CN107968403A - 级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置及方法，其装置包括：电网移相变压单元、电网电压相位检测单元、主控制器及功率单元控制芯片，电网移相变压单元将电网电压根据一定的移相角度，变成多组幅值相等相位不同的低压电源；电网电压相位检测单元用于检测电网电压的实时相位和求取实时电网相位周期T；主控制器的IGBT控制信号生成分配单元根据所检测的电网电压实时相位和功率单元的输入电压的相移关系，计算每个功率单元的IGBT控制信号；主控制器的IGBT控制信号指令传输单元用于将主控制器生成的IGBT控制信号传输给功率单元控制芯片。本发明通过对IGBT通断时间分配来控制开关管，不需要高频PWM信号，也不需要很高的IGBT开关频率。
Description
技术领域
本发明涉及级联型高压变频控制领域，尤其涉及级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置及方法。
背景技术
在电力价格上涨和节能减排宏观政策的引导下，随着电力电子技术的快速发展，在电力、冶金和石化等能耗巨大的行业中，高压变频器取得了广泛的应用。图1为功率单元串联型高压变频器的结构，在众多的高压变频方案中，采用这种方案的高压变频器具有电压输出能力强、输出电压正弦度高、对电网的污染小以及dv/dt很小等优点，成为目前高压变频器的主流方案之一。
在工业应用中，很多场合要求高压变频器必须具备四象限运行的能力，也就是说电能既可以由电网流进电动机，也可以由电动机回馈回电网。在功率单元串联的这种拓扑结构下，要求各个功率单元采用全控功率单元，其整流桥由全控型电力电子器件(例如IGBT)构成，如图2所示。另外，整流桥工作时需要准确的功率单元输入电压相位以控制输入侧电流。
现有技术一般是在功率单元整流环节采用高频正弦波PWM控制，通过PWM等效正弦波与电网电压的夹角来控制能量的流向，从而控制功率单元的直流电压。这种做法需要很高的IGBT开关频率，比较大的并网电抗器，功率单元的控制系统结构复杂，功率单元整流部分发热大；相对两象限高压变频，效率降低。
发明内容
为解决现有技术中对功率单元进行控制的系统结构复杂、效率较低的问题，本发明提供级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置及方法，本发明通过对IGBT的通断时间分配来控制开关管，以免功率单元的直流电压过压，不需要高频的PWM信号，也不需要很高的IGBT开关频率。
本发明控制装置采用如下技术方案实现：级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，包括电网移相变压单元、电网电压相位检测单元、主控制器及功率单元控制芯片，所述主控制器包括相连接的IGBT控制信号生成分配单元和IGBT控制信号指令传输单元；电网移相变压单元将电网电压根据一定的移相角度，变成多组幅值相等相位不同的低压电源；电网电压相位检测单元用于检测电网电压的实时相位和求取实时电网相位周期T；IGBT控制信号生成分配单元根据所检测的电网电压实时相位和功率单元的输入电压的相移关系，计算每个功率单元的IGBT控制信号；IGBT控制信号指令传输单元用于将主控制器生成的IGBT控制信号传输给功率单元控制芯片。
优选地，所述电网电压相位检测单元首先计算每一时刻的电网相位，然后将电网相位加上角度偏移量得出功率单元的输入电压相位角，其中角度偏移量与移相角相同，为60/N，N为功率单元级数；
所述IGBT控制信号生成分配单元根据电网电压相位检测单元所计算的功率单元输入电压相位角，控制相位脉冲，当相位角大于0且小于等于180度时，相位脉冲置1；当相位角大于180度时，相位脉冲置0；然后根据相位脉冲，在相位脉冲的上升沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的上桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将上桥IGBT控制信号置0；在相位脉冲的下降沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的下桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将下桥IGBT控制信号置0。
优选地，所述电网电压相位检测单元包括依次连接的电压互感器PT、信号处理板、CPU板和带通滤波器；电压互感器PT用于采样电网电压并将电网电压降低后所形成的二次电压信号送入信号处理板，经信号处理板调理后变成交流信号并送至CPU板，CPU板内置FPGA和PLL锁相环；CPU板内置FPGA对交流信号进行移相分配，产生M*3个相位脉冲，其中M为二次输出电压组数；然后经PLL锁相环计算每一时刻的电网相位，电网相位加上角度偏移量得出功率单元的输入电压相位角，其中角度偏移量与移相角相同，移相角为60/N，N为功率单元级数；CPU板内置FPGA对每两个相邻的交流信号零点进行计时，得出T0，并对T0进行判断，若T0小于19ms则抛弃，T0大于21ms则抛弃，然后进行带通滤波，求得实时电网相位周期T。
