CN103280789B - 新型多功能电力电子限流系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型多功能电力电子限流系统及其控制方法，PWM稳压模块通过并联变压器T_b并入10kV电网，三单相DVR模块通过共用PWM稳压模块的直流侧实现能量供给，三单相DVR模块的各逆变单元输出点和输出滤波电抗器之间设立晶闸管支路，晶闸管支路连接DVR模块逆变单元的两个输出点，DVR的输出通过串联变压器串入电网和负载之间，同时在串联变压器二次侧并联小电容C滤波支路。本发明可补偿电压波动，提高电网系统供电可靠性、稳定性；稳定负载电压，确保用户侧设备的正常运转；限制短路电流，提高电网系统和供电设备的安全性；限制短路电流，保护用户设备的安全；缩短短路故障发生到继电保护动作之间电网承受大短路电流的时间，提高电网安全性。

Description

新型多功能电力电子限流系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种新型多功能电力电子限流系统及控制方法。

背景技术

电力是国家的主要能源和经济命脉，安全、优质地保证电力供给不仅关系国家的经济发展和人民群众的生活质量，还维系社会稳定与国家安全。而近年来随着电网规模的不断扩大和结构的日益复杂，势必造成电力系统短路电流的不断增大。当发生短路故障时，成千上万安培的短路电流会烧毁电气，导致导体间受机械应力而变形，同时造成电压下降、功率分布变化，严重威胁电网安全稳定运行。同时，各种非线性负荷及冲击性负荷不断入网，导致了系统中电压波动、闪变等电压质量问题日益严重，愈发影响电网的稳定运行及入网的敏感性负荷的正常运转。现有的技术方案有在母线上串联电抗器。

现有技术的缺点如下：

1、长期串联在线路上，损耗大，造成大量资源损耗；

2、限流电抗在系统非故障时，长期闲置在电网内，利用率低下；

3、限流电抗设计难度较大，需要同时考虑限流效果和电网非故障期间的损耗；电抗值大限流效果好，但所需无功和有功能量也大(电抗本身有电阻)；电抗值小，限流效果难以达到；

4、仅能实现故障限流功能，不能针对电能质量问题进行补偿。

发明内容

本发明提供了一种新型多功能电力电子限流系统及控制方法，能实现限流及电压波动补偿的多功能拓扑结构、控制方法以及针对不同故障类型的逻辑控制方式。

本发明实施例是这样实现的，一种新型多功能电力电子限流系统及其控制方法，所述电力电子系统主要由PWM稳压模块、三单相DVR模块、晶闸管支路三部分组成；PWM稳压模块通过并联变压器T_b并入10kV电网，三单相DVR模块通过共用PWM稳压模块的直流侧实现能量供给，三单相DVR模块的各逆变单元输出点和输出滤波电抗器之间设立晶闸管支路，晶闸管支路连接DVR模块逆变单元的两个输出点，DVR的输出通过串联变压器串入电网和负载之间，同时在串联变压器二次侧并联小电容C滤波支路。

进一步，PWM稳压模块的连接方式：电感分别依次连接到绝缘栅双极型晶体管IGBT上，直流侧电容并联在绝缘栅双极型晶体管IGBT的两端；

进一步，三单相DVR模块的连接方式：三单相DVR的绝缘栅双极型晶体管IGBT分别依次并联在直流侧电容的两端；

进一步，晶闸管支路的连接方式：晶闸管支路3连接在单相DVR各逆变单元输出点和输出滤波电抗器之间，通过双向晶闸管短路到DVR逆变单元的另一输出端。

进一步，PWM稳压模块的控制过程为：

直流侧电压标准值与实际检测到的直流侧电压值U_dc做差，其差值经过PI调节器后与三相电压同频同相的正弦量sin相乘后与实际检测到的稳压电流做差，其差值经过PI调节器后进行三角波调制，调制后得到的信号经驱动电路后送入稳压模块的H桥，然后稳压模块的H桥的输出电流信号即为实际检测到的稳压电流，再反馈到第二次PI调节器之前。

进一步，单相电压补偿与模式切换控制过程为：

设定的稳定标准电压为与实际检测到的电源侧电压为U_s作差，其差值乘以1/k后与DVR实际输出的二次侧补偿电压做差，经过PI调节器后进行三角波调 制，调制后的信号连接到与门的输入端，同时电流i_sl经过故障检测后一部分经驱动后送入晶闸管，一部分经过闭锁模块连接到与门的另一输入端，与门的输出端连接到驱动电路后送入逆变桥的输入端。

