太阳城集团

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一种直流融冰电源拓扑.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210230071.1

申请日:

2012.07.04

公开号:

太阳城集团CN102761085B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02G 7/16申请日:20120704|||公开
IPC分类号: H02G7/16; H02J3/18; H02M5/458 主分类号: H02G7/16
申请人: 株洲变流技术国家工程研究中心有限公司
发明人: 罗仁俊; 敬华兵; 邓明; 黄艳燕; 秦灿华; 何伯钧
地址: 412001 湖南省株洲市石峰区田心
优先权:
专利代理机构: 北京集佳知识产权代理有限公司 11227 代理人: 王宝筠
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法律状态
申请(专利)号:

CN201210230071.1

授权太阳城集团号:

102761085B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.28|||2012.12.19|||2012.10.31

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明公开了一种直流融冰电源拓扑,其包括第一网侧高压断路器QF1、第二网侧高压断路器QF2、移相多绕组整流变压器、变流器和隔离开关模块。其中,可通过对第一网侧高压断路器QF1、第二网侧高压断路器QF2和隔离开关模块的不同操作,构成不同的拓扑结构:闭合第一网侧高压断路器QF1、断开第二网侧高压断路器QF2、闭合隔离开关模块,即构成直流融冰电源拓扑结构;反之,断开第一网侧高压断路器QF1、闭合第二网侧高压断路器QF2、断开隔离开关模块,即可构成SVG拓扑结构。可见本发明兼具直流融冰功能和静止无功发生器功能,消除了现有直流融冰电源功能单一的缺点,进而提高了其性价比,使其具备良好的工程应用推广前景。

权利要求书

1.一种直流融冰电源拓扑,其特征在于,包括:第一网侧高压断路器
QF1、第二网侧高压断路器QF2、移相多绕组整流变压器、变流器以及隔离开
关模块,其中:
所述第一网侧高压断路器QF1的三相输入端接至高压电网,QF1的三相
输出端接至所述移相多绕组整流变压器的网侧;
所述第二网侧高压断路器QF2的三相输入端接至高压电网,QF2的三相
输出端接至所述变流器的输出下端;
所述移相多绕组整流变压器的二次侧绕组接至所述变流器的三相输入
端,所述移相多绕组整流变压器用于将其网侧的高压转换成二次侧的多组独
立绕组低电压;
所述变流器,用于将交流电源转换为直流融冰功能所需的直流电源,以
及用于对电网进行动态无功补偿;
所述隔离开关模块与所述变流器的输出端相连;
所述变流器的输出端包括变流器的输出上端和输出下端。
2.根据权利要求1所述的直流融冰电源拓扑,其特征在于,所述变流器
为链式多电平变流器,具体包括并联的第一功率单元组U、第二功率单元组V
和第三功率单元组W,其中:
所述第一功率单元组U,包括输出端依次串联的11个功率单元U1~U11;
所述第二功率单元组V,包括输出端依次串联的11个功率单元V1~V11;
所述第三功率单元组W,包括输出端依次串联的11个功率单元W1~W11;
所述功率单元U1~U11、功率单元V1~V11和功率单元W1~W11的三相
输入端分别与相应的移相多绕组整流变压器二次侧独立绕组的三相输出端相
连;
三个功率单元U1、V1、W1的输出上端相互短接。
3.根据权利要求2所述的直流融冰电源拓扑,其特征在于,所述功率单
元包括三相二极管整流桥、直流电容C、均压电阻R以及绝缘栅级双极型晶
体管IGBT H桥,其中:
所述三相二极管整流桥与相应的移相多绕组整流变压器二次侧独立绕组
的三相输出端相连,用于将交流电源转换成直流融冰功能所需的直流电源;
所述直流电容C、所述均压电阻R及所述IGBT H桥,并联于所述三相二
极管整流桥的直流侧;
所述IGBT H桥,用于对所述三相二极管整流桥产生的直流电压进行斩波
控制,以及用于对电网进行动态无功补偿。
4.根据权利要求3所述的直流融冰电源拓扑,其特征在于,还包括三个
连接电抗器La、Lb和Lc,其中:
三个连接电抗器La、Lb和Lc的进线端分别连接至第二网侧高压断路器
QF2的三相输出端;
三个连接电抗器La、Lb和Lc的出线端分别连接至三个功率单元U11、
V11、W11的输出下端。
5.根据权利要求3所述的直流融冰电源拓扑,其特征在于,所述隔离开
关模块包括四个隔离开关QS1、QS2、QS3和QS4,其中:
三个功率单元U1、V1、W1的输出上端相互短接后连接至隔离开关QS3
输入端,QS3输出端作为直流融冰电源的正极输出端;
隔离开关QS1的输入端、输出端分别与连接电抗器La、Lb的进线端相
连;
隔离开关QS2的输入端、输出端分别与连接电抗器Lb、Lc的进线端相
连;
隔离开关QS4的输入端与连接电抗器Lc的进线端相连,QS4的输出端作
为直流融冰电源的负极输出端。
6.根据权利要求1所述的直流融冰电源拓扑,其特征在于,所述移相多
绕组整流变压器的二次侧绕组采用延边三角形接法。
7.根据权利要求1所述的直流融冰电源拓扑,其特征在于,采用直流电
流闭环控制方式,实现直流电流的恒定输出。
8.根据权利要求1所述的直流融冰电源拓扑,其特征在于,采用状态解
耦的双闭环控制策略,对所述直流融冰电源拓扑的SVG功能进行控制。
9.根据权利要求3所述的直流融冰电源拓扑,其特征在于,所述IGBT H
桥包括四个IGBT开关元件,其中,对所述IGBT开关元件采用如下驱动方式:
采用单极倍频载波相移正弦波脉宽调制CPS-SPWM方法产生PWM信
号,利用所述PWM信号对所述IGBT开关元件进行驱动。

