CN108233402B - 适用于煤矿的远距离中压直流输电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于煤矿的远距离中压直流输电系统，包括：前端电力电子整流装置，所述前端电力电子整流装置与交流电网连接；中压直流输电装置，所述中压直流输电装置与所述前端电力电子整流装置连接；末端电力电子逆变装置，所述末端电力电子逆变装置与所述中压直流输电装置连接。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：前端输入为低压工频交流电源，传输过程为直流中压，为末端负载供电可根据负载类型和所需电压等级灵活选择直流或交流，系统结构灵活，可以满足煤矿井下各类负载需求，且具有的优点包括：线路损耗更小；线路建设成本更低；高频变压器体积更小、效率更高；没有无功功率的流动，电能质量和传输效率更高；无需增加无功补偿设备。

Description

适用于煤矿的远距离中压直流输电系统
技术领域
本发明涉及煤矿远距离输电系统，具体地，涉及一种适用于煤矿的远距离中压直流输电系统。
背景技术
我国煤矿数量众多，绝大多数煤矿采用自己的专用变电站，属于相对独立的供电系统。随着煤矿数量的增多、煤矿电网规模不断增大，对于煤矿的用电安全和用电控制越来越难。目前，煤矿大多采用交流配电网，随着高电压大功率变频器和开关电源等电力电子设备在煤矿井下的应用逐渐普及，交流配电方式越来越难以满足需求，其主要存在的问题包括：
(1)线路损耗大。远距离长电缆输电是煤矿井下普遍采用的供电模式，在长距离线路供电时，距离越长，线路等效电阻与等效电感数值就越大，产生的线路压降和线路损耗就越大，势必造成末端电压下降严重，使得受电端的高压侧输入电压降低5％～10％，同时也使得井下移动变电站输出的低压侧电压降低，以致影响供电系统的稳定可靠输电能力；
(2)末端电压大幅跌落。煤矿供电负荷大部分为大功率电机负载，功率因数为0.8～0.85，启动冲击负荷大、无功功率冲击严重。末端电机群启动运行时，电机启动和运行产生的大量无功电流在线路等效电感、电阻中会产生较大的无功损耗，导致线路末端的电压大幅跌落，严重时会影响线路末端的电机群正常运行。
(3)谐波污染不断增加。以开关电源和高电压大功率变频器为代表的电力电子设备在煤矿井下的应用越来越多，煤矿电网的谐波污染和电磁干扰问题不断加。
(4)中高压长电缆截面设计尺寸大，费用过高。远距离长电缆输电线路的负载为电机或电机群，设计电缆截面积时考虑到末端电压损失的影响，其截面积设计可能需要较大尺寸，整个线路的中高压长电缆总体费用很高。
上述问题是煤矿井下远距离长线路供电面临的问题，至今为止，尚未找到有效解决方案。因此，解决煤矿中高压长电缆远距离供电普遍面临的难题，实现煤矿井下安全可靠稳定供电系统，提出中高压长电缆远距离供电系统末端电压稳定、可靠运行的新技术，具有重要理论研究意义与实际工程应用意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种解决末端电压下降多、线路损耗大问题的适用于煤矿的远距离中压直流输电系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于煤矿的远距离中压直流输电系统，包括：前端电力电子整流装置，所述前端电力电子整流装置与交流电网连接；
中压直流输电装置，所述中压直流输电装置与所述前端电力电子整流装置连接；
末端电力电子逆变装置，所述末端电力电子逆变装置与所述中压直流输电装置连接；其中
所述前端电力电子整流装置包括相互连接的前端交直流变换单元和前端电力电子模块化整流单元；所述前端交直流变换单元与所述交流电网连接，所述前端电力电子模块化整流单元与所述中压直流输电装置连接；
所述末端电力电子逆变装置包括相互连接的末端电力电子模块化逆变单元及末端交直流变换单元；所述末端电力电子模块化逆变单元与所述中压直流输电装置连接，所述末端交直流变换单元与负载端连接。
优选地，所述前端电力电子模块化整流单元包括前端多电平逆变模块、前端高频隔离变压器模块及前端多电平整流模块；
所述前端多电平逆变模块与所述前端交直流变换单元连接，所述前端多电平整流模块与所述中压直流输电装置连接。
优选地，所述前端电力电子模块化整流单元的数量为多个。
优选地，所述末端电力电子模块化逆变单元包括末端多电平逆变模块、末端高频隔离变压器模块及末端多电平整流模块；
所述末端多电平逆变模块与所述中压直流输电装置连接，所述末端多电平整流模块与所述负载端连接。