本发明控制方法采用如下技术方案实现：级联式高压变频器的功率单元直流电压控制方法，包括以下步骤：
S1、采样电网电压，将所采样电网电压降低后形成二次电压信号，对二次电压信号进行调理后变成交流信号；对交流信号进行移相分配，产生M*3个相位脉冲，其中M为二次输出电压组数；然后经PLL锁相环计算每一时刻的电网相位，将电网相位加上角度偏移量得出功率单元的输入电压相位角，其中角度偏移量与移相角相同，为60/N，N为功率单元级数；
S2、对每两个相邻的交流信号零点进行计时，得出T0，并对T0进行判断，若T0小于19ms则抛弃，T0大于21ms则抛弃，然后进行带通滤波，求得实时电网相位周期T；
S3、根据所计算的功率单元输入电压相位角，控制相位脉冲，当相位角大于0且小于等于180度时，相位脉冲置1；当相位角大于180度时，相位脉冲置0；
S4、生成IGBT控制信号：根据相位脉冲，在相位脉冲的上升沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的上桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将上桥IGBT控制信号置0；在相位脉冲的下降沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的下桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将下桥IGBT控制信号置0；
S5、将所生成的IGBT控制信号传输给功率单元控制芯片。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明将所检测的电网电压相位直接送入到主控制器以生成IGBT控制信号，IGBT的开通时间由主控制器来计算；通过对IGBT的通断时间分配，来控制开关管，以免功率单元的直流电压过压。本发明对开关管的控制不需要高频的PWM信号，也不需要很高的IGBT开关频率。采用本发明技术实施的级联式高压变频系统，具有功率单元直流电压平稳、损耗低、效率高的特点，体积紧凑，提高了高压变频系统用于四象限运行的实施效果和可行性。
2、本发明的IGBT控制信号生成分配单根据相位脉冲进行计时以控制IGBT上、下桥信号时，电网相位的周期T由电网电压相位检测单元实时求得，以实现对功率单元直流电压更精确的控制，使功率单元直流电压更加平稳。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有功率单元串联型高压变频器的结构图；
图2是功率单元拓扑结构图；
图3为本发明实施例的控制框图；
图4是电网移相变压单元的结构示意图；
图5是电网电压相位检测单元的结构框图；
图6是IGBT控制信号生成分配单元的结构框图；
图7是IGBT控制信号指令传输单元的工作流程图；
图8是功率单元电流计算保护单元的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例
如图3所示，为本实施例的控制框图，功率单元直流电压控制装置包括：电网移相变压单元、电网电压相位检测单元、主控制器、功率单元电流计算保护单元及功率单元控制芯片，所述主控制器包括相连接的IGBT控制信号生成分配单元和IGBT控制信号指令传输单元。其中，电网移相变压单元将电网电压根据60/N的移相角度(N为功率单元级数)，变成多组幅值相等相位不同的低压电源；电网电压相位检测单元用于检测电网电压的实时相位和求取实时电网相位周期T；IGBT控制信号生成分配单元根据所检测的电网电压实时相位和功率单元的输入电压的相移关系(相邻两级功率单元的相移为60/N)，计算每个功率单元的IGBT控制信号；IGBT控制信号指令传输单元用于将主控制器生成的IGBT控制信号传输给功率单元控制芯片；功率单元电流计算保护单元用于测量计算功率单元的输入电流，并在过流时(如变压器二次短路等异常情况发生时)关断IGBT控制信号，将保护信息传输给主控制器。
如图4所示，本实施例中电网移相变压单元的一次侧采用星型接法，二次侧有18个输出绕组，每三个输出电压相位相同，6组相位分别为-25、-15、-5、5、15、25，移相角为60/N，一次侧电压10KV，二次侧电压690V。
如图5所示，本实施例中电网电压相位检测单元，包括依次连接的电压互感器PT、信号处理板、CPU板和带通滤波器。电压互感器PT设置在高压出线柜中，用于采样电网电压。电压互感器PT将电网电压降低后所形成的二次电压信号送入信号处理板，经信号处理板调理后变成0-3V交流信号并送至CPU板，CPU板内置FPGA和PLL锁相环；CPU板内置FPGA对交流信号进行移相分配，产生M*3个相位脉冲，其中M为二次输出电压组数；然后经PLL锁相环计算每一时刻的电网相位，电网相位加上角度偏移量得出功率单元的输入电压相位角，其中角度偏移量与移相角相同，移相角为60/N；CPU板内置FPGA对每两个相邻的交流信号零点进行计时，得出T0，并对T0进行判断，若T0小于19ms，抛弃，T0大于21ms，抛弃，然后进行带通滤波，去掉错误值，求得实时电网相位周期T。在本实施例中，二次输出电压组数M与功率单元级数N在数值上相同。
