CN105429160A - 可通信的电力电子型换相器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可通信的电力电子型换相器及其控制方法，能够与上级单元进行信息的自由实时交互，提供可靠的实时监测，极大的提高了工作效率。所述换向器包括依次连接的DSP，控制电路和电力电子开关，依次连接在DSP输入端的A\D转换器和互感器，以及为DSP和控制电路供电的供电模块；电力电子开关的一端分别对应连接供电系统的A、B、C三相，另一端连接设置有地线的负载；互感器设置在负载上；互感器用于采集负载运行情况，并经A\D转换器转送到DSP中；控制电路用于对电力电子开关进行驱动控制；DSP用于根据负载运行情况控制电力电子开关，并与上级主控单元进行通信；电力电子开关用于在DSP的控制负载在三相供电线与地线之间的通断。

Description

可通信的电力电子型换相器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体为可通信的电力电子型换相器及其控制方法。

背景技术

换相器是一种用于将三相供电系统中的负载由某一相供电切换至另一相供电的装置。该装置主要用于改善电网运行中的三相不平衡状态，减少电路与配电变压器的电能损耗、改善配电出力减少、维持电压、减少中性线电能损耗、提高电动机负载的运行效率、保证电网的安全运行。即换相器是一种用于改善电能质量的装置。其对电网的功率补偿动态可调，具有方法直接、较高的效率与较快的动态的响应。电力电子型换相器是指该换相器装置的切换开关部分是由可控硅等电力电子元件实现的，通过对应用各种可控硅的运行特性来决定其门极的控制方式来实现某一路的通断以实现负载换相。电力电子型换相器控制方式多样灵活，换相速度极快，可在改善电能质量中起到重要作用。

在现有的换相器中多使用机械开关或者继电器而没有使用电力电子元件实现开关功能的装置，并且没有与上级单元进行复杂信息的自由实时交互的功能，不能对各个单个负载的工作状况提供实时快速可靠的监测。在电网自动化、智能化、信息化、测控一体化的发展方向下，不能够缺少这样的智能化的终端。只有具有这样的装置，才能对电网中数量庞大的负载进行实时而精确的自动化操作。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可通信的电力电子型换相器及其控制方法，能够与上级单元进行信息的自由实时交互，提供可靠的实时监测，极大的提高了工作效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

可通信的电力电子型换相器，包括依次连接的DSP，控制电路和电力电子开关，依次连接在DSP输入端的A\D转换器和互感器，以及为DSP和控制电路供电的供电模块；电力电子开关的一端分别对应连接供电系统的A、B、C三相，另一端连接设置有地线的负载；互感器设置在负载上；互感器用于采集负载运行情况，并经A\D转换器转送到DSP中；控制电路用于对电力电子开关进行驱动控制；DSP用于根据负载运行情况控制电力电子开关，并与上级主控单元进行通信；电力电子开关用于在DSP的控制负载在三相供电线与地线之间的通断。

优选的，每相对应的电力电子开关包括五个整流二极管和一个MOSFET；MOSFET的栅极连接控制电路中驱动电压的正电压端，源极连接控制电路中驱动电压的地端以及整流二极管D4的阳极，漏极连接整流二极管D3的阴极，整流二极管D3的阳极分别连接整流二极管D2和D5的阴极，整流二极管D2的阳极连接整流二极管D1的阴极，整流二极管D5的阳极连接整流二极管D4的阴极，整流二极管D1和D4的阳极连接；整流二极管D1和D2之间设置连接对应相的供电端，整流二极管D4和D5之间设置连接接地端。

