CN102570880A - 一种三相全桥式换流器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相全桥式换流器装置，它包括有功电流支路（1）和无功电流支路（2），有功电流支路（1）的直流侧有蓄电池（3），蓄电池（3）正负端与直流侧电源正负端并联，支路一控制器（4）与有功电流支路（1）电连接，有功电流支路（1）经星三角变压器转换后通过导线接入配电网，支路二控制器（5）与无功电流支路（2）电连接，无功电流支路（2）直接导线接入配电网；解决了配电网系统电压小扰动较频繁尤其是存在负序电压时，配电网系统会对补偿装置灌入较大的负序电流导致威胁补偿装置安全稳定等问题。

Description

一种三相全桥式换流器装置

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，尤其涉及一种针对有功和无功电流综合补偿的基于三相电压型桥式换流器装置。

背景技术

三相电压型桥式换流器一般用于无功电流补偿，无功电流及谐波电流补偿（有源滤波器功能）。

无功补偿装置以及有源滤波器一般均工作在系统电压波动频繁的配电网中，中国专利申请200710034455.5（申请号）介绍了一种控制直流侧电容电压稳定，避免电容电压超调现象的方法，中国专利申请201110092128.1（申请号）介绍了一种在电网负载变化的情况下，仍然具有良好的谐波补偿效果的控制方法，现有的方法大都是关注直流电压稳定问题和谐波补偿效果等装置相关的直接问题。然而配电网系统电压小扰动较频繁尤其是存在负序电压时，若没有采取相应的控制方法，系统会对无功补偿装置灌入较大的负序电流，威胁装置的安全稳定运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种三相全桥式换流器装置，以解决配电网系统电压小扰动较频繁尤其是存在负序电压时，配电网系统会对无功补偿装置灌入较大的负序电流导致威胁无功补偿装置安全稳定等问题。

本发明技术方案：

一种三相全桥式换流器装置，它包括有功电流支路和无功电流支路，有功电流支路的直流侧有蓄电池，蓄电池正负端与直流侧电源正负端并联，支路一控制器与有功电流支路电连接，有功电流支路经星三角变压器转换后通过导线接入配电网，支路二控制器与无功电流支路电连接，无功电流支路直接导线接入配电网。

支路一控制器包括第一数字锁相控制器，第一交流电压采样器通过导线连接到第一数字锁相控制器，模式控制器通过导线连接到有功电流发生器，第一数字锁相控制器与有功电流发生器电连接，有功电流发生器与第一无差拍控制器电连接，第一无差拍控制器与第一脉冲发生器电连接，第一载波发生器与第一脉冲发生器电连接，第一脉冲发生器与第一IGBT模块电连接。

支路二控制器包括第二数字锁相控制器，第二交流电压采样器通过导线连接到第二数字锁相控制器，第二数字锁相控制器与无功电流检测器电连接，无功电流检测器与无功电流发生器电连接，第二直流电压采样器与直流电压控制器电连接，直流电压控制器与无功电流发生器电连接，无功电流发生器与第二无差拍控制器电连接，第二无差拍控制器与第二脉冲发生器电连接，第二载波发生器与第二脉冲发生器电连接，第二脉冲发生器与第二IGBT模块电连接。

第一数字锁相控制器包括坐标变换器，坐标变换器与正序电压提取器电连接，正序电压提取器与PI调节器电连接，PI调节器与积分器电连接。

无功电流检测器包括负荷电流采样器，它与坐标变换器电连接，坐标变换器与低通滤波器电连接。

本发明有益效果：

本发明提供了一种基于电压型的三相全桥式换流器装置，通过获取交流电压采样值得到系统侧负序电压的信息装置发出等量的负序电压从而避免产生较大的负序电流，克服现有技术存在的系统对装置灌入较大的负序电流的问题，从而保证装置的安全稳定运行，同时该装置通过有功电流支路和无功电流支路的协调运行，通过支路一控制器和支路二控制器的协调控制，达到对系统削峰填谷以及无功补偿的功能，由于采用无差拍控制，将系统电压的采样值直接作为调制波的一部分，其中无需进行坐标变换就可以考虑到系统电压的负序分量，所以若电网存在负序电压时，本发明能够通过第一无差拍控制器以及第二无差拍控制器及时发出对应电网的负序电压，从而避免较大负序电流的产生，并且节省了负序电压提取的时间。该环节也是装置能够稳定，安全实现削峰填谷和补偿无功的综合功能的重要环节；解决了配电网系统电压小扰动较频繁尤其是存在负序电压时，配电网系统对补偿装置灌入较大的负序电流，威胁补偿装置安全稳定等问题。

