專利名稱:一種可控串聯補償晶閘管的電子觸發系統的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種大功率半導體元件,尤其是一種可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,應用于電網和電力系統當中。
背景技術:
目前,隨著大功率電力電子技術的成熟和電力系統發展的需要,越來越多的電力電子設備已經應用到電力系統中來。近年來,由于長距離、大容量輸電線路運行安全性的需要和新建輸電走廊的難度變大,柔性交流輸電技術(FACTs,Flexible Alternate Current Transmissions)得到越來越多的應用。其中,目前應用最廣、最成熟的技術是可控串聯補償技術(TCSC,ThyristorControlled Series Compensation)。晶閘管閥的電子觸發系統(TETS)是可控串聯補償技術的核心技術,該技術的優劣直接決定了可控串聯補償技術的優劣。
可控串聯補償晶閘管閥一般都位于高電位,對地絕緣電壓等級均在220kV或500kV,因此采用常規的控制方法已經不能滿足要求。與傳統控制對象相比,主要的技術難點如下1)由于晶閘管閥電子觸發系統位于高電位,與處于地面的系統不同,必須解決晶閘管閥電子觸發系統的能源問題;2)晶閘管閥電子觸發系統位于高電位側,其所處電磁環境比較惡劣,一方面輸電線路的大電流、高場強會對電子觸發系統造成較大的電磁干擾,另一方面,晶閘管閥快速開關過程也會產生大量的強電磁干擾,因此必須解決晶閘管閥電子觸發系統的抗干擾設計問題;3)晶閘管閥電子觸發系統與地面設備間的通訊問題;4)晶閘管閥觸發與實時檢測的控制策略。這些技術難點決定了晶閘管閥電子觸發系統的開發具有非常大的技術難度。
發明內容
為了解決上述技術問題,本發明的目的就是實現一種可控串聯補償晶閘管電子觸發系統(TETS),其應具備有如下功能1)電壓、電流高電位混合取能功能;2)晶閘管閥觸發功能;3)晶閘管閥檢測功能;4)信號的光電、電光轉換功能;5)晶閘管閥后備觸發功能;6)晶閘管閥電子觸發系統電源監視功能。通過這些功能的有機結合,晶閘管閥電子觸發系統可以很好的實現對晶閘管閥的觸發和檢測。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是可控串聯補償晶閘管閥電子觸發系統(TETS)主要由電壓電流混合取能及電源轉換回路、電源監視回路、電壓檢測回路、邏輯回路、觸發回路、后備觸發回路、光接收回路及光發射回路八部分構成。
光接收回路將來自光纖的光信號轉換為電信號,并將電信號輸入邏輯回路;電壓取能及電源轉換回路從位于高電位的一次設備側取得電源,輸出多路電壓至電源監視回路,并向光接收回路、光發射回路、邏輯回路和觸發回路輸出電壓;電源監視回路將整個系統的電源狀態信息輸入邏輯回路;電壓檢測回路檢測晶閘管兩端的電壓瞬時值,將檢測信號輸出至邏輯回路,為晶閘管的觸發、狀態監測和過壓保護提供門檻電壓;邏輯回路對控制命令進行編碼和解碼,根據觸發命令生成晶閘管的觸發脈沖和晶閘管的狀態信息,并將觸發脈沖經觸發回路輸出至晶閘管門極,還向光發射回路輸出光發射信號;光發射回路與光接收回路之間通過光纖和光路裝置相連接;后備觸發回路監視晶閘管兩端的電壓,將觸發脈沖輸出至晶閘管門極。
其中,電壓電流混合取能及電源轉換回路、邏輯回路和后備觸發回路是本發明的核心技術。電壓電流混合取能及電源轉換回路主要功能是從一次設備側取得系統工作所需的電源;邏輯回路主要功能是協調各部分的工作,對信號進行編碼和解碼,生成晶閘管的觸發脈沖和晶閘管的狀態信息;后備觸發回路主要功能是在晶閘管閥兩端出現過高的電壓時,自動觸發晶閘管閥,避免晶閘管閥被過高的電壓擊穿。
