CN112532087A - 一种开关型电网换流整流回馈系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关型电网换流整流回馈系统及其控制方法，属于电力电子变流技术领域，具体包括控制模块主要完成IGBT功率模块的触发控制，直流母线到电网的回馈功能；其中信号采集检测模块采集交直流电压和电流，并转换坐标系后，输送到电网同步锁相环模型跟踪并求出同步锁相角度θss，并按照触发逻辑开关扇区表，分配触发脉冲发送到功率模块；功率模块中由6个功率模块构成3相全桥整流回馈子模块，每个功率模块包含IGBT可关断器件和与之并联的二极管，6个二极管完成三相交流电压转换成直流电压，6个IGBT可关断器件完成直流母线回馈电网，其开通和关断与电网同步；本发明利用直流母线电压U_DC控制以限制无功电流，避免空载时回馈电流引起IGBT器件发热。

Description

一种开关型电网换流整流回馈系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变流技术领域，具体涉及一种开关型电网换流整流回馈系统及其控制方法。

背景技术

随着电力电子器件和变流器技术的发展，交流电源变成直流电源的技术在国民经济各行业得到迅猛发展，尤其在新能源、冶金和轨道交通等领域。

常用的交-直整流系统有二极管整流、晶闸管半控整流、绝缘栅双极型晶体管(IGBT或IGCT)的有源前端整流AFE(Active Front End)，也叫脉冲宽度调制PWM整流。

二极管整流系统是不控三相全桥整流，结构简单、经济且运行可靠，但是能量不能回馈电网，可以通过在直流母线上增加制动单元和制动电阻消耗再生能量。这样，不仅增加庞大的设备，也不节能环保。

晶闸管整流系统是半控三相全桥整流，每个桥臂由两只反并联的晶闸管组成，这种结构不仅能够实现能量回馈，还能实现四象限运行，直流母线电压可调且经济适用，但是存在当电网电压跌落时，能量回馈会出现逆变颠覆故障，造成系统过流，损坏器件。

有源前端AFE整流系采用IGBT或集成门极换流晶闸管IGCT可控开关器件，通过电压外环和电流内环双闭环调节，可实现能量回馈，也可以避免逆变颠覆故障。但由于采用PWM调制方式，需要增加大型LC进线滤波器，总体价格较前两者昂贵，控制系统也较为复杂。

针对上述几种整流电源特点，急需一种兼顾整流回馈功能和价格适中的回馈系统。

发明内容

针对上述问题；本发明提出了一种开关型电网换流整流回馈系统及其控制方法，能够兼顾整流和回馈功能，可以避免电网跌落时造成的逆变颠覆故障，其性能和价格都处于晶闸管整流系统与有源前端AFE整流系统之间，性价比高，控制方式简单，使用、维护方便。

所述的开关型电网换流整流回馈系统，包括功率模块和控制模块。

控制模块包括：操作及面板显示器，信号采集检测模块，核心处理模块，上位机和I/O逻辑控制模块；

核心处理模块通过以太网连接上位机，通过DP网连接I/O逻辑控制模块；信号采集检测模块与核心处理模块相连，同时通过DP网连接操作及面板显示器；核心处理模块的故障输出以及参数计算也经过操作及面板显示器进行显示。

核心处理模块包括：电网同步锁相环模型，以及与其相连的触发逻辑扇区表、故障保护监视模块和参数计算模块；

信号采集检测模块采集的信号包括：交流进线的电压和电流信号，直流母线的电压信号以及开关器件的温度信号；将采集的进线电压Ua、Ub、Uc从三相坐标系转换为两相静止坐标系，得到两相电压矢量Uα和Uβ输送到电网同步锁相环模型，电网同步锁相环模型从静止α、β坐标系转换到同步旋转的d、q坐标系下，并求出电网的同步锁相角度θss，如果直流母线电压U_DC激活控制有效，系统综合使能有效，此时，将电网同步锁相角度输送到触发逻辑扇区表，根据锁相角度，按照触发逻辑开关扇区表，分配触发脉冲并发送到功率模块；电网同步锁相环模型把相关参数输送到参数计算模块进行有功电流iq、无功电流id、有功功率，无功功率、总功率、功率因数、实际电流和直流母线电压U_DC的计算，并将计算结果通过DP网在面板显示器上进行显示。如果直流母线电压U_DC激活控制无效，封锁六个功率模块T1～T6；直流母线没有回馈功能。

功率模块包括：三相主断路器QA，预充电三相接触器KZ和电阻R，进线电抗器L1，电流互感器CT，电压互感器PT，整流回馈子模块AC/DC，直流母线和直流电压互感器；

三相接触器KZ串联三相电阻R构成预充电回路；

I/O逻辑控制模块发出合闸/分闸指令控制三相主断路器QA以及预充电回路；同时三相主断路器QA以及预充电回路构成并联电路，一端连接三相交流进线A、B、C，另一端连接三相电抗器L1；

