CN112713755B - 一种双向晶闸管快速关断方法及系统 - Google Patents

一种双向晶闸管快速关断方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，提供了一种双向晶闸管快速关断方法及系统，该系统包括三相电网、双向晶闸管、阻感负载、三电平变流器、电容储能单元、LC滤波单元以及电压电流采样单元和CPU控制单元，三相电网电压正输入端接在三组双向晶闸管abc的一端，三组双向晶闸管abc的另一端连接负载和三电平逆变器的输出端；电网电压、晶闸管电流、逆变器输出电压采样通过电压、电流互感器和采样调理电路输入到CPU中，通过计算确定晶闸管电流的相位，根据相位确定采用自然关断或是反压关断。本发明采用了自然关断和反压关断相结合的方法，解决了常规方法中因为电流正负判断错误，导致电压加反出现过流的问题，能实现双向晶闸管的快速准确关断。

Description

一种双向晶闸管快速关断方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种双向晶闸管快速关断方法及系统。
背景技术
随着电力电子设备的大量普及，各种干扰以及污染源也在不断增加，电能质量问题将会越发复杂。供电公司为用户提供的电能存在电压幅值、频率偏差、电压不平衡、瞬变、波动、间断、欠压过压、谐波等问题，会对电力用户负荷造成干扰和损害。电能质量的下降不仅影响供电系统的正常安全供电，而且会对用电设备造成损害，严重时甚至危害人身安全、导致重大经济损失。相应的出现了许多电能质量治理装置，如统一电能质量调节器(UPQC)、动态电压恢复器(DVR)等是非常有效的解决措施。
为了提高电能质量治理的效果，就必须要在电网电压出现异常时，快速切除电网电压，通过装置快速为负载进行电压补偿。对于敏感负荷来说，电压中断不能超过4ms。许多设备都将双向晶闸管串联在电网供电主回路中，因此，快速关断晶闸管就十分重要。现有的方法是通过判断晶闸管电流方向，控制逆变器的电压加在晶闸管另一端，使其承受反压来关断晶闸管，但当电流处在过零点附近的时候，实际电流方向检测比较困难，同时因为逆变器动作的延迟，电压方向很容易加反，从而产生相反的效果，以至于导致晶闸管上出现电流尖峰。损害晶闸管的同时也不能达到快速关断的效果。
本发明提出了一种基于电流角度的快速关断方法。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术的不足，提供了一种双向晶闸管快速关断方法及系统，可以快速且稳定地对串联在三相主回路中的双向晶闸管进行关断。
本发明采用如下技术方案：
一种双向晶闸管快速关断方法，包括如下步骤：
S1、三相电网的电压输入端连接在三组双向晶闸管abc的一端，三组双向晶闸管abc的另一端连接负载和三电平逆变器的输出端；每组所述双向晶闸管abc均为2个反向并联的晶闸管；
S2、电网电压、晶闸管电流、逆变器输出电压均经采样后输入控制模块，通过算法计算出每相电流角度；
S3、根据S2所计算出的每相电流的角度(本文中所说的电流角度，均指电流的相角度)，确定晶闸管采用自然关断或者反压关断。
进一步的，步骤S3中，实际工程中，根据晶闸管关断时间的要求确定相电流的2个临界角度；当相电流角度处于过零点区间时，采用自然关断；当相电流角度不处于过零点区间时，采用反压关断；所述过零点区间为临界角度到过零点所形成的区间。
进一步的，晶闸管的关断时间为2ms，相应计算得到相电流的2个临界角度为144°和324°，2个临界角度的相电流到过零点的时间为2ms；对相电流处在(144°，180°)和(324°，360°)区间的相，采用自然关断；对相电流处在(0°，144°)和(180°，324°)的相，采用反压关断。
进一步的，步骤S2中，所述算法为移动平均滤波算法，每相电流角度的计算方法为：
将采样到控制模块的每相电流分别求绝对值，在设定时间内取若干个等间隔采样点求每相平均值，正弦波的峰值与平均值之比为π/2，根据相邻两个电流采样点的变化率以及峰值和采样值的三角函数关系，确定当前每相电流的角度。