进一步，针对不同类型短路故障的限流逻辑顺序为：

当系统发生单相对地短路时，电力系统三相之间的线电压依然对称，系统可以带着一个接地点继续运行，限流装置不动作；

当系统发生相间短路或相间接地短路时，装置检测到短路电流，控制故障相的DVR工作脉冲进行封锁，故障相DVR不工作，封锁脉冲10us后，将故障相的晶闸管导通，则DVR输出电感被短接在串联变压器的二次侧，输出电感等效到一次侧的阻抗作为线路的限流阻抗进行限流，同时保持非故障相可以持续运行在电压质量补偿状态；

当系统发生三相短路或三相对地短路时，装置检测到三相短路电流后，封锁三相DVR的工作脉冲，延时10us后，控制三相晶闸管D1，D2，D3都导通，则三相的DVR输出电感都被短路到串联变压器的二次侧，电感通过串联变压器等效到一次侧的阻抗进行限流；

当电网某相或某几相发生故障时，该相进入限流态的时间仅为us级，而继保动作到完成系统跳闸的时限通常为0.5s-1s。

本发明提供的新型多功能电力电子限流系统及控制方法，可补偿电压波动，提高电网系统供电可靠性、稳定性；稳定负载电压，确保用户侧设备的正常运转；限制短路电流，提高电网系统和供电设备的安全性；限制短路电流，保护用户设备的安全；缩短短路故障发生到继电保护动作之间电网承受短路电流的时间，提高电网安全性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的新型多功能电力电子限流系统的拓扑结构；

图2是本发明实施例提供的稳压模块控制过程的示意图；

图3是本发明实施例提供的单相电压补偿与模式切换控制过程的示意图；

图4是本发明实施例提供的短路故障检测与识别过程的示意图；

图5是本发明实施例提供的短路发生时装置的动作过程的示意图；

图6是本发明实施例提供的不同短路类型对应的限流逻辑的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提出的新型多功能电力电子限流系统的拓扑结构。主要由PWM稳压模块1、三单相DVR模块2、晶闸管支路3三部分组成。PWM稳压模块1通过并联变压器T_b并入10kV电网，三单相DVR模块2通过共用PWM稳压模块1的直流侧实现能量供给，三单相DVR模块2的各逆变单元输出点和输出滤波电抗器之间设立晶闸管支路3，在串联变压器副边并联小电容C滤波支路，串联变压器串联在电网和负载之间。

三相H桥PWM稳压模块1的直流侧实现对三单相DVR模块2的能量供给；

三单相DVR模块2，每相DVR分别检测各相的相电压，控制DVR对各相的电压变化进行补偿，使相电压稳定在设定的标准值；

晶闸管支路3，用于短路DVR输出电感，当短路故障时将短路电流限制在一定范围内。

PWM稳压模块1的连接方式：电感分别依次连接到绝缘栅双极型晶体管IGBT上，直流侧电容并联在绝缘栅双极型晶体管IGBT的两端；

三单相DVR模块2的连接方式：三单相DVR的绝缘栅双极型晶体管IGBT分别依次并联在直流侧电容的两端；

晶闸管支路3的连接方式：晶闸管支路3连接在单相DVR各逆变单元输出点和输出滤波电抗器之间，通过双向晶闸管短路到DVR逆变单元的另一输出端。

图2为PWM稳压模块的控制过程。直流侧电压标准值与实际检测到的直流侧电压值U_dc做差，其差值经过PI调节器后与三相电压同频同相的正弦量sin相乘后与实际检测到的稳压电流做差，其差值经过PI调节器后进行三角波调制，调制得到的PWM控制信号经过驱动电路后送入稳压模块的H桥，然后稳压模块的H桥的输出电流信号即为实际检测到的稳压电流，再反馈到第二次PI调节器之前。

图3为单相电压补偿与模式切换控制过程。设定的稳定标准电压为与实际检测到的电源侧电压为U_s作差，其差值乘以1/k后与DVR实际输出的二次侧补偿电压做差，经过PI调节器后进行三角波调制，调制后得到的信号连接到与门的输入端，同时电流i_sl经过故障检测后一部分经过驱动后送入晶闸管，一部分经过闭锁模块连接到与门的另一输入端，与门的输出端经过驱动后连接到逆变桥的输入端。

