交流、直流輸入雙備份的火電廠變頻器低電壓穿越裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及電力系統電壓自動控制【技術領域】，為交流、直流輸入雙備份的火電廠變頻器低電壓穿越裝置，本發明將低電壓穿越裝置設置在電網配電柜和變頻器之間；該低電壓穿越裝置包括第一執行單元、第二執行單元、蓄電池組、整流電路、升壓電路、輸出執行電路和信號調理板；當出現電壓跌落時，信號調理板控制交流電源通過第一執行單元和整流電路整流后，或所述蓄電池組通過第二執行單元輸出直流電壓后，再經過升壓電路升壓，通過輸出執行電路實現對電網的補償。本發明提出的低電壓穿越裝置安全可靠、靈敏度高，可有效保障關鍵輔機與火電機組連續穩定運行。
【專利說明】交流、直流輸入雙備份的火電廠變頻器低電壓穿越裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力系統電壓自動控制裝置，具體講涉及交流、直流輸入雙備份的火電廠變頻器低電壓穿越裝置。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的發展，變頻器以其調速精確，使用簡單，保護齊全等特點廣泛應用于電廠輔機調速控制系統中。變頻器的應用不僅降低了電廠的能耗，同時也提高了設備的自動化程度。由于電力電子器件的應用，變頻器均帶有低電壓跳閘保護，電網電壓的波動往往會帶來變頻器的退出運行，從而造成事故的擴大。
[0003]火電廠時有發生由系統低電壓故障造成的火電機組跳機的事故。在此類事故中，電廠內部或外部故障(雷擊、電氣設備短路、接地等)，引起電網電壓短時跌落，跌落幅度超過15%、持續時間較短，此類故障的發生，原本不應引起輔機的退出，但由于火電廠關鍵輔機的變頻器設備不具備低電壓功能，觸發了輔機拖動變頻器的低電壓保護，變頻器閉鎖輸出，輔機停機，最終導致發電機組的跳機。此類故障期間的非計劃跳機，一方面影響發電廠發電連續性和經濟性，并造成電廠發電設備損壞，另一方面會進一步對電力系統造成沖擊，加劇系統故障程度，嚴重影響電力系統的安全穩定運行。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本發明提供一種可實現O電壓輸入支撐的交流、直流輸入雙備份的火電廠變頻器低電壓穿越裝置，可滿足火電廠低電壓穿越的實際需求，具有安全可靠、靈敏度高、強大的自檢功能、接線簡單等特點，并可實現交流380V和直流220V輸入雙備份，外界的交流380V輸入至裝置內部的蓄電池組，當穿越裝置的交流母線出現故障而斷路或電壓跌落至低于20%時甚至于完全斷電時，能夠通過蓄電池組儲存的電能實現短時間的直流電壓輸入支撐輸出；即使蓄電池組的能量耗盡，本裝置仍能接收電廠內提供的直流220V供電，保證其BOOST升壓后輸出的電壓穩定可靠，滿足所帶變頻器的供電需求，進而保障輔機與火電機組連續穩定運行，確保機網安全。本發明是通過下述方案實現的:
[0005]交流、直流輸入雙備份的火電廠變頻器低電壓穿越裝置，其改進之處在于，將所述低電壓穿越裝置設置在電網配電柜和變頻器之間；
[0006]所述低電壓穿越裝置包括第一執行單元、第二執行單元、蓄電池組、整流電路、升壓電路、輸出執行電路和信號調理板；
[0007]所述信號調理板控制交流電源通過所述第一執行單元和所述整流電路對跌落電壓進行整流，或所述蓄電池組通過所述第二執行單元輸出直流電壓后，再經過所述升壓電路升壓，通過輸出執行電路實現對電網的補償。
[0008]其中，所述第一執行單元一端與交流電源連接，另一端依次與所述整流電路、所述升壓電路和所述輸出執行電路連接；
