CN104184164B - 一种并网pwm变换器抗电网扰动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，旨在降低电网电压波形畸变扰动对并网PWM变换器运行的影响。该方法通过检测电网电压实时判断电网是否存在波形瞬变扰动，若电网扰动检出的同时并网PWM变换器出现瞬时过流，允许并网PWM变换器以电流硬件箝位方式短时工作在过流状态下，尽量避免故障停机；若过流状态持续时间超出设定值则故障停机，但在固定延时后自行复位故障状态，可重新投入运行；若在无电网扰动检出情况下发生过流则将触发过流保护，直接故障停机，不自动复位故障。该方法可以大大提高并网PWM变换器抗电网扰动能力，提高变流器抗扰等级。

Description

一种并网PWM变换器抗电网扰动方法

技术领域

本发明涉及一种并网PWM变换器，具体涉及并网PWM变换器的器抗电网扰动技术。

背景技术

电网瞬变扰动主要由电网公共点附近存在的大功率二极管整流或晶闸管变流装置启动、运行时产生，在换相阶段会使电网电压产生换相缺口或波形发生畸变，缺口深度和畸变幅值取决于电网电源和换相回路的短路阻抗比。在国家标准GB/T3859.1-2013中，其给出了不同抗扰等级要求下电压波形的抗扰度电平，如附图2所示；同时在国家标准GB/T3859.1-2013中，其给出了干扰存在时的交流电压波形，如附图3所示。

参见图2，GB/T3859.1-2013中给出的抗扰度等级由高至低划分为A、B、C三级，总谐波畸变THD(％)及单次谐波畸变项目性能判据为F，含义为功能级抗扰——性能不丧失；换相缺口(稳态)项目性能判据为T，含义为跳闸级抗扰——不因为保护器件而中断运行。

并网PWM变换器普遍使用并网滤波器进行并网运行，出于成本考虑，在满足电流谐波要求的前提下，并网滤波器的等效电感量都尽量取较小值，这使得大多数并网PWM变换器抵抗电网电压瞬变扰动的能力较弱。并网PWM变换器通过采样电网电压，控制并网滤波器两端电压来调节输出电路幅值和相位，变换器输出电压正常为电网频率的正弦波，采用PWM方式进行等效输出，其动态响应取决于控制带宽和采样精度，通常不能及时跟踪电网电压的瞬变波形，当电网瞬变扰动造成并网滤波器两端电压出现瞬变时，有可能造成输出电流波形突变，甚至发生过流故障停止运行，导致性能丧失，无法满足功能级抗扰——性能不丧失要求；另，通常的并网PWM变换器因为不能准确区分过流故障产生原因，过流类等级的故障是设置为不能自动复位的，这导致一次过流发生后变换器将无法自动重新投入并网运行，相当于保护器件跳闸，因此可能无法满足高抗扰度电平下要求之跳闸级抗扰度性能判据T要求。

发明内容

针对现有并网PWM变换器抗电网扰动能力差等问题，本发明的目的在于提供一种能够有效降低电网电压瞬变扰动对并网PWM变换器运行的影响，提高变流器抗扰等级的并网PWM变换器抗电网扰动方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，所述方法通过电网扰动检出下的电流硬件箝位短时运行，以此穿越电网电压波形扰动区间。

在本方案的具体实施方案中，所述方法具体包括如下步骤：

(1)检测电网电压、输出电流，并实时判断是否存在电压波形瞬变扰动；

(2)若检测到过流，同时检测到电压波形瞬变扰动，不进行故障保护，允许并网侧输出电流以硬件箝位方式进行短时工作，过流持续时间超过设定值才进行故障保护，但在固定延时后自行复位故障，可重新投入运行；

(3)若检测到过流，没有检测到电压瞬变扰动，直接进行故障保护，不自动复位故障。

进一步的，所述步骤(1)中对电网电压扰动判断时，通过对电网相电压或线电压进行离散采样，若两次采样时间间隔内电网相电压或线电压的变化量超出正常状态下合理范围，则认为存在电压瞬变扰动。

