CN116131241A - 一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统 - Google Patents
一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，包括发动机、带多套绕组的多相发电机、带开关矩阵的不控整流模块、直流斩波模块和控制器所述发动机与所述带多套绕组的多相发电机直连；所述带多套绕组的多相发电机与所述带开关矩阵的不控整流模块相连；所述带开关矩阵的不控整流模块与所述直流斩波模块相连；所述直流斩波模块的输出端与覆冰传输线相连；所述控制器与所述发动机和所述直流斩波模块相连。本发明针对同一杆段覆冰导线和地线所对应的融冰电压和融冰电流相差过大的问题，通过设计具有多套三相绕组的多相发电机和带开关矩阵的不控整流模块，实现融冰电源直流输出电压大范围调节，充分利用发电机组的功率，并提高机组效率。
Description
技术领域
本发明属于直流融冰领域，尤其涉及一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统。
背景技术
在发生严重冰灾时，一般无法从交流变电站或附近线路获取相应的电源，只能通过自身携带的化学能源转化为电能进而转化为热能实现热力融冰。当覆冰导线所处环境较为恶劣时，甚至需人力搬运直流融冰电源至指定位置。这对直流融冰电源的可移动性和适应性提出了要求。
覆冰传输线分为导线和地线两大类，而导线和地线所包含的线路种类繁多，不同的线路具有不同的电阻率，也对应着不同的融冰电压和融冰电流。因此，为使得直流融冰系统能够对同一杆段的导地线均可实现融冰，直流融冰电源的输出电压应能够大范围调节，以实现对输出功率利用率和效率的最大化。
综上，需要提出一种输出电压能够大幅度调节的可移动式直流融冰电源装置。
发明内容
针对目前的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统。
一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，包括发动机、带多套绕组的多相发电机、带开关矩阵的不控整流模块、直流斩波模块和控制器；
所述发动机与所述带多套绕组的多相发电机直连；
所述带多套绕组的多相发电机与所述带开关矩阵的不控整流模块相连；
所述带开关矩阵的不控整流模块与所述直流斩波模块相连；
所述直流斩波模块的输出端与覆冰传输线相连；
所述控制器与所述发动机和所述直流斩波模块相连。
进一步的，所述发动机为汽油发动机，通过自带的直流电机进行平滑起动。
进一步的，所述多相发电机为带四套三相绕组的多相永磁同步发电机。
进一步的，所述带开关矩阵的不控整流模块由4个不控整流模块组成，并通过开关矩阵进行组合，通过开关矩阵中开关的动作完成不同模块之间的串并联的切换，实现输出电压的大范围调节。
进一步的，所述开关矩阵安装在直流侧。
进一步的，所述直流斩波模块为Buck变换电路，包括驱动电路、开关管、续流二极管、滤波电感和滤波电容，开关管的输入端与不控整流模块的输出端连接，开关管的输出端与滤波电感的一端和续流二极管的阴极连接，滤波电容与滤波电感的另一端和续流二极管的阳极连接，控制器通过驱动电路与开关管的控制端连接。
进一步的，还包括与控制器连接的电流传感器，所述电流传感器用于采集负载侧电流信号。
进一步的，所述控制器包括数字信号处理器、电子控制单元和上位机，上位机用于与用户进行交互，接收用户给定的融冰电流指令，将指令下发给数字信号处理器，数字信号处理器用于根据指令生成开关管触发信号和与电子控制单元进行通信，数字信号处理器通过电流传感器采集负载侧电流信号，比较参考电流和实际采集电流大小，缓慢增加触发信号占空比并经驱动电路控制直流斩波模块中开关管通断，完成不同模块之间的串并联的切换，同时不断调整与发动机电子控制单元的通信信号逐渐增加发动机输出转矩，使整个系统平滑加载。
与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明采用的带四套三相绕组的发电机，通过多套绕组之间的串并联组合可以实现电压电流的四倍变化，对于各种型号的导线或地线都能够进行很好的匹配，具有更广的融冰应用范围，同时可以实现发电机组的功率的充分利用，并提高机组效率；
(2)本发明针对多相发电机采用了带开关矩阵的不控整流模块，只需通过开关动作便可完成串并联工况的切换，提高了融冰系统调压的灵活性。
附图说明
图1为本发明提供的融冰系统整体示意图；
图2为本发明提供的带开关矩阵的不控整流模块示意图；
图3为本发明提供的多相并联产生的环流示意图。
图中附图标记分述如下：
