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一種直流融冰電源拓撲.pdf

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一種 直流 電源 拓撲
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摘要
申請專利號:

CN201210230071.1

申請日:

2012.07.04

公開號:

CN102761085B

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):H02G 7/16申請日:20120704|||公開
IPC分類號: H02G7/16; H02J3/18; H02M5/458 主分類號: H02G7/16
申請人: 株洲變流技術國家工程研究中心有限公司
發明人: 羅仁俊; 敬華兵; 鄧明; 黃艷燕; 秦燦華; 何伯鈞
地址: 412001 湖南省株洲市石峰區田心
優先權:
專利代理機構: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227 代理人: 王寶筠
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210230071.1

授權公告號:

102761085B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.12.19|||2012.10.31

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種直流融冰電源拓撲,其包括第一網側高壓斷路器QF1、第二網側高壓斷路器QF2、移相多繞組整流變壓器、變流器和隔離開關模塊。其中,可通過對第一網側高壓斷路器QF1、第二網側高壓斷路器QF2和隔離開關模塊的不同操作,構成不同的拓撲結構:閉合第一網側高壓斷路器QF1、斷開第二網側高壓斷路器QF2、閉合隔離開關模塊,即構成直流融冰電源拓撲結構;反之,斷開第一網側高壓斷路器QF1、閉合第二網側高壓斷路器QF2、斷開隔離開關模塊,即可構成SVG拓撲結構。可見本發明兼具直流融冰功能和靜止無功發生器功能,消除了現有直流融冰電源功能單一的缺點,進而提高了其性價比,使其具備良好的工程應用推廣前景。

權利要求書

1.一種直流融冰電源拓撲,其特征在于,包括:第一網側高壓斷路器
QF1、第二網側高壓斷路器QF2、移相多繞組整流變壓器、變流器以及隔離開
關模塊,其中:
所述第一網側高壓斷路器QF1的三相輸入端接至高壓電網,QF1的三相
輸出端接至所述移相多繞組整流變壓器的網側;
所述第二網側高壓斷路器QF2的三相輸入端接至高壓電網,QF2的三相
輸出端接至所述變流器的輸出下端;
所述移相多繞組整流變壓器的二次側繞組接至所述變流器的三相輸入
端,所述移相多繞組整流變壓器用于將其網側的高壓轉換成二次側的多組獨
立繞組低電壓;
所述變流器,用于將交流電源轉換為直流融冰功能所需的直流電源,以
及用于對電網進行動態無功補償;
所述隔離開關模塊與所述變流器的輸出端相連;
所述變流器的輸出端包括變流器的輸出上端和輸出下端。
2.根據權利要求1所述的直流融冰電源拓撲,其特征在于,所述變流器
為鏈式多電平變流器,具體包括并聯的第一功率單元組U、第二功率單元組V
和第三功率單元組W,其中:
所述第一功率單元組U,包括輸出端依次串聯的11個功率單元U1~U11;
所述第二功率單元組V,包括輸出端依次串聯的11個功率單元V1~V11;
所述第三功率單元組W,包括輸出端依次串聯的11個功率單元W1~W11;
所述功率單元U1~U11、功率單元V1~V11和功率單元W1~W11的三相
輸入端分別與相應的移相多繞組整流變壓器二次側獨立繞組的三相輸出端相
連;
三個功率單元U1、V1、W1的輸出上端相互短接。
3.根據權利要求2所述的直流融冰電源拓撲,其特征在于,所述功率單
元包括三相二極管整流橋、直流電容C、均壓電阻R以及絕緣柵級雙極型晶
體管IGBT?H橋,其中:
所述三相二極管整流橋與相應的移相多繞組整流變壓器二次側獨立繞組
的三相輸出端相連,用于將交流電源轉換成直流融冰功能所需的直流電源;
所述直流電容C、所述均壓電阻R及所述IGBT?H橋,并聯于所述三相二
極管整流橋的直流側;
所述IGBT?H橋,用于對所述三相二極管整流橋產生的直流電壓進行斬波
控制,以及用于對電網進行動態無功補償。
4.根據權利要求3所述的直流融冰電源拓撲,其特征在于,還包括三個
連接電抗器La、Lb和Lc,其中:
三個連接電抗器La、Lb和Lc的進線端分別連接至第二網側高壓斷路器
QF2的三相輸出端;
三個連接電抗器La、Lb和Lc的出線端分別連接至三個功率單元U11、
V11、W11的輸出下端。
5.根據權利要求3所述的直流融冰電源拓撲,其特征在于,所述隔離開
關模塊包括四個隔離開關QS1、QS2、QS3和QS4,其中:
三個功率單元U1、V1、W1的輸出上端相互短接后連接至隔離開關QS3
輸入端,QS3輸出端作為直流融冰電源的正極輸出端;
隔離開關QS1的輸入端、輸出端分別與連接電抗器La、Lb的進線端相
連;
隔離開關QS2的輸入端、輸出端分別與連接電抗器Lb、Lc的進線端相
連;
隔離開關QS4的輸入端與連接電抗器Lc的進線端相連,QS4的輸出端作
為直流融冰電源的負極輸出端。
6.根據權利要求1所述的直流融冰電源拓撲,其特征在于,所述移相多
繞組整流變壓器的二次側繞組采用延邊三角形接法。
7.根據權利要求1所述的直流融冰電源拓撲,其特征在于,采用直流電
流閉環控制方式,實現直流電流的恒定輸出。
8.根據權利要求1所述的直流融冰電源拓撲,其特征在于,采用狀態解
耦的雙閉環控制策略,對所述直流融冰電源拓撲的SVG功能進行控制。
9.根據權利要求3所述的直流融冰電源拓撲,其特征在于,所述IGBT?H
橋包括四個IGBT開關元件,其中,對所述IGBT開關元件采用如下驅動方式:
采用單極倍頻載波相移正弦波脈寬調制CPS-SPWM方法產生PWM信
號,利用所述PWM信號對所述IGBT開關元件進行驅動。

