【文章內(nèi)容簡介】 8 整 流 閥 組2 4 個 單 元 構(gòu) 成逆 變 閥 組2 4 個 單 元 構(gòu) 成移相變壓器1 4 0 0 0 k V A 4 0 0 0 k V A3 * 1 2 0 m m23 8 . 6 k m1 5 1 A1 9 1 A 圖 27 輕型直流輸電電能傳輸示意圖 圖 28 功率原理單元圖 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 9 系統(tǒng) 各部分組成 整流側(cè)變壓器 整流側(cè)變壓器采用移相變壓器 (10kV/8000kVA)，其變比為 10kV/550V。副邊由 24 組 550V 與一組 380V 二次繞組構(gòu)成。 逆變側(cè)變壓器 逆變側(cè)變壓器采用正常非移相變壓器（ 400V / 4000kVA） ,其變比為 400V / 400V,副邊由 24 組二次繞組構(gòu)成。 功率單元 功率單元是輕型直流輸電系統(tǒng)的主體與核心部分。功率單元的前端與變壓器連接，接收變壓器供給功率單元的能量，由具有相同結(jié)構(gòu)和功能的多個功率單元的直流側(cè)串聯(lián)形成直流電源，該直流電源再經(jīng)直流電纜或海纜將電能輸送至用電端。 圖 29 輕型直流輸電系統(tǒng)用功率單元 功率單元控制系統(tǒng)如圖 29 所示，安裝在功率單元上，作用為接收控制機發(fā)出的各種控制命令，并生成 IGBT 的驅(qū)動脈沖，同時反饋給控制機功率單元的工 作狀態(tài)，包括直流側(cè)電壓值、各個 IGBT 的集電極高低電平、過壓欠壓、超溫、短路等。 直流電纜 直流電纜僅用 2 根導(dǎo)線，相比于交流供電，有功損耗小。同時，由于直流榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 10 線路沒有感抗和容抗，也就沒有無功損耗。直流電纜的運行費用要低于交流電纜。尤其在海上輸電時必須采用電纜，電纜線路的電容比架空線路大得多，較長的海底交流輸電基本很難實現(xiàn)。電纜的絕緣在直流電壓和交流電壓作用下的點位分布、電場強度和擊穿強度都不相同。直流電纜比交流電纜絕緣壽命要長的多，這是電纜的內(nèi)在固有特性。 1 海底直流電纜 高壓直流電纜一般比交流 電纜更具有長距離傳輸效率，特別是高電壓的時候。電容的充電電流是正比于長度和電纜的交流電壓，超過了一定的距離充電電流就很大，無法傳輸有功電流。直流電纜沒有電容充電電流，即所有的電纜傳輸容量用于傳輸有功功率。 為了避免鐵磁損失，交流海底電纜需要非磁性的鋼絲鎧裝材料，從而應(yīng)該使用銅、鋁合金或無磁不銹鋼絲。直流電纜沒有電磁損失，因而鍍鋅鋼絲可用于拉伸電纜護甲。 高壓直流電纜可以適合很深的海水，有以下一些原因： 該絕緣聚合物機械強度大。 在同樣傳輸容量下，直流輸電電纜比交流電纜要輕。這樣海底電纜就比較容易鋪設(shè) ，而且會出在較小的拉力之下。 可采用鍍鋅鋼絲電纜護甲，這種材料具有更好的彈性。 比大多數(shù)非磁性，可用于材料的拉伸性能。 2 鋪設(shè)與修理 由于其強大的和靈活的絕緣材料，輕型直流輸電電纜對于各種安裝方式具有很高的靈活性。如果需要修復(fù)，可采用適當(dāng)?shù)碾娎|船。 相比普通電纜，輕型直流輸電電纜的彎曲半徑較小。該電纜可以被盤在電纜鋪設(shè)船上，這樣就有可能采用一些小駁船或小貨船來鋪設(shè)電纜。 在大多數(shù)情況下，可以將雙極的兩條電纜靠近安裝。 相比與紙絕緣電纜，高壓直流電纜可以抵御重復(fù)性彎曲疲勞，有利于跨越不平衡海床。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 11 210 海底電纜鋪設(shè) 控制系統(tǒng) 輕型直流輸電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其實際運行性能極大地依賴于它的控制系統(tǒng)。合理的控制體系能提高工程的可用性及可靠性等指標。類似于傳統(tǒng)直流輸電控制系統(tǒng)，為了把由控制系統(tǒng)故障引起的直流系統(tǒng)不可用率降到最小，輕型直流控制系統(tǒng)也通常采用多重化和分層結(jié)構(gòu)。