CN109980652B - 一种基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，包括直流输入回路、交流主输入回路以及与交流主输入回路并联的交流旁输入回路；交流旁输入回路包括旁路输入开关，交流主输入回路包括输入隔离变压器、AC/DC整流器、DC/AC逆变器和输出隔离变压器，直流输入回路包括DC/DC双向变换器；交流旁输入回路输入端连接市电交流母线，通过旁路输入开关与静态开关连接，静态开关与电压暂降敏感负荷相连；交流主输入回路输入端连接市电交流母线，输入的交流电通过输入隔离变压器与AC/DC整流器连接；直流输入回路输入端连接蓄电池组。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，属于电力自动化技术领域。
背景技术
目前，对于工业现场中的负荷而言，如果电压发生变动或突然变化将导致其不能正常工作或功能下降，称这类负载为电压敏感性负荷。
近些年，随着对电能质量的要求不断提高，各方面越来越关注动态电能质量问题，其中最严重的当属电压暂降。电压暂降会引起敏感控制器的误动作，造成计算机系统失灵，自动化装置误动、变频调速器停顿；引起接触器脱扣或低电压保护起动，造成电动机、电梯停顿；最终导致生产波动、工艺流程中断、操作混乱，造成少则几十万元，多则上千万元的经济损失，严重的还会造成重大人身伤亡和环境污染事故。通过对工业现场的电气设备大量调研，我们总结出工业现场部分电压暂降敏感设备，具体分为以下几种类型：包括各类计算机、DCS、PLC；各类接触器、继电器等；各类变频器、伺服驱动器等。
目前，针对三相交流变频器的电压暂降治理方案多采用直流支撑的治理技术，这是与变频器的电路拓扑结构相关联的，变频器存在直流母线接口，方便直流接入。但是，对于其他类型的电压暂降敏感负荷，由于其电路拓扑结构的限制，无直流母线接口，无法采用直流支撑技术，即一些敏感负荷由于直接采用交流供电，无电力电子拓扑结构，无法采用直流支撑技术。因此，针对这些无法采用直流支撑技术来治理电压暂降的敏感负荷而言，必须寻求另外一种电压暂降治理方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，该设备可以实现工业现场电压暂降敏感负荷的电压暂降治理，尤其针对那些其电路拓扑结构无直流母线接口的电压暂降敏感负荷以及直接采用交流供电的电气设备，从而可以有效防止电压暂降敏感负荷因电压暂降事件引起的无故停机现象，进而有效保证了工业生产的连续性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，包括直流输入回路、交流主输入回路以及与交流主输入回路并联的交流旁输入回路；交流旁输入回路包括旁路输入开关，交流主输入回路包括输入隔离变压器、AC/DC整流器、DC/AC逆变器和输出隔离变压器，直流输入回路包括DC/DC双向变换器；交流旁输入回路输入端连接市电交流母线，通过旁路输入开关与静态开关连接，静态开关与电压暂降敏感负荷相连；交流主输入回路输入端连接市电交流母线，输入的交流电通过输入隔离变压器与AC/DC整流器连接；直流输入回路输入端连接蓄电池组，蓄电池组输入的直流电经DC/DC双向变换器升压后与AC/DC整流器的直流母线相连，经AC/DC整流器整流后的直流母线与DC/AC逆变器相连，DC/AC逆变器的输出端与输出隔离变压器相连，输出隔离变压器经过静态开关后与电压暂降敏感负荷相连；还包括单片机控制电路；单片机控制电路与DC/AC逆变器驱动端和DC/DC双向变换器的驱动端相连。
其中，电压暂降治理设备还包括人机交互界面，单片机控制电路通过SPI通讯接口与人机交互界面连接，单片机控制电路通过RS-485通讯接口与外部监控上位机相连。
其中，单片机控制电路采用的单片机型号为STM32F405RG，包括晶振Y、晶振电容C1、晶振电容C2、电源滤波电容C8和电源滤波电容C9；还包括输入交流电压采样端口AN0、输入交流电流采样端口AN2、输出交流电压采样端口AN1、输出交流电流采样端口AN3、直流母线电压采样端口AN4、蓄电池组电压采样端口AN5、蓄电池组电流采样端口AN6和散热器温度采样端口AN7；单片机的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号用来控制DC/AC逆变器的四个MOS管，PWM5、PWM6、PWM7、PWM8信号用来控制DC/DC双向变换器的四个IGBT。
其中，AC/DC整流器采用全桥不控整流拓扑结构，L、N为交流电输入，D1、D2、D3、D4为全桥整流二极管，C1为滤波电容。
其中，DC/AC逆变器采用全桥逆变电路，C2为输入滤波电容，Q1～Q4为MOS管，L1为输出滤波电感，C3为输出滤波电容，经L1和C3滤波后得到平滑的正弦波。