[0009]所述蓄電池組一端與直流電源連接，另一端與所述第二執行單元連接后，再通過二極管與所述升壓電路連接。
[0010]其中，所述低電壓穿越裝置包括用于檢測低電壓穿越裝置內部的電流和電壓值，防止過流或過壓的自保護功能模塊。
[0011]其中，所述自保護功能模塊包括電流傳感器和電壓傳感器；
[0012]所述電流傳感器的個數為兩個，分別設置在所述升壓電路的輸入端和輸出端；
[0013]所述電壓傳感器設置在所述升壓電路的輸出端。
[0014]其中，所述第一執行單元包括第一斷路器、第一接觸器、第二接觸器、第一電抗器、第一電阻和第二電阻；
[0015]所述第一斷路器一端與所述交流電源連接，另一端依次與所述第一接觸器和所述第一電抗器連接；
[0016]所述第二接觸器的第I端和第3端分別串聯所述第一電阻和第二電阻，再與所述
第一接觸器并聯。
[0017]其中，所述第二執行單元包括第三接觸器、第三電阻、第一薄膜電容、第二薄膜電容、第三金屬膜電容、第四金屬膜電容和第五金屬膜電容；
[0018]所述第三接觸器一端與所述蓄電池組連接，另一端串聯所述第三電阻后再與設在升壓電路輸入端的所述電流傳感器連接，并通過二極管與所述升壓電路連接；
[0019]所述第一薄膜電容并聯在所述升壓電路輸入端，所述第二薄膜電容、第三金屬膜電容、第四金屬膜電容和第五金屬膜電容依次并聯在所述升壓電路的輸出端。
[0020]其中，輸出執行電路包括第一組二極管、第二組二極管和第三組二極管、第一熔斷器、第二熔斷器、第三熔斷器、第四熔斷器、第二斷路器和第三斷路器；
[0021]所述第一組二極管、第二組二極管和第三組二極管均由兩個二極管構成；所述第一組二極管和第二組二極管為同向串聯結構，并分別串聯在與所述升壓電路輸出端的正、負極上；所述第三組二極管的兩個二極管并聯后與所述第一組二極管串聯，形成兩個正極母線；從第二組二極管輸出端引出兩個負極母線，與所述兩個正極母線匹配，形成兩組母線，每個母線分別串聯第一熔斷器、第二熔斷器、第三熔斷器和第四熔斷器后接入所述第二斷路器和第三斷路器后輸出。
[0022]其中，所述蓄電池組配有蓄電池在線監測系統，用于監測蓄電池運行狀態；所述蓄電池組和所述蓄電池在線監測系統裝在同一個柜中。
[0023]與最接近的現有技術比，本發明具有如下優異效果:
[0024]本發明提出一種可實現O電壓輸入支撐的交流380V和直流220V輸入雙備份的火電廠低電壓穿越裝置，安全可靠、靈敏度高，可有效保障關鍵輔機與火電機組連續穩定運行，并可實現下述功能:
[0025](I)交、直流輸入電源雙備份。本發明可同時接收交流380V和直流220V的電源輸入，通過后面的BOOST升壓回路將電壓提升至直流520V，兩路電源互為備用，并且優先級可設置。直流220V電源直接接入電廠內蓄電池組，為低電壓穿越裝置的正常工作增加一道防線，能夠更可靠的保證電廠機組的關鍵輔機安全穩定運行。
[0026](2)交流380V輸入跌落至0%時仍能保證裝置直流電壓穩定輸出。本發明中，在交流380V輸入裝置后，首先進入由蓄電池組構成的前級儲能裝置，該儲能蓄電池組的作用就是保證即使交流380V電源跌落至0%，仍能通過其儲存的電能保證低電壓穿越裝置輸出穩定的直流電壓支撐。
[0027](3)集成蓄電池內阻實時監測技術，及時發現性能落后的電池并報警。本發明通過在日常的浮充電過程中實時監測蓄電池內阻值，VRLA蓄電池的故障，如板柵腐蝕和增長、接觸不良、活性物質可用量減少等集中表現于蓄電池內阻的增大、電導的減小，因此，電導或電阻的高低可作為表征蓄電池故障和使用程度的有效信息，內阻測試法成為測量蓄電池性能優劣的有效方法。
