高压直流供电系统研究（精选8篇）
高压直流供电系统研究 篇1
1 前言
电力系统的迅速发展, 要求大量兴建500千伏以上的超高压输电线路。超高压直流输电 (UHVDC) 主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网、远距离海底电缆或大城市地下电缆送电、配电网络的轻型直流输电等方面。HVDC系统往往是各大电网之间的纽带, 其可靠性对国民经济至关重要。若它发生故障和供电中断, 将使生产停顿以致发生混乱, 甚至会危及人身和设备的安全。所以故障诊断是超高压直流输电技术的核心, 也是HVDC系统供电可靠性的保证。
2 故障诊断方法综述
高压直流输电系统的故障诊断方法主要有:
1) 基于解析模型的方法:该方法应用在线系统辨识技术实时地为系统建立数学模型。当系统中存在故障时, 系统的输入输出关系发生改变, 这些变化就会反映在数学模型中。由于电力系统变的越来越复杂, 因此基于解析模型的方法在实际中的使用受到了很大的限制。
2) 基于专家系统的诊断方法:专家系统是指利用研究领域专家的专业知识进行推理、解决专业的高难度的实际问题的智能系统。由于传统的专家系统存在知识获取困难、知识台阶窄、智能水平低等缺点, 因而其发展受到了限制。
3) 基于神经网络的诊断方法:神经网络模拟人脑的学习功能, 通过训练获得学习能力, 解决那些用数学模型或规则描述难以处理或无法处理的过程。由于神经网络具有较强的非线性映射能力、鲁棒性和容错性, 显示出来了巨大的优势。
4) 基于支持向量机 (SVM) 的诊断方法:SVM基于结构风险最小化原则, 成功解决了高维问题和局部极值问题, 具备了神经网络所不具备的处理小样本问题的能力, 因而越来越受到人们的重视。
3 支持向量机的基本理论
支持向量机是由Vapnik和他的合作者提出的基于统计学习理论的通用机器学习方法。与传统的基于知识的学习方法相比, SVM既能有效地处理非线性数据, 又能限制过学习, 尤其适合于小样本集的数据处理。它可在高维特征空间使用线性函数假设空间进行学习, 用有限样本得到较好的模型泛化性能, 同时使模型的结构和参数易于优化。所以虽然该理论发展时间较短, 但已广泛应用于模式识别、回归估计等领域, 在故障诊断和系统辨识领域也有广阔的应用空间。
对于一个线性可分的样本集 (xi, yi) , i=1, 2
···, n, x∈Rd, d为空间向量维数, undefined为类别标号。分类面方程可写为:
undefined
要使两类样本能被该方程分开, 需要满足下式:
undefined
而分类间隔等于2/‖ω‖, 要使分类间隔最大, 等价于使‖ω‖最小。那么, 要构造最优分类面, 就转化为一个约束优化问题, 即在 (2) 的约束下, 求函数
undefined
的最小值。对这个典型的二次规划 (QP) 问题, 可以利用Lagrange优化方法转化为其对偶问题, 最终求出分类函数。
对非线性问题, 引入核函数K (xundefined, yi) 的概念后, SVM用K (xundefined, yi) 代替上述问题中的点积 (xundefinedxj) , 把原来的输入空间变换到一个高维的空间, 在高维空间中原来的非线性可分问题变为线性可分问题, 从而按照线性可分情况求得问题的解。
4 SVM的高压直流系统故障诊断
4.1 仿真模型及故障分析
为了研究HVDC系统的性能, 设计了许多用于控制和保护的仿真模型。国际大电网会议HVDC系统控制工作组在1994年提出了采用双极远距离架空线单极等值参数的模型。新模型经过大量仿真研究, 证实可以得到与实际相符的结果, 所以本文选用该标准模型仿真系统的各种故障。结构如图1所示。
为保证系统正常运行, 逆变器工作在定熄弧角工作方式, 并且要求熄弧角γ在15°到20°之间。通过实验发现, 当γ=16°时, 直流电流能快速跟踪电流指令, 保证系统稳定。所以故障仿真模型设定γ=16°。
HVDC系统常见的故障主要有如下几种:正常 (这里认为是一种特殊故障) 、单相对地短路、两相对地短路、三相对地短路、两相间短路故障、三相间故障、换流器故障及直流线故障。本文选取比较有代表性的4种故障进行仿真实验:正常 (没有故障) 、A相对地短路、直流线路对地短路和A、B两相间短路故障。
故障仿真模型运行时间t=ls, 采样周期T=10-3s。故障发生在t=0.4s。各种故障情况下具有代表性参数的波形见下图, 横轴为系统运行时间, 纵轴分别是电压、电流的标幺值, 其中基准电压=500kV, 基准电流=2kA。
4.2 特征提取及样本构建
实验表明, 用SVM进行故障诊断时, 选择合适的变量作为SVM的输入数据, 能有效提高分类器的分类准确率和速度。本文分别选交流三相电压Va、Vb、Vc、交流三相电流之和I0、直流电流Id作为数据变量。提取它们的幅值并进行归一化处理作为SVM的数据输入。选择训练数据时, 每种故障取4组样本, 构成4种故障的16组学习样本。取训练样本A相对地短路和直流对地短路的故障数据做为测试样本。训练数据见下表。
4.3 故障诊断模型建立及仿真结果分析
为了验证SVM故障诊断模型对故障的诊断效果, 本文分别用建立了SVM和BP神经网络两种诊断模型进行仿真。当采用BP网络时, 网络结构设计如下:采用三层网络, 输入层5个神经元代表样本数据的5个特征值, 隐含层8个神经元, 输出层4个神经元 (即输出3种故障加一个正常状态) 。当某种故障发生时, 神经网络对应的输出就是1, 其余输出为0。隐含层传递函数采用logsig函数, 输出层采用线性函数。设置最大训练步数200步, 目标误差0.01。利用Libsvm进行仿真时, SVM核函数选择高斯径向基 (RBF) 核函数K (xi, xj) =exp (-‖xi-xj‖2/σ2) 。故障诊断准确率与RBF宽度参数σ2、惩罚参数C有关。经过仿真分析当C=100, σ2=1时, 就能得到较高的诊断准确率。两种方法诊断结果对比如下:
5 结论
通过对常用的几种高压直流输电系统故障诊断方法进行对比, 证明在小样本下的情况下应用支持向量机对UHVDC进行故障诊断时, 可以实现故障的分类。与传统的基于神经网络的故障诊断方法相比具有准确率较高, 训练速度比较快的优点。因此基于支持向量机的高压直流输电线路的故障诊断方法将得到进一步的发展和应用。
参考文献
[1]李兴源, 高压直流输电系统的运行与控制, 北京:科学出版社, 1998, 1-256
[2]袁清云.特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景[J].电网技术, 2005, 29 (14) :4-6.