如图6所示，本实施例中IGBT控制信号生成分配单元根据电网电压相位检测单元所计算的功率单元输入电压相位角，控制相位脉冲，当相位角大于0且小于等于180度时，相位脉冲置1；当相位角大于180度时，相位脉冲置0；然后根据相位脉冲，在相位脉冲的上升沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的上桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将上桥IGBT控制信号置0；在相位脉冲的下降沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的下桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将下桥IGBT控制信号置0，其中T为电网相位的周期。在实际应用中，电网电压的频率难免存在一定的偏移，因而电网相位周期其实并不是恒定的，本发明为了实现对功率单元直流电压更精确的控制，IGBT控制信号生成分配单根据相位脉冲的计时中，电网相位的周期T由电网电压相位检测单元实时求得。
如图7所示，本实施例中IGBT控制信号指令传输单元将主控制器所产生的IGBT控制信号，经过处理作为串行数据的0到5位，经光纤下发至功率单元控制芯片，功率单元控制芯片接收串行数据并解码，产生六路IGBT控制信号。
如图8所示，本实施例中功率单元电流计算保护单元采用电流传感器采集电流信息，并经采样处理电路转化为交流电压信号，交流电压信号经整流电路转化为直流电压信号；若直流电压信号超过设定值时，功率单元控制芯片关断IGBT控制信号，并将故障信息经光纤上传给系统监控中心。
本发明级联式高压变频器的功率单元直流电压控制方法，包括以下步骤：
S1、采样电网电压，将所采样电网电压降低后形成二次电压信号，对二次电压信号进行调理后变成交流信号；对交流信号进行移相分配，产生M*3个相位脉冲，其中M为二次输出电压组数；然后经PLL锁相环计算每一时刻的电网相位，将电网相位加上角度偏移量得出功率单元的输入电压相位角，其中角度偏移量与移相角相同，为60/N，N为功率单元级数。
S2、对每两个相邻的交流信号零点进行计时，得出T0，并对T0进行判断，若T0小于19ms则抛弃，T0大于21ms则抛弃，然后进行带通滤波，求得实时电网相位周期T。
上述步骤S1和S2通过电网电压相位检测单元来实现。
S3、根据所计算的功率单元输入电压相位角，控制相位脉冲，当相位角大于0且小于等于180度时，相位脉冲置1；当相位角大于180度时，相位脉冲置0。
S4、生成IGBT控制信号：根据相位脉冲，在相位脉冲的上升沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的上桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将上桥IGBT控制信号置0；在相位脉冲的下降沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的下桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将下桥IGBT控制信号置0。
上述步骤S3和S4通过IGBT控制信号生成分配单元来实现。
S5、将所生成的IGBT控制信号传输给功率单元控制芯片。
本实施例中，IGBT控制信号由IGBT控制信号指令传输单元经过处理后，形成串行数据的0到5位，经光纤下发至功率单元控制芯片。
S6、本发明控制方法，还可以测量计算功率单元的输入电流，并在过流时关断IGBT控制信号，以免变压器二次短路等异常情况发生时，过大的电流损害功率单元。
如上所述，便可较好地实现本发明。
Claims (10)
1.级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，其特征在于，包括电网移相变压单元、电网电压相位检测单元、主控制器及功率单元控制芯片，所述主控制器包括相连接的IGBT控制信号生成分配单元和IGBT控制信号指令传输单元；电网移相变压单元将电网电压根据一定的移相角度，变成多组幅值相等相位不同的低压电源；电网电压相位检测单元用于检测电网电压的实时相位和求取实时电网相位周期T；IGBT控制信号生成分配单元根据所检测的电网电压实时相位和功率单元的输入电压的相移关系，计算每个功率单元的IGBT控制信号；IGBT控制信号指令传输单元用于将主控制器生成的IGBT控制信号传输给功率单元控制芯片。
2.根据权利要求1所述的级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，其特征在于，所述电网电压相位检测单元首先计算每一时刻的电网相位，然后将电网相位加上角度偏移量得出功率单元的输入电压相位角，其中角度偏移量与移相角相同，为60/N，N为功率单元级数；
