CN105720818B - 一种高压直流输电二次设备控流充能装置及其充能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流输电二次设备控流充能装置及其充能方法，充能装置包括限流支路和储能支路，以及CPU控制器控制回路。控制思路为，基于马斯曲线，计算可接受充能电流，通过控制充能阻抗单元和直流电源输出，限制初期浪涌电流峰值，规避可接受充能电流，对被试品储能回路的关键节点电压电流的监视控制，配合调节充能阻抗单元，控制储能支路电流，进而控制充能效率，而储能回路中的可控硅模块则实现对单个储能支路瞬时反向回压的抑制，过流继电器用于整个回路对试品的后备保护。本发明实现对浪涌电流的约束控制，用可控阻抗单元实现限流，突破了可应用的二次设备的局限性，极大的方便了换流站二次设备备品备件的检修工作。

Description

一种高压直流输电二次设备控流充能装置及其充能方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流输电领域的装置及其方法，具体讲涉及一种高压直流输电二次设备控流充能装置及其充能方法。

背景技术

高压直流输电是未来电力系统多元化发展的一大趋势，基于可控电力电子元件和微处理器技术的快速发展，高压直流输电控制技术越发灵活，已经步入商业运行阶段。其中的二次设备扮演着极为重要的“神经控制网路”的角色，其中包括换流阀的阀控系统、换流站控制保护系统中的极控系统等核心控制系统。而几乎所有涉及二次系统中的电路板均要包含储能功能和滤波功能，而考虑到二次电路板抗干扰能力弱的工况条件，具有良好滤波功能的小型电解电容在高压直流输电二次系统中的应用越来越广泛，因此换流站二次设备就存在有含电解电容的电路板，例如钽电解电容等。应用在高压直流输电二次系统中的电解电容具有良好的滤波功能，但其自身存在耐流能力差的固有缺陷。而一旦电解电容过流，则会导致电解电容失效，进而造成二次电路板中各元件的储能失效，影响电路板的功能实现，从而导致直流系统的停运。目前，高压直流输电工程的备件年度检修工作中没有专门针对二次系统中含有电解电容电路板控能充流激活的方法，目前针对储能回路常规的检修方法只是采用极大的限流电阻，配合直流电源来实现各类型二次设备的充能激活，该方法并不能准确的预测可耐受冲击电流，必然存在导致二次电路板储能和滤波功能失效的风险，进而导致换流站运行检修的风险。因此，在换流站备品备件年度检修工作中，采用一种安全可靠的二次设备充能模块来实现对储能回路的测试是非常必要。

此外，目前的充能回路只是简单的通过极大的限流电阻来抑制浪涌尖峰电流，不能确保二次电设备中电解电容的失效的同时，又通过极大的限流电阻极大的抑制了充能电流，这对于检修时间有限的换流站，十分不灵活。目前，高压直流输电主用应用于远距离大容量输电，换流站承担的负荷巨大，不能长时间停电，因此尽可能的缩短二次设备备品备件的检修时间十分必要。

现有高压直流输电换流站的运维工作中，没有专门针对二次设备储能回路失效预防和检测的方法，而普通的充电回路往往通过大额定值电阻实现限制浪涌电流，对于浪涌电流和充能电流的可控性差，同时极大的限制了越过浪涌尖端的充能电流值，导致储能回路激活效率低下，非常不利于停电时间有限的换流站年度检修工作，此外限流单元采用电阻元件也造成了应用这种方式的试品的局限性。目前高压直流输电二次设备储能回路激活方法主要是采用大阻抗的定值电阻，充能曲线如图2，这种方法在一定程度上确保了安全性，但效率低下，充电时间长。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高压直流输电二次设备控流充能装置及其充能方法，本发明采用阻抗单元实现限流功能，从计算可接受充能电流和联控限流阻抗的思路出发，基于数字微处理器控制器监控技术，实现对浪涌电流的约束控制，同时联控充能电流，极大提高了回路的激活效率，确保二次设备储能不失效的同时缩短换流站二次设备备品备件年检时间，用可控阻抗单元实现限流，突破了可应用的二次设备的局限性，极大的方便了换流站二次设备备品备件的检修工作。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种高压直流输电二次设备控流充能装置，其改进之处在于，所述控流充能装置包括直流电源、充能阻抗单元、可控硅模块、过流继电器、充电开关、放电开关、CPU控制器和二次设备试品；所述直流电源与充电开关串联组成直流电源-充电开关支路；所述放电开关与放电电阻串联组成放电电阻-放电开关支路；所述充能阻抗单元连接在直流电源-充电开关支路和放电电阻-放电开关支路之间组成限流支路；所述可控硅模块、过流继电器和二次设备试品依次连接组成储能支路；所述直流电源-充电开关支路、放电电阻-放电开关支路和储能支路并联；所述CPU控制器分别与充能阻抗单元、直流电源和可控硅模块连接；所述过流继电器的注入电流I和入门电压U均输入到CPU控制器中；

