專利名稱：帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是高壓直流融冰技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氣候原因造成輸電線路覆冰成為電力系統(tǒng)的自然災(zāi)害之一，近年來(lái)多次發(fā)生，線路覆冰主要形成原因是冷暖空氣的交匯，當(dāng)冷暖空氣的勢(shì)力都比較強(qiáng)，且交匯的時(shí)間又比較長(zhǎng)時(shí)，就可能形成較大的覆冰，造成線路故障。特別是2008年罕見(jiàn)的冰災(zāi)，造成許多地區(qū)出現(xiàn)桿塔倒塌、線路中斷、變電站停運(yùn)等情況，尤其令中國(guó)西南地區(qū)湖南，貴州等地?fù)p失巨大。我國(guó)融冰裝置的研制也自2008年起出現(xiàn)高潮，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，基于 IGBT等全控電力電子器件的變流器技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，各種基于電力電子器件的融冰裝置及設(shè)計(jì)方案也不斷出現(xiàn)，但融冰裝置針對(duì)電力系統(tǒng)使用，電壓等級(jí)跨度較大，給設(shè)備的通用性設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，同時(shí)冰災(zāi)現(xiàn)象在全年中出現(xiàn)時(shí)段相對(duì)較短，融冰裝置大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，造成設(shè)備浪費(fèi)。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)an Ruixiang等人在2010年 International Conference on Electrical and Control Engineering (電氣與控工禾呈國(guó)際會(huì)議)，上發(fā)表的A New Type of DC De-icing System for Transmission Lines (一種新型的輸電線路直流融冰系統(tǒng))，設(shè)計(jì)并研制開(kāi)發(fā)了一套固定式直流融冰裝置，基于六組電壓源變流器，采用六組橋并聯(lián)，提高系統(tǒng)輸出電流，輸出功率大，可以用在較長(zhǎng)線路，較高電壓電網(wǎng)融冰裝置使用。但該裝置還存在以下缺點(diǎn)1、該裝置采用六組三相橋并聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸入端需要大容量變壓器與電網(wǎng)連接，增加了設(shè)備體積和成本。2、由于設(shè)備基于電壓源兩電平變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需無(wú)源濾波裝置，隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量的增大，無(wú)源濾波器體積和成本也會(huì)增加，同時(shí)系統(tǒng)損耗增大。3、該裝置只具備融冰功能，設(shè)計(jì)中未考慮其他用途，因此在線路無(wú)覆冰情況下，設(shè)備閑置設(shè)備利用率不高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題提供一種帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置， 以解決1.現(xiàn)有的直流融冰裝置通用性不足，無(wú)法滿足電力系統(tǒng)各種電壓等級(jí)輸電線路融冰問(wèn)題；2.現(xiàn)有設(shè)備基于電壓源兩電平變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需無(wú)源濾波裝置，隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量的增大，無(wú)源濾波器體積和成本也會(huì)增加，同時(shí)系統(tǒng)損耗增大等問(wèn)題。3.