专利名称：高压大功率谐振变频除冰方法及其除冰装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高压谐振变频原理的除冰方法应用与其除冰电源装置的研究。属 于电除冰的技术领域。
背景技术：
持续的雨雪和冰冻灾害往往会使电力系统陷入困境，铁塔倒塌、线路停运、 电网解列，这些电力危情使人民群众的正常生活和经济运行遭受了巨大威胁。这 些危情的最主要原因是线路覆冰，所以在线路的覆冰到达一定的厚度时必然要采 取某些除冰措施。在已有的除冰技术手段中，机械人工除冰的手段效率低，风险 系数高，周期长，很难大面积推广；采用新材料导线的方法即增加了成本也往往 不能很好的推广，特别是在老线路中；原有的线路大电流融冰法，要求线路的完 整性，且消耗的电能多；直流电流融冰法往往是2条线路同时融冰，在正常的三 相运行线路融冰时相对时间长，操作复杂。本方明提出的谐振集肤电流方法利用 导线高频情况下的集肤效应，通过提高传输电流的频率，使得线路的总电阻增加， 即在相同的融冰功率条件下，线路传送的电流可以减小，减小线路的过电流危害； 同时，通过在电力电子变频装置和线路的连接处串联电容器堆，使得它和线路的 等效电感在某个频率下实现串联谐振，线路最终等效为一个纯电阻性负载，这样 可以在相同融冰功率的情况下，仅传送有功功率，不像原有大电流融冰法还需传 送无功功率，需要传送的功率最小，相对来说比大电流融冰法效率高。发明内容本发明的目的是提供一种高压大功率谐振变频除冰装置及其控制方法，旨在 运用集肤效应和串联谐振原理来实现线路除冰方案，实现同等发热功率下线路融 冰电流显著减少，同时可使线路输送功率仅为有功功率,提高线路融冰效率，减少 运行成本，并提供配套的高压大功率线路除冰装置，为该除冰方案提供融冰电能。技术方案本发明的高压大功率谐振变频除冰方法为基于集肤效应和串联 谐振原理的电流融冰方法，在停电的情况下，把线路一端的三相导线通过短接线 短接，即把整个三相线路视为一个三相负载，三相短接点作为负载的中性点；而 在线路的另一端加上高压大功率谐振变频除冰装置，在电力电子变频装置与线路 之间串联谐振电容器堆，该装置输出的1000 1800Hz高频电流流过该线路；该方 法通过在线路上加装置输出的1000~ 1800Hz高频电流后，融冰线路的等值电感和 高压大功率谐振变频除冰装置的谐振电容器在装置输出频率点处串联谐振，使得 整个线路和装置回路等效为发热的纯电阻性负载，即此情况下线路的输送功率仅 为融冰消耗的有功功率，可使线路的电阻值显著增加，同时也使线路的发热部分 集中于线路的表面附近，两种效应可显著加快线路的融冰的速度。除冰装置包括以下部分组成一个用于电源输入的移相隔离变压器，该隔离变压器的一次输入绕组为l个，二次输出绕组为24个，二次绕组的输出对应24个功率单元的输入，其中A、 B、 C 三相各对应有8个功率单元；一个电力电子变频装置，该变频装置采用级联型拓扑结构，每相由8个功率 单元串联组成，星型连接输出；功率单元采用三相不控整流输入，电解电容直流 滤波，绝缘门极双极型晶体管IGBT组成的2H桥输出；电力电子变频装置各功率单 元接入移相隔离变压器对应二次绕组输出的三相额定线电压720V/50Hz的交流 电，然后在各功率单元中经过整流滤波建立单独的直流电压，最后各功率单元通 过脉宽调制技术实现直流-高频交流的转化，通过每相8个功率单元的级联即可以 产生三相额定10KV/ (1000 1800Hz)的高频交流电；一个三相谐振电容器堆，其基本组成是100A/3000V的无感大电流薄膜电容 器，通过它们的串并联连接来提高电容的耐压和电流承载能力，实现高压大电流 运行工况下的实际谐振电容器堆，高压大功率谐振变频除冰装置的输入是移相隔离变压器，变压器二次各绕组 输出与对应电力电子变频装置功率单元连接，每相中的8个功率单元级联连接， 输出端为A' 、 B' 、 C';谐振电容器堆的三相输入端分别和电力电子变频装置 的A， 、 B' 、 C，三相输出对应连接，谐振电容器堆的输出A、 B、 C直接和除冰线 路连接。