1—起动用直流电源、2—起动用直流电机、3—发动机、4—多相发电机，5—带开关矩阵的不控整流模块、6—母线滤波电容、7—开关管、8—续流二极管、9—滤波电感、10—滤波电容、11—覆冰传输线、12—电流传感器、13—数字信号处理器(DSP)、14—发动机电子控制单元(ECU)、15—驱动电路、16—上位机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图，具体说明本发明的实施方式。
请参阅图1，本发明实施例提供一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，包括发动机3、多相发电机4、带开关矩阵的不控整流模块5、直流斩波模块和控制器。
所述发动机3与所述多相发电机4直连；所述多相发电机4与所述带开关矩阵的不控整流模块5相连；所述带开关矩阵的不控整流模块5与所述直流斩波模块相连；所述直流斩波模块的输出端与覆冰传输线11相连；所述控制器与所述发动机3和所述直流斩波模块相连。
本实施例中，所述发动机3为汽油发动机，通过自带的直流电机(起动用直流电源1和起动用直流电机2)进行平滑起动。
所述多相发电机4为带四套三相绕组的多相永磁同步发电机。
所述带开关矩阵的不控整流模块5由4个不控整流模块组成，并通过开关矩阵进行组合，通过开关矩阵中开关的动作完成不同模块之间的串并联的切换，实现输出电压的大范围调节。开关矩阵选择安装在直流侧，减小了串并联的复杂度和环流的影响。
所述直流斩波模块为Buck变换电路，由驱动电路15、开关管7、续流二极管8、滤波电感9和滤波电容10组成。通过控制开关管的占空比调节输出电压的大小，并通过滤波器获得纹波较小的直流电压。
所述控制器由数字信号处理器(DSP)13、电子控制单元(ECU)14和上位机16组成，上位机16与用户进行交互；数字信号处理器(DSP)13通过电流传感器12采集负载电流并与实际电流进行比较生成相应占空比的触发信号，并与电子控制单元(ECU)14进行通信；电子控制单元(ECU)14负责控制发动机3的转速和转矩。
本发明实施例主要针对某局部杆段输电线路(牛莲线传输线路)导地线直流融冰需求，阐述本电源装置的特殊设计。该输电线路的导线和地线的阻感参数分别如表1、表2所示。
表1牛莲线传输线路的分布参数和集总参数
表2牛莲线传输线路的融冰电压、电流和功率范围
其计算公式如下：
其中，R、L为线路的集总电阻、电感，r0、l0为每公里的分布电阻、电感，l为线路长度。
在线路覆冰厚度为10mm、温度为-3℃、风速为3m/s条件下，导线最小融冰电流为240A，最小融冰电压为51V，其总功率为12.24kW。地线的最小融冰电流为64A，JLB14-50对应的最小融冰电压为92V，OPGW-24B1-40的最小融冰电压为115V，合计的最小融冰电压为207V，其对应的最小功率为14.21kW。
考虑样机功率为25kW，根据导、地线电阻得到的融冰电压、电流和功率范围如表3所示。
表3 25kW系统对应牛莲线的融冰电压、电流和功率范围
为实现电压电流的大幅度变化，本发明实施例选用带多套绕组的多相发电机，根据输电导、地线的融冰电压和电流相差约4倍的关系，选择电机支路数为4进行设计。设计每支路经不控整流后所能达到的最大输出电压为75V，通过4支路串联理论上最大可以得到300V的融冰条件，通过4支路并联可以得到75V的融冰条件，不仅保留了一定的电压调节裕度，也没有超出允许的最大融冰电压。
要实现多条支路的并联运行，其关键就在于要实现均流控制。以下以两台电机并联为例进行分析，其等效电路图如图2所示。其中，U1、U2为电机的输出电压；L1、L2分别代表电机的电感；Z(s)为公共负载；I1(s)、I2(s)为两台电机的输出电流。
当L1＝L2＝L时，并且定义环流为：
可以得到环流的具体表达式为：
由上述分析可以看出，电源之间形成的环流与负载Z无关，仅仅取决于电源之间的电压差。在U1、U2同相而幅值不同时，环流主要表现为无功分量，电压高的模块中环流分量为容性，反之则为感性；在U1、U2不同相但幅值相同时，环流表现为有功分量，输出电压超前的模块输送有功，而滞后的吸收有功；在U1、U2既不同相又幅值不同时，则环流中既有有功分量又有无功分量。
多支路之间的串并联选择在直流侧进行，原因有二：其一是交流侧每支路为三相，共有三条线，而直流侧每支路为单相，只有两根线，串并联复杂程度相较于交流侧有所降低；其二是在直流侧串并联，由于直流不存在相位差的概念，直接消除了环流中的有功分量，环流中只存在无功分量，极大程度地降低了环流对整个系统的影响。
本发明选用不控整流模块作为整流方案，不控整流相较于移相全桥整流具有更高的功率因数和更小的纹波系数，相较于PWM整流具有更简单的控制策略和更低的成本，更具有工程普适性。