[0028](4)創新性的拓撲結構設計。該裝置是在電網出現低電壓異常情況時使用，絕大部分時間處于待命狀態，在拓撲內增加了電壓防反單元，使其輸出端比負載直流兩端電壓稍低6?8V，這樣當電網正常時，變頻器的功率由交流母線供給，可大大提高裝置的使用壽命O
[0029](5)完善的保護機制。該裝置自身帶過流、短路、防雷、防浪涌保護，具有自檢、復位、緊急停止，能量自泄放控制單元功能。具有運行狀態，故障狀態等指示狀態。可大大提高裝置的整體性能及安全可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明提供的現場接線圖。圖中，VRT-380A為低電壓穿越裝置。
[0031]圖2為本發明提供的低電壓穿越裝置的結構框圖。
[0032]圖3為本發明提供的低電壓穿越裝置內部連接圖。圖中，SffU SW2和SW3為斷路器；KM1、KM2和KM3為電磁接觸器；CR1、CR2和CR3為電阻；L1為濾波電抗器；L2為BOOST升壓電感；TBRG為三相整流橋；C1和C2為薄膜電容；C3、C4和C5為金屬膜電容；CT1和CT2為兩個電流傳感器；D1、D2和D3為二極管組；FU1、FU2、FU3和FU4為熔斷器。
【具體實施方式】
[0033]以下結合實施例和附圖對本發明進行詳細的描述。
[0034]本實施例的低電壓穿越裝置的控制目標為在系統電壓跌落時保證變頻器及其拖動電機系統的轉速、功率、轉矩不變。
[0035]具體的，如圖1所示，本實施例的低電壓穿越裝置在電網配電柜和變頻器之間，其結構框圖如圖2所示，具體包括第一執行單元、第二執行單元、蓄電池組、整流電路、升壓電路、輸出執行電路和信號調理板；當出現電壓跌落時，信號調理板控制交流電源通過第一執行單元和整流電路整流后，或所述蓄電池組通過第二執行單元輸出直流電壓后，再經過升壓電路升壓，通過輸出執行電路實現對電網的補償。對應的，第一執行單元一端與交流電源連接，另一端依次與整流電路、升壓電路和輸出執行電路連接；蓄電池組一端與直流電源連接，另一端與第二執行單元連接后，再通過二極管與升壓電路連接。
[0036]優選的，本實施例的低電壓穿越裝置還可添加自保護功能模塊，用于檢測低電壓穿越裝置內部的電流和電壓值，防止過流或過壓。自保護功能模塊包括電流傳感器和電壓傳感器。電流傳感器的個數為兩個，分別設置在升壓電路的輸入端和輸出端，電壓傳感器設置在升壓電路的輸出端。
[0037]本實施例的低電壓穿越裝置內部連接圖如圖3所示，具體如下說明:
[0038]本實施例的第一執行單元包括第一斷路器SW1、第一接觸器KM1、第二接觸器KM2、第一電抗器L1、第一電阻CRl和第二電阻CR2 ;第一斷路器SWl —端與外部的交流電源連接，另一端依次與第一接觸器KMl和第一電抗器LI連接；第二接觸器KM2的第I端串聯第一電阻CR1，第3端串聯第二電阻CR2后，再與第一接觸器KMl并聯。
[0039]本實施例的第二執行單兀包括:第一薄膜電容Cl、第二薄膜電容C2、第三金屬膜電容C3、第四金屬膜電容C4和第五金屬膜電容C5 ;第三接觸器KM3 —端與蓄電池組連接，另一端串聯第三電阻CR3后再與設在升壓電路(由絕緣柵雙極型晶體管IGBT構成)輸入端的電流傳感器CTl連接，并通過二極管與升壓電路連接；第一薄膜電容Cl并聯在升壓電路輸入端,第二薄膜電容C2、第三金屬膜電容C3、第四金屬膜電容C4和第五金屬膜電容C5依次并聯在升壓電路的輸出端。
[0040]本實施例的蓄電池組配有蓄電池在線監測系統，用于監測蓄電池運行狀態。并且，蓄電池組和所述蓄電池在線監測系統裝在同一個柜中。
