CN103259326A - 一种与发电机在线并机的三相不间断应急电源及其不间断控制方法 - Google Patents
一种与发电机在线并机的三相不间断应急电源及其不间断控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的在于提供一种与发电机在线并机的三相不间断应急电源及其不间断控制方法，包括由A相、B相、C相、第一直流电源Vdc1、第二直流电源Vdc2、第一电容器Cdc1、第二电容器Cdc2组成的三相四线制结构，串联后的第一直流电源Vdc1和第二直流电源Vdc2与串联后的第一电容器Cdc1和第二电容器Cdc2并联，两个串联的直流电源和两个串联电容器的中点连接在一起，作为三相四线制结构的输出中性线，此中性线与发电机的中性点N连接在一起。本发明实现了应急电源系统与发电机组的无冲击完美切换和柔性控制，显著提高供电系统的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种不间断电源及其控制方法。
背景技术
在某些野外或脱离电网应用场合，采用柴油发电机组为负载供电，有的系统甚至预留一套备份的发电机组，由于对振动和噪声限制的要求，同时只允许一套机组处于运行状态。出于对供电可靠性极高的要求，在工作的柴油发电机发生故障退出时不允许电力有任何的中断或者大幅跌落。此时需要一套应急电源系统无缝的接续发电机为负载供电。
发明内容
本发明的目的在于提供在不需要增加任何额外通信信号的条件下，仅需要通过检测发电机输出端电压，支持发电机启动并短时稳定运行后随时并入应急电源系统的一种与发电机在线并机的三相不间断应急电源及其不间断控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种与发电机在线并机的三相不间断应急电源，其特征是：包括由A相、B相、C相、第一直流电源Vdc1、第二直流电源Vdc2、第一电容器Cdc1、第二电容器Cdc2组成的三相四线制结构，串联后的第一直流电源Vdc1和第二直流电源Vdc2与串联后的第一电容器Cdc1和第二电容器Cdc2并联，两个串联的直流电源和两个串联电容器的中点连接在一起，作为三相四线制结构的输出中性线，此中性线与发电机的中性点N连接在一起；
所述的C相的结构为：
两个具有反并联二极管的功率开关器件串联组成桥臂，三个桥臂均采用LC型滤波器，滤波电感L的一端连接在桥臂中点，滤波电感L的另一端分别连接滤波电容器Cf和并机电感器Lg，滤波电容器Cf与中性线相连，并机电感器Lg与第一开关K1相连，第一开关K1连接该相负载Zc，并与控制发电机该相输出与该相负载Zc通断的第二开关K2相连，负载(Zc)连接中性线，第二开关K2与发电机该相输出端连接；
检测C相直流母线电流(Idc)的第一感应式霍尔电流传感器③通过其中心的圆孔套在C相直流母线上，其输出送入控制系统作为直流母线电流反馈信号；
检测流过C相第一开关K1的第二感应式霍尔电流传感器④通过其中心的圆孔套在连接并机电感器Lg与第一开关K1的导线上，其输出送入控制系统作为判断第一开关K1是否闭合的依据；
检测流过C相第二开关K2电流的第三感应式霍尔电流传感器⑤通过其中心的圆孔套在连接该相负载Zc与第二开关K2的导线上，其输出送入控制系统作为判断第二开关K2是否闭合的依据；
检测发电机输出电压的第二霍尔电压传感器⑥的两个检测端分别与发电机输出端和中性线相连，其输出送入控制系统中的SPLL模块，用于检测发电机电压的复制和相位；
检测应急电源输出电压的第一霍尔电压传感器⑦的两个检测端分别与LC滤波器的电容Cf的两端相连，其输出送入控制系统C相控制系统作为应急电源输出电压的反馈信号；
C相控制系统包括第一控制器Gc1即直流母线电流控制器、第二控制器Gc2即输出电压控制器和第三控制器Gc3即谐波电压补偿控制器，通过3个控制器构成3个控制通道：
第一霍尔电压检测传感器⑦检测到的发电机输出电压的瞬时值送入控制系统中的SPLL软件锁相环模块模块，SPLL通过运算后得到发电机输出电压有效值ugm和电压相位信息ωt；