現(xiàn)有直流融冰裝置只具備融冰功能，線路無(wú)覆冰情況下，設(shè)備閑置利用率不高等問(wèn)題；本實(shí)用新型技術(shù)方案一種帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置，它包括輸入隔離功能模塊用于連接交流母線電源，負(fù)責(zé)完成整個(gè)裝置的上電過(guò)程，與檢測(cè)功能模塊導(dǎo)線連接；[0010]檢測(cè)功能模塊，用于檢測(cè)輸入隔離功能模塊的三相交流電壓和電流，并將檢測(cè)結(jié)果送至主控制功能模塊，與主控制功能模塊和電抗器功能模塊導(dǎo)線連接；[0011]電抗器功能模塊，用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行輸入濾波及直流電壓泵升，與多電平變流器功能模塊導(dǎo)線連接；[0012]主控制功能模塊，用于整個(gè)裝置的信號(hào)采集、運(yùn)算、控制、保護(hù)和通訊，與多電平變流器功能模塊和檢測(cè)功能模塊導(dǎo)線連接；[0013]多電平變流器功能模塊，用于接收并運(yùn)行主控制功能模塊發(fā)出的控制信號(hào)，將電抗器功能模塊輸出的交流電壓變?yōu)橹绷麟妷狠敵鼋o輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊，同時(shí)，將故障及檢測(cè)信號(hào)送至主控制功能模塊，與輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊和主控制功能模塊導(dǎo)線連接；[0014]輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊，對(duì)多電平變流器功能模塊輸出的直流電壓進(jìn)行通斷控制，與覆冰線路負(fù)載導(dǎo)線連接。[0015]主控制功能模塊包括數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯器件，二者之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接。[0016]多電平變流器功能模塊包括主電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，主電路與檢測(cè)電路通過(guò)導(dǎo)線連接，檢測(cè)電路與保護(hù)電路通過(guò)導(dǎo)線連接，保護(hù)電路與驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)導(dǎo)線連接，驅(qū)動(dòng)電路與主電路通過(guò)導(dǎo)線連接。[0017]本實(shí)用新型有益效果[0018]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置，其多電平變流器功能模塊中的主電路采用模塊化級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，可隨時(shí)根據(jù)電網(wǎng)電壓等級(jí)隨時(shí)擴(kuò)展系統(tǒng)級(jí)聯(lián)功率單元數(shù)或改變裝置串聯(lián)模塊的數(shù)量，適應(yīng)不同電壓等級(jí)的線路，解決了現(xiàn)有的直流融冰裝置通用性不足，無(wú)法滿足電力系統(tǒng)各種電壓等級(jí)輸電線路融冰問(wèn)題。[0019]本實(shí)用新型與傳統(tǒng)融冰裝置相比了省去輸入移相變壓器及無(wú)源濾波器，多電平變流器功能模塊主電路采用新型模塊化級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有公共直流側(cè)，與傳統(tǒng)橋級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)相比更適合于傳輸有功功率，同時(shí)由于采用多電平結(jié)構(gòu)，裝置等效開(kāi)關(guān)頻率高，輸出波形質(zhì)量好，輸入輸出端無(wú)需增加無(wú)源濾波器，系統(tǒng)損耗較小，解決了現(xiàn)有設(shè)備直流融冰裝置基于電壓源兩電平變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需無(wú)源濾波裝置，隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量的增大， 無(wú)源濾波器體積和成本也會(huì)增加，同時(shí)系統(tǒng)損耗增大等問(wèn)題。[0020]本實(shí)用新型直流融冰裝置，在閑置不需要用于線路除冰時(shí)，可以作為輸電線路的有源電力濾波使用，以提高設(shè)備的利用率，操作方法為首先斷開(kāi)輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊的空氣開(kāi)關(guān)QF3，，然后閉合輸入隔離功能模塊的空氣開(kāi)關(guān)QF2，以便對(duì)多電平變流器功能模塊的電容充電，待直流電壓達(dá)到使用要求時(shí)，閉合輸入隔離功能模塊的空氣開(kāi)關(guān)QF1，然后斷開(kāi)QF2，同時(shí)主控制功能模塊執(zhí)行預(yù)先編制好的有源電力濾波器控制程序，通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電壓，電流信號(hào)，由主控制功能模塊的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，分離出諧波信號(hào)，作為控制量，發(fā)送至可編程邏輯器件(FPGA)，最終產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制多電平變流器功能模塊輸出補(bǔ)償電流，以達(dá)到有源電力濾波的目的，解決了現(xiàn)有直流融冰裝置只具備融冰功能，線路無(wú)覆冰情況下，設(shè)備閑置利用率不高等問(wèn)題。[0021]
