CN104319786A - 一种基于svg的直流融冰装置控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于SVG的直流融冰装置控制系统，该系统采用分层分相的架构体系，由系统控制器、桥臂控制器、就地控制器组成，其中系统控制器主要完成控制保护算法计算、逻辑控制实现以及与后台的通讯；桥臂控制器主要用于模块均压控制及载波移相；就地控制器用于功率单元的直接控制，将光信号转为电信号，并采集功率单元的直流电压及温度及开关器件的故障信息。系统控制器与桥臂控制器、桥臂控制器与就地控制器之间采用光纤通讯，将所需相关控制保护信息进行传送，并采用分层分相的保护。通过该系统的控制，直流融冰装置可在SVG及直流融冰模式下切换。

Description

一种基于SVG的直流融冰装置控制系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于SVG(Static Var Generator，静止无功发生器)的直流融冰控制系统。

背景技术

近年我国南方地区冰冻雨雪灾害频发，电力系统因输电线路覆冰而出现大量断线、倒塔现象，作为电力系统的重大自然灾害之一，引起了供电中断甚至电网解列等事故。而针对上述事故的修复工作难度大、周期长，会对电力系统用至国民经济构成严重威胁，为消除输出电线路覆冰带来的危害，目前国内通常采用直流融冰技术对输电线路进行融冰。

行业内所研制的传统的直流融冰装置多数采用了基于SVC的拓扑结构，其优点是造价低、实现简单，在平时可作SVC运行，在冬季线路覆冰时则可作为融冰装置使用。其缺点是工作时谐波含量高，需要配套滤波装置，且占地面积大，输出电压电流可调范围有限。随着电力电子技术的发展，目前出现了新一代的基于SVG的直流融冰装置，其在主回路拓扑上由两个星接的SVG组成，每个桥臂由多个模块串联组成，以构成模块化多电平换流器，该类产品相比传统的基于SVC直流融冰装置的优点是运行于直流融冰模式时可实现零起调压或零起升流，调节范围宽，且输出电流谐波含量低，不需配置滤波装置，平时运行于SVG模式时可接收上级调度指令进行连续的无功功率调节。

对于新型的基于SVG的直流融冰装置，与传统的基于SVC的直流融冰装置相比，在多方面有较大区别，包括拓扑结构、运行模式切换等，而主要的是新型的SVG融冰装置采用模块化多电平的拓扑，在一般的装置内会有近百个模块需要独立控制，而传统的基于SVC的融冰装置主回路一般采用六脉波或12脉波，主回路需要控制的器件数目相对很少，因而需针对新型的基于SVG直流融冰装置的特点设计一种控制系统以满足装置运行要求。

发明内容

为解决传统基于SVC直流融冰装置工作时谐波电流大，占地面积大的问题，提出了一种基于SVG的直流融冰装置，该新型装置的拓扑结构及功率模块数量较多，传统的控制系统架构难以实现控制，本发明提出了一种基于SVG的直流融冰装置控制系统，具体采用以下技术方案。

一种基于SVG的直流融冰装置控制系统，其特征在于：所述直流融冰装置控制系统采用分层分相的架构体系控制直流融冰装置在SVG及直流融冰模式下切换。

所述直流融冰装置具有两层保护：

系统级保护，用于进行直流融冰装置整体的交流过压、交流欠压、交流过流、电网电压不平衡保护，由系统控制器实现；

装置级保护，用于进行直流融冰装置内部的直流过压、桥臂过流、IGBT故障、PWM脉冲丢失、通信故障保护，由桥臂控制器及就地控制器实现。

本发明公开的一种基于SVG的直流融冰装置控制系统，所述直流融冰装置包括两套星接的SVG，两套SVG分别形成三相上桥臂和三相下桥臂，各桥臂均有多个功率模块单元组成，两套星接的SVG的中性点引出分别作为直流融冰装置输出的正负极；其特征在于：

所述直流融冰装置控制系统包括一系统控制器、两个桥臂控制器、多个就地控制器，其中系统控制器接受后台下发的指令，完成控制保护算法计算、逻辑顺序控制，所述系统控制器计算生成的系统指令即三相上桥臂和三相下桥臂对应的第一调制波1和第二调制波2下发给桥臂控制器；

所述桥臂控制器分别与系统控制器和对应桥臂的就地控制器通讯，接收就地控制器所采集的各功率单元的直流电压，以各功率单元直流电压的平均值为控制目标生成第三调制波，将所述第三调制波与系统指令相叠加生成总的调制波下发给就地控制器；