变频电源装置将采用高压交流1-直流-高压交流2的变频方式，高压交流l是工频电源，高压交流2为输出高频除冰用电源。工频电源输入通过隔离变压器后 整流，再滤波便是中间的直流环节，直流环节经高频PWM逆变输出高频除冰用电 源，最后经一组串联谐振电容器输出(见附图l)。除冰的基本原理还是依靠电 流流过线路使电阻发热融冰，不过本发明中把电流的频率提高很多倍，利用导线 集肤效应使单位长度电阻显著增加，改变线路发热环境，加快融冰速度。同时为 了降低除冰电源装置的输出功率，依据串联谐振原理，串入谐振电容器并和线路 的等值电感在除冰电源装置输出频率点谐振，把线路等效为纯电阻负载，使线路 仅输送有功功率。
图1:除冰电源装置的模型图；图2:级联型除冰电源装置拓扑图；图3:电力电子变频装置功率单元拓扑图；图4:导线的集肤效应原理示意图；图5:串联谐振原理图；图6:三相线路融冰接线图；图7:单相线路融冰接线图；图8:单相线路融冰电源装置的内部串联连接图;符号说明ST:移相隔离变压器， PE:电力电子变频装置， RC:谐振电容堆，A、 B、 C:高压大功率谐振变频除冰装置的三相输出端，L1 L24:移相隔离变压器二次绕组1 移相隔离变压器二次绕组24，cellAl cellA8:A相功率单元1 A相功率单元，cellBl cellB8:B相功率单元1~B相功率单元，cellCl cellC8:C相功率单元1 C相功率单元，Dl D6:功率单元内部三相不控整流桥二极管，Q1 Q4:功率单元内部2H桥IGBT，Capl Cap3:功率单元内部直流滤波电容器，Rl R3:功率单元内部直流滤波电容器的电压平衡电阻， i(t):导线中流过的电流，*(t):导线附近的磁通，S:导线在集肤效应下的集肤深度， L:线路等效电感，C:串入的的谐振电容器，R:线路等效电阻，AC:高频交流电源，AC Source:高频交流电源，Capll C邻13:三相线路除冰时A、 B、 C相分别串入的谐振电容器堆，Capd:单相线路除冰时串入的谐振电容器，Cap21 Cap23:单相线路除冰时串入的三个谐振电容器堆，L":单相线路除冰时线路等效电感，R":单相线路除冰时线路等效电阻，Al、 Bl、 Cl:单相线路除冰时高压大功率谐振变频除冰装置通过分相控制等 效的三个高频电源。
具体实施方式
为基于集肤效应和串联谐振原理的电流融冰方法，适用于线路敷冰情况下的 电流发热融冰；在停电的情况下，把线路的一端的三相导线通过短接线短接，即 把整个三相线路视为一个三相负载，三相短接点作为负载的中性点；而在线路的 另一端加上高压大功率谐振变频除冰电源装置，使该装置输出的1000 1800Hz 的高频电流流过该三相或单相线路;该方法通过在线路上加1000 1800Hz高频电 流后，可使线路的电阻值显著增加，同时也使线路的发热部分集中于线路的表面 附近，两种效应可显著加快线路的融冰的速度；另外该方法还包括，融冰线路的 等值电感和高压大功率谐振变频除冰电源装置的谐振电容器堆在装置输出频率 点处串联谐振，使得整个线路和装置回路等效为发热的纯电阻性负载，即此情况 下线路的输送功率仅为融冰消耗的有功功率。高压大功率谐振变频除冰装置包括以下部件组成一个变频电源装置，该装置采用级联型拓扑结构，每相8个功率单元串联；功率单元采用三相不控整流输入，电解电容直流滤波，2H桥输出，装置通过隔离 变压器输入三相额定10KV/50Hz的交流电，然后在各功率单元中建立单独的直流 电压，最后利用PWM技术实现直-交的转化，即可以产生三相额定10KV/ (1000 1800Hz)的高频交流电。