說明書

一種直流融冰電源拓撲

技術領域

本發明屬于直流融冰電源技術領域,尤其涉及一種直流融冰電源拓撲。

背景技術

輸電線路覆冰是電力系統的重大自然災害之一,其可引起供電中斷,甚
至電網解列等事故。而針對上述事故的修復工作難度大、周期長,會對電力
系統乃至國民經濟構成嚴重的威脅。為消除輸電線路覆冰帶來的危害,通常
采用直流融冰技術對輸電線路進行融冰。

直流融冰原理是將覆冰線路作為負載,對其施加直流融冰電源,其中直
流融冰電源采用較低電壓提供短路電流對覆冰線路進行加熱,進而使覆冰融
化。而當前的直流融冰電源僅有融冰功能,只是會在冬季的特定時間內才能
發揮作用,存在功能單一的缺點,同時該缺點導致其性價比較低,使其不具
備良好的工程應用推廣前景。

發明內容

有鑒于此,本發明的目的在于提供一種直流融冰電源拓撲,使其兼具直
流融冰功能和靜止無功發生器的功能,以消除上述功能單一的缺點,進而提
高采用本發明的直流融冰電源的性價比,使其具備良好的工程應用推廣前景。

為此,本發明提供如下技術方案:

一種直流融冰電源拓撲,包括:第一網側高壓斷路器QF1、第二網側高
壓斷路器QF2、移相多繞組整流變壓器、變流器以及隔離開關模塊,其中:

所述第一網側高壓斷路器QF1的三相輸入端接至高壓電網,QF1的三相
輸出端接至所述移相多繞組整流變壓器的網側;

所述第二網側高壓斷路器QF2的三相輸入端接至高壓電網,QF2的三相
輸出端接至所述變流器的輸出下端;

所述移相多繞組整流變壓器的二次側繞組接至所述變流器的三相輸入
端,所述移相多繞組整流變壓器用于將其網側的高壓轉換成二次側的多組獨
立繞組低電壓;