可控串聯補償晶閘管閥電子觸發系統(TETS)在國內、外尚未見到相同的技術。目前,在國內外市場上有多種晶閘管觸發系統,但是它們與本發明的技術方案都有較大的差別,主要表現在以下幾個方面,1)電壓等級不同,本發明的技術方案主要用于220kV以上電壓等級;2)取能方式不同,本發明的技術方案采用電壓電流混合取能方式;3)抗干擾措施不同,本發明的技術方案采用了多項抗干擾措施。
由于采用了上述的技術方案,因此本發明的技術方案具備了下列有益效果1、用光信號實現晶閘管閥的觸發與檢測;2、在高電位側實現電壓、電流混合取能,提高了系統的安全性和可靠性;3、采用了低功耗設計方法,盡量減少對混合取能回路的功率要求;4、該系統包含了晶閘管閥的后備觸發功能,避免了晶閘管閥電壓擊穿性損壞;5、電路實現簡單,抗干擾能力強;6、成本低、器件易于選取。
本發明的可控串聯補償晶閘管閥電子觸發系統(TETS)工作在220kV或500kV的電壓等級上,具有工作可靠、穩定性高、抗干擾能力強的優點。本發明很好的解決了柔性交流輸電技術(FACTs,Flexible Alternate CurrentTransmissions)在電力系統中應用的瓶頸問題,具有重要的意義。
圖1是本發明的可控串聯補償晶閘管閥電子觸發系統的總體構造的電路方框圖;圖2(a)是圖1中的電壓、電流混合取能及電源轉換回路的電路原理圖;圖2(b)是圖1中的邏輯回路的電路原理圖;圖2(c)是圖1中的后備觸發回路的電路原理圖;圖2(d)是圖1中的電壓檢測回路的電路原理圖;圖2(e)是圖1中的光接收回路的電路原理圖;圖2(f)是圖1中的電源監視回路的電路原理圖;圖2(g)是圖1中的觸發回路的電路原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖,具體描述本發明的一種實施方式的電路構造。
圖1至圖2(g)表示本發明的一種具體實施方式
的具體電路圖。
參見圖1所示,表示可控串聯補償晶閘管閥電子觸發系統(TETS),其主要由電壓電流混合取能及電源轉換回路、電源監視回路、電壓檢測回路、邏輯回路、觸發回路、后備觸發回路、光接收回路及光發射回路八部分構成。
光接收回路將來自光纖的光信號轉換為電信號,并將電信號輸入邏輯回路;電壓取能及電源轉換回路從一次設備側取得電源,輸出+10V和+70V的電壓至電源監視回路,并向光接收回路、光發射回路、邏輯回路和觸發回路輸出+10V電壓;電源監視回路將整個系統的電源狀態信息輸入邏輯回路;電壓檢測回路檢測晶閘管兩端的電壓瞬時值,將檢測信號輸出至邏輯回路,為晶閘管的觸發、狀態監測和過壓保護提供門檻電壓;邏輯回路對控制命令進行編碼和解碼,根據觸發命令生成晶閘管的觸發脈沖和晶閘管的狀態信息,并將觸發脈沖經觸發回路輸出至晶閘管門極,還向光發射回路輸出光發射信號;光發射回路與光接收回路之間通過光纖和光路裝置相連接;后備觸發回路監視晶閘管兩端的電壓,將觸發脈沖輸出至晶閘管門極。
其中,電壓電流混合取能及電源轉換回路、邏輯回路和后備觸發回路是本發明的核心技術。電壓電流混合取能及電源轉換回路主要功能是從位于高電位的一次設備側取得系統工作所需的電源;邏輯回路主要功能是協調各部分的工作,對信號進行編碼和解碼,生成晶閘管的觸發脈沖和晶閘管的狀態信息;后備觸發回路主要功能是在晶閘管閥兩端出現過高的電壓時,自動觸發晶閘管閥,避免晶閘管閥被過高的電壓擊穿。
參見圖2(a)所示,是電壓、電流混合取能及電源轉換回路的電路原理框圖。