适用的电力系统为10kv中性点不接地系统，装置拓扑结构主要由三个部分组成：PWM稳压模块、三单相DVR模块、晶闸管支路。其工作原理为：并联变压器T_b将10kV电压降为400V线电压，通过三相H桥的PWM稳压模块将直流侧电压稳定在800V，三个单相的DVR结构并联在直流侧电容两端，每相DVR分别检测各相的相电压，当检测到电压波动时，将该波动部分作为指令，控制DVR对各相的电压变化进行补偿，使负载处相电压稳定在设定的标准值。当短路故障发生时，晶闸管将DVR输出电感短路到串联变压器的二次侧时，设串联变压器的变比为k，输出电感的阻抗为Z，则二次侧等效到一次侧的阻抗为k²Z，所以适当选择串联变压器的变比k可以控制将短路电流限制在一定范围内。

对PWM稳压模块采用电压电流双闭环PI控制，直流侧电压标准值与实际检测到的直流侧电压值U_dc做差，其差值经过PI调节器后与三相电压同频同相的正弦量sin相乘作为PWM稳压模块所需要的稳压电流与实际检测到的稳压电流i_wa，i_wb，i_wc做差，其差值经过PI调节器后进行三角波比较得到稳压模块三个桥臂的控制信号。

三单相DVR模块中的每相DVR电压补偿采用电压闭环PI控制，设定的稳定标 准电压为实际检测到的电源侧电压为U_s，串联变压器的变比为k，则标准值与实际值U_s的差值乘以1/k才是DVR在变压器二次侧的理想输出值，该理想输出值作为电压波动指令U_ref，U_ref与DVR二次侧实际补偿输出的电压U_c的差值经过PI调节器后进行三角波比较，得到DVR逆变桥的控制信号。当检测到该相有短路电流时，该相故障检测模块给出高电平，经过闭锁模块转换成为低电平后对DVR工作脉冲进行封锁，同时该高电平控制晶闸管导通，将DVR输出电抗器短路到串联变压器二次侧进行限流。

如图4所示，i_sl为检测到的线路上的瞬时电流；i_op为短路电流的动作值，即当线路电流瞬时绝对值连续两次大于该值时认为发生短路故障；i_re为短路动作电流返回值，即线路电流的计算幅值连续两次小于该值时，认为短路故障消除。正常时电网系统工作正常，没有短路电流，触发器置位Q为低电平。短路故障发生后，取线路电流的瞬时绝对值比较，当瞬时绝对值大于短路电流的动作值i_op，且延时delay1时间后i_sl的瞬时绝对值仍大于i_op值，则S1为高电平，而在RS触发器上电初始Q被置位为低电平，则短路发生后S为高电平。i_sl与两倍幅值的基波正余弦相乘后，经过低通滤波后得到直流分量计算的均方根值就得到了电流i_sl的幅值I_m，I_m大于短路动作电流返回值i_re形成低电平，且延时delay2时间后I_m仍大于短路动作电流返回值，则S2得到低电平，Q经过delay3延时与S2信号相与形成R的低电平。S为高电平，R为低电平，则此时触发器输出Q变为高电平，该高电平信号一方面经过闭锁转换成低电平将DVR脉冲封锁，另一方面控制该相晶闸管导通进行短路限流。当短路故障消除后，计算得到的幅值I_m小于短路动作电流返回值形成高电平信号，延时且延时delay2时间后I_m仍小于短路动作电流返回值，使得S2为高电平，Q在短路时处于高电平，则R为高电平。短路故障消失后i_sl的瞬时绝对值一直小于i_op，则S1为低电平，使S为低电平。S为低电平，R为高电平，则RS触发器重新置位Q为低电平，则封锁信号消失，DVR重新工作，晶闸管导通信号消失，承受反压关断。delay1，delay2，delay3分别设置为50us，10us，5ms，delay1的设置是为了避免电网中存在电流型的毛刺， 连续两次判断瞬时绝对值大于限流动作值时才被判定为短路发生，delay2的设置是为了连续两次判定幅值小于限流动作返回值才算短路故障消失；delay3的设置是从限流状态切换到电能质量补偿状态的时间；delay1，delay2，delay3可根据实际电网情况进行灵活设定。同时由于目前通常采用计算机数字控制，计算速度快，可以设置对线路电流的瞬时绝对值连续n次大于i_op认为短路故障发生，连续m次计算I_m小于i_re认为短路故障消除，可以根据控制需要灵活设置n，m的大小。

