CN103311936B - 一种3300v五电平防爆无功补偿装置控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法，采用电压电流双闭环反馈控制，内环为电流环控制，外环为电压环控制，无功补偿装置发出的电流瞬时值经dq坐标变换变为<i>i</i>d、<i>i</i><i>q</i>；由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较后，经PI调节器得到有功电流参考值，<i>i</i>d、<i>i</i><i>q</i>与有功电流参考值<i>i</i>dref、无功电流参考值<i>i</i>q ref作比较后，经PI调节器得<i>v</i>d、<i>v</i>q；<i>v</i>d、<i>v</i>q经dq反变换，得到三相电压信号；三相电压信号经过进行正弦脉宽调制控制算法，发出PWM控制信号；PWM控制信号经IGBT驱动电路，驱动五电平有源中点钳位型功率变换器。所述控制方法能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿，适应跟踪冲击负荷，能够对谐波进行宽幅有源滤波。

Description

一种3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法
技术领域
本发明公开了一种3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法，具体涉及一种五电平有源中点钳位型变换器的控制方法，属于电力系统无功补偿领域。
背景技术
随着煤矿生产技术发展，综采工作面装备水平快速提升，大功率设备和装机总容量不断增加，3300V的综采、挖掘设备已经较为普遍。煤矿井下的大功率设备要满足煤矿井下特殊的工程要求，尤其是防爆和散热要求。传统的矿用无功补偿技术主要有机械式分组投切电容器（MSC）、晶闸管分组投切电容器（TSC）两种。由于这两种模式采用分级固定容量补偿，无法动态跟踪负载无功变化，不适应煤矿生产装备启停频繁，负荷变化大的特点，另外有触点开关的频繁投切电抗器和电容器容易产生电火花不利于防爆要求。目前，煤矿常见的无功补偿装置大都是660V和1140V电压等级，而3300V电压等级的防爆无功补偿装置很少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法，可适用于煤矿井下无功补偿。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法，采用电压电流双闭环反馈控制，内环为电流环控制，外环为电压环控制，具体如下：
无功补偿装置发出的电流瞬时值经dq坐标变换变为i d、i q ；
由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较后，经PI调节器得到有功电流参考值，i d、i q 与有功电流参考值i dref、无功电流参考值i qref作比较后，经PI调节器得v d、v q；
v d、v q经dq反变换，得到三相电压信号；
将逆变器三相电压指令信号输入SPWM环节，经过正弦脉宽调制控制算法，产生驱动功率器件所需的PWM控制信号；
PWM控制信号经IGBT驱动电路，驱动五电平有源中点钳位型功率变换器；
其中，参考值i dref、i qref和反馈值i d、i q在稳态时均为直流信号。
本发明还公开了一种采用所述的3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法进行控制的3300V五电平防爆无功补偿装置，包括开关启动模块、五电平功率模块、控制保护模块；3300V交流母线接入所述开关启动模块的输入端，开关启动模块的输出端接五电平功率模块的输入端；控制保护模块（5）输出的控制信号至五电平功率模块；
所述开关启动包括快速熔断器、软起接触器、软起电阻和主接触器；快速熔断器的一端接3300V交流母线，另一端分别和主接触器的一端、软起接触器的一端相连接，软起接触器的另一端和软起电阻的一端相连接，软起电阻的另一端和主接触器的另一端相连接作为信号输出端；
所述五电平功率模块的主电路采用五电平有源中点钳位型功率变换器，还包括电流传感器、电抗器、直流电容器、直流电压传感器，电流传感器的一端作为信号输入端，电流传感器的另一端经过电抗器和五电平有源中点钳位型功率变换器相连接，五电平有源中点钳位型功率变换器的输出端经过直流电容器和直流电压传感器相连接；