被期望的直流母线电流值Idr与第一感应式霍尔电流传感器③检测的实际直流母线电流Idc均送入第一减法器环节A1，得到的Idr-Idc输入到第一控制器Gc1，其输出Δθ与SPLL输出的相位信息ωt被送入第一加法器环节A2，对所得到的结果Δθ+ωt求取正弦值后，送入到第一乘法器环节M1；
被期望的输出电压Vacm与来自LC滤波器电容Cf的实际反馈电压Vac被送入第二减法器环节A4，其差值Vacm-Vac被送入到第二控制器Gc2，第二控制器Gc2的输出Vm0送入第一乘法器环节M1；
通过第一霍尔电压传感器⑦检测到的LC滤波器电容Cf的电压被送入控制系统中的信号滤波器FL，信号滤波器FL的输出为从电容电压Vac中提取出来的电压谐波信号，该信号连同期望的输出电压谐波指令信号被送入第三减法器环节A5，其差值Vhf被输入到第三控制器Gc3；
第一乘法环节M1的输出Vm1和第三控制器Gc3的输出ΔVrp均送入第二加法器环节A3，第二加法器环节A3的输出Vm2送入到SPWM环节，即正弦波脉冲宽度调制器，SPWM调制器输出的PWM脉冲即可用于驱动C相桥臂的功率开关器件VT5、VT2；
所述的A相、B相和C相共用第一直流电源Vdc1、第二直流电源Vdc2、第一电容器Cdc1、第二电容器Cdc2，其余结构相同。
本发明一种与发电机在线并机的三相不间断应急电源还可以包括：
1、第一直流电源Vdc1和第二直流电源Vdc2的电压差异小于设定的偏差值εv，、第一电容器Cdc1和第二电容器Cdc2的电容量差异小于设定的偏差值εc。
本发明一种与发电机在线并机的三相不间断控制方法，其特征是：
1启动发电机，应急电源通过SPLL即软件锁相环模块检测其输出电压的频率和幅值，等待其运行至稳定状态，即发电机电压幅值和频率与应急电源控制系统中预先设定的标准值的实际偏差小于设定的偏差量，准备启动应急电源与发电机并机；
2在应急电源与发电机并机之前，其各相控制系统分别检测发电机对应相的输出电压ugrid，通过SPLL对发电机输出电压ugrid进行锁相，SPLL输出为发电机某相输出电压相角ωt和幅值信息ugm，历时控制系统设定的时间t后，控制系统对SPLL输出的ωt所对应的角频率ω进行检测，若ω在连续的M次检测中距标准值偏差的绝对值均小于控制系统预先设置的εω，即达到锁相稳定后，控制系统根据SPLL输出的幅值信息ugm设定应急电源输出电压幅值，即给定Vacm高于发电机输出电压ugm，其差为不小于εu，控制应急电源输出电压Vac跟踪发电机的输出电压ugrid，在电压达到稳定后，即应急电源输出电压的幅值与发电机输出电压幅值小于控制系统中设定的偏差电压VΔ，闭合开关应急电源与负载连接的开关第一开关K1，启动直流电流控制器Gc1，应急电源为并机弱输出状态，应急电源输出电压的相位等于其直流电流控制器Gc1的输出和SPLL输出的相角ωt之和，即Δθ+ωt，整个系统进入由发电机带载运行的正常工作状态，若应急电源控制系统没有检测到停机信号，则一直处于该状态运行，若检测到停机信号则停止工作；
3若发电机组因故障被切除，此时连接发电机与负载的开关第二开关K2被断开，在应急电源检测到流过第二开关K2的电流衰减为零且发电机输出电压ugm降至应急电源控制系统预设的门限值以下时，应急电源控制系统即刻不再使用SPLL的输出，并终止对直流侧电流的闭环控制，即直流电流控制器Gc1输出被强制为零，同时在控制系统中以正弦表PTR指针变量记录下此刻的应急电源输出电压给定相位，即当前时刻的直流电流闭环控制器输出Δθ与当前时刻的SPLL输出ωt之和Δθ+ωt，控制系统在所记录下的PTR基础上，按照应急电源输出电压频率的要求，使PTR以特定的步长增计数，所述的步长为N×fo/fs，N为正弦表元素个数，fo为输出电压频率，fs为载波频率，此时输出电压控制器Gc2的电压给定为正常情况下发电机输出电压幅值ugm，应急电源处于电压控制器Gc2和谐波电压补偿控制器Gc3共同的电压闭环控制下，由应急电源承担全部的负载，整个系统进入应急电源独立供电模式；