所述IGBT控制信号生成分配单元根据电网电压相位检测单元所计算的功率单元输入电压相位角，控制相位脉冲，当相位角大于0且小于等于180度时，相位脉冲置1；当相位角大于180度时，相位脉冲置0；然后根据相位脉冲，在相位脉冲的上升沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的上桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将上桥IGBT控制信号置0；在相位脉冲的下降沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的下桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将下桥IGBT控制信号置0。
3.根据权利要求1所述的级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，其特征在于，所述电网电压相位检测单元包括依次连接的电压互感器PT、信号处理板、CPU板和带通滤波器；电压互感器PT用于采样电网电压并将电网电压降低后所形成的二次电压信号送入信号处理板，经信号处理板调理后变成交流信号并送至CPU板，CPU板内置FPGA和PLL锁相环；CPU板内置FPGA对交流信号进行移相分配，产生M*3个相位脉冲，其中M为二次输出电压组数；然后经PLL锁相环计算每一时刻的电网相位，电网相位加上角度偏移量得出功率单元的输入电压相位角，其中角度偏移量与移相角相同，移相角为60/N，N为功率单元级数；CPU板内置FPGA对每两个相邻的交流信号零点进行计时，得出T0，并对T0进行判断，若T0小于19ms则抛弃，T0大于21ms则抛弃，然后进行带通滤波，求得实时电网相位周期T。
4.根据权利要求3所述的级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，其特征在于，所述电压互感器PT设置在高压出线柜中。
5.根据权利要求3所述的级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，其特征在于，所述二次输出电压组数M与功率单元级数N在数值上相同。
6.根据权利要求1所述的级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，其特征在于，所述电网移相变压单元的一次侧采用星型接法，二次侧有18个输出绕组，每三个输出电压相位相同，6组相位分别为-25、-15、-5、5、15、25，移相角为60/N。
7.根据权利要求1所述的级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，其特征在于，所述IGBT控制信号指令传输单元将IGBT控制信号经过处理作为串行数据的0到5位，经光纤下发至功率单元控制芯片。
8.根据权利要求1所述的级联式高压变频器的功率单元直流电压控制装置，其特征在于，所述功率单元直流电压控制装置还包括功率单元电流计算保护单元，用于测量计算功率单元的输入电流，并在过流时关断IGBT控制信号，将保护信息传输给主控制器。
9.级联式高压变频器的功率单元直流电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采样电网电压，将所采样电网电压降低后形成二次电压信号，对二次电压信号进行调理后变成交流信号；对交流信号进行移相分配，产生M*3个相位脉冲，其中M为二次输出电压组数；然后经PLL锁相环计算每一时刻的电网相位，将电网相位加上角度偏移量得出功率单元的输入电压相位角，其中角度偏移量与移相角相同，为60/N，N为功率单元级数；
S2、对每两个相邻的交流信号零点进行计时，得出T0，并对T0进行判断，若T0小于19ms则抛弃，T0大于21ms则抛弃，然后进行带通滤波，求得实时电网相位周期T；
S3、根据所计算的功率单元输入电压相位角，控制相位脉冲，当相位角大于0且小于等于180度时，相位脉冲置1；当相位角大于180度时，相位脉冲置0；
S4、生成IGBT控制信号：根据相位脉冲，在相位脉冲的上升沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的上桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将上桥IGBT控制信号置0；在相位脉冲的下降沿开始计时，计时T/6ms将功率单元的下桥IGBT控制信号置1，计时T/2ms后将下桥IGBT控制信号置0；
S5、将所生成的IGBT控制信号传输给功率单元控制芯片。
10.根据权利要求9所述的级联式高压变频器的功率单元直流电压控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S6、测量计算功率单元的输入电流，并在过流时关断IGBT控制信号。
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