所述控制保护模块包括信号处理板、DSP+FPGA控制器、IGBT驱动保护模块、上位机；信号处理板和DSP+FPGA控制器相连接，DSP+FPGA控制器输出控制信号至IGBT控制保护模块，IGBT控制保护模块驱动信号至五电平有源中点钳位型功率变换器，DSP+FPGA控制器还和上位机相连接；
装置启动时，闭合软起接触器，电流经软起电阻给五电平有源中点钳位型功率变换器的直流电容器充电，当检测到直流电容器的电压值达到给定值时，主接触器闭合，控制保护模块的信号处理板将输入的电压、电流采样信号经过滤波、相位校正、比例放大和运算处理得到控制量，并将控制量传输到DSP+FPGA控制器，DSP+FPGA控制器根据SVG控制算法进行运算处理，输出控制信号，IGBT控制保护模块将控制信号经过光电隔离和功率放大输出IGBT驱动信号，同时将IGBT功率模块的状态反馈给DSP+FPGA控制器，DSP+FPGA控制器将整个系统的运行状态参数传输给上位机，并接受上位机给控制器下达的调节指令。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：主电路采用五电平有源中点钳位型（ANPC）功率变换器，输出电压谐波小，能够应用与高压大功率场合。本发明所述3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿，适应跟踪冲击负荷，能够对谐波进行宽幅有源滤波，电压闪变抑制能力强，具备较强的短时过载能力，无功补偿能力不受母线电压影响，采用防爆设计，适用于煤矿井下无功补偿。
附图说明
图1是3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法流程图。
图2是五电平有源中点钳位型功率变换器拓扑结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法流程图如图1所示，所述3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法采用电压电流双闭环控制方法。无功补偿装置发出的电流瞬时值经dq坐标变换变为i d、i q 与有功电流参考值i dref、无功电流参考值i qref作比较后，经PI调节器得v d、v q，再经dq反变换，得到三相电压信号，再经过进行正弦脉宽调制（SPWM）控制算法，发出PWM控制信号，经IGBT驱动电路驱动五电平有源中点钳位型（ANPC）功率变换器。其中，有功电流参考值由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较后经PI调节器得到。由于参考值i dref、i qref和反馈值i d、i q在稳态时均为直流信号，因此通过PI调节器可以实现无稳态误差的电流跟踪控制。即此方法中采用了双闭环反馈控制，内环是电流环控制，外环是电压环控制。
五电平有源中点钳位型功率变换器拓扑结构图如图2所示，每相由直流电源V dc、2个分压电容C 1、C 2，有源钳位电容C fa，12个绝缘栅双极晶体管S a1、S a2、S a3、S a4、S a5、S a6、S a7、S a8、S a9、S a10、S a11、S a12组成。所述直流电源V dc的电压为4E，分压电容C 1、C 2分别承受的电压为2E，有源钳位电容C fa承受的电压为E。所述每个绝缘栅双极晶体管也可由其他全控型电力电子器件替代，分别承受的电压为E。所述绝缘栅双极晶体管S a1、S a2、S a5、S a6、S a9、S a11的驱动信号分别和绝缘栅双极晶体管S a4、S a3、S a8、S a7、S a10、S a12的驱动信号互补。
作为具体实施例，本发明还公开了一种采用所述的3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法进行控制的3300V五电平防爆无功补偿装置，包括开关启动模块、五电平功率模块、控制保护模块；3300V交流母线接入所述开关启动模块的输入端，开关启动模块的输出端接五电平功率模块的输入端；控制保护模块输出的控制信号至五电平功率模块；
所述开关启动包括快速熔断器、软起接触器、软起电阻和主接触器；快速熔断器的一端接3300V交流母线，另一端分别和主接触器的一端、软起接触器的一端相连接，软起接触器的另一端和软起电阻的一端相连接，软起电阻的另一端和主接触器的另一端相连接作为信号输出端；
所述五电平功率模块的主电路采用五电平有源中点钳位型功率变换器，还包括电流传感器、电抗器、直流电容器、直流电压传感器，电流传感器的一端作为信号输入端，电流传感器的另一端经过电抗器和五电平有源中点钳位型功率变换器相连接，五电平有源中点钳位型功率变换器的输出端经过直流电容器和直流电压传感器相连接；