4在独立供电运行模式下，若应急电源控制系统没有检测到停机信号，则一直处于该状态运行，若检测到停机信号则停止工作，同时，处于独立供电模式的应急电源通过其控制系统中的SPLL检测发电机的输出，在重新检测到有发电机启动且其输出电压的频率和相位分别满足控制系统中预设的发电机并入所要求的频率和相位偏差时，给出连接发电机与负载的第二开关K2的闭合指令，启动直流母线电流控制器Gc1，并将其电流给定值设置为0，应急电源输出电压相位等于直流母线电流控制器Gc1输出和SPLL的输出之和，系统恢复到在线并机的弱输出状态，整个系统重新进入到主要由发电机带载运行的正常工作模式。
本发明的优势在于：本发明实现了应急电源系统与发电机组的无冲击完美切换和柔性控制，显著提高供电系统的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明应急电源的电路图；
图2为本发明控制方法的流程图；
图3为本发明控制方法的并机控制流程图；
图4为本发明控制方法的不间断应急电源由并机弱输出转入独立供电模式的控制流程图；
图5为本发明控制方法的不间断应急电源在独立供电模式下接收发电机并入的过程。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～5，本发明应急电源包括三相四线制结构，即A相、B相和C相，所述的A相、B相和C相共用第一直流电源Vdc1、第二直流电源Vdc2、第一电容器Cdc1、第二电容器Cdc2，其余结构相同；串联后的第一直流电源Vdc1和第二直流电源Vdc2与串联后的第一电容器Cdc1和第二电容器Cdc2并联，两个串联的直流电源和两个串联电容器的中点连接在一起，作为三相四线制结构的输出中性线，此中性线与发电机的中性点N连接在一起；
两个具有反并联二极管的功率开关器件串联组成桥臂，三个桥臂均采用LC型滤波器，滤波电感L的一端连接在桥臂中点，滤波电感L的另一端分别连接滤波电容器Cf和并机电感器Lg，滤波电容器Cf与中性线相连，并机电感器Lg与第一开关K1相连，第一开关K1连接该相负载Zc，并与控制发电机该相输出与该相负载Zc通断的第二开关K2相连，负载(Zc)连接中性线，第二开关K2与发电机该相输出端连接；
检测C相直流母线电流(Idc)的感应式霍尔电流传感器③通过其中心的圆孔套在C相直流母线上，其输出送入控制系统作为直流母线电流反馈信号；
检测流过C相第一开关K1的感应式霍尔电流传感器④通过其中心的圆孔套在连接并机电感器Lg与第一开关K1的导线上，其输出送入控制系统作为判断第一开关K1是否闭合的依据；
检测流过C相第二开关K2电流的感应式霍尔电流传感器⑤通过其中心的圆孔套在连接该相负载Zc与第二开关K2的导线上，其输出送入控制系统作为判断第二开关K2是否闭合的依据；
检测发电机输出电压的霍尔电压传感器VSC2⑥的两个检测端分别与发电机输出端和中性线相连，其输出送入控制系统中的SPLL模块，用于检测发电机电压的复制和相位；
检测应急电源输出电压的霍尔电压传感器VSC1⑦的两个检测端分别与LC滤波器的电容Cf的两端相连，其输出送入控制系统C相控制系统作为应急电源输出电压的反馈信号；
C相控制系统包括第一控制器即直流母线电流控制器、第二控制器即输出电压控制器和第三控制器即谐波电压补偿控制器，通过3个控制器构成3个控制通道：
将霍尔电压检测传感器⑦检测到的发电机输出电压的瞬时值送入控制系统中的SPLL软件锁相环模块模块，SPLL通过运算后得到发电机输出电压有效值ugm和电压相位信息ωt；
被期望的直流母线电流值Idr与感应式霍尔电流传感器③检测的实际直流母线电流Idc均送入一个减法器环节A1，将得到的Idr-Idc输入到第一控制器Gc1，其输出Δθ与SPLL输出的相位信息ωt被送入一个加法器环节A2，对所得到的结果Δθ+ωt求取正弦值后，送入到一个乘法器环节M1；
被期望的输出电压Vacm与来自LC滤波器电容Cf的实际反馈电压Vac被送入一个减法器环节A4，其差值Vacm-Vac被送入到第二控制器Gc2，第二控制器Gc2的输出Vm0也送入乘法器环节M1；
通过霍尔电压传感器VSC1⑦检测到的LC滤波器电容Cf的电压被送入控制系统中的信号滤波器FL，信号滤波器FL的输出为从电容电压Vac中提取出来的电压谐波信号，该信号连同期望的输出电压谐波指令信号为了抑制谐波，此值设置为0被送入一个减法器环节A5，其差值Vhf被输入到第三控制器Gc3；
