CN102820654B

CN102820654B - 一种电力电子系统协同控制方法

Info

Publication number: CN102820654B
Application number: CN201210336050.8A
Authority: CN
Inventors: 涂春鸣; 帅智康; 盘宏斌; 张杨; 肖凡; 姚鹏; 戴晓宗; 蒋玲; 楚烺
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102820654A

Abstract

本发明公开了一种电力电子系统协同控制方法，通过在串联型有源电力滤波器的耦合变压器原边并联一个比较大的限流电感，并通过其协同控制方法，在正常工作时使串联型有源电力滤波器补偿谐波电压，在负载侧出现短路故障时串联型有源电力滤波器主电路退出运行，耦合变压器副边呈现高阻抗，从而通过并联的限流电感限流；此系统不仅具有串联型有源电力滤波器补偿谐波电压的功能，同时还具有限流功能，有效的提高电网的供电可靠性和电网电能质量，经济效益和环保效益显著。本发明的方法解决了电网中的各种电能质量问题，为有效解决电网短路电流限制及电能质量问题提供理论和技术基础。

Description

一种电力电子系统协同控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子系统,特别是一种电力电子系统协同控制方法。

背景技术

近几年来，我国电网的规模迅速扩张，电网规模的不断扩大和结构的日益复杂化，势必造成电力系统短路电流水平的不断增大，同时短路故障也会引起短路点电压的大幅度下降，这将导致严重的后果。因此，采用切实有效的限流措施，将短路电流限制到合理的水平具有中意义。经过多年的研究发展，目前已经涌现众多的专门故障电流限制器，特别是超导限流器、固态限流器等己经在一些示范工程中采用，这极大推动了限流技术的深入研究和实用化进程。

如图1所示为带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器，其工作原理是：正常运行时，三相桥晶闸管T1~T6各导通180^o，T7、T8触发脉冲常加，直流电感中的电流为负载电流耦合到二次侧的电流峰值，近似恒定，直流电感两端的电压近似为零，所以耦合变压器副边电压近似为零，耦合变压器副边等效阻抗为零，原边相当于被短路，串联电抗不起作用，不影响系统正常运行；当发生短路故障时，变压器上承受电压，旁路电感和通过变压器耦合到原边的等效直流电感并联后串入主回路，限流电流的上升；控制系统封锁各晶闸管脉冲，使桥路退出运行，副边相当于短路，从而旁路电感自动串入被短路线路，起到限流的目的，因此，在电网正常运行时空载运行，这样就增加了损耗，造成了资源浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种电力电子系统协同控制方法，突破传统固态限流器在电网正常运行时空载运行的现状，充分利用开关器件，同时解决电网中短路电流限制以及谐波抑制的电能质量问题，减少损耗，节约能源。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电力电子系统协同控制方法，包括电力电子系统，电力电子系统包括三相电网、与三相电网连接的负载、串联型有源电力滤波器（SAPF）、控制系统，控制系统包括短路电流检测电路、驱动电路、电压跟踪控制电路和谐波电压检测电路，串联型有源电力滤波器包括主电路和耦合变压器，主电路包括三个并联的开关臂和三个电感，开关臂由两个串联的开关管组成，三个电感分别并联接入三个开关臂的两开关管之间，主电路与耦合变压器副边之间接有开关管，耦合变压器原边并联有限流电感，限流电感接入三相电网；短路电流检测电路与第一驱动电路连接，第一驱动电路驱动主电路与耦合变压器之间的开关管，谐波电压检测电路、电压跟踪控制电路、第二驱动电路依次连接，第二驱动电路驱动串联型有源电力滤波器主电路中的开关管，该方法为：

（1）检测三相电网侧电流、、，负载电压、、和负载侧电流、、；

（2）根据检测到的负载侧电流值、、，短路电流检测电路判断负载侧是否出现短路故障，并输出相应的开关信号；如果负载侧出现短路，短路电流检测电路输出低电平，即为0，则第一驱动电路使主电路与耦合变压器副边之间的开关管全部断开，同时第二驱动电路使串联型有源电力滤波器主电路的开关管全部关断，串联型有源电力滤波器完全退出运行；如果负载侧出现短路故障，短路电流检测电路输出高电平，即为1，则第一驱动电路使主电路与耦合变压器副边之间的开关管全部导通，第二驱动电路使串联型有源电力滤波器工作在谐波补偿状态，串联型有源电力滤波器投入运行，进入（3）；

