CN102638032A - 基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置，该装置连接在电网中性点与大地之间，其特征在于，所述的装置包括由双向开关组成的单相矩阵变换器、电抗器和控制器，所述的单相矩阵变换器的输入端与电网中性点连接，输出端与电抗器连接，所述的控制器与单相矩阵变换器连接；控制器发出触发信号控制单相矩阵变换器中双向开关的导通与关断，进而控制电抗器两端的电压和电流，改变消弧线圈装置的工作电流。与现有技术相比，本发明具有快速补偿接地点电流、响应时间短、低次谐波少等优点。

Description

基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置

技术领域

本发明涉及一种电网用消弧线圈装置，尤其是涉及一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置。

背景技术

在我国中压配电网中，单相接地故障占总故障的80％以上，因此对单相接地危害的治理非常重要。其主要治理手段之一是在电网中性点安装消弧线圈以补偿接地电流并利用接地选线装置快速查找接地支路并排除故障。消弧线圈是一种接在电网中性点与大地之间的装置，当电网发生单相接地故障时消弧线圈输出感性电流以抵消流过接地点的容性电流，从而熄灭电弧且抑制电弧重燃。目前使用较多的消弧线圈有调气隙式、调匝式、调容式、相控式等。

经对现有文献的检索发现，《电力系统谐振接地》(要焕年，曹梅月编著。北京：中国电力出版社)等文献指出：调气隙式要求精密的机械传动机构，并且响应时间长，振动和噪声比较大；调匝式需要有载开关调节线圈匝数，而且电感量不能连续调节；调容式因并联电容器容量的下降可能导致补偿电流不稳定；相控式由于会产生谐波，因而需要增加额外的滤波装置。

经过对现有专利的检索发现，中国专利文献号CN201805225U记载了一种基于IGBT控制的无级调节消弧线圈，该技术是“将高短路阻抗变压器的一次绕组作为工作绕组，二次绕组作为控制绕组，在二次绕组回路上串联绝缘栅双极型晶体管IGBT模块；在使用时将工作绕组接入电网系统中性点，二次绕组回路上串联绝缘栅双极型晶体管IGBT模块”，虽然无需安装滤波装置，但在斩波控制时二次绕组需要增加换流回路。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能补偿接地点电流、熄灭电弧及抑制电弧重燃，而且电感量连续可调，响应时间短的基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置，该装置连接在电网中性点与大地之间，其特征在于，所述的装置包括由双向开关组成的单相矩阵变换器、电抗器和控制器，所述的单相矩阵变换器的输入端与电网中性点连接，输出端与电抗器连接，所述的控制器与单相矩阵变换器连接；

控制器发出触发信号控制单相矩阵变换器中双向开关的导通与关断，进而控制电抗器两端的电压和电流，改变消弧线圈装置的工作电流。

所述的单相矩阵变换器包括四个双向开关。

所述的双向开关由2个绝缘栅双极型晶体管IGBT模块以共集电极的方式反向串联而成。

所述的IGBT模块由一个IGBT分立器件和一个二极管并联而成。

所述的单相矩阵变换器上设有与大地连接的接地端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)该装置采用单相矩阵变换器，利用全控型器件(IGBT)控制电抗器，响应时间短，调节范围宽；

(2)由于双向开关的开关频率高，消弧线圈装置的工作电流中含有极少低次谐波。因而不需要增加额外的滤波装置。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为组成单相矩阵变换器的双向开关的结构示意图；

图3为当电网发生单相接地故障时本发明的实施例示意图；

图4为组成单相矩阵变换器的双向开关的一种控制信号示意图。

图中，R和L分别表示电抗器的等效电阻和电感；S1，S2，S3及S4表示双向开关；S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b、S4a及S4b分别表示单向开关；A表示单相矩阵变换器的输入端，GND表示单相矩阵变换器的接地端；T表示电力变压器，i_w为单相矩阵变换器的输入电流，i_o、u_o分别为单相矩阵变换器的输出电流和输出电压；G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a及G4b分别表示单相开关S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b、S4a及S4b的触发信号；载波u_c是幅值为U_cm、频率为f_c的三角波，参考信号u_r是频率f_r＝50Hz、幅值为U_rm的方波。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置，该装置连接在电网中性点与地之间，该装置包括由双向开关(S1，S2，S3及S4)组成的单相矩阵变换器、电抗器和控制器。单相矩阵变换器的输入端A与电力变压器T中性点连接，输出端与电抗器连接，控制器与单相矩阵变换器连接，单相矩阵变换器的接地端GND与地连接。电抗器以等效电阻R和电感L表示。具体应用时可根据消弧线圈的容量不同，选择合适的电抗器和双向开关。