说明书

一种直流融冰电源拓扑

技术领域

本发明属于直流融冰电源技术领域,尤其涉及一种直流融冰电源拓扑。

背景技术

输电线路覆冰是电力系统的重大自然灾害之一,其可引起供电中断,甚
至电网解列等事故。而针对上述事故的修复工作难度大、周期长,会对电力
系统乃至国民经济构成严重的威胁。为消除输电线路覆冰带来的危害,通常
采用直流融冰技术对输电线路进行融冰。

直流融冰原理是将覆冰线路作为负载,对其施加直流融冰电源,其中直
流融冰电源采用较低电压提供短路电流对覆冰线路进行加热,进而使覆冰融
化。而当前的直流融冰电源仅有融冰功能,只是会在冬季的特定太阳城集团内才能
发挥作用,存在功能单一的缺点,同时该缺点导致其性价比较低,使其不具
备良好的工程应用推广前景。

发明内容

有鉴于此,本发明的目的在于提供一种直流融冰电源拓扑,使其兼具直
流融冰功能和静止无功发生器的功能,以消除上述功能单一的缺点,进而提
高采用本发明的直流融冰电源的性价比,使其具备良好的工程应用推广前景。

为此,本发明提供如下技术方案:

一种直流融冰电源拓扑,包括:第一网侧高压断路器QF1、第二网侧高
压断路器QF2、移相多绕组整流变压器、变流器以及隔离开关模块,其中:

所述第一网侧高压断路器QF1的三相输入端接至高压电网,QF1的三相
输出端接至所述移相多绕组整流变压器的网侧;

所述第二网侧高压断路器QF2的三相输入端接至高压电网,QF2的三相
输出端接至所述变流器的输出下端;

所述移相多绕组整流变压器的二次侧绕组接至所述变流器的三相输入
端,所述移相多绕组整流变压器用于将其网侧的高压转换成二次侧的多组独
立绕组低电压;

所述变流器,用于将交流电源转换为直流融冰功能所需的直流电源,以
及用于对电网进行动态无功补偿;

所述隔离开关模块与所述变流器的输出端相连;

所述变流器的输出端包括变流器的输出上端和输出下端。

优选的,所述变流器为链式多电平变流器,其具体包括并联的第一功率
单元组U、第二功率单元组V和第三功率单元组W,其中:

所述第一功率单元组U,包括输出端依次串联的11个功率单元U1~U11;

所述第二功率单元组V,包括输出端依次串联的11个功率单元V1~V11;

所述第三功率单元组W,包括输出端依次串联的11个功率单元W1~W11;

所述功率单元U1~U11、功率单元V1~V11和功率单元W1~W11的三相
输入端分别与相应的移相多绕组整流变压器二次侧独立绕组的三相输出端相
连;

三个功率单元U1、V1、W1的输出上端相互短接。

优选的,所述功率单元包括三相二极管整流桥、直流电容C、均压电阻R
以及绝缘栅级双极型晶体管IGBT H桥,其中:

所述三相二极管整流桥与相应的移相多绕组整流变压器二次侧独立绕组
的三相输出端相连,用于将交流电源转换成直流融冰功能所需的直流电源;

