CN102832605A - 一种基于sfcl与超级电容储能的防晃电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系，包括含有变压器和负载的外部电网，其特征在于它包括电压、电流检测电路、信号调理电路、A/D采样及转换模块、DSP控制单元、PWM驱动单元、SFCL单元和超级电容电压补偿模块；控制方法包括信号检测、调理、转换、计算、处理；其优越性在于：①硬件简单，软件易懂；②系统的可靠性和快速性高；③有效治理晃电时电网的大电流和低电压；④提高了设备抗晃电的成功率；⑤转换速度高，低功耗，支持高速串行QSPI方式传输。

Description

一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统及控制方法

（一）技术领域：

本发明属于电力系统保护领域,尤其是一种基于SFCL（Superconducting Fault Current Limiter——超导故障限流器）与超级电容储能的防晃电系统及控制方法。

（二）背景技术：

大型企业的供电系统由于雷击、短路或其他原因造成电网短时故障致使电压较大波动、闪变甚至短时停电又恢复的现象称为“晃电”。由于炼化、石油等大型企业的用电负荷对供电质量要求很高，所以“晃电”对这些企业的正常运行有重大影响。

大部分晃电的发生都是由于线路短路造成，短路时线路的电流会变的很大，而线路的电压也会大幅度下降，这会给企业生产带来很大的影响或严重的后果，轻则使部分电动机、变频器和接触器跳闸或停止工作，造成企业生产的中断，重则发生爆炸等设备事故和人身安全事故。目前使用的防晃电的装置普遍存在硬件系统功能比较简单，当供电系统发生晃电时只能在电力系统的二次回路上采取被动的防范措施，不能同时在电力系统的一次侧及时对短路电流进行限制和对跌落电压进行有效补偿，从而导致了晃电在实际中多次引发事故，这不仅危害了设备的安全运行，还严重影响了正常生产。因此，研究一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统和精确可靠控制的方法来解决晃电问题已经变得至关重要。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统及控制方法，它可以克服现有技术的不足，在限制短路故障电流的同时也对线路电压进行有效补偿，在电流和电压两方面提高电能质量，是一种可靠性强的防晃电系统及其控制方法，该系统及其控制方法能防止晃电所造成的企业安全生产事故的发生。

本发明的技术方案：一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，包括含有变压器和负载的外部电网，其特征在于它包括电压、电流检测电路、信号调理电路、A/D采样及转换模块、DSP控制单元、PWM驱动单元、SFCL单元和超级电容电压补偿模块；其中，所述电压、电流检测电路的输入端接收来自外部电网和超级电容电压补偿模块的电压信号以及来自外部电网和SFCL模块的电流信号，其输出端与信号调理电路的输入端连接；所述A/D采样及转换模块的输入端接收来自信号调理电路的信号，其输出端与DSP控制单元的输入端连接；所述PWM驱动单元的输入端接收DSP控制单元的控制信号，其输出端分别与SFCL单元的输入端和超级电容电压补偿模块的输入端连接；所述SFCL模块和超级电容电压补偿模块的输入信号均采集于外部电网，而其输出端均与电压、电流检测电路和外部电网相连接；所述超级电容电压补偿模块的输出端经变器T_s与外部电网连接。

所述电压、电流检测电路采用CHV-50P 型的电压传感器和DT-50P 霍尔电流传感器。

所述信号调理电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R5、电阻R6、两个TLC2721D、两个二极管D11、电容C20和电容C40组成；其中第一个TLC2721D的正输入端与电阻R3相连且经电阻R4与+1.5V参考电压相连，负输入端经电阻R1接地且经电阻R2与其输出端相连形成反馈环节；第一个TLC2721D的输出端经电阻R5、电阻R6与第二个TLC2721D的正输入端相连，且第二个TLC2721D的正输入端经电容C40接地；第二个TLC2721D的负输入端直接与它的输出端相连形成反馈环节，而电容C20一端接在电阻R5和电阻R6之间，另一端接在第二个TLC2721D输出端形成反馈环节；第二个TLC2721D输出端经电阻R7与两个二极管D11相连。