进一步，三相主断路器QA通过I/O逻辑控制模块控制其分或合，将三相交流进线A、B、C进行接入；

三相电抗器L1依次经三相电流互感器CT和三相电压互感器PT连接整流回馈子模块AC/DC；

三相电流互感器CT副边形成交流电流ia、ib、ic，并传输到信号采集检测模块；

三相电压互感器PT副边形成交流侧电压Ua、Ub、Uc，并传输到信号采集检测模块；

整流回馈子模块AC/DC包括：六个IGBT功率模块、三只熔断器和一个驱动板；

整流回馈子模块AC/DC的输出连接直流母线，同时，直流母线并联直流电压互感器；直流电压互感器检测直流母线的输出电压；

直流母线为电容C1以及两个串联的均压电阻构成的并联电路。

进一步，均压电阻用于直流母线的均压和能量泄放；直流电压互感器形成直流电压U_DC，并输送给信号采集检测模块。

所述的整流回馈子模块AC/DC的具体结构如下：

每个IGBT功率模块都包括：一个IGBT及与其并联的二极管，每两只功率模块构成每一相的上下两个桥臂，共形成六个功率模块T1～T6，完成三相全桥整流及回馈电路，其中的二极管完成三相交流电压转换成直流电压，IGBT完成直流母线到电网的回馈功能；驱动板接收触发逻辑扇区表发送的六路触发脉冲，并进行整形、放大和驱动后，分别输出给6个功率模块T1～T6，对其中的IGBT发出导通和关断信号；同时6个功率模块的导通和关断状态通过光纤反馈给核心处理模块；

经三相电压互感器PT输入整流回馈子模块AC/DC的电压，首先经过三相熔断器FU与三相全桥整流及回馈电路进行连接，具体为：A相熔断器FU1接开关器件T1阳极与开关器件T2阴极连接点，B相熔断器FU2接开关器件T3阳极与开关器件T4阴极连接点，C相熔断器FU3接开关器件T5阳极与开关器件T6阴极连接点，开关器件T1、T3和T5的阴极连接在一起输出直流母线DC+，开关器件T2、T4和T6的阳极连接在一起输出直流母线DC-，直流母线DC+和DC-之间是直流电压互感器；

所述的触发逻辑开关扇区表包括内圆圈和外圆圈，内圆圈包括3个扇区：T1、T3和T5形成上桥臂；外圆圈也包括三个扇区：T2、T4和T6，为下桥臂；内圆圈与外圆圈为同心圆，内圆圈的3个扇区与外圆圈的3个扇区交错，外圆圈外为与其同心的正六边形，正六边形6个顶点从0°到360°，间隔60°逆时针分布，分别对应六个开关器件的触发角度及时序，具体为：正六边形0°顶点到圆心的连线与开关器件T4和T6的分界线重合，正六边形60°顶点到圆心的连线与开关器件T1和T3的分界线重合，正六边形120°顶点到圆心的连线与开关器件T6和T2的分界线重合，正六边形180°顶点到圆心的连线与开关器件T3和T5的分界线重合，正六边形240°顶点到圆心的连线与开关器件T2和T4的分界线重合，正六边形300°顶点到圆心的连线与开关器件T5和T1的分界线重合；

所述的开关型电网换流整流回馈系统的控制方法，具体步骤如下：

步骤一、将整个开关型电网换流整流回馈系统的功率模块和控制模块的各部分连接好，通电后合闸预充电回路和三相主断路器QA；

步骤二、三相交流进线电压依次经过三相电抗器L1，三相电流互感器CT和三相电压互感器PT输入到整流回馈子模块AC/DC，经过不同的开关器件完成整流后，直流母线输出DC-和DC+，形成直流母线电压U_DC1，直流电压互感器副边形成的直流母线电压U_DC发送给信号采集检测模块；

步骤三、信号采集检测模块采集三相电压互感器PT副边形成的交流电网电压矢量Ua，Ub，Uc，以及三相电流互感器CT副边形成的交流电流ia、ib、ic。

步骤四、将采集的三相交流电压Ua，Ub，Uc，输送给电网同步锁相环模型进行处理，将三相交流电压Ua，Ub和Uc从三相坐标系转换为两相静止坐标系，得到两相电压矢量Uα和Uβ；

步骤五、将两相电压矢量Uα和Uβ从静止α、β坐标系转换到同步旋转的d、q坐标系下，计算转换时的输入角度θss，并作为电网同步锁相角；

具体过程为：

步骤501，同步旋转的d、q坐标系下，将实际电网电压矢量U定向在d轴上；

步骤502，给定q轴电压Uq*＝0，与反馈值Uq一起输入PI调节器进行闭环控制，输出角频率偏差Δω；

反馈值Uq初始值为0。

步骤503，角频率偏差Δω与基准角频率(2πf)相加得到角频率ω，经积分器输出角度后与2π取模，得到角度θss后，再进行α、β→d、q坐标变换，得到反馈值Uq；

步骤504，将反馈值Uq返回步骤502继续进行闭环调节，直到最后输出Uq＝0，此时电网同步锁相电压Uss与实际电网电压矢量U重合，输入角度θss即为电网同步锁相角。

步骤六、利用预先设置的限幅电压U_DC-lim，判断实际电压值U_DC-act是否低于限幅值U_DC-lim；如果是，进入步骤七，否则，进入步骤八；

步骤七、封锁六个开关器件，直流母线电压U_DC没激活，直流母线没有回馈功能，避免空载时回馈电流引起IGBT器件发热。

步骤八、激活直流母线电压U_DC控制，判断是否系统使能有效(系统无故障，无急停操作)，如果是，则综合使能有效，则利用电网同步锁相角θss触发逻辑开关扇区表，触发扇区根据自然换相点角度α进行各扇区的打开和关闭，形成触发脉冲发送给整流回馈子模块AC/DC的驱动板；否则，进入步骤七。

