CN102255603B - 基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统及方法 - Google Patents

基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统，所述系统包括：三相变压器、功率单元、电压互感器、隔离变压器、电流互感器、主控制器、每个功率单元包含一个功率单元控制器。相应地，本发明还公开了一种基于高压电机控制和无功补偿的综合控制方法。本发明提供的基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统及方法，既能进行高压电机控制，又可进行无功补偿，从而极大地提高节能效果，降低系统成本，实现最优化的节能目标。

Description

基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统及方法
技术领域
本发明涉及节能控制技术领域，尤其涉及一种基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统及方法。
背景技术
随着能源价格上涨和国家节能减排政策的引导，基于电力电子技术的一体化节能方案得到广泛应用。其中，高压变频器和静止无功发生器由于结构成熟、产品丰富、节能回报高，得到了业内的广泛认可，成为节能领域的主要产品。
电网中多数设备运行时需要从电网吸收一部分感性无功，导致电网输送电流增大、用户侧电网电能质量变差，最为经济的解决方式为进行无功的就近补偿。但现有的高压变频器或静止无功发生器，产品功能单一，价格较高。若在同时需要高压变频和无功补偿的场合，需同时装配两种设备，导致节能成本高，现场安装和后续维护任务复杂。
现有的技术方案包括以下两种方式：
分别采用高压变频器控制电机和静止无功发生器补偿无功。用两套设备分别实现电机控制和用户侧电能治理的要求。
采用有回馈功能的高压变频器，将电机制动或发电状态产生的电能回馈至电网，通过对回馈电能的交-直-交变换，调整输出电流的相位，实现对无功的部分补偿。但由于需要电机回馈能量，使用场合受到很大限制。
发明内容
本发明提供的基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统及方法，既能进行高压电机控制，又可进行无功补偿，从而极大地提高节能效果，降低系统成本，实现最优化的节能目标。
为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统，所述系统包括：
三相变压器，包含原边绕组和多个相互独立的副边绕组；
功率单元，所述三相变压器的每个副边绕组与一个所述功率单元相连，同相功率单元输出串联后与负载连接；
电压互感器，用于检测所述三相变压器高压侧A相电压；
隔离变压器，与所述电压互感器二次侧输出相连，所述隔离变压器二次侧输出接A相功率单元，用于对采样的电压信号进行硬件锁相，得到A相电压相位θ；
电流互感器，用于检测用户侧电网电流，所述电流互感器二次侧输出接A相功率单元；
主控制器，以双数字信号处理器和超大规模集成电路可编程器件为核心，配合数据采集、单元控制及光纤通信回路构成系统控制部分，主控制器通过光纤向功率单元驱动板发送PWM信号，控制H桥逆变电路输出电压；
功率单元控制器，所述每个功率单元包含一个所述功率单元控制器，所述功率单元控制器，由DSP、可编程逻辑门阵列(FPGA)及数据采集电路组成，负责电压、电流的采样和A相电压锁相，并据此产生三相全控桥的SVPWM信号。
具体地，所述功率单元还包括全控三相桥、直流母线电容、单元驱动板、H桥逆变电路及旁路接触器，所述三相变压器的二次侧与所述全控三相桥相连，所述全控三相桥的正负输出端与所述直流母线电容的正负端相连，所述直流母线电容的正负端与所述H桥逆变电路的输入端相连，所述单元驱动板与所诉H桥逆变电路连接，驱动H桥的IGBT，所述旁路接触器与所述H桥逆变电路的输出端相连，所述H桥的IGBT由所述单元驱动板驱动。
具体地，所述全控三相桥和H桥逆变电路均由IGBT构成，所述全控三相桥采用SVPWM控制方式，所述H桥逆变电路采用PWM控制方式。
具体地，所述功率单元控制器、单元驱动板分别与主控制器通过光纤连接。
相应地，本发明还提供了一种基于高压电机控制和无功补偿的综合控制方法，所述方法包括：
电压互感器检测三相变压器高压侧A相电压，通过隔离变压器方式进行电压采样，由功率单元控制器对采样的电压信号进行硬件锁相，并计算A相电压相位；
电流互感器检测用户侧电网电流，获得电网电流采样值；
功率单元控制器根据电压相位和电网电流采样值，经坐标变换，解耦得到无功电流和有功电流；
功率单元控制器以用户侧电网无功电流等于0为控制目标，通过PI调节，产生相应的SVPWM控制信号，控制全控三相桥通断，从而控制功率单元吸收或产生的无功电流大小；以设定的直流母线电压稳定值为参考量，通过PI调节，使直流母线电容电压平衡，从而控制功率单元输入的有功电流。此步骤为无功补偿的工作过程。
