CN102354942B - 带有源滤波功能的高压直流融冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有源滤波功能的高压直流融冰装置，它包括输入隔离功能模块、检测功能模块、电抗器功能模块、主控制功能模块、多电平变流器功能模块、输出开关控制功能模块；本发明解决了现有的直流融冰装置通用性不足，无法满足电力系统各种电压等级输电线路融冰问题；现有设备基于电压源两电平变流器结构设计，需无源滤波装置，随系统设计容量的增大，无源滤波器体积和成本也会增加，同时系统损耗增大等问题；现有直流融冰装置只具备融冰功能，线路无覆冰情况下，设备闲置利用率不高等问题。

Description

带有源滤波功能的高压直流融冰装置

技术领域

本发明涉及电力控制技术领域，尤其是高压直流融冰技术领域。

背景技术

气候原因造成输电线路覆冰成为电力系统的自然灾害之一，近年来多次发生，线路覆冰主要形成原因是冷暖空气的交汇，当冷暖空气的势力都比较强，且交汇的时间又比较长时，就可能形成较大的覆冰，造成线路故障。特别是2008年罕见的冰灾，造成许多地区出现杆塔倒塌、线路中断、变电站停运等情况，尤其令中国西南地区湖南，贵州等地损失巨大。我国融冰装置的研制也自2008年起出现高潮，随着电力电子技术的不断发展，基于IGBT等全控电力电子器件的变流器技术应用范围不断扩大，各种基于电力电子器件的融冰装置及设计方案也不断出现，但融冰装置针对电力系统使用，电压等级跨度较大，给设备的通用性设计带来困难，同时冰灾现象在全年中出现时段相对较短，融冰装置大部分时间处于闲置状态，造成设备浪费。经对现有技术文献的检索发现，Fan Ruixiang等人在2010年 International Conference on Electrical and Control Engineering (电气与控制工程国际会议), 上发表的A New Type of DC De-icing System for Transmission Lines （一种新型的输电线路直流融冰系统），设计并研制开发了一套固定式直流融冰装置，基于六组电压源变流器，采用六组桥并联，提高系统输出电流，输出功率大，可以用在较长线路，较高电压电网融冰装置使用。但该装置还存在以下缺点：1、该装置采用六组三相桥并联结构，输入端需要大容量变压器与电网连接，增加了设备体积和成本。2、由于设备基于电压源两电平变流器结构设计，需无源滤波装置，随系统设计容量的增大，无源滤波器体积和成本也会增加，同时系统损耗增大。3、该装置只具备融冰功能，设计中未考虑其他用途，因此在线路无覆冰情况下，设备闲置设备利用率不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种带有源滤波功能的高压直流融冰装置，以解决：

1.    现有的直流融冰装置通用性不足，无法满足电力系统各种电压等级输电线路融冰问题；

2.    现有设备基于电压源两电平变流器结构设计，需无源滤波装置，随系统设计容量的增大，无源滤波器体积和成本也会增加，同时系统损耗增大等问题。

3.    现有直流融冰装置只具备融冰功能，线路无覆冰情况下，设备闲置利用率不高等问题；

本发明技术方案：

一种带有源滤波功能的高压直流融冰装置，它包括：

输入隔离功能模块：用于连接交流母线电源，负责完成整个装置的上电过程，与检测功能模块导线连接；

检测功能模块，用于检测输入隔离功能模块的三相交流电压和电流，并将检测结果送至主控制功能模块，与主控制功能模块和电抗器功能模块导线连接；

电抗器功能模块，用于对输入电压进行输入滤波及直流电压泵升，与多电平变流器功能模块导线连接；

主控制功能模块，用于整个装置的信号采集、运算、控制、保护和通讯，与多电平变流器功能模块和检测功能模块导线连接；

多电平变流器功能模块，用于接收并运行主控制功能模块发出的控制信号，将电抗器功能模块输出的交流电压变为直流电压输出给输出开关控制功能模块，同时，将故障及检测信号送至主控制功能模块，与输出开关控制功能模块和主控制功能模块导线连接；

输出开关控制功能模块，对多电平变流器功能模块输出的直流电压进行通断控制，与覆冰线路负载导线连接。

主控制功能模块包括数字信号处理器和可编程逻辑器件，二者之间通过数据线连接。

多电平变流器功能模块包括主电路、检测电路、保护电路和驱动电路，主电路与检测电路通过导线连接，检测电路与保护电路通过导线连接，保护电路与驱动电路通过导线连接，驱动电路与主电路通过导线连接。

本发明有益效果：本发明设计了一种带有源滤波功能的高压直流融冰装置，其多电平变流器功能模块中的主电路采用模块化级联多电平结构，可随时根据电网电压等级随时扩展系统级联功率单元数或改变装置串联模块的数量，适应不同电压等级的线路，解决了现有的直流融冰装置通用性不足，无法满足电力系统各种电压等级输电线路融冰问题。