就地控制器用于功率单元的直接控制，就地控制器根据桥臂控制器下发的总的调制波对功率单元内的开关器件(IGBT)进行直接驱动，所述就地控制器还采集功率单元的直流电压、三相上下桥臂的总直压、温度数据上送至桥臂控制器。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的有益效果在于能够采用较少的功率模块，就能够获得较高电能质量的直流电流/电压和交流电流输出；相比于基于SVC的融冰装置，电流谐波小，不需要额外添加滤波器；相比于半H桥结构的柔性直流输电，输出直压能够从0电压开始。

附图说明

图1一种基于SVG的直流融冰装置；

图2一种基于SVG的直流融冰装置控制系统结构图；

图3系统控制器结构框图；

图4桥臂控制器结构框图；

图5就地控制器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明设计的一种基于SVG的直流融冰装置控制系统实施方案作详细的举例说明。

如图1所示为一种基于SVG的直流融冰装置，由两套星接的SVG组成，如图2中所示的1#桥臂控制器用于控制三相上桥臂，2#桥臂控制器用于控制三相下桥臂。两个SVG的中性点引出作为直流融冰输出电压的正负极，各桥臂由N个功率模块组成。

如图2所示为一种基于SVG的直流融冰装置控制系统架构，该控制系统由系统控制器、桥臂控制器、就地控制器组成。所述直流融冰装置控制系统包括一系统控制器、两个桥臂控制器、多个就地控制器，其中系统控制器接受后台下发的指令，完成控制保护算法计算、逻辑顺序控制，所述系统控制器计算生成的系统指令下发给桥臂控制器；所述桥臂控制器分别与系统控制器和对应桥臂的就地控制器通讯，接收就地控制器所采集的各功率单元的直流电压，以各功率单元直流电压的平均值为控制目标生成第三调制波3，将所述第三调制波3与系统指令相叠加生成总的调制波下发给就地控制器；

就地控制器用于功率单元的直接控制，就地控制器根据桥臂控制器下发的总的调制波对功率单元内的开关器件(IGBT)进行直接驱动，所述就地控制器还采集功率单元的直流电压、三相上下桥臂的总直压、温度数据上送至桥臂控制器。

系统控制器的模式切换模块输入为后台下发的指令，输出为顺控模块的输入，顺控模块的输出为融冰直压/直流控制和无功功率控制的选择，链节总直压控制模块输入为就地控制器上传的直流电压，进行功率单元总直压控制，输出为有功目标电流；电流跟踪模块的输入为有功目标电流、无功目标电流(SVG模式)，交流电压，交流电流，总直压，其输出为第四调制波11；融冰直压/直流控制模块的输出为调制波第五12，环流抑制模块的输出为第六调制波13；系统控制器最终输出的第一调制波1为第四调制波11加上第六调制波13然后减去调制波第五12，系统控制器最终输出的第二调制波2为第四调制波11加上第六调制波13然后再加上第五调制波12，第一调制波1与第二调制波2为系统控制器下发至桥臂控制器的系统指令，即为系统控制器的最终调制波分别传送至桥臂控制器(上桥臂控制器、下桥臂控制器)；同时接收桥臂控制器上送的直流过压、桥臂过流、IGBT故障、PWM脉冲丢失、通信故障保护等信息进行保护动作。

系统控制器下辖两个桥臂控制器。两个桥臂控制器分别用于控制上下三相桥臂的功率模块，桥臂控制器接收就地控制器采集的各功率单元的直流电压进行均压控制以使各功率单元直流电压趋于一致。桥臂控制器将接收到的系统控制器发出的第一调制波1、第二调制波2分别与模块均压控制模块产生的第三调制波3相叠加形成最终的调制波下发至就地控制器。在本申请中优选将所述最终的调制波转换成各功率单元的驱动脉冲光信号，桥臂控制器将此光信号通过光纤通道传送至下辖的就地控制器。桥臂控制器同时接收就地控制器上送的功率单元故障信号，当某个功率单元故障时桥臂控制器将闭锁所辖的功率单元以实现保护。

各桥臂控制器下辖3N个就地控制器，就地控制器安装于各功率单元中，用于对功率单元的直接控制，将桥臂控制器下传的脉冲光信号转为脉冲电信号以驱动IGBT开关器件开断，同时采集功率单元的直流电压、温度及故障信息上送至桥臂控制器。

