CN103855717A - 一种低压svg的无冲击软启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压SVG的无冲击软启动方法，属于软启动技术领域。本发明的软启动过程为：一、闭合断路器，判断电网电压值和频率值是否正常；二、待电网电压值和频率值正常时，闭合主接触器进行预充电；三、预充电结束后，DSP及控制电路对采集的电网电压信号进行dq坐标变换和锁相，获得电压频率和相位信息；四、DSP及控制电路利用锁相得到的电压频率和相位信息，通过运算产生与电网电压同步的正弦PWM波输出至IGBT三相逆变桥；五、采用开环控制方式逐步降低正弦PWM波的调制比，直至直流侧电容器上电压达到额定电压值，将软启动电阻切除，低压SVG的无冲击软启动过程结束。本发明的软启动过程无任何过充，无任何涌流，启动过程稳定可靠。

Description

一种低压SVG的无冲击软启动方法

技术领域

本发明属于软启动技术领域，更具体地说，涉及一种低压SVG的无冲击软启动方法。

背景技术

当前，由于工业生产中大量的非线性、冲击性和波动性负荷的存在给电网带来了日益严重的电能质量问题，甚至威胁电力系统和用户设备的正常运行。因此，电力系统提出了“用户端电能质量就地补偿”的方针，意即是说：如果负荷对电网产生了诸如无功、谐波等污染，则用户必需在负荷侧配置相应的电能质量检测与治理装置来消除这些污染的影响。无功补偿技术一直以来都是电气工程领域内的研究热点，与SVC（Static Var Compensator）动态无功补偿器相比，SVG（Static Var Generator）静止无功发生器具有补偿时间快、可连续补偿、不易产生谐振、可以补偿一定次的谐波等优点。因此，低压SVG是目前解决上述用户端电能质量问题的一种较佳途径。

低压SVG基本上都是采用全控型器件（如IGBT）和PWM控制。在低压SVG的启动过程中，由于逆变侧和网侧之间连接电抗器的电感值较小，直流侧有较大电容，如果不加控制直接启动SVG则会产生很大的启动冲击电流，该启动冲击电流所引起的电气和机械冲击将会导致启动失败，甚至会威胁到设备安全。软启动是抑制启动过程中的电流冲击和直流侧电压过充等不利因素，保证SVG能够安全平稳的启动并顺利投入工作的关键技术。在低压SVG的设计过程中，软启动技术一直是重点和难点。

为了降低启动冲击电流，众多专家学者都进行了深入研究并提出了相应方法。但是这些方法都是基于一个前提：在预充电阶段结束后切除软启动电阻并采用闭环控制的PWM整流方式完成直流侧电压的软启动。具体方法是：先将软启动电阻串联接入系统中，用来限制系统在预充电阶段（不控整流阶段）时的充电电流，等到预充电阶段结束后，再用接触器将软启动电阻切除，让SVG直接与电网相连；此时，采用闭环控制，经过PI调节后发出PWM波使装置工作于PWM整流状态从而使直流侧电压逐渐升高至给定值，进而完成SVG的软启动过程。但是，上述过程在刚开始发出PWM波的时候，由于死区等因素的影响，SVG的逆变侧输出电压值要小于电网侧的值，而软启动电阻此时已被切除，如此便会在连接电抗器上产生一个差压，由于电抗器的感抗很小，电抗器上的差压在切换瞬间会产生非常大的冲击电流，对系统产生不利影响，甚至对功率器件的安全造成极大威胁，导致系统软启动失败。此外，采用闭环PI控制的参数整定也比较困难，给软启动的调试带来了难度。

经检索，目前已有与软启动相关的技术方案公开，如中国专利号为ZL201110004360.5，授权公告日为2013年3月13日，发明创造名称为：一种兼顾无功补偿的电机软启动装置及其控制方法；该申请案的电机软启动装置包括功率变换器、切换开关和主控制器，切换开关包括电网侧开关、电机侧开关和并网开关；功率变换器包括三相移相变压器、若干个整流模块和逆变模块、交流电抗器，三相移相变压器的原边绕组通过电网侧切换开关与电网相连，副边绕组与同级的整流模块相连，整流模块与逆变模块相连，同相的逆变模块依次串联后与交流电抗器相连，交流电抗器通过电机与电网相连；主控制器分别与安装在三相移相变压器原边和交流电抗器的电压互感器和电流互感器相连，经过光纤与逆变模块相连；该申请案还根据此软启动装置公开了相应的软启动控制方法。该申请案可实现电机的软启动，且可根据电机的工况动态补偿无功功率。但该申请案的软启动装置及方法均较复杂，且软启动效果也不尽理想。