具体为：

首先、初始设定自然换相点角度α＝θss-30°，判断是否满足0°<α≤60°，如果是，则T1和T6扇区重合，功率模块T1和T6导通，其他关断，即功率模块T1＝1，T2＝0，T3＝0，T4＝0，T5＝0，T6＝1，T1导通角为120°。

否则，继续判断是否满足60°<α≤120°时，如果是，T6和T3扇区重合，则功率模块T6和T3导通，其他关断，T6导通角为120°。

否则，继续判断是否满足120°<α≤180°时，如果是，T3和T2扇区重合，则功率模块T3和T2导通，其他关断，T3导通角为120°。

否则，继续判断是否满足180°<α≤240°时，如果是，T2和T5扇区重合，则功率模块T2和T5导通，其他关断，T2导通角为120°。

否则，继续判断是否满足240°<α≤300°时，如果是，T5和T4扇区重合，则功率模块T5和T4导通，其他关断，T5导通角为120°。

否则，继续判断是否满足300°<α≤360°(0°)时，如果是，T4和T1扇区重合，则功率模块T4和T1导通，其他关断，T4导通角为120°。

否则，功率模块T1到T6全部关断。

步骤九、驱动板接收触发逻辑扇区表发送的六路触发脉冲，分别输出给6个功率模块T1～T6，导通相应的功率模块，在各自相电压自然换相点角度α＝0°开始导通，导通角为120°后关断，完成直流母线回馈电网的功能。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明一种开关型电网换流整流回馈系统，采用6个IGBT可关断功率模块，既满足整流功能，又具备回馈功能，电网跌落时，立即关断6只开关器件，有效避免逆变颠覆故障。相比其他整流回馈系统，性价比高，控制简单，系统故障率低。

(2)本发明一种开关型电网换流整流回馈系统，采用6个IGBT可关断功率模块，每个功率模块包含IGBT和与之并联的二极管，二极管完成整流功能，IGBT完成回馈电网功能。IGBT的回馈功能由核心处理模块DSP+FPGA完成，通过采集进线相电压Ua，Ub，Uc，利用电网同步锁相环模型完成ABC→α、β→d、q坐标变换，以及跟踪和定向锁相角θss，根据触发逻辑开关扇区表开通和关断IGBT器件，完成直流母线回馈电网的功能。

(3)本发明一种开关型电网换流整流回馈控制方法，整流回馈系统在空载运行时，存在无功电流，IGBT器件发热会导致系统因过流而故障停机，采用直流母线电压U_DC控制有效解决了这个问题。

(4)本发明一种开关型电网换流整流回馈控制方法，采用触发逻辑开关扇区表，内外同心圆都包括3个扇区，通过扇区的表达形式，相比之前的列表图，看起来更加简单，清晰名了。

附图说明

图1是本发明一种开关型电网换流整流回馈系统的组成框图；

图2是本发明一种开关型电网换流整流回馈系统中功率模块电路图；

图3是本发明一种开关型电网换流整流回馈系统中控制模块框图；

图4是本发明所述的电网同步锁相环模型原理结构图以及矢量图；其中，图(a)是电网同步锁相环模型原理结构图，图(b)是电网同步锁相环矢量图；

图5是本发明采用电网同步锁相环的仿真波形图；

图6是本发明采用的触发逻辑开关扇区图；其中图a为IGBT器件的触发逻辑开关扇区图，图b为IGBT开关器件组成的整流回馈系统电路图；

图7是本发明电网同步锁相及触发逻辑开关扇区程序框图；

图8是本发明利用控制直流母线电压U_DC的控制框图；

图9是本发明一种开关型电网换流整流回馈系统的实际应用框图。

图10是本发明一种开关型电网换流整流回馈系统方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明提供了一种开关型电网换流整流回馈系统，如图1所示，包括：功率模块和控制模块。

控制模块包括：操作及面板显示器，信号采集检测模块，核心处理模块，上位机和I/O逻辑控制模块；功率模块包括交流进线主断路器和预充电回路、进线电抗器L1、交直流电流电压检测模块，整流回馈子模块AC/DC、直流母线以及直流电压互感器。

如图2所示，交流进线主断路器包括：三相交流进线A、B、C和三相主断路器QA；

预充电回路包括预充电三相接触器KZ串联三相电阻R1-R3；

交直流电流和电压检测模块包括：电流互感器CT1-CT3和电压互感器PT1-PT3，用于检测主回路三相交流电流ia1、ib1、ic1，以及交流电压Ua1、Ub1、Uc1，以及检测直流母线电压U_DC1；

整流回馈子模块AC/DC包括：六个IGBT功率模块、三只熔断器FU1-FU3和一个驱动板；每个IGBT功率模块包括：一个IGBT器件及与其并联的二极管，每两只功率模块构成每一相的上下两个桥臂，共形成六个功率模块T1～T6，完成三相全桥整流及回馈电路，其中的二极管完成三相交流电压转换成直流电压，IGBT完成直流母线到电网的回馈功能；

直流母线包括电容C1，两个串联的均压电阻；均压电阻R1和R2用于直流电容C1的均压和能量泄放；直流母线两端并联直流电压互感器，直流母线输出DC-和DC+，经过直流电压互感器，形成直流母线电压U_DC；

