CN103515929A

CN103515929A - 直流电流平衡装置

Info

Publication number: CN103515929A
Application number: CN201310436024.7A
Authority: CN
Inventors: 王晓毛; 梅桂华
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-01-15

Abstract

一种直流电流平衡装置，包括：控制器、直流电源单元、直流换相器、第一开关、设于变压器中性线上的第一传感器；所述控制器分别与所述第一传感器、直流换相器、第一开关和直流电源单元连接，所述直流电源单元通过第一开关与交流电源连接，所述直流电源单元与所述直流换相器连接，所述直流换相器与所述变压器中性线连接，所述直流换相器与所述变压器中性线的连接端位于第一传感器和中性线的接地端之间；所述控制器根据第一传感器检测的电流的大小和方向计算所述电流与预设电流的差值，根据差值控制第一开关的开与关，控制直流电源单元输出电流大小为所述差值的电流，控制直流换相器输出电流的方向。本发明抑制直流偏磁的同时，提高了响应速度。

Description

直流电流平衡装置

技术领域

本发明涉及输电技术领域，特别是涉及一种直流电流平衡装置。

背景技术

由于高压直流输电具有大容量、远距离的输电优点，高压直流输电技术得到了广泛应用。但是在直流输电系统实际运行当中，直流系统单极大地或双极不对称运行方式导致直流电流通过接地极流入大地，在附近土壤产生直流电场，形成地中直流。这些电流会通过附近变压器中性接地点流入变压器绕组，引起变压器直流偏磁。直流偏磁现象产生，将会造成变压器噪声增加、铁心过热等一系列危害，对电网安全稳定运行极为不利。

为了避免接地变压器由于中性点流入直流电流导致的直流偏磁问题，传统技术是在变压器中性点加装一台直流发生装置，装置输出的电流经过变压器接地极和补偿接地极形成回路，对变压器中性点直流进行补偿；并且在中性点安装检测和控制装置，根据中性点直流的监测值对直流发生装置的输出进行调节，以达到抑制中性点直流的目的。

然而，因其直流发生装置内运用了电动机械式的调压器，使用可控硅整流装置作为注入电源，由于机械式调节的响应速度较慢，所以在响应速度方面会受到限制，另外，装置的体积较大、较重，功率密度低，冗余和可靠性也较低。

发明内容

基于此，有必要针对变压器中性点直流进行补偿时响应速度慢的问题，提供一种直流电流平衡装置。

一种直流电流平衡装置，包括：控制器、直流电源单元、直流换相器、第一开关、设于变压器中性线上的第一传感器；

所述控制器分别与所述第一传感器、直流换相器、第一开关和直流电源单元连接，所述直流电源单元通过第一开关与交流电源连接，所述直流电源单元与所述直流换相器连接，所述直流换相器与所述变压器中性线连接，所述直流换相器与所述变压器中性线的连接端位于第一传感器和中性线的接地端之间；

所述控制器根据第一传感器检测的电流的大小和方向计算所述电流与预设电流的差值，根据差值控制第一开关的开与关，控制直流电源单元输出电流大小为所述差值的电流，控制直流换相器输出电流的方向。

上述直流电流平衡装置，通过第一传感器采集变压器中性线的电流，控制器根据电流计算差值，根据差值控制第一开关的开与关，并自动调节直流电源单元输出电流，跟踪变压器中性线直流电流差值，维持变压器中性线电流小于预设电流，抑制直流偏磁的同时，提高了响应速度。

附图说明

图1为本发明直流电流平衡装置实施例一的结构示意图；

图2为本发明直流电流平衡装置实施例二的结构示意图。

具体实施方式

以下针对本发明直流电流平衡装置的各实施例进行详细的描述。

实施例一

如图1所示，为本发明直流电流平衡装置实施例一的结构示意图，包括：控制器110、直流电源单元120、直流换相器130、第一开关140、设于变压器中性线上的第一传感器150，即第一传感器贯穿与中性线上。