所述變流器,用于將交流電源轉換為直流融冰功能所需的直流電源,以
及用于對電網進行動態無功補償;

所述隔離開關模塊與所述變流器的輸出端相連;

所述變流器的輸出端包括變流器的輸出上端和輸出下端。

優選的,所述變流器為鏈式多電平變流器,其具體包括并聯的第一功率
單元組U、第二功率單元組V和第三功率單元組W,其中:

所述第一功率單元組U,包括輸出端依次串聯的11個功率單元U1~U11;

所述第二功率單元組V,包括輸出端依次串聯的11個功率單元V1~V11;

所述第三功率單元組W,包括輸出端依次串聯的11個功率單元W1~W11;

所述功率單元U1~U11、功率單元V1~V11和功率單元W1~W11的三相
輸入端分別與相應的移相多繞組整流變壓器二次側獨立繞組的三相輸出端相
連;

三個功率單元U1、V1、W1的輸出上端相互短接。

優選的,所述功率單元包括三相二極管整流橋、直流電容C、均壓電阻R
以及絕緣柵級雙極型晶體管IGBT?H橋,其中:

所述三相二極管整流橋與相應的移相多繞組整流變壓器二次側獨立繞組
的三相輸出端相連,用于將交流電源轉換成直流融冰功能所需的直流電源;

所述直流電容C、所述均壓電阻R及所述IGBT?H橋,并聯于所述三相二
極管整流橋的直流側;

所述IGBT?H橋,用于對所述三相二極管整流橋產生的直流電壓進行斬波
控制,以及用于對電網進行動態無功補償。

優選的,所述直流融冰電源拓撲還包括三個連接電抗器La、Lb和Lc,
其中:

三個連接電抗器La、Lb和Lc的進線端分別連接至第二網側高壓斷路器
QF2的三相輸出端;

三個連接電抗器La、Lb和Lc的出線端分別連接至三個功率單元U11、
V11、W11的輸出下端。

優選的,所述隔離開關模塊包括四個隔離開關QS1、QS2、QS3和QS4,
其中:

三個功率單元U1、V1、W1的輸出上端相互短接后連接至隔離開關QS3
輸入端,QS3輸出端作為直流融冰電源的正極輸出端;

隔離開關QS1的輸入端、輸出端分別與連接電抗器La、Lb的進線端相
連;

隔離開關QS2的輸入端、輸出端分別與連接電抗器Lb、Lc的進線端相
連;

隔離開關QS4的輸入端與連接電抗器Lc的進線端相連,QS4的輸出端作
為直流融冰電源的負極輸出端。

優選的,所述移相多繞組整流變壓器的二次側繞組采用延邊三角形接法。

優選的,所述直流融冰電源拓撲采用直流電流閉環控制方式,實現直流
電流的恒定輸出。

優選的,采用狀態解耦的雙閉環控制策略,對所述直流融冰電源拓撲的
SVG功能進行控制。

優選的,所述IGBT?H橋包括四個IGBT開關元件,其中,對所述IGBT
開關元件采用如下驅動方式:

采用單極倍頻載波相移正弦波脈寬調制CPS-SPWM方法產生PWM信
號,利用所述PWM信號對所述IGBT開關元件進行驅動。

本發明實施例提供的直流融冰電源拓撲包括第一網側高壓斷路器QF1、
第二網側高壓斷路器QF2、移相多繞組整流變壓器、變流器以及隔離開關模
塊。其中,可通過對第一網側高壓斷路器QF1、第二網側高壓斷路器QF2以
及隔離開關模塊的不同操作,構成不同的拓撲結構:閉合第一網側高壓斷路
器QF1、斷開第二網側高壓斷路器QF2、閉合隔離開關模塊,即構成直流融
冰電源拓撲結構;反之,斷開第一網側高壓斷路器QF1、閉合第二網側高壓
斷路器QF2、斷開隔離開關模塊,即可構成SVG拓撲結構。