所述控流充能装置能够同时为多路高压直流输电二次设备充能。

进一步地，所述可控硅模块由反并联的晶闸管组成；所述直流电源和充能阻抗单元均是可控的。

进一步地，所述控流充能装置的充能和放电均由CPU控制器控制。

进一步地，所述可控硅模块用于对单个储能支路瞬时反向回压抑制，过流继电器用于控流充能装置对试品的二次设备试品的后备保护。

本发明还提供一种高压直流输电二次设备控流充能装置的充能方法，其改进之处在于，所述方法包括：步骤①CPU控制器控制控能充流装置充能和步骤②CPU控制器控制控能充流装置放电。

进一步地，所述步骤①CPU控制器控制控能充流装置充能包括：

(1)根据二次设备储能回路的参数，所述CPU控制器计算初始可接受充电电流和充电电抗的初始电抗值；

(2)闭合充电开关；

(3)监控二次设备试品两端的电压和注入电流，若注入电流大于初始可接受电流的60％，CPU控制器自动将充能电抗升高一档；若注入电流小于初始可接受电流50％，CPU控制器自动将充能电抗降低一档，调低充能电抗，同时加大注入电流速度。

进一步地，所述步骤(1)中，初始可接受充电电流I_c用下式1)表示：

I_c＝I₀e^-αt 1)；

式中：I_c为初始可接受充电电流；I₀为可接受最大充电电流；α为充电电流的充电接受比，又称固有接受比，α＝I₀/C，C为额定容量；t为充电时间；

所述控能充流装置电气表示为：

U＝I_mZ₀+I_XR_X+U_x(I_x) 2)；

式中：U为直流电源电压；I_m为限流支路电流；Z₀为可调限流阻抗单元；I_X为第x路储能支路电流；R_X为x路保险丝电阻；U_x(I_x)为x路控能充流支路电流与二次设备试品两端电压函数线性关系；

限流支路电流和储能支路电流关系为：

I_m＝xI_x 3)；

式3)为线性关系，则整个控能充流装置的电流关系表示为：

I_m＝Y(Z₀) 4)；

即有：

其中：Y(Z₀)为整套控流充电装置回路对外的等效阻抗；Z₀为可调限流充能阻抗单元。

进一步地，所述步骤②CPU控制器控制控能充流装置放电包括下述步骤：

<1>CPU控制器时刻监控试品的注入电流，逐档增大充能阻抗单元，至充能电阻初始值；

<2>逐档降低直流电源电压，直至直流电源电压将为最低档；

<3>闭合放电开关，断开充电开关。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

通过本发明提供的充能装置，基本理念在于通过计算二次试品可接受充能电流，基于CPU控制器对可控充能电阻和可控直流电源的控制，实现对二次设备储能回路充能激活时，瞬时尖峰电流的限制和充能电流的可控性。其主要优势在于实现越过瞬时尖峰后，加大充能电流的可调节性。

