CN103166310A - 一种内设供电模块的开关柜及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关柜，包括，一适于产生直流电压输出的直流电压模块，该直流电压模块从开关柜的母线端取电。直流电压模块包括：适于从开关柜的母线端取电的互感器，该互感器与一整流滤波单元相连，适于对蓄电池进行充/放电控制的充电管理单元，直流电压输出单元；本发明通过内设的直流电压模块提供相应直流电压以满足开关柜内相关仪器、仪表的正常工作；并且通过MCU单元控制充电和放电，避免出现蓄电池过充的现象，有效延长蓄电池寿命，并且通过蓄电池以实现断电维修时所需的仪器、仪表正常工作，无需在外接电源。

Description

一种内设供电模块的开关柜及其工作方法

技术领域

本发明属于电力工程技术领域，尤其涉及一种内设供电模块的开关柜及其工作方法。

背景技术

在电力系统中，供电系统中大量使用环网柜，但环网柜内无AC/220V电源，造成许多电器仪表无法正常供电，大多数都用CT（CurrentTransformer，电流互感器）取电作为电源供电，而一旦一次电流过小，CT取电线圈无法对仪表正常供电，使得仪表不能正常工作，连显示、设定功能都无法使用，给运行、检修带来不必要的麻烦；更无法带动相关仪器、仪表的工作，例如：电缆头温度在线监测装置和环网柜防误操作闭锁装置。所以很有必要提供一种开关柜供电设备，以解决在断电检修时遇到的供电的相关技术问题，即，提供直流电源，以满足现场照明和环网柜防误操作闭锁装置解锁、电缆头温度检测，并方便现场维修操作，在提供直流电压的基础上，产生交流电以满足特定场合对交流电压的需要。

发明内容

本发明第一要解决的技术问题是提供一种适于直流电压供电的开关柜及其工作方法。

本发明第二要解决的技术问题是在直流电的基础上，生成三相交流电。

为了解决首要技术问题，本发明提供了一种开关柜，包括，一适于产生直流电压输出的直流电压模块，该直流电压模块从所述开关柜的母线端取电。

进一步，为了当电源切断时，也能提供仪器、仪表正常的直流电压，所述直流电压模块包括：适于从所述开关柜的母线端取电的互感器，该互感器与一整流滤波单元相连，适于对蓄电池进行充/放电控制的充电管理单元，直流电压输出单元；其中，所述充电管理单元包括：电压检测单元，MCU单元，设有第一开关管的充电输入端，该充电输入端与所述整流滤波单元输出端相连，设有第二开关管的放电输出端；所述直流电压输出单元包括：与所述放电输出端相连的第一输入通道，该第一输入通道适于接收所述充电管理单元输出的蓄电池直流电压；与所述整流滤波单元输出端相连的第二输入通道；所述第一、第二输入通道分别与一直流升压电路相连，该直流升压电路适于根据输入的直流电压产生一相应直流输出电压；所述MCU单元适于控制所述第一开关管、第二输入通道导通，且当所述电压检测单元在检测蓄电池充电完毕后，则控制所述第一开关管断开；当所述母线断电后，则控制所述第二输入通道断开，且第二开关管、第一输入通道导通。其中，通过所述MCU单元对第一开关管的控制，能防止蓄电池处于过充状态。

进一步，为了解决第二技术问题，即，解决个别仪器、仪表或特定场合需要交流电源的问题。

本发明所述开关柜还包括：一SVPWM变频单元，该SVPWM变频单元与所述直流电压模块的输出端相连。

所述SVPWM变频单元包括：三相逆变器，该三相逆变器由一DSP控制，该三相逆变器的直流侧、交流侧分别设有直流、交流电压电流检测电路，所述直流、交流电压电流检测电路与所述DSP相连；

上述开关柜的工作方法，包括该DSP产生SVPWM调制信号的方法，其包括：建立一三相静止坐标系根据其轴线,从

方向逆时针依次分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区；

所求参考电压矢量在各扇区内的相应电压矢量作用时间T₁、T₂：

其中，N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区；T_s为一个采样周期，V_a,V_b为所求参考电压矢量

在三相静止坐标系

方向上的投影，V_dc为直流母线电压。

T₁，T₂赋值后，还要对其进行判断，当T₁+T₂>T_s，则取T₁=T₁Ts/(T₁+T₂)，T₂=T₂Ts/(T₁+T₂)