交流进线主断路器模块中的三相交流进线A、B、C分别接入三相主断路器QA，三相主断路器QA通过分或合控制三相交流进线A、B、C是否接入；

三相主断路器QA并联预充电回路，预充电回路在交流主进线断路器合闸QA时，通过三相电阻R对直流母线充电到额定工作电压后，再合交流主进线断路器，有效避免二极管整流输出电压对直流母线直接充电，给功率模块造成很大电流冲击；

三相主断路器QA另一端依次连接三相电抗器L1、电流互感器CT1-CT3、电压互感器PT1-PT3以及熔断器FU1-FU3；电抗器L1的功能是增加进线回路的短路阻抗，限制电流冲击。

所述的IGBT六个功率模块T1～T6中，每两个构成每一相的上下两个桥臂，形成三相全桥整流及回馈电路；三相熔断器FU1-FU3与三相全桥整流及回馈电路进行连接，用于过流保护；具体为：

A相熔断器FU1接开关器件T1阳极与开关器件T2阴极连接点，B相熔断FU2器接开关器件T3阳极与开关器件T4阴极连接点，C相熔断器FU3接开关器件T5阳极与开关器件T6阴极连接点，IGBT功率模块的开关器件T1、T3和T5的阴极连接在一起输出直流母线DC+，IGBT功率模块T2、T4和T6的阳极连接在一起输出直流母线DC-，直流母线DC+和DC-之间是直流电压互感器，用于检测直流母线电压。

所述的开关器件分别有各自的驱动板，驱动板接收来自控制模块触发脉冲，并进行整形、放大和驱动后，分别输出给6个功率模块T1～T6，对其中的IGBT发出导通和关断信号；同时6个功率模块的导通和关断状态通过光纤反馈给控制模块；驱动板的输入和输出端信号线均采用光纤。

所述的控制模块如图3所示，上位机通过以太网连接核心处理模块，同时核心处理模块通过DP网连接I/O逻辑控制模块，核心处理模块同时接收信号采集检测模块的输出，信号采集检测模块通过DP网连接操作及面板显示器进行显示；核心处理模块的故障输出也经过操作及面板显示器进行显示。

信号采集检测模块用于采集交流侧电压Ua、Ub、Uc和电流ia、ib、ic信号，以及直流母线电压Udc、开关器件温度值等等；

I/O逻辑控制模块包括：可编程控制器、开关量输入模板、开关量输出模板以及Profibus-DP网络模板，通过Profibus-DP网络模板实现与核心处理模块的通讯；主要完成整流回馈系统的启动、运行和停止等逻辑连锁，以及控制完成合/分预充电三相接触器KZ、合/分三相主断路器QA、功率模块的风机和控制其他逻辑。

可编程控制器选用可编程控制器S1200；

Profibus-DP模板包括16位输出模板和16位输入模板；

核心处理模块包括：电网同步锁相环模型，以及与其相连的触发逻辑扇区表、故障保护监视模块以及参数计算模块；

故障保护监视模块的功能是对进线电压的过压、欠压以及电压频率的故障监测及报警，对直流母线电压过压、欠压故障监测及报警，对直流母线电压过压、欠压故障监测及报警，预充电故障监视及报警，过流故障监测及报警；

参数计算模块包括：计算整流回馈系统的有功电流iq、无功电流id、有功功率，无功功率、总功率、功率因数、实际电流以及直流母线电压U_DC。

信号采集检测模块将采集的三相交流电压Ua，Ub和Uc从三相坐标系转换为两相静止坐标系，得到两相电压矢量Uα和Uβ输送到电网同步锁相环模型，电网同步锁相环模型从静止α、β坐标系转换到同步旋转的d、q坐标系下，并求出电网的同步锁相角度θss，如果直流母线电压U_DC激活控制有效，系统使能有效(系统无故障，无急停操作)，则综合使能有效，此时，将电网同步锁相角度输送到触发逻辑扇区表，根据锁相角度，按照触发逻辑开关扇区表，分配触发脉冲并发送到功率模块。电网同步锁相环模型把相关参数输送到参数计算模块进行有功电流iq、无功电流id、有功功率，无功功率、总功率、功率因数、实际电流和直流母线电压U_DC的计算，并将计算结果通过DP网在面板显示器上进行显示。

三相交流进线通过IGBT功率模块中的二极管整流输出直流电压，通过控制回路导通和关断IGBT完成直流母线到电网的能量回馈，触发导通频率为50Hz，与电网同步。

电网同步锁相环模型，如图4a和图4b所示，将检测的交流进线三相电压矢量Ua，Ub，Uc从三相坐标系ABC转换为两相静止α、β坐标系，得到电压矢量Uα，Uβ；结合实际电网电压矢量U，矢量角度θ，将其转换为同步旋转的d、q坐标系，其中将实际电压矢量U定向在d轴，同步旋转d、q轴系输出电网同步锁相电压为Uss，锁相角度矢量为θss，通过电网同步锁相环模型运算，要求Uq轴分量为零，给定的Uq*＝0与经过模型调整的反馈值Uq经过PI调节器闭环控制输出角频率偏差Δω，再与基准角频率(2πf)相加得到角频率ω，经过积分之后得出角度，再与2π取模，经过对Uq闭环控制使实际值Uq＝0，得到的θss即为电网同步锁相角；此时，锁相电压Uss与实际电压U重合，锁相角度θss与实际矢量角度θ重合。

锁相角度θss确定后，再转化成相电压对应的α角度，按照触发逻辑开关扇区表，在相电压自然换相点(即α＝0°)开始导通，导通角为120°后关断，完成直流母线回馈电网的功能。