所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R7的阻值为51K；所述电阻R5的阻值为7.8K；所述电阻R6的阻值为14.7K；所述电容C20的容值为0.022uF；所述电容C40的容值为0.01uF（见图2）。

所述A/D采样及转换模块由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C、运算放大器OP497和A/D转换芯片AD7656构成。其中运算放大器OP497的负输入端与电阻R1的一端相连，而正输入端经电阻R2后接地；电阻R1的另一端经由电阻R3和电容C并联组成的反馈环节与运算放大器OP497的输出端相连；OP497的输出端经电阻R4与芯片AD7656的输入端AN1相连。

所述A/D转换芯片是具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入的AD7656BSTZ的转换逐次逼近型芯片。

所述SFCL单元由超导储能电感、4个晶体管构成的变流器、限流电阻R和常规耦合变压器组成；其中常规耦合变压器的二次侧并联限流电阻R后与变流器相连，而变流器的输出端与超导储能电感相互串联。

所述超级电容电压补偿模块由并联变流器1、串联变流器2、超级电容模块、滤波电感L₁、滤波电感L₂、滤波电容C₁、滤波电容C₂和电容C_dc组成；其中，所述并联变流器1经滤波电感 L₁、滤波电容 C₁并联在电网两端；串联变流器2经滤波电感 L₂、滤波电容 C₂和变压器T_s将输出的电压U串联在电网上；其中并联变流器1的输出端、串联变流器2的输入端和超级电容模块的输入输出端均接在电容C_dc的两端。

所述超级电容模块由超级电容器组、防止超级电容器反极性充电的保护二极管VD₁和二极管VD₂、斩波电感L_C、电阻R以及Buck-Boost斩波电路组成；所述Buck-Boost斩波电路由晶体管组成的开关器件S₁和开关器件S₂组成；所述开关器件S₁、开关器件S₂分别与保护二极管VD₁和二极管VD₂并联后再与斩波电感L_C、电阻R以及超级电容器组串联。

一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）电压、电流检测电路中的电压测量通过电压互感器采集外部电网电压U_s和超级电容电压补偿模块的电压信号U_dc，并通过该电路的处理，输出0-20mA的电流信号，该电流信号正比于原边电压信号；而电流测量通过电流互感器采集外部电网电流I₁和SFCL的输出电流信号I₂；

（2）信号调理电路将电压、电流检测电路输出的电压、电流信号转化为有效值-1.5V~+1.5V 的电压信号，并通过它的电平偏移电路将-1.5V~+1.5V 的电压信号转化为 0~3V 的单极性信号，并通过二极管限幅电路，将检测的电压信号严格的限制在 0~3V 之内，再送至A/D采样及转换模块端口；

（3）A/D采样及转换模块将输入端的0-3V电压信号经过运算放大器和逐次逼近转换芯片AD7656转化为DSP可接收的电压信号，输入DSP控制单元进行数据处理；

（4）DSP控制单元接收数据并处理后发出信号，输出信号通过PWM驱动产生所需要的PWM控制信号分别送至SFCL和超级电容电压补偿模块，从而控制SFCL对电网的短路电流进行限制，并控制超级电容电压补偿模对电网的电压进行补偿，同时从限流和电压补偿两方面实现快速治理晃电的目的。