可見本發明提供的直流融冰電源拓撲可在直流融冰電源功能與靜止無功
發生器功能之間進行切換,即在非融冰時間可以對電網進行無功補償,消除
了現有直流融冰電源功能單一的缺點,進而提高了采用本發明的直流融冰電
源的性價比,使其具備良好的工程應用推廣前景。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案,下面將對實
施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面
描述中的附圖是本發明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,在不
付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例提供的直流融冰電源拓撲的一種結構圖;

圖2是本發明實施例提供的功率單元結構圖;

圖3是本發明實施例提供的直流融冰功能時的直流融冰電源拓撲結構圖;

圖4是本發明實施例提供的靜止無功發生器功能時的直流融冰電源拓撲
結構圖;

圖5是本發明實施例提供的直流融冰電源拓撲的另一種結構示意圖;

圖6是本發明實施例提供的直流融冰功能時的直流融冰電源拓撲的另一
種結構圖;

圖7是本發明實施例提供的靜止無功發生器功能時的直流融冰電源拓撲
的另一種結構圖。

具體實施方式

為了引用和清楚起見,下文中使用的技術名詞、簡寫或縮寫總結解釋如
下:

SVG:Static?Var?Generator,靜止無功發生器。該裝置產生無功和濾除諧
波是靠其內部電子開關頻繁動作產生無功電流。SVG的基本原理是自換相橋
式電路通過電抗器或者直接并聯在電網上,適當地調節橋式電路交流側輸出
電壓的相位和幅值,或者直接控制其交流側電流,就可以使該電路吸收或者
發出滿足要求的無功電流,實現動態無功補償的目的。

dq變換:是一種解耦控制方法,它將異步電動機的三相繞組變換為等價
的二相繞組,并且把旋轉坐標系變換成正交的靜止坐標,即可得到用直流量
表示電壓及電流的關系式。dq變換使得各個控制量可以分別控制,可以消除
諧波電壓和不對稱電壓的影響,由于應用了同步旋轉坐標變換,容易實現基
波與諧波的分離。

下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行
清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例是本發明一部分實施例,而不是
全部的實施例。基于本發明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創
造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發明保護的范圍。

本發明提供了一種直流融冰電源拓撲,其兼具直流融冰電源功能和靜止
無功發生器功能,請參見圖1,該直流融冰電源拓撲包括:第一網側高壓斷路
器QF1?101、第二網側高壓斷路器QF2?102、移相多繞組整流變壓器103、變
流器104以及隔離開關模塊105,其中:

第一網側高壓斷路器QF1?101的三相輸入端接至高壓電網,QF1的三相
輸出端接至移相多繞組整流變壓器103的網側。

第二網側高壓斷路器QF2?102的三相輸入端接至高壓電網,QF2的三相
輸出端接至變流器104的輸出下端。

移相多繞組整流變壓器103的二次側繞組接至變流器104的三相輸入端,
移相多繞組整流變壓器103用于將其網側的高壓轉換成二次側的多組獨立繞
組低電壓。

其中,移相多繞組整流變壓器103的網側通過第一網側高壓斷路器QF1
101接于高壓電網,其采用多重化設計形式將網側的高壓轉換成二次側的多組
低電壓,二次側的多個繞組之間相互獨立,二次側繞組具體采用延邊三角形
接法,相互之間錯開固定的相位差,構成多脈沖整流方式。

變流器104,用于將交流電源轉換為直流融冰功能所需的直流電源,以及
用于對電網進行動態無功補償。

本實施例中,變流器104為鏈式多電平變流器,其具體采用星型接線,
該變流器104包括并聯的第一功率單元組U、第二功率單元組V和第三功率
單元組W,其中:第一功率單元組U,包括輸出端依次串聯的11個功率單元
U1~U11;第二功率單元組V,包括輸出端依次串聯的11個功率單元V1~V11;
第三功率單元組W,包括輸出端依次串聯的11個功率單元W1~W11;上述功
率單元的三相輸入端分別與相應的移相多繞組整流變壓器103二次側獨立繞
組的三相輸出端相連,多個功率單元輸出端串聯以實現高壓輸出;三個功率
單元U1、V1、W1的輸出上端相互短接。