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服传统低压SVG软启动过程易产生启动冲击电流，导致功率器件损坏或启动失败的问题，提供了一种低压SVG的无冲击软启动方法。本发明的技术方案采用开环控制的D轴定向带电阻软启动方法，在整个低压SVG软启动过程中完全不会产生冲击电流，直流侧电压平缓上升，启动过程安全可靠，且实现简单。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明提出的一种低压SVG的无冲击软启动方法，其步骤为：

步骤一、闭合断路器，DSP及控制电路判断电网的电压值和频率值是否正常；

步骤二、待步骤一所述的电网电压值和频率值正常时，闭合主接触器，将低压SVG与电网连接，进入预充电阶段；

步骤三、步骤二所述预充电阶段结束后，DSP及控制电路对采集的电网三相电压信号进行dq坐标变换和锁相，获得电网的电压频率和相位信息；

步骤四、DSP及控制电路利用步骤三获得的电网电压频率和相位信息，通过运算产生与电网电压同步的正弦PWM波输出至IGBT三相逆变桥；

步骤五、采用开环控制方式逐步降低步骤四所述正弦PWM波的调制比，直至直流侧电压达到额定电压值，停止输出正弦PWM波并闭合软启动接触器，切除软启动电阻，低压SVG的无冲击软启动过程结束，进入后续运行阶段。

更进一步地，步骤二所述的预充电过程，电网通过IGBT三相逆变桥中的反并联二极管构成三相不控整流电路对直流侧电容器充电，DSP及控制电路实时检测直流侧电容器的电压和充电电流值，待直流侧电容器电压值稳定且充电电流为零时，预充电阶段结束。

更进一步地，步骤三所述的dq坐标变换和锁相过程具体为：

（a）DSP及控制电路对采集的电网三相电压信号进行abc/αβ/dq旋转坐标变换，获得电网三相电压信号在DQ坐标系中的q轴无功分量；

（b）将步骤（a）获得的q轴无功分量与给定值0进行比较，获得的差值经PI控制后输出；

（c）将步骤（b）输出的信号再与基准频率W_N比较，比较获得的差值经DSP及控制电路计算后即获得电网的电压频率和相位值θ。

更进一步地，步骤四中DSP及控制电路预先存储有由标准正弦波制成的离散表格，DSP及控制电路实时读取所述正弦波离散表格中与步骤三获得的电网电压相位值θ相同的表格值，进而产生与电网电压同步的正弦PWM波。

更进一步地，步骤四输出的正弦PWM波的初始调制比接近于1。

3.有益效果

与已有的公知技术相比，本发明提供的技术方法具有如下显著效果：

（1）本发明提出的一种低压SVG的无冲击软启动方法，创新的采用开环控制、D轴定向PWM整流技术，舍去了PI控制的参数整定，在整个软启动过程中始终带软启动电阻运行，直流侧电压平缓上升，完全不会产生冲击电流，极大程度的避免了功率器件损坏、软启动失败等问题；

（2）本发明提出的一种低压SVG的无冲击软启动方法，其软启动过程安全可靠，控制方便，实现简单，便于推广应用。

附图说明

图1是本发明实现低压SVG无冲击软启动过程的系统结构示意图；

图2是本发明中IGBT三相逆变桥的电路原理图；

图3是本发明中对电网电压进行锁相的原理框图；

图4是本发明中对三相电网电压进行abc/αβ/dq坐标变换的示意图；

图5是本发明中产生同步正弦调制波的原理示意图；

图6是本发明中带软启动电阻进行PWM整流的交流侧电压原理图。

图7是本发明中带软启动电阻进行PWM整流的交流侧电压矢量关系图；

图8是本发明中直流侧电压软启动过程实验波形图。

示意图中的标号说明：

1、直流侧电容器；2、IGBT三相逆变桥；3、电抗器；4、软启动电阻；5、熔断器；6、电网；7、DSP及控制电路；8、软启动接触器；9、主接触器；10、断路器。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的内容及效果，下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合附图，本实施例的一种低压SVG的无冲击软启动方法，其实现低压SVG无冲击软启动的系统结构如图1所示，该低压SVG无冲击软启动系统包括直流侧电容器1、IGBT三相逆变桥2、电抗器3、软启动电阻4、熔断器5、DSP及控制电路7、软启动接触器8、主接触器9和断路器10；所述的直流侧电容器1、IGBT三相逆变桥2、电抗器3、软启动电阻4、熔断器5、主接触器9、断路器10和电网6依次连接；所述的软启动电阻4两端并联有软启动接触器8，该软启动接触器8用于在软启动过程结束之后将软启动电阻4旁路；所述的直流侧电容器1的两端设置有电压传感器，直流侧回路中串联有电流传感器，所述的IGBT三相逆变桥2与电抗器3之间的连接线路上串联有电流传感器，所述的电网6与主接触器9之间的连接线路上也设置有电压传感器和电流传感器，所述的电压传感器和电流传感器的输出端均与DSP及控制电路7的输入端相连；所述的DSP及控制电路7的输出端与IGBT三相逆变桥2的输入端相连，DSP及控制电路7输出正弦PWM波至IGBT三相逆变桥2，该DSP及控制电路7同时控制软启动接触器8和主接触器9的开断。