所述控制保护模块包括信号处理板、DSP+FPGA控制器、IGBT驱动保护模块、上位机；信号处理板和DSP+FPGA控制器相连接，DSP+FPGA控制器输出控制信号至IGBT控制保护模块，IGBT控制保护模块驱动信号至五电平有源中点钳位型功率变换器，DSP+FPGA控制器还和上位机相连接；
五电平防爆无功补偿装置（SVG）启动时，闭合软起接触器，电流经软起电阻给五电平ANPC功率变换器的直流电容器充电，此时主接触器保持断态，当检测到直流电容器的电压值达到给定值时，闭合主接触器，五电平防爆无功补偿装置（SVG）开始工作。控制保护模块的信号处理板将输入的电压、电流采样信号经过滤波、相位校正、比例放大和运算处理得到控制量，并将控制量传输到DSP+FPGA控制器，控制器根据SVG控制算法进行运算处理，输出控制信号。IGBT控制保护模块将控制器输出的控制信号经过光电隔离和功率放大输出IGBT驱动信号，同时将IGBT功率模块的状态反馈给DSP+FPGA控制器。DSP+FPGA控制器将整个系统的运行状态参数传输给上位机，并接受上位机给控制器下达的调节指令。
本发明的优势在于：主电路采用五电平有源中点钳位型（ANPC）功率变换器，输出电压谐波小，能够应用与高压大功率场合。本发明所述3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿，适应跟踪冲击负荷，能够对谐波进行宽幅有源滤波，电压闪变抑制能力强，具备较强的短时过载能力，无功补偿能力不受母线电压影响，采用防爆设计，适用于煤矿井下无功补偿。

Claims (1)

1.一种3300V五电平防爆无功补偿装置控制方法，其特征在于：采用电压电流双闭环反馈控制，内环为电流环控制，外环为电压环控制，具体如下：
无功补偿装置发出的电流瞬时值经dq坐标变换变为i d、i q ；
由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较后，经PI调节器得到有功电流参考值，i d、i q 与有功电流参考值i dref、无功电流参考值i qref作比较后，经PI调节器得v d、v q；
v d、v q经dq反变换，得到逆变器三相电压指令信号；
将逆变器三相电压指令信号输入SPWM环节，经过正弦脉宽调制控制算法，产生驱动功率器件所需的PWM控制信号；
PWM控制信号经IGBT驱动电路，驱动五电平有源中点钳位型功率变换器；
其中，参考值i dref、i qref和反馈值i d、i q在稳态时均为直流信号；
对应上述控制方法，所述3300V五电平防爆无功补偿装置具体包括开关启动模块、五电平功率模块、控制保护模块；
3300V交流母线接入所述开关启动模块的输入端，开关启动模块的输出端接五电平功率模块的输入端；控制保护模块输出的控制信号至五电平功率模块；
所述开关启动包括快速熔断器、软起接触器、软起电阻和主接触器；快速熔断器的一端接3300V交流母线，另一端分别和主接触器的一端、软起接触器的一端相连接，软起接触器的另一端和软起电阻的一端相连接，软起电阻的另一端和主接触器的另一端相连接作为信号输出端；
所述五电平功率模块的主电路采用五电平有源中点钳位型功率变换器，还包括电流传感器、电抗器、直流电容器、直流电压传感器，电流传感器的一端作为信号输入端，电流传感器的另一端经过电抗器和五电平有源中点钳位型功率变换器相连接，五电平有源中点钳位型功率变换器的输出端经过直流电容器和直流电压传感器相连接；
所述控制保护模块包括信号处理板、DSP+FPGA控制器、IGBT控制保护模块、上位机；信号处理板和DSP+FPGA控制器相连接，DSP+FPGA控制器输出控制信号至IGBT控制保护模块，IGBT控制保护模块驱动信号至五电平有源中点钳位型功率变换器，DSP+FPGA控制器还和上位机相连接；
装置启动时，闭合软起接触器，电流经软起电阻给五电平有源中点钳位型功率变换器的直流电容器充电，当检测到直流电容器的电压值达到给定值时，主接触器闭合，控制保护模块的信号处理板将输入的电压、电流采样信号经过滤波、相位校正、比例放大和运算处理得到控制量，并将控制量传输到DSP+FPGA控制器，DSP+FPGA控制器根据SVG控制算法进行运算处理，输出控制信号，IGBT控制保护模块将控制信号经过光电隔离和功率放大输出IGBT驱动信号，同时将IGBT功率模块的状态反馈给DSP+FPGA控制器，DSP+FPGA控制器将整个系统的运行状态参数传输给上位机，并接受上位机给控制器下达的调节指令。
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