[0041]本實施例的輸出執行電路包括第一組二極管D1、第二組二極管D2和第三組二極管D3、第一熔斷器FU1、第二熔斷器FU2、第三熔斷器FU3、第四熔斷器FU4、第二斷路器SW2和第三斷路器SW3 ;第一組二極管Dl、第二組二極管D2和第三組二極管D3均由兩個二極管構成；第一組二極管Dl和第二組二極管D2為同向串聯結構，并分別串聯在與升壓電路輸出端的正、負極上；第三組二極管D3的兩個二極管并聯后與第一組二極管Dl串聯，形成兩個正極母線；從第二組二極管D2輸出端引出兩個負極母線，與兩個正極母線匹配，形成兩組母線，四個母線，分別串聯第一熔斷器FU1、第二熔斷器FU2、第三熔斷器FU3和第四熔斷器FU4后接入第二斷路器SW2和第三斷路器SW3后輸出。
[0042]綜上所述，本實施例的低電壓穿越裝置的具體流程為:
[0043]在系統電壓正常的狀態下，變頻器母線電壓正常且變頻器正常工作，電能通過外部交流送電，信號調理板(可采用FPGA、單片機等實現)向斷路器、電動開關等第一執行單元發出合閘命令，此時直流回路處于伺服狀態，不參與變頻器運行。第一執行單元執行后，整流橋TBRG進行整流并輸出直流，一方面給薄膜電容Cl充電，另一方面通過升壓電感L2和BOOST升壓回路對直流進行升壓并送入變頻器直流輸入端子，滿足低電壓穿越裝置伺服條件。
[0044]在系統電壓發生跌落時，當下降至低于要求的額定電壓，裝置瞬時投入運行。通過升壓電感L2、BOOST升壓回路將跌落的交流電壓提升到500V直流電壓，在此期間若交流電壓出現斷路或跌落過低(低于正常值20%時)，裝置將自動接入備用的直流220V蓄電池組，通過升壓電感L2、B00ST升壓回路將其提升到500V，通過變頻器的直流母線對變頻器供電，使其維持到可保證變頻器輸出功率、電機轉矩、電機轉速均不變的電壓水平。其中，第二薄膜電容C2、第三金屬膜電容C3、第四金屬膜電容C4和第五金屬膜電容C5,用于第二級儲能。
[0045]在系統電壓跌落結束，系統電壓恢復正常后，裝置停止運行，升壓回路退出工作狀態，恢復到伺服狀態，變頻器的供電仍由三相交流送電回路提供。其中，該裝置是在電網出現低電壓異常情況時使用，絕大部分時間處于待命狀態，在拓撲內通過第一組二極管D1、第二組二極管D2和第三組二極管D3實現了電壓防反單元，使其輸出端比負載直流兩端電壓稍低6?8V，這樣當電網正常時，變頻器的功率由交流母線供給，可大大提高裝置的使用壽命。并且，當出現過流時，熔斷器FUl、FU2、FU3、FU4進行過流保護，保護了裝置的安全性。
[0046]在低電壓穿越裝置運行過程中，會出現四種工作模式:自檢模式、運行模式、故障模式、停機模式，具體的:
[0047](I)自檢模式。為了保證裝置可靠穩定運行，裝置可執行以下兩種自檢操作:
[0048]I)上電自檢:當裝置上電起機、交流接觸器閉合之后，系統將進行上電自檢。上電自檢主要針對控制電路板的各項控制功能，自檢時間長度為6秒鐘，若功能正常將自動進入運行狀態，“運行燈”保持點亮；若系統有故障，則斷開交流輸入接觸器，柜門上的“故障燈”亮起并同時輸出故障信號。
[0049]2)手動自檢:在伺服工作模式下，按下柜體正門的“自檢”按鈕，裝置進入手動自檢狀態，時間持續30秒鐘。這期間裝置將自動執行直流升壓操作，如果在設定的時間內達到了期望電壓閥值，表示自檢正常，裝置將退出升壓工作模式，保持伺服工作模式；若自檢有故障，裝置將控制交流輸入接觸器斷開，“故障燈”亮起并同時輸出故障信號。
[0050](2)運行模式。
[0051]裝置在運行模式下有兩種工作狀態:升壓工作狀態、伺服工作狀態。“升壓工作狀態”是指裝置在電網電源發生跌落時，低電壓穿越裝置可以將輸入的交流或直流電壓進行BOOST升壓操作，輸出給變頻器直流母線穩定的直流電壓，維持變頻器正常工作；“伺服工作狀態”是指在電網電源正常時或者從異常狀態恢復正常時，低電壓穿越裝置不為變頻器輸出直流電源，電能由電廠內供電交流母線直接提供給變頻器交流輸入。