正常運行時，一套控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，另外一套系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)，兩套系統(tǒng)同時對數(shù)據(jù)進行處理，但只有工作系統(tǒng)可對一次設(shè)備發(fā)出指令。當(dāng)工作系統(tǒng)發(fā)生故障時，切換邏輯將其退出工作，處于熱備用狀態(tài)的系統(tǒng)能自動、安全、快速地 切換到工作狀態(tài)。也可以采用三重化及以上的冗余設(shè)計，采取“少數(shù)服從多數(shù)”的原則作為輸出方案，但是設(shè)備的元件數(shù)會因此而增加，通常兩重化或者三重化設(shè)計是一種較好的選擇?？刂葡到y(tǒng)還要求在不干擾正常系統(tǒng)工作的同時，能夠?qū)收舷到y(tǒng)進行維修以及修復(fù)后的驗證工作，以滿足控制系統(tǒng)不停電即可維護的要求。 為了提高運行的可靠性，限制任一控制環(huán)節(jié)故障造成的影響，如圖 211概念性示意圖所示，可以將輕型直流的控制系統(tǒng)大致分成系統(tǒng)級控制 (System Control)、換流器級控制 (Converter Control)和觸發(fā)級控制 (Firing Control)等層次。分層設(shè)計能夠簡化設(shè)計任務(wù)，增強控制系統(tǒng)的靈活性。在實際的工業(yè)裝置中，三個層次的控制可能會有一定程度的交叉和整合。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 12 211 輕型直流分層控制系統(tǒng) 1 系統(tǒng)級控制 系統(tǒng)級控制是從電力系統(tǒng)潮流和穩(wěn)定控制等宏觀視角來研究輕型直流的運行特性、交直流系統(tǒng)間的交互作用等。系統(tǒng)級控制策略研究就是要從電力系統(tǒng)潮流、穩(wěn)定控制等方面的要求出發(fā)，充分利用輕型直流系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)的特點，設(shè)計合適的控制規(guī)律以實現(xiàn)改善交流系統(tǒng)的運行特性、提高系統(tǒng)可靠性等目標。系統(tǒng)級控制常接受調(diào)度中心的控制指令 (運行 模式及整定值等 )，并向調(diào)度中心傳送換流站有關(guān)的運行信息。 2 換流器級控制 換流器級控制是系統(tǒng)級控制和觸發(fā)級控制間的橋梁，主要問題是如何設(shè)計合適的控制器使得裝置能較好地實現(xiàn)從系統(tǒng)角度提出的性能要求。換流器級控制系統(tǒng)接收并跟蹤系統(tǒng)級控制系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電壓指令、有功功率指令、無功功率指令、頻率指令和交流電壓指令等參考信號。輕型直流換流器級控制常包括多種控制，常用的外環(huán)功率控制有： 定直流電壓控制、定有功功率控制、定無功功率控制、定頻率控制、定交流電壓控制等。 一般說來，外環(huán)功率控制中的定直流電壓控制、定有功功率 控制和定頻率控制是一組不兼容的控制目標，即一端換流站只能實現(xiàn)其中一種控制目標。為了保持系統(tǒng)有功平衡和直流電壓穩(wěn)定，輕型直流系統(tǒng)中必須有一個換流站采用榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 13 定直流電壓控制，而其它換流站可以采用定有功功率控制或者定頻率控制。類似地，定無功功率控制和定交流電壓控制也是一組不兼容的控制目標，一端換流器也只能實現(xiàn)其中的一種控制目標。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 14 第 3 章 榮信 輕型直流輸電設(shè)備 的系統(tǒng)組成 榮信 輕型直流輸電設(shè)備 的基本組成包括功率柜和變壓器柜兩部分。根據(jù)用戶的要求 ,還可向用戶提供旁路柜以實現(xiàn) 輕型直流輸電設(shè)備 的高壓開關(guān)控制。 榮信輕型直流 輸電設(shè)備 的組成如圖 21 所示： 榮信輕型直流輸電設(shè)備 的組成 功率柜 功率柜是榮信 HVDC 有與其連接的設(shè)備的監(jiān)控和控制，保證整個 系統(tǒng)的安全可靠運行。