优选地，所述末端电力电子模块化逆变单元的数量为多个。
优选地，所述前端交直流变换单元及所述末端交直流变换单元为NPC三电平整流器或T型三电平整流器。
优选地，所述前端多电平逆变模块及所述末端多电平逆变模块为二电平逆变器、三电平逆变器或五电平逆变器。
优选地，所述前端高频隔离变压器模块及所述末端高频隔离变压器模块为单绕组单相非晶变压器或双绕组单相非晶变压器。
优选地，所述前端多电平整流模块为二电平整流模块或级联二电平整流模块。
优选地，所述末端多电平整流模块为二电平整流模块、级联二电平整流模块或二极管整流模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)直流输电的损耗更小。直流配电只需两个线路，所以相比交流线路，导线的损耗更小。另外，在输送相同的有功功率情况下，单极直流系统的损耗将小于单相交流输电损耗，而双极直流输电线路的损耗将远小于三相交流系统的损耗。
2)相比于交流配电网的三相四线制，双极直流配电网只需两条线路，其建设费用和成本更低。在交直流电压有效值相同时，交流电压的峰值比直流电压峰值高，交流输电对电缆的绝缘强度要求更高，因此，直流电缆的成本更低。
3)在相同的绝缘水平情况下，直流配电网的传输功率约为交流配电网的1.5倍，其容量更大，可传输的电压等级更高。
4)和传统变压器相比，所采用的高频变压器，体积更小、损耗更低，效率更高。
5)直流配电网传输过程中没有无功功率流动，电能质量和传输效率更高，无需增加无功补偿设备、电力电子变换设备减少、可靠性高，减少整流环节、提高电网整体运行效率。
6)运行过程中不存在相位同步和频率稳定问题，控制相对容易。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统原理图；
图2为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端交直流变换单元示意图一；
图3为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端交直流变换单元示意图二；
图4为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端电力电子模块化整流单元结构图；
图5为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端电力电子模块化整流单元模块示意图；
图6为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端多电平逆变模块原理图一；
图7为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端多电平逆变模块原理图二；
图8为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端高频隔离变压器模块原理图一；
图9为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端高频隔离变压器模块原理图二；
图10为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端多电平整流模块原理图一；
图11为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的前端多电平整流模块原理图二；
图12为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端电力电子模块化逆变单元结构图；
图13为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端电力电子模块化逆变单元模块示意图；
图14为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端多电平逆变模块原理图一；
图15为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端多电平逆变模块原理图二；
图16为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端高频隔离变压器模块原理图一；
图17为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端高频隔离变压器模块原理图二；