一个三相谐振电容器堆，其三相输入端分别和变频电源装置的A、 B、 C三相 输出对应连接，谐振电容器堆的输出直接和线路连接；谐振电容器堆的基本组成 是100A/3000V的无感大电流薄膜电容器，通过它们的串并联连接，可实现高压大 电流的运行工况。该方法为基于集肤效应和串联谐振原理的电流融冰方法，在停电的情况下， 把线路一端的三相导线通过短接线短接，即把整个三相线路视为一个三相负载， 三相短接点作为负载的中性点;而在线路的另一端加上高压大功率谐振变频除冰 装置，在电力电子变频装置与线路之间串联谐振电容器堆，该装置输出1000 1800Hz的高频电流流过该线路；该方法通过在线路上加1000 1800Hz高频电流 后，融冰线路的等值电感和高压大功率谐振变频除冰装置的谐振电容器在装置输 出频率点处串联谐振，使得整个线路和装置回路等效为发热的纯电阻性负载，即 此情况下线路的输送功率仅为融冰消耗的有功功率，可使线路的电阻值显著增 加，同时也使线路的发热部分集中于线路的表面附近，两种效应可显著加快线路 的融冰的速度。高压大功率谐振变频除冰装置描述如附图1示，高压大功率谐振变频除冰装置包括移相隔离变压器、电力电子 变频装置、检测控制系统、谐振电容器堆。移相隔离变压器主要为电力电子变频 装置提供隔离的电源，通过其特殊处理可以减少谐波。电力电子变频装置由AC/DC， DC/AC两部分，AC/DC部分把工频交流整流滤波成直流，DC/AC部分把直流 PWM逆变成高频交流，其具体的形式-级联型(附图2)。串联谐振电容器与线路等 值电感构成LC串联谐振回路，其容值根据线路等值模型电感值和谐振频率确定， 而其耐压值由谐振最大电压值确定。检测控制系统作为装置的控制核心，通过采 集数据后根据特定算法控制电力电子变频装置把工频的电源变为1000 1800Hz 的高频电源。隔离变压器采用延边移相的结构，通称ZIGZAG变压器。该变压器的一次侧只 有一个绕组，接入三相10KV/50Hz交流电源，额定的功率为10MW; 二次绕组有24个三相输出绕组，输出的电压是三相720V/50Hz交流电压，每个三相绕组的输出 额定功率为415KW。如附图2中，绕组L3、 L6、 L9、 L12、 L15、 L18、 L21、 L24这 一队中的8个绕组分别对应A相的功率单元1 功率单元8交流输入绕组，而绕组 L2、 L5、 L8、 Lll、 L14、 L17、 L20、 L23和绕组L1、 L4、 L7、 LIO、 L13、 L16、 L19、 L22分别对应B、 C相的功率单元。同时，同相一队的各绕组间采用移相技术处理， 即相邻绕组输出电压之间相互移相60° /8的角度，如A相绕组L3比绕组L6超前7. 5 ° ，而绕组L6比绕组L9超前7.5。，如此下去，B、 C相相同处理组成一个延边移 相的多输出隔离变压器；电力电子逆变变频装置，如附图2示，该逆变装置三相输出，每相由8个完全 相同的功率单元(附图3中cellAl cellA8)组成，同相中8个功率单元是串联连 接起来的，即第一个功率单元的输出2和第二个功率单元的输出1连接，然后第二 个功率单元的输出2和第三个功率单元的输出1连接，如此下去，最后的第八个功 率单元的输出2作为对应相的逆变输出，此外，三相的第一个功率单元的输出l 则相互连接起来作为悬浮中性点。附图3的功率单元的基本组成是三相不控整 流桥电路(6个高压大电流整流二极管D1 D6组成)、电容器滤波电路(Capl Cap3， R1 R3，其中电阻的阻值是相同的，实现三个电容均压)、2H桥(4个全控 功率管Q1 Q4组成，器件选绝缘门极双极型晶体管-IGBT)逆变电路。三相不控 整流桥电路的输入连接隔离变压器二次侧对应的绕组，其输出接电容器滤波电 路，电容滤波后连接2H桥逆变电路输出单相高频电压。每相8个功率单元的串联 后，通过核心控制器控制电力电子逆变装置即可输出高压大功率高频电压电流。检测控制系统主要是控制电力电子逆变变频装置的，它包括数据采集、控制 算法计算的核心处理器DSP(数字信号处理器)-TMS320F2812、pwm输出处理器FPGA(现场可编辑门阵列)-EP2C8T144。