进一步的，所述步骤(2)中进行过流检测时，由过流检出模块对每相电流采样模拟信号进行过流判出，并将过流判出信号同时连接至并网PWM变换器中的CPU和具有封锁功能的PWM驱动三态缓冲电路。

再进一步的，所述过流检出模块为硬件滞环比较器。

再进一步的，所述步骤(2)中进行输出电流硬件箝位的电路实现方式为，由并网PWM变换器中由过流判出信号控制具有封锁功能的PWM驱动三态缓冲电路的使能端，当发生硬件过流判出后，控制三态缓冲电路，封锁PWM输出；PWM封锁后电流将随即下降，电流采样模拟信号降至滞环回差带以下时，硬件过流信号状态翻转，重新允许PWM输出。

再进一步的，所述步骤(2)中进行过流持续时间累计的方法为：

过流信号以中断的方式输入给并网PWM变换器中的CPU，CPU中断处理中对中断次数进行累加，并判断过流持续时间是否到达，到达设定值则进行过流故障保护。

再进一步的，在每个控制周期内，并网PWM变换器中的CPU对过流中断发生次数进行判断，若有增加，则加计时；若无变化，则减计时；可设定不同加、减计时权重；计时到达阈值根据功率器件最大耐受能力设定。

再进一步的，所述的步骤(2)和步骤(3)中进行过流故障保护处理时，通过并网PWM变换器中的CPU停止PWM输出或封锁PWM驱动三态缓冲电路的输出。

本发明提供的并网PWM变换器抗电网扰动方法，通过电网扰动检出下的电流硬件箝位短时运行，可以大大提高同等电网电压波形畸变干扰水平下的穿越能力，降低因电网干扰造成的故障停机率，提高变流器抗扰等级，即使是由于干扰过强而导致过流状态持续时间较长触发故障停机，仍然可以在一定延时时间后自动复位故障，可重新投入并网运行，相当于跳闸级抗扰-不因保护器件动作中断运行。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明一实例基于实施的并网PWM变换器系统示意图；

图2为国家标准GB/T3859.1-2013中不同抗扰等级要求下电压波形的抗扰度电平统计表；

图3为国家标准GB/T3859.1-2013中干扰存在时的交流电压波形示意图；

图4为本发明一实施例进行抗电网扰动的控制流程图；

图5为本发明一实施例进行过流故障复位的流程图；

主要附图标记说明：

10—控制电路；

101—CPU；

101a—电网扰动判出模块；

101b—故障保护模块；

101c—PWM发生模块；

102—电压采样调理电路；

103—电流采样调理电路；

104—过流检出模块；

105—PWM驱动三态缓冲器；

20—三相可控桥；

30—并网滤波器；

40—电压传感器；

50—电流传感器。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明提供的并网PWM变换器抗电网扰动方法，其通过电网扰动检出下的电流硬件箝位短时运行，以此穿越电网电压波形扰动区间，降低因电网干扰造成的故障停机率，提高变流器抗扰等级。

基于上述原理，本发明的具体方案由以下步骤形成：

(1)检测电网电压、输出电流，并实时判断是否存在电压波形瞬变扰动；

(2)若检测到过流，同时检测到电压波形瞬变扰动，不进行故障保护，允许并网侧输出电流以硬件箝位方式进行短时工作，过流持续时间超过设定值才进行故障保护，但在固定延时后自行复位故障，可重新投入运行；

(3)若检测到过流，没有检测到电压瞬变扰动，直接进行故障保护，不自动复位故障。

以下通过一具体应用来进一步说明本发明的方案。

参见图1，其所示为本应用实例基于实施的并网PWM变换器系统。由图可知，该并网PWM变换器系统主要由控制电路10，三相可控桥20，并网滤波器30，电压采样器件40，电流采样器件50。