在該電壓電流混合取能及電源轉換回路中,晶閘管陽極和陰極的兩端并聯有取能電容C1和C2,C1和C2串連。C2與保護二極管D2和保護晶閘管Ta并聯,保護晶閘管Ta的門極接有電阻R1和穩壓管DZ。這樣取能電容C2兩端的電壓就輸入電壓電流混合取能協調回路。另一方面,由取能CT所獲取的電源經過橋式整流輸入電流取能保護回路,再經并聯的電容C5輸入電壓電流混合取能協調回路。電壓電流混合取能協調回路再經過一個并聯的電容C3,與濾波及抗干擾回路連接。串連的電阻R2和穩壓管DZ1并聯在濾波及抗干擾回路的輸出端,R2的兩端經限流電阻R3與功率三極管T1的陽極和門極相連,穩壓管DZ1的兩端則與功率三極管T1的陰極和門極相連,功率三極管T1的陰極連接有電容C4。這樣,在電容C4的兩端就輸出了+10V的電壓。
該部分電路主要完成從一次電壓、電流中竊取一定的能量,并轉換為TETS所需的電壓。為了能夠獲取足夠的能量,要求晶閘管兩端的一次電壓有效值不低于80V,流過晶閘管的一次電流有效值不低于65A。
參見圖2(b)所示,是圖1中邏輯回路的電路原理框圖。
在該邏輯回路中,來自光接收回路的信號經通用單穩觸發器D(其具體型號可選用CD4538),分別送入通用或非門OR1、OR2(其具體型號可選用CD4001),再分別送入中央處理單元和兩個通用單穩觸發器CD4538。通用或非門OR3(其具體型號可選用CD4001)分別接收來自中央處理單元和電源監測回路的信號,再送至觸發回路。來自后備觸發回路的信號送入中央處理單元。來自電壓檢測回路的信號分別送入通用與非門AND5(其具體型號可選用CD4023),和中央處理單元,再分別與通用與非門AND1、AND2、AND3(其具體型號可選用CD4023)和通用非門NOT(其具體型號可選用CD40106)連接,最后經通用與非門AND4(其具體型號可選用CD4023)送至光發射回路。
該部分是可控串聯補償晶閘管閥電子觸發系統(TETS)的核心,負責協調各部分的功能,對控制命令進行解碼和對晶閘管監測信息進行編碼。為了盡量減小TETS的功耗,該部分電路采用低功耗設計,主要包括選用低功耗芯片和中央處理器休眠功能設計等。
參見圖2(c)所示,是圖1中后備觸發回路的電路原理框圖。
晶閘管的兩端的電壓施加到與電阻R1串聯的電壓擊穿元件上,再經穩壓管Z1和二極管D2連接到晶閘管的門極。當晶閘管兩端電壓大于其動作值時,電壓擊穿元件導通,從而通過二極管D2和穩壓管Z1去觸發晶閘管。電壓擊穿元件經串聯的電阻R3和二極管D3接入光發射回路,而且經并聯的電阻R2和電容C1接地。電阻R3之后經并聯的穩壓管Z2和電容C2接地。
該部分電路的主要功能是監視晶閘管兩端的電壓,當電壓值達到保護定值時,自動生成晶閘管觸發脈沖,使晶閘管導通。主要用于保護晶閘管,防止晶閘管兩端由于電壓過高而損壞。
參見圖2(d)所示,是圖1中電壓檢測回路的電路原理框圖。
該部分電路的一側與晶閘管的兩端電壓并聯,經電阻R1、R2、R3和二極管D(其具體型號可選用4148)接入邏輯回路中的中央處理單元。另一個支路經電阻R1,R4和兩個串接的通用非門U1和U2(其具體型號可選用40106)接入邏輯回路。
該部分電路的主要功能是檢測晶閘管兩端的電壓瞬時值,為晶閘管的觸發、狀態監測和過壓保護提供門檻電壓。
參見圖2(e)所示,是圖1中光接收回路的電路原理框圖。
光接收器經光纖接收光信號,再經通用比較器U1(其具體型號可選用LM393)和轉換電路,將由光信號轉換而得的電信號送入邏輯回路中的中央處理單元。
該部分電路的主要功能是接收地面控制設備的光信號,并把該光信號轉換為電信號。
參見圖2(f)所示,是圖1中電源監視回路的電路原理框圖。
來自電壓取能及電源轉換回路的+70V和+10V電壓經通用比較器(其具體型號可選用LM393)和包含穩壓管D1的比較電路,與“參考電壓”相比較,監視系統的電源狀況。其中“參考電壓”來自其他回路,代表整個系統閉鎖或復位時系統電源的狀況。