如图2所示，一般的IGBT模块由一个IGBT分立器件和一个二极管并联而成，本发明采用的双向开关由2个IGBT模块以共集电极的方式反向串联而成。因此可以认为双向开关S1由2个单向开关S1a和S1b组成。

如图3所示，如果电网的电力变压器T低压侧是Y连接，那么电网的中性点就是电力变压器T的中性点；如果电力变压器T低压侧是Δ连接，即电网没有中性点，那么需要通过接地变压器人工构造出中性点。在本实施例中，单相矩阵变换器的输入端A与电力变压器T的中性点相连。如果该电力变压器的低压侧是Δ连接，那么可以通过接地变压器人为构造中性点。单相矩阵变换器的接地端GND与大地连接。电网正常运行时，双向开关处于关断状态，消弧线圈不工作，其工作电流为零。当某条馈线发生单相接地故障时，电网的中性点存在较大电压，即输入端A处存在电压。当输出电流i_o大于零时，单向开关S1b和S4b开通，流过输入端A的电流通过单向开关S1b、电抗器及单向开关S4b形成通路。

对单向开关S4b施加图4所示的控制信号，当单向开关S4b关断时，可以通过单向开关S2a提供续流通路以保护电力电子器件。当输出电流i_o小于零时，单向开关S1a和S4a开通，流过输入端A的电流通过单向开关S1a、电抗器及单向开关S4a形成通路。同样对单向开关S1a施加控制信号，当S1a关断时，通过单向开关S3b提供续流通路。通过对输入输出波形进行傅里叶分析，消弧线圈工作电流i_w满足式(1)。

$i_w=[M+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{2\sin \mathrm{nM\π}}{\mathrm{n\π}}\cos n{\mathrm{\ω}}_{c}t]\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{MU}}_m\sin (\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\χ}}_1)}{\left|Z_1\right|}+\\ \frac{\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{U_m\sin \mathrm{nM\π}}{\mathrm{n\π}}\sin (\mathrm{\ωt}\±n{\mathrm{\ω}}_{c}t-{\mathrm{\χ}}_n)}{\left|Z_n\right|}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其基频分量为

$i_{w1}=\frac{M^2{U}_m\sin (\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\χ}}_1)}{\left|Z_1\right|}---\left(2\right)$

式中，U_m是输入端A电压的峰值。调制系数

0≤M≤1。阻抗Z_n＝R+jnωL，

Z₁＝R+jωL是电抗器的阻抗。工作电流i_w的基频分量i_w1的有效值为

根据消弧线圈的补偿原理，为了达到最佳补偿，该电流I_w1等于电网总的电容电流I_C，即

因此

$M=\sqrt{\frac{I_C\sqrt{2}\left|Z_1\right|}{U_m}}---\left(3\right)$

因为电抗器的电阻远小于其感抗，即R□ωL，所以Z₁≈jωL。那么根据式(3)调制系数M可以近似表示为

$M=\sqrt{\frac{\sqrt{2}\mathrm{\ωL}{I}_C}{U_m}}---\left(4\right)$

因此可以根据以下步骤操作：

(1)根据故障前测定的电网电容电流I_C，根据式(3)或(4)选择控制器的控制信号的调制系数M。在该实施例中，假设电网电容电流为20A，电抗器的阻抗为180Ω，电网电压10kV，U_m为相电压峰值，等于8164V，那么计算可得M＝0.7896。

(2)根据调制系数M的大小，通过控制器可以生成单相矩阵变换器的各双向开关的触发信号，施加于各双向开关。

(3)测量消弧线圈工作电流，与事先测量的电网的电容电流比较，根据偏差调整工作电流大小。

Claims (5)

1.一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置，该装置连接在电网中性点与大地之间，其特征在于，所述的装置包括由双向开关组成的单相矩阵变换器、电抗器和控制器，所述的单相矩阵变换器的输入端与电网中性点连接，输出端与电抗器连接，所述的控制器与单相矩阵变换器连接；

控制器发出触发信号控制单相矩阵变换器中双向开关的导通与关断，进而控制电抗器两端的电压和电流，改变消弧线圈装置的工作电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置，其特征在于，所述的单相矩阵变换器包括四个双向开关。

3.根据权利要求2所述的一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置，其特征在于，所述的双向开关由2个绝缘栅双极型晶体管IGBT模块以共集电极的方式反向串联而成。

4.根据权利要求3所述的一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置，其特征在于，所述的IGBT模块由一个IGBT分立器件和一个二极管并联而成。

5.根据权利要求1所述的一种基于单相矩阵变换器的消弧线圈装置，其特征在于，所述的单相矩阵变换器上设有与大地连接的接地端。

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