控制器110分别与第一传感器150、直流换相器130、第一开关140和直流电源单元120连接，直流电源单元120通过第一开关140与交流电源连接，直流电源单元120与直流换相器130连接，直流换相器130与变压器中性线连接，直流换相器130与变压器中性线的连接端位于第一传感器150和中性线的接地端之间。

控制器根据第一传感器检测的电流的大小和方向计算电流与预设电流的差值，根据差值控制第一开关的开与关，控制直流电源单元输出电流大小为差值的电流，控制直流换相器输出电流的方向。

其中，控制器实时检测流入变压器中性线的直流电流，一旦超出预设电流时，计算电流与预设电流差值，根据差值控制第一开关的开与关。比如，当差值大于零时，打开第一开关，此时交流电与直流电源单元接通。控制器将差值转换为脉宽可调信号，从而控制直流电源单元输出相应的电流。控制器同时根据电流方向控制直流换相器输出电流的方向，以补偿变压器中性线的直流电流。如图1所示，当第一传感器检测到中性线电流方向为正时，直流换相器则输出负电流。本实施例抑制直流偏磁的同时，提高了响应速度。同时，装置体积小、无调压器，重量轻，功率密度高。

在其中一个实施例中，控制器包括可编程逻辑控制器（即PLC控制器）和电源控制器。

可编程逻辑控制器分别与第一开关、电源控制器和第一传感器连接，电源监控器分别与直流电源单元和直流换相器连接。

可编程逻辑控制器根据第一传感器检测的电流大小与预设电流相减获得差值，将差值进行比例积分计算，并将计算结果发送至电源监控器，根据差值控制第一开关的开与关，根据第一传感器检测的电流方向控制直流换相器输出电流的方向；

电源监控器根据计算结果输出脉宽可调的信号，控制直流电源单元输出电流大小为计算结果的电流。

本实施例中，通过检测变压器中性线上的直流电流的方向和大小的数据I_n，通过PLC控制器与预设电流I_DCREF相减，如果I_n超过电流定值I_DCREF，一方面PLC控制器控制第一开关闭合，交流电流入直流电源单元，另一方面相减后的差值经过比例积分（PI）环节计算，PLC控制器输出相对应的数值，通过通讯发送到电源监控器，电源监控器输出脉宽可调的信号控制直流电源单元和直流换相器，对直流电源单元的输出电流大小实时进行调节，对直流换相器输出的电流方向实施进行调节，输出直流补偿电流I_j，将变压器中性线直流电流I_n减小到预设的范围内，减小流过变压器中性线上的直流电流，消除变压器直流偏磁的影响。本实施例通过比例积分闭环控制，自动跟踪补偿精度高，不会造成中性点直流过度补偿。当然，控制器还可以为能实现上述功能的单片机或其他嵌入式控制器。

在其中一个实施例中，直流电源单元为高频开关直流电源。采用高频开关直流电源可以提高响应速度。当然，在其他实施例中，直流电源单元还可以为可控硅整流直流电源。

在其中一个实施例中，高频开关直流电源个数为两个或两个以上，各高频开关直流电源并联连接。本实施例中，根据实际需要补偿电流的大小选择高频开关直流电源的个数。比如，需要输出180A的直流电流，可以选择8个30A/500V的高频开关直流电源并联运行，可提供从0A到240A连续调节的直流电流。有2个为冗余，在所有高频开关直流电源都正常时，每个高频开关直流电源输出相同的电流，以保证相同的运行条件和使用寿命。如果某一高频开关直流电源出现故障而退出运行，其余高频开关直流电源均担该高频开关直流电源的输出电流，提高了装置的可靠性。另外，高频开关直流电源支持热插拔，在单个高频开关直流电源损坏时，可以不影响系统运行时进行更换，提高了装置的可靠性。