[0022]圖1是本實(shí)用新型功能模塊框圖；[0023]圖2是本實(shí)用新型硬件接線原理示意圖；[0024]圖3是本實(shí)用新型多電平變流器功能模塊結(jié)構(gòu)圖；圖4是本實(shí)用新型多電平變流器功能模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
—種帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置，具體實(shí)施方式
如下它包括下述功能模塊(見(jiàn)圖1):輸入隔離功能模塊用于連接交流母線電源，它包括(詳見(jiàn)圖2)輸入斷路器QF2， 充電電阻R及其旁路斷路器QFl ；輸入斷路器QF2輸入端連接交流母線電網(wǎng)輸出端充電電阻連接，旁路斷路器QFl與QF2及充電電阻R并聯(lián)連接。兩個(gè)斷路器額定電流選擇2000 A， 合閘順序?yàn)檩斎霐嗦菲飨乳]合，待系統(tǒng)直流電壓達(dá)到1. 35倍輸入交流線電壓有效值時(shí)，閉合旁路斷路器QF1，切除充電電阻R，完成整個(gè)裝置的上電過(guò)程。檢測(cè)功能模塊，用于檢測(cè)輸入隔離功能模塊的三相交流電壓和電流，并將檢測(cè)結(jié)果送至主控制功能模塊，與主控制功能模塊和電抗器功能模塊通過(guò)導(dǎo)線連接傳輸信號(hào)，它包括(見(jiàn)圖2 )三相交流電壓傳感器和交流電流傳感器，其中電壓傳感器PT采用柱式結(jié)構(gòu)， 并聯(lián)在輸入隔離功能模塊中輸入斷路器QF2與地線PE之間，以便檢測(cè)輸入側(cè)電網(wǎng)電壓，額定量程0-35kV。交流電流傳感器CT串聯(lián)在電抗器功能模塊和輸入隔離功能模塊之間，檢測(cè)輸入/輸出電流，額定量程0-1200 A，檢測(cè)到的電壓信號(hào)及電流信號(hào)送至主控制功能模塊。電抗器功能模塊，用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行輸入濾波及直流電壓泵升，與多電平變流器功能模塊導(dǎo)線連接，包括三相電抗器L (見(jiàn)圖2)，串聯(lián)在輸入隔離功能模塊與多電平變流器功能模塊之間，電抗器的作用是輸入濾波及直流電壓泵升，額定電流1500 A0主控制功能模塊，與多電平變流器功能模塊和檢測(cè)功能模塊導(dǎo)線連接；其采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和可編程邏輯器件(FPGA)作為核心二者之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接。集成信號(hào)采集，運(yùn)算，保護(hù)，通訊功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置數(shù)字化控制，其中FPGA接收各單元內(nèi)傳感器及檢測(cè)電路傳來(lái)的各單元電壓及各種故障信息，綜合處理后發(fā)給DSP芯片，同時(shí)接收DSP 發(fā)出的控制信號(hào)將其轉(zhuǎn)化為多電平變流器功能模塊中各橋臂內(nèi)功率單元的觸發(fā)脈沖發(fā)送至各功率單元內(nèi)驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)DSP芯片接收直流融冰裝置主回路電壓傳感器、電流傳感器信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算輸出具體控制信號(hào)。多電平變流器功能模塊，用于接收并運(yùn)行主控制功能模塊發(fā)出的控制信號(hào)，將電抗器功能模塊輸出的交流電壓變?yōu)橹绷麟妷狠敵鼋o輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊，同時(shí)，將故障及檢測(cè)信號(hào)送至主控制功能模塊，與輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊和主控制功能模塊導(dǎo)線連接， 多電平變流器功能模塊，包括(見(jiàn)圖3)主電路1，以及橋臂內(nèi)各功率單元的檢測(cè)電路2，保護(hù)電路3、驅(qū)動(dòng)電路4。