将乘法环节M1的输出Vm1和第三控制器Gc3的输出ΔVrp均送入一个加法器环节A3，加法器环节A3的输出Vm2送入到SPWM环节，即正弦波脉冲宽度调制器，SPWM调制器输出的PWM脉冲即可用于驱动C相桥臂的功率开关器件VT5和VT2。
第一直流电源Vdc1和第二直流电源Vdc2的电压差异小于设定的偏差值εv，、第一电容器Cdc1和第二电容器Cdc2的电容量差异小于设定的偏差值εc。
本发明控制方法的主要步骤为：
1启动发电机，应急电源通过SPLL即软件锁相环模块检测其输出电压的频率和幅值，等待其运行至稳定状态，即发电机电压幅值和频率与应急电源控制系统中预先设定的标准值的实际偏差小于设定的偏差量，准备启动应急电源与发电机并机；
2在应急电源与发电机并机之前，其各相控制系统分别检测发电机对应相的输出电压ugrid，通过SPLL对发电机输出电压ugrid进行锁相，SPLL输出为发电机某相输出电压相角ωt和幅值信息ugm，历时控制系统设定的时间t后，控制系统对SPLL输出的ωt所对应的角频率ω进行检测，若ω在连续的M次检测中距标准值偏差的绝对值均小于控制系统预先设置的εω，即达到锁相稳定后，控制系统根据SPLL输出的幅值信息ugm设定应急电源输出电压幅值，即给定Vacm高于发电机输出电压ugm，其差为不小于εu，控制应急电源输出电压Vac跟踪发电机的输出电压ugrid，在电压达到稳定后，即应急电源输出电压的幅值与发电机输出电压幅值小于控制系统中设定的偏差电压VΔ，闭合开关应急电源与负载连接的开关第一开关K1，启动直流电流控制器Gc1，应急电源为并机弱输出状态，应急电源输出电压的相位等于其直流电流控制器Gc1的输出和SPLL输出的相角ωt之和，即Δθ+ωt，整个系统进入由发电机带载运行的正常工作状态，若应急电源控制系统没有检测到停机信号，则一直处于该状态运行，若检测到停机信号则停止工作；
3若发电机组因故障被切除，此时连接发电机与负载的开关第二开关K2被断开，在应急电源检测到流过第二开关K2的电流衰减为零且发电机输出电压ugm降至应急电源控制系统预设的门限值以下时，应急电源控制系统即刻不再使用SPLL的输出，并终止对直流侧电流的闭环控制，即直流电流控制器Gc1输出被强制为零，同时在控制系统中以正弦表PTR指针变量记录下此刻的应急电源输出电压给定相位，即当前时刻的直流电流闭环控制器输出Δθ与当前时刻的SPLL输出ωt之和Δθ+ωt，控制系统在所记录下的PTR基础上，按照应急电源输出电压频率的要求，使PTR以特定的步长增计数，所述的步长为N×fo/fs，N为正弦表元素个数，fo为输出电压频率，fs为载波频率，此时输出电压控制器Gc2的电压给定为正常情况下发电机输出电压幅值ugm，应急电源处于电压控制器Gc2和谐波电压补偿控制器Gc3共同的电压闭环控制下，由应急电源承担全部的负载，整个系统进入应急电源独立供电模式；
4在独立供电运行模式下，若应急电源控制系统没有检测到停机信号，则一直处于该状态运行，若检测到停机信号则停止工作，同时，处于独立供电模式的应急电源通过其控制系统中的SPLL检测发电机的输出，在重新检测到有发电机启动且其输出电压的频率和相位分别满足控制系统中预设的发电机并入所要求的频率和相位偏差时，给出连接发电机与负载的第二开关K2的闭合指令，启动直流母线电流控制器Gc1，并将其电流给定值设置为0，应急电源输出电压相位等于直流母线电流控制器Gc1输出和SPLL的输出之和，系统恢复到在线并机的弱输出状态，整个系统重新进入到主要由发电机带载运行的正常工作模式。
如附图1所示，处于要求应急电源应具备带严重不平衡负载的能力，因此总体上专利所述的三相应急电源系统的主电路采用三相半桥四线制结构。因而三相各自独立。
由于三相独立，出于构图简洁的考虑，在专利附图1中仅对C相给出详细的控制结构和输出级连接关系示意图，A相和B相的控制结构与C完全一致。发电机与应急电源输出级的连接也仅给出C相，发电机其它的A、B两相与应急电源A、B相输出级的连接关系与C相完全一致。
应急电源主电路整体为三相四线制结构。应急电源的直流侧为两个串联的直流电源如附图1中①和②分别所示的Vdc1和Vdc2。与两组串联的电容器如附图1中所示的Cdc1和Cdc2与并联。串联的直流电源和串联电容器组的中点连接在一起，作为三相四线制结构的输出中性点线，此中性线与发电机的中性点N连接在一起。