如图5，图6所示，不同类型的电网短路故障对应了不同的限流动作方式。当系统发生单相对地短路时，电力系统三相之间的线电压依然对称，系统可以带着一个接地点继续运行，限流装置不动作。当系统发生相间短路或相间接地短路时，装置检测到短路电流，控制故障相的DVR工作脉冲进行封锁，故障相DVR不工作，封锁脉冲10us后，将故障相的晶闸管导通，则DVR输出电感被短接在串联变压器的二次侧，输出电感等效到一次侧的阻抗作为线路的限流阻抗进行限流，同时保持非故障相可以持续运行在电压质量补偿状态。当系统发生三相短路或三相对地短路时，装置检测到三相短路电流后，封锁三相DVR的工作脉冲，延时10us后，控制三相晶闸管D1，D2，D3都导通，则三相的DVR输出电感都被短路到串联变压器的二次侧，电感通过串联变压器等效到一次侧的阻抗进行限流。当电网某相或某几相发生故障时，该相进入限流态的时间仅为us级，而继保动作到完成系统跳闸的时限通常为0.5s-1s，所以在等待继保动作的时间内，已经大大缩短了系统承受短路电流的时间。

通常电网系统发生短路故障时，都有继保完成跳闸，故障排除后再恢复供电，而本发明为了实现控制的严谨性，加入了故障消除自恢复功能，即一旦电网未断电，短路故障自动消失，本发明的短路故障检测识别模块能够自动控制切除限流模式，恢复到电能质量补偿模式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型多功能电力电子限流系统，其特征在于，所述电力电子限流系统由PWM稳压模块、三单相DVR模块、晶闸管支路三部分组成；PWM稳压模块通过并联变压器并入电网，三单相DVR模块通过共用PWM稳压模块的直流侧实现能量供给，三单相DVR模块的各逆变单元输出点和输出滤波电抗器之间设立晶闸管支路，晶闸管支路连接DVR模块逆变单元的两个输出点，DVR的输出通过串联变压器串入电网和负载之间，同时在串联变压器二次侧并联小电容C滤波支路。

2.如权利要求1所述的新型多功能电力电子限流系统，其特征在于，PWM稳压模块的连接方式：电感分别依次连接到绝缘栅双极型晶体管IGBT上，直流侧电容并联在绝缘栅双极型晶体管IGBT的两端。

3.如权利要求1所述的新型多功能电力电子限流系统，其特征在于，三单相DVR模块的连接方式：三单相DVR的绝缘栅双极型晶体管IGBT分别依次并联在直流侧电容的两端。

4.如权利要求1所述的新型多功能电力电子限流系统，其特征在于，晶闸管支路的连接方式：晶闸管支路连接在单相DVR各逆变单元输出点和输出滤波电抗器之间，通过双向晶闸管短路到DVR逆变单元的另一输出端。

5.如权利要求1所述的新型多功能电力电子限流系统，其特征在于，PWM稳压模块的控制过程为：

直流侧电压标准值与实际检测到的直流侧电压值U_dc做差，其差值经过PI调节器后与三相电压同频同相的正弦量sin相乘后与实际检测到的稳压电流做差，其差值经过PI调节器后进行三角波调制，调制后得到的信号经过驱动电路后控制稳压模块的H桥，然后稳压模块的H桥的输出电流信号即为实际检测到的稳压电流，再反馈到第二次PI调节器之前。

6.如权利要求1所述的新型多功能电力电子限流系统，其特征在于，电压补偿与模式切换控制过程为：

设定的稳定标准电压为与实际检测到的电源侧电压为U_s作差，其差值乘以1/k后与DVR实际输出的二次侧补偿电压做差，经过PI调节器后进行三角波调制，调制后得到的信号连接到与门的输入端，同时电流i_sl经过故障检测后一部分经驱动后送入晶闸管，一部分经过闭锁模块连接到与门的另一输入端，与门的输出端连接到驱动电路后送入逆变桥。

7.如权利要求1所述的新型多功能电力电子限流系统，其特征在于，针对不同类型短路故障的限流逻辑顺序为：

当系统发生单相对地短路时，电力系统三相之间的线电压依然对称，系统可以带着一个接地点继续运行，限流装置不动作；

当系统发生相间短路或相间接地短路时，装置检测到短路电流，控制故障相的DVR工作脉冲进行封锁，故障相DVR不工作，封锁脉冲10us后，将故障相的晶闸管导通，则DVR输出电感被短接在串联变压器的二次侧，输出电感等效到一次侧的阻抗作为线路的限流阻抗进行限流，同时保持非故障相可以持续运行在电压质量补偿状态；

当系统发生三相短路或三相对地短路时，装置检测到三相短路电流后，封锁三相DVR的工作脉冲，延时10us后，控制三相晶闸管D1，D2，D3都导通，则三相的DVR输出电感都被短路到串联变压器的二次侧，电感通过串联变压器等效到一次侧的阻抗进行限流；

当电网某相或某几相发生故障时，该相进入限流态的时间仅为us级，而继保动作到完成系统跳闸的时限为0.5s-1s。