除冰电源装置主要还有一些特殊控制算法，如分相控制、频率的自适应控制。 分相控制，即在已知功率单元稳定直流电压的情况下，通过检测相电流的大小， 然后再调整线路各相逆变器对应的调制比或控制角，即通过输出电压电流的关系 确定输出电压，最终使三相电流平衡。输出电流频率的自适应控制，其基本的方 法就是使频率在一定的范围内按检测精度逐步变化，同时监测线路电路的电流变 化情况，根据线路电流幅值相位调整输出频率，使等效电感和串联谐振电容器在 输出频率处谐振，提高线路输送功率。串联谐振电容器堆采用金属化的无感薄膜电容器。电容器基本单元为额定交 流电压3000V，额定交流电流100A的单个，通过该类60个相同电容器串联结成一 组，然后用五组同样的串联电容器组并联后合成一相的谐振电容器堆，三相用三 个堆。除冰方法描述谐振电容器堆出口可直接连接到线路上，针对三相，单相电路有两种不同 的连接方式，分别如图6、图7所示。这样，整个除冰电路单相可简化为图5所示 的等效电路。其中串联的电阻和电感为覆冰线路的等效模型，AC高频交流电源和 谐振电容器堆属于本发明的变频除冰电源装置部分。简化模型的运行原理如下面 所述由附图l，外部输入工频电源经隔离变压器再整流滤波后变为直流电源，由 电力电子变频装置逆变将输出电流频率提高到一定数值，整个电源装置最后就可 视为一个高频恒流源。由导线的"集肤效应"(图4)可知，当高频电流流过导 体时，导体的电流密度将不会是平均分布于整个导体内部，而是在表面附近有较 大的电流密度，在导体中心部分的电流密度是最小的。且频率越高，这种"集肤 效应"现象越明显。由于传输电流集中于导体表面，减小了导线的有效导电面积， 根据电阻计算公式及-^L/S， (p为电导率，L为线路长度，S为有效导电面积)容易得到导线单位长度电阻会变大，其直接结果就会导致在相同的电流条件下输 电线路可以发出更多的热量。一方面，高频电流下热量主要集中于输电线的表面， 这就有效的减少了损耗在输电线内部的热量；另一方面，可以由相对多的热量来 缩短了融冰时间，两个方面的影响都显著加快了融冰的速度，这是本发明的第一 个特点。本发明的变频电源装置通过自适应的控制手段，能使输出电流频率在一定 的范围内按检测精度逐步变化，同时监测线路电路的电流幅值相位变化，在所有 的频率都完成后，通过比较线路电流的极点来找出谐振频率(最大电流点处的频 率就是谐振频率)，同时会根据线路参数的摄动变化，自适应的调整输出频率。 本发明的另一个特点是使线路电感和串联谐振电容器在输出频率点发生串联谐 振，由串联谐振理论知此时整个线路等效为电阻值为R的纯阻性负载(见图5)， 在这样的情况下，线路传输的功率仅为电阻消耗的有功功率，即线路输送的功率 全部用于线路的融冰发热，相对传输功率效率最高，运行成本最低。具体的运行有如下三种实施方式 第一实施方式三相同时除冰。考虑线路为三相对称负载，如图6所示，在100KM的线路中间 处接上高压谐振变频除冰装置，两个50KM的末端通过短接线连接，每条线路即等 效成两个电阻性负载。三相电容器的电容值Cap21《ap22《ap23，三相电源的频率 fl = f2 = f3。这样的接线形式可以把线路参数的分布影响减少。另外，三相同时 除冰，可节省融冰时间，提高融冰效率。 第二实施方式单相线路除冰。如图7所示，除冰装置电源端接地，谐振电容器出口接于300KM 线路中间，除冰电源装置、覆冰线路、大地构成回路，这种运行方式特别适合输 电线路的地线或电气化铁路的接触网除冰。此时，除冰电源装置的内部接线如附图8，三个电容器串联后等效电容值为—S ，由 2;rVZ7^7，可得r^3丄；= = (其中l，r (f)为50km线路参数)，这样做的好处就可以充分利用装置的输出功率，使单次融冰时的线路增加到使用一相电源时的三倍，提 高融冰作业的时间效率。当然，装置在这样的接线方式下，必须采用分相控制的 方法，否则按三相输出电压的方法输出时，装置电压的输出仅为零。第三实施方式不平衡分相控制融冰。用于三相不对称线路，能有效抑制三相间的不平衡问 题。如图6所示，接线方式同第一实施方式。不同之处在于，变频装置输出的三 相电源频fl、 f2、 f3不等，每一相串联谐振电容器的电容值Cap21、 Cap22、 Cap23 也可不相等。