附图说明：

图1 是本发明主回路电路示意图；

图2 是本发明支路一控制器组成示意图；

图3 是本发明支路二控制器组成示意图；

图4是本发明无功电流检测器组成示意图；

图5 是本发明数字锁相控制器组成示意图；

图6是无功电流发生器控制原理示意图；

图7为第一无差拍控制器控制原理示意图；

图8为第二无差拍控制器控制原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案，控制优点更加明确，下面将结合附图对本发明做详细的解释说明。

本发明实施例提供了一种基于三相电压型桥式换流器装置，针对有功和无功电流综合补偿的控制策略。本控制策略是基于低压配电网系统电压波动频繁的前提下，仍然能够稳定，安全的实现削峰填谷以及补偿无功负荷的功能。

本发明实施例的介绍是基于主电路采用两个三相电压型桥式换流器的拓扑结构，一种三相全桥式换流器装置（见图1），它包括有功电流支路1和无功电流支路2，有功电流支路1的直流侧有蓄电池3，蓄电池3正负端与直流侧电源正负端并联，支路一控制器4与有功电流支路1光纤连接，有功电流支路1经星三角变压器转换后通过导线接入配电网，支路二控制器5与无功电流支路2导线连接，无功电流支路2直接导线接入配电网，模式控制器6通过导线连接到配电系统。

桥式换流器的拓扑结构中包括电容器、二极管、IGBT。

支路一控制器4包括（见图2）第一数字锁相控制器8，第一交流电压采样器7通过导线连接到第一数字锁相控制器8，模式控制器6通过导线连接到有功电流发生器14，第一数字锁相控制器8与有功电流发生器14通过数据读取函数连接，有功电流发生器14与第一无差拍控制器10通过数据读取函数连接，第一无差拍控制器10与第一脉冲发生器13通过数据函数调用连接，第一载波发生器12与第一脉冲发生器13通过数据读取函数连接，第一脉冲发生器13与第一IGBT模块通过光纤实现数据连接。

支路二控制器5包括（见图3）第二数字锁相控制器20，第二交流电压采样器19通过导线连接到第二数字锁相控制器20，第二数字锁相控制器20与无功电流检测器15通过数据读取函数连接，无功电流检测器15与无功电流发生器17通过数据读取函数连接，第二直流电压采样器18与直流电压控制器16通过导线连接，直流电压控制器16与无功电流发生器17通过数据读取函数连接，无功电流发生器17与第二无差拍控制器23通过数据读取函数连接，第二无差拍控制器23与第二脉冲发生器33通过数据读取函数连接，第二载波发生器32与第二脉冲发生器33通过数据读取函数连接，第二脉冲发生器33与第二IGBT模块通过光纤连接。

无功电流检测器15包括（见图4）负荷电流采样器24，它与坐标变换器25通过导线连接，坐标变换器25与低通滤波器26通过数据读取函数连接。

第一数字锁相控制器8包括（见图5）坐标变换器25，坐标变换器25与正序电压提取器27通过数据读取函数连接，正序电压提取器27与PI调节器28通过数据读取函数连接，PI调节器28与积分器29通过数据读取函数连接。

无功电流发生器17（见图6）由正弦函数发生器30通过数据函数调用无功电流检测器15的输出、直流电压控制器16的输出、第二数字锁相控制器20的输出形成。

第一无差拍控制器10的工作原理为（见图7）：调制波生成器一31通过数据调用函数接收有功电流发生器14输出、与第一交流电流采样器9，第一直流电压采样器11和第一交流电压采样器7通过导线分别连接接收其数据，形成数据交接。

第二无差拍控制器23的工作原理为（见图8）调制波生成器二34通过数据调用函数接收无功电流发生器17输出、与第二交流电流采样器22，第二直流电压采样器18和第二交流电压采样器19分别连接进行数据交接。

 第一直流电压采样器11，用于采集电池支路的直流电压信号                                                

；

第二直流电压采样器18，用于采集电容支路的直流电压信号

；

第一交流电压采样器7，用于采集有功电流支路1交流侧三相电压

,

,

；

第二交流电压采样器19，用于采集无功电流支路2交流侧三相电压

,,

；

第一交流电流采样器9，用于采集有功电流支路1交流侧三相电流

,

,

；

第二交流电流采样器22，用于采集无功电流支路2交流侧三相电流

,

,

；

负荷电流采样器24，用于采集负荷出口处三相电流

,,；

直流电压控制器16，用于控制电容直压稳定在期望值，主要包括减法器、PI调节器28、乘法器。

PI调节器28的传递函数为：

其中，K为比例增益，T为积分时间常数。比例增益K与积分时间常数T需要根据实际情况来调整，例如，硬件参数、主回路结构等等。

无功电流检测器15，用于提取负荷电流中的无功分量，主要包括坐标变换器25，低通滤波器26。

其中三相静止坐标到两相旋转坐标系的变换矩阵

：

低通滤波器26的传递函数为：

其中，

为低通滤波器26的阻尼系数，本发明取值0.707

          为低通滤波器26的截止频率，本发明取值50Hz

第一数字锁相控制器8，用于准确跟踪系统电压角度，避免在相角突变的情况下，有功和无功也发生较大突变，主要包括坐标变换器25、正序电压提取器27、PI调节器28、积分器（29）。