在其中一个实施例中，还包括第二开关，第二开关与控制器连接，所述直流换相器通过第二开关与变压器中性线连接；控制器根据差值控制第二开关的开与关。

本实施例的目的是通过控制器控制第二开关的关闭，实现需要补偿时才关闭第二开关，实现对中性线的补偿，而不需要补偿时，及时断开开关。当然，本实施例可以结合其他实施例组成新的实施例，举例说明，比如新增第二开关的同时，控制器也可以是上述实施例中的可编程逻辑控制器和电源控制器。又比如，比如新增第二开关的同时，直流电源单元可以为多个高频开关直流电源，并且采用并联连接方式和冗余设计方式等。

在其中一个实施例中，还包括第二传感器，第二传感器与控制器连接，直流换向器通过第二传感器与变压器中性线连接；

第二传感器检测直流换相器输出的电流的大小和方向，控制器根据第二传感器反馈的电流的大小和方向控制直流电源单元的输出电流。

本实施例中，第二传感器设在直流换相器与直流换相器同变压器中性线的连接端之间，目的是检测直流换相器输出电流的大小和方向，控制器从而可以比较差值与第二传感器检测值是否相同，构成闭环控制，提高了调节精确度。

当然，本实施例方案可以和其他实施例相结合构成新的实施例。比如，新增第二传感器的同时，控制器也可以是可编程逻辑控制器和电源控制器。此时，可编程逻辑控制器分别与第一开关、第一传感器、第二传感器、电源监控器连接。电源监控器分别与直流电源单元和直流换相器连接。可编程逻辑控制器根据第一传感器和第二传感器反馈的电流值，将控制指令发送至电源监控器，电源监控器控制直流电源单元输出相应补偿电流。其他组合类似，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，还包括限流电抗器，直流换相器通过限流电抗器与变压器中性线连接。目的是为了抑制中性点故障电流流入。

在其中一个实施例中，还包括与控制器连接的显示屏，显示屏显示直流电源单元输出电流大小和方向、直流电源单元损坏状态、第一传感器检测电流大小和方向、第一开关状态中的一种或多种。可以通过显示屏实时观测到电流走向，也可以观察到元器件是否损坏。

在其中一个实施例中，显示屏为触摸屏，触摸屏接收用于控制预设电流的控制指令。本实施例可以通过触摸屏是定预设电流。控制器根据控制指令更新预设电流，从而实现调节阈值，以适应实际需求。同时还可以设置与控制器连接的远程监控器，比如通过光纤通信，可以实现远程监控。通过光纤通讯在远方实现参数的设置和数据的记录，与就地工作模式形成互补。另外，还可以包括客户服务终端，客户服务终端可经局域网与变电站的远方监控机进行通信，该客户服务终端可远方查看现场装置的工作状态、实时监测数据、历史数据和记录。

实施例二

如图2所示，为本发明直流电流平衡装置实施例二的结构示意图，包括：触摸屏210、可编程逻辑控制器（PLC控制器）220、电源控制器230、第一开关240、高频开关直流电源250、直流换相器260、第二开关270、设于变压器中性线上的第一传感器280、第二传感器290。

可编程逻辑控制器分别与触摸屏、第一开关、电源监控器、第二开关、第一传感器、第二传感器连接。电源监控器分别与高频开关直流电源、直流换相器连接。高频开关直流电源通过第一开关与交流电源连接，高频开关直流电源与直流换相器连接，并且各高频开关直流电源并联连接。直流换相器与第二开关、第二传感器依次连接。第二传感器与变压器中性线连接，第二传感器与变压器中性线的连接端位于第一传感器和中性线的接地端之间。