其中主電路1采用半橋結(jié)構(gòu)功率單元構(gòu)成，半橋結(jié)構(gòu)功率單元由大功率帶反并聯(lián)二極管的IGBTl和IGBT2構(gòu)成，IGBTl和IGBT2以半橋形式連接，半橋中點(diǎn)及下橋臂IGBT2發(fā)射極為輸出，與其他半橋結(jié)構(gòu)功率單元串聯(lián)連接。直流電容C與IGBTl和IGBT2 并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)電路4與主電路1的IGBTl和IGBT12門極相連，放大觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)各IGBT開(kāi)關(guān)動(dòng)作，保護(hù)電路3與驅(qū)動(dòng)電路4及檢測(cè)電路2相連，檢測(cè)電路2檢測(cè)電容電壓、IGBT電流及溫度信號(hào)，一旦出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、短路、過(guò)流、超溫故障，將故障信號(hào)發(fā)送回主控制功能模塊處理，并觸發(fā)相應(yīng)的硬件保護(hù)電路動(dòng)作，以避免半橋結(jié)構(gòu)功率單元燒毀。在圖4中，整個(gè)多電平變流器功能模塊的主電路以三相橋式結(jié)構(gòu)連接，每個(gè)橋臂由η個(gè)上述功率單元(子模塊)串聯(lián)而成，各相上下橋臂間串聯(lián)環(huán)流抑制電抗器L1-L6。三相橋臂中點(diǎn)U，V，W為多電平變流器模塊交流輸入，與電抗器功能模塊相連，上三組橋臂公共點(diǎn)與下三組橋臂公共點(diǎn)構(gòu)成變流器模塊直流輸出點(diǎn)P，N,與輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊相連。多電平變流器功能模塊各功率單元安裝在散熱器上，采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式冷卻。[0033]輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊，對(duì)多電平變流器功能模塊輸出的直流電壓進(jìn)行通斷控制，其中任意兩相輸入端并聯(lián)，連接于多電平變流器功能模塊直流側(cè)正極性輸出端，另一相輸入端與多電平變流器功能模塊負(fù)極性輸出端相連。使覆冰線路作為多電平變流器功能模塊的直流負(fù)載，多電平變流器功能模塊輸出電流使線路發(fā)熱，達(dá)到融冰目的，通過(guò)導(dǎo)線與覆冰線路負(fù)載連接。進(jìn)行電流傳遞。[0034]本實(shí)施例的工作過(guò)程如圖2所示，本實(shí)用新型直流融冰裝置在進(jìn)行融冰作業(yè)時(shí)， 首先閉合QF2，待多電平變流器功能模塊直流側(cè)電壓達(dá)到要求時(shí)(一般可設(shè)置為1.35倍輸入交流線電壓有效值)，閉合QF1，然后斷開(kāi)QF2，同時(shí)主控制功能模塊執(zhí)行預(yù)先設(shè)置的PWM 整流控制程序，輸出觸發(fā)脈沖，控制多電平變流器功能模塊的直流側(cè)電壓，并跟蹤給定，待直流電壓穩(wěn)定后，閉合輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊的空氣開(kāi)關(guān)QF3，開(kāi)始對(duì)覆冰線路進(jìn)行融冰。 融冰結(jié)束后，依次斷開(kāi)QFl，QF3即可。[0035]若該裝置作為有源電力濾波使用時(shí)，如圖2所示，首先斷開(kāi)QF3，然后閉合QF2，對(duì)多電平變流器功能模塊電容充電，待直流電壓達(dá)到要求時(shí)，閉合QF1，然后斷開(kāi)QF2，同時(shí)主控制功能模塊執(zhí)行有源電力濾波器控制程序，通過(guò)檢測(cè)功能模塊檢測(cè)電網(wǎng)電壓，電流信號(hào)， 經(jīng)主控制功能模塊的DSP，分離出諧波信號(hào)，作為控制量，發(fā)送至FPGA，最終產(chǎn)生觸發(fā)脈沖， 控制多電平變流器功能模塊輸出補(bǔ)償電流。[0036]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)[0037]1.本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)各電壓等級(jí)輸電線路的融冰工作，與傳統(tǒng)晶閘管融冰裝置相比可省去輸入移相變壓器，減小設(shè)備體積，增強(qiáng)設(shè)備機(jī)動(dòng)性能。[0038]2.