[3]黄文虎, 夏松波, 刘瑞岩, 设备故障诊断原理、技术及应用, 北京:科学出版社, 1996, 1-20
高压直流供电系统研究 篇2
直流保护系统概况
宜都换流站的极控制保护主机是将控制功能和保护功能基本分开的。极控制主机（PCP MC1）软件主要完成直流系统的控制功能以及少部分换流器保护功能，执行子系统的保护动作命令（例如水冷系统、ETCS、换流变保护等），执行极保护主机的保护动作命令。极控制主机A、B系统是冗余设计。
极保护主机（PCPMC2）软件主要完成直流保护功能，极保护主机A、B系统是同时运行的，当直流保护动作时任何一台保护主机都可以直接执行动作命令。这样的设计与其他站是不同的，在其他站当直流保护动作时，极保护主机会先切换系统，如男一系统也有同样的保护动作命令，则执行动作命令。
宜都换流站极保护系统防误动的方法是在保护软件中增加了保护取量（电流，电压值）的OK信号，只有保护用的测量值正确且有动作命令时，直流保护才能出口；当直流保护的测量值出现异常时，保护取量（电流，电压值）的OK信号会闭锁相关直流保护。
直流保护的测量是由现场I/O（电流、电压采集板）采集，经模拟量处理板转换后，送至保护主机内。模拟量处理板内软件会对采集的电流、电压值进行判断，并生成测量值的OK信号上送极保护主机，参与保护软件的逻辑判断。
直流保护中电流、电压量测量及防误
直流保护所取测量值的监视根据CT、PT不同类型有以下几种OK信号的判断方法：
交流侧电压、电流测量及防误。交流侧电压、电流测量主要是指直流保护中用到的交流系统侧的取量，由于宜都换流站换流变保护采用两套独立的保护装置（RCS977），所以直流保护内用到的交流侧电压、电流量只有换流变PTCUVY、UVD）及阀侧套管上的CT（IVY、IVD）。
交流电流（IVY、IVD）测量及防误：PS845板卡采集IVY的三相电流和零序电流后，送入PS860板，PS860软件计算时用三相电流计算一个零序与采集的实际零序值比较后得到OK信号。
交流电压（UVY）及防误：通过相应换流变前面的PT小开关辅助接点作为OK信号，交流电压仅用于电压过应力保护。
直流侧电压、电流测量及防误：在直流场有零磁通直流CT、直流PT、直流光CT、交流CT（ICN、TAN）；直流滤波器组内使用的有交流光CT，交流CT。
直流电压（UDN、UDL）测量及防误：A、B系统连接UDN（UDL）的同一个绕组，通过PS844板分压再送入几块PS862A板。用于保护的UDN（UDL）通过PS862板上两个通道采集同一个电压，送入PS860板内，在软件中进行比较计算后产生OK信号。如果板卡的一个通道采集错误，保护不会误动。2）零磁通直流CT（IDNC、IDNE、IDEL1、IDEL2、IDGND、IDME）测量及防误
首先CT的二次量送入直流放大器转换为电压量，同时直流放大器自身产生IDNC_OK1信号。一块PS862A板上的两个通道采集同一个电流测量信号，送入PS860板，在软件中对两个信号比较后产生IDNC_OK2信号；PS860板内软件对两个OK信号（IDNC_OK1和IDNC_OK2）相与后得到IDNC_OK的信号，用于保护开放与闭锁。
直流场普通交流CT测量与防误：通过PS8621XP板两个通道采集同一个电流信号，送入PS860板内进行比较产生OK信号来开放和闭锁相关的直流保护。
直流场光CT测量与防误。光CT的测量通过光纤传输。不能对采集通道进行并接，所以光CT无法采取以上的一些防误措施。光CT的防误主要靠误码率，当运行的过程中出现误码率才会闭锁相关的直流保护。同时靠监控系统，比如光纤断了、自动检测到了光接口板故障了会将主机退出运行。在2007年几次光CT测量错误时，没有出现误码率，监控系统也没有检测出故障，所以宜都换流站直流保护不切换系统设计中，光CT的测量防误措施存在缺陷。最容易导致直流保护误动。
宜都换流站直流保护设计的思路是直流保护不切换系统，设计时考虑主要是防止直流保护拒动。在直流保护中电流、电压量测量都采取了一些防误措施，这些防误措施在控制保护系统测量板卡故障时可以避免保护误动，但是如果直流场直流测量设备本身出现问题，也可能会导致保护动作。
目前，宜都换流站直流光CT的测量防误主要靠检测光CT误码率，这种防误措施最不完善，需要组织专家进行探讨。
静电涂油机高压直流电源系统研究 篇3
1 工作原理
1.1 主回路工作原理
主回路电路:单相380V电网电压经空气开关、交流接触器、电抗器、主路熔断器和两只反并联可控硅调压后加到高压变压器, 升压经硅堆全波整流出直流负高压, 通过阻尼电阻送涂油机涂油刀梁, 使油液雾化并吸附到钢板上。
主回路中电流互感器取出一次电流信号供电流反馈用。四只压敏电阻吸收主回路中的浪涌电压, 阻容并联在可控硅阴阳板之间, 以吸收可控硅换向过电压。阻尼电阻用以在电场闪络时吸收高频电压和限制冲击电流, 保护高压电缆及高压变压器。
1.2 控制回路工作原理
控制回路主要由三片四运放集成电路LM324、集成触发器KC05及三端稳压器等组成给定积分单元、电压调节单元、移相触发单元、电压反馈单元、电流反馈单元、保护单元及稳压电源单元等组成。
1.2.1 给定积分单元
该单元由集成运算放大器、电阻、电容、电位器及场效应管等组成。其作用是将柜门上电压给定电位器提供的阶跃电压信号变换成缓慢上升的电压信号, 以避免因输出电压过快而造成高压变压器的冲击。用电位器调节积分器斜率, 也就是调节信号上升的速率。场效应管 (T1) 为电子开关, 其作用是保证系统运行前及故障保护时电压给定信号为零。
1.2.2 电压调节单元
该单元由集成运算放大器、电阻、电容、电位器及场效应管等组成, 此单元其实是一个比例积分调节器, 其作用是将电压给定信号和电压反馈信号进行比例积分调节, 以保证输出电压稳定。通过电位器调节比例系数使系统保持稳定。同样, 场效应管 (T2) 为电子开关, 其作用是保证系统运行前及故障保护时调节器输出为零。
1.2.3 移相触发单元
该单元由集成触发器、电阻、电容、电位器、三极管等组成。集成触发器为可控硅移相触发器KC05, 它具有锯齿波线形好, 移相好范围宽, 控制方式简单, 有失交保护, 输出电流大等优点。它的8脚输出两个相位相差180度的脉冲, 经功放电路放大, 送到脉冲变压器去触发可控硅。同步交流18V电压通过电阻加至集成触发器的15脚和+15V电源端16脚。6脚是触发器输入端, 输入电压越高, 输出脉冲就越前移, 可控硅输出电压就越高。
1.2.4 电压反馈单元
该单元由集成运放、场效应管、电位器、电容及电阻等组成。三个运放均组成为反相比例放大器, 将变压器上“KV”端取来的电压取样信号经电阻和场效应管反相隔离放大, 再经运放再次放大得到电压反馈信号, 送电压调节单元及保护单元。电压反馈信号的大小可以调节和显示。
1.2.5 电流反馈单元
该单元由集成运放、稳压管、电位器、电阻、电容组成。由集成运放、稳压管和电阻组成交流放大器, 将互感器检恻到的弱小电流信号进行放大整流, 经运算放大器再次放大后, 通过5V稳压管送电压调节单元。涂油机正常工作时高压电流很小, 信号被5V稳压管阻断, 不能送到电压调节单元。短路时电流增大, 电流反馈信号也增大并超过5V, 穿过稳压管送到电压调节单元, 使触发器给定电压减小, 高压变压器输出电压减小, 电流也将减小, 使短路电流控制在限定值内。
1.2.6 保护单元
该单元由集成运算放大器、三极管、二极管、电位器、电阻、电容等组成。集成运算放大器有四个, 第一个运算放大器组成反相差值放大器, 它将电压给定信号和电压反馈信号的差值进行放大, 经第二个运算放大器反相后, 送到剩余的两个运算放大器 (U3C、U3D) , 利用电位器调节差值放大倍数。运算放大器U3C、U3D组成二个相同的比较器, U3C与积分给定单元和电压调节单元的保护有关, 其输出控制电子开关场效应管 (T1、T2) ;U3D的输出经放大后控制中间继电器, 给PLC发出故障信号。用电位器调节两比较器的比较门槛, 通常设定为4.8V。正常工作时, 电压给定与反馈信号的差值小于4.8V, 两比较器输出均约-13V, 使电子开关T1、T2断开, 给定积分单元和电压调节单元正常输出;三极管截止, 中间继电器不工作。当闪络故障发生时, 差值信号就大于4.8V, 两比较器输出均约+13V, 使T1、T2接通, 给定积分单元和电压调节单元输出均为零, 高压变压器输出也为零;这时导通, 中间继电器吸合, 发出故障信号。另外, 在高压启动前, -15V电源信号通过接触器的常闭点, 经电阻、二极管送到U3C的反相端, 使U3C输出约+13V左右信号, 同样使高压变压器输出为零。
1.2.7 稳压电源单元
该单元由三端稳压器7815和7915分别产生+15V和-15V两路直流电源, 供控制系统使用。
2 总结
该电源具有短路、限流、限压等保护功能, 并具有操作方便、检修容易、运行可靠等优点, 在实际生产中故障率很低, 有效地提高了生产效率和产品质量, 使莱钢板带产品更具市场竞争力。
参考文献
[1]应保胜, 高全杰, 王家青.静电喷涂中荷电油液的雾化研究.表面技术, 2003.
[2]邱关源.电路.高等教育出版社, 2004.
[3]王兆安, 刘进军.电力电子技术.机械工业出版社, 2009.