所述的开关器件的触发逻辑开关扇区表如图6a所示，包括内圆圈和外圆圈，内圆圈包括3个扇区：T1、T3和T5形成上桥臂；外圆圈也包括三个扇区：T2、T4和T6，为下桥臂；内圆圈与外圆圈为同心圆，内圆圈的3个扇区与外圆圈的3个扇区交错，外圆圈外为与其同心的正六边形，正六边形6个顶点从0°到360°，间隔60°逆时针分布，分别对应六个开关器件的触发角度及时序，具体为：正六边形0°顶点到圆心的连线与开关器件T4和T6的分界线重合，正六边形60°顶点到圆心的连线与开关器件T1和T3的分界线重合，正六边形120°顶点到圆心的连线与开关器件T2和T6的分界线重合，正六边形180°顶点到圆心的连线与开关器件T3和T5的分界线重合，正六边形240°顶点到圆心的连线与开关器件T2和T4的分界线重合，正六边形300°顶点到圆心的连线与开关器件T5和T1的分界线重合；

操作及面板显示器通过Profibus-DP网络模板与核心处理模块通讯，本地操作内容有启动、停止、急停、直流母线基本参数设置，如直流母线电容C1、电阻、电感值，进线电抗器L1参数等等；显示整流/回馈系统的有功电流、无功电流、功率因数、实际电流、总功率、故障报警显示等。

上位机通过以太网络与核心处理模块通讯实现远程人机交互，操作内容有启动、停止、急停，参数设置，显示整流/回馈系统的有功电流、无功电流、功率因数、实际电流、总功率、故障报警显示等。

所述的开关型电网换流整流回馈系统的控制方法，如图10所示，具体步骤如下：

步骤一、将整个开关型电网换流整流回馈系统的功率模块和控制模块的各部分连接好，通电后合闸预充电回路和三相主断路器QA；

步骤二、三相交流进线电压依次经过三相电抗器L1，三相电流互感器CT和三相电压互感器PT输入到整流回馈子模块AC/DC，经过不同的开关器件完成整流后，直流母线输出DC-和DC+，形成直流母线电压U_DC1，直流电压互感器副边形成的直流母线电压U_DC发送给信号采集检测模块；

步骤三、信号采集检测模块采集三相电压互感器PT形成的交流电网电压矢量Ua，Ub，Uc，以及三相电流互感器CT形成的交流电流ia、ib、ic。

步骤四、将采集的三相交流电压Ua，Ub，Uc，输送给电网同步锁相环模型进行处理，将三相交流电压Ua，Ub和Uc从三相坐标系转换为两相静止坐标系，得到两相电压矢量Uα和Uβ；

步骤五、将两相电压矢量Uα和Uβ从静止α、β坐标系转换到同步旋转的d、q坐标系下，计算转换时的输入角度θss，并作为电网同步锁相角；

如图7所示，采集交流进线相电压Ua，Ub，Uc，将三相坐标系ABC转换为两相静止坐标α、β坐标系，设置锁相角初始值θ0，再转换为同步旋转的d、q轴坐标系，判断Uq实际值是否为零，如果不为零，则Uq经过PI调节器闭环控制使实际值Uq＝0，得到的θss即为电网同步锁相角，再转化成相电压对应的α角度，再判断综合使能(系统使能和电压U_DC控制使能相与逻辑)是否为1，如果为0，则封锁T1-T6开关器件脉冲，如果为1，则按照触发逻辑开关扇区表，导通相应的T1-T6开关器件，完成直流母线回馈电网的功能。

具体过程为：

步骤501，同步旋转的d、q坐标系下，将实际电网电压矢量U定向在d轴上；

步骤502，给定q轴电压Uq*＝0，与反馈值Uq一起输入PI调节器进行闭环控制，输出角频率偏差Δω；

反馈值Uq初始值为0。

步骤503，角频率偏差Δω与基准角频率(2πf)相加得到角频率ω，经积分器输出角度后与2π取模，得到角度θss后，再进行α、β→d、q坐标变换，得到反馈值Uq；

步骤504，将反馈值Uq返回步骤502继续进行闭环调节，直到最后输出Uq＝0，此时电网同步锁相电压Uss与实际电网电压矢量U重合，输入角度θss即为电网同步锁相角。

步骤六、利用预先设置的限幅电压U_DC-lim，判断实际电压值U_DC-act是否低于限幅值U_DC-lim；如果是，进入步骤七，否则，进入步骤八；

步骤七、封锁六个开关器件，直流母线电压U_DC没激活，直流母线没有回馈功能，避免空载时回馈电流引起IGBT器件发热。

直流母线电压U_DC控制如图8所示，在整流回馈系统空载运行时，由于进线电网电压交流波动，使得IGBT器件经常在相电压自然换相点时导通，如果直流母线电压大于交流侧电网电压时，电流回馈电网，由于进线电网电压交流波动，使得IGBT器件经常导通和关断，造成无功电流，引起IGBT器件发热。负载增加后无功电流会减小，所以要对直流母线电压进行控制，设置一个限幅电压U_DC-lim，当直流母线实际电压值U_DC-act低于电压限幅值U_DC-lim时，直流母线电压U_DC控制没激活，开关打到0，PI调节器输出为0，触发使能信号为0，封锁六个开关器件，此时只有二极管整流功能，直流母线没有回馈功能。