上述功率單元U1~U11的輸出端依次串聯具體指:U1的輸出下端與U2
的輸出上端相連,U2的輸出下端與U3的輸出上端相連,依次類推,直至U10
的輸出下端與U11的輸出上端相連,相應地,功率單元V1~V11的輸出端依
次串聯的方式、功率單元W1~W11的輸出端依次串聯的方式與上述功率單元
U1~U11的串聯方式相同,不再詳述。

其中,由于移相多繞組整流變壓器103二次側的多個繞組之間相互獨立,
與其二次側的多個繞組分別相連的多個功率單元所在的主回路相對獨立,且
工作于低電壓狀態。

具體地,上述第一功率單元組U、第二功率單元組V和第三功率單元組
W分別對應變流器104的A、B、C三相,即變流器104每相由多個包含IGBT
(Insulated?Gate?Bipolar?Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)H橋204(下文述
及)的功率單元級聯而成。

請參見圖2,上述功率單元具體包括三相二極管整流橋201、直流電容C
202、均壓電阻R?203以及絕緣柵級雙極型晶體管IGBT?H橋204,其中:三
相二極管整流橋201與相應的移相多繞組整流變壓器二次側獨立繞組的三相
輸出端相連,用于將交流電源轉換成直流融冰功能所需的直流電源;直流電
容C?202、均壓電阻R?203及IGBT?H橋204,均并聯于三相二極管整流橋201
的直流側;IGBT?H橋204,用于對三相二極管整流橋201產生的直流電壓進
行斬波控制,以及用于對電網進行動態無功補償。

其中,請參見圖2,功率單元通過IGBT?H橋204引出輸出端L1與L2,
IGBT?H橋204具體為由四個IGBT開關元件構成的單相H橋電路。

隔離開關模塊105與變流器104的輸出端相連。

變流器104的輸出端包括變流器104的輸出上端和輸出下端。

具體地,本實施例中,隔離開關模塊105包括四個隔離開關QS1、QS2、
QS3和QS4,其中:

三個功率單元U1、V1、W1的輸出上端相互短接后連接至隔離開關QS3
輸入端,QS3輸出端作為直流融冰電源的正極輸出端,如圖1中標號+所示端
子。

隔離開關QS1的輸入端、輸出端分別與功率單元U11、V11的輸出下端
相連;隔離開關QS2的輸入端、輸出端分別與功率單元V11、W11的輸出下
端相連;隔離開關QS4的輸入端與功率單元W11的輸出下端相連,QS4的輸
出端作為直流融冰電源的負極輸出端,如圖1中標號-所示端子。

基于本發明提供的直流融冰電源拓撲,對其包括的第一網側高壓斷路器
QF1?101、第二網側高壓斷路器QF2?102、隔離開關模塊105進行不同操作,
可構成具有不同功能的拓撲結構。在實施本發明時,具體可通過控制程序,
實現其在直流融冰電源功能與靜止無功發生器功能之間進行切換,以拓展現
有技術中直流融冰電源單一功能,使其在非融冰時間可以進行電網無功補償。
以下對不同操作時,構成的不同拓撲結構進行詳細描述:

(一)直流融冰電源拓撲結構

閉合網側高壓斷路器QF1?101,斷開高壓斷路器QF2?102,閉合隔離開關
QS1、QS2、QS3、QS4,構成直流融冰電源拓撲結構。

請參見圖3,該結構具體包括網側高壓斷路器QF1?101、移相多繞組整流
變壓器103、變流器104和四個隔離開關QS1、QS2、QS3、QS4。其中,移
相多繞組整流變壓器103為變流器104所包括的多個功率單元供電,每個功
率單元的三相二極管整流橋201生成穩定的直流電壓,之后,IGBT?H橋204
對該直流電壓進行斬波控制后輸出連續可調的直流電壓。前已述及,構成變
流器104每相的多個功率單元輸出端串聯,從而可輸出連續可調高電壓。構
成A、B、C三相的第一功率單元組U、第二功率單元組V和第三功率單元組
W形成三路直流電源,本實施例中,三路直流電源并聯輸出,形成高電壓、
大電流和大容量的直流融冰電源。