本实施例的低压SVG无冲击软启动方法，是发明人在对低压SVG的研究和开发过程中发明的一种新方法。发明人指出，将SVG投入电网运行补偿无功之前，完成软启动过程使直流母线侧电压达到额定工作值是非常重要也是必须要经历的过程。然而，由于传统的软启动方法通常只是用软启动电阻来限制系统在预充电阶段的启动电流，在预充电阶段结束之后就会将软启动电阻旁路。如此，在初始发出PWM波时，感抗很小的电抗器3上会产生一个较大的差压，进而产生非常大的冲击电流，该冲击电流不仅可能导致系统软启动的失败，严重时还会导致功率器件的损坏，给生产带来损失。发明人结合理论知识和实践经验创新的采用开环控制、D轴定向、带电阻运行的PWM整流技术，在整个软启动过程中始终带软启动电阻运行，由于软启动电阻的存在（其阻值远大于电抗器3的等效感抗值），且通过对发出的PWM波进行调控，使其从调制比接近于1的状态逐渐减小，整个软启动过程中直流侧电压平缓上升，完全不会产生冲击电流，极大程度的避免了功率器件损坏、软启动失败等问题。

下面将对本实施例的软启动过程及操作原理进行具体描述，本实施例的无冲击软启动过程分为三个阶段，即电网异常判断阶段、预充电阶段、带电阻运行的D轴定向PWM整流阶段。具体步骤为：

步骤一、手动闭合断路器10，DSP及控制电路7通过电压传感器检测出电网6的电压值和频率值，并判断电网6的电压值和频率值是否正常。

步骤二、待步骤一所述的电网6电压值和频率值正常时，DSP及控制电路7控制主接触器9闭合，将低压SVG与电网6连接，电网6通过功率器件IGBT三相逆变桥2上的反并联二极管构成三相不控整流电路对直流侧电容器1预充电。图2为IGBT三相逆变桥2的拓扑结构，六个反并联二极管即构成了三相不控整流电路。电网电压通过软启动电阻4、电抗器3和IGBT三相逆变桥2后成为脉动直流电对直流侧电容器1充电。同时，DSP及控制电路7分别采用电压传感器和电流传感器对直流侧电容器1的电压和电流值进行采样，当低压SVG的直流侧电容器1电压值达到稳定（约537V）且电流近似为零时，预充电阶段结束。

步骤三、步骤二所述预充电阶段结束后，DSP及控制电路7对采集的电网6三相电压信号进行dq坐标变换和锁相，获得电网6的电压频率和相位信息。具体为：

（a）DSP及控制电路7采用霍尔电压传感器检测出电网6三相电压瞬时值U_sa、U_sb和U_sc，并对采集的电网6三相电压信号进行abc/αβ/dq旋转坐标变换，获得电网6三相电压信号在DQ坐标系中的q轴无功分量。图4为abc/αβ/dq坐标变换示意图，变换过程如下：首先通过Clarke变换将三相电网电压和电流瞬时值由三相abc静止坐标系变换至两相正交的αβ静止坐标系，再采用park变换进一步变换至同步旋转的DQ坐标系。Clarke变换矩阵（系数）如下式（1）所示。

$C_{\mathrm{abc}/\mathrm{\α\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]---\left(1\right)$

park变换矩阵（系数）如下式（2）所示。

$C_{\mathrm{\α\β}/\mathrm{dq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]---\left(2\right)$

综合式（1）和（2），可得从三相abc静止坐标系到两相同步旋转的DQ坐标系变换矩阵C_abc/dq如下式（3）所示。

$C_{\mathrm{abc}/\mathrm{dq}}=C_{\mathrm{abc}/\mathrm{\α\β}}{C}_{\mathrm{\α\β}/\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin \mathrm{\ωt}& \sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]---\left(3\right)$