权利要求
1.一种高压大功率谐振变频除冰方法，其特征在于该方法为基于集肤效应和串联谐振原理的电流融冰方法，在停电的情况下，把线路一端的三相导线通过短接线短接，即把整个三相线路视为一个三相负载，三相短接点作为负载的中性点；而在线路的另一端加上高压大功率谐振变频除冰装置，在电力电子变频装置与线路之间串联谐振电容器堆，该装置输出的1000～1800Hz高频电流流过该线路；该方法通过在线路上加装置输出的1000～1800Hz电流后，融冰线路的等值电感和高压大功率谐振变频除冰装置的谐振电容器在装置输出频率点处串联谐振，使得整个线路和装置回路等效为发热的纯电阻性负载，即此情况下线路的输送功率仅为融冰消耗的有功功率，可使线路的电阻值显著增加，同时也使线路的发热部分集中于线路的表面附近，两种效应可显著加快线路的融冰的速度。
2. —种用于权利要求l所述的高压大功率谐振变频除冰方法的除冰装置，其 特征在于该装置包括以下部分组成一个用于电源输入的移相隔离变压器(ST)，该隔离变压器的一次输入绕组 为1个，二次输出绕组为24个，二次绕组的输出对应24个功率单元的输入，其中A、 B、 C三相各对应有8个功率单元；一个电力电子变频装置(PE)，该变频装置采用级联型拓扑结构，每相由8 个功率单元串联组成，星型连接输出；功率单元采用三相不控整流输入，电解电 容直流滤波，绝缘门极双极型晶体管IGBT组成的2H桥输出；电力电子变频装置各 功率单元接入移相隔离变压器对应二次绕组输出的三相额定线电压720V/50Hz的 交流电，然后在各功率单元中经过整流滤波建立单独的直流电压，最后各功率单 元通过脉宽调制技术实现直流-高频交流的转化,通过每相8个功率单元的级联即 可以产生三相额定10KV/ (1000 1800Hz)的高频交流电；一个三相谐振电容器堆(RC)，其基本组成是100A/3000V的无感大电流薄膜 电容器，通过它们的串并联连接来提高电容的耐压和电流承载能力，实现高压大 电流运行工况下的实际谐振电容器堆，高压大功率谐振变频除冰装置的输入是移相隔离变压器，变压器二次各绕组 输出与对应电力电子变频装置功率单元连接，每相中的8个功率单元级联连接， 输出端为A' 、 B' 、 C';谐振电容器堆的三相输入端分别和电力电子变频装置 的A， 、 B' 、 C'三相输出对应连接，谐振电容器堆的输出A、 B、 C直接和除冰线 路连接。
全文摘要
高压大功率谐振变频除冰装置及其除冰方法依照导线高频情况下产生集肤效应的原理，把线路承载电流的频率由工频50Hz提高到1000～1800Hz，相应的线路电阻增加到5倍左右，在相同的融冰功率条件下，使线路传送的电流减小，减小线路的过电流危害。同时利用LC串联谐振原理，通过在电力电子变频装置和线路的连接处串联谐振电容器堆，使得它和线路的等效电感在1000～1800Hz频率的电流下实现串联谐振，为了使在线路数据不正确情况下线路的等效电感和串联电容器实现串联谐振，本发明中采用自适应的频率调节技术，使得线路运行在谐振点处。本发明的装置适合三相和单相线路融冰，恒电流控制方法可以保证融冰的稳定性，先进的分相控制保证装置也适合参数不同三相线路的同时融冰。
文档编号H02G7/16GK101272043SQ200810098879
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者倪喜军, 吴琳娴, 铭 杨, 杰 白, 赵剑锋, 郑广良 申请人:东南大学