本发明在对浪涌电流和注入电流安全可靠的控制下，实现充能效率的提高，充能曲线如图。此外，本发明为可拓展用于多路相同类型二次设备储能回路的同时激活。

传统高压直流输电二次设备储能回路激活方法的激活周期较长，采用本方法储能回路激活周期能缩短到三分之一的时间，明显缩短换流站备品备件年度检修时间。

本发明优点具体为：

1.从理论计算准确限制浪涌电流，作为高压支路输电二次设备储能回路的主保护；

2.每条注流支路均有过流继电器，作为对二次设备试品的后备保护；

3.可控硅模块限制瞬时反向过压，保护其他支路免受其他支路故障冲击；

4.储能回路充能和放电过程全部由CPU控制器全智能化控制，简化操作；

5.可以实时监测二次设备试品的门口电压和注入电流；

6.相同类型二次电路板可同时充电；

7.在保证储能回路不失效的前提下，极大降低二次设备控能充流回路激活时间。

附图说明

图1是本发明提供的高压直流输电二次设备控流充能装置结构图；

图2是本发明提供的注入电量速度对比图；

图3是本发明提供的充能流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明的整个结构分为两个支路和一个控制回路，两个支路分别是限流支路和储能支路，控制回路为CPU控制器控制回路。整体控制思路为，基于马斯曲线，计算可接受充能电流，通过控制充能阻抗单元和直流电源输出，限制初期浪涌电流峰值，规避可接受充能电流，对被试品储能回路的关键节点电压电流的监视控制，配合调节充能阻抗单元，控制储能支路电流，进而控制充能效率，而储能回路中的可控硅模块则实现对单个储能支路瞬时反向回压的抑制，过流继电器用于整个回路对试品的后备保护。

本发明的电气结构包括可控直流电源、可控充能阻抗单元、可控硅模块、过流继电器、开关、CPU控制器、二次设备试品，整体结构如图1。

所述直流电源与充电开关串联组成直流电源-充电开关支路；所述放电开关与放电电阻串联组成放电电阻-放电开关支路；所述充能阻抗单元连接在直流电源-充电开关支路和放电电阻-放电开关支路之间组成限流支路；所述可控硅模块、过流继电器和二次设备试品依次连接组成储能支路；所述直流电源-充电开关支路、放电电阻-放电开关支路和储能支路并联；所述CPU控制器分别与充能阻抗单元、直流电源和可控硅模块连接；所述过流继电器的注入电流I和入门电压U均输入到CPU控制器中。可控硅模块由反并联的晶闸管组成；所述直流电源和充能阻抗单元均是可控的。所述控流充能装置可同时为多路高压直流输电二次设备充能。

高压直流输电二次设备种类繁多，涉及阀控、极控等多个系统，所应用的电路板结构和元件配置也是各不相同，但二次设备的控能充流回路的原理和功能趋同，储能回路总体特性以核心元件电解电容为基础，本发明避开不同试品总体特性差异，针对试品储能回路，以马斯曲线为起点，基于各类试品中的储能回路参数特性，归算试品储能回路可接受充能电流，而限流回路通过阻抗模块代替电阻，实现限流并自动调节充能电流值，从而突破应用于有限试品的局限性。

本发明还提供一种高压直流输电二次设备控流充能装置的充能方法，所述方法包括：步骤①CPU控制器控制控能充流装置充能和步骤②CPU控制器控制控能充流装置放电。

其中：CPU控制器中的控能充流回路充能逻辑流程如图3，实际应用中，将二次设备控能充流回路中的等效电解电容的参数输入CPU控制器，CPU控制器计算出可接受充能电流，设定充能电抗初始值，在电路闭合开关后，限制浪涌电流，根据马斯曲线，在越过浪涌峰值后，调节充能电阻，控制充能电流，加速向储能回路注入电流，同时CPU控制器时刻监控试品的注入电流，采取档位调节的方式调节充能阻抗单元，控制注入储能回路的电流变化。充能主要针对二次设备中的储能回路，其回路中主要元件是固态电解电容配合电阻和电力电子元件，等效电解电容指的是储能回路等效于一个电解电容特征。

整体充能逻辑步骤如下：

(1)根据二次设备储能回路的参数，控制器计算初始可接受充能电流和充能电抗的初始电抗值。

初始可接受充电电流I_c用下式1)表示：

I_c＝I₀e^-αt 1)；

式中：I_c为初始可接受充电电流；I₀为可接受最大充电电流；α为充电电流的充电接受比，又称固有接受比，α＝I₀/C，C为额定容量；t为充电时间；

所述控能充流装置电气表示为：

U＝I_mZ₀+I_XR_X+U_x(I_x) 2)；

式中：U为直流电源电压；I_m为限流支路电流；Z₀为可调限流阻抗单元；I_X为x路储能支路电流；R_X为x路保险丝电阻；U_x(I_x)为x路控能充流支路电流与二次设备试品两端电压函数线性关系；

限流支路电流和储能支路电流关系为：

I_m＝xI_x 3)；

式3)为线性关系，则整个控能充流装置的电流关系表示为：

I_m＝Y(Z₀) 4)；

即有：

其中：Y(Z₀)为整套控流充电装置回路对外的等效阻抗；Z₀为可调限流充能阻抗单元

(2)闭合充电开关。

(3)监控二次设备试品两端的电压和注入电流，若注入电流大于初始可接受电流的60％，CPU控制器自动将充能电抗升高一档；若注入电流小于初始可接受电流50％，CPU控制器自动将充能电抗降低一档，调低充能电抗，同时加大注入电流速度。