[0052](3)故障模式。
[0053]故障模式是指低電壓穿越裝置發生故障時，系統自動進入自我保護的一種模式，此時將閉鎖直流輸出，不會對變頻器正常工作產生影響。裝置發生故障時，系統會執行如下控制邏輯指令:封鎖功率器件觸發脈沖、跳主回路交流接觸器、點亮故障燈、輸出故障信號，系統進入故障報警狀態。
[0054]故障消除有兩種方式:
[0055]I)若已排除故障，可按下柜體上的“復位按鈕”消除故障狀態，系統將在5秒內自動接入主回路電源，并先后經歷停機狀態、自檢狀態、正常后再次嘗試進入伺服運行模式；
[0056]2)若故障出現后無人為介入，系統會在5分鐘后嘗試進入伺服工作模式，若故障未排除，系統會在5分鐘后再次進入故障模式，如果連續5次均進入故障模式，系統會停止嘗試進入伺服工作模式，保持故障模式，直到故障排除，方可通過“復位按鈕”消除故障狀態。
[0057](4)停機模式。停機模式是指低電壓穿越裝置處于停止輸出，不再監視、追蹤電網及負載狀態的狀態。如下情況系統會進入到停機狀態:
[0058]I)無三相交流電源或直流電源輸入；當外接三相輸入交流380V電源或直流輸入220V電源均掉電時，系統自動判定不具備工作條件，將進入到停機狀態；
[0059]2)當初次上電，系統在自檢前進入的一種狀態；
[0060]3)按下緊急按鈕開關時，低電壓穿越裝置會自動執行封鎖功率轉換單元脈沖、跳交流接觸器，點亮停機指示燈，系統進入停機狀態。
[0061]需要注意的是，本實施例的低電壓穿越裝置還具有下述兩個功能:
[0062]1、裝置自保護機制；
[0063]裝置配置有完善的保護功能，保護范圍交叉重疊，沒有死區，能確保在各種故障情況下的系統安全。其中:[0064](I)裝置本體保護；
[0065]裝置本體保護包括IGBT模塊故障保護、內部直流母線過壓保護、三相輸入交流電源短路保護、三相輸入交流電源過壓保護、直流輸出電源短路保護；當裝置檢測到這些緊急故障后，將封鎖功率轉換單元脈沖、斷開交流接觸器，點亮故障燈、開出故障信號。
[0066](2)系統保護；
[0067]裝置設有保護動作定值，為系統檢測到緊急故障時動作出口，斷開交流接觸器，點亮故障燈、停機燈，故障清除后裝置自動恢復運行。
[0068]系統保護功能具體配置為:過功率保護、直流過流保護、直流過壓保護和交流欠壓保護。
[0069]2、蓄電池內阻實時監測功能；
[0070]由于儲能蓄電池組的作用非常重要，因此實施例集成了在日常的浮充電過程中實時監測蓄電池內阻值的功能。VRLA蓄電池的故障，如板柵腐蝕和增長、接觸不良、活性物質可用量減少等集中表現于蓄電池內阻的增大、電導的減小，對于VRLA蓄電池來說，如果內部電阻比基準值(平均值)增加20%以上，蓄電池性能則會下降到一個級低的水平。這個值也是IEEE STD建議立即采取糾正措施(放電試驗或更換)的標準。IBEX1000則根據這個建議基準將報警值設定為20%。相應的，VRLA蓄電池容量下降到80%以下時，蓄電池的老化程度是無法預測的，同時容量衰減的速度會越來越塊，而內阻值的增加也會越來越快。此時就應該及時更換蓄電池，以提高蓄電池系統的可靠性。
[0071]小電流內阻測試法基本原理是使暫態直流小電流通過待測蓄電池和與其串聯的對比電阻，分別測量這個小電流在蓄電池等效內阻和對比電阻上的消耗電量進行對比求出蓄電池的內阻。這種方法測試蓄電池內阻時，其抗干擾性、重復精度、實時性和安全性都達到該領域的領先水平。