图18为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端多电平整流模块原理图一；
图19为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端多电平整流模块原理图二；
图20为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端多电平整流模块原理图三；
图21为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端交直流变换单元示意图一；
图22为本发明适用于煤矿的远距离中压直流输电系统的末端交直流变换单元示意图二。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1～图22所示，本发明提供的煤矿井下远距离中压直流输电装置，包括交流电网、前端电力电子整流装置、中压直流输电装置、末端电力电子逆变装置；
其中，交流电网为相对独立的煤矿供电网络；前端电力电子整流装置包括前端交直流变换单元、前端电力电子模块化整流单元；中压直流输电装置为远距离井下输电系统；末端电力电子逆变装置包括末端电力电子模块化逆变单元、末端交直流变换单元。
前端交直流变换单元与交流电网相连接，前端交直流变换单元与前端电力电子模块化整流单元相连接；
前端交直流变换单元实现系统电压从工频低压到低压直流的AC/DC转换，其模块可选用、但不限于NPC三电平整流模块或T型三电平整流模块；以三电平NPC整流模块为例，变换器共有三个桥壁，每一相桥臂采用四个IGBT功率器件串联，且每个开关器件并联一个续流二极管，另包含两个嵌位二极管，用两个二极管钳位两个分压电容中点电压，各相桥臂上的IGBT承受的电压仅为直流侧母线电压的一半；三电平中点箝位NPC整流模块具有如下优点：其输出的直流电压可调节、功率因数高、输入电流谐波畸变小、动态响应快、可实现大功率的传输，且对于硬件的要求较低，应用十分广泛。
前端电力电子模块化整流单元，是一种新型的隔离型双向DC/DC变换器，由前端多电平逆变模块、前端高频隔离变压器模块、前端多电平整流模块等三个子系统构成。系统采用高频变压器实现电压的变换和隔离，整流系统通过DC/AC-AC/AC-AC/DC的连接方式，将输入和输出端通过变压器进行隔离，多个模块化整流系统输出串联，实现电压的低压直流到中压直流的DC/DC变换，其输入为共母线的低压直流电，母线电压或为500V-800V，输出端为相互独立的低压直流电源，通过串联的方式，得到6-10kV中压直流电；
其中，前端多电平逆变模块可选用、但不限于二电平、三电平逆变器；高频隔离变压器，又称电力电子变压器或固态变压器，是一种通过中高频变压器来实现隔离的AC/AC变换的电力电子装置。该模块通过电力电子变换和高频电磁耦合，实现了电力系统中的电压变换和电能传递，弥补了传统电力变压器功能上的不足，不仅能够完成常规电力变压器的变压、隔离、能量转换等功能，还具有如下优点：(1)输出电压幅值不随负载和供电电压变化，且输出电压在一定范围内可调，(2)保证原边电流和副边电压为正弦波，且原边功率因数任意可调，(3)原边和副边可实现故障隔离，(4)具有高度的可控性，变压器原边电流、副边电压和电流及功率可控，(5)具有自保护功能，实现变压器的自检测、自诊断、自保护。
前端高频隔离变压器模块可选用、但不限于单绕组单相非晶变压器、双绕组单相非晶变压器。
前端多电平整流模块可选用、但不限于二电平、级联二电平整流模块，多电平结构可有效降低开关器件的电压应力，输出端通过串联可得到所需的中压或高压电压等级。
该模块化系统方案需要解决的关键技术包括交直流变换系统输出端的均流问题以及各个模块化整流系统的输入侧、输出侧的均压问题。
中压直流输电装置与前端电力电子模块化整流单元相连接，将直流电以6-10KV电压等级进行煤矿井下传输，传输距离可达8000m以上。在直流配电网中，控制并维持直流输电母线上的电压稳定是直流配电系统的首要任务，当发生大功率负荷突然启停时，直流母线电压波动无法避免，会相应产生下降或上升，传输线路中应设有储能单元，储能单元可采用基于超级电容和蓄电池的混合储能系统，充分利用蓄电池和超级电容的互补特性，达到延长蓄电池寿命、优化储能过程、提高储能效率、储能容量和功率输出能力的效果，在传输线路电压波动时，储能单元经模块化整流系统吸收或者提供能量，维持系统电压稳定。