（3）采用基于瞬时无功理论的,方法检测谐波电压，将信号、、作为被检测信号，经谐波检测电路后得到指令信号、、；其中、、为负载电压，K为开环放大倍数；

（4）采用三角波比较方式，指令信号、、经过电压跟踪控制电路后得到串联型有源电力滤波器主电路开关管的PWM控制信号，控制串联型有源电力滤波器主电路工作。

所述开关管为IGBT。

所述短路电流检测电路包括三个一次电流互感器、或非门和处理器，三个一次电流互感器各通过依次连接的二次电流互感器、A/D采样电路、比较器接入或非门，或非门与处理器连接。

本发明的电力电子系统的工作原理是：电网正常时，运行在串联型APF模式，补偿负载谐波，耦合变压器两端只有谐波电压降，且由于耦合变压器原边并联电感（限流电感）La、Lb、Lc电感值比较大，谐波阻抗较高，因此，电感上流过的电流很小，不影响串联APF及电网正常运行，电网发生短路故障时，关闭所有开关管，运行在限流模式，此时SAPF退出运行，串联变压器副边呈极大阻抗，电网电流从限流电感La、Lb、Lc中流过，从而限制电网短路电流。

本发明技术效果在于：本发明突破了传统固态限流器在电网正常运行时空载运行的现状，充分利用了开关器件，同时解决了电网中短路电流限制以及谐波抑制的电能质量问题，有效的提高了电网的供电可靠性和电网电能质量，经济效益和环保效益显著，为有效解决电网短路电流限制及电能质量问题提供理论和技术基础。

附图说明

图1为带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器结构示意图；

图2为本发明一实施例电力电子系统电路结构示意图；

图3为本发明一实施例控制系统结构示意图；

图4为本发明一实施例短路电流检测电路结构示意图；

图5为本发明一实施例谐波电压检测电路结构示意图；

图6为本发明一实施例电压跟踪控制电路结构示意图。

具体实施方式

如图2和图3所示，本发明一实施例电力电子系统包括三相电网、与三相电网连接的负载、串联型有源电力滤波器、控制系统，控制系统包括短路电流检测电路、驱动电路、电压跟踪控制电路和谐波电压检测电路，串联型有源电力滤波器包括主电路和耦合变压器T，主电路包括三个并联的开关臂和三个电感，开关臂由两个串联的开关管组成，三个电感分别并联接入三个开关臂的两开关管之间，主电路与耦合变压器副边之间接有开关管，耦合变压器原边并联有限流电感，限流电感接入三相电网；短路电流检测电路与第一驱动电路连接，第一驱动电路驱动主电路与耦合变压器之间的开关管，谐波电压检测电路、电压跟踪控制电路、第二驱动电路依次连接，第二驱动电路驱动串联型有源电力滤波器主电路中的开关管。

所述开关管为IGBT。

如图4所示，短路电流检测电路包括三个一次电流互感器、或非门和处理器，三个一次电流互感器各通过依次连接的二次电流互感器、A/D采样电路、比较器接入或非门，或非门与处理器连接。

通过短路电流检测电路检测负载侧是否短路，并产生控制信号来控制SAPF耦合变压器副边IGBT的开断，当负载侧发生短路时，短路电流检测电路产生低电平使SAPF耦合变压器副边IGBT关断，原边产生高阻抗，限流电感串入电网起限流作用，当负载未出现故障时，短路电流检测电路产生高电平使副边IGBT开通，SAPF主电路投入运行，补偿谐波电压，耦合变压器两端只有谐波电压降，且由于耦合变压器原边并联电感（限流电感）La、Lb、Lc电感值比较大，谐波阻抗较高，因此，电感上流过的电流很小，不影响串联APF及电网正常运行。电网正常运行时，通过谐波电压检测电路和电压跟踪控制电路，产生PWM控制信号，使串联APF补偿谐波电压。具体实施步骤如下：

（1）检测电网侧电流、、，负载电压、、和负载侧电流、、。

（2）根据检测到的负载侧电流值、、，短路电流检测电路判断负载侧是否出现短路故障，并输出相应的开关信号。如果负载侧出现短路，则短路电流检测电路输出低电平（即为0），第一驱动电路使主电路与耦合变压器副边之间的开关管全部断开，同时第二驱动电路使SAPF主电路的开关管全部关断，串联型有源电力滤波器完全退出运行；如果负载侧为出现短路故障，短路电流检测电路输出高电平（即为1），第一驱动电路使主电路与耦合变压器副边之间的开关管全部导通，第二驱动电路使SAPF工作在谐波补偿状态，串联型有源电力滤波器投入运行；