高压直流供电系统研究 篇4
在理想化的条件下对于脉动的换流器, 电网侧的线电流中只含有12k±1 (k=1, 2, 3…) 次的谐波分量, 而5、7、17等次谐波仅在换流变的阀侧绕组中环流, 在网侧绕组中相互抵消。[1]12k±1次的谐波分量称为12脉动换流器交流侧的特征谐波;而在12脉动换流器的直流侧电压中, 只含有12k (k为自然数) 次的谐波电压, 称为12脉动换流器的直流侧的特征谐波。
在实际系统中, 平波电抗器的电感值不可能为无穷大, 因此直流电流有一定的纹波。在交流系统发生故障的情况下, 交流电压不再是三相对称、平衡的正压。触发角α由于控制系统的作用也不再是恒定值, 而控制系统的作用也将同时改变直流电压和直流电流。交流系统中一些负荷或元件参数的不完全对称、换流变压器三相的换相电感可能不完全相同、换流阀的触发脉冲间隔不完全相等、换流器直流侧连接的平波电抗器的电感值为有限值等原因, 换流器的交流侧和直流侧不仅存在着特征谐波, 还会产生其它次数的谐波分量, 这些谐波分量称为非特征谐波。[2]
换流装置产生非特征谐波最重要的原因是由于各阀的触发角或触发的时间间隔不相等, 而这又多为交流系统三相不平衡等原因所致。因此, 交流电势的畸变对非特征谐波影响是较为关键的。
触发角α的大小与非特征谐波电流的关系, 在直流输电线路实际运行中, 当输送的直流功率小、直流电流小时, 则需要换流桥阀的开度小, 触发角α大此时桥阀触发角的不对称对谐波影响较大, 谐波含量较高。奇次非特征谐波电流随α减小, 直流输送功率增大而减小。但是, 由于交流侧谐波的影响, 使得偶次非特征谐波呈相反趋势, 即α越小, 偶次非特征谐波电流越大。[3]这是因为随着输送功率的增大, 交流电势的畸变的影响越大, 如前所述, 交流侧的主导谐波一一低次的奇次谐波反映到直流侧均为偶数次非特征谐波, 这样, 触发角α越小, 直流输送功率越大, 偶数次非特征谐波就越大。
a.降压运行会产生较大的谐波分量, 电压下降越多, 谐波总畸变率也越大;
b.单极降压70%运行时, 谐波总畸变率都会超出性能要求;
c.双极运行时, 无论是单极降压还是双极同时降压70%运行, 谐波总畸变率都会超标;
d.双极同时降压80%运行时谐波总畸变率已超标, 而双极降压水平不一致时畸变率会更大, 故不提倡双极同时降压运行。
1 换相失败后谐波的变化
换相失败故障发生和恢复的暂态期间内非周期分量急剧增加, 但特征谐波幅值不大;低次非特征谐波分量谐波幅值均不小, 其中以2, 3次谐波最严重, 对保护算法准确性有一定影响。因为非周期分量和非特征谐波分量果含量较大且超高压电网的衰减时间常数较大, 在某些故障情况下非周期分量衰减缓慢, 易造成电流互感器出现饱和, 影响保护设备的正确动作。
常用保护算法中半周积分法计算量小, 有一定滤波能力, 但对非周期分量无抑止作用。傅里叶算法能滤除一切整数次谐波, 但短路电流中如含有按指数衰减的非周期分量, 则计算误差较大。[4]解微分方程算法可消除衰减非周期分量的影响, 但受高次谐波的影响大, 同时算法稳定性不够理想。傅氏算法的数据窗长度为一个周期, 只有在短路20m s后数据窗才全部是短路后的数据。如要提高响应速度, 可采用缩短数据窗的半周傅里叶算法。目前, 为提高其对非周期分量的抑止能力及精确度, 一般要补偿非周期分量或用差分算法抑止, 但需增加采样数据, 计算量有所增加, 动作速度略有降低。为保证交流系统保护的正确动作, 需根据故障所引起的谐波分量和非周期分量特点改进保护算法。对于一些保护除采用常规的滤波算法和固定门槛外, 可采取浮动门槛技术, 根据所需时问窗的长短自适应调整保护灵敏度, 从而躲开换相失败对保护的影响。
可以说在直流系统附近发生的所有交流故障几乎都会对谐波的构成有影响, 但我们知道, 电力系统中有80%以上的故障为单相接地故障, 线路重合闸的成功率很高。从直流输电的总体要求出发, 在单相接地及线路重合闸的过程中, 通常不应闭锁换流阀, 要求换流站继续运行, 因此就分别针对在整流站、逆变站的交流侧发生单相接地故障并可能引起的换相失败来研究。
在逆变站交流侧发生单相故障将会引起交流电压的下降, 以及直流电流的增大。交流电压下降和直流电流增大又会引起换相角的增大, 根据换相角的计算公式
式中α为触发角, Xr为换相电抗。
当逆变站交流侧发生故障时, 直流电流增大, 同时交流电压减少, 这就导致了换相角变得很大。换相角发生变化会导致直流电压、电流以及交流电流的波形发生相应的变化。
基于CIGRE[5]的基本模型进行高压直流输电换相失败仿真研究。其中二、三、九次谐波分量图如图1-图3所示:
当逆变站交流侧故障相电压降至接近于0时, 会导致逆变器换相失败。逆变站交流侧电流2, 3, 9次非特征谐波幅值较大, 可以说是比较严重的, 如果不采取相应的措施, 将会对系统造成较大的影响。在故障发生的瞬间, 直流电流有一个忽然跃升的过程, 然后控制系统马上动作, 将触发角大幅增加。从图中可以看出, 这促使直流电流马上下降, 降至比正常运行值还低, 然后再缓慢恢复正常, 同时交流电压也有一定的波动 (应该指出, 这一过程会因控制系统的不同而不同) 。
2 谐波影响以及降低影响的技术措施
2.1 谐波对保护算法的影响
变压器的差动保护通常都采用突变量作为起动判据。对于差动电流速断和比率差动保护, 由于微机保护在VFC插件中都采用了滤波电路, 在软件计算中采用了全周傅氏算法, 具有较好的滤波特性。由于采用分相差动, 穿越性的谐波分量对保护的影响不大。通过对CST141B型差动保护实际加入含有50%的3次谐波的内部、外部故障电流进行试验, 未发现误动和拒动。
在系统中谐波含量较大时, 采用相电流突变量或工频变化量作为起动元件的线路保护存在与变压器保护类似的问题, 会使保护和收发信机不正常起动。LFPO900系列保护中采用的工频变化量阻抗继电器 (ΔZ) 动作速度很快, 易受谐波分量的影响。在谐波含量较大的情况下, 应在整定时给予适当的考虑。对于CSL101A/102A型保护, 如果突变量起动元件不断起动, 使程序长时间处于振荡闭锁模块之中, 此时如发生区内故障, 将影响保护的快速性。因此, 对于直配线路, 建议距离Ⅰ、Ⅱ段不经振荡闭锁。3次及其倍数次的谐波三相相位一致, 与系统零序分量相序相同。3k-1次 (k为正整数) 谐波相序反转, 与系统负序分量相似, 可能对各类采用零序、负序分量组成启动元件的保护产生一定的影响。对于实测谐波含量较大的线路, 建议适当提高高频零序、负序保护的门槛值, 或利用阻抗元件把关。距离保护中的测距元件是按照线路或变压器的基波阻抗整定的。在故障情况下, 当有谐波电流存在时 (特别是三次谐波) 所测得的阻抗值相对于基波阻抗值有误差。因此动作区的边缘可能出现一定的误差。
以电压或电流量的变化而动作的装置, 在基波分量未达到整定动作值时, 会与较大的谐波分量叠加, 其合成的综合值超过整定值时会使装置误动。[6]这些装置中, 电磁型或感应型的装置对谐波作用较不敏感 (铁芯磁阻的影响) , 而整流型和晶体管型的装置对谐波的作用非常敏感, 即使对短时谐波的作用也很敏感。整流型继电保护装置对谐波电流的敏感性随谐波频率的升高而增加。此时, 可以采用在整流回路中装入适当并联电容器滤去谐波, 降低谐波的影响。
接于差动回路、零序回路或负序回路的继电器或自动装置, 对谐波的作用很敏感, 因它所接受的动作电流或电压仅为相电流或电压的一个很小的百分数, 即整定的动作值都很小, 而它的动作电压和动作电流中的谐波含有率却能达到很高值, 故降低了装置的灵敏性, 同时还存在如下几个问题:
a.本身即为非线性负荷的变压器所产生的谐波电流构成高压侧和低压侧的差电流。变压器合闸产生的励磁涌流和谐波电流含量能达到很大数值, 且在变压器中性点接地时, 还会产生很大的零序谐波电流。
b.利用负序滤序器装于负序电路中, 其元件参数是按照工频量来选择的, 对谐波根本无滤序作用。负序滤序器中的电抗互感器型比阻容型对谐波影响更敏感, 因为前者输出电压中的谐波含有率大于输入端的谐波分量与基波负序分量的比例, 而后者则不然。负序滤序器的输出, 一般经整流回路再加到执行元件上, 故输出谐波量在正半周有助增作用, 在负半周时却减少。如果谐波源是不平衡负荷, 例如电气化铁道, 它同时产生较大谐波分量和基波负序分量, 如利用负序量启动装置所受到的干扰就更强了。