具體地,本實施例中,采用直流電流閉環控制方式,實現直流融冰電源
的直流電流的恒定輸出。

(二)靜止無功發生器拓撲結構

斷開網側高壓斷路器QF1?101,閉合高壓斷路器QF2?102,斷開隔離開關
QS1、QS2、QS3、QS4,構成靜止無功發生器拓撲結構。

請參見圖4,該靜止無功發生器拓撲結構具體包括第二網側高壓斷路器
QF2102和變流器104。靜止無功發生器依靠變流器104內部的IGBT?H橋204
所包括的IGBT開關元件頻繁動作產生無功電流,用以對電網進行無功補償。
具體地,本實施例中,采用單極倍頻CPS-SPWM(Carrier?Phase?Shifting?SPWM,
載波相移正弦波脈寬調制)方法產生PWM(Pulse?Width?Modulation,脈沖寬
度調制)信號,利用上述PWM信號對上述IGBT開關元件進行驅動。

具體地,在靜止無功發生器拓撲結構時,檢測網側電壓和電流信號,對
電壓和電流信號通過dq變換實現無功功率計算并采用狀態解耦的雙閉環控制
策略對靜止無功發生器功能進行控制。

本發明實施例提供的直流融冰電源拓撲包括第一網側高壓斷路器QF1
101、第二網側高壓斷路器QF2102、移相多繞組整流變壓器103、變流器104
以及隔離開關模塊105。其中,可通過對第一網側高壓斷路器QF1?101、第二
網側高壓斷路器QF2?102以及隔離開關模塊105的不同操作,構成不同的拓
撲結構:閉合第一網側高壓斷路器QF1?101、斷開第二網側高壓斷路器QF2
102、閉合隔離開關模塊105,即構成直流融冰電源拓撲結構;反之,斷開第
一網側高壓斷路器QF1?101、閉合第二網側高壓斷路器QF2?102、斷開隔離開
關模塊105,即可構成SVG拓撲結構。

可見本發明提供的直流融冰電源拓撲可在直流融冰電源功能與靜止無功
發生器功能之間進行切換,即在非融冰時間可以對電網進行無功補償,消除
了現有直流融冰電源功能單一的缺點,進而提高了采用本發明的直流融冰電
源的性價比,使其具備良好的工程應用推廣前景。

在本發明其他實施例中,請參見圖5,上述直流融冰電源拓撲還可包括三
個連接電抗器La、Lb和Lc,其中:三個連接電抗器La、Lb和Lc的進線端
分別連接至第二網側高壓斷路器QF2的三相輸出端;三個連接電抗器La、Lb
和Lc的出線端分別連接至三個功率單元U11、V11、W11的輸出下端。相應
地,隔離開關QS1的輸入端、輸出端分別與連接電抗器La、Lb的進線端相
連;隔離開關QS2的輸入端、輸出端分別與連接電抗器Lb、Lc的進線端相
連;隔離開關QS4的輸入端與連接電抗器Lc的進線端相連,QS4的輸出端作
為直流融冰電源的負極輸出端。

請參見圖6和圖7,其分別為包括上述三個連接電抗器La、Lb和Lc的
直流融冰電源拓撲結構和靜止無功發生器拓撲結構。

該實施例中的三個連接電抗器La、Lb和Lc在直流融冰電源拓撲結構時,
可起到抑制上述三路直流電源并聯時產生的環流的作用;在靜止無功發生器
拓撲結構時起到限流儲能的作用。

以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普
通技術人員來說,在不脫離本發明原理的前提下,還可以做出若干改進和潤
飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。

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