HVDC换流阀阀基电子设备的设计与研制

摘要

随着电力电子技术和直流输电技术的发展,高性能的电力电子装置在电力系统中的应用则日益广泛,对其技术指标的要求也越来越高。直流输电换流阀触发与监测系统是为晶闸管服务的,以往的电磁触发与监测方式因不能完全满足现代换流阀技术的要求而逐渐淘汰,光电触发与监测系统已成为换流阀触发与监测方式的主流。而阀基电子设备(Valve Basic Electronics,VBE)是触发与监测系统甚至是直流输电装置中的核心设备,在我国,目前对这方面的研究只是进展到试验阶段,核心技术更为少数几家跨国公司所掌握。本文以中国电力科学研究院的国家“十一五”科技支撑计划课题《±800kV直流工程6英寸晶闸管元件及换流阀的开发研究》与国家电网科学技术项目《高压直流输电换流阀关键技术研究》为依托,旨在研制一套能在实际工程中应用且具有完全知识产权的换流阀阀基本电子设备。
　　 阀基电子设备技术包含了信号处理器(DSP)技术、FPGA／CPLD技术、光通信技术以及局域网信息传送技术等,是一种多学科、跨领域的交叉应用技术。触发功能是阀基电子设备的核心功能之一,其核心是生成触发编码脉冲的硬件电路设计以及硬件语言程序设计。在本文中,触发功能的实现是基于CPLD芯片来生成触发编码脉冲,文章详细分析了该电路的触发时序并给出了触发功能的工作原理图；监测功能是阀基电子设备另一核心功能,是关乎换流阀能否稳定、安全工作的前提。监测功能主要包含门级单元(Thyristor Electronic,TE)的回报脉冲监测、冷却系统的漏水监测等。CPLD与DSP芯片是实现监测功能的核心器件,本文在详细介绍监测功能工作原理的基础上,提出了该功能的实现方式以及相关的程序流程图。
　　 本设计采用CAN(Controller Area Network)网络作为VBE与控制保护系统之间的局域网通信方式,用光缆作为传输介质,以提高通信的抗干扰能力和稳定性。光电转换原理是VBE的理论基础之一,本文给出了光电转换的电路设计。同时,本文对CAN通信帧结构以及报文说明做了详细的介绍,在提供阀基电子设备CAN通信结构原理图的基础上,提出了CAN通信软件设计相关的程序流程图以及部分程序源代码。
　　 本文还介绍了VBE保护功能的实现,并对丢脉冲保护做了详细的论证,提出了一种全新的丢脉冲保护处理策略。在本设计中,阀基电子设备CAN网通信、触发功能以及监测功能的实现都采取双冗余设计结构,以符合实际工程化的应用。
　　 本文设计的阀基电子设备已运用于换流阀运行并通过了相应例行试验和型式试验。最后,展望了自主研发阀基电子设备运用于实际直流输电工程的进一步研究发展方向。

目录

文摘

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致谢

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第一章 绪论

1.1 高压直流输电概述

1.1.1 高压直流输电原理与特点

1.1.2 直流输电换流阀

1.1.3 直流输电在我国的发展前景

1.2 换流阀触发与在线监测系统

1.2.1 触发与在线监测系统的作用

1.2.2 晶闸管电子电路功能概述

1.2.3 阀基电子设备在触发与监测系统中的作用

1.3 阀基电子设备发展现状和趋势

1.4 课题来源及研究的意义、工作与论文主要内容

1.4.1 课题的来源及研究意义

1.4.2 论文的主要工作和内容

第二章 阀基电子设备概述

2.1 阀基电子设备结构设计

2.2 阀基电子设备总体功能概述

2.2.1 阀基电子设备原理

2.2.2 阀基电子设备总体功能

2.2.3 阀基电子设备工作模式

2.3 国外VBE概况

2.3.1 ABB公司VCU

2.3.2 西门子公司VBE

2.3.3 AREVA公司VBE

第三章 VBE触发与监测功能的设计与实现

3.1 光电与电光转换电路

3.1.1 光电与电光转换原理

3.1.2 电光与光电转换电路

3.2 基于CPLD的触发功能的设计

3.2.1 Verilog HDL硬件描述语言简介

3.2.2 CPLD的结构与特点介绍

3.2.3 换流阀触发功能的设计

3.2.4 触发功能试验

3.3 监测功能的实现与设计

3.3.1 TMS320LF2407芯片结构及C2000开发环境介绍

3.3.2 换流阀状态监测功能的设计与实现

3.3.3 换流阀漏水监测

3.4 VBE保护功能与丢脉冲保护的实现

3.4.1 VBE保护功能

3.4.2 丢脉冲保护功能的实现

第四章 VBE局域网通信功能的设计与实现

4.1 CAN控制器模块概述

4.1.1 CAN技术简介

4.1.2 CAN的报文传送与通信帧结构

4.1.3 CAN总线工作原理

4.2 CAN控制器的操作

4.3 CAN网通信的设计与实现

4.3.1 阀基电子设备通信功能的实现

4.3.2 CAN通信软件设计

第五章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文