c.反应“增量”的装置, 由于执行元件前接入一个微分电路, 它只反应突变量而不反应稳态量, 能有效地减小稳态谐波量的影响, 但仍会受到暂态和动态谐波 (如变压器涌流) 的干扰。
d.整流型方向阻抗继电器的阻抗特性, 理想状态下其动作特性曲线是一个圆, 但输入电流中谐波含量较大时, 其动作曲线将出现凹凸, 从而导致动作阻抗值和最大灵敏角发生变化。
e.晶体管方向阻抗继电器中采用了“绝对值比较式”的方向元件和具有“记忆”初始电压的元件, 谐波含量及谐波频率仍能影响其动作特性, 谐波频率愈高或谐波含量愈大, 特性曲线在X轴方向缩短愈多。
2.2 降低谐波对继电保护及自动装置影响的措施
2.2.1 技术防范措施
a.变压器差动保护中的差动继电器, 利用速饱和变流器以及二次谐波制动;
b.相差高频保护采用把半波比相改为正、负半波均比相和“与”门出口, 即全波比相或采用加装谐波闭锁环节;
c.在某些用于超高压电网的高级保护中采用对输入信号能有效滤波的技术;
d.通过“过零点检测”来判断或控制的装置改用其他方式来判断或控制;
e.110 kV线路保护的负序振荡闭锁元件加装不致过长延迟动作时间的小滤波器, 可以大幅度减少 (但不能完全免除) 谐波引起的误启动;
f.采用“增量”型启动元件可以避免稳态谐波和负序的影响, 但不能避免动态谐波和负序的影响, 并在稳态负序作用下, 会降低故障响应灵敏度;
线路纵差保护用两侧电流差值判别故障, 不受功率倒向的影响, 但受谐波分量和非周期分量的影响较大, 可通过比率制动来消除。高频距离保护用方向阻抗元件判别故障方向, 根据需要可用解微分方程的算法消除非周期分量的影响, 并可与突变量方向元件相结合来提高判断故障方向的正确性, 从而避免功率倒向时非故障线路的保护误动。高频零序方向保护是经大电阻接地的补充保护, 仅在突变量选相元件选出单相接地故障而接地阻抗方向元件不动作时才投入, 一般不会误动。
2.2.2 谐波不稳定的控制措施
谐波不稳定源于非特征谐波的放大, 而非特征谐波一般是由于地磁效应等因素导致变压器直流偏磁而产生的, 目前的抑制措施包括合理设计直流接地极、优化配置变压器中性点接地电阻等。[7]根据实际系统需要, 还可以考虑安装低次非特征谐波滤波器、APF等先进装置。
(1) 降低谐波源的谐波含量。
即在谐波源上采取措施, 最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极, 能够提高电网质量, 可节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有: (1) 增加整流器的脉动数。整流器是电网中的主要谐波源, 增加整流脉动数, 可平滑波形, 减少谐波。 (2) 三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线, 可消除3的倍数次的高次谐波, 这是抑制高次谐波的最基本的方法。
(2) 在谐波源处吸收谐波电流。这是对已有的谐波进行有效抑制的方法, 是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种: (1) 将无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧, 由L、C、R元件构成谐振回路, 当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时, 即可阻止该次谐波流入电网。无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点, 如滤波易受系统参数的影响;对某些次谐波有放大的可能;耗费多、体积大等。 (2) 有源滤波器 (APF) 。即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流, 使电源的总谐波电流为零, 达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比, APF具有高度可控性和快速响应性, 具有自适应功能, 可自动跟踪补偿变化着的谐波。 (3) 防止并联电容器组对谐波的放大。在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时, 在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用, 危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器, 或将电容器组的某些支路改为滤波器, 还可以采取限定电容器组的投入容量, 避免电容器对谐波的放大。 (4) 加装静止无功补偿装置。
3 结束语
通过仿真发现当逆变站交流侧发生换相失败的时候。逆变站交流侧电流2, 3, 9次非特征谐波幅值较大, 同时也对降低谐波影响提出了基于技术性的防范措施以及由于非特征谐波所引起的谐波不稳定方面也提出了一系列的控制措施, 采用非特征滤波器, APF等, 可以为今后同类型的直流输电工程的设计、调试和运行提供有用的参考和技术积累。
摘要：本文利用pscad分析了高压直流输电过程中发生换相失败后非特征谐波的变化以及谐波对保护算法影响, 并提出了相关的解决措施来避免谐波的影响并探讨了不稳定谐波的控制措施, 为今后直流输电工程的设计、调试和运行提供有用的参考和技术积累。
关键词：高压直流输电 (HVDC) ,换相失败,谐波
参考文献
[1]阿律莱加[新西兰]J著.任震等译.高压直流输电[M].重庆:重庆大学出版社, 1987.
[2]戴熙杰.直流输电基础[M].北京:水利电力出版社, 1990.
[3]浙江大学直流输电科研组.直流输电[M].北京:中国电力出版社, 1985.
[4]李兴源.高压直流输电系统的运行和控制[M].北京:科学出版社, 1998.
[5]夏道止, 沈赞埙.高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M].北京:水利电力出版社, 1994.
[6]吕润如, 等.电力系统高次谐波[M].北京:中国电力出版社, 1998.
高压直流供电系统研究 篇5
随着高压直流(HVDC)输电技术越来越成熟，越来越多的远距离大功率输电、海底电缆送电、两个交流系统之间的非同步联网等方面开始采用HVDC输电技术[1]。然而传统电网换相高压直流输电(Line-Commutated-Converter High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)由于晶闸管换流过程的本质又有其固有的缺陷，比如换流时需要消耗大量无功功率，换流器会产生大量谐波，向弱交流系统供电时可能发生换相失败[2,3]，无法向弱交流系统或无源网络供电等。
随着电力电子器件和控制技术的发展，出现了新型的全控型半导体器件-绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。20世纪90年代以后，以全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)得到了快速发展。VSC-HVDC突出了全控型电力电子器件、电压源换流器和脉冲调制三大技术特点，解决了传统LCC-VSC的诸多固有瓶颈，比如VSC-HVDC可以实现有功功率和无功功率的独立控制，而无需无功补偿；可以无需电网短路电流的支撑换相，从而用于对无源交流系统供电；可以两站独立控制和运行，无需站间通信[4]。然而与传统LCC-VSC相比，VSC-HVDC的系统开关损耗较大、工程造价高。
混合型高压直流输电(hybrid-HVDC)即一端采用LCC，另一端采用VSC的输电结构，可以合理结合LCC-HVDC和VSC-HVDC的优点。传统的LCC-HVDC输送容量大、电压等级高，而目前在建VSC-HVDC工程的最高输送容量和最高电压等级也分别达到了2×1000 MW和±345 kV，虽然二者的容量和电压等级还有一定差距，但是考虑到VSC-HVDC的发展现状和前景，结合LCC-HVDC和VSC-HVDC的混合直流输电将具有工程应用前景，因此该课题将具有重要的研究价值[5]。