在本专利所述的系统中单个直流电源可理解为独立的蓄电池组或其它可行的直流电源如整流电源,两个直流电源电压相等或几乎相等，两组电容器的容量相等或几乎相等。
主电路有三个桥臂，每个桥臂由两个具有反并联二极管的功率开关器件串联而成。每个桥臂采用LC型滤波器，滤波电感如附图1中的L的一端连接在桥臂中点，滤波电感的另一端分别连接滤波电容器如附图1中的C的一端和并机电感器如附图1中的Lg，滤波电容器的另一端与中性线相连。并机电感器的另一端与控制应急电源一相输出与该相负载通断的开关第一开关，如附图1中的K1的一端相连。第一开关的另一端连接该相负载的一端，并与控制发电机该相输出与该相负载(如附图1中的Zc)通断的开关第二开关，如附图1中的K2的一端相连，负载的另一端连接中性线，第二开关的另一端与发电机该相输出端连接。
在本专利中上述的第一开关和第二开关均可理解为接触器。
为了实现对整个应急电源系统的控制，设置有各相直流母线电流检测传感器如附图1中的③所示，设置有第一开关电流检测传感器如附图1中的④所示，用于检测流过第一开关和并机电抗器的电流，设置有第二开关电流检测传感器如附图1中的⑤所示，用于检测流过第二开关即发电机输出电流，设置有发电机输出电压检测传感器如附图1中的⑥所示，置有应急电源输出电压检测传感器如附图1中的⑦所示。
图中的虚线框部分为应急电源的控制结构示意图，各相控制系统包括有3个控制器，分别为第一控制器直流母线电流控制器、第二控制器输出电压控制器和第二控制器谐波电压补偿控制器。由3个控制器并结合给定反馈环节，构成3个控制通道。
利用电压传感器检测发电机输出电压的瞬时值，将其作入SPLL软件锁相环模块的输入，SPLL通过运算得到发电机输出电压有效值或峰值和相位。
将期望的各相直流母线电流值与电流传感器检测的实际直流母线电流作差后输入到第一控制器，其输出通过求和环节与SPLL输出的相位信息叠加在一起，对该叠加后的结果求取正弦值，作为乘法环节的一个输入。
将期望的输出电压与来自LC滤波器电容的实际反馈电压做差后输入到第二控制器，其输出作为乘法环节的另一个输入。
对取自LC滤波器电容进行滤波如附图1中的FL所示，将电容电压中的谐波信号提取出来的。将期望的输出电压谐波通常设置为零与所提取出来的谐波信号做差后输入到第三控制器。
通过求和环节，将乘法环节的输出和第三控制器的输出叠加在一起，作为SPWM正弦波脉冲宽度调制调制器的一个输入，SPWM调制器的输入，SPWM调制器输出的脉冲用于驱动各桥臂功率开关器件。
应急电源系统中由第一控制器和第二控制器构成并机调整及功率控制部分，其核心思想将应急电源将输出有功功率和无功功率的控制分别转化为对其输出电压相角和幅值的控制，将其功率控制转化为根据直流母线电流的大小调节输出电压的相角，根据发电机侧电压的大小调节输出电压的幅值。第三控制器为应急电源输出电压的谐波补偿控制器，其目的是为了改善应急电源在热备份轻载输出时的电压波形。
1.应急电源与发电机并机过程
对于专利所述的系统，应急电源前级直流侧为稳压直流电源或者高带宽电压闭环控制的稳压变换器，因此如附图1所示的Vdc几乎保持恒定重载时可略有下垂。发电机正常工作时，设置各相直流母线电流为0或略大于0，例如设置Idcr=0，若需要注入更多有功功率则使Idcr增加即可。
正常工作时先启动发电机，其电压和频率稳定后闭合第二开关，向负载供电，此时，应急电源对发电机的输出进行检测，准备启动。准备过程中应急电源控制系统通过软件锁相环SPLL跟踪发电机输出电压ugrid的相位ωt和幅值ugm至稳定状态。
在SPLL的输出稳定后，第二控制器如附图1中的Gc2和第三控制器如附图1中的Gc3启动，而第一控制器的输出被强制为零。详细的调节过程及原理如下：
第二控制器的电压给定为期望的输出电压如附图1中的Vacm，其反馈为各相LC滤波器电容电压如附图1中的Vac。由于此时第一开关尚未闭合，且即使第一开关闭合，应急电源也处于热备份状态，且为了避免第一开关闭合时应急电源与发电机电压之间的电压差导致冲击电流，因而应使给定电压与SPLL检测到的发电机电压如附图1中的ugm接近，可行的方法是使给定电压略微大于发电机电压，即并机时应急电源输出少量的有功功率。第二控制器对电压偏差如附图1中的Vacm-Vac进行调节，其输出与SPLL检测到的发电机电压相位的正弦值相乘，得到SPWM调制信号的基波分量，如附图1中的Vm1。