本发明与传统融冰装置相比了省去输入移相变压器及无源滤波器，多电平变流器功能模块主电路采用新型模块化级联多电平结构，该结构有公共直流侧，与传统桥级联多电平结构相比更适合于传输有功功率，同时由于采用多电平结构，装置等效开关频率高，输出波形质量好，输入输出端无需增加无源滤波器，系统损耗较小，解决了现有设备直流融冰装置基于电压源两电平变流器结构设计，需无源滤波装置，随系统设计容量的增大，无源滤波器体积和成本也会增加，同时系统损耗增大等问题。

本发明直流融冰装置，在闲置不需要用于线路除冰时，可以作为输电线路的有源电力滤波使用，以提高设备的利用率，操作方法为：首先断开输出开关控制功能模块的空气开关QF3,，然后闭合输入隔离功能模块的空气开关QF2，以便对多电平变流器功能模块的电容充电，待直流电压达到使用要求时，闭合输入隔离功能模块的空气开关QF1,然后断开QF2，同时主控制功能模块执行预先编制好的有源电力滤波器控制程序，通过检测电网电压，电流信号，由主控制功能模块的数字信号处理器(DSP)，分离出谐波信号，作为控制量，发送至可编程逻辑器件(FPGA)，最终产生触发脉冲，控制多电平变流器功能模块输出补偿电流，以达到有源电力滤波的目的，解决了现有直流融冰装置只具备融冰功能，线路无覆冰情况下，设备闲置利用率不高等问题。

附图说明：

图1是本发明功能模块框图；

图2是本发明硬件接线原理示意图；

图3 是本发明多电平变流器功能模块结构图；

图4是本发明多电平变流器功能模块拓扑结构图。

具体实施方式：

一种带有源滤波功能的高压直流融冰装置，具体实施方式如下：它包括下述功能模块（见图1）：

输入隔离功能模块：用于连接交流母线电源，它包括（详见图2）输入断路器QF2，充电电阻R及其旁路断路器QF1；输入断路器QF2输入端连接交流母线电网输出端充电电阻连接，旁路断路器QF1与QF2及充电电阻R并联连接。两个断路器额定电流选择2000 A，合闸顺序为输入断路器先闭合，待系统直流电压达到1.35倍输入交流线电压有效值时，闭合旁路断路器QF1，切除充电电阻R，完成整个装置的上电过程。

检测功能模块，用于检测输入隔离功能模块的三相交流电压和电流，并将检测结果送至主控制功能模块，与主控制功能模块和电抗器功能模块通过导线连接传输信号，它包括（见图2）三相交流电压传感器和交流电流传感器，其中电压传感器PT采用柱式结构，并联在输入隔离功能模块中输入断路器QF2与地线PE之间，以便检测输入侧电网电压，额定量程0-35kV。交流电流传感器CT串联在电抗器功能模块和输入隔离功能模块之间，检测输入/输出电流,额定量程0-1200 A，检测到的电压信号及电流信号送至主控制功能模块。

电抗器功能模块，用于对输入电压进行输入滤波及直流电压泵升，与多电平变流器功能模块导线连接，包括三相电抗器L（见图2），串联在输入隔离功能模块与多电平变流器功能模块之间，电抗器的作用是输入滤波及直流电压泵升，额定电流1500 A。

主控制功能模块，与多电平变流器功能模块和检测功能模块导线连接；其采用数字信号处理器(DSP)和可编程逻辑器件(FPGA)作为核心二者之间通过数据线连接。集成信号采集，运算，保护，通讯功能，实现整个装置数字化控制，其中FPGA接收各单元内传感器及检测电路传来的各单元电压及各种故障信息，综合处理后发给DSP芯片，同时接收DSP发出的控制信号将其转化为多电平变流器功能模块中各桥臂内功率单元的触发脉冲发送至各功率单元内驱动电路。同时DSP芯片接收直流融冰装置主回路电压传感器、电流传感器信号，进行运算输出具体控制信号。