所述步骤（4）中的DSP数据处理过程包括DSP串行口的初始化和芯片内部信号的转换两部分，具体步骤如下：

①初始化McBSP后，打开接收及外部中断，DSP的控制引脚经一译码器将的

位置低电平，脉冲调制CONVSTx为上升沿，被选中的ADC的跟踪保持电路会被置为保持模式，转换开始；

②在CONVSTx信号为上升沿后，BUSY信号会变化，转换正在进行中；

③在CONVSTx信号上升沿开始的3μs，BUSY信号会变为低电平，

由低变高，表示转换结束，这时的跟踪保持电路回到跟踪模式；④转换结束后，进入外部中断处理程序，接收转换输出的数字信号，存入相应的数据空间以待进一步处理。

本发明的工作原理：在系统正常运行时，SFCL中的变流器交流侧的输出电流I，使其同变压器二次侧电流I₂保持一致，此时限流电阻R上无电流通过，相当于变压器二次侧线圈被旁路。而超级电容电压补偿模块通过其超级电容模块中的Buck-Boost 斩波电路向超级电容器组充电，通过S₁、VD₁与L_C构成降压斩波电路。当S₁导通时，向超级电容供电，超级电容器组电压U_C＝U_dc；当充电时间结束，超级电容器组电流经VD₁续流，且电感L_C使超级电容器组的电流连续且脉动小。此降压斩波电路可以将直流U_dc电压降至超级电容器组端电压来给超级电容组充电。

当电网发生晃电时，电网的主电流I₁迅速增加，经过电流检测电路的信号采集，DSP控制单元根据处理结果让PWM驱动1发出控制信号使变压器二次侧电流I₂相应也要上升，其超出I ( I保持不变) 的补偿部分将会转移到限流电阻R上，相当于R立刻投入进行故障限流，从而减小电网的短路电流。与此同时电网电压U_s大幅跌落，系统快速采集、处理电压信号，DSP控制PWM驱动2发出控制信号使超级电容电压补偿模块通过其Buck-Boost 斩波电路和串联变流器2将超级电容器所储存的能量释放至电网，其过程为：当超级电容器组放电时，S₂、VD₂与L_C构成升压斩波电路。当S₂导通时，超级电容器组向电感L_C充电，充电电流基本恒定，同时电容C_dc 经串联变流器2向负载供电，电压恒定为U_dc；当S2关断时，超级电容器组和电感L_C共同向负载供电。此升压斩波电路可以将超级电容器组电压升至U_dc额定电压，并保持在规定的电压值附近，从而消除电网产生的电压暂降，实现电网电压稳定。

本发明的优越性在于：①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件设计简单，软件编程易懂；②利用DSP高速的数据计算和处理能力，提高了该控制系统的可靠性和快速性；③通过SFCL和超级电容电压补偿模块的共同作用对晃电时电网的大电流和低电压同时进行了有效治理；④采用这种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统及其控制方法，避免了传统电力系统防晃电措施的单一性和复杂性，从而提高了设备抗晃电的成功率；⑤选用逐次逼近型转换芯片AD7656，该芯片为6通道16位ADC同步采样芯片，双极性模拟输入，具有很高的转换速度，低功耗，支持高速串行QSPI方式传输，通过芯片内部参数设置选择不同通道输入，进行A/D转换输出。

（四）附图说明：

图1 为本发明所涉一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统的整体结构示意图。

图 2为本发明所涉一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统中信号调理电路的结构示意图。

图 3 为本发明所涉一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统中A/D采样及转换模块的结构示意图。

图 4为本发明所涉一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统中SFCL单元的结构示意图。

图 5为本发明所涉一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统中超导储能电压补偿模块的结构示意图。

（五）具体实施方式：

实施例： 一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统（见图1），包括含有变压器和负载的外部电网，其特征在于它包括电压、电流检测电路、信号调理电路、A/D采样及转换模块、DSP控制单元、PWM驱动单元、SFCL单元和超级电容电压补偿模块；其中，所述电压、电流检测电路的输入端接收来自外部电网和超级电容电压补偿模块的电压信号以及来自外部电网和SFCL模块的电流信号，其输出端与信号调理电路的输入端连接；所述A/D采样及转换模块的输入端接收来自信号调理电路的信号，其输出端与DSP控制单元的输入端连接；所述PWM驱动单元的输入端接收DSP控制单元的控制信号，其输出端分别与SFCL单元的输入端和超级电容电压补偿模块的输入端连接；所述SFCL模块和超级电容电压补偿模块的输入信号均采集于外部电网，而其输出端均与电压、电流检测电路和外部电网相连接；所述超级电容电压补偿模块的输出端经变器T_s与外部电网连接。