经过dq变换后，电网6三相电压信号变换为DQ坐标系中的d轴分量和q轴分量。其中，d轴和q轴分别代表有功分量和无功分量。

（b）本实施例的锁相原理参见图3，将步骤（a）获得的q轴无功分量U_sq与给定值0进行比较，比较获得的差值经PI控制后输出。

（c）将步骤（b）输出的信号再与基准频率W_N（电网6额定频率）比较，比较获得的差值经DSP及控制电路7计算后即获得电网6的电压频率和相位值θ。本实施例采用的三相锁相环技术，如果电网6电压经abc/αβ/dq变换后的q轴分量U_sq不为0，PI调节器将会一直动作，直到U_sq=0为止。

结合图4，两相正交的αβ静止坐标系的α轴与三相静止坐标系abc的A轴相互重合，α-β平面上的旋转矢量

是由e_α、e_β合成，

在空间以角速度ω逆时针旋转。而dq坐标系为同步旋转坐标系，其旋转角速度亦为ω，通过锁相控制使其d轴和旋转矢量

重合，即实现D轴定向，此时，IGBT三相逆变桥2的逆变侧发出的基波电压频率、相位与电网6的电压完全相同。

步骤四、DSP及控制电路7预先存储有由标准正弦波制成的离散表格，DSP及控制电路7采用地址指针实时读取所述正弦波离散表格中与步骤三获得的电网6电压相位值θ相同的表格值（即标准正弦波与电网电压同相位对应的离散正弦值），进而产生与电网6电压同步的正弦PWM波，输出至IGBT三相逆变桥2。图5为本实施例同步正弦PWM波产生示意图。图5中的（a）表示电网电压，其中，e_s为电网电压信号，

为其相位。图5中的（b）表示SPWM调制示意图，其中，载波采用等腰三角形波形，u_c为载波幅值；为正弦调制波（0≤M<u_c），整个正弦调制波的产生过程均由DSP及控制电路7来完成。

本实施例在D轴定向软启动阶段采用电压开环控制，并且带电阻运行。图6是带软启动电阻进行PWM整流的交流侧电压原理图。其中，U_I表示IGBT三相逆变桥2的逆变侧输出电压，U_S表示电网电压，R为软启动电阻4和电路等效电阻之和，X_L为电抗器3的感抗值。由图6可知，在这个阶段，软启动电阻4仍然串联在电路中，电网电压幅值高于逆变侧电压值，电流I从电网6流出，表示电网输出功率。图7是带软启动电阻进行PWM整流的交流侧电压矢量关系图。其中，U_I和U_S含义同上，U_R表示电路电阻上的压降，U_L为电抗器3上的压降。θ为电流和电网电压之间的夹角即功率因数角，由下述公式（4）可求出其值：

$\mathrm{\&theta;}=\arctan \frac{\mathrm{wL}}{R}---\left(4\right)$

由于电抗器3的电感值很小，感抗值wL和R相比非常小，因此，θ≈0。由图7可知，电网6近似处于单位功率因数，其输出全部为有功，从而对直流侧电容器1充电。

同时，将调制比置为接近于1的最大值（如0.99）。原理如下：假设在DSP中三角载波对应的计数器最大数值为3000，则其幅值（u_c）为1500，而DSP及控制电路7将正弦调制波的幅值（M）设置为1485，则调制比即为1485/1500=0.99，接近于1。此时，逆变侧输出的电压U_I和电网电压U_S同相，并且幅值基本相等，即使由于器件压降、死区等因素使得SVG逆变侧输出电压值U_I略小于电网电压U_S值，但是由于软启动电阻4的存在且远大于连接电抗器3的等效感抗值，故完全不会产生冲击电流。

步骤五、DSP及控制电路7每隔固定时间按照式（5）所示的步长△M逐渐降低步骤四所述D轴定向PWM波的调制比M值，

M＝M-△M    （5）

其中，△M为步长，固定时间和△M的大小由中断周期和软启动电阻的大小决定。逆变侧输出电压U_I值也随之降低，使直流侧电容器1电压逐渐升高，直至额定工作电压值。原理如下所示：

$U_{\mathrm{dc}}\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}\left(0\right)+\frac{1}{C}\&Integral;\mathrm{idt}---\left(6\right)$

$U_{\mathrm{uv}}=\frac{\sqrt{3}}{2}M\&CenterDot;U_{\mathrm{dc}}\&DoubleRightArrow;U_{\mathrm{dc}}=\frac{{2U}_{\mathrm{uv}}}{\sqrt{3}M}---\left(7\right)$