最后，采用DSP内部有硬件可实现，根据需要，可选用五段或七段式的SVPWM。

进一步，所述DSP产生SVPWM调制信号的方法还包括：

判断所求参考电压矢量

在相应扇区的步骤，该步骤包括：

设扇区判别式：N=A+2B+4C；

其中，V_a+2V_b＞0则A=1，否则A=0；

V_a-V_b＞0，则B=1，否则B=0；

2V_a+V_b＜0，则C=1，否则C=0；

根据上述公式判断以确定相应A、B、C的取值，代入所述扇区判别式以得到所求参考电压矢量

所在扇区，即，N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：（1）本发明通过内设的直流电压模块提供相应直流电压以满足开关柜内相关仪器、仪表的正常工作；（2）通过MCU单元控制充电和放电，避免出现蓄电池过充的现象，有效延长蓄电池寿命，并且通过蓄电池以实现断电维修时所需的仪器、仪表正常工作，无需在外接电源；（3）在直流输出端加上SVPWM变频单元，实现直流和交流的转换，蓄电池与三相交流之间的转换，丰富了电压输出种类，也可以解决在特定情况下，必须使用三相电源的技术问题；（4）本发明的SVPWM调制信号的调制方法简化了传统SVPWM调制信号的调制方法的运算过程，节约了DSP的计算时间、提高了计算精度。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1本发明的开关柜中直流电压模块的电路结构框图一；

图2本发明的开关柜中直流电压模块的电路结构框图二；

图3本发明的开关柜中直流电压模块与SVPWM变频单元的电路结构框图；

图4本发明的SVPWM变频单元的电路结构框图；

图5本发明的电压空间矢量分解图；

其中，母线1、互感器2。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

实施例1

见图1，一种开关柜，包括，一适于产生直流电压输出的直流电压模块，该直流电压模块从所述开关柜的母线1端取电。

该直流电压模块可以为环网柜防误操作闭锁装置和电缆头温度在线监测装置的供电；其中所述环网柜防误操作闭锁装置采用实用新型专利“环网柜防误操作闭锁装置”授权公告号CN202196675。

该直流电压模块产生24V或28V或220V的直流电压，也可以根据用户来控制直流电压输出。

实施例2

在实施例1基础上的直流电压模块的实施方式，如下：

见图2，所述直流电压模块包括：适于从所述开关柜的母线1端取电的互感器2，该互感器2与一整流滤波单元相连，适于对蓄电池进行充/放电控制的充电管理单元，直流电压输出单元；

其中，所述充电管理单元包括：电压检测单元，MCU单元，设有第一开关管的充电输入端，该充电输入端与所述整流滤波单元输出端相连，设有第二开关管的放电输出端；

所述直流电压输出单元包括：与所述放电输出端相连的第一输入通道，该第一输入通道适于接收所述充电管理单元输出的蓄电池直流电压；与所述整流滤波单元输出端相连的第二输入通道；所述第一、第二输入通道分别与一直流升压电路相连，该直流升压电路适于根据输入的直流电压产生一相应直流输出电压；

所述MCU单元适于控制所述第一开关管、第二输入通道导通，且当所述电压检测单元在检测蓄电池充电完毕后，则控制所述第一开关管断开；当所述母线断电后，则控制所述第二输入通道断开，且第二开关管、第一输入通道导通。

所述直流升压电路种类很多，例如：申请号201210349199.X名称：一种直流-直流升压电路的技术方案。

在实施例1或2的基础上，SVPWM变频单元的实施方式，如下：

见图3，所述开关柜还包括：一SVPWM变频单元，该SVPWM变频单元与所述直流电压模块的输出端相连。

见图4，所述SVPWM变频单元包括：三相逆变器，该三相逆变器由一DSP控制，该三相逆变器的直流侧、交流侧分别设有直流、交流电压电流检测电路，所述直流、交流电压电流检测电路与所述DSP相连；

该DSP产生SVPWM调制信号的方法包括：见图5，建立一三相静止坐标系根据其轴线,从

方向逆时针依次分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区；所求参考电压矢量

在各扇区内的相应电压矢量作用时间T₁、T₂：

其中，N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区；T_s为一个采样周期，即为所述DSP采集直流、交流信号的采样周期，V_a,V_b为所求参考电压矢量在三相静止坐标系