第三控制器的电压给定为0，其反馈为各相LC滤波器电容电压经滤波器后的输出，滤波器将电容电压中的低频基波分量滤除，而保留其中的谐波信号，第三控制器对此谐波信号进行调节，其输出作为SPWM调制信号中的谐波补偿分量如附图1中的ΔVrp，该分量与前述基波分量叠加，叠加构成完整的SPWM调制信号如附图1中的Vm2，即是说该信号中包含了基波调制信号和谐波补偿调整信号，因而可获得良好的正弦波电压输出。
当控制到应急电源输出电压如附图1中的Vac与发电机输出电压如附图1中的ugm几乎同频同相电压幅值略高于发电机电压，且电压幅值稳定后应急电源控制系统发出闭合第一开关的指令。
通过检测流过第一开关的电流是否为零，来确认第一开关是否闭合，确认闭合后启动第一控制器，由于应急电源在正常工作状态为热备份状态，因此器直流母线电流给定的数值很小，接近或等于零，其反馈为各相直流母线电流。第一控制器对电流偏差如附图1中的Idcr-Idc进行调节，其输出为一个相位调整量如附图1中的Δθ，该量与SPLL输出的发电机电压锁相角叠加作为应急电源该相输出电压的相角。
之后应急电源处于并机弱输出状态，整个系统进入主要由发电机带载运行的正常工作状态。
在并机后的任何时刻，若要增加应急电源系统输出的有功功率，则使第一控制器的电流给定增加即可，增加无功功率则提高第一控制器的电压给定即可。
2.应急电源由并机弱输出转入独立供电模式的过程
本专利所提出的控制结构支持发电机切除控制。发电机组因故障被切除后主动或被动，第二开关断开，由于之前应急电源处于热并机弱输出状态，在检测到流过开关第二开关的电流迅速衰减为零且SPLL检测到发电机输出电压降至预设门限值以下时，应急电源控制系统即刻不再使用软件锁相环SPLL的输出。并立刻终止第一控制器对直流侧电流的闭环控制，即将第一控制器的输出强制为零。
与此同时记录下此刻的应急电源输出电压相位信息，即当前时刻的第一控制器输出与SPLL输出相角之和如附图1中的ωt+Δθ，该值可更具应急电源控制系统正弦表指针PTR来确定。
之后，控制系统在记录下的PTR的基础上，使其增计数的步长与正常情况下发电机输出电压频率，即f=ω/2π相吻合。例如若应急电源的开关频率为fs，应急电源输出电压的频率为fo，正弦表元素的个数为NN为数百至数千，则在每个开关周期TsTs=1/fs，PTR自行更新的增量为Δ=N×fo/fs，即每次更新后有PTR=PTR+Δ。
假设PTR在每次增技术后对应的相角为Φ，则在此情况下的基波调制信号为第二控制器的输出与sinΦ的乘积，而此时第二控制器的给定为正常情况下发电机输出电压幅值如附图1中的ugm。
在此情况下，第三控制器的工作状态与并机弱输出时的情况是一样的。
由于应急电源处于电压闭环控制的作用，此时由应急电源承担全部的负载，因此在很短的时间内应急逆变电源各相直流侧电流将快速且显著的增加，整个系统进入应急电源独立工作模式。
3应急电源接受发电机并入的过程
本专利所提出的控制结构支持发电机再投入控制。前提条件是发电机排除故障后再启动或另一台备用发电机启动。
在发电机启动和独立短时稳定运行的过程中，应急电源系统通过SPLL环节检测发电机的输出电压和频率是否达到正常供电的要求的技术指标。
在SPLL检测到发电机的输出电压和频率均稳定后，应急电源控制系统又调整自身电压给定值使其跟随发电机输出电压的幅值如附图1中的ugm的变化，由第二控制器完成对应急电源输出电压幅值的调整。
应急电源根据SPLL输出的发电机输出电压的相位如附图1中的ωt，通过对正弦表指针的调整改变应急电源自身输出电压的相角，使其输出电压与发电机输出电压相频一致可保证在5s以内可完成。
例如正弦表指针可以这样来调整：
假设此时SPLL对发电机输出电压锁相的正弦表指针为PTR1，对于同一正弦表，应急电源输出电压的正弦表指针为PTR2，则调整的要点是：不论发电机和应急电源输出电压的相位关系如何，均以发电机输出电压的相位为准，即以PTR1为准，调整的过程即是PTR2逼近PTR1的过程。