其中，DC/DC双向变换器采用两路交错并联的Buck/Boost电路拓扑结构，其中，DC48V来自蓄电池组的输出，C4和C5为低压侧滤波电容，L2和L3为电感，Q5～Q8为IGBT模块，C6和C7为高压侧滤波电容。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明可实现工业现场电压暂降敏感负荷的电压暂降治理，保证敏感负荷供电的连续性和可靠性；首先，本发明治理设备可实现大多数敏感负荷的电压暂降治理，治理范围宽；其次，本发明治理设备内部有隔离变压器，输入输出端均有电气隔离，安全可靠性高；最后，本发明治理设备在交流电压暂降和交流失电两种情形下均能对敏感负荷进行保护。
附图说明
图1为本发明治理设备的系统原理图；
图2为本发明治理设备中AC/DC整流器的电路原理图；
图3为本发明治理设备中DC/AC逆变器的电路原理图；
图4为本发明治理设备中DC/DC直流变流器的电路原理图；
图5为本发明治理设备中隔离变压器的电路原理图；
图6为本发明治理设备中单片机控制电路的电路原理图；
图7为本发明治理设备的控制流程图；
图8为本发明治理设备的电压闭环控制原理图；
图9为本发明治理设备的电流闭环控制原理图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1所示，本发明基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，包括直流输入回路、交流主输入回路以及与交流主输入回路并联的交流旁输入回路；交流旁输入回路包括旁路输入开关，交流主输入回路包括输入隔离变压器、AC/DC整流器、DC/AC逆变器和输出隔离变压器，直流输入回路包括DC/DC双向变换器；交流旁输入回路输入端连接市电交流母线，通过旁路输入开关与静态开关连接，静态开关与电压暂降敏感负荷相连；交流主输入回路输入端连接市电交流母线，输入的交流电通过输入隔离变压器与AC/DC整流器连接；直流输入回路输入端连接蓄电池组，蓄电池组输入的直流电经DC/DC双向变换器升压后与AC/DC整流器的直流母线相连，经AC/DC整流器整流后的直流母线与DC/AC逆变器相连，DC/AC逆变器的输出端与输出隔离变压器相连，输出隔离变压器经过静态开关后与电压暂降敏感负荷相连；还包括单片机控制电路；单片机控制电路与DC/AC逆变器驱动端和DC/DC双向变换器的驱动端相连。
本发明电压暂降治理设备还包括人机交互界面，单片机控制电路通过SPI通讯接口与人机交互界面连接，单片机控制电路通过RS-485通讯接口与外部监控上位机相连。
蓄电池组由4节12V100Ah的铅酸蓄电池串联组成，其输出的直流电经过DC/DC双向变换器升压后与AC/DC整流器整流后的直流母线直接相连，当输入的交流电出现电压暂降或失电后仍能够继续给DC/AC逆变器提供直流电源，保证敏感负荷供电的连续性。AC/DC整流器采用全桥不控整流电路，并进行整流后的电容滤波；DC/DC双向变换器具有双向变换功能，一方面能够将蓄电池组的低压升高到所需的直流电压，另一方面，从整流后直流母线取电给蓄电池组充电。DC/AC逆变器采用全桥SPWM逆变电路，将直流电逆变成所需的交流电，经输出隔离变压器隔离后给敏感负荷供电，静态开关由晶闸管构成，具有双路切换功能，实现DC/AC逆变器输出交流和交流旁路的切换功能；输入隔离变压器和输出隔离变压器均采用交流工频隔离变压器，实现交流的电气隔离。另外，本发明治理设备的蓄电池组放在设备外部，可以采用蓄电池组供电，也可以采用外部低压直流供电，蓄电池组维护简单方便，可靠性高；另外，内部DC/DC双向变换器也可以给蓄电池组充电。
基于交直流混合供电的电压暂降治理设备的输入端和市电以及蓄电池组同时相连，输出端经输出隔离变压器后与电压暂降敏感负荷相连，采用单片机控制电路对DC/DC双向变换器和DC/AC逆变器实现精准控制；通过在输入输出端加装隔离变压器，实现源端、变换器本体、负载端的电气隔离，保证了系统的安全和敏感负荷供电的可靠性；通过外加储能单元，实现交流失电时的电压暂降保护，且蓄电池组维护方便；另外，该治理设备在交流电压正常通过交流旁路给负荷供电，交流电压暂降时，通过DC/AC逆变器给负荷供电，切换时间短，负荷无扰动。
如图2所示，AC/DC整流单元采用全桥不控整流拓扑结构，L、N为交流电输入，D1、D2、D3、D4为全桥整流二极管，C1为滤波电容，让输出直流更加平滑。
如图3所示，DC/AC逆变单元采用全桥逆变电路，采用单极性倍频SPWM调制方案，C2为输入滤波电容，Q1～Q4为MOS管，L1为输出滤波电感，C3为输出滤波电容，经LC滤波后可以得到平滑的正弦波。