文献[5]研究了整流侧两组两电平VSC串联、逆变侧双12脉动的LCC的模型，并且提出了抑制逆变侧换相失败的控制策略，但是逆变侧还是有发生换相失败的可能性。文献[6,7,8,9,10,11]研究了整流侧LCC、逆变侧VSC的特性，但是容量太小，且无法对无源网络供电。文献[12]则采用整流侧两个6脉动LCC串联，逆变侧是一组三相二电平的VSC模型，研究了它的控制策略，并且与相同传输容量的两端VSC进行了对比，但是仍然没有研究对无源网络供电的情况。文献[13]在文献[5]的基础上讨论了整流侧LCC、逆变侧VSC的控制策略，但是没有讨论对无源网络供电的情形。文献[14,15,16,17]研究了VSC向无源网络供电的控制策略，但是两端采用VSC成本又太高。文献[18]研究了伪双极VSC-LCC型混合直流输电系统启动方法。文献[19]研究了模块化多电平柔性直流输电系统直流侧的启动方法。文献[20]则在伪双极LCC–VSC模型下，通过采用整流侧定直流电流，逆变侧定交流电压-直流电压控制方式下实现了对无源网络供电。
本文采用整流侧两个6脉动LCC串联、逆变侧是三相二电平的VSC的混合高压直流输电(Hybrid High Voltage Direct Current,H-HVDC)系统。这样就能实现向无源交流网络供电这一目的，解决了传统的LCC的缺陷，同时降低全部采用VSC的成本。在PSCAD/EMTDC上构建了仿真模型，控制方式采用整流侧定直流电压控制，逆变侧定交流电压-直流电流。对该模型的启动特性、稳态特性与暂态特性、单极闭锁进行了研究。仿真结果表明，该H-HVDC系统能够实现向无源网络供电，且具有较高的稳定性，为混合直流的进一步发展提供了理论基础。
1 伪双极LCC-VSC混合高压直流输电系统
1.1 基本结构
伪双极由一个VSC换流器构成了双极，不是传统直流输电意义上的双极系统，这种结构称为伪双极结构[21]。
本文搭建的模型的送端采用LCC，由换流变压器、滤波器、两个6脉动换流桥、平波电抗器等组成，其中S1和Z1为等值送端交流系统的电源和等值系统的阻抗。而受端换流器则采用VSC，由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。Rd、Ld分别为直流线路等效电阻、电感。K1、K2、K3、K4是与直流电容并联的旁路开关，R1、R2、L1、L2是抑制过电流的器件。当直流输电线路发生故障或某一6脉动LCC发生闭锁时，闭合相关的旁路开关，此系统可转换为单极直流输电系统。
该H-HVDC的拓扑结构图如图1所示。
虽然目前LCC-HVDC应用较为广泛的是双极12脉动直流输电系统，但增加两个6脉动换流桥，投资成本增加更多。综合考虑，该H-HVDC的整流侧采用双极6脉动形式。这种拓扑结构可在保证传输容量尽可能大、输电可靠性高的同时，尽可能减少工程建设投资。
其中逆变侧的拓扑结构如图2所示。
1.2 工作原理
在整流侧，设触发滞后角为，换相角为，则送端的准稳态数学模型如下所示[22]。
式中：为送端直流电流；Ud1为送端直流电压；X1为送端系统单相电抗。将式(1)代入式(2)中得整流侧直流电压为
逆变侧VSC换流器采用脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术，数学模型为
式中：μ为直流电压利用率；m为调制度；为Uc2和Us2之间的相角差；Ud2为逆变侧直流电压；X2为换流电抗器的电抗。
由式(1)～式(7)可以看出，整流侧通过控制触发延迟角控制直流电压和有功功率。而由式(9)～式(10)可以看出，有功功率主要取决于角，无功功率主要取决于Uc2，而Us2是由VSC输出的PWM电压脉冲宽度控制的。因此，通过对角的控制就可以控制系统输送有功功率的大小，通过控制Uc2就可以控制VSC发出或吸收的无功功率及其大小。
1.3 LCC-VSC控制器原理
1.3.1 整流侧LCC控制策略
整流侧LCC控制策略，采用定直流电压控制方式，实现对角的控制，整流侧的逻辑图如图3所示。
1.3.2 逆变侧VSC控制策略
逆变侧为电压源换流器，采用目前应用比较广泛的直流电流双闭环解耦控制，即D-Q解耦控制方式。
根据VSC-HVDC系统的一般控制规律，与无源交流网络联接的换流器应向无源网络供给稳定的交流电压，因此需要对无源侧的交流电压进行控制，即无功控制类应采用定交流电压控制。为了实现混合直流输电传输功率水平的恒定，逆变侧的有功控制类采用定直流电流控制方式。
由Park变换得到d-q坐标系下交流侧三相动态微分方程为
式中：usd、usq分别为电网电压的d、q轴分量；ucd、ucq分别为VSC交流侧电压基波的d、q轴分量；id、iq分别为电网电流的d、q轴分量；R、L是联结变压器加相电抗器的等效电阻及等效电感。
由式(11)可得
由于
进而可得VSC的控制量m和分别为
逆变侧的控制系统结构图，如图4所示。
2 仿真分析
2.1 仿真系统参数
针对图1所示的混合直流输电系统在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中建立模型，为实现向无源网络供电，选取直流传输功率为400 MW，直流电压等级为±200 kV，直流电流为1 kA。其中整流侧交流系统电压等级为220 kV，逆变侧无源网络电压等级为10.5 kV，逆变侧直流电容为600μF，相电抗器为0.074 3 H，直流线路等效电阻Rd为2Ω、等效电阻电感为0.07 H，仿真步长为50μs，仿真时间为5 s。无源网络的负荷用400 MW的三相电阻性负载来模拟。
2.2 启动与稳态特性研究
由于逆变侧VSC换流站没有电源支撑，故启动策略为在0.04 s时首先触发整流侧LCC换流站，待直流电容充电0.1 s后解锁逆变侧VSC。启动和稳态时，直流电压、直流电流、有功功率、无功功率整流侧和逆变侧有功功率的仿真图形如图5所示。
前四个小图中，红色代表正极部分的直流电压、直流电流、有功功率、无功功率。而绿色代表负极的直流电压、直流电流、有功功率、无功功率。而第五个图中，红色代表整流侧送端的有功功率，绿色代表逆变侧受端的有功功率。由于LCC正负极对称，所以选择只描述正极的情况，以下同上。
由图5可知，直流电压只用了0.3 s就达到了额定值，电压上升过程中，最大过电压为234 kV，总体平稳。直流电流也用了0.35 s就达到了额定值，最大过电流为2.13 kA，传输的有功功率用了0.35 s才达到额定值。整流侧有功功率波动较大，逆变侧有功功率则平稳上升到400 MW额定值。
稳定运行时，直流电压、直流电流、有功功率、无功功率以及整流侧和逆变侧的有功功率均十分平稳，整流侧和逆变侧传输功率分别为430 MW和400MW，直流功率损耗为30 MW，损耗率为5%。
2.3 故障特性研究
由于篇幅限制，本文在整流侧和逆变侧没有做单相和两相短路，只做了最严重的三相短路。如果该H-HVDC系统在三相短路情况下还能够恢复到稳定状态，那么单相和两相短路也能恢复到稳定状态。
2.3.1 整流侧交流母线三相短路
设置的故障发生在t=3 s时，故障持续时间为0.2 s。在t=2.9 s到4 s的直流电压、直流电流、有功功率、无功功率的仿真波形如图6所示。
由图6可知，当整流侧交流母线发生三相短路时，直流电压、直流电流、有功功率均用了0.4 s就恢复到稳定状态，无功功率则只用了0.3 s就恢复到了稳定状态。故障期间，没有出现功率中断现象，说明了选择的控制策略的有效性。
2.3.2 逆变侧交流母线电压三相短路
故障发生在t=3 s时，故障持续时间为0.2 s，在t=2.9 s到4 s的直流电压、直流电流、有功功率、无功功率的仿真波形如图7所示。
由图7可知，当逆变侧交流母线发生三相短路时，直流电压用了0.4 s才恢复到稳定状态，且故障期间，直流电压中断，但故障切除后，立刻恢复到了额定值。直流电流用了0.4 s就恢复到了稳定状态，故障期间，出现的过电流最大值为8.8 kA，最小值为-1.6 kA，过电流较大。有功功率用了0.4 s才恢复到稳定状态，故障期间无中断现象发生。
故障期间，正极无功功率最大值为-375 Mvar，恢复到稳定状态只用了0.3 s。负极无功功率最大值为880 Mvar，最小值为-400 Mvar，恢复到稳定状态用了0.4 s。
综上所述，该H-HVDC系统即使在整流侧和逆变侧交流母线发生最严重的三相短路时，都能快速地恢复到稳定状态，说明了该系统的稳定性能较好。
2.3.3 单极闭锁