一种可行的调整方法是这样的：
1微小改变应急电源输出电压的频率例如由50Hz调整到50.5Hz或者49.5Hz，即使应急电源控制系统的正弦表指针PTR2的增量Δ有所变化；
2大约2s左右50Hz的情况，PTR2数值与PTR1接近，当|PTR1-PTR2|≤ε时ε为小量，预设的指针偏差最大限定值，将PTR1赋值给PTR2，即PTR2=PTR1，之后应急电源按照调整后的相位指针PTR1控制输出电压的频率和相位。
在上述锁相和调整过程完成之后，应急电源控制系统或人为给出第二开关闭合指令信号。在发电机并入的短时暂态过程中，应急电源各相直流母线电流均会有显著下降，应急电源控制系统在检测到这个变化且检测到第二开关有电流流过后，立刻启动各相直流母线电流的第一控制器，如附图1中的Gc1，并将其电流给定值设置为0，应急电源系统恢复到在线并机的弱输出状态，整个系统重新进入到主要由发电机带载运行的正常工作模式。
Claims (3)
1.一种与发电机在线并机的三相不间断应急电源，其特征是：包括由A相、B相、C相、第一直流电源（Vdc1）、第二直流电源（Vdc2）、第一电容器（Cdc1）、第二电容器（Cdc2）组成的三相四线制结构，串联后的第一直流电源（Vdc1）和第二直流电源（Vdc2）与串联后的第一电容器（Cdc1）和第二电容器（Cdc2）并联，两个串联的直流电源和两个串联电容器的中点连接在一起，作为三相四线制结构的输出中性线，此中性线与发电机的中性点（N）连接在一起；
所述的C相的结构为：
两个具有反并联二极管的功率开关器件串联组成桥臂，三个桥臂均采用LC型滤波器，滤波电感（L）的一端连接在桥臂中点，滤波电感（L）的另一端分别连接滤波电容器（Cf）和并机电感器（Lg），滤波电容器（Cf）与中性线相连，并机电感器（Lg）与第一开关（K1）相连，第一开关（K1）连接该相负载（Zc），并与控制发电机该相输出与该相负载（Zc）通断的第二开关（K2）相连，负载(Zc)连接中性线，第二开关（K2）与发电机该相输出端连接；
检测C相直流母线电流(Idc)的第一感应式霍尔电流传感器（③）通过其中心的圆孔套在C相直流母线上，其输出送入控制系统作为直流母线电流反馈信号；
检测流过C相第一开关（K1）的第二感应式霍尔电流传感器（④）通过其中心的圆孔套在连接并机电感器（Lg）与第一开关（K1）的导线上，其输出送入控制系统作为判断第一开关（K1）是否闭合的依据；
检测流过C相第二开关（K2）电流的第三感应式霍尔电流传感器（⑤）通过其中心的圆孔套在连接该相负载（Zc）与第二开关（K2）的导线上，其输出送入控制系统作为判断第二开关（K2）是否闭合的依据；
检测发电机输出电压的第二霍尔电压传感器（⑥）的两个检测端分别与发电机输出端和中性线相连，其输出送入控制系统中的SPLL模块，用于检测发电机电压的复制和相位；
检测应急电源输出电压的第一霍尔电压传感器（⑦）的两个检测端分别与LC滤波器的电容（Cf）的两端相连，其输出送入控制系统C相控制系统作为应急电源输出电压的反馈信号；
C相控制系统包括第一控制器（Gc1）即直流母线电流控制器、第二控制器（Gc2）即输出电压控制器和第三控制器（Gc3）即谐波电压补偿控制器，通过3个控制器构成3个控制通道：
第一霍尔电压检测传感器（⑦）检测到的发电机输出电压的瞬时值送入控制系统中的SPLL软件锁相环模块模块，SPLL通过运算后得到发电机输出电压有效值ugm和电压相位信息ωt；
被期望的直流母线电流值Idr与第一感应式霍尔电流传感器（③）检测的实际直流母线电流Idc均送入第一减法器环节（A1），得到的Idr-Idc输入到第一控制器（Gc1），其输出Δθ与SPLL输出的相位信息ωt被送入第一加法器环节（A2），对所得到的结果Δθ+ωt求取正弦值后，送入到第一乘法器环节（M1）；
被期望的输出电压Vacm与来自LC滤波器电容（Cf）的实际反馈电压Vac被送入第二减法器环节（A4），其差值Vacm-Vac被送入到第二控制器（Gc2），第二控制器（Gc2）的输出Vm0送入第一乘法器环节（M1）；