所述直流电容C、所述均压电阻R及所述IGBT H桥,并联于所述三相二
极管整流桥的直流侧;

所述IGBT H桥,用于对所述三相二极管整流桥产生的直流电压进行斩波
控制,以及用于对电网进行动态无功补偿。

优选的,所述直流融冰电源拓扑还包括三个连接电抗器La、Lb和Lc,
其中:

三个连接电抗器La、Lb和Lc的进线端分别连接至第二网侧高压断路器
QF2的三相输出端;

三个连接电抗器La、Lb和Lc的出线端分别连接至三个功率单元U11、
V11、W11的输出下端。

优选的,所述隔离开关模块包括四个隔离开关QS1、QS2、QS3和QS4,
其中:

三个功率单元U1、V1、W1的输出上端相互短接后连接至隔离开关QS3
输入端,QS3输出端作为直流融冰电源的正极输出端;

隔离开关QS1的输入端、输出端分别与连接电抗器La、Lb的进线端相
连;

隔离开关QS2的输入端、输出端分别与连接电抗器Lb、Lc的进线端相
连;

隔离开关QS4的输入端与连接电抗器Lc的进线端相连,QS4的输出端作
为直流融冰电源的负极输出端。

优选的,所述移相多绕组整流变压器的二次侧绕组采用延边三角形接法。

优选的,所述直流融冰电源拓扑采用直流电流闭环控制方式,实现直流
电流的恒定输出。

优选的,采用状态解耦的双闭环控制策略,对所述直流融冰电源拓扑的
SVG功能进行控制。

优选的,所述IGBT H桥包括四个IGBT开关元件,其中,对所述IGBT
开关元件采用如下驱动方式:

采用单极倍频载波相移正弦波脉宽调制CPS-SPWM方法产生PWM信
号,利用所述PWM信号对所述IGBT开关元件进行驱动。

本发明实施例提供的直流融冰电源拓扑包括第一网侧高压断路器QF1、
第二网侧高压断路器QF2、移相多绕组整流变压器、变流器以及隔离开关模
块。其中,可通过对第一网侧高压断路器QF1、第二网侧高压断路器QF2以
及隔离开关模块的不同操作,构成不同的拓扑结构:闭合第一网侧高压断路
器QF1、断开第二网侧高压断路器QF2、闭合隔离开关模块,即构成直流融
冰电源拓扑结构;反之,断开第一网侧高压断路器QF1、闭合第二网侧高压
断路器QF2、断开隔离开关模块,即可构成SVG拓扑结构。

可见本发明提供的直流融冰电源拓扑可在直流融冰电源功能与静止无功
发生器功能之间进行切换,即在非融冰太阳城集团可以对电网进行无功补偿,消除
了现有直流融冰电源功能单一的缺点,进而提高了采用本发明的直流融冰电
源的性价比,使其具备良好的工程应用推广前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实
施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面
描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不
付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的直流融冰电源拓扑的一种结构图;

图2是本发明实施例提供的功率单元结构图;

图3是本发明实施例提供的直流融冰功能时的直流融冰电源拓扑结构图;

图4是本发明实施例提供的静止无功发生器功能时的直流融冰电源拓扑
结构图;

图5是本发明实施例提供的直流融冰电源拓扑的另一种结构示意图;

图6是本发明实施例提供的直流融冰功能时的直流融冰电源拓扑的另一
种结构图;

图7是本发明实施例提供的静止无功发生器功能时的直流融冰电源拓扑
的另一种结构图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见,下文中使用的技术名词、简写或缩写总结解释如
下:

SVG:Static Var Generator,静止无功发生器。该装置产生无功和滤除谐
波是靠其内部电子开关频繁动作产生无功电流。SVG的基本原理是自换相桥
式电路通过电抗器或者直接并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出
电压的相位和幅值,或者直接控制其交流侧电流,就可以使该电路吸收或者
发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。

dq变换:是一种解耦控制方法,它将异步电动机的三相绕组变换为等价
的二相绕组,并且把旋转坐标系变换成正交的静止坐标,即可得到用直流量
表示电压及电流的关系式。dq变换使得各个控制量可以分别控制,可以消除
谐波电压和不对称电压的影响,由于应用了同步旋转坐标变换,容易实现基
波与谐波的分离。