设置直流输电线路的负极在t=2 s时发生单极闭锁故障，为了防止故障过程中出现过电流，在2.01s时闭合开关K3，通过串联RL电路防止过电流；然后当t=2.02 s闭合开关K4防止产生LC振荡。该H-HVDC系统的直流电压、直流电流、有功功率、无功功率及整流侧和逆变侧的有功功率如图8所示。
由图8可知，当负极发生单极闭锁后，正极的直流电压、直流电流、有功功率保持不变。而负极的直流电压由200 kV逐渐降到了0 kV，用了0.02 s。直流电流最大过电流为2.4 kA，它迅速降到0 kA，用时0.05 s。有功功率逐渐降为0 MW，用时0.15 s。
该伪双极系统在单极闭锁情况下迅速转化为单极高压直流输电系统。而且H-HVDC系统传输的有功功率由400 MW变为200 MW，该系统在直流故障情况下具有一定的抗干扰性。
3 结论
本文建立了含有整流侧LCC换流器和逆变侧VSC换流器的伪双极H-HVDC系统向无源网络供电的模型，推导了其在稳态时的数学模型，且针对向无源网络供电的特性条件，对整流侧与逆变侧协调控制策略进行了研究。然后在PSCAD/EMTDC环境下对该H-HVDC系统的启动特性、稳定运行特性、整流侧和逆变侧母线发生三相短路故障的恢复特性以及单极闭锁进行了研究，得到如下结论：
(1)逆变侧采用VSC换流器，使混合直流输电向无源网络供电成为可能，同时在整流侧采用LCC换流器，与VSC-HVDC相比，H-HVDC系统降低了投资成本，提高了经济效益。该类模型非常适合于单向电力传输，减少了整个系统的成本和功率损耗，可以应用于对小岛、孤立负荷和偏远山区供电。
(2)鉴于混合直流向无源网络供电的特殊性，需要稳定逆变侧无源网络的电压，逆变侧VSC的控制方式特定要求为定交流电压模式，通过系统的稳态与暂态特性研究仿真，验证了该控制方式选择的正确性。
(3)通过在整流侧和逆变侧换流母线施加三相接地短路故障以及单极闭锁故障仿真，仿真结果表明了H-HVDC系统具有较好的抗干扰能力，在故障发生时能够迅速恢复到稳定状态。
摘要：电网换相换流器高压直流输电系统(Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)在功率传输特性、线路故障时的自防护能力、过负荷能力等方面均优于交流输电,但却无法向弱交流系统和无源网络供电。电压源换流器高压直流输电系统(Voltage Source Converter based HVDC,VSC-HVDC)可实现向无源网络供电的目的,但由于电力电子技术的局限性,VSC-HVDC系统投资成本过高。结合两者的优势,提出了一种新型混合高压直流输电系统(Hybrid High Voltage Direct Current,H-HVDC)。该系统的整流侧为两个6脉动LCC接一交流网络,逆变侧为三相二电平VSC接无源网络。在此基础上,对该H-HVDC的稳态数学模型、启动特性、稳态特性与暂态特性、单极闭锁进行了研究。仿真结果表明,该H-HVDC系统能实现向无源网络供电,且具有较高的稳定性,为混合直流的进一步发展提供了理论基础。
高压直流供电系统研究 篇6
以低压直流作基础产生较高的直流电压,常见的方式有3种类型:利用电容充电后再垫高负极电位,即自举升压;利用电感产生的自感电动势对电容强制充电;利用振荡电路将直流变为交流或直流脉冲,再通过倍压整流产生高压。
1 利用电容充电后再垫高负极电位
电容被电源E充电后,其正、负极之间将维持一定的电压Uc=U+-U-=E,若负极电位为零,即U-=0,则正极电位与电容上充的电压相等,U+=Uc;若充电完毕后,将负极接到某一电位U0上,尽管此时电容上的电压不变,但其正极电位就等于电容上的电压与负极所接电位之和,即U+=Uc+U0,从而可以实现U+>E,即得到高于电源的电压,有时将这种升压方式叫自举升压。
(1) 黑白电视机行扫描电路中的倍压电路
在黑白电视机中,整机内部采用12 V直流供电,但为了改善行扫描的线性,需要提高行输出级上的行偏转使用的电压,一般是将电源12 V提高到24 V左右加到偏转线圈上,采用的方法如图1所示:该图是黑白电视机的行输出级电路,整体看该级使用的电源为12 V,但工作时经过电容C0、二极管D0、电感L0组成的升压电路转换,行输出管集电极c实际得到的直流电压为24 V左右,即行偏转线圈实际使用的电源为24 V左右,达到了改善行线性的目的。
原理为:行输出管T在行脉冲的作用下工作于开关状态,因而其集电极流过的是脉冲电流,当T导通时,电流经升压二极管D0、行输出变压器Tr的初级线圈L0的下半部流过,并产生上正下负的自感电动势e1=12 V,上部自然会感应出电动势e2方向亦为上正下负,若D0的负极接在L0的中点,则有e2=e1(若不在中点,则有e2<e1或e2>e1),该电动势会通过D0对C0充电,使电容C0上出现大小与e2相等的电压,即升压电容C0上会维持12 V的电压,而C0的负极与电源12 V相连,这样C0正极对地的实际电位应是12 V电源电压与C0上电压之和,即可达到24 V,若用万用表的直流电压档测量,行输出管T集电极、电容Cs上的直流电压均为24 V,从而实现了提升局部供电电压的目标,达到了改善行线性目的。 升压二极管D0既给电源提供了向输出级输入能量的通道,同时又隔离了24 V倍压与12 V电源电压。显然,若D0的负极不是连接在L0的中间点,例如上部匝数偏多,则C0上的电压会大于12 V,最终的升压可能会大于24 V,反之则低于24 V。
(2) OTL功放电路中的自举升压
电子线路上常用的OTL互补对称功率放大电路,如图2所示。
T1,T2为2只互补型的功放管,静态时A点电压
(3) 手机读卡电路
在手机读卡电路上要用到5 V的电压,而手机所用电池早期为4.8 V,现在的手机均为3.6 V,因电池电压往往随所剩电量的多少有所变化,为确保手机工作稳定,不因电池电压的变化而影响通话质量,电池电压并未直接供给手机各部分使用,而是通过稳压IC变为3.2 V,2.8 V,3 V等更低的电压供各部分使用。在这种情况下就需要通过升压电路将3 V左右的电压升为5 V。如图3(a)所示,是用在爱立信788手机上的升压电路。
N750为一电子开关电路,型号为C70851,电压从2脚输入后,内部电子电路开始工作,可以实现将第1,8脚接的电容C752与第4,5脚接的电容C751定时相并联、相串联,也就是使两电容交替性地相并联、相串联。+3 V的电源经R607,C606,R751,C757组成的RC滤波网络后,电压约为2.5 V送入N750的2脚,首先C752,C751处于并联状态,2.5 V的电源对其充电,使两电容上均出现2.5 V的电压,然后经内部电子开关转换使C751与C752处于串联状态,并且其中一支的负极与另一支的正极相连,如图3(b),(c)所示,这样两电容上的总电压成为5 V,经电容滤波后从第3脚输出,供SIM卡电路使用。
2 利用电感的自感电动势强制对电容充电升压
电感产生的自感电动势的大小ε=Lⅹdi/dt,即电感量大小一定后,自感电动势的大小只与电感中电流的变化速度有关,而与电感上原来施加的电压无关。若电感中注入电流脉冲,当频率高到一定程度时,无论电感上施加的电压如何,上面就会产生远高于施加电压的自感电动势,然后再对这一感应电动势产生的电流进行整流,并对电容充电就会输出一较高的直流电压。
(1) 黑白电视机行扫描电路中的高压电路
在上述图1所示的行输出级电路中,产生的24 V倍压直流不仅用于改善行线性,其实在电视机中该级还承担着产生10 000 V直流高压的任务。该电压由行输出变压器次级输出,加到显像管上形成光栅,其产生过程为:由于行管的集电极有24 V的倍压,该电压同样也出现在与行管T的c,e极相连的电容CS上,工作时行输出管处于开关工作状态,当T导通时,Cs放电,电流经Ly,T的c,e极流过;当T截止后,由于Ly中的电流急剧变小,内部产生的较大的自感电动势,促使电流还要继续流动以释放电感上的磁能。由于此时T已截止,故刚刚通过T流动的电流,会对逆程电容C1做强制性的充电,最终Ly上的磁能会转化为C1上的电场能,根据
(2) 摩托罗拉手机读卡电源电路