步骤八、激活直流母线电压U_DC控制，判断是否系统使能有效(系统无故障，无急停操作)，如果是，则综合使能有效，则利用电网同步锁相角θss触发逻辑开关扇区表，触发扇区根据自然换相点角度α进行各扇区的打开和关闭，形成触发脉冲发送给整流回馈子模块AC/DC的驱动板；否则，进入步骤七。

当直流母线电压高于U_DC-lim电压值时，直流母线电压U_DC控制激活，开关从0打到1，实际电压值U_DC-act和电压限幅值U_DC-lim比较后进入PI比例积分调节器进行比例积分控制，PI比例积分调节器输出为正值，触发使能信号由0变为1信号，直流母线电压U_DC控制激活使能有效，如果综合使能(系统使能和电压U_DC控制使能相与逻辑)为1，则会根据触发逻辑开关扇区表，导通和关断相应的IGBT器件，进行直流母线向电网的能量回馈。直流母线电压U_DC控制，可以减小在空载时无功电流引起的IGBT器件发热问题，同时也能满足有能量回馈需求。

具体为：

首先、初始设定自然换相点角度α＝θss-30°，判断是否满足0°<α≤60°，如果是，则T1和T6扇区重合，功率模块T1和T6导通，其他关断，即功率模块T1＝1，T2＝0，T3＝0，T4＝0，T5＝0，T6＝1，T1导通角为120°。

否则，继续判断是否满足60°<α≤120°时，如果是，T6和T3扇区重合，则功率模块T6和T3导通，其他关断，T6导通角为120°。

否则，继续判断是否满足120°<α≤180°时，如果是，T3和T2扇区重合，则功率模块T3和T2导通，其他关断，T3导通角为120°。

否则，继续判断是否满足180°<α≤240°时，如果是，T2和T5扇区重合，则功率模块T2和T5导通，其他关断，T2导通角为120°。

否则，继续判断是否满足240°<α≤300°时，如果是，T5和T4扇区重合，则功率模块T5和T4导通，其他关断，T5导通角为120°。

否则，继续判断是否满足300°<α≤360°(0°)时，如果是，T4和T1扇区重合，则功率模块T4和T1导通，其他关断，T4导通角为120°。

否则，功率模块T1到T6全部关断。

步骤九、驱动板接收触发逻辑扇区表发送的六路触发脉冲，分别输出给6个功率模块T1～T6，导通相应的功率模块，在各自相电压自然换相点角度α＝0°开始导通，导通角为120°后关断，完成直流母线回馈电网的功能。

本实施例中，开关型电网换流整流回馈系统容量为1500kW/690V；选用的交流进线主断路器QA选型：3WT智能系列，690V/2000A。预充电电阻R1-R3选型20Ω/30W；三相接触器KZ选型LC1-200A/690V；电抗器L1选型1500A/0.04uH；熔断器FU1-FU3选型800V/1500A；IGBT功率模块的T1-T6选型1700V/2400A；直流电容C1选型4700V的电解电容，总量为18800uF；均压电阻R1-R2选型10kΩ/30W；交流电流互感器CT1-CT3选型LF 2000A；交流电压互感器PT1-PT3选型LV 1000V；直流电压互感器选型LV 2000V；

核心处理模块的控制板由数字信号处理DSP和现场可编程门阵列FPGA及相关外围电路组成，DSP型号为TMS320lF28335，FPGA的型号为CycloneII；控制板主要完成对采集的交流侧电压Ua、Ub、Uc以及电流ia、ib、ic信号进行ABC→α、β→d、q轴系坐标变换，利用电网同步锁相环模型跟踪同步角度，根据角度和触发逻辑开关扇区表，确定6只开关器件的导通和关断，IGBT器件的开通和关断与电网换流同步，在电网相电压的自然换相点上，即导通角α＝0°时开始导通，导通角为α＝120°时关断，完成由直流母线向交流电网的回馈功能；当整流回馈系统空载运行时，需要控制直流母线电压U_DC用以限制无功电流，避免空载时回馈电流引起IGBT器件发热问题；控制板还要完成计算整流回馈系统有功、无功功率以及功率因数等参量，以及检测功率模块的反馈状态。

电网同步锁相环模型的仿真波形如图5所示，图5a是电网三相交流进线相电压波形，图5b是电网同步锁相角θss，可以看出θss是从Ua的过零点开始的，到20ms(50Hz)周期结束。图5c是T1的触发波形，从Ua的自然换相点(α＝0°)开始导通，导通角度为120°时关断。图5d是T3的触发波形，从Ub的自然换相点(α＝120°)开始导通，导通角度为120°时关断。图5e是T5的触发波形，从Uc的自然换相点(α＝240°)开始导通，导通角度为120°时关断。同理，T2、T4和T6在Ua、Ub和Uc的负半周的自然换相点α＝180°、α＝300°和α＝60°时开始导通，导通角度为120°时关断。

当电网同步锁相角θss角度确定后，再转化成电网同步锁相电压对应的α角度，按照图6a的触发逻辑开关扇区表，当0°<α≤60°时，T1和T6扇区重合，则T1和T6导通，其他关断。当60°<α≤120°时，T6和T3扇区重合，则T6和T3导通，其他关断，T6导通角为120°。当120°<α≤180°时，T3和T2扇区重合，则T3和T2导通，其他关断，T3导通角为120°。当180°<α≤240°时，T2和T5扇区重合，则T2和T5导通，其他关断，T2导通角为120°。当240°<α≤300°时，T5和T4扇区重合，则T5和T4导通，其他关断，T5导通角为120°。当300°<α≤360°(0°)时，T4和T1扇区重合，则T4和T1导通，其他关断，T4导通角为120°，T1导通角为120°。