CPU控制器中的二次设备试品控能充流回路的放电逻辑包括：控能充流回路放电阶段，由于储能回路中含有电解电容元件，CPU控制器需将充能阻抗单元设定为初始电抗值，同时逐档降低直流电源电压和充能阻抗，平缓地降低电路中电压变换率，当直流电源电压和充能阻抗降低到最低档时，闭合放电回路，完成控能充流回路放电过程。具体为：

<1>逐档增大充能电阻，至充能电阻初始值；

<2>逐档降低直流电源电压，直至直流电源电压将为最低档；

<3>闭合放电开关，断开充能开关。

本发明提供的一种高压直流输电二次设备控流充能装置通过组合可控硅模块实现遏制反向回压；基于马斯曲线归算可接受充能电流，即计算冲击峰值电流；控制控能充流回路电流的CPU控制器，基于对二次设备试品注入电流的监测，调节限流阻抗值，实现对注入电流的自动调节；通过提高越过浪涌尖峰电流的电流来提高注入储能回路的电流量，缩短充能激活时间；该装置可以同时激活多路同类储能回路，极大提高工作效率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高压直流输电二次设备控流充能装置的充能方法，其特征在于，所述高压直流输电二次设备控流充能装置包括直流电源、充能阻抗单元、可控硅模块、过流继电器、充电开关、放电开关、CPU控制器和二次设备试品；所述直流电源与充电开关串联组成直流电源-充电开关支路；所述放电开关与放电电阻串联组成放电电阻-放电开关支路；所述充能阻抗单元连接在直流电源-充电开关支路和放电电阻-放电开关支路之间组成限流支路；所述可控硅模块、过流继电器和二次设备试品依次连接组成储能支路；所述直流电源-充电开关支路、放电电阻-放电开关支路和储能支路并联；所述CPU控制器分别与充能阻抗单元、直流电源和可控硅模块连接；所述过流继电器的注入电流I和入门电压U均输入到CPU控制器中；

所述控流充能装置能够同时为多路高压直流输电二次设备充能；

所述可控硅模块由反并联的晶闸管组成；所述直流电源和充能阻抗单元均是可控的；

所述控流充能装置的充能和放电均由CPU控制器控制；

所述可控硅模块用于对单个储能支路瞬时反向回压抑制，过流继电器用于控流充能装置对试品的二次设备试品的后备保护；

所述方法包括：步骤①CPU控制器控制控能充流装置充能和步骤②CPU控制器控制控能充流装置放电；

所述步骤①CPU控制器控制控能充流装置充能包括：

(1)根据二次设备储能回路的参数，所述CPU控制器计算初始可接受充电电流和充电电抗的初始电抗值；

(2)闭合充电开关；

(3)监控二次设备试品两端的电压和注入电流，若注入电流大于初始可接受电流的60％，CPU控制器自动将充能电抗升高一档；若注入电流小于初始可接受电流50％，CPU控制器自动将充能电抗降低一档，调低充能电抗，同时加大注入电流速度；

所述步骤(1)中，初始可接受充电电流I_c用下式1)表示：

I_c＝I₀e^-αt 1)；

式中：I_c为初始可接受充电电流；I₀为可接受最大充电电流；α为充电电流的充电接受比，又称固有接受比，α＝I₀/C，C为额定容量；t为充电时间；

所述控能充流装置电气表示为：

U＝I_mZ₀+I_XR_X+U_x(I_x) 2)；

式中：U为直流电源电压；I_m为限流支路电流；Z₀为可调限流阻抗单元；I_X为第x路储能支路电流；R_X为x路保险丝电阻；U_x(I_x)为x路控能充流支路电流与二次设备试品两端电压函数线性关系；

限流支路电流和储能支路电流关系为：

I_m＝xI_x 3)；

式3)为线性关系，则整个控能充流装置的电流关系表示为：

I_m＝Y(Z₀) 4)；

即有：

其中：Y(Z₀)为整套控流充电装置回路对外的等效阻抗；Z₀为可调限流充能阻抗单元。

2.如权利要求1所述的充能方法，其特征在于，所述步骤②CPU控制器控制控能充流装置放电包括下述步骤：

<1>CPU控制器时刻监控试品的注入电流，逐档增大充能阻抗单元，至充能电阻初始值；

<2>逐档降低直流电源电压，直至直流电源电压将为最低档；

<3>闭合放电开关，断开充电开关。