如图4所示,是摩托罗拉V998电源模块U900的升压电路。由于该机供电电池电压为3.6 V,故内部使用的+B约3.6 V,但手机有些电路需用+5 V的电压,为此在电源模块的C5,B6端,要通过B10端得到5.6 V直流电压。方法是:+B经L901接到U900的B10端,B10端内部等效于与地断续相连的电子开关,当B10端与地相连时,电源电流流经L901入地。显然,电感L901上施加的电压为+B,当电流达到一定数值时,B10内的电子开关突然与地断开,L901上的电流会突然变小而产生较强的自感电动势ε,该电动势的方向为左负右正,该电动势经整流管CR901对电容C934充电,使C934上瞬时出现峰值接近于自感电动势的电压,B10内下次与地接通后,电源电流又经L901流向B10内部,C934上刚才充的电压由于CR901的存在而将C934与B10引脚隔离开,使C934上维持约5.6 V的直流电压,并通过C5、B6端向U900供电。
3 倍压整流升压电路
倍压整流是对直流脉冲或交流而言的,在直流电路中要通过倍压整流电路将较低的电压转换为较高的电压,就需将低压直流首先通过振荡电路转换出直流脉冲或交流,然后通过二极管及电容组成倍压整流得到较高直流电压。
(1) LCD液晶显示偏压电路
如图5所示,是爱立信788中文手机显示屏显示偏压生成电路,该屏正常工作时需要-5 V的显示偏压VLCD,而整机电路使用的是3 V左右的电压,-5 V的显示偏压VLCD产生过程是利用CPU D60095959696脚输出2.5 V左右的脉冲经倍压整流最后得到5 V左右的直流。95959696交替输出幅值约2.5 V的矩形脉冲U0,9696有脉冲时9595电压为零,该脉冲通过D1对C773充电,使C773充的电压为U0,通过D3使C770,C771上的电压为U0的一半,电容上的电压极性为左负右正;9595有脉冲时9696电压为零,该脉冲经D2对C770充电,由于此时C773左极板的电位是-U0故充电的结果是C770上出现2U0的电压,方向左正右负;9696脉冲到来9595电压为零,该脉冲又经D3对C771充电,由于C770右极板的电位是-2U0,故C771上会出现3U0的电压,并且方向是左负右正,所以下一时刻9696电位为零,C771左极板电位约为-3U0=-3×2.5 V =-7.5 V,因而C772经D4到C771的负极会有一放电电流,使C772上出现上负下正的电量,即电路的输出端对地是一负电压,由于每一只电容充电放电是交替进行的,经几个周期后,各电容上的平均电压会稳定下来,最终C772上的电压介于0与最大值-3U0之间,约为-5 V左右,当然输出电压的高低不仅与脉冲的高度有关也与脉冲的宽度有关,还与-5 V输出电流的大小有关。
(2) DC-AC-DC逆变升压电路
这种电路局部由低压直流供电,并产生自激振荡,在变压器的初级产生脉冲电流,若变压器设计成升压变压器,则次级就会输出更高的交流脉冲,该脉冲经倍压整流滤波后即可得到较高的直流电压。
如图6所示,是在小型电器中常用的DC-AC-DC直流变换电路。晶体管T与定时电容C,电阻R以及变压器Tr的初级带抽头的线圈L1,L2构成振荡电路,使T处于开关状态。故L2上流过的是直流脉冲,该部分使用的电源约为3 V,振荡电路工作后,L2上会出现峰值为3 V左右,频率约30 kHz的脉冲电压,波形如图7所示。
由于变压器次级匝数较多,故它是升压变压器,其次级会输出较高的脉冲电压,当然其频率与初级一样,后续电路为倍压整流电路,当脉冲的正半周到来时,方向上正下负,电压会经D1对C1充电,使C1上出现等于Tr次级峰值的电压,负半周到来时,电压方向相反,脉冲电压与C1上的电压之和经D2对C2充电,使C2上出现2倍的峰值电压,下一周期的正半周到来,次级电压与C1,C2上的电压合成后会经D3对C3充电,最终使C3上出现峰值的2倍压,经过n个周期后,除C1上为峰值的1倍压外其余均为2倍压,这样只要电路输出电流不太大,就可以确保从不同的位置取出峰值的1倍压、2倍压、…、n倍压的直流。
综合上述3种形式的升压电路,它们都是建立在电容储能后两极维持一定数值的电压这一基础之上。当单只电容上的电压达不到要求数值时,利用2只或2只以上的电容按一定方式进行组合,最终从电容器所在电路的某2点取出所需电压。但无论采取何种形式的变换电路,最后得到的较高电压其能量均是取自低压直流电源,即在遵从能量守恒的前提下电压转换只是电能表现形式的改变。
参考文献
[1]王佩珠,许开军.电路与模拟电子技术[M].南京:南京大学出版社,2005.
[2]秦曾煌.电工学(电子技术)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[3]王成安,张树江.模拟电子技术[M].大连:大连理工出版社,2006.
[4]解相吾,解文博.移动通信终端设备原理与维修[M].北京:人民邮电出版社,2005.
高压直流输电系统损耗浅析 篇7
关键词：高压,直流,输电系统,损耗
整个换流站的损耗可分为晶闸管阀的损耗、换流变压器的损耗、交流滤波器的损耗、并联电容器组的损耗、并联电抗器的损耗、平波电抗器的损耗、直流滤波器的损耗、PLC滤波器的损耗等, 下面将按设备的种类分项说明。
1 晶闸管阀的损耗
一个典型晶闸管阀的简化等效电路如图1所示, 它包含了一个阀中所有串联的晶闸管的作用。CAC和RAC是R-C阻尼电路中的集中电容和电感值。RDC表示直流均压电阻器和其它在阻断时导致损耗的电阻。它还包含了晶闸管漏电流的效应。CS包括了杂散电容和电涌分布电容 (如果采用的话) 。LS表示饱和电抗器, 它用来限制di/dt在安全值范围内, 并改善快速增长电压的分布。RS表示阀的电流导通分量的电阻, 如:母线、接触电阻、饱和电抗器绕组的电阻等。
假设换相期间阀的电流是线性的 (实际上, 阀换相期间的电流波形是正弦波形的一部分) 。这种简化对于损耗计算结果几乎没有影响, 然而, 梯形电流大大简化了计算。对于每个晶闸管阀而言, 它的损耗可大致分为导通过程、导通状态、关断过程、关断状态四个时间段的损耗, 具体来说可分为八个部分, 即导通状态下的晶闸管损耗、晶闸管扩散过程的损耗、其它导通损耗、关断期间与直流电压相关的损耗、关断期间与电阻相关的阻尼损耗、电容充放电引起的阻尼损耗、关断过程的损耗、阀电抗器的损耗等。
综上所述, 晶闸管阀的损耗共有八个部分, 它们分别是:晶闸管的导通损耗, 是在导通状态下晶闸管上的电流和电压产生的损耗, 和电阻上存在电压、电流时就会产生损耗是一样的道理;晶闸管的扩散损耗, 是由触发后建立全导通的延迟过程引起的, 是实际和理想的通态电压差值和电流的乘积;其它的导通损耗主要是由阀主回路中的电阻引起, 而非晶闸管引起;直流电压相关损耗, 是阀的并联电阻产生的损耗, 由非导通期间阀两端的电压引起, 包括由晶闸管的断态和反向电流引起的损耗;电阻相关的阻尼损耗, 由通过串联电容交流耦合的电路的电阻元件和非导通期间阀两端的电压共同决定;电容充放电引起的阻尼损耗, 由阀电容存储的能量随阀阻断电压的级变变化而产生;关断损耗, 是当晶闸管关断时, 其中的反向电流在晶闸管和阻尼电阻中产生的额外损耗;电抗器的损耗, 由三部分组成:绕组的电阻损耗、铁芯的涡流损耗和磁滞损耗等如果在绕组上采用额外的阻尼电路, 也将产生损耗。以上各部分损耗分别计算、加和, 就可以得到全部晶闸管阀的损耗。
2 换流变压器的损耗
换流变压器绕组中的电流含有谐波 (大小取决于换流站的运行参数) , 在确定换流变压器的损耗时应该考虑谐波的影响。对于相同均方根值的电流而言, 非正弦电流在换流变压器中产生的损耗比正弦波要大。在空载状态下, 变压器带电但阀阻断, 此时的变压器损耗就是空载损耗。空载损耗 (即铁芯损耗) 应该根据IEC60076-1确定。
在运行状态下, 变压器的运行损耗应为激磁损耗 (即铁芯损耗) 和由电流大小决定的损耗 (负荷损耗) 之和。负载状态下, 谐波电压将用在换流变上。当变压器分接头位置与负荷水平相适应, 交流系统电压额定时, 可认为负载运行时的铁芯损耗等于空载损耗。忽略谐波电压对激磁电流的影响。变压器的负荷损耗应考虑电流的基波、谐波的共同作用, 由以下几个步骤确定:
3 交流滤波器的损耗
为了确定损耗大小, 换流器被看作是谐波电流源, 且交流系统开路, 因此换流器产生的所有谐波电流都看作流入交流滤波器。每条滤波支路中流过的谐波电流 (计算每个滤波元件损耗的基础) 应该用换流器产生的总的谐波电流计算。
3.1 交流滤波器的电容器损耗
滤波器电容的基频损耗应该根据IEC60871-1确定。电容器组的额定三相Mvar值应该由电容值和电容器组上的基频电压决定。谐波电流产生的损耗很小, 可以忽略不计。