所述电压、电流检测电路（见图1）采用CHV-50P 型的电压传感器和DT-50P 霍尔电流传感器。

所述信号调理电路（见图2）由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R5、电阻R6、两个TLC2721D、两个二极管D11、电容C20和电容C40组成；其中第一个TLC2721D的正输入端与电阻R3相连且经电阻R4与+1.5V参考电压相连，负输入端经电阻R1接地且经电阻R2与其输出端相连形成反馈环节；第一个TLC2721D的输出端经电阻R5、电阻R6与第二个TLC2721D的正输入端相连，且第二个TLC2721D的正输入端经电容C40接地；第二个TLC2721D的负输入端直接与它的输出端相连形成反馈环节，而电容C20一端接在电阻R5和电阻R6之间，另一端接在第二个TLC2721D输出端形成反馈环节；第二个TLC2721D输出端经电阻R7与两个二极管D11相连。

所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R7的阻值为51K；所述电阻R5的阻值为7.8K；所述电阻R6的阻值为14.7K；所述电容C20的容值为0.022uF；所述电容C40的容值为0.01uF（见图2）。

所述A/D采样及转换模块（见图3）由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C 、运算放大器OP497和A/D转换芯片AD7656构成。其中运算放大器OP497的负输入端与电阻R1的一端相连，而正输入端经电阻R2后接地；电阻R1的另一端经由电阻R3和电容C并联组成的反馈环节与运算放大器OP497的输出端相连；OP497的输出端经电阻R4与芯片AD7656的输入端AN1相连。

所述A/D转换芯片是具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入的AD7656BSTZ的转换逐次逼近型芯片。

所述SFCL单元（见图4）由超导储能电感、4个晶体管构成的变流器、限流电阻R和常规耦合变压器组成；其中常规耦合变压器的二次侧并联限流电阻R后与变流器相连，而变流器的输出端与超导储能电感相互串联。

所述超级电容电压补偿模块（见图5）由并联变流器1、串联变流器2、超级电容模块、滤波电感L₁、滤波电感L₂、滤波电容C₁、滤波电容C₂和电容C_dc组成；其中，所述并联变流器1经滤波电感 L₁、滤波电容C₁并联在电网两端；串联变流器2经滤波电感 L₂、滤波电容 C₂和变压器T_s将输出的电压U串联在电网上；其中并联变流器1的输出端、串联变流器2的输入端和超级电容模块的输入（输出）端均接在电容C_dc的两端。

所述超级电容模块由超级电容器组、防止超级电容器反极性充电的保护二极管VD₁和二极管VD₂、斩波电感L_C、电阻R以及Buck-Boost斩波电路组成；所述Buck-Boost斩波电路由晶体管组成的开关器件S₁和开关器件S₂组成；所述开关器件S₁、开关器件S₂分别与保护二极管VD₁和二极管VD₂并联后再与斩波电感L_C、电阻R以及超级电容器组串联。

一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）电压、电流检测电路中的电压测量通过电压互感器采集外部电网电压U_s和超级电容电压补偿模块的电压信号U_dc，并通过该电路的处理，输出0-20mA的电流信号，该电流信号正比于原边电压信号；而电流测量通过电流互感器采集外部电网电流I₁和SFCL的输出电流信号I₂；

（2）信号调理电路将电压、电流检测电路输出的电压、电流信号转化为有效值-1.5V~+1.5V 的电压信号，并通过它的电平偏移电路将-1.5V~+1.5V 的电压信号转化为 0~3V 的单极性信号，并通过二极管限幅电路，将检测的电压信号严格的限制在 0~3V 之内，再送至A/D采样及转换模块端口；