方向上的投影，V_dc为直流母线电压。

T₁，T₂赋值后，还要对其进行判断，当T₁+T₂>T_s，则取T₁=T₁Ts/(T₁+T₂)，T₂=T₂Ts/(T₁+T₂)。

最后，通过DSP编程实现。其中，根据需要，可选用五段或七段式的SVPWM，DSP可采用MC56F8346或者其他型号的DSP芯片均可实现该调制。

所述DSP产生SVPWM调制信号的方法还包括：

判断所求参考电压矢量

在相应扇区的步骤，该步骤包括：

设扇区判别式：N=A+2B+4C；

其中，V_a+2V_b＞0则A=1，否则A=0；

V_a-V_b＞0，则B=1，否则B=0；

2V_a+V_b＜0，则C=1，否则C=0；

根据上述公式判断以确定相应A、B、C的取值，代入所述扇区判别式以得到所求参考电压矢量

所在扇区，即，N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区。

其中，三相逆变器，其每相桥臂的两个功率管同一时刻只有一个导通,这样有8种开关状态存在，其基本空间矢量包括

六个非零矢量的幅值均为

（V_dc为直流母线电压）。通过控制基本空间矢量组合和作用时间，SVPWM根据参考电压矢量

进行旋转运行。V₁，V₂，V₃，V₄，V₅，V₆分别表示矢量

的模，即有：V₁=V₂=V₃=V₄=V₅=V₆=(2/3)V_dc。

在SVPWM调制信号的调制方法中，三相系统模型需要转换到两相静止坐标系中：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{alf}}\\ V_{\mathrm{bet}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\×\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\end{array}\right]$   （公式1）

式中，V_a，V_b，V_c为空间电压矢量

在三相静止坐标系

方向上的投影，V_alf，V_bet为参考电压矢量

在两相坐标系

方向上的投影，V_s为

的模，则有：

V_alf＝V_s*cosθ  (公式2)

V_bet＝V_s*sinθ  (公式3)

参考电压矢量

可以能过相邻基本空间矢量合成得到：

$\stackrel{\→}{V_s}=\frac{T_k}{T_s}\stackrel{\→}{V_k}+\frac{T_{k+1}}{T_s}{\stackrel{\→}{V}}_{k+1}$   （公式4）

上式中，

为基本空间矢量

在一个采样周期T_s中的作用时间。k为矢量所在扇区号，矢量角θ可以在两相静止坐标系中通过反三角函数运算得到。

判断参考电压矢量所在扇区，分析V_alf，V_bet的关系，可得到如下的规律，即判定不等式：

如果V_bet＞0，则A＝1，否则Ａ＝0；

如果 $\sqrt{3}*V_{\mathrm{alf}}-V_{\mathrm{bet}}>0,$ 则B＝1，否则B＝0；

如果 $\sqrt{3}*V_{\mathrm{alf}}+V_{\mathrm{bet}}<0,$ 则C＝1，否则C＝0；

由扇区判别N=A+2B+4C。

易知N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区。

当参考电压矢量

在第Ⅰ扇区时，基本空间矢量作用时间可以通过式进行计算：

$V_{\mathrm{alf}}*T_s=V_1*T_1+\frac{1}{2}{V}_2*T_2$

$V_{\mathrm{bet}}*T_s=\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_2*T_2$

解之可得：

$T_1=\frac{\frac{3}{2}*V_{\mathrm{alf}}-\frac{\sqrt{3}}{2}*V_{\mathrm{bet}}}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s$

$T_2=\frac{\sqrt{3}*V_{\mathrm{bet}}}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s$   （公式5）

当参考电压矢量

在第Ⅱ扇区时,

$T_1=\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}*V_{\mathrm{bet}}+\frac{3}{2}*V_{\mathrm{alf}}}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s$

$T_2=\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}*V_{\mathrm{bet}}-\frac{3}{2}*V_{\mathrm{alf}}}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s$   （公式6）

同理可以推导出在其它扇区内的电压矢量作用时间，当需要合成的矢量位于各个不同的扇区时都存在如上的运算。通过对每个扇区基本矢量动作时间的求解不难发现它们都是一些基本时间的组合。见图5，所求参考电压矢量

在三相静止坐标系上的投影分别为V_a，V_b，V_c，则有

$V_a+V_b+V_c=\mathrm{Vs}*\cos \mathrm{\&theta;}+\mathrm{Vs}*\cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})+\mathrm{Vs}*\cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})=0$   公式（7）

由公式（1）和公式（7）得

$\left(\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{alf}}\\ V_{\mathrm{bet}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{3}& \frac{2}{3}\sqrt{3}\end{array}\right)\&times;\left(\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\end{array}\right)$   公式（8）