如图3所示为系统控制器结构框图，本实施例以此进行控制流程的详细说明。

所述系统控制器包含模式切换模块、顺控模块、链节总直压控制模块、融冰直压/直流控制模块、环流抑制模块、无功功率控制模块、电流跟踪控制模块、加法器1；

所述模式切换模块接收后台下发的指令用于设定直流融冰装置工作模式，包括直流融冰及SVG模式。当设定为其中一种模式时，可自动闭锁另一种模式的功能及相关逻辑，模式切换模块的输出连接顺控模块。

所述顺控模块，若接收模式切换模块的输出为融冰模式，则根据系统控制器顺控模块的指令，闭合图1中的开关QF1、QF3，或开关QF2、QF3以实现从同一段母线取电，同时依据融冰线路方式，闭合直流侧QS1、QS2对应的刀闸，且投入融冰直流电压/电流控制模块。若接收模式切换模块的输出为SVG运行模式，则通过系统控制器顺控模块的指令，闭合图中的QF1、QF2，并保证QF3处于分断状态，且投入无功功率控制模块。除此之外，还包括具体电路中各开关的联锁功能实现。

所述链节总直压控制模块在顺控模块针对相应的工作模式完成设定流程后，其输入为各相桥臂的总直压期望值、以及由就地控制器采集并上传的总直压实际值，对输入进行比例积分控制后，输出为有功目标电流作为电流跟踪控制模块的输入。

当处于直流融冰模式时，所述融冰直压/直流控制模块用于控制直流输出总电压或直流输出电流，该模块的输入为正负极直压或直流的期望值与实际值，经过比例积分控制后，输出为第五调制波12；当处于SVG模式时，无功功率控制模块的输入为无功功率期望值和实际值，经过比例积分控制，输出为无功目标电流作为电流跟踪控制模块的输入；

在所述电流跟踪控制模块，无功功率控制模块的输出(SVG模式)与链节总直压控制模块的输出相加后，作为所述电流跟踪控制模块的目标电流值，对直流融冰装置在SVG工作模式下的交流输出电流进行跟踪控制，生成控制信号，即第四调制波11；

电流跟踪控制原理如下：

$d=[0.45\×(i_{\mathrm{ref}}-i_{\mathrm{out}})\×\frac{L}{\mathrm{\ΔT}}+u_s]/u_d$

其中i_ref为目标电流(上式中没有出现目标电压)，i_out为直流融冰装置交流输出端所接的电抗器的电流(请问这是装置哪部分的电流)，u_d为装置总直压，ΔT为系统控制器的采样间隔，L为直流融冰装置交流电流输出端的电抗器感值，d为第四调制波11。融冰直压/直流控制模块主要用于控制生成直流电压或直流电流的，该模块的输入为正负极母线之间的直压期望与实际值，直流期望与实际值，将期望与实际值进行比例积分控制后，其输出为第五调制波12；

所述环流抑制模块用于抑制直流融冰装置各相上下桥臂电流中的环流，该模块输入为各桥臂电流的实际值，经过提取环流分量，坐标变换，比例积分控制后，再反变换，输出为第六调制波13；

在所述环流抑制模块中，首先计算上下桥臂的环流分量；

提取环流分量：i_ac＝i_ap-i_an；

i_bc＝i_bp-i_bn；

i_cc＝i_cp-i_cn；

其中，i_ac,i_bc,i_cc，为三相的环流分量；

i_ap,i_bp,i_cp,为三相上桥臂电流；

i_an,i_bn,i_cn,为三相下桥臂电流；

按照下式对环流分量进行坐标变换：

i_d，i_q进行比例积分控制后得到i_d_PI，i_q_PI；

对i_d_PI，i_q_PI按照下式进行坐标反变换得到i_ta,i_tc,i_tb，即为第六调制波13；

系统控制器通过第一加法器1得到分别向上下桥臂控制控制器输出的第一调制波1、第二调制波2。其中第一调制波1为第四调制波11加上第六调制波13然后减去第五调制波12，第二调制波2为第四调制波11加上第六调制波13然后再加上第五调制波12，调制波1与调制波2为系统控制器的系统指令分别传送至桥臂控制器(上桥臂控制器、下桥臂控制器)。