（3）A/D采样及转换模块将输入端的0-3V电压信号经过运算放大器和逐次逼近转换芯片AD7656转化为DSP可接收的电压信号，输入DSP控制单元进行数据处理；

（4）DSP控制单元接收数据并处理后发出信号，输出信号通过PWM驱动产生所需要的PWM控制信号分别送至SFCL和超级电容电压补偿模块，从而控制SFCL对电网的短路电流进行限制，并控制超级电容电压补偿模对电网的电压进行补偿，同时从限流和电压补偿两方面实现快速治理晃电的目的。

所述步骤（4）中的DSP数据处理过程包括DSP串行口的初始化和芯片内部信号的转换两部分，具体步骤如下：

①初始化McBSP后，打开接收及外部中断，DSP的控制引脚经一译码器将的

位置低电平，脉冲调制CONVSTx为上升沿，被选中的ADC的跟踪保持电路会被置为保持模式，转换开始；

②在CONVSTx信号为上升沿后，BUSY信号会变化，转换正在进行中；

③在CONVSTx信号上升沿开始的3μs，BUSY信号会变为低电平，

由低变高，表示转换结束，这时的跟踪保持电路回到跟踪模式；④转换结束后，进入外部中断处理程序，接收转换输出的数字信号，存入相应的数据空间以待进一步处理。

Claims (10)

1.一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，包括含有变压器和负载的外部电网，其特征在于它包括电压、电流检测电路、信号调理电路、A/D采样及转换模块、DSP控制单元、PWM驱动单元、SFCL单元和超级电容电压补偿模块；其中，所述电压、电流检测电路的输入端接收来自外部电网和超级电容电压补偿模块的电压信号以及来自外部电网和SFCL模块的电流信号，其输出端与信号调理电路的输入端连接；所述A/D采样及转换模块的输入端接收来自信号调理电路的信号，其输出端与DSP控制单元的输入端连接；所述PWM驱动单元的输入端接收DSP控制单元的控制信号，其输出端分别与SFCL单元的输入端和超级电容电压补偿模块的输入端连接；所述SFCL模块和超级电容电压补偿模块的输入信号均采集于外部电网，而其输出端均与电压、电流检测电路和外部电网相连接；所述超级电容电压补偿模块的输出端经变器T_s与外部电网连接。

2.根据权利要求1所述一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，其特征在于所述电压、电流检测电路采用CHV-50P 型的电压传感器和DT-50P 霍尔电流传感器。

3.根据权利要求1所述一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，其特征在于所述信号调理电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R5、电阻R6、两个TLC2721D、两个二极管D11、电容C20和电容C40组成；其中第一个TLC2721D的正输入端与电阻R3相连且经电阻R4与+1.5V参考电压相连，负输入端经电阻R1接地且经电阻R2与其输出端相连形成反馈环节；第一个TLC2721D的输出端经电阻R5、电阻R6与第二个TLC2721D的正输入端相连，且第二个TLC2721D的正输入端经电容C40接地；第二个TLC2721D的负输入端直接与它的输出端相连形成反馈环节，而电容C20一端接在电阻R5和电阻R6之间，另一端接在第二个TLC2721D输出端形成反馈环节；第二个TLC2721D输出端经电阻R7与两个二极管D11相连。

4.根据权利要求3所述一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，其特征在于所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R7的阻值为51K；所述电阻R5的阻值为7.8K；所述电阻R6的阻值为14.7K；所述电容C20的容值为0.022uF；所述电容C40的容值为0.01uF（见图2）。