末端电力电子逆变装置包括末端电力电子模块化逆变单元、末端交直流变换单元；末端电力电子模块化逆变单元由末端多电平逆变模块、末端高频隔离变压器模块、末端多电平整流模块等三个子系统构成，其结构与前端电力电子整流装置相似；其中，末端多电平逆变模块可选用、但不限于二电平、三电平、五电平逆变器；末端高频隔离变压器模块可选用、但不限于单绕组单相非晶变压器、双绕组单相非晶变压器；末端多电平整流模块可选用、但不限于二电平、级联二电平整流模块或二极管整流模块。
末端交直流变换单元与末端电力电子模块化逆变单元相连接，实现系统电压从低压直流到工频低压交流的DC/AC转换，系统可选用、但不限于NPC三电平逆变模块或T型三电平逆变模块；以T型三电平逆变模块为例，每一相电路以一组开关器件组成双向开关，代替了传统的二极管中性点钳位的方式，实现对主开关器件的电压钳位功能，与传统的半桥电路相比，T型结构仅加入一条钳位支路便实现了由两电平电路到三电平电路的改进，所需元器件更少，控制更加容易，在低开关频率下效率更高。
末端交直流变换单元与负载相连，煤矿供电系统电压等级较多，包括36V、127V、220V、250V(DC)、380V、500V(DC)、660V、1140V、1500V(DC)、3300V、6000V、10kV等等。例如，控制线路或照明多采用36V、127V，矿井地面照明采用220V，电机车用电多为250V(DC)、500V(DC)、750V(DC)、1500V(DC),井下综采用力采用1140V、3300V，井上井下高压电机及配电电压为6kV，且煤矿供电可靠性要求更高；系统输出电压为满足煤矿各等级用电需求，将输入的低压直流电经DC/AC变换，或经DC/DC变换，输出相应电压等级的交流或直流电，供给相应负载，电压等级及交直流输出均灵活可调。
本发明提供的的适用于煤矿的中压直流远距离输电系统的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：交流电网为煤矿提工频低压交流电，电压等级为500V-800V；
步骤2：前端交直流变换单元与交流电网相连，将供入的交流电变为低压直流电，实现电压的工频低压到低压直流的AC/DC转换，输送给前端电力电子模块化整流单元；
步骤3：前端电力电子模块化整流单元与前端交直流变换单元相连，实现系统电压的高频隔离DC/DC变换，该系统模块可以实现电压的低压直流到中压或高压直流的变换和隔离，系统由前端多电平逆变模块、前端高频隔离变压器模块、前端多电平整流模块等三个子系统构成；
步骤4：前端多电平逆变模块与前端交直流变换单元相连接，将输入的低压直流电逆变为所需交流电，输送给前端高频隔离变压器模块；
步骤5：前端高频隔离变压器模块与前端多电平逆变模块相连，将输入的工频交流电压在原边调制为高频交流电压，经高频变压器耦合到副方，再解调还原为工频交流电压，输送给前端多电平整流模块；
步骤6：前端多电平整流模块与前端高压隔离变压器模块相连接，将输入的交流电整流成为独立的直流电源，通过串联得到所需电压等级(6-10KV)，输送给中压直流输电装置进行传输；
步骤7：中压直流输电装置与前端电力电子模块化整流单元相连，将变换后的中压独立直流电源以所需电压等级进行传输，并通过储能单元模块维持电网系统电压的稳定；
步骤8：末端电力电子模块逆变单元与中压直流输电装置相连，实现系统电压的DC/DC变换，该系统模块可以实现电压的中高压直流到低压直流的变换，系统由末端多电平逆变模块、末端高频隔离变压器模块、末端多电平整流模块等三个子系统构成；
步骤9：末端多电平逆变模块与中压直流输电装置相连接，将输入的直流电逆变为所需交流电，输送给末端高频隔离变压器模块；
步骤10：末端高频隔离变压器模块将输入的交流电经变压变换为所需电压等级的交流电，输送给末端多电平整流模块；
步骤11：末端多电平整流模块将输入的交流电整流成为独立的低压直流电，输送给末端交直流变换单元；
步骤12：末端交直流变换单元，与末端电力电子模块化逆变单元相连接，将输入的低压直流电经DC/AC变换为所需电压等级的交流电或DC/DC变换为所需电压等级的直流电，供给相应的负载端。
本发明的有益效果为：
提出了一种适用于煤矿的远距离中压直流输电及末端电压稳定运行的新型解决方案，前端输入为低压工频交流电源，传输过程为直流中压，为末端负载供电可根据负载类型和所需电压等级灵活选择直流或交流，系统结构灵活，可以满足煤矿井下各类负载需求，且具有的优点包括：线路损耗更小；线路建设成本更低；高频变压器体积更小、效率更高；没有无功功率的流动，电能质量和传输效率更高；无需增加无功补偿设备、电力电子变换设备减少、可靠性高，减少整流环节、提高电网整体运行效率；容量更大、可传输的电压等级更高；供电线路减少，成本更低。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种适用于煤矿的远距离中压直流输电系统，其特征在于，包括：