如图4所示为桥臂控制器框图。桥臂控制器包括模块均压控制模块和载波移相模块；模块均压控制模块的输入为就地控制器所采集的各功率单元的直流电压，将各功率单元直流电压的平均值为控制目标，经过比例积分控制，依次生成对应功率单元的第三调制波3，另外桥臂控制器还接收各功率单元的直流电压、器件温度、器件故障状态，用于控制保护计算。

将第三调制波3与系统控制器下发的第一调制波1、第二调制波2通过第二加法器2相加，即为总的调制波。将此调制波作为载波移相模块的输入，将调制波与载波幅值比较，若调制波大于载波，则生成脉冲开通信号，若调制波小于载波，则生成脉冲关断信号，并将脉冲光信号通过光纤传输至各就地控制器。

如图5所示为就地控制器框图。就地控制器接收到脉冲光信号后，通过光电转换电路将此光信号转为电信号，用于对IGBT开关器件的直接驱动。就地控制器同时采集所属功率单元的直流电压、器件温度、器件故障状态，并将此信息输出至桥臂控制器。

需要说明的有：

1)系统控制器采集交流电压、上下桥臂电流，正负极直流电压，直流电流。运行于融冰模式时，经系统控制器的融冰直压/直流控制模块输出传送至电流跟踪控制模块，与电流跟踪控制模块输出的调制波相减加(减对应上桥臂，加对应下桥臂)。

2)在运行中，当发生系统级故障时如交流过/欠压、短路故障时，由系统控制器进行相关保护动作；当发生装置级故障，如IGBT故障、过温时，对应就地控制器保护先动作，之后将相关故障信息传送至桥臂控制器，桥臂控制器闭锁整个所辖就功率单元。

3)所述系统控制器与桥臂控制器间采用光纤快速通讯，桥臂控制器与就地控制器间采用光纤快速通讯。

申请人结合说明书附图对本发明做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当处于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于SVG的直流融冰装置控制系统，其特征在于：所述直流融冰装置控制系统采用分层分相的架构体系控制直流融冰装置在SVG及直流融冰模式下切换。

2.根据权利要求1所述的直流融冰装置控制系统，其特征在于：

所述直流融冰装置控制系统包括顺次通讯连接的一系统控制器、两个桥臂控制器、多个就地控制器；

所述直流融冰装置具有两层保护：

系统级保护，用于进行直流融冰装置整体的交流过压、交流欠压、交流过流、电网电压不平衡保护，由系统控制器实现；

装置级保护，用于进行直流融冰装置内部的直流过压、桥臂过流、IGBT故障、PWM脉冲丢失、通信故障保护和控制，由桥臂控制器及就地控制器实现。

3.一种基于SVG的直流融冰装置控制系统，所述直流融冰装置包括两套星接的SVG，两套SVG分别形成三相上桥臂和三相下桥臂，各桥臂均由多个功率模块单元组成，两套星接的SVG的中性点引出分别作为直流融冰装置输出的正负极；其特征在于：

所述直流融冰装置控制系统包括一系统控制器、两个桥臂控制器、多个就地控制器；

其中系统控制器接受后台下发的指令，完成控制保护算法计算、逻辑顺序控制，所述系统控制器计算生成的系统指令即与分别与三相上桥臂和三相下桥臂对应的第一调制波1和第二调制波2下发给桥臂控制器；

所述桥臂控制器分别与系统控制器和对应桥臂的就地控制器通讯，接收就地控制器所采集的各功率单元的直流电压，以各功率单元直流电压的平均值为控制目标生成第三调制波，将所述第三调制波与系统指令相叠加生成总的调制波下发给就地控制器；

就地控制器用于功率单元的直接控制，就地控制器根据桥臂控制器下发的总的调制波对功率单元内的开关器件(IGBT)进行直接驱动，所述就地控制器还采集功率单元的直流电压、三相上下桥臂的总直压、温度数据上送至桥臂控制器。

4.根据权利要求3所述的直流融冰装置控制系统，其特征在于：

所述系统控制器包含模式切换模块、顺控模块、链节总直压控制模块、融冰直压/直流控制模块、环流抑制模块、无功功率控制模块、电流跟踪控制模块、第一加法器(1)；

所述模式切换模块接收后台下发的指令用于设定直流融冰装置工作模式，包括直流融冰及SVG工作模式，当设定为其中一种工作模式时，自动闭锁另一种工作模式的功能及相关逻辑，模式切换模块的输出连接顺控模块；