第一传感器实时监测变压器中性线上的直流电流I_n（包括大小和方向），PLC控制器根据I_n，与给定的电流I_DCREF相减，如果I_n超过电流定值I_DCREF，一方面PLC控制器控制第一开关K_ac和第二开关K_dc闭合，交流电流入高频开关直流电源，另一方面将相减后的差值经过比例积分（PI）环节计算，PLC控制器输出相对应的数值，通过通讯发送到电源监控器，通过电源监控器控制高频开关直流电源输出电流的方向及大小，达到闭环控制。同时，PLC控制器还根据第二传感器反馈的电流，实时监控输出电流是否比例积分后的结果相符，实现反馈调节，提高调节精度。各高频开关直流电源并联连接，根据实际需要补偿电流的大小选择高频开关直流电源的个数，可提供从0A到NA连续调节的直流电流。由于可以设置高频开关直流电源的个数，所以可以实现冗余设计，以便在其中电源损坏时，冗余的电源替补上，仍能正常工作，提高可靠性。同时，由于高频开关直流电源支持热插拔，可以随时更换。因此，即使有元件损坏，只要更换该元件即可，无需整个系统更换。本实施例中的触摸屏可以接收用于控制预设电流的控制指令，从而实现预设电流的更新。还可以通过触摸屏显示高频开关直流电源输出电流大小和方向、高频开关直流电源损坏状态、第一传感器检测电流大小和方向、第二传感器检测电流大小和方向、第一开关状态、第二开关状态中的一种或多种。触摸屏还可以通过光纤的方式与PLC连接，实现远程控制。还可以包括限流电抗器LR，第二传感器通过限流电抗器与变压器中性线连接。实现抑制中性线故障电流流入。

因此，本实施例通过比例积分(PI)闭环控制，自动跟踪补偿精度高，经测试不会造成中性点直流过补偿。采用高频开关直流电源模块，响应速度快。装置体积小、无调压器，重量轻，功率密度高。有冗余，热插拔更换，可靠性高。通过光纤通讯在远方实现参数的设置和数据的记录，与就地工作模式形成互补。自动和手动控制相结合，最大限度保证了装置的可靠性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种直流电流平衡装置，其特征在于，包括：控制器、直流电源单元、直流换相器、第一开关、设于变压器中性线上的第一传感器；

2.根据权利要求1所述的直流电流平衡装置，其特征在于，所述控制器包括可编程逻辑控制器和电源控制器；

所述可编程逻辑控制器分别与第一开关、电源控制器和第一传感器连接，所述电源监控器分别与直流电源单元和直流换相器连接；

所述可编程逻辑控制器根据第一传感器检测的电流大小与预设电流相减获得差值，将差值进行比例积分计算，并将计算结果发送至电源监控器，根据差值控制第一开关的开与关，根据第一传感器检测的电流方向控制直流换相器输出电流的方向；

电源监控器根据所述计算结果输出脉宽可调的信号，控制直流电源单元输出电流大小为计算结果的电流。

3.根据权利要求1或2所述的直流电流平衡装置，其特征在于，所述直流电源单元为高频开关直流电源。

4.根据权利要求3所述的直流电流平衡装置，其特征在于，所述高频开关直流电源个数为两个或两个以上，各高频开关直流电源并联连接。

5.根据权利要求1或2所述的直流电流平衡装置，其特征在于，还包括第二开关，所述第二开关与所述控制器连接，所述直流换相器通过所述第二开关与所述变压器中性线连接；

所述控制器根据所述差值控制第二开关的开与关。

6.根据权利要求1或2所述的直流电流平衡装置，其特征在于，还包括第二传感器，所述第二传感器与所述控制器连接，所述直流换向器通过所述第二传感器与所述变压器中性线连接；

所述第二传感器检测直流换相器输出的电流的大小和方向，所述控制器根据第二传感器反馈的电流的大小和方向控制直流电源单元的输出电流。

7.根据权利要求1或2所述的直流电流平衡装置，其特征在于，还包括限流电抗器，所述直流换相器通过所述限流电抗器与所述变压器中性线连接。

8.根据权利要求1或2所述的直流电流平衡装置，其特征在于，还包括与所述控制器连接的显示屏，所述显示屏显示所述直流电源单元输出电流大小和方向、直流电源单元损坏状态、第一传感器检测电流大小和方向、第一开关状态中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的直流电流平衡装置，其特征在于，所述显示屏为触摸屏，所述触摸屏接收用于控制预设电流的控制指令。