如图9所示，为本发明开关型电网换流整流回馈系统的运行程序框图。分成4个步序，Step1为主断路器禁止合上，当传动参数和外部器件就绪时；Step2准备合上主断路器，合主断路器信号上升沿有效；Step3为预充电合闸且正常，主断路器合闸且正常，如果有故障或手动分闸时，回到Step2步序。Step3为系统就绪，主断路器已合，启动电网同步锁相环模型计算，如果有故障或手动分闸时，回到Step2步序；如果有急停操作时，回到Step1步序。这时综合系统使能(系统使能和电压U_DC控制使能相与逻辑)为1，则进入Step4运行状态，按逻辑开关扇区表发脉冲，IGBT器件投入工作，完成回馈功能，如果有故障或者综合使能为0，回到Step2步序，如果有急停操作时，回到Step1步序，综合使能为0时，回到Step3步序。

Claims (9)

1.一种开关型电网换流整流回馈系统，包括功率模块和控制模块，其特征在于：所述的控制模块包括：操作及面板显示器，信号采集检测模块，核心处理模块，上位机和I/O逻辑控制模块；

核心处理模块包括：电网同步锁相环模型，以及与其相连的触发逻辑扇区表、故障保护监视模块和计算参数模块；

信号采集检测模块采集的信号包括：交流进线的电压和电流信号，直流母线的电压信号以及开关器件的温度信号；将采集的进线电压Ua、Ub、Uc从三相坐标系转换为两相静止坐标系，得到两相电压矢量Uα和Uβ输送到电网同步锁相环模型，电网同步锁相环模型从静止α、β坐标系转换到同步旋转的d、q坐标系下，并求出电网的同步锁相角度θss，如果直流母线电压U_DC激活控制有效，系统使能有效(系统无故障，无急停操作)，则综合使能有效，此时，将电网同步锁相角度输送到触发逻辑扇区表，根据锁相角度，按照触发逻辑开关扇区表，分配触发脉冲并发送到功率模块；电网同步锁相环模型把相关参数输送到参数计算模块进行有功电流iq、无功电流id、有功功率，无功功率、总功率、功率因数、实际电流和直流母线电压U_DC的计算，并将计算结果通过DP网在面板显示器上进行显示；

功率模块包括：三相主断路器QA，预充电回路，进线电抗器L1，电流互感器CT，电压互感器PT，整流回馈子模块AC/DC，直流母线和直流电压互感器；

I/O逻辑控制模块发出合闸/分闸指令控制三相主断路器QA以及预充电回路，通过三相电抗器L1依次经三相电流互感器CT和三相电压互感器PT连接整流回馈子模块AC/DC；

整流回馈子模块AC/DC的输出连接直流母线，同时，直流母线并联直流电压互感器；直流电压互感器形成直流电压U_DC，输送给信号采集检测模块；

整流回馈子模块AC/DC包括：六个IGBT功率模块、三只熔断器和一个驱动板；

每个IGBT功率模块都包括：一个IGBT及与其并联的二极管，每两只功率模块构成每一相的上下两个桥臂，共形成六个功率模块T1～T6，完成三相全桥整流及回馈电路，其中的二极管完成三相交流电压转换成直流电压，IGBT完成直流母线到电网的回馈功能；

经三相电压互感器PT输入整流回馈子模块AC/DC的电压，首先经过三相熔断器FU与三相全桥整流及回馈电路进行连接，具体为：A相熔断器FU1接开关器件T1阳极与开关器件T2阴极连接点，B相熔断器FU2接开关器件T3阳极与开关器件T4阴极连接点，C相熔断器FU3接开关器件T5阳极与开关器件T6阴极连接点，开关器件T1、T3和T5的阴极连接在一起输出直流母线DC+，开关器件T2、T4和T6的阳极连接在一起输出直流母线DC-，直流母线DC+和DC-之间是直流电压互感器。

2.如权利要求1所述的一种开关型电网换流整流回馈系统，其特征在于：所述的核心处理模块通过以太网连接上位机，通过DP网连接I/O逻辑控制模块；信号采集检测模块与核心处理模块相连，同时通过DP网连接操作及面板显示器；核心处理模块的故障输出以及参数计算也经过操作及面板显示器进行显示。

3.如权利要求1所述的一种开关型电网换流整流回馈系统，其特征在于：所述的预充电回路由三相接触器KZ串联三相电阻R构成。

4.如权利要求1所述的一种开关型电网换流整流回馈系统，其特征在于：所述的三相主断路器QA以及预充电回路构成并联电路，一端通过控制三相开关的开或合将三相交流进线A、B、C进行接入；另一端连接三相电抗器L1。

5.如权利要求1所述的一种开关型电网换流整流回馈系统，其特征在于：所述的直流母线为电容C1以及两个串联的均压电阻构成的并联电路。

6.如权利要求1所述的一种开关型电网换流整流回馈系统，其特征在于：所述的驱动板接收触发逻辑扇区表发送的六路触发脉冲，并进行整形、放大和驱动后，分别输出给6个开关器件T1～T6发出导通和关断信号；同时6个开关器件的导通和关断状态通过光纤反馈给核心处理模块。