如图4所示，DC/DC双向变换器采用两路交错并联的Buck/Boost电路拓扑结构，其中DC48V来自蓄电池组的输出，C4和C5为低压侧滤波电容，L2和L3为电感，Q5～Q8为IGBT模块，C6和C7为高压侧滤波电容，可以实现对蓄电池组的充放电控制。
如图5所示，隔离变压器采用工频变压器实现交流电的电气隔离，提高系统的安全性与可靠性。
如图6所示，单片机数字控制电路原理图，单片机型号STM32F405RG，Y表示晶振，C1、C2为晶振电容，C8和C9为电源滤波电容；AN0、AN2为输入交流电压和电流采样端口，AN1和AN3为输出交流电压和电流采样端口，AN4为直流母线电压采样端口，AN5和AN6为蓄电池组电压和电流采样端口，AN7为散热器温度采样端口，单片机的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号用来控制DC/AC逆变器四个MOS管的通断时间，PWM5、PWM6、PWM7、PWM8信号用来控制DC/DC双向变换器四个IGBT的通断时间；单片机的485TX和485RX端口即为RS-485通讯接口，实现与外部监控系统的通讯，单片机通过其SPI通讯接口(SDI、SCK、SDO)与人机交互界面实现数据通讯，方便就地数据显示与参数设置。
本发明采用交直流混合供电技术实现敏感负荷电压暂降治理的功能是这样实现的：
本发明治理设备串联于市电(蓄电池组)与敏感负荷之间，在各模块及各参数初始化之后，由图7的控制流程图可知，单片机通过自身的AD单元采集输入交流电压，直流母线电压，进行相关的数据处理和数据运算，根据交流电压采样计算值和直流母线电压采样值，进行逻辑运算，执行相关的软件控制程序。
当单片机检测到交流电压正常时，DC/AC逆变器工作，处于热备用状态，单片机控制静态开关切换到交流旁路，由交流旁路给敏感负荷供电；同时，单片机控制DC/DC双向变换器处于降压工作状态，给蓄电池组充电；
当单片机检测到交流电压暂降时，DC/DC双向变换器切换到升压模式，保证直流母线电压的稳定输出，同时控制静态开关切换到DC/AC逆变器供电回路，通过DC/AC逆变器给敏感负荷供电，保证敏感负荷供电的连续性；
当单片机检测到交流电压恢复正常后，控制静态开关切换到交流旁路供电，同时，单片机控制DC/DC双向变换器处于降压工作状态，给蓄电池组充电；DC/AC逆变器工作，处于热备状态，为下次交流电压暂降做好准备。
本发明装置在电压正常时通过交流旁路给敏感负荷供电，功耗小，可靠性高；电压暂降时储能支撑可实现2ms无扰动切换，旁路切换时间＜2ms，确保敏感负荷在电压暂降期间连续正常运行。
如图8所示，电压闭环反馈控制环节：根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，
数字PI调节器输出的变化量：Δu(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k) (1)
增量式数字PI调节器的输出为：u(k)＝μ(k-1)+Δu(k) (2)
设定电压控制环节的电压给定值(如2.5V)，在单片机软件程序中计算出对应的数字量。利用单片机的AD模块来连续采集k与k-1时刻DC/DC双向变换器输出电压值，将其与电压给定值(2.5V)进行比较，即给定值减去电压采样值得到误差信号e(k)，e(k-1)，代入(1)式来计算电压调节器输出的变化量Δu(k)，再利用(2)式来计算电压控制环节的输出值u(k)，其中，e(k)，e(k-1)分别是k、k-1时刻的电压误差信号值，kp、ki分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为0.29、0.035。
输出电压的调节过程如下，如果双向变换器输出电压增加，超过设定电压，则AD采样的电压信号的数值就会增加，与给定电压值比较，误差信号就会变为负值，调节器的输出值就会减小，PWM驱动信号的占空比就会减小，输出电压就会下降，直至稳定在设定值；反之，如果双向变换器输出电压下降，小于设定电压，则AD采样的输出电压值就会小于设定电压，与给定电压值比较，得到的电压误差信号为正值，调节器的输出值就会增加，PWM驱动信号的占空比就会增加，输出电压就会增加，直至稳定在输出值。即通过改变调节器的输出值来改变PWM驱动信号的导通时间，就可以改变变换器中MOS管的导通时间，最终实现对输出电压的调节，保持输出电压的稳定。
如图9所示，电流控制环节：设定电流控制环节的电流给定值(如2.5V)，在单片机软件程序中计算出对应的数字量。利用单片机AD模块来连续采集k与k-1时刻变换器输出电流值，然后与电流给定值做差比较得到电流误差信号e(k)，e(k-1)，代入(3)式来计算电流调节器输出的变化量Δi(k)，再利用(4)式来计算电流控制环节的输出值i(k)，其中e(k)，e(k-1)分别是k、k-1时刻的电流误差信号值，kp、ki分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为0.639、0.0285。