参见图4，短路电流检测电路主要完成对短路电流信号的采样以及对电流幅值的判断，并通过单片机输出相应的控制信号，一次电流互感器和二次电流互感器可将电力线上的大电流信号变换为适合运放使用的电压信号。该电压信号与大电流信号成一定比例关系，A/D采样电路通过对变换后的电压信号进行采样，并将其转换为数字信号，然后与比较器提供的基准电压信号进行比较，比较后的信号(低电平)送入单片机进行中断处理，比较后的信号(低电平) 触发单片机中断后，其内部可通过定时器控制，并定时对中断引脚进行扫描，一旦发生中断，单片机则输出控制信号(低电平) ，通过驱动电路，控制S7~S9关断，否则单片机输出高电平，通过驱动电路，使S7~S9开通。

（3）根据短路电流检测电路输出的开关信号,第二驱动电路工作在两种不同的方式：1、当检测到负载侧短路时，即为0时，第二驱动电路使开关管S1~S6全部关断，SAPF主电路完全退出运行；2、当负载侧未出现故障时，即为1时，第二驱动电路使SAPF工作在谐波补偿状态。第二驱动电路的工作需要由谐波电压检测电路和电压跟踪控制电路共同完成，其中谐波电压检测电路产生电压跟踪控制电路所需的指令信号，而电压跟踪控制电路产生PWM信号。

参见图5，谐波电压检测采用复合检测方法，采用基于瞬时无功理论的,方法检测谐波电压，将信号、、作为被检测信号，经谐波检测电路后得到指令信号、、；其中、、为负载电压，K为开环放大倍数；

该方法是基于瞬时无功理论的,算法，图中

，

电网电压通过PPL得到电网角频率，然后通过信号发生器得到矩阵所需的正弦和余弦信号。被检测信号通过和矩阵变换后得到有功分量和无功分量，再通过低通滤波器LPF后分别得到基波有功和基波无功，然后通过和矩阵的逆变换后得到基波分量、、。再与被检测信号相减后便可得到指令信号、、。

直流侧电压控制过程如下：的给定值与反馈值比较之后经PI调节器，与检测电路中算出的相加，这样，得到的基波电压、、中加入了额外的基波电压成分、、，因此在输出的指令电压中就也含有额外的基波成分，来维持直流侧电压的稳定。

综上所述，指令信号、、可用如下表达式表示：

其中、、为电网电流谐波分量，、、为负载电压谐波分量。

参见图6，电压跟踪控制电路采用三角波比较方式，指令信号、、经过电压跟踪控制电路后得到SAPF主电路IGBT的PWM控制信号，控制SAPF主电路工作。

在该方式中，指令信号、、与实际补偿信号的偏差经过放大器A之后与三角波比较，再通过比较器后输出PWM信号。

Claims

1.一种电力电子系统协同控制方法，包括电力电子系统，电力电子系统包括三相电网、与三相电网连接的负载、串联型有源电力滤波器、控制系统，控制系统包括短路电流检测电路、驱动电路、电压跟踪控制电路和谐波电压检测电路，串联型有源电力滤波器包括主电路和耦合变压器，主电路包括三个并联的开关臂和三个电感，开关臂由两个串联的开关管组成，三个电感分别并联接入三个开关臂的两开关管之间，主电路与耦合变压器副边之间接有开关管，耦合变压器原边并联有限流电感，限流电感接入三相电网；短路电流检测电路与第一驱动电路连接，第一驱动电路驱动主电路与耦合变压器之间的开关管，谐波电压检测电路、电压跟踪控制电路、第二驱动电路依次连接，第二驱动电路驱动串联型有源电力滤波器的主电路中的开关管，其特征在于，该方法为：

（2）根据检测到的负载侧电流值、、，短路电流检测电路判断负载侧是否出现短路故障，并输出相应的开关信号；如果负载侧出现短路，短路电流检测电路输出低电平，即为0，则第一驱动电路使主电路与耦合变压器副边之间的开关管全部断开，同时第二驱动电路使串联型有源电力滤波器主电路的开关管全部关断，串联型有源电力滤波器完全退出运行；如果负载侧未出现短路故障，短路电流检测电路输出高电平，即为1，则第一驱动电路使主电路与耦合变压器副边之间的开关管全部导通，第二驱动电路使串联型有源电力滤波器工作在谐波补偿状态，串联型有源电力滤波器投入运行，进入（3）；

2.根据权利要求1所述的电力电子系统协同控制方法，其特征在于，所述开关管为IGBT。

3.根据权利要求1所述的电力电子系统协同控制方法，其特征在于，所述负载为容性整流负载。

4.根据权利要求1所述的电力电子系统协同控制方法，其特征在于，所述短路电流检测电路包括三个一次电流互感器、或非门和处理器，三个一次电流互感器各通过依次连接的二次电流互感器、A/D采样电路、比较器接入或非门，或非门与处理器连接。