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基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置.pdf

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基于 單相 矩陣 變換器 弧線 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201210103437.9

申請日:

2012.04.10

公開號:

CN102638032B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02H 9/08申請日:20120410|||公開
IPC分類號: H02H9/08; H02J3/01 主分類號: H02H9/08
申請人: 上海交通大學
發明人: 徐波; 蔡旭
地址: 200240 上海市閔行區東川路800號
優先權:
專利代理機構: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225 代理人: 趙志遠
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210103437.9

授權公告號:

102638032B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.10.03|||2012.08.15

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置,該裝置連接在電網中性點與大地之間,其特征在于,所述的裝置包括由雙向開關組成的單相矩陣變換器、電抗器和控制器,所述的單相矩陣變換器的輸入端與電網中性點連接,輸出端與電抗器連接,所述的控制器與單相矩陣變換器連接;控制器發出觸發信號控制單相矩陣變換器中雙向開關的導通與關斷,進而控制電抗器兩端的電壓和電流,改變消弧線圈裝置的工作電流。與現有技術相比,本發明具有快速補償接地點電流、響應時間短、低次諧波少等優點。

權利要求書

1.一種基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置,該裝置連接在電網中性點與大
地之間,其特征在于,所述的裝置包括由雙向開關組成的單相矩陣變換器、電抗器
和控制器,所述的單相矩陣變換器的輸入端與電網中性點連接,輸出端與電抗器連
接,所述的控制器與單相矩陣變換器連接;
控制器發出觸發信號控制單相矩陣變換器中雙向開關的導通與關斷,進而控制
電抗器兩端的電壓和電流,改變消弧線圈裝置的工作電流。
2.根據權利要求1所述的一種基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置,其特征
在于,所述的單相矩陣變換器包括四個雙向開關。
3.根據權利要求2所述的一種基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置,其特征
在于,所述的雙向開關由2個絕緣柵雙極型晶體管IGBT模塊以共集電極的方式反
向串聯而成。
4.根據權利要求3所述的一種基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置,其特征
在于,所述的IGBT模塊由一個IGBT分立器件和一個二極管并聯而成。
5.根據權利要求1所述的一種基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置,其特征
在于,所述的單相矩陣變換器上設有與大地連接的接地端。

說明書

基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置

技術領域

本發明涉及一種電網用消弧線圈裝置,尤其是涉及一種基于單相矩陣變換器
的消弧線圈裝置。

背景技術

在我國中壓配電網中,單相接地故障占總故障的80%以上,因此對單相接地
危害的治理非常重要。其主要治理手段之一是在電網中性點安裝消弧線圈以補償接
地電流并利用接地選線裝置快速查找接地支路并排除故障。消弧線圈是一種接在電
網中性點與大地之間的裝置,當電網發生單相接地故障時消弧線圈輸出感性電流以
抵消流過接地點的容性電流,從而熄滅電弧且抑制電弧重燃。目前使用較多的消弧
線圈有調氣隙式、調匝式、調容式、相控式等。

經對現有文獻的檢索發現,《電力系統諧振接地》(要煥年,曹梅月編著。北京:
中國電力出版社)等文獻指出:調氣隙式要求精密的機械傳動機構,并且響應時間
長,振動和噪聲比較大;調匝式需要有載開關調節線圈匝數,而且電感量不能連續
調節;調容式因并聯電容器容量的下降可能導致補償電流不穩定;相控式由于會產
生諧波,因而需要增加額外的濾波裝置。

經過對現有專利的檢索發現,中國專利文獻號CN201805225U記載了一種基
于IGBT控制的無級調節消弧線圈,該技術是“將高短路阻抗變壓器的一次繞組作
為工作繞組,二次繞組作為控制繞組,在二次繞組回路上串聯絕緣柵雙極型晶體管
IGBT模塊;在使用時將工作繞組接入電網系統中性點,二次繞組回路上串聯絕緣
柵雙極型晶體管IGBT模塊”,雖然無需安裝濾波裝置,但在斬波控制時二次繞組
需要增加換流回路。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能補償接地
點電流、熄滅電弧及抑制電弧重燃,而且電感量連續可調,響應時間短的基于單相
矩陣變換器的消弧線圈裝置。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:

一種基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置,該裝置連接在電網中性點與大地之
間,其特征在于,所述的裝置包括由雙向開關組成的單相矩陣變換器、電抗器和控
制器,所述的單相矩陣變換器的輸入端與電網中性點連接,輸出端與電抗器連接,
所述的控制器與單相矩陣變換器連接;

控制器發出觸發信號控制單相矩陣變換器中雙向開關的導通與關斷,進而控制
電抗器兩端的電壓和電流,改變消弧線圈裝置的工作電流。

所述的單相矩陣變換器包括四個雙向開關。

所述的雙向開關由2個絕緣柵雙極型晶體管IGBT模塊以共集電極的方式反向
串聯而成。

所述的IGBT模塊由一個IGBT分立器件和一個二極管并聯而成。

所述的單相矩陣變換器上設有與大地連接的接地端。

與現有技術相比,本發明具有以下優點:

(1)該裝置采用單相矩陣變換器,利用全控型器件(IGBT)控制電抗器,響應
時間短,調節范圍寬;