根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，
数字PI调节器输出的变化量：Δi(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k) (3)
增量式数字PI调节器的输出为：i(k)＝i(k-1)+Δi(k) (4)
输出电流的调节过程和电压调节过程相同。
Claims (4)
1.一种基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，其特征在于：包括直流输入回路、交流主输入回路以及与交流主输入回路并联的交流旁输入回路；交流旁输入回路包括旁路输入开关，交流主输入回路包括输入隔离变压器、AC/DC整流器、DC/AC逆变器和输出隔离变压器，直流输入回路包括DC/DC双向变换器；交流旁输入回路输入端连接市电交流母线，通过旁路输入开关与静态开关连接，静态开关与电压暂降敏感负荷相连；交流主输入回路输入端连接市电交流母线，输入的交流电通过输入隔离变压器与AC/DC整流器连接；直流输入回路输入端连接蓄电池组，蓄电池组输入的直流电经DC/DC双向变换器升压后与AC/DC整流器的直流母线相连，经AC/DC整流器整流后的直流母线与DC/AC逆变器相连，DC/AC逆变器的输出端与输出隔离变压器相连，输出隔离变压器经过静态开关后与电压暂降敏感负荷相连；静态开关由晶闸管构成，具有双路切换功能，实现DC/AC逆变器输出交流和交流旁路的切换功能；还包括单片机控制电路；单片机控制电路与DC/AC逆变器驱动端和DC/DC双向变换器的驱动端相连；
单片机控制电路采用的单片机型号为STM32F405RG，包括晶振Y、晶振电容C1、晶振电容C2、电源滤波电容C8和电源滤波电容C9；还包括输入交流电压采样端口AN0、输入交流电流采样端口AN2、输出交流电压采样端口AN1、输出交流电流采样端口AN3、直流母线电压采样端口AN4、蓄电池组电压采样端口AN5、蓄电池组电流采样端口AN6和散热器温度采样端口AN7；单片机的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号用来控制DC/AC逆变器的四个MOS管，PWM5、PWM6、PWM7、PWM8信号用来控制DC/DC双向变换器的四个IGBT；
DC/DC双向变换器采用两路交错并联的Buck/Boost电路拓扑结构，其中，DC48V来自蓄电池组的输出，C4和C5为低压侧滤波电容，L2和L3为电感，Q5~Q8为IGBT模块，C6和C7为高压侧滤波电容；
当单片机检测到交流电压正常时，DC/AC逆变器工作，处于热备用状态，单片机控制静态开关切换到交流旁路，由交流旁路给敏感负荷供电；同时，单片机控制DC/DC双向变换器处于降压工作状态，给蓄电池组充电；
当单片机检测到交流电压暂降时，DC/DC双向变换器切换到升压模式，保证直流母线电压的稳定输出，同时控制静态开关切换到DC/AC逆变器供电回路，通过DC/AC逆变器给敏感负荷供电，保证敏感负荷供电的连续性；
当单片机检测到交流电压恢复正常后，控制静态开关切换到交流旁路供电，同时，单片机控制DC/DC双向变换器处于降压工作状态，给蓄电池组充电；DC/AC逆变器工作，处于热备状态，为下次交流电压暂降做好准备；
电压暂降时储能支撑实现2ms无扰动切换，旁路切换时间<2ms，确保敏感负荷在电压暂降期间连续正常运行。
2.根据权利要求1所述的基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，其特征在于：还包括人机交互界面，单片机控制电路通过SPI通讯接口与人机交互界面连接，单片机控制电路通过RS-485通讯接口与外部监控上位机相连。
3.根据权利要求1所述的基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，其特征在于：AC/DC整流器采用全桥不控整流拓扑结构，L、N为交流电输入，D1、D2、D3、D4为全桥整流二极管，C1为滤波电容。
4.根据权利要求1所述的基于交直流混合供电技术的电压暂降治理设备，其特征在于：DC/AC逆变器采用全桥逆变电路，C2为输入滤波电容，Q1~Q4为MOS管，L1为输出滤波电感，C3为输出滤波电容，经L1和C3滤波后得到平滑的正弦波。
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