进一步的，在设定时间10ms中取若干个等间隔采样点求其平均值。
进一步的，步骤S1中，所述逆变器包括2种工作模式：
当晶闸管不需要关断时，逆变器工作在整流模式，控制直流侧电容电压为
Figure BDA0002818953320000024
Figure BDA0002818953320000021
其中L为等效电感；
当晶闸管需要反压关断时，逆变器工作在逆变模式，控制逆变器输出电压，使晶闸管承压进行反压关断。
进一步的，步骤S3中，所述自然关断，指的是将晶闸管脉冲移除之后，晶闸管电流经过零点时自动关断；所述反压关断，指的是使晶闸管承受反压，若晶闸管电流为正，则控制逆变器输出电压高于电网电压，若晶闸管电流为负，则控制逆变器输出电压低于电网电压，使晶闸管电流小于擎住电流之后，晶闸管关断。
进一步的，步骤S3中，当采用反压关断时，逆变器输出电压UINV按下式确定：
Figure BDA0002818953320000022
Figure BDA0002818953320000023
其中，Ug为电网电压。
本发明还提供一种双向晶闸管快速关断系统，所述系统包括三组双向晶闸管abc、三电平逆变器、LC滤波单元、电压电流采样单元、电容储能单元、控制模块；
三相电网电压正输入端接在三组双向晶闸管abc的一端，三组双向晶闸管abc的另一端连接负载和三电平逆变器的输出端；
三组所述双向晶闸管，均为2个反向并联的晶闸管；
所述电容储能单元为逆变器直流侧电容C1、C2，两电容C1、C2中点连接电网中性点；
所述LC滤波单元包括电感L1、L2、L3，电容C3、C4、C5；
所述电压电流采样单元，用于分别采集电网电压、晶闸管电流、逆变器输出电压，并将采样值输出到控制模块；
所述控制模块，根据上述方法，对晶闸管进行自然关断或反压关断控制。
电容储能单元有充电、放电的两个状态，电容储能单元电压值必须维持基本不变，保证逆变器的正常工作。在三相逆变中，电容储能单元起电压支撑的作用，作为直流电源为逆变提供能量，另外还可以滤除整流产生的部分纹波。
LC滤波单元的作用：逆变器工作时必然产生开关纹波，开关纹波频率较高，若不处理将对负载及设备本身造成危害，LC滤波单元要滤除开关纹波。
进一步的，所述电压电流采样单元通过电压互感器、电流互感器对电压、电流进行采样。
进一步的，所述控制模块为CPU，所述逆变器为TNPC拓扑的三电平逆变器。
本发明的有益效果为：
本发明结合反压关断和自然关断两种方式，能够避免在电流过零点方向判断错误的问题，保证了在任何电流角度都可以可靠且快速的关断：
1、解决了常规方法中因为电流正负判断错误，导致电压加反出现过流的问题。
2、通过理论推导，确定了晶闸管加反压关断中反压的大小，最大限度的减小了关断时间。
3、结合了自然关断和反压关断两种方法。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种双向晶闸管快速关断系统的结构示意图。
图2所示为本发明实施例一种双向晶闸管快速关断方法的流程图。
图3所示为本发明实施例一种双向晶闸管快速关断系统的实例电路图。
图4所示为双向晶闸管关断等效电路图。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
图1示出了本发明实施例一种双向晶闸管快速关断系统的整体结构示意图。
在一个具体实施例中，双向晶闸管快速关断系统中包括三相电网、双向晶闸管、负载LOAD、三电平逆变器、LC滤波单元、电压电流检测单元、电容储能单元。三相电网电压正输入端接在三组双向晶闸管abc的一端，三组双向晶闸管abc的另一端连接负载和三电平逆变器的输出端。
如图3所示，三组所述双向晶闸管，第一组双向晶闸管包括晶闸管T1和晶闸管T2反向并联，第二组双向晶闸管包括晶闸管T3和晶闸管T4反向并联，第三组双向晶闸管包括晶闸管T5和晶闸管T6反向并联。
在一个具体实施例中，逆变器为TNPC拓扑的三电平逆变器，逆变器输出接LC滤波器。LC滤波单元包括电感L1、L2、L3，电容C3、C4、C5，直流侧为C1、C2电容。图1中示出了双向晶闸管关断整体电路连接示意，其中标示出了电压电流的采样点。