主控制器根据用户设定的频率值，按照设定的V/f曲线，采用载波移相SPWM技术，产生相应的控制信号，并通过光纤发送至功率单元的驱动板，驱动H桥逆变电路输出电压，实现电机变频控制。此步骤为变频工作过程。
具体地，所述方法还包括：所述功率单元控制器还需要对无功电流分量进行限幅控制。
具体地，所述方法还包括：
当某个功率单元发生故障时，通过旁路接触器旁路该功率单元及其他两相同级功率单元，直到故障解除。
具体地，所述方法还包括：
当某一级功率单元被旁路后，通过提高调制比，提高功率单元的输出电压，保证正常工作。
本发明达到的有益效果如下：
本发明使用一套系统即可实现高压电机控制和用户侧电网的无功就地补偿。系统主控制器通过光纤向功率单元驱动板发送PWM信号，控制H桥逆变电路输出电压，以调节输出电压等级和频率，可以实现电机的变频调速控制；通过功率单元中的功率单元控制器对电压、电流的采样和A相电压锁相，并据此产生三相全控桥的SVPWM信号，可调节无功电流满足超前或滞后的补偿要求，实现对用户电能质量的治理。无功补偿作为本发明的独立功能，由电网提供电容储能，无功补偿不依附于逆变侧的电机能量回馈，从而有效提高了无功电流的稳定性和无功补偿的范围。
附图说明
图1是本发明基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统结构图；
图2是本发明功率单元主电路结构图；
图3是本发明基于高压电机控制和无功补偿的综合控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统结构图，图2是本发明功率单元主电路结构图，如图所示，所述系统包括：
三相变压器1，包含原边绕组和多个相互独立的副边绕组；其中，原边绕组为高压侧，经隔离开关或断路器与电网相连；副边绕组为低压侧，包括多个相互独立的副边绕组，每个副边绕组与一个功率单元2的输入端直接相连，同相的功率单元2输出端串联后与负载相连。
若干功率单元2，所述三相变压器1的每个副边绕组与一个所述功率单元2相连，同相功率单元2输出串联后与负载连接；
电压互感器4，用于检测所述三相变压器1高压侧A相电压；
隔离变压器5，与所述电压互感器4二次侧输出相连，所述隔离变压器5二次侧输出接A相功率单元，用于对采样的电压信号进行硬件锁相，得到A相电压相位θ；
电流互感器6，用于检测用户侧电网电流，所述电流互感器6二次侧输出接A相功率单元；
主控制器3，以双数字信号处理器和超大规模集成电路可编程器件为核心，配合数据采集、单元控制及光纤通信回路构成系统控制部分，主控制器通过光纤向功率单元驱动板发送PWM信号，控制H桥逆变电路输出电压；
功率单元控制器8，所述每个功率单元2包含一个所述功率单元控制器8，所述功率单元控制器8，由DSP、可编程逻辑门阵列(FPGA)及数据采集电路组成，负责电压、电流的采样和A相电压锁相，并据此产生三相全控桥的SVPWM信号。
具体地，功率单元控制器8完成电压相位计算和电网电流检测，并产生相应的控制信号，驱动全控三相桥，完成直流母线电压平衡及无功补偿功能。
功率单元控制器8无功提取和相位计算采用瞬时无功提取方式，经坐标变换解耦，通过控制无功分量调节单元吸收或产生的无功电流，控制有功分量保证直流母线电容的电压平衡。
主控制器3和每个功率单元控制器8之间通过一对光纤7相连，主控制器3的控制信号和功率单元控制器8的反馈信号均通过光纤通信。
请参见图2，功率单元除了包括功率单元控制器8之外，还包括全控三相桥9、直流母线电容10、单元驱动板11、H桥逆变电路12及旁路接触器13，三相变压器1的二次侧与所述全控三相桥9相连，一方面输入有功电流供给输出侧电机拖动，另一方面产生无功电流补偿用户侧电网所需无功；所述全控三相桥9的正负输出端与所述直流母线电容10的正负端相连，全控三相桥9采用IGBT构成，配合功率单元控制器8调节功率单元2的无功电流和直流侧电压，无功电流可在容性和感性范围内变化；所述直流母线电容10的正负端与所述H桥逆变电路12的输入端相连，直流母线电容10一方面作为逆变输出的直流侧，另一方面作为静止无功发生器的储能电容，所述旁路接触器13与所述H桥逆变电路12的输出端相连。当某相功率单元2发生故障时，通过旁路接触器13旁路该单元2及其他两相同级单元，至故障解除。
所述功率单元2的全控三相桥9和H桥逆变电路12均由IGBT构成，其中，全控三相桥9采用SVPWM控制方式，H桥逆变电路12采用载波移相SPWM控制方式。
结合图3，是本发明基于高压电机控制和无功补偿的综合控制方法流程图，如图所示，所述方法包括：
由电压互感器(PT)检测三相变压器高压侧(电网)A相电压，PT二次侧输出接隔离变压器后进入功率单元控制器，对采样的A相电压信号进行硬件锁相，得到A相电压相位θ。由用户侧电网电流互感器(CT)检测电网的三相电流，CT二次侧输出到功率单元控制器的电流霍尔，并经AD构成的数据采集电路测量电流值，得到Ia/Ib/Ic。
功率单元控制器根据A电压相位和电网电流采样值，经坐标变换，解耦得到无功电流Iq和有功电流Id，引入控制参数Iq *＝0，并对Iq进行限幅，经PI得到Uq参数。单元驱动板采用电阻采样方式测量直流母线电容电压Udc，经PI调节得到有功电流参数Id *，与解耦得到的有功电流Id比较，经PI调节得到Ud参数。根据获得的Ud、Uq参数，产生相应的SVPWM控制信号，控制电网电流的无功分量为零，控制直流母线电容的电压值为设定值Udc *。