前端电力电子整流装置，所述前端电力电子整流装置的前端与交流电网连接，所述前端电力电子整流装置的末端与中压直流输电装置的前端连接；
中压直流输电装置，所述中压直流输电装置的末端与末端电力电子逆变装置的前端连接；
末端电力电子逆变装置，所述末端电力电子逆变装置的末端与负载端连接；
其中
所述前端电力电子整流装置包括相互连接的前端交直流变换单元和前端电力电子模块化整流单元；所述前端交直流变换单元与所述交流电网连接，所述前端电力电子模块化整流单元与所述中压直流输电装置连接；
所述末端电力电子逆变装置包括相互连接的末端电力电子模块化逆变单元及末端交直流变换单元；所述末端电力电子模块化逆变单元与所述中压直流输电装置连接，所述末端交直流变换单元与负载端连接；
所述前端电力电子模块化整流单元包括前端多电平逆变模块、前端高频隔离变压器模块及前端多电平整流模块；
所述前端多电平逆变模块与所述前端交直流变换单元连接，所述前端多电平整流模块与所述中压直流输电装置连接；
所述前端电力电子模块化整流单元的数量为多个；
所述末端电力电子模块化逆变单元包括末端多电平逆变模块、末端高频隔离变压器模块及末端多电平整流模块；
所述末端多电平逆变模块与所述中压直流输电装置连接，所述末端多电平整流模块与所述负载端连接；
所述末端电力电子模块化逆变单元的数量为多个；
所述前端交直流变换单元及所述末端交直流变换单元为NPC三电平整流器或T型三电平整流器；
所述前端多电平逆变模块及所述末端多电平逆变模块为二电平逆变器、三电平逆变器或五电平逆变器；
所述前端高频隔离变压器模块及所述末端高频隔离变压器模块为单绕组单相非晶变压器或双绕组单相非晶变压器；
所述前端多电平整流模块为二电平整流模块或级联二电平整流模块；
所述末端多电平整流模块为二电平整流模块、级联二电平整流模块或二极管整流模块；
适用于煤矿的中压直流远距离输电系统的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：交流电网为煤矿提工频低压交流电，电压等级为500V-800V；
步骤2：前端交直流变换单元与交流电网相连，将供入的交流电变为低压直流电，实现电压的工频低压到低压直流的AC/DC转换，输送给前端电力电子模块化整流单元；
步骤3：前端电力电子模块化整流单元与前端交直流变换单元相连，实现系统电压的高频隔离DC/DC变换，前端高频隔离变压器模块实现电压的低压直流到中压或高压直流的变换和隔离，系统由前端多电平逆变模块、前端高频隔离变压器模块、前端多电平整流模块三个子系统构成；
步骤4：前端多电平逆变模块与前端交直流变换单元相连接，将输入的低压直流电逆变为所需交流电，输送给前端高频隔离变压器模块；
步骤5：前端高频隔离变压器模块与前端多电平逆变模块相连，将输入的工频交流电压在原边调制为高频交流电压，经高频变压器耦合到副方，再解调还原为工频交流电压，输送给前端多电平整流模块；
步骤6：前端多电平整流模块与前端高压隔离变压器模块相连接，将输入的交流电整流成为独立的直流电源，通过串联得到所需电压等级6KV-10KV，输送给中压直流输电装置进行传输；
步骤7：中压直流输电装置与前端电力电子模块化整流单元相连，将变换后的中压独立直流电源以所需电压等级进行传输，并通过储能单元模块维持电网系统电压的稳定；
步骤8：末端电力电子模块化逆变单元与中压直流输电装置相连，实现系统电压的DC/DC变换，末端电力电子模块化逆变单元可以实现电压的中高压直流到低压直流的变换，系统由末端多电平逆变模块、末端高频隔离变压器模块、末端多电平整流模块等三个子系统构成；
步骤9：末端多电平逆变模块与中压直流输电装置相连接，将输入的直流电逆变为所需交流电，输送给末端高频隔离变压器模块；
步骤10：末端高频隔离变压器模块将输入的交流电经变压变换为所需电压等级的交流电，输送给末端多电平整流模块；
步骤11：末端多电平整流模块将输入的交流电整流成为独立的低压直流电，输送给末端交直流变换单元；
步骤12：末端交直流变换单元，与末端电力电子模块化逆变单元相连接，将输入的低压直流电经DC/AC变换为所需电压等级的交流电或DC/DC变换为所需电压等级的直流电，供给相应的负载端。
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