(2)由于雙向開關的開關頻率高,消弧線圈裝置的工作電流中含有極少低次諧
波。因而不需要增加額外的濾波裝置。

附圖說明

圖1為本發明的電路原理圖;

圖2為組成單相矩陣變換器的雙向開關的結構示意圖;

圖3為當電網發生單相接地故障時本發明的實施例示意圖;

圖4為組成單相矩陣變換器的雙向開關的一種控制信號示意圖。

圖中,R和L分別表示電抗器的等效電阻和電感;S1,S2,S3及S4表示雙
向開關;S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b、S4a及S4b分別表示單向開關;A表示
單相矩陣變換器的輸入端,GND表示單相矩陣變換器的接地端;T表示電力變壓
器,iw為單相矩陣變換器的輸入電流,io、uo分別為單相矩陣變換器的輸出電流和
輸出電壓;G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a及G4b分別表示單相開關S1a、
S1b、S2a、S2b、S3a、S3b、S4a及S4b的觸發信號;載波uc是幅值為Ucm、頻率
為fc的三角波,參考信號ur是頻率fr=50Hz、幅值為Urm的方波。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

如圖1所示,一種基于單相矩陣變換器的消弧線圈裝置,該裝置連接在電網中
性點與地之間,該裝置包括由雙向開關(S1,S2,S3及S4)組成的單相矩陣變換
器、電抗器和控制器。單相矩陣變換器的輸入端A與電力變壓器T中性點連接,
輸出端與電抗器連接,控制器與單相矩陣變換器連接,單相矩陣變換器的接地端
GND與地連接。電抗器以等效電阻R和電感L表示。具體應用時可根據消弧線圈
的容量不同,選擇合適的電抗器和雙向開關。

如圖2所示,一般的IGBT模塊由一個IGBT分立器件和一個二極管并聯而成,
本發明采用的雙向開關由2個IGBT模塊以共集電極的方式反向串聯而成。因此可
以認為雙向開關S1由2個單向開關S1a和S1b組成。

如圖3所示,如果電網的電力變壓器T低壓側是Y連接,那么電網的中性點
就是電力變壓器T的中性點;如果電力變壓器T低壓側是Δ連接,即電網沒有中
性點,那么需要通過接地變壓器人工構造出中性點。在本實施例中,單相矩陣變換
器的輸入端A與電力變壓器T的中性點相連。如果該電力變壓器的低壓側是Δ連
接,那么可以通過接地變壓器人為構造中性點。單相矩陣變換器的接地端GND與
大地連接。電網正常運行時,雙向開關處于關斷狀態,消弧線圈不工作,其工作電
流為零。當某條饋線發生單相接地故障時,電網的中性點存在較大電壓,即輸入端
A處存在電壓。當輸出電流io大于零時,單向開關S1b和S4b開通,流過輸入端A
的電流通過單向開關S1b、電抗器及單向開關S4b形成通路。

對單向開關S4b施加圖4所示的控制信號,當單向開關S4b關斷時,可以通
過單向開關S2a提供續流通路以保護電力電子器件。當輸出電流io小于零時,單向
開關S1a和S4a開通,流過輸入端A的電流通過單向開關S1a、電抗器及單向開關
S4a形成通路。同樣對單向開關S1a施加控制信號,當S1a關斷時,通過單向開關
S3b提供續流通路。通過對輸入輸出波形進行傅里葉分析,消弧線圈工作電流iw滿
足式(1)。

i w = [ M + Σ n = 1 ( - 1 ) n 2 sin nMπ cos n ω c t ] MU m sin ( ωt - χ 1 ) | Z 1 | + Σ m = 1 ( - 1 ) n U m sin nMπ sin ( ωt ± n ω c t - χ n ) | Z n | - - - ( 1 ) ]]>

其基頻分量為

i w 1 = M 2 U m sin ( ωt - χ 1 ) | Z 1 | - - - ( 2 ) ]]>

式中,Um是輸入端A電壓的峰值。調制系數0≤M≤1。阻抗
Zn=R+jnωL,Z1=R+jωL是電抗器的阻抗。工作電流iw的基頻分量
iw1的有效值為根據消弧線圈的補償原理,為了達到最佳補償,該
電流Iw1等于電網總的電容電流IC,即因此

M = I C 2 | Z 1 | U m - - - ( 3 ) ]]>

因為電抗器的電阻遠小于其感抗,即R□ωL,所以Z1≈jωL。那么根據式(3)
調制系數M可以近似表示為

M = 2 ωL I C U m - - - ( 4 ) ]]>

因此可以根據以下步驟操作:

(1)根據故障前測定的電網電容電流IC,根據式(3)或(4)選擇控制器的控制
信號的調制系數M。在該實施例中,假設電網電容電流為20A,電抗器的阻抗
為180Ω,電網電壓10kV,Um為相電壓峰值,等于8164V,那么計算可得
M=0.7896。

(2)根據調制系數M的大小,通過控制器可以生成單相矩陣變換器的各雙
向開關的觸發信號,施加于各雙向開關。

(3)測量消弧線圈工作電流,與事先測量的電網的電容電流比較,根據偏差
調整工作電流大小。

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