优选的，控制电路中设置有对应每相供电电路的光耦隔离。

进一步，所述的供电模块包括若干相互独立的隔离电源，隔离电源分别对应为DSP和经光耦隔离后的控制电路各部分供电。

优选的，DSP设置有用于与主控单元的通讯线连接的输入端口，以及与现场控制命令输入线连接的输入端口。

优选的，互感器和A\D转换器之间设置有模拟调理电路，用于对从采集到的负载运行电压电流进行调理。

可通信的电力电子型换相器控制方法，包括如下步骤，

步骤1，上级主控单元对换相器发出初始化命令，换相器内部的DSP存储上级主控单元规定的通信方式，再根据串行或并行的通信方式接收并存储自己被分配的通信地址；

步骤2，DSP对初始工作相对应的控制电路给出触发信号，触发信号经控制电路形成触发电压提供给对应的电力电子开关，使其导通，负载由初始工作相供电；

步骤3，获取当前工作相的状态信息，当DSP收到换相命令时，DSP停止当前工作相的触发信号，提供目标相对应相的触发信号，完成换相操作。

优选的，步骤3具体包括如下步骤，

步骤3.1，判断是否收到现场换相命令；是则停当前相触发，开始目标相触发，并修改当前工作相状态信息；否则执行步骤3.2；

步骤3.2，判断是否收到上位机换相命令；是则停当前相触发，开始目标相触发，并修改当前工作相状态信息；否则执行步骤3.3；

步骤3.3，判断时候收到查询命令；是则保持当前触发信号，调用A\D转换器输出负载功率参数和工作相状态信息；否则保持当前触发信号。

优选的，步骤2中，所述的初始工作相由上位机给定，否则初始工作相为DSP内部默认的初始工作相。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明可通讯的电力电子型换相器，通过电力电子元件进行负载对应相供电的切换，代替了继电器或者机械开关，并通过单片机进行智能控制而具有通信功能，可向上级主控模块报告其控制的单个负荷的运作情况并接受上级主控模块的换相命令。在换相过程上具有高度快速性，可对负载实现不断电换相。该系统可接受上级主控单元的命令而可精确的具体对某一指定的负载进行换相，使得整个系统的三相不平衡调整过程具有高度的精确性与选择性。该系统具有测量单元，因此可以实现测控一体，将其管理的负载运行情况实时的返回至主控单元。该系统具有的通信功能使得其具有应用于高度智能化的电网的潜力，符合电网的发展方向，填补配电领域有关换相器智能化的技术空白。本发明可广泛应用于各种有平衡三相负载的需要的各种场合。

附图说明

图1为本发明实例中所述电力电子开关的结构示意图。

图2为本发明实例中所述换向器的系统结构框图。

图3为本发明实例中所述换相器工作逻辑框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明可通讯的电力电子型换相器，使用了电力电子元件代替了继电器或者机械开关，并通过单片机进行智能控制而具有通信功能，可向上级主控模块报告其控制的单个负荷的运作情况并接受上级主控模块的换相命令。如图2所示，其包括DSP，控制电路，A\D转换器、数个隔离的供电模块以及由MOSFET和整流二极管构成的开关电路。DSP负责对本负载运行情况采样的控制、对MOSFET触发信号的控制以及与上级主控单元的通信，开关电路负责保证能够完全可控的控制负载在三相供电线与地线之间的通断。隔离电源提供各自隔离的电源与地对DSP以及光耦的DSP端、三相的驱动电路进行供电。

其中，DSP上同时设有换相命令开关与接受上级主控单元换相命令的端口。本发明具有采样功能，可对该换相器所管理的负载的电压电流进行采样并具有通信能力将采样结果送返至主控单元。每个换相器都具有选通端口，用于外接地址译码器便于主控单元选择某一具体的换相器。其电力电子开关使用了整流二级管与MOSFET相组合的方式。通过设置的互感线圈，模拟调理模块与A\D转换器用于从负载侧采集负载运行电压电流，实现装置的测控一体化。对各个模块进行隔离供电，采用对等设计，各相以及控制模块各使用一个供电的隔离电源。本发明所述的换向器能够接受主控单元编址命名，接受主控单元查询负载运行状况，接受主控单元换相命令等的具体规则。本发明与主控单元进行通讯时的具体规则，包括接受主控单元编址命名，接受主控单元查询负载运行状况，接受主控单元换相命令等的具体规则。本发明所述的换向器上设置有现场操作按钮，可以在主机通讯失灵的情况的下仍然保持基本的控制功能。其工作主电路，即开关电路使用二极管与MOSFET的组合方式，即MOSFET与二极管组成的桥式电路的组合。

具体的，本发明能够用于改善三相供电系统的三相不平衡状态并与主控单元进行通信，用于实现对保证三相供电系统的平衡，便于其他装置进一步的精细补偿与调节，填补了该领域的技术和负载运行状态检测的空白。本发明提供的可通信电力电子型换相器装置，可对三相供电系统中的各个负载运行情况进行实时报告，并可接受上级主控单元具体至某一特定负载的调节命令，换相速度极快。使数量庞大的负载的运行状态也置于完全的观察与监控之下，提高整个供电系统的可靠性与安全性。

本发明得到的可通信的电力电子型换相器可用于电网层面上对各个用户进行的调节，亦可用于用电用户，无论是工业用户还是民用用户自己进行的内部的负载调节。本发明可通信的电力电子型换相器的使用可精确化负载的换相操作、提升其的可靠性并给静止无功补偿装置的现场施工、故障排查带来极大的便利。