多电平变流器功能模块，用于接收并运行主控制功能模块发出的控制信号，将电抗器功能模块输出的交流电压变为直流电压输出给输出开关控制功能模块，同时，将故障及检测信号送至主控制功能模块，与输出开关控制功能模块和主控制功能模块导线连接，多电平变流器功能模块，包括（见图3）主电路1，以及桥臂内各功率单元的检测电路2，保护电路3、驱动电路4。其中主电路1采用半桥结构功率单元构成，半桥结构功率单元由大功率带反并联二极管的IGBT1和IGBT2构成，IGBT1和IGBT2以半桥形式连接，半桥中点及下桥臂IGBT2发射极为输出，与其他半桥结构功率单元串联连接。直流电容C与IGBT1和IGBT2并联，驱动电路4与主电路1的IGBT1和IGBT12门极相连，放大触发脉冲驱动各IGBT开关动作，保护电路3与驱动电路4及检测电路2相连，检测电路2检测电容电压、IGBT电流及温度信号，一旦出现过压、欠压、短路、过流、超温故障，将故障信号发送回主控制功能模块处理，并触发相应的硬件保护电路动作，以避免半桥结构功率单元烧毁。在图4中，整个多电平变流器功能模块的主电路以三相桥式结构连接，每个桥臂由n个上述功率单元（子模块）串联而成，各相上下桥臂间串联环流抑制电抗器L1-L6。三相桥臂中点U,V,W为多电平变流器模块交流输入，与电抗器功能模块相连，上三组桥臂公共点与下三组桥臂公共点构成变流器模块直流输出点P,N，与输出开关控制功能模块相连。多电平变流器功能模块各功率单元安装在散热器上，采用强制风冷方式冷却。

输出开关控制功能模块，对多电平变流器功能模块输出的直流电压进行通断控制，其中任意两相输入端并联，连接于多电平变流器功能模块直流侧正极性输出端，另一相输入端与多电平变流器功能模块负极性输出端相连。使覆冰线路作为多电平变流器功能模块的直流负载，多电平变流器功能模块输出电流使线路发热，达到融冰目的，通过导线与覆冰线路负载连接。进行电流传递。

本实施例的工作过程：如图2所示，本发明直流融冰装置在进行融冰作业时，首先闭合QF2,待多电平变流器功能模块直流侧电压达到要求时（一般可设置为1.35倍输入交流线电压有效值），闭合QF1,然后断开QF2，同时主控制功能模块执行预先设置的PWM整流控制程序，输出触发脉冲，控制多电平变流器功能模块的直流侧电压，并跟踪给定，待直流电压稳定后，闭合输出开关控制功能模块的空气开关QF3，开始对覆冰线路进行融冰。融冰结束后，依次断开QF1，QF3即可。

若该装置作为有源电力滤波使用时，如图2所示，首先断开QF3，然后闭合QF2，对多电平变流器功能模块电容充电，待直流电压达到要求时，闭合QF1,然后断开QF2，同时主控制功能模块执行有源电力滤波器控制程序，通过检测功能模块检测电网电压，电流信号，经主控制功能模块的DSP，分离出谐波信号，作为控制量，发送至FPGA，最终产生触发脉冲，控制多电平变流器功能模块输出补偿电流。

本发明的优点：

1.   本发明能够实现各电压等级输电线路的融冰工作，与传统晶闸管融冰装置相比可省去输入移相变压器，减小设备体积，增强设备机动性能。

2.   采用新型模块化级联多电平结构，该结构有公共直流侧，与传统H桥级联多电平结构相比更适合于传输有功功率，同时由于采用多电平结构，系统等效开关频率高，输出波形质量好，输入端无需增加无源滤波器，系统损耗较小，提高效率。

3.   所设计装置同时具备有源滤波功能，在线路无覆冰时可对输电线路谐波进行补偿，提高电能质量，同时也提高设备利用率。

4.   采用数字化控制技术，以高性能DSP芯片作为处理核心，FPGA作为扩展，使装置具有完善的保护，控制，通讯功能。控制精度和集成化程度均较高。 

Claims (2)

1.一种带有源滤波功能的高压直流融冰装置，它包括：

输入隔离功能模块：用于连接交流母线电源，负责完成整个装置的上电过程，与检测功能模块导线连接；

检测功能模块，用于检测输入隔离功能模块的三相交流电压和电流，并将检测结果送至主控制功能模块，与主控制功能模块和电抗器功能模块导线连接；

电抗器功能模块，用于对输入电压进行输入滤波及直流电压泵升，与多电平变流器功能模块导线连接；

主控制功能模块，用于整个装置的信号采集、运算、控制、保护和通讯，与多电平变流器功能模块和检测功能模块导线连接；

多电平变流器功能模块，用于接收并运行主控制功能模块发出的控制信号，将电抗器功能模块输出的交流电压变为直流电压输出给输出开关控制功能模块，同时，将故障及检测信号送至主控制功能模块，与输出开关控制功能模块和主控制功能模块导线连接；

输出开关控制功能模块，对多电平变流器功能模块输出的直流电压进行通断控制，与覆冰线路负载导线连接；

多电平变流器功能模块包括主电路（1）、检测电路（2）、保护电路（3）和驱动电路（4），主电路（1）与检测电路（2）通过导线连接，检测电路（2）与保护电路（3）通过导线连接，保护电路（3）与驱动电路（4）通过导线连接，驱动电路（4）与主电路（1）通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种带有源滤波功能的高压直流融冰装置，其特征在于：主控制功能模块包括数字信号处理器和可编程逻辑器件，之间通过数据线连接。