[0072]最后應該說明的是:結合上述實施例僅說明本發明的技術方案而非對其限制。所屬領域的普通技術人員應當理解到:本領域技術人員可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權利要求保護范圍之中。
【權利要求】
1.交流、直流輸入雙備份的火電廠變頻器低電壓穿越裝置，其特征在于，將所述低電壓穿越裝置設置在電網配電柜和變頻器之間； 所述低電壓穿越裝置包括第一執行單元、第二執行單元、蓄電池組、整流電路、升壓電路、輸出執行電路和信號調理板； 所述信號調理板控制交流電源通過所述第一執行單元和所述整流電路對跌落電壓進行整流，或所述蓄電池組通過所述第二執行單元輸出直流電壓后，再經過所述升壓電路升壓，通過輸出執行電路實現對電網的補償。
2.如權利要求1所述的低電壓穿越裝置，其特征在于，所述第一執行單元一端與交流電源連接，另一端依次與所述整流電路、所述升壓電路和所述輸出執行電路連接； 所述蓄電池組一端與直流電源連接，另一端與所述第二執行單元連接后，再通過二極管與所述升壓電路連接。
3.如權利要求1或2所述的低電壓穿越裝置，其特征在于，所述低電壓穿越裝置包括用于檢測低電壓穿越裝置內部的電流和電壓值，防止過流或過壓的自保護功能模塊。
4.如權利要求3所述的低電壓穿越裝置，其特征在于，所述自保護功能模塊包括電流傳感器和電壓傳感器； 所述電流傳感器的個數為兩 個，分別設置在所述升壓電路的輸入端和輸出端； 所述電壓傳感器設置在所述升壓電路的輸出端。
5.如權利要求4所述的低電壓穿越裝置，其特征在于，所述第一執行單元包括第一斷路器、第一接觸器、第二接觸器、第一電抗器、第一電阻和第二電阻； 所述第一斷路器一端與所述交流電源連接，另一端依次與所述第一接觸器和所述第一電抗器連接； 所述第二接觸器的第I端和第3端分別串聯所述第一電阻和第二電阻，再與所述第一接觸器并聯。
6.如權利要求4所述的低電壓穿越裝置，其特征在于，所述第二執行單元包括第三接觸器、第三電阻、第一薄膜電容、第二薄膜電容、第三金屬膜電容、第四金屬膜電容和第五金屬膜電容； 所述第三接觸器一端與所述蓄電池組連接，另一端串聯所述第三電阻后再與設在升壓電路輸入端的所述電流傳感器連接，并通過二極管與所述升壓電路連接； 所述第一薄膜電容并聯在所述升壓電路輸入端，所述第二薄膜電容、第三金屬膜電容、第四金屬膜電容和第五金屬膜電容依次并聯在所述升壓電路的輸出端。
7.如權利要求1所述的低電壓穿越裝置，其特征在于，輸出執行電路包括第一組二極管、第二組二極管和第三組二極管、第一熔斷器、第二熔斷器、第三熔斷器、第四熔斷器、第二斷路器和第三斷路器； 所述第一組二極管、第二組二極管和第三組二極管均由兩個二極管構成；所述第一組二極管和第二組二極管為同向串聯結構，并分別串聯在與所述升壓電路輸出端的正、負極上；所述第三組二極管的兩個二極管并聯后與所述第一組二極管串聯，形成兩個正極母線；從第二組二極管輸出端引出兩個負極母線，與所述兩個正極母線匹配，形成兩組母線，每個母線分別串聯第一熔斷器、第二熔斷器、第三熔斷器和第四熔斷器后接入所述第二斷路器和第三斷路器后輸出。
8.如權利要求1所述的低電壓穿越裝置，其特征在于，所述蓄電池組配有蓄電池在線監測系統，用于監測蓄電池運行狀態； 所述蓄電池組和所 述蓄電池在線監測系統裝在同一個柜中。
【文檔編號】H02J7/00GK103545913SQ201310513926
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】呂大偉, 趙紅光, 許勇, 張輝, 王偉濤 申請人:國家電網公司, 南京南瑞集團公司