7.如权利要求1所述的一种开关型电网换流整流回馈系统，其特征在于：所述的触发逻辑开关扇区表包括内圆圈和外圆圈，内圆圈包括3个扇区：T1、T3和T5形成上桥臂；外圆圈也包括三个扇区：T2、T4和T6，为下桥臂；内圆圈与外圆圈为同心圆，内圆圈的3个扇区与外圆圈的3个扇区交错，外圆圈外为与其同心的正六边形，正六边形6个顶点从0°到360°，间隔60°逆时针分布，分别对应六个开关器件的触发角度及时序，具体为：正六边形0°顶点到圆心的连线与开关器件T4和T6的分界线重合，正六边形60°顶点到圆心的连线与开关器件T1和T3的分界线重合，正六边形120°顶点到圆心的连线与开关器件T2和T6的分界线重合，正六边形180°顶点到圆心的连线与开关器件T3和T5的分界线重合，正六边形240°顶点到圆心的连线与开关器件T2和T4的分界线重合，正六边形300°顶点到圆心的连线与开关器件T5和T1的分界线重合。

8.应用权利要求1所述的一种开关型电网换流整流回馈系统的控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、将整个开关型电网换流整流回馈系统的功率模块和控制模块的各部分连接好，通电后合闸预充电回路和三相主断路器QA；

步骤二、三相交流进线电压依次经过三相电抗器L1，三相电流互感器CT和三相电压互感器PT输入到整流回馈子模块AC/DC，经过不同的开关器件完成整流后，直流母线输出DC-和DC+，形成直流母线电压U_DC1，直流电压互感器副边形成的直流母线电压U_DC发送给信号采集检测模块；

步骤三、信号采集检测模块采集三相电压互感器PT形成的交流电网电压矢量Ua，Ub，Uc，以及三相电流互感器CT形成的交流电流ia、ib、ic；

步骤四、将采集的三相交流电压Ua，Ub，Uc，输送给电网同步锁相环模型进行处理，将三相交流电压Ua，Ub和Uc从三相坐标系转换为两相静止坐标系，得到两相电压矢量Uα和Uβ；

步骤五、将两相电压矢量Uα和Uβ从静止α、β坐标系转换到同步旋转的d、q坐标系下，计算转换时的输入角度θss，并作为电网同步锁相角；

步骤六、利用预先设置的限幅电压U_DC-lim，判断实际电压值U_DC-act是否低于限幅值U_DC-lim；如果是，进入步骤七，否则，进入步骤八；

步骤七、封锁六个开关器件，直流母线电压U_DC没激活，直流母线没有回馈功能，避免空载时回馈电流引起IGBT器件发热；

步骤八、激活直流母线电压U_DC控制，判断系统使能是否有效，即系统无故障，无急停操作；如果是，则综合使能有效，则利用电网同步锁相角θss触发逻辑开关扇区表，触发扇区根据自然换相点角度α进行各扇区的打开和关闭，形成触发脉冲发送给整流回馈子模块AC/DC的驱动板；否则，返回步骤七；

具体为：

首先、初始设定自然换相点角度α＝θss-30°，判断是否满足0°<α≤60°，如果是，则T1和T6扇区重合，功率模块T1和T6导通，其他关断，即功率模块T1＝1，T2＝0，T3＝0，T4＝0，T5＝0，T6＝1，T1导通角为120°；

否则，继续判断是否满足60°<α≤120°时，如果是，T6和T3扇区重合，则功率模块T6和T3导通，其他关断，T6导通角为120°；

否则，继续判断是否满足120°<α≤180°时，如果是，T3和T2扇区重合，则功率模块T3和T2导通，其他关断，T3导通角为120°；

否则，继续判断是否满足180°<α≤240°时，如果是，T2和T5扇区重合，则功率模块T2和T5导通，其他关断，T2导通角为120°；

否则，继续判断是否满足240°<α≤300°时，如果是，T5和T4扇区重合，则功率模块T5和T4导通，其他关断，T5导通角为120°；

否则，继续判断是否满足300°<α≤360°(0°)时，如果是，T4和T1扇区重合，则功率模块T4和T1导通，其他关断，T4导通角为120°，T1导通角为120°；

否则，功率模块T1到T6全部关断；

步骤九、驱动板接收触发逻辑扇区表发送的六路触发脉冲，分别输出给6个功率模块T1～T6，导通相应的功率模块，在各自相电压自然换相点角度α＝0°开始导通，导通角为120°后关断，完成直流母线回馈电网的功能。

9.如权利要求8所述的一种开关型电网换流整流回馈系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤五具体为：

步骤501，同步旋转的d、q坐标系下，将实际电网电压矢量U定向在d轴上；

步骤502，给定q轴电压Uq*＝0，与反馈值Uq一起输入PI调节器进行闭环控制，输出角频率偏差Δω；

反馈值Uq初始值为0；

步骤503，角频率偏差Δω与基准角频率(2πf)相加得到角频率ω，经积分器输出角度后与2π取模，得到角度θss后，再进行α、β→d、q坐标变换，得到反馈值Uq；

步骤504，将反馈值Uq返回步骤502继续进行闭环调节，直到最后输出Uq＝0，此时电网同步锁相电压Uss与实际电网电压矢量U重合，输入角度θss即为电网同步锁相角。

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