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行
清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是
全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创
造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种直流融冰电源拓扑,其兼具直流融冰电源功能和静止
无功发生器功能,请参见图1,该直流融冰电源拓扑包括:第一网侧高压断路
器QF1 101、第二网侧高压断路器QF2 102、移相多绕组整流变压器103、变
流器104以及隔离开关模块105,其中:

第一网侧高压断路器QF1 101的三相输入端接至高压电网,QF1的三相
输出端接至移相多绕组整流变压器103的网侧。

第二网侧高压断路器QF2 102的三相输入端接至高压电网,QF2的三相
输出端接至变流器104的输出下端。

移相多绕组整流变压器103的二次侧绕组接至变流器104的三相输入端,
移相多绕组整流变压器103用于将其网侧的高压转换成二次侧的多组独立绕
组低电压。

其中,移相多绕组整流变压器103的网侧通过第一网侧高压断路器QF1
101接于高压电网,其采用多重化设计形式将网侧的高压转换成二次侧的多组
低电压,二次侧的多个绕组之间相互独立,二次侧绕组具体采用延边三角形
接法,相互之间错开固定的相位差,构成多脉冲整流方式。

变流器104,用于将交流电源转换为直流融冰功能所需的直流电源,以及
用于对电网进行动态无功补偿。

本实施例中,变流器104为链式多电平变流器,其具体采用星型接线,
该变流器104包括并联的第一功率单元组U、第二功率单元组V和第三功率
单元组W,其中:第一功率单元组U,包括输出端依次串联的11个功率单元
U1~U11;第二功率单元组V,包括输出端依次串联的11个功率单元V1~V11;
第三功率单元组W,包括输出端依次串联的11个功率单元W1~W11;上述功
率单元的三相输入端分别与相应的移相多绕组整流变压器103二次侧独立绕
组的三相输出端相连,多个功率单元输出端串联以实现高压输出;三个功率
单元U1、V1、W1的输出上端相互短接。

上述功率单元U1~U11的输出端依次串联具体指:U1的输出下端与U2
的输出上端相连,U2的输出下端与U3的输出上端相连,依次类推,直至U10
的输出下端与U11的输出上端相连,相应地,功率单元V1~V11的输出端依
次串联的方式、功率单元W1~W11的输出端依次串联的方式与上述功率单元
U1~U11的串联方式相同,不再详述。

其中,由于移相多绕组整流变压器103二次侧的多个绕组之间相互独立,
与其二次侧的多个绕组分别相连的多个功率单元所在的主回路相对独立,且
工作于低电压状态。

具体地,上述第一功率单元组U、第二功率单元组V和第三功率单元组
W分别对应变流器104的A、B、C三相,即变流器104每相由多个包含IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)H桥204(下文述
及)的功率单元级联而成。

请参见图2,上述功率单元具体包括三相二极管整流桥201、直流电容C
202、均压电阻R 203以及绝缘栅级双极型晶体管IGBT H桥204,其中:三
相二极管整流桥201与相应的移相多绕组整流变压器二次侧独立绕组的三相
输出端相连,用于将交流电源转换成直流融冰功能所需的直流电源;直流电
容C 202、均压电阻R 203及IGBT H桥204,均并联于三相二极管整流桥201
的直流侧;IGBT H桥204,用于对三相二极管整流桥201产生的直流电压进
行斩波控制,以及用于对电网进行动态无功补偿。

其中,请参见图2,功率单元通过IGBT H桥204引出输出端L1与L2,
IGBT H桥204具体为由四个IGBT开关元件构成的单相H桥电路。

隔离开关模块105与变流器104的输出端相连。

变流器104的输出端包括变流器104的输出上端和输出下端。

具体地,本实施例中,隔离开关模块105包括四个隔离开关QS1、QS2、
QS3和QS4,其中:

三个功率单元U1、V1、W1的输出上端相互短接后连接至隔离开关QS3
输入端,QS3输出端作为直流融冰电源的正极输出端,如图1中标号+所示端
子。

隔离开关QS1的输入端、输出端分别与功率单元U11、V11的输出下端
相连;隔离开关QS2的输入端、输出端分别与功率单元V11、W11的输出下
端相连;隔离开关QS4的输入端与功率单元W11的输出下端相连,QS4的输
出端作为直流融冰电源的负极输出端,如图1中标号-所示端子。

基于本发明提供的直流融冰电源拓扑,对其包括的第一网侧高压断路器
QF1 101、第二网侧高压断路器QF2 102、隔离开关模块105进行不同操作,
可构成具有不同功能的拓扑结构。在实施本发明时,具体可通过控制程序,
实现其在直流融冰电源功能与静止无功发生器功能之间进行切换,以拓展现
有技术中直流融冰电源单一功能,使其在非融冰太阳城集团可以进行电网无功补偿。
以下对不同操作时,构成的不同拓扑结构进行详细描述:

(一)直流融冰电源拓扑结构

闭合网侧高压断路器QF1 101,断开高压断路器QF2 102,闭合隔离开关
QS1、QS2、QS3、QS4,构成直流融冰电源拓扑结构。

请参见图3,该结构具体包括网侧高压断路器QF1 101、移相多绕组整流
变压器103、变流器104和四个隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4。其中,移
相多绕组整流变压器103为变流器104所包括的多个功率单元供电,每个功
率单元的三相二极管整流桥201生成稳定的直流电压,之后,IGBT H桥204
对该直流电压进行斩波控制后输出连续可调的直流电压。前已述及,构成变
流器104每相的多个功率单元输出端串联,从而可输出连续可调高电压。构
成A、B、C三相的第一功率单元组U、第二功率单元组V和第三功率单元组
W形成三路直流电源,本实施例中,三路直流电源并联输出,形成高电压、
大电流和大容量的直流融冰电源。

具体地,本实施例中,采用直流电流闭环控制方式,实现直流融冰电源
的直流电流的恒定输出。

(二)静止无功发生器拓扑结构

断开网侧高压断路器QF1 101,闭合高压断路器QF2 102,断开隔离开关
QS1、QS2、QS3、QS4,构成静止无功发生器拓扑结构。

请参见图4,该静止无功发生器拓扑结构具体包括第二网侧高压断路器
QF2102和变流器104。静止无功发生器依靠变流器104内部的IGBT H桥204
所包括的IGBT开关元件频繁动作产生无功电流,用以对电网进行无功补偿。
具体地,本实施例中,采用单极倍频CPS-SPWM(Carrier Phase Shifting SPWM,
载波相移正弦波脉宽调制)方法产生PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽
度调制)信号,利用上述PWM信号对上述IGBT开关元件进行驱动。

具体地,在静止无功发生器拓扑结构时,检测网侧电压和电流信号,对
电压和电流信号通过dq变换实现无功功率计算并采用状态解耦的双闭环控制
策略对静止无功发生器功能进行控制。

本发明实施例提供的直流融冰电源拓扑包括第一网侧高压断路器QF1
101、第二网侧高压断路器QF2102、移相多绕组整流变压器103、变流器104
以及隔离开关模块105。其中,可通过对第一网侧高压断路器QF1 101、第二
网侧高压断路器QF2 102以及隔离开关模块105的不同操作,构成不同的拓
扑结构:闭合第一网侧高压断路器QF1 101、断开第二网侧高压断路器QF2
102、闭合隔离开关模块105,即构成直流融冰电源拓扑结构;反之,断开第
一网侧高压断路器QF1 101、闭合第二网侧高压断路器QF2 102、断开隔离开
关模块105,即可构成SVG拓扑结构。

可见本发明提供的直流融冰电源拓扑可在直流融冰电源功能与静止无功
发生器功能之间进行切换,即在非融冰太阳城集团可以对电网进行无功补偿,消除
了现有直流融冰电源功能单一的缺点,进而提高了采用本发明的直流融冰电
源的性价比,使其具备良好的工程应用推广前景。

在本发明其他实施例中,请参见图5,上述直流融冰电源拓扑还可包括三
个连接电抗器La、Lb和Lc,其中:三个连接电抗器La、Lb和Lc的进线端
分别连接至第二网侧高压断路器QF2的三相输出端;三个连接电抗器La、Lb
和Lc的出线端分别连接至三个功率单元U11、V11、W11的输出下端。相应
地,隔离开关QS1的输入端、输出端分别与连接电抗器La、Lb的进线端相
连;隔离开关QS2的输入端、输出端分别与连接电抗器Lb、Lc的进线端相
连;隔离开关QS4的输入端与连接电抗器Lc的进线端相连,QS4的输出端作
为直流融冰电源的负极输出端。

请参见图6和图7,其分别为包括上述三个连接电抗器La、Lb和Lc的
直流融冰电源拓扑结构和静止无功发生器拓扑结构。

该实施例中的三个连接电抗器La、Lb和Lc在直流融冰电源拓扑结构时,
可起到抑制上述三路直流电源并联时产生的环流的作用;在静止无功发生器
拓扑结构时起到限流储能的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普
通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润
饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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一种 直流 电源 拓扑
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