3.2 交流滤波器的电抗器损耗
电抗器中的基频和谐波电流都应考虑。电抗器基频下的阻抗和基频、谐波频率下的品质因数应该在工厂测量, 并根据绕组的最大运行温度修正。
3.3 交流滤波器的电阻损耗
电阻中的损耗应该计及基频和谐波电流。电阻值应由工厂测量得到, 并根据电阻的运行温度修正。经过滤波器电阻的各次谐波都应计算到。
4 并联电容器组的损耗
并联电容器辅以滤波器向交流系统提供无功功率。并联电容器组中的功率损耗应该在投入该组的各种工况下决定, 它在基频下的损耗应该根据IEC60871-1决定。电容器组的三相Mvar额定值应由电容值和其基频端电压的决定, 谐波电流引起的损耗可不计。整个电容器组的损耗应由下式计算:
其中:P1:电容器平均每k Var容量消耗的功率, 单位为k W/kVar;S:系统额定电压和频率下, 电容器组的额定容量。
5 直流平波电抗器的损耗
平波电抗器中的电流是直流电流, 并带有谐波。平波电抗器损耗的直流分量应由工厂试验 (根据IEC60289和IEC60076-1) 得到。 (此处可参考IEEE标准)
谐波电流引起的绕组损耗应由计算得到。计算中用到各负荷水平下的谐波电流幅值和对应的谐波电阻值。谐波电流值由相关的谐波计算公式计算。谐波电阻由测量得到。如果采用铁芯—油箱结构, 还应计算励磁损耗。总的运行损耗应为直流损耗、谐波损耗 (及励磁损耗) 之和。
6 直流滤波器的损耗
直流滤波器连接在换流器的高压端和低压端之间。计算滤波器中流过的谐波电流时应该将换流器用一个电压源和阻抗代替。用相应公式来计算换流器的谐波电压。平波电抗器和直流线路用它们的实际阻抗代替。计算中认为交流系统运行在额定频率, 滤波元件运行在额定值。
6.1 直流滤波器的电容器损耗
直流滤波器的电容器损耗主要是直流均压电阻器损耗和电容器的谐波损耗, 后者很小, 可以忽略不计。
电容器组的总电阻R, 由各电容器单元均压电阻的平均值 (产品试验得到) 和电容器组的结构得到。
6.2 直流滤波器的电抗器损耗
计算电抗器中的损耗应:在某负荷水平下, 根据相应的运行参数计算电抗器中的谐波电流, 在工厂试验中测量谐波频率下电抗器的电抗值和品质因数, 并根据绕组的最大运行温度进行修正。
6.3 直流滤波器的电阻损耗
计算电阻损耗时应考虑所有的谐波电流。电阻器的电阻值R应该由工厂测量确定。流过电阻器的谐波电流应在换流站的不同负荷水平, 和相应的运行参数下计算。
7 辅助设备和站用电的损耗
站用电的消耗按换流站的服务设施、运行需要和环境条件变化, 另外也包括间歇性负载:供热, 冷却、照明和维护设备。附件损耗应该分别根据空载及各种负荷水平, 直接在每个损耗源的主馈线进行测量。只在特殊条件下产生的附件损耗不应计入。对间歇性负载的损耗, 应该在一定的运行时间内测量, 然后对结果取平均值。当主馈线还对其他设备供电时, 应该减去这类设备的损耗。
8 RI (radiointerference) /PLC滤波器的损耗
除了交、直流的谐波滤波器, 有些情况下还需要其它设备以抑制射线干扰, 或对电力线载波系统的干扰。这类设备可能由是串联在交、直流系统中的电抗器支路 (可能并联有调谐电容) 组成, 也可能是并联的支路, 或是串并联混合的结构。并联支路的损耗很小, 可忽略不计。对于串联滤波器, 仅考虑电抗器中的损耗。
参考文献
[1]IEEE Std1030-1987, IEEE Guide for Specification of High-Voltage Di-rect-Current SystemsPart I-Steady-State Performance (ANSI) .
[2]赵遵廉.中国电网的发展与展望[J].供电企业管理, 2003.
[3]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].水利电力出版社, 1985.
[4]张勇军.高压直流输电[M].华南理工大学出版社, 2007.
高压直流供电系统研究 篇8
关键词：通信机房,高压直流供电系统,交流UPS电源系统,推广措施
一、高压直流供电系统的概述
高压直流供电系统是由多个并联冗余整流器和蓄电池组成的, 正常情况下整流器将市电交流电源转换为270V、350V或420V等直流电源, 供给电信设备和给蓄电池充电。电信设备所需的其他等级的直流电源, 由DC/DC变换器变化而来。当市电交流电源停电时, 由蓄电池放电来为电信设备供电;当市电交流电源长期停电时, 由备用发电机组来为电信设备供电和给蓄电池充电。
二、高压直流供电系统应用于通信机房的优缺点
2.1高压直流供电系统应用于通信机房的优势分析
相较于传统的交流UPS电源系统, 高压直流供电系统缺少了服务器机构内部的AC/DC整流器和DC/AC逆变器, 大大提高了供电系统的效率, 从而极大地降低了供电系统的发热损耗。具体说来, 高压直流供电系统应用于通信机房具有如下优势: (1) 技术方面的优势。高压直流供电系统的蓄电池组和并联整流模块构成了冗余关系, 总体可靠性大大提升;采用模块化结构, 可根据输出负载的大小, 对开机运行数量进行灵活控制, 从而大大提高系统的转换效率;输入参数得到了极大的改善, 因此可以降低补偿电容的耐压要求;带载能力大大提升, 不需专门考虑安全富余容量;可以实现不停电切割, 极大地简化了割接改造过程。 (2) 投资方面的优势。对于通信机房而言, 采用高压直流供电系统所需的投资较低, 并且电源系统和电源模块都可以根据需要分期建设, 因此投资节约率更加明显。 (3) 运维方面的优势。高压直流供电系统的转换效率较高, 因此将极大地节约电费成本。与此同时, 高压直流供电系统采用整流模块化结构, 非常便于现场替换, 可以极大地降低维修概率和维修成本。
2.2高压直流供电系统应用于通信机房的缺陷分析
虽然高压直流供电系统应用于通信机房时, 在很多方面都优于交流UPS电源系统, 但是仍然存在以下缺陷: (1) 输出配电的安全性有待提高。当人体触摸到高压直流供电系统时, 会发生电击危险, 同时高压直流断开时容易产生火灾, 因此输出配电的安全性有待提高。 (2) 输出配电器件的选用有限。由于高压直流供电系统的熔丝、空气开关、继电器和接插头都需要能在高压直流条件下进行工作, 因此可供选择的品牌和型号有限, 并且成本也较高。 (3) 对用户设备的要求较高。由于高压直流供电系统采用高压直流输入, 因此对保护电路和接插件等都有较高的要求, 需要经过专门的改造。
三、高压直流供电系统应用于通信机房的制约因素和推广措施
3.1高压直流供电系统应用于通信机房的制约因素
目前制约高压直流供电系统应用于通信机房的因素主要有以下几个方面: (1) 后端设备的适应性。采用高压直流供电系统时, 会改变设备电源的标称运行环境, 而目前通信机房中由部分后端设备并不支持高压直流供电, 因此必须针对不同的设备进行电路分析和实际试验, 将会增大技术风险。 (2) 电源系统的定型和批量化生产。目前高压直流供电系统并没有形成相应的技术标准, 缺乏大规模商用的实践支持, 因此电源系统的定型和批量化生产比较困难, 导致产品的价格居高不下。 (3) 相应配电器件比较缺乏。高压直流供电系统的整流器模块所涉及的元器件比较常见, 但是断路器和熔断器等配电保护元件比较匮乏, 影响了系统的大规模推广。 (4) 监控系统。如果要在通信机房中大规模使用高压直流供电系统, 就必须将其纳入到动力环境监控系统中, 但是其配套电池组目前还没有厂家可以提供专用的240V电池组监控单元和配套的软件子系统。
3.2高压直流供电系统应用于通信机房的推广措施
在上述制约高压直流供电系统大规模应用于通信机房的众多因素中, 最为根本的是后端设备的适用性。目前后端设备绝大部分还是应用于社会的其他行业, 在通信机房的应用较少, 因此仅仅依靠通信行业的力量难以对电源标准进行有效改进, 因此要引起全社会对高压直流供电系统的重视, 进而产生相应的技术标准和国家法律法规, 从而推动后端设备的批量生产和大规模使用。
参考文献
[1]张毅.高压直流供电技术在通信机房的应用及节能效果分析.电信快报, 2011 (8)
[2]孙育河.高压直流供电系统代替UPS可行性较强.通信世界, 2011 (6)
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