功率柜是由控制機和功率單元組成，控制機是榮信 輕型直流輸電設(shè)備 的大腦，功率單元是主體。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 15 圖 31 榮信高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)功率柜 圖 32 榮信高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)功率柜 控制機 控制機是由榮信公司自主研發(fā)的全數(shù)字信號控制裝置，內(nèi)置總線板、 CPU榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 16 板、 PWM 板、數(shù)字板、模擬板、通訊板以及顯示板。通過編程器將符合用戶現(xiàn)場工況的控制 程序下載至控制機后，控制機便可實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)或閉環(huán)控制、生成多電平的 PWM 控制波形、實現(xiàn)快速保護及網(wǎng)絡(luò)通訊等控制功能?？偩€板主要功能為整個控制機的電源供給、各板數(shù)據(jù)傳輸及內(nèi)、外部數(shù)據(jù)交換。 CPU板、數(shù)字板、模擬板主要用于用戶現(xiàn)場各種信號的處理 ,高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)運行和故障的連鎖。 PWM 板主要用于控制機與各功率單元板間的光纖通訊連接。通訊板主要用于榮信 輕型直流輸電設(shè)備 與外界的通訊連接，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊要求。顯示板上的顯示屏提供友好的監(jiān)控和操作界面，實時顯示高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)各組成部分的工 作狀態(tài)，使用戶能夠直觀而準確的了解系統(tǒng)的工作情況。榮信 輕型直流輸電設(shè)備 可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。 圖 33 控制系統(tǒng) 控制機與功率單元之間采用光纖信號傳輸技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的應(yīng)用安全性，完美的電磁兼容性，優(yōu)良的運行可靠性。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 17 圖 34 控制系統(tǒng) 總線板如圖 35 所示，此板作用為：整個控制機的電源供給、各板數(shù)據(jù)傳輸及內(nèi)、外部數(shù)據(jù)交換。圖 35 中的 DIN 插槽由左到右依次為 PWMA 板、 PWMB板、 PWMC 板、 CPU 控制板、模擬板、數(shù)字板、通訊板。 圖 35 總線板 2. CPU 主控板 CPU 主控板如圖 36 所示，此板為控制機的核心，負責(zé)產(chǎn)生 PWM 波、進行信號處理等。上控制電后，面板上的數(shù)碼管會顯示相應(yīng)的信息。若數(shù)碼管無顯示，則可能是單片機內(nèi)沒有燒寫程序。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 18 圖 36 CPU 板 3. PWM 板 PWM 板如圖 37 所示，此板的作用是通過信號調(diào)制處理產(chǎn)生所要求的 PWM波形，并驅(qū)動光纖座 T1528 生成驅(qū)動功率單元板的光信號。板上的核心器件是FPGA 模塊，負責(zé)信號的調(diào)制處理。 圖 37 PWM 板 模擬板如圖 38 所示，此板作用為接收外界發(fā) 出的模擬信號，鎖存后送到主控板，并發(fā)送控制機發(fā)出的模擬信號。模擬輸入量是為用戶提供的 420mA模擬速度給定量，此外還為用戶提供 5 路備用模擬輸入，根據(jù)用戶的需要，方便擴展應(yīng)用。模擬輸出量包括電機電流、電機速度、電機電壓、電機功率等。