其中，并网滤波器30的输入端连接三相交流电网，其输出端连接三相可控桥20。

控制电路10通过电压采样器件40实时检测三相交流电网的电压，通过电流采样器件50实时检测并网滤波器30的输出电流。

具体的，该控制电路10由CPU(101)、电压采样调理电路102、电流采样调理电路103、过流检出模块104以及PWM驱动三态缓冲器105组成。

作为控制核心的CPU(101)主要由电网扰动判出模块101a、故障保护模块101b以及PWM发生模块101c组成。

过流检出模块104和PWM驱动三态缓冲器105配合组成相应的硬件箝位电路。

由此构成的控制电路10中，电压采样调理电路102输入端连接电压采样器件40，其输出端连接至电网扰动判出模块101a；电流采样调理电路103的输入端连接电流采样器件50，其输出端连接至过流检出模块104；而过流检出模块104的输出端分别连接至故障保护模块101b和PWM驱动三态缓冲器105；同时，故障保护模块101b和PWM发生模块101c分别连接至PWM驱动三态缓冲器105。

在本实例具体实现时，过流检出模块104为硬件滞环比较器。

而PWM驱动三态缓冲器105为具有封锁功能的PWM驱动三态缓冲电路。该电路由芯片74HCT541A构成，该芯片含有两个使能控制端G1、G2，全部为低电平允许输出，任一端为高电平封锁输出，过流检出模块104输出的过流判出信号经过反相处理后连接至G1，G2端由CPU输出引脚控制，正常为低电平状态。

根据需要，该PWM驱动三态缓冲器105也可以是CPU内部的具有同等逻辑功能的电路。

参见图4，其所示为针对上述的并网PWM变换器系统进行抗电网扰动的控制流程图。

系统运行过程中，由系统中的电压采样器件40，电流采样器件50实时对电网的电压和并网滤波器的输出电流进行实时的检测；同时CPU对检测到的数据进行实时的判断是否存在电压瞬变扰动和过流。

在进行检测判断时，首先进行过流判断：由电流采样调理电路103对电流采样器件50采集到的每相电流进行调理形成相应的每相电流采样模拟信号；

再由作为过流检出模块的由硬件滞环比较器对每相电流采样模拟信号进行过流判出，判出信号低电平表示过流，高电平表示不过流或过流恢复，滞环比较器的上门限电压设置为3倍额定电流峰值，下门限电压设置为2倍额定电流峰值；若过流，则过流判出信号同时连接至CPU中的故障保护模块101b和具有封锁功能的PWM驱动三态缓冲器105。

同时，CPU以中断方式响应过流信号下降沿，认为发生一次过流。

接着，进行电压瞬变扰动判断，由CPU中的电网扰动判出模块101a利用AD单元对电网相电压或线电压进行离散采样，判断两次采样时间间隔内电网相电压或线电压的变化量是否超出正常状态下合理范围，若超出则认为存在电压瞬变扰动，并将判处结果输至故障保护模块101b。

CPU中的故障保护模块101b根据过流以及电压瞬变扰动的检测判断结果进行故障保护处理，可分为如下三种情况：

1)若检测到过流，同时检测到电压瞬变扰动，不进行故障保护，允许并网侧输出电流以硬件箝位方式进行短时工作。

具体的，当发生硬件过流判出后，PWM驱动三态缓冲器74HCT541A使能控制端G1变为高电平，封锁PWM输出；当PWM封锁后，电流进入续流路径，电流值将随即下降，当电流降至2倍额定电流峰值以下时，硬件过流信号状态翻转，G1恢复为低电平，重新允许PWM输出。

其中，由过流检出模块104和PWM驱动三态缓冲器105组成的硬件箝位电路无需CPU干预，独立执行；在硬件箝位电路器件动作时，CPU输出的PWM信号并不进行特殊处理，仍然由CPU根据正常的并网控制方式调节产生，保证正常控制程序不受影响，可以连续执行。