該部分電路的主要功能是監視整個系統的電源狀態,當電源不能滿足系統工作要求時,閉鎖或復位相關功能,以免整個系統失控。
參見圖2(g)所示,是圖1中觸發回路的電路原理框圖。
在該電路中,+10V的電壓分別經限流電阻R1和R2,與PNP三極管Q2的集電極和NPN三極管Q3的集電極相連接;而PNP三極管Q2的基極則與NPN三極管Q3的集電極連接;NPN三極管Q1的集電極和基極則分別接在PNP三極管Q2的集電極和發射極上。這樣,在NPN三極管Q1發射極經并聯的穩壓管穩壓后,就可向晶閘管的門極輸出觸發脈沖。
該部分電路的主要功能是接收中央控制單元的觸發命令,生成晶閘管導通需要的觸發脈沖。
附圖所表示的實施例僅是本發明的一個具體實施方式
,并不是對本發明的限制。本領域的普通技術人員不脫離本發明的實質范圍,還可做出各種改進和替代。
權利要求
1.一種可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,其特征在于由電壓電流混合取能及電源轉換回路、電源監視回路、電壓檢測回路、邏輯回路、觸發回路、后備觸發回路、光接收回路及光發射回路八部分構成;光接收回路將來自光纖的光信號轉換為電信號,并將電信號輸入邏輯回路;電壓取能及電源轉換回路從位于高電位的一次設備側取得電源,輸出多路電壓至電源監視回路,并向光接收回路、光發射回路、邏輯回路和觸發回路輸出電壓;電源監視回路將整個系統的電源狀態信息輸入邏輯回路;電壓檢測回路檢測晶閘管兩端的電壓瞬時值,將檢測信號輸出至邏輯回路,為晶閘管的觸發、狀態監測和過壓保護提供門檻電壓;邏輯回路對控制命令進行編碼和解碼,根據觸發命令生成晶閘管的觸發脈沖和晶閘管的狀態信息,并將觸發脈沖經觸發回路輸出至晶閘管門極,還向光發射回路輸出光發射信號;光發射回路與光接收回路之間通過光纖和光路裝置相連接;后備觸發回路監視晶閘管兩端的電壓,將觸發脈沖輸出至晶閘管門極。
2.根據權利要求1所述的可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,其特征在于在該電壓電流混合取能及電源轉換回路中,晶閘管陽極和陰極的兩端并聯有取能電容C1和C2,C1和C2串連;C2與保護二極管D2和保護晶閘管Ta并聯,保護晶閘管Ta的門極接有電阻R1和穩壓管DZ;使取能電容C2兩端的電壓輸入電壓電流混合取能協調回路;另一方面,由取能CT所獲取的電流經過橋式整流輸入電流取能保護回路,再經并聯的電容C5輸入電壓電流混合取能協調回路;電壓電流混合取能協調回路再經過一個并聯的電容C3,與濾波及抗干擾回路連接;串連的電阻R2和穩壓管DZ1并聯在濾波及抗干擾回路的輸出端,R2的兩端經限流電阻R3與功率三極管T1的陽極和門極相連,穩壓管DZ1的兩端則與功率三極管T1的陰極和門極相連,功率三極管T1的陰極連接有電容C4;從而在電容C4的兩端輸出電壓。
3.根據權利要求1所述的可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,其特征在于在該邏輯回路中,來自光接收回路的信號經通用單穩觸發器D,分別送入通用或非門OR1、OR2,再分別送入中央處理單元和兩個通用單穩觸發器CD4538;通用或非門OR3分別接收來自中央處理單元和電源監測回路的信號,再送至觸發回路;來自后備觸發回路的信號送入中央處理單元;來自電壓檢測回路的信號分別送入通用與非門AND5和中央處理單元,再分別與通用與非門AND1、AND2、AND3和通用非門NOT連接,最后經通用與非門AND4送至光發射回路;該部分電路采用低功耗設計,選用低功耗芯片和中央處理器休眠功能設計。