所述顺控模块根据模式切换模块设定的工作模式，控制直流融冰装置的开关按照对应工作模式下的设定逻辑及闭锁条件动作，并控制直流融冰装置按照所选择工作模式的设定流程执行；若为直流融冰工作模式则投入融冰直压/直流控制模块，若为SVG工作模式则投入无功功率控制模块；

所述链节总直压控制模块在顺控模块针对相应的工作模式完成设定流程后，其输入为各相桥臂的总直压期望值、以及由就地控制器采集并上传的总直压实际值，对输入进行比例积分控制后，输出为有功目标电流并传给电流跟踪控制模块；当所述直流融冰装置处于直流融冰工作模式时，所述融冰直压/直流控制模块用于控制直流输出总电压或直流输出电流，该模块的输入为所述直流融冰装置的正负极直压或直流的期望值与实际值，经过比例积分控制后，输出第五调制波(12)；

当所述直流融冰装置处于SVG工作模式时，无功功率控制模块的输入为无功功率期望、和实际的无功功率值，经过比例积分控制，输出为无功目标电流并传给电流跟踪控制模块，所述电流跟踪控制模块将无功功率控制模块输出的无功目标电流与链节总直流电压控制模块输出的有功目标电流相加后，作为所述电流跟踪控制模块的目标电流值，对直流融冰装置在SVG工作模式下的交流输出电流进行跟踪控制，生成电流跟踪控制信号，为该模块的输出即第四调制波(11)；

所述环流抑制模块用于抑制直流融冰装置各相上下桥臂电流中的环流，该模块通过计算各相上下桥臂电流中的环流，并经过坐标变换、比例积分控制后，再反变换生成环流抑制信号即第六调制波(13)；

系统控制器输出的系统指令包括用于控制上桥臂的第一调制波(1)和用于控制下桥臂的第二调制波(2)，所述第一调制波(1)为第四调制波(11)加上第六调制波(13)然后减去第五调制波(12)得到的，第二调制波(2)为第四调制波(11)加上第六调制波(13)然后再加上第五调制波(12)得到，第一调制波(1)与第二调制波(2)作为系统指令分别传送至桥臂控制器。

5.根据权利要求3所述的直流融冰装置控制系统，其特征在于：

所述桥臂控制器用于实现直流融冰装置各桥臂中的模块电压均衡控制、载波移相控制，桥臂控制器包括模块均压控制模块、第二加法器(2)、载波移相模块；

模块均压控制模块的输入为就地控制器所采集的各功率单元的直流电压，将各功率单元直流电压的平均值为控制目标，经过比例积分控制，依次生成对应功率单元的第三调制波(3)；将第三调制波(3)分别与系统控制器输出的第一调制波(1)、第二调制波(2)通过第二加法器(2)相加得到的结果作为对应三相上桥臂或三相下桥臂的最终的调制波；载波移相模块用于三角载波的生成和移相控制，该模块输入为最终的调制波，对该输入与载波幅值比较，若调制波大于载波，则生成脉冲开通信号，若调制波小于载波，则生成脉冲关断信号；脉冲光信号通过光纤传送到就地控制器中。

6.根据权利要求4所述的直流融冰装置控制系统，其特征在于：所述电流跟踪控制模块按照以下公式生成第四调制波11

$d=[0.45\×(i_{\mathrm{ref}}-i_{\mathrm{out}})\×\frac{L}{\mathrm{\ΔT}}+u_s]/u_d$

其中i_ref为目标电流，i_out为直流融冰装置交流输出端所接的电抗器的电流，u_d为装置总直压，ΔT为采样间隔，L为电流输出端电抗器感值，d为第四调制波(11)。

7.根据权利要求4所述的直流融冰装置控制系统，其特征在于：

在所述环流抑制模块中，首先计算上下桥臂的环流分量；

提取环流分量：i_ac＝i_ap-i_an；

i_bc＝i_bp-i_bn；

i_cc＝i_cp-i_cn；

其中，i_ac，i_bc，i_cc，为三相的环流分量；

i_ap，i_bp，i_cp分别为三相上桥臂电流；

i_an，i_bn，i_cn分别为三相下桥臂电流；

按照下式对环流分量进行坐标变换：

对i_d，i_q进行比例积分控制后得到i_d_PI，i_q_PI；

对i_d_PI，i_q_PI进行坐标反变换得到i_ta，i_tc，i_tb，即为第六调制波(13)；