带开关矩阵的不控整流模块5如图3所示。图中的四组三相支路经各自的不控整流模块后由一个开关矩阵连接在一起。对于开关类型的选择较为灵活，既可以选择继电器，通过PLC进行统一控制；又可以选择全控开关管，如IGBT，通过对其施加触发信号进行控制。当闭合开关S1～S3而断开S4～S9时，此时各模块之间是串联运行，总的输出电流与单模块工况相同，而输出电压为单模块工况的四倍，适用于融大电阻的覆冰地线；同理，当闭合开关S4～S9而断开开关S1～S3时，此时各模块之间是并联运行，电压相较于单模块工况保持不变，而电流变为单模块工况的4倍，适用于融小电阻的覆冰导线。由于多相电机和开关矩阵的引入，使得整个融冰系统对于不同种类和型号的传输线都能很好匹配融冰需求，极大地提高了系统的灵活性。
整个系统的运行原理为：用户在上位机16给定融冰电流指令，上位机16将指令下发给数字信号处理器(DSP)13，数字信号处理器(DSP)13将信号传给发动机电子控制单元(ECU)14。用起动装置(起动用直流电源1和起动用直流电机2)起动发动机3，此时开关管关断，数字信号处理器(DSP)13缓慢增加触发信号占空比并经驱动电路控制开关管通断，使整个系统平滑加载。此时DSP需通过电流传感器12采集负载侧电流信号，比较参考电流和实际电流大小。同时，不断调整与发动机电子控制单元(ECU)14的通信信号逐渐增加发动机输出转矩，保证输入输出的功率保持平衡。当触发信号占空比达到1后，加载完成，系统的融冰电流此时已达到指令电流值，电流经覆冰线路发热，使得覆冰融化。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，其特征在于，包括发动机(3)、带多套绕组的多相发电机(4)、带开关矩阵的不控整流模块(5)、直流斩波模块和控制器；
所述发动机(3)与所述带多套绕组的多相发电机(4)直连；
所述带多套绕组的多相发电机(4)与所述带开关矩阵的不控整流模块(5)相连；
所述带开关矩阵的不控整流模块(5)与所述直流斩波模块相连；
所述直流斩波模块的输出端与覆冰传输线(11)相连；
所述控制器与所述发动机(3)和所述直流斩波模块相连。
2.根据权利要求1所述的基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，其特征在于，所述发动机(3)为汽油发动机，通过自带的直流电机进行平滑起动。
3.根据权利要求1所述的基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，其特征在于，所述多相发电机(4)为带四套三相绕组的多相永磁同步发电机。
4.根据权利要求1所述的基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，其特征在于，所述带开关矩阵的不控整流模块(5)由4个不控整流模块组成，并通过开关矩阵进行组合，通过开关矩阵中开关的动作完成不同模块之间的串并联的切换，实现输出电压的大范围调节。
5.根据权利要求4所述的基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，其特征在于，所述开关矩阵安装在直流侧。
6.根据权利要求1所述的基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，其特征在于，所述直流斩波模块为Buck变换电路，包括驱动电路(15)、开关管(7)、续流二极管(8)、滤波电感(9)和滤波电容(10)，开关管(7)的输入端与不控整流模块(5)的输出端连接，开关管(7)的输出端与滤波电感(9)的一端和续流二极管(8)的阴极连接，滤波电容(10)与滤波电感(9)的另一端和续流二极管(8)的阳极连接，控制器通过驱动电路(15)与开关管(7)的控制端连接。
7.根据权利要求6所述的基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，其特征在于，还包括与控制器连接的电流传感器(12)，所述电流传感器(12)用于采集负载侧电流信号。
8.根据权利要求7所述的基于开关矩阵控制多相绕组宽范围调压的直流融冰电源系统，其特征在于，所述控制器包括数字信号处理器(13)、电子控制单元(14)和上位机(16)，上位机(16)用于与用户进行交互，接收用户给定的融冰电流指令，将指令下发给数字信号处理器(13)，数字信号处理器(13)用于根据指令生成开关管触发信号和与电子控制单元(14)进行通信，数字信号处理器(13)通过电流传感器(12)采集负载侧电流信号，比较参考电流和实际采集电流大小，缓慢增加触发信号占空比并经驱动电路控制直流斩波模块中开关管通断，完成不同模块之间的串并联的切换，同时不断调整与发动机电子控制单元(14)的通信信号逐渐增加发动机(3)输出转矩，使整个系统平滑加载。
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