5.根据权利要求1所述一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，其特征在于所述A/D采样及转换模块由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C 、运算放大器OP497和A/D转换芯片AD7656构成。其中运算放大器OP497的负输入端与电阻R1的一端相连，而正输入端经电阻R2后接地；电阻R1的另一端经由电阻R3和电容C并联组成的反馈环节与运算放大器OP497的输出端相连；OP497的输出端经电阻R4与芯片AD7656的输入端AN1相连；所述A/D转换芯片是具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入的AD7656BSTZ的转换逐次逼近型芯片。

6.根据权利要求1所述一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，其特征在于所述SFCL单元由超导储能电感、4个晶体管构成的变流器、限流电阻R和常规耦合变压器组成；其中常规耦合变压器的二次侧并联限流电阻R后与变流器相连，而变流器的输出端与超导储能电感相互串联。

7.根据权利要求1所述一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，其特征在于所述超级电容电压补偿模块由并联变流器1、串联变流器2、超级电容模块、滤波电感L₁、滤波电感L₂、滤波电容C₁、滤波电容C₂和电容C_dc组成；其中，所述并联变流器1经滤波电感 L₁、滤波电容 C₁并联在电网两端；串联变流器2经滤波电感 L₂、滤波电容 C₂和变压器T_s将输出的电压U串联在电网上；其中并联变流器1的输出端、串联变流器2的输入端和超级电容模块的输入输出端均接在电容C_dc的两端。

8.根据权利要求7所述一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统，其特征在于所述超级电容模块由超级电容器组、防止超级电容器反极性充电的保护二极管VD₁和二极管VD₂、斩波电感L_C、电阻R以及Buck-Boost斩波电路组成；所述Buck-Boost斩波电路由晶体管组成的开关器件S₁和开关器件S₂组成；所述开关器件S₁、开关器件S₂分别与保护二极管VD₁和二极管VD₂并联后再与斩波电感L_C、电阻R以及超级电容器组串联。

9.一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）电压、电流检测电路中的电压测量通过电压互感器采集外部电网电压U_s和超级电容电压补偿模块的电压信号U_dc，并通过该电路的处理，输出0-20mA的电流信号，该电流信号正比于原边电压信号；而电流测量通过电流互感器采集外部电网电流I₁和SFCL的输出电流信号I₂；

（2）信号调理电路将电压、电流检测电路输出的电压、电流信号转化为有效值-1.5V~+1.5V 的电压信号，并通过它的电平偏移电路将-1.5V~+1.5V 的电压信号转化为 0~3V 的单极性信号，并通过二极管限幅电路，将检测的电压信号严格的限制在 0~3V 之内，再送至A/D采样及转换模块端口；

（3）A/D采样及转换模块将输入端的0-3V电压信号经过运算放大器和逐次逼近转换芯片AD7656转化为DSP可接收的电压信号，输入DSP控制单元进行数据处理；

（4）DSP控制单元接收数据并处理后发出信号，输出信号通过PWM驱动产生所需要的PWM控制信号分别送至SFCL和超级电容电压补偿模块，从而控制SFCL对电网的短路电流进行限制，并控制超级电容电压补偿模对电网的电压进行补偿，同时从限流和电压补偿两方面实现快速治理晃电的目的。

10.根据权利要求9所述一种基于SFCL与超级电容储能的防晃电系统的控制方法，其特征在于所述步骤（4）中的DSP数据处理过程包括DSP串行口的初始化和芯片内部信号的转换两部分，具体步骤如下：

①初始化McBSP后，打开接收及外部中断，DSP的控制引脚经一译码器将的

位置低电平，脉冲调制CONVSTx为上升沿，被选中的ADC的跟踪保持电路会被置为保持模式，转换开始；

②在CONVSTx信号为上升沿后，BUSY信号会变化，转换正在进行中；

③在CONVSTx信号上升沿开始的3μs，BUSY信号会变为低电平，

由低变高，表示转换结束，这时的跟踪保持电路回到跟踪模式；④转换结束后，进入外部中断处理程序，接收转换输出的数字信号，存入相应的数据空间以待进一步处理。

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