2)若检测到过流，同时检测到电压瞬变扰动，并且过流持续时间超过设定值，则进行故障保护，但在固定延时后自行复位故障，可根据指令要求，重新投入并网运行。

其中，过流持续时间累计方法为：过流信号以中断的方式输入给CPU，CPU在进行中断处理中对过流中断次数进行累加，并判断过流持续时间是否到达，若到达设定值则进行过流故障保护，但在固定延时后将此故障复位，可以根据运行指令，重新进行并网运行。

具体的，在每个控制周期内，CPU对过流中断发生次数进行判断，若有增加，则过流持续时间加计时；若无变化，则过流持续时间减计时，至零为止；设定加、减计时权重比为2:1，计时到达设定阈值后立即进行过流故障保护处理。

参见图5，在进行过流故障保护处理过程中，在达到固定的延时时间后，CPU将自动复位该故障，可以根据运行指令，重新投入并网运行。

对于过流故障保护处理方法为：由CPU中的PWM发生器101c停止PWM输出或由故障保护模块101b拉高PWM驱动三态缓冲器G2使能端封锁PWM驱动三态缓冲器的输出，停机，提示过流故障。

3)若检测到过流，没有检测到电压瞬变扰动，直接进行故障保护，且不能自动复位。

该过流故障保护处理方法同上：由CPU中的PWM发生器101c停止PWM输出或由故障保护模块101b拉高PWM驱动三态缓冲器G2使能端封锁PWM驱动三态缓冲器的输出，停机，提示过流故障。

通过上述的具体实施方案可知，本方案能够有效降低电网电压瞬变扰动对并网PWM变换器系统中并网PWM变换器运行的影响，大大提高变流器抗扰等级。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，其特征在于，所述方法通过电网扰动检出下的电流硬件箝位短时运行，以此穿越电网电压波形扰动区间；所述方法具体包括如下步骤：

(1)检测电网电压、输出电流，并实时判断是否存在电压波形瞬变扰动；

(2)若检测到过流，同时检测到电压波形瞬变扰动，不进行故障保护，允许并网侧输出电流以硬件箝位方式进行短时工作，过流持续时间超过设定值才进行故障保护，但在固定延时后自行复位故障，可重新投入运行；

其中进行输出电流硬件箝位的电路实现方式为，由并网PWM变换器中由过流判出信号控制具有封锁功能的PWM驱动三态缓冲电路的使能端，当发生硬件过流判出后，控制三态缓冲电路，封锁PWM输出；PWM封锁后电流将随即下降，电流采样模拟信号降至滞环回差带以下时，硬件过流信号状态翻转，重新允许PWM输出；

(3)若检测到过流，没有检测到电压瞬变扰动，直接进行故障保护，不自动复位故障。

2.根据权利要求1所述的一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，其特征在于，步骤(1)中对电网电压扰动判断时，通过对电网相电压或线电压进行离散采样，若两次采样时间间隔内电网相电压或线电压的变化量超出正常状态下合理范围，则认为存在电压瞬变扰动。

3.根据权利要求1所述的一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，其特征在于，步骤(2)中进行过流检测时，由过流检出模块对每相电流采样模拟信号进行过流判出，并将过流判出信号同时连接至并网PWM变换器中的CPU和具有封锁功能的PWM驱动三态缓冲电路。

4.根据权利要求3所述的一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，其特征在于，所述过流检出模块为硬件滞环比较器。

5.根据权利要求3所述的一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，其特征在于，步骤(2)中进行过流持续时间累计的方法为：

过流信号以中断的方式输入给并网PWM变换器中的CPU，CPU中断处理中对中断次数进行累加，并判断过流持续时间是否到达，到达设定值则进行过流故障保护。

6.根据权利要求5所述的一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，其特征在于，在每个控制周期内，并网PWM变换器中的CPU对过流中断发生次数进行判断，若有增加，则加计时；若无变化，则减计时；设定不同加、减计时权重；计时到达阈值根据功率器件最大耐受能力设定。

7.根据权利要求3所述的一种并网PWM变换器抗电网扰动方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中进行过流故障保护处理时，通过并网PWM变换器中的CPU停止PWM输出或封锁PWM驱动三态缓冲电路的输出。