采用新型模塊化級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有公共直流側(cè)，與傳統(tǒng)H橋級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)相比更適合于傳輸有功功率，同時(shí)由于采用多電平結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)等效開(kāi)關(guān)頻率高，輸出波形質(zhì)量好，輸入端無(wú)需增加無(wú)源濾波器，系統(tǒng)損耗較小，提高效率。[0039]3.所設(shè)計(jì)裝置同時(shí)具備有源濾波功能，在線路無(wú)覆冰時(shí)可對(duì)輸電線路諧波進(jìn)行補(bǔ)償，提高電能質(zhì)量，同時(shí)也提高設(shè)備利用率。[0040]4.采用數(shù)字化控制技術(shù)，以高性能DSP芯片作為處理核心，F(xiàn)PGA作為擴(kuò)展，使裝置具有完善的保護(hù)，控制，通訊功能?？刂凭群图苫潭染^高。
權(quán)利要求1.一種帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置，它包括輸入隔離功能模塊用于連接交流母線電源，負(fù)責(zé)完成整個(gè)裝置的上電過(guò)程，與檢測(cè)功能模塊導(dǎo)線連接；檢測(cè)功能模塊，用于檢測(cè)輸入隔離功能模塊的三相交流電壓和電流，并將檢測(cè)結(jié)果送至主控制功能模塊，與主控制功能模塊和電抗器功能模塊導(dǎo)線連接；電抗器功能模塊，用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行輸入濾波及直流電壓泵升，與多電平變流器功能模塊導(dǎo)線連接；主控制功能模塊，用于整個(gè)裝置的信號(hào)采集、運(yùn)算、控制、保護(hù)和通訊，與多電平變流器功能模塊和檢測(cè)功能模塊導(dǎo)線連接；多電平變流器功能模塊，用于接收并運(yùn)行主控制功能模塊發(fā)出的控制信號(hào)，將電抗器功能模塊輸出的交流電壓變?yōu)橹绷麟妷狠敵鼋o輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊，同時(shí)，將故障及檢測(cè)信號(hào)送至主控制功能模塊，與輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊和主控制功能模塊導(dǎo)線連接；輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊，對(duì)多電平變流器功能模塊輸出的直流電壓進(jìn)行通斷控制，與覆冰線路負(fù)載導(dǎo)線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置，其特征在于主控制功能模塊包括數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯器件，之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置，其特征在于多電平變流器功能模塊包括主電路(1)、檢測(cè)電路(2)、保護(hù)電路(3)和驅(qū)動(dòng)電路(4)，主電路 (1)與檢測(cè)電路(2)通過(guò)導(dǎo)線連接，檢測(cè)電路(2)與保護(hù)電路(3)通過(guò)導(dǎo)線連接，保護(hù)電路 (3)與驅(qū)動(dòng)電路(4)通過(guò)導(dǎo)線連接，驅(qū)動(dòng)電路(4)與主電路(1)通過(guò)導(dǎo)線連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種帶有源濾波功能的高壓直流融冰裝置，它包括輸入隔離功能模塊、檢測(cè)功能模塊、電抗器功能模塊、主控制功能模塊、多電平變流器功能模塊、輸出開(kāi)關(guān)控制功能模塊；本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有的直流融冰裝置通用性不足，無(wú)法滿足電力系統(tǒng)各種電壓等級(jí)輸電線路融冰問(wèn)題；現(xiàn)有設(shè)備基于電壓源兩電平變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需無(wú)源濾波裝置，隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量的增大，無(wú)源濾波器體積和成本也會(huì)增加，同時(shí)系統(tǒng)損耗增大等問(wèn)題；現(xiàn)有直流融冰裝置只具備融冰功能，線路無(wú)覆冰情況下，設(shè)備閑置利用率不高等問(wèn)題。
文檔編號(hào)H02G7/16GK202282595SQ20112040152
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者嚴(yán)爾梅, 徐梁剛, 畢家啟, 王國(guó)強(qiáng), 王坤輝 申請(qǐng)人:貴州電網(wǎng)公司輸電運(yùn)行檢修分公司