通过第一霍尔电压传感器（⑦）检测到的LC滤波器电容（Cf）的电压被送入控制系统中的信号滤波器（FL），信号滤波器（FL）的输出为从电容电压Vac中提取出来的电压谐波信号，该信号连同期望的输出电压谐波指令信号被送入第三减法器环节A5，其差值Vhf被输入到第三控制器（Gc3）；
第一乘法环节（M1）的输出Vm1和第三控制器（Gc3）的输出ΔVrp均送入第二加法器环节A3，第二加法器环节（A3）的输出Vm2送入到SPWM环节，即正弦波脉冲宽度调制器，SPWM调制器输出的PWM脉冲即可用于驱动C相桥臂的功率开关器件（VT5、VT2）；
所述的A相、B相和C相共用第一直流电源（Vdc1）、第二直流电源（Vdc2）、第一电容器（Cdc1）、第二电容器（Cdc2），其余结构相同。
2.根据权利要求1所述的一种与发电机在线并机的三相不间断应急电源，其特征是：第一直流电源（Vdc1）和第二直流电源（Vdc2）的电压差异小于设定的偏差值εv，、第一电容器（Cdc1）和第二电容器（Cdc2）的电容量差异小于设定的偏差值εc。
3.一种与发电机在线并机的三相不间断控制方法，其特征是：
（1）启动发电机，应急电源通过SPLL即软件锁相环模块检测其输出电压的频率和幅值，等待其运行至稳定状态，即发电机电压幅值和频率与应急电源控制系统中预先设定的标准值的实际偏差小于设定的偏差量，准备启动应急电源与发电机并机；
（2）在应急电源与发电机并机之前，其各相控制系统分别检测发电机对应相的输出电压ugrid，通过SPLL对发电机输出电压ugrid进行锁相，SPLL输出为发电机某相输出电压相角ωt和幅值信息ugm，历时控制系统设定的时间t后，控制系统对SPLL输出的ωt所对应的角频率ω进行检测，若ω在连续的M次检测中距标准值偏差的绝对值均小于控制系统预先设置的εω，即达到锁相稳定后，控制系统根据SPLL输出的幅值信息ugm设定应急电源输出电压幅值，即给定Vacm高于发电机输出电压ugm，其差为不小于εu，控制应急电源输出电压Vac跟踪发电机的输出电压ugrid，在电压达到稳定后，即应急电源输出电压的幅值与发电机输出电压幅值小于控制系统中设定的偏差电压VΔ，闭合开关应急电源与负载连接的开关第一开关（K1），启动直流电流控制器（Gc1），应急电源为并机弱输出状态，应急电源输出电压的相位等于其直流电流控制器（Gc1）的输出和SPLL输出的相角ωt之和，即Δθ+ωt，整个系统进入由发电机带载运行的正常工作状态，若应急电源控制系统没有检测到停机信号，则一直处于该状态运行，若检测到停机信号则停止工作；
（3）若发电机组因故障被切除，此时连接发电机与负载的开关第二开关（K2）被断开，在应急电源检测到流过第二开关（K2）的电流衰减为零且发电机输出电压ugm降至应急电源控制系统预设的门限值以下时，应急电源控制系统即刻不再使用SPLL的输出，并终止对直流侧电流的闭环控制，即直流电流控制器（Gc1）输出被强制为零，同时在控制系统中以正弦表PTR指针变量记录下此刻的应急电源输出电压给定相位，即当前时刻的直流电流闭环控制器输出Δθ与当前时刻的SPLL输出ωt之和Δθ+ωt，控制系统在所记录下的PTR基础上，按照应急电源输出电压频率的要求，使PTR以特定的步长增计数，所述的步长为N×fo/fs，N为正弦表元素个数，fo为输出电压频率，fs为载波频率，此时输出电压控制器（Gc2）的电压给定为正常情况下发电机输出电压幅值ugm，应急电源处于电压控制器（Gc2）和谐波电压补偿控制器（Gc3）共同的电压闭环控制下，由应急电源承担全部的负载，整个系统进入应急电源独立供电模式；
则一直处于该状态运行，若检测到停机信号则停止工作，同时，处于独立供电模式的应急电源通过其控制系统中的SPLL检测发电机的输出，在重新检测到有发电机启动且其输出电压的频率和相位分别满足控制系统中预设的发电机并入所要求的频率和相位偏差时，给出连接发电机与负载的第二开关（K2）的闭合指令，启动直流母线电流控制器（Gc1），并将其电流给定值设置为0，应急电源输出电压相位等于直流母线电流控制器（Gc1）输出和SPLL的输出之和，系统恢复到在线并机的弱输出状态，整个系统重新进入到主要由发电机带载运行的正常工作模式。
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