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 19 圖 38 模擬板 數(shù)字板如圖 39 所示，此 板作用為接收外界發(fā)出的數(shù)字信號，鎖存后送到主控板，并發(fā)送控制機發(fā)出的數(shù)字信號。數(shù)字輸入量包括遠程啟動、遠程停止、遠程復(fù)位、遠程急停、上級高壓輔助等，此外還為用戶提供 4 路備用數(shù)字輸入，根據(jù)用戶的需要，方便擴展應(yīng)用。數(shù)字輸出量包括 輕型直流輸電設(shè)備 運行、 輕型直流輸電設(shè)備 就緒、 輕型直流輸電設(shè)備 故障、 輕型直流輸電設(shè)備 報警、跳高壓信號等，此外還為用戶提供 4 路備用數(shù)字輸出，根據(jù)用戶的需要，也可以擴展應(yīng)用。 圖 39 數(shù)字板 通訊板如圖 310 所示，此板作用是為用戶提供 輕型直流輸電設(shè)備 的外界通訊接口，包括 Modbus 和 Profibus 兩種方式。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 20 圖 310 通訊板 8．顯示板 顯示板和顯示面板如圖 311 圖 312 板能夠?qū)崟r顯示 輕型直流輸電設(shè)備 的工作狀態(tài)，顯示控制機各輸出的模擬及數(shù)字量、 輕型直流輸電設(shè)備 輸入及輸出的電壓值和電流值、故障類型等。此板還能夠接收并傳遞操作人員下達的命令，通過此板上的按鍵調(diào)節(jié) 輕型直流輸電設(shè)備 參數(shù)，使 輕型直流輸電設(shè)備 更好更可靠地運行，可視的友好操作界面，為人機間信息的交互提供方便。 圖 311 圖 312 面板 功率單元 功率單元是高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主體部分，電源電壓及頻率的改變在這里完成。功率單元的前端與變壓器連接，接收變壓器供給功率單元的電源，由具有相同結(jié)構(gòu)和功能的多個功率單元串接成星型連接的三相高壓電源，以該電源榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 21 作為高壓電動機的輸入電源。串接后的三相高壓電源，通過控制機的控制，可以實現(xiàn)頻率及電壓的改變，從而實現(xiàn)對高壓電動機的調(diào)速。 圖 313 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)功率單元 功率單元板如圖 313 板安裝在功率單元上，作用為接收控制機發(fā)出的各種控制命令，并生成 IGBT 的驅(qū)動脈沖，同時反饋給控制機功率單元的工作狀態(tài)，包括直流側(cè) 電壓值、各個 IGBT 的集電極高低電平、過壓欠壓、超溫、短路等。 圖 314 單元板 變壓器柜 變壓器柜是高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的供電中心。變壓器的原邊接收網(wǎng)測的高壓電源，經(jīng)副邊降壓和移相后，向功率單元提供正常工作所需的電源。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 22 圖 315 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變壓器柜 變壓器柜是一臺特殊結(jié)構(gòu)的干式整流變壓器，其原邊通過旁路柜內(nèi)的高壓隔離開關(guān)與電網(wǎng)相連，而副邊繞組則根據(jù)電壓等級和變頻功率單元的級數(shù)分為多組，與功率單元內(nèi)的功率單元連接，為所有功率單元供電。 變壓器的多組副邊繞組經(jīng)過移相向功率單元供電后，可以構(gòu)成 幾十到百余脈沖系列的多級移相疊加的整流方式，這樣可以大大改善網(wǎng)測的電流波形，提高網(wǎng)測的功率因數(shù)，無需任何功率因數(shù)補償及諧波抑制裝置便可將負載下的網(wǎng)測的功率因數(shù)提高到 以上。由于變壓器的副邊繞組的相互獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，具有極高的可靠性和安全性。 榮信輕型直流輸電設(shè)備的工作原理 23 圖 316 整流變壓器 變壓器柜內(nèi)置的電壓及電流傳感器，可以向功率柜上的