其中，U_uv为IGBT三相逆变桥2输出线电压值。

直流侧电容器1电压变化过程如下：

$M=(M-\mathrm{\&Delta;M})\&DownArrow;\&DoubleRightArrow;U_{\mathrm{uv}}\&DownArrow;\&DoubleRightArrow;i\&UpArrow;\&DoubleRightArrow;U_{\mathrm{dc}}\&UpArrow;\&DoubleRightArrow;U_{\mathrm{uv}}\&UpArrow;\&DoubleRightArrow;i\&DownArrow;\&DoubleRightArrow;$ 再使M $\&DownArrow;\&DoubleRightArrow;......\&DoubleRightArrow;U_{\mathrm{dc}}\&UpArrow;=U_{\mathrm{giv}}$

随着调制比M周期性的降低，直流侧电容器1电压U_dc逐渐升高，直至等于给定额定工作电压值U_giv。

DSP及控制电路7实时检测直流侧电容器1电压U_dc值和电流I_dc值判断软启动过程是否结束。当U_dc值达到额定工作电压值U_giv且I_dc值近似为0时标志着软启动的结束。此时，DSP及控制电路7停止输出正弦PWM波，并且输出驱动脉冲闭合软启动接触器8以旁路（切除）软启动电阻4，系统进入后续运行阶段。

本实施例的软启动过程的实验结果参见图8，如图8所示，本实施例的软启动过程无任何冲击电流，启动过程稳定可靠。

值得说明的是：本实施例提出的软启动方法不仅可以用于低压SVG系统中，也可以用于高压SVG、有源电力滤波器（APF）以及各类具有无功补偿和有源滤波功能的电压型功率变换器如风力发电变流器和太阳能光伏并网逆变器等。

实施例1所述的一种低压SVG的无冲击软启动方法，采用开环控制的D轴定向带电阻软启动，舍去了PI控制的参数整定，直流侧电压平缓上升，完全不会产生冲击电流，启动过程安全可靠，且实现简单，便于推广应用。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低压SVG的无冲击软启动方法，其步骤为：

步骤一、闭合断路器（10），DSP及控制电路（7）判断电网（6）的电压值和频率值是否正常；

步骤二、待步骤一所述的电网（6）电压值和频率值正常时，闭合主接触器（9），将低压SVG与电网（6）连接，进入预充电阶段；

步骤三、步骤二所述预充电阶段结束后，DSP及控制电路（7）对采集的电网（6）三相电压信号进行dq坐标变换和锁相，获得电网（6）的电压频率和相位信息；

步骤四、DSP及控制电路（7）利用步骤三获得的电网（6）电压频率和相位信息，并通过运算产生与电网（6）电压同步的正弦PWM波输出至IGBT三相逆变桥（2）；

步骤五、采用开环控制方式逐步降低步骤四所述正弦PWM波的调制比，直至直流侧电压达到额定电压值，停止输出正弦PWM波并闭合软启动接触器（8），切除软启动电阻（4），低压SVG的无冲击软启动过程结束，进入后续运行阶段。

2.根据权利要求1所述的一种低压SVG的无冲击软启动方法，其特征在于：步骤二所述的预充电过程，电网（6）通过IGBT三相逆变桥（2）中的反并联二极管构成三相不控整流电路对直流侧电容器（1）充电，DSP及控制电路（7）实时检测直流侧电容器（1）的电压和电流值，待直流侧电容器（1）上电压值稳定时，预充电阶段结束。

3.根据权利要求2所述的一种低压SVG的无冲击软启动方法，其特征在于：步骤三所述的dq坐标变换和锁相过程具体为：

（a）DSP及控制电路（7）对采集的电网（6）三相电压信号进行abc/αβ/dq旋转坐标变换，获得电网（6）三相电压信号在DQ坐标系中的q轴无功分量；

（b）将步骤（a）获得的q轴无功分量与给定值0进行比较，获得的差值经PI控制后输出；

（c）将步骤（b）输出的信号再与基准频率W_N比较，比较获得的差值经DSP及控制电路（7）计算后即获得电网（6）的电压频率和相位值θ。

4.根据权利要求2或3所述的一种低压SVG的无冲击软启动方法，其特征在于：步骤四中DSP及控制电路（7）预先存储由标准正弦波制成的离散表格，DSP及控制电路（7）实时读取所述正弦波离散表格中与步骤三获得的电网（6）电压相位值θ相同的表格值，进而产生与电网（6）电压同步的正弦PWM波。

5.根据权利要求4所述的一种低压SVG的无冲击软启动方法，其特征在于：步骤四输出的正弦PWM波的初始调制比接近于1。

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