其中，本发明所述的换相器其实际功能就是一个刀开关，通过电力电子的方式来完成这一功能。其主电路如图1所示，图示中以两路换相为例，三相仅需再补充一个开关单元即可。其每一路的通断都由一个电力电子开关完成，一个电力电子卡关由MOSFET管与五个电力二极管的组合完成。每一路单独的导通方式为，以上面一路作说明，当电流方向由P1流向P2时。电流依次经过P1，D2，D3，MOSFET，D4，P2。当电流方向友P2流向P1时，电流依次经过P2，D5，D3，MOSFET，D1，P1。因为使用了NMOS管作为可控硅元件，其一旦正向导通后反向也可以继续导通。为了使其完全可控，故串联了D9限制其电流流动方向。在通过上面描述的导通过程，可以一方面使得可以做到正向反向都可导通，一方面又使其完全可控，可以做到随时关断。P1，P3通过负载接入不同两相供电线，P2，P4接入地线。这样就实现了同一负载同时接入两相供电线，可以在负载不均衡的情况下由一相供电线切换至另一相。通过控制两个MOSFET门极的电平，保持其互斥，就可确保随时只有一相供电。交换其电平关系，就可完成换相。三相仅是多一个开关单元，原理和上述描述没有区别。

其中，换相器通信方式首先应该对其各个换相器的编址方式进行规定。主控单元如果要对多个换相器进行管理则必须要通过类似地址编译器的装置连接多个换相器。为了方便主控单元进行编址，采用主控单元主动对换相其进行规定地址的方式。主控单元通过地址编译器选通某一换相器之后，将其选通该换相器时采用的地址通过某一命令写入改换相器。换相器将这个地址进行保存，作为其与主控单元的通信时的身份标识。

换相器可以接受以下命令。第一，接受主控单元的换相命令。第二，可以接受主控单元的负载功率查询命令。在接收到主控单元的功率查询命令之后将功率数据保持在与主控单元的通信主线上，并于功率数据中加上自己的地址。在主控单元发送接收完成信息后方解除保持。第三，接收主控单元关于该换相器目前工作相的查询。在接收到主控单元的工作相令之后将工作相名称保持在与主控单元的通信主线上，并于工作相名称中加上自己的地址。在主控单元发送接收完成信息后方解除保持。另外的，主控单元应该给装置设定输出为串行输出或者并行输出。换相器将这一参数保存并根据约定选择输出格式。

换相器的控制单元包括DSP以及控制电路组成。其管控A\D采样以及开关电路的驱动信号。DSP输出线控制三路MOSFET的门极触发信号(经过光耦隔离)与AD采样。DSP输入线为主控电路命令(如果需要减少整个装置进出线可采用串行通讯)，主控线路选通线，现场控制命令输入线。切换运作相仅需输入需要切换至的相的名称，对该相MOSFET进行触发并停止另外两相的触发信号，完成之后修改运作相名称以便主控单元查询。在收到主控单元查询负载功率命令后，调用A\D转换器获取电压电流并计算出功率参数。保持在通讯线上或者通知主控单元准备接受并经行串行输出。

换相部分的控制结构是，MOSFET由驱动电路提供直接的驱动信号，而驱动通过隔离连接至控制电路。由于两个MOSFET的工作条件不可能做到电位一致，故需要相互隔离的电源。这包括相互隔离的VCC，相互隔离的GND。在不要求对等设计的情况下，控制电路可以与其中一路驱动电路共用一套电源，在要求对等设计的情况下，则只好对控制电路提供一套独立的电源。隔离可以使用光耦，光耦仅需要可以承受驱动部分与控制电路之间的最大电压差即可。一般的光耦都可以满足要求。为了测量负载的工作情况，可通过一个互感线圈以及其调理电路从主回路中提取电压电流信息，再通过AD转换输入控制电路。如果AD还要求独立供电的话，则还需要一套独立电源。

