压电流混合取能协调回路再经过一个并联的第一电容(C3)，与滤波及抗干扰回路连接；串联的第二电阻(R2)和第二稳压管(DZ1)并联在滤波及抗干扰回路的输出端，第二电阻(R2)的两端经限流电阻(R3)与功率三极管(T1)的阳极和门极相连，第二稳压管(DZ1)的两端则与功率三极管(T1)的阴极和门极相连，功率三极管(T1)的阴极连接有第二电容(C4)；从而在第二电容(C4)的两端输出电压。
3.根据权利要求1所述的可控串联补偿晶闸管电子触发系统，其特征在于：在该逻辑回路中，来自光接收回路的信号经通用单稳触发器(D)，分别送入第一通用或非门(OR1)和第二通用或非门(OR2)，再分别送入中央处理单元和两个通用单稳触发器CD4538；第三通用或非门(OR3)分别接收来自中央处理单元和电源监测回路的信号，再送至触发回路；来自后备触发回路的信号送入中央处理单元；来自电压检测回路的信号分别送入第五通用与非门(AND5)和中央处理单元，再分别与第一通用与非门(AND1)、第二通用与非门(AND2)、第三通用与非门(AND3)和通用非门(NOT)连接，最后经第四通用与非门(AND4)送至光发射回路；该部分电路采用低功耗设计，选用低功耗芯片和中央处理器休眠功能设计。
4.根据权利要求1所述的可控串联补偿晶闸管电子触发系统，其特征在于：后备触发回路监视晶闸管两端的电压，当电压值达到保护定值时，自动生成晶闸管触发脉冲，使晶闸管导通；在该后备触发回路中，晶闸管的两端的电压施加到与第一电阻(R1)串联的电压击穿元件上，再经第一稳压管(Z1)和第一二极管(D2)连接到晶闸管的门极；当晶闸管两端电压大于其动作值时，电压击穿元件导通，从而通过第一二极管(D2)和第一稳压管(Z1)去触发晶闸管；电压击穿元件经串联的第三电阻(R3)和第二二极管(D3)接入光发射回路，而且经并联的第二电阻(R2)和第一电容(C1)接地；第三电阻(R3)之后经并联的第二稳压管(Z2)和第二电容(C2)接地。
5.根据权利要求1所述的可控串联补偿晶闸管电子触发系统，其特征在于：该电压检测回路的一侧与晶闸管的两端电压并联，经第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和二极管(D)接入逻辑回路中的中央处理单元，另一个支路经第一电阻(R1)、第四电阻(R4)和两个串接的第一通用与非门(U1)和第二通用与非门(U2)接入逻辑回路。
6.根据权利要求1所述的可控串联补偿晶闸管电子触发系统，其特征在于：光接收回路接收地面控制设备的光信号，并将该光信号转换为电信号；在该光接收回路中，光接收器经光纤接收光信号，再经通用比较器和转换电路，将由光信号转换而得的电信号送入逻辑回路中的中央处理单元。
7.根据权利要求1所述的可控串联补偿晶闸管电子触发系统，其特征在于：电源监视回路监视整个系统的电源状态，当电源不能满足系统工作要求时，闭锁或复位相关功能，以免整个系统失控；在该电源监视回路监视中，来自电压取能及电源转换回路的电压经通用比较器和包含稳压管(D1)的比较电路，与整个系统闭锁或复位时系统电源的状况相比较，监视系统的电源状况。
8.根据权利要求1所述的可控串联补偿晶闸管电子触发系统，其特征在于：在该触发回路中，所取得的电压分别经第一限流电阻(R1)和第二限流电阻(R2)，与PNP三极管(Q2)的集电极和第二NPN三极管(Q3)的集电极相连接；而PNP三极管(Q2)的基极则与第二NPN三极管(Q3)的集电极连接；第一NPN三极管(Q1)的集电极和基极则分别接在PNP三极管(Q2)的集电极和发射极上；这样，第一NPN三极管(Q1)的发射极经并联的稳压管稳压后，就可向晶闸管的门极输出触发脉冲。
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| Title |
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| 29kV高压晶闸管阀触发系统隔离技术和晶闸管过电压保护方法. 杨杰.机车电传动，第2000-2期. 2000 |
| 29kV高压晶闸管阀触发系统隔离技术和晶闸管过电压保护方法. 杨杰. 机车电传动，第2000-2期. 2000 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1688088A (zh) | 2005-10-26 |
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