电网电压、晶闸管电流、逆变器输出电压采样通过电压、电流互感器和采样调理电路输入到CPU中，实现模数转换。通过CPU中实时对电网电流进行计算检测，在CPU中通过移动平均滤波算法可以实时计算三相晶闸管电流的平均值，根据比例关系求出最大值，用以后续晶闸管电流判断。
CPU产生晶闸管的触发脉冲，当需要关断晶闸管时，将脉冲移除。脉冲消除之后，根据电流相位，判断采用哪种关断方式。两种关断方式(自然关断和反压关断)的最终目的都是使流过晶闸管的电流小于擎住电流之后关断。
所述电容储能单元为逆变器直流侧电容C1、C2，两电容中点连接电网中性点。
所述电网电压、电流采样回路包括电压传感器TU1、TU2、TU3测量相电压，电流传感器TA1、TA2、TA3测量相电流。
所述的移动平均滤波算法，具体步骤是将晶闸管电流采样到CPU中之后，通过求解平均值进而根据π/2的比例关系得到每相电流的幅值，根据三角函数关系，结合实时电流值和相邻两个采样电流点的斜率，可以求得任意时刻电流所处在的角度，从而确定电流是否在过零点附近。
当晶闸管电流变化趋向于零并且在零点附近时，逆变器不工作，晶闸管进行自然关断，同样可以达到快速关断的目的。实际工程中晶闸管关断时间不超过2ms，计算得到当晶闸管电流处在(144°，180°)和(324°，360°)时，可以通过移除晶闸管脉冲，进行自然关断，时间小于2ms。
电网电压正常时，通过双向晶闸管向负载供电，同时也通过三电平并网逆变器控制直流侧电容电压稳定，当电网电压发生跌落时，移除晶闸管脉冲，CPU开始发出关断晶闸管指令，通过CPU中的PWM发生器控制逆变器输出电压，使晶闸管承受反压关断。
图4是双向晶闸管关断等效电路图。实际工程中负荷通常为阻感性负载，所以在关断晶闸管时可以假设晶闸管关断瞬间负载电流基本不变，则可以得到如下关系式：
ig+iL＝il；△il/△t≈0；△ig/△t≈-△iL/△t；
其中ig为晶闸管电流，iL为逆变器输出滤波电感电流，il为负载电流。由上式可知道，通过控制逆变器输出滤波电感电流的变化率
Figure BDA0002818953320000051
来改变晶闸管电流的变化率
Figure BDA0002818953320000052
为了使晶闸管尽可能快速关断，令滤波电感电流的变化率
Figure BDA0002818953320000053
为晶闸管的最大电流变化率，即
Figure BDA0002818953320000054
则滤波电感两端电压为
Figure BDA0002818953320000055
逆变器桥臂输出电压为电网电压加滤波电感电压。
逆变器桥臂输出电压UINV的输出大小还需要根据晶闸管的电流方向来确定，当晶闸管的电流为正时，控制逆变器输出电压大于网侧电压，使得滤波电容上的电流变化率为正，从而晶闸管电流变化率为负。相反地，当晶闸管的电流为负时，控制逆变器输出电压小于网侧电压，使得滤波电容上的电流变化率为负，从而晶闸管电流变化率为正。两种情况下，都可以令晶闸管电流快速减小，从而关断。
具体步骤如下:
(1)电网电压正常，通过闭环控制直流侧电容C1、C2电压之和为
Figure BDA0002818953320000056
Figure BDA0002818953320000058
(2)当电网电压发生跌落时，首先将晶闸管的门极触发脉冲移除，然后根据当前电流和电流幅值的三角函数关系，以及当前电流的变化率确定电流相位。
(3)对电流处在(144°，180°)和(324°，360°)的相，进行自然关断。
(4)对电流处在(0°，144°)和(180°，324°)的相，令逆变器输出电压，使晶闸管承受反压关断。逆变器输出电压UINV根据晶闸管电流正负来确定
Figure BDA0002818953320000057
Figure BDA0002818953320000061