4.根據權利要求1所述的可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,其特征在于后備觸發回路監視晶閘管兩端的電壓,當電壓值達到保護定值時,自動生成晶閘管觸發脈沖,使晶閘管導通;在該后備觸發回路中,晶閘管的兩端的電壓施加到與電阻R1串聯的電壓擊穿元件上,再經穩壓管Z1和二極管D2連接到晶閘管的門極;當晶閘管兩端電壓大于其動作值時,電壓擊穿元件導通,從而通過二極管D2和穩壓管Z1去觸發晶閘管;電壓擊穿元件經串聯的電阻R3和二極管D3接入光發射回路,而且經并聯的電阻R2和電容C1接地;電阻R3之后經并聯的穩壓管Z2和電容C2接地。
5.根據權利要求1所述的可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,其特征在于電壓檢測回路檢測晶閘管兩端的電壓瞬時值,為晶閘管的觸發、狀態監測和過壓保護提供門檻電壓;該電壓檢測回路的一側與晶閘管的兩端電壓并聯,經電阻R1、R2、R3和二極管D接入邏輯回路中的中央處理單元,另一個支路經電阻R1,R4和兩個串接的通用非門U1和U2接入邏輯回路。
6.根據權利要求1所述的可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,其特征在于光接收回路接收地面控制設備的光信號,并將該光信號轉換為電信號;在該光接收回路中,光接收器經光纖接收光信號,再經通用比較器和轉換電路,將由光信號轉換而得的電信號送入邏輯回路中的中央處理單元。
7.根據權利要求1所述的可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,其特征在于電源監視回路監視整個系統的電源狀態,當電源不能滿足系統工作要求時,閉鎖或復位相關功能,以免整個系統失控;在該電源監視回路監視中,來自電壓取能及電源轉換回路的電壓經通用比較器和包含穩壓管D1的比較電路,與整個系統閉鎖或復位時系統電源的狀況相比較,監視系統的電源狀況。
8.根據權利要求1所述的可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,其特征在于在該觸發回路中,所取得的電壓分別經限流電阻R1和R2,與PNP三極管Q2的集電極和NPN三極管Q3的集電極相連接;而PNP三極管Q2的基極則與NPN三極管Q3的集電極連接;NPN三極管Q1的集電極和基極則分別接在PNP三極管Q2的集電極和發射極上;這樣,NPN三極管Q1的發射極經并聯的穩壓管穩壓后,就可向晶閘管的門極輸出觸發脈沖。
全文摘要
一種可控串聯補償晶閘管電子觸發系統,應用于電力系統當中。本發明主要由電壓電流混合取能及電源轉換回路、電源監視回路、電壓檢測回路、邏輯回路、觸發回路、后備觸發回路、光接收回路及光發射回路構成。電壓電流混合取能及電源轉換回路從一次設備側取得系統工作所需的電源;邏輯回路協調各部分的工作,對信號進行編碼和解碼,生成晶閘管的觸發脈沖和晶閘管的狀態信息;后備觸發回路在晶閘管閥兩端出現過高的電壓時,自動觸發晶閘管閥,避免晶閘管閥被過高的電壓擊穿。本發明工作在220kV或500kV及以上電壓等級,工作可靠、穩定性高、抗干擾能力強,很好的解決了柔性交流輸電技術在電力系統中應用的瓶頸問題。
文檔編號H02M1/06GK1688088SQ200510064688
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月20日 優先權日2005年4月20日
發明者任孟干, 湯廣福, 武守遠, 藍元良, 燕翚, 柴斌 申請人:中國電力科學研究院