主控制器根据用户设定的频率值，按照设定的V/f曲线，采用载波移相SPWM技术，产生相应的PWM控制信号，并通过光纤发送至功率单元的驱动板，驱动H桥逆变电路，并通过多单元级联方式形成多电平叠加，产生谐波很小的正弦波，实现电机变频控制。
当某相功率单元发生故障时，通过旁路接触器旁路该单元及其他两相同级单元，至故障解除。为了保证系统采取旁路措施以后仍能正常工作，单元体电压输出能力和调制比都要留有足够的裕量；当某一级功率单元被旁路后，通过提高调制比，提高功率单元的输出电压，保证正常工作。
本发明使用一套系统即可实现高压电机控制和用户侧电网的无功就地补偿。系统主控制器通过光纤向功率单元驱动板发送PWM信号，控制H桥逆变电路输出电压，以调节输出电压等级和频率，可以实现电机的变频调速控制；通过功率单元中的功率单元控制器对电压、电流的采样和A相电压锁相，并据此产生三相全控桥的SVPWM信号，可调节无功电流满足超前或滞后的补偿要求，实现对用户电能质量的治理。无功补偿作为本发明的独立功能，由电网提供电容储能，无功补偿不依附于逆变侧的电机能量回馈，从而有效提高了无功电流的稳定性和无功补偿的范围。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统，其特征在于，所述系统包括： 
三相变压器，包含原边绕组和多个相互独立的副边绕组； 
功率单元，所述三相变压器的每个副边绕组与一个所述功率单元相连，同相功率单元输出串联后与负载连接； 
电压互感器，用于检测所述三相变压器高压侧A相电压； 
隔离变压器，与所述电压互感器二次侧输出相连，所述隔离变压器二次侧输出接A相功率单元，用于对采样的电压信号进行硬件锁相，得到A相电压相位θ； 
电流互感器，用于检测用户侧电网电流，所述电流互感器二次侧输出接A相功率单元； 
主控制器，以双数字信号处理器和超大规模集成电路可编程器件为核心，配合数据采集、单元控制及光纤通信回路构成系统控制部分，主控制器通过光纤向功率单元驱动板发送PWM信号，控制H桥逆变电路输出电压； 
功率单元控制器，所述每个功率单元包含一个所述功率单元控制器，所述功率单元控制器，由DSP、可编程逻辑门阵列(FPGA)及数据采集电路组成，负责电压、电流的采样和A相电压锁相，并据此产生三相全控桥的SVPWM信号； 
所述功率单元还包括全控三相桥、直流母线电容、单元驱动板、H桥逆变电路及旁路接触器，所述三相变压器的二次侧与所述全控三相桥相连，所述全控三相桥的正负输出端与所述直流母线电容的正负端相连，所述直流母线电容的正负端与所述H桥逆变电路的输入端相连，所述单元驱动板与所述H桥逆变电路连接，驱动H桥的IGBT，所述旁路接触器与所述H桥逆变电路的输出端相连，所述H桥的IGBT由所述单元驱动板驱动。 
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述全控三相桥和H桥逆变电路均由IGBT构成，所述全控三相桥采用SVPWM控制方式，所述H桥逆变电路采用SPWM控制方式。 
3.根据权利要求1-2任意一项所述的系统，其特征在于，所述功率单元控制器、单元驱动板分别与主控制器通过光纤连接。 
4.一种对基于高压电机控制和无功补偿的综合控制系统进行控制的方法，其特征在于，所述方法包括： 
电压互感器检测三相变压器高压侧A相电压，通过隔离变压器方式进行电压采样，由功率单元控制器对采样的电压信号进行硬件锁相，并计算A相电压相位； 
电流互感器检测用户侧电网电流，获得电网电流采样值； 
功率单元控制器根据电压相位和电网电流采样值，经坐标变换，解耦得到无功电流和有功电流； 
功率单元控制器以用户侧电网无功电流等于0为控制目标，通过PI调节，产生相应的SVPWM控制信号，控制全控三相桥通断，从而控制功率单元吸收或产生的无功电流大小；以设定的直流母线电压稳定值为参考量，通过PI调节，使直流母线电容电压平衡，从而控制功率单元输入的有功电流； 
主控制器根据用户设定的频率值，按照设定的V/f曲线，采用载波移相SPWM技术，产生相应的控制信号，并通过光纤发送至功率单元的单元驱动板，驱动H桥逆变电路输出电压，实现电机变频控制。 
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述功率单元控制器还需要对无功电流分量进行限幅控制。 
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 
当某个功率单元发生故障时，通过旁路接触器旁路该功率单元及其他两相同级功率单元，直到故障解除。 
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 
当某一级功率单元被旁路后，通过提高调制比，提高功率单元的输出电压，保证正常工作。 
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