得到V_alf和V_bet与V_a、V_b的对应关系即

V_alf=1*V_a+0*V_b=V_a

$V_{\mathrm{bet}}=\frac{\sqrt{3}}{3}*V_a+\frac{2}{3}\sqrt{3}*V_b$   公式（9）

判断所求参考电压矢量所在扇区，分析V_alf，V_bet的关系，将V_alf，V_bet分别用V_a，V_b判断参考电压矢量

所在扇区，即将公式（9）代入上述判定不等式，得到如下的规律：

若V_a+2V_b＞0则A=1，否则A=0；

V_a-V_b＞0，则B=1，否则B=0；

2V_a+V_b＜0，则C=1，否则C=0；

根据计算A、B、C的取值，带入N＝A+2B+4C，以确定所求参考电压矢量

所在扇区，即，N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区。

当所求参考电压矢量

在第Ⅰ扇区时，基本空间矢量作用时间可以通过公式（5）进行计算，即把公式（9）分别代入，得

$T_1=\frac{\frac{3}{2}*V_{\mathrm{alf}}-\frac{\sqrt{3}}{2}*V_{\mathrm{bet}}}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s=\frac{V_a-V_b}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s$

$T_2=\frac{\sqrt{3}*V_{\mathrm{bet}}}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s=\frac{{2V}_b+V_a}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s$

当所求参考电压矢量

在第Ⅱ扇区时，把公式（9）分别代入公式（6），得

$T_1=\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}*V_{\mathrm{bet}}+\frac{3}{2}*V_{\mathrm{alf}}}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s=\frac{2V_a+V_b}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s$

$T_2=\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}*V_{\mathrm{bet}}-\frac{3}{2}*V_{\mathrm{alf}}}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s=\frac{V_b-V_a}{V_{\mathrm{dc}}}*T_s$

其中，T_s为一个采样周期，V_dc为直流母线电压。

同理可以推导出在其它扇区内的电压矢量作用时间，这里不在重复,归纳作用时间如下表所示：

其中，N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区；T_s为一个采样周期，V_a,V_b为所求参考电压矢量

在三相静止坐标系

方向上的投影，V_dc为直流母线电压。

由此可见，在整个SVPWM调制信号的方法中，无需用到V_C，仅需要V_a,V_b即可满足调制运算，极大的优化了运算，提高了运算效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种开关柜，其特征在于包括，一适于产生直流电压输出的直流电压模块，该直流电压模块从所述开关柜的母线端取电。

2.根据权利要求1所述的开关柜，其特征在于，所述直流电压模块包括：适于从所述开关柜的母线端取电的互感器，该互感器与一整流滤波单元相连，适于对蓄电池进行充/放电控制的充电管理单元，直流电压输出单元；

其中，所述充电管理单元包括：电压检测单元，MCU单元，设有第一开关管的充电输入端，该充电输入端与所述整流滤波单元输出端相连，设有第二开关管的放电输出端；

所述直流电压输出单元包括：与所述放电输出端相连的第一输入通道，该第一输入通道适于接收所述充电管理单元输出的蓄电池直流电压；与所述整流滤波单元输出端相连的第二输入通道；所述第一、第二输入通道分别与一直流升压电路相连，该直流升压电路适于根据输入的直流电压产生一相应直流输出电压；

所述MCU单元适于控制所述第一开关管、第二输入通道导通，且当所述电压检测单元在检测蓄电池充电完毕后，则控制所述第一开关管断开；当所述母线断电后，则控制所述第二输入通道断开，且第二开关管、第一输入通道导通。

3.根据权利要求1或2所述的开关柜，其特征在于，所述开关柜还包括：一SVPWM变频单元，该SVPWM变频单元与所述直流电压模块的输出端相连。

4.一种根据权利要求3所述的开关柜的工作方法，其特征在于，所述SVPWM变频单元包括：三相逆变器，该三相逆变器由一DSP控制，该三相逆变器的直流侧、交流侧分别设有直流、交流电压电流检测电路，所述直流、交流电压电流检测电路与所述DSP相连；

该DSP产生SVPWM调制信号的方法包括：建立一三相静止坐标系根据其轴线,从

方向逆时针依次分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区；

所求参考电压矢量

在各扇区内的相应电压矢量作用时间T₁、T₂：

其中，N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区；T_s为一个采样周期，V_a,V_b为所求参考电压矢量

在三相静止坐标系

方向上的投影，V_dc为直流母线电压。

5.根据权利要求4所述的开关柜的工作方法，其特征在于，所述DSP产生SVPWM调制信号的方法还包括：

判断所求参考电压矢量

在相应扇区的步骤，该步骤包括：

设扇区判别式：N=A+2B+4C；

其中，V_a+2V_b＞0则A=1，否则A=0；

V_a-V_b＞0，则B=1，否则B=0；

2V_a+V_b＜0，则C=1，否则C=0；

把V_a,V_b分别代入上述公式，以得到相应A、B、C的取值，代入所述扇区判别式以得到所求参考电压矢量

所在扇区，即，N=3，N=1，N=5，N=4，N=6，N=2分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ扇区。

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