其中坐标变换器25为：

经过四分之一周期延时得到

,最终得到的正序电压为：

将

与0作比较，进入PI调节器28，PI调节器28的输出再加上系统频率50Hz的结果作为积分器29的输入，积分器29的输出为最终锁到的相角。

有功电流发生器14根据模式控制器6的有功功率指令，数字锁相控制器8的输出生成有功电流。

无功电流发生器17，根据无功电流检测器15的输出，直流电压控制器16的输出以及第二数字锁相控制器20的输出生成无功电流。

若作为削峰填谷，以有功电流为目标时，目标电流发生器25只取有功电流发生器14的输出作为目标电流；

若进行无功补偿时，目标电流发生器只取无功电流发生器17的输出作为目标电流。

第一无差拍控制器10，以有功电流发生器14输出为期望，反馈电流

为有功电流支路1的第一交流电流采样器9的输出；

第二无差拍控制器23，以无功电流发生器17输出为期望，，反馈电流为无功电流支路2的第二交流电流采样器22的输出。

无差拍控制原理如下：

由于采用无差拍控制，将系统电压的采样值直接作为调制波的一部分，其中无需进行坐标变换就可以考虑到系统电压的负序分量。所以若电网存在负序电压时，本发明能够及时发出对应电网的负序电压，从而避免较大负序电流的产生。该环节也是装置能够稳定，安全实现削峰填谷和补偿无功的综合功能的重要环节。

第一载波发生器12：用于生成0到1周期变化的三角波。

第一脉冲发脉冲生器13：主要包括比较器和取反器。将第一无差拍控制器10的输出与第一载波发生器13的输出比较，当调制波大于载波时，桥臂的上管导通，下管关断。

第二载波发生器32：用于生成0到1周期变化的三角波

第二脉冲发脉冲生器33：主要包括比较器和取反器。将第二无差拍控制器23的输出与第二载波发生器23的输出比较，当调制波大于载波时，桥臂的上管导通，下管关断。

Claims (5)

1.一种三相全桥式换流器装置，它包括有功电流支路（1）和无功电流支路（2），其特征在于：有功电流支路（1）的直流侧有蓄电池（3），蓄电池（3）正负端与直流侧电源正负端并联，支路一控制器（4）与有功电流支路（1）电连接，有功电流支路（1）经星三角变压器转换后通过导线接入配电网，支路二控制器（5）与无功电流支路（2）电连接，无功电流支路（2）直接导线接入配电网。

2.根据权利要求1所述的一种三相全桥式换流器装置，其特征在于：支路一控制器（4）包括第一数字锁相控制器（8），第一交流电压采样器（7）通过导线连接到第一数字锁相控制器（8），模式控制器(6)通过导线连接到有功电流发生器（14），第一数字锁相控制器（8）与有功电流发生器（14）电连接，有功电流发生器（14）与第一无差拍控制器（10）电连接，第一无差拍控制器（10）与第一脉冲发生器（13）电连接，第一载波发生器（12）与第一脉冲发生器（13）电连接，第一脉冲发生器（13）与第一IGBT模块电连接。

3.根据权利要求1所述的一种三相全桥式换流器装置，其特征在于：支路二控制器（5）包括第二数字锁相控制器（20），第二交流电压采样器（19）通过导线连接到第二数字锁相控制器（20），第二数字锁相控制器（20）与无功电流检测器（15）电连接，无功电流检测器（15）与无功电流发生器（17）电连接，第二直流电压采样器（18）与直流电压控制器（16）电连接，直流电压控制器（16）与无功电流发生器（17）电连接，无功电流发生器（17）与第二无差拍控制器（23）电连接，第二无差拍控制器（23）与第二脉冲发生器（33）电连接，第二载波发生器（32）与第二脉冲发生器（33）电连接，第二脉冲发生器（33）与第二IGBT模块电连接。

4.根据权利要求2所述的一种三相全桥式换流器装置，其特征在于：第一数字锁相控制器（8）包括坐标变换器（25），坐标变换器（25）与正序电压提取器（27）电连接，正序电压提取器（27）与PI调节器（28）电连接，PI调节器（28）与积分器（29）电连接。

5.根据权利要求3所述的一种三相全桥式换流器装置，其特征在于：无功电流检测器（15）包括负荷电流采样器（24），它与坐标变换器（25）电连接，坐标变换器（25）与低通滤波器（26）电连接。

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