本发明所述换相器的控制方法如图3所示。上级主控单元对所有换相器发出初始化命令后，换相器内部的DSP将存储通信方式，再根据上步决定的串行还是并行通信方式接收并存储自己被分配的通信地址。这时上位机可以给出一个初始工作相，如果不给出初始工作相则使用DSP内部的程序提供的默认初始工作相。在这些初始化工作完成后则DSP开始对初始工作相的那一路控制电路给出触发信号。触发信号从DSP对应管脚发出后经过光耦靠近DSP一侧形成电流，此电流通过光耦传递至光耦开关侧以及该侧的驱动电路形成触发电压提供给电力电子开关。电力电子开关连接至负载与该相电源线之间充作开关使用。当开关收到触发电压即可导通，负载将可由该相电源线进行供电。当收到换相命令时，则DSP停止其对应相管脚的触发信号，提供目标相对应管脚的触发信号。由上面说明可知这将停止目前相电力电子开关的导通开始目标相的导通，完成换相工作。当收到查询命令时，仍将保持目前相的触发信号，同时DSP将调用A\D转换器一直从互感器以及其调理电路中收到的负载工作状态数据，在DSP内部进行处理并发送回上级单元。如果有通信故障或者有现场的某些换相的需求，则可通过现场控制线输入信号进行强制换相。通过图3可知，现场换相命令在下一次收到上位机的换相命令之前都将持续有效，故在上级主控模块发生故障可能发出错误命令的情况下，可将该主控模块进行停机或者切断其发出信号的渠道，这样换相器的导通工作不会受到影响，甚至可以进行手动的换相。

Claims (9)

1.可通信的电力电子型换相器，其特征在于，包括依次连接的DSP，控制电路和电力电子开关，依次连接在DSP输入端的A\D转换器和互感器，以及为DSP和控制电路供电的供电模块；电力电子开关的一端分别对应连接供电系统的A、B、C三相，另一端连接设置有地线的负载；互感器设置在负载上；

互感器用于采集负载运行情况，并经A\D转换器转送到DSP中；

控制电路用于对电力电子开关进行驱动控制；

DSP用于根据负载运行情况控制电力电子开关，并与上级主控单元进行通信；

电力电子开关用于在DSP的控制负载在三相供电线与地线之间的通断。

2.根据权利要求1所述的可通信的电力电子型换相器，其特征在于，每相对应的电力电子开关包括五个整流二极管和一个MOSFET；

MOSFET的栅极连接控制电路中驱动电压的正电压端，源极连接控制电路中驱动电压的地端以及整流二极管D4的阳极，漏极连接整流二极管D3的阴极，整流二极管D3的阳极分别连接整流二极管D2和D5的阴极，整流二极管D2的阳极连接整流二极管D1的阴极，整流二极管D5的阳极连接整流二极管D4的阴极，整流二极管D1和D4的阳极连接；整流二极管D1和D2之间设置连接对应相的供电端，整流二极管D4和D5之间设置连接接地端。

3.根据权利要求1所述的可通信的电力电子型换相器，其特征在于，控制电路中设置有对应每相供电电路的光耦隔离。

4.根据权利要求3所述的可通信的电力电子型换相器，其特征在于，所述的供电模块包括若干相互独立的隔离电源，隔离电源分别对应为DSP和经光耦隔离后的控制电路各部分供电。

5.根据权利要求1所述的可通信的电力电子型换相器，其特征在于，DSP设置有用于与主控单元的通讯线连接的输入端口，以及与现场控制命令输入线连接的输入端口。

6.根据权利要求1所述的可通信的电力电子型换相器，其特征在于，互感器和A\D转换器之间设置有模拟调理电路，用于对从采集到的负载运行电压电流进行调理。

7.可通信的电力电子型换相器控制方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，上级主控单元对换相器发出初始化命令，换相器内部的DSP存储上级主控单元规定的通信方式，再根据串行或并行的通信方式接收并存储自己被分配的通信地址；

步骤2，DSP对初始工作相对应的控制电路给出触发信号，触发信号经控制电路形成触发电压提供给对应的电力电子开关，使其导通，负载由初始工作相供电；

步骤3，获取当前工作相的状态信息，当DSP收到换相命令时，DSP停止当前工作相的触发信号，提供目标相对应相的触发信号，完成换相操作。

8.根据权利要求7所述的可通信的电力电子型换相器控制方法，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤，

步骤3.1，判断是否收到现场换相命令；是则停当前相触发，开始目标相触发，并修改当前工作相状态信息；否则执行步骤3.2；

步骤3.2，判断是否收到上位机换相命令；是则停当前相触发，开始目标相触发，并修改当前工作相状态信息；否则执行步骤3.3；

步骤3.3，判断时候收到查询命令；是则保持当前触发信号，调用A\D转换器输出负载功率参数和工作相状态信息；否则保持当前触发信号。

9.根据权利要求7所述的可通信的电力电子型换相器控制方法，其特征在于，步骤2中，所述的初始工作相由上位机给定，否则初始工作相为DSP内部默认的初始工作相。