本发明的双向晶闸管关断方法，在将双向晶闸管的触发脉冲移除之后，根据晶闸管电流相位，运用自然关断和反压关断两种方法。自然关断避免了在电流过零点，因为动作延迟导致电压打反的问题出现。反压关断通过理论推导出逆变器最大输出电压，使反压关断最快。总而言之，本发明可以使双向晶闸管快速且稳定地关断。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (9)

1.一种双向晶闸管快速关断方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、三相电网的电压输入端连接在三组双向晶闸管abc的一端，三组双向晶闸管abc的另一端连接负载和三电平逆变器的输出端；每组所述双向晶闸管abc均为2个反向并联的晶闸管；
S2、电网电压、晶闸管电流、逆变器输出电压均经采样后输入控制模块，通过算法计算出每相电流角度；
S3、根据S2所计算出的每相电流的角度，确定晶闸管采用自然关断或者反压关断；
根据晶闸管关断时间的要求确定相电流的2个临界角度；当相电流角度处于过零点区间时，采用自然关断；当相电流角度不处于过零点区间时，采用反压关断；所述过零点区间为临界角度到过零点所形成的区间。
2.如权利要求1所述的双向晶闸管快速关断方法，其特征在于，晶闸管的关断时间为2ms，相应计算得到相电流的2个临界角度为144°和324°，2个临界角度的相电流到过零点的时间为2ms；当相电流处在(144°，180°)和(324°，360°)区间，采用自然关断；当相电流处在(0°，144°)和(180°，324°)，采用反压关断。
3.如权利要求1所述的双向晶闸管快速关断方法，其特征在于，步骤S2中，所述算法为移动平均滤波算法，每相电流角度的计算方法为：
将采样到控制模块的每相电流分别求绝对值，在设定时间内取若干个等间隔采样点求每相平均值，正弦波的峰值与平均值之比为π/2，根据相邻两个电流采样点的变化率以及峰值和采样值的三角函数关系，确定当前每相电流角度。
4.如权利要求1所述的双向晶闸管快速关断方法，其特征在于，步骤S1中，所述逆变器包括2种工作模式：
当晶闸管不需要关断时，逆变器工作在整流模式，控制直流侧电容电压为
Figure FDA0003351298370000011
Figure FDA0003351298370000012
其中L为等效电感，
Figure FDA0003351298370000013
为晶闸管电流的变化率；
当晶闸管需要反压关断时，逆变器工作在逆变模式，控制逆变器输出电压，使晶闸管承压进行反压关断。
5.如权利要求1所述的双向晶闸管快速关断方法，其特征在于，步骤S3中，所述自然关断，指的是将晶闸管脉冲移除之后，晶闸管电流经过零点时自动关断；所述反压关断，指的是使晶闸管承受反压，若晶闸管电流为正，则控制逆变器输出电压高于电网电压，若晶闸管电流为负，则控制逆变器输出电压低于电网电压，使晶闸管电流小于擎住电流之后，晶闸管关断。
6.如权利要求4所述的双向晶闸管快速关断方法，其特征在于，步骤S3中，当采用反压关断时，逆变器输出电压UINV按下式确定：
Figure FDA0003351298370000021
Figure FDA0003351298370000022
其中，Ug为电网电压，ig为晶闸管电流。
7.一种双向晶闸管快速关断系统，其特征在于，所述系统包括三组双向晶闸管abc、三电平逆变器、LC滤波单元、电压电流采样单元、电容储能单元、控制模块；
三相电网电压正输入端接在三组双向晶闸管abc的一端，三组双向晶闸管abc的另一端连接负载和三电平逆变器的输出端；
三组所述双向晶闸管abc，均为2个反向并联的晶闸管；
所述电容储能单元为逆变器直流侧电容C1、C2，两电容C1、C2中点连接电网中性点；
所述LC滤波单元用于滤除逆变器开关时产生的开关纹波，包括电感L1、L2、L3，电容C3、C4、C5；
所述电压电流采样单元，用于分别采集电网电压、晶闸管电流、逆变器输出电压，并将采样值输出到控制模块；
所述控制模块，根据权利要求1-6任一项所述方法，对晶闸管进行自然关断或反压关断控制。
8.如权利要求7所述的双向晶闸管快速关断系统，其特征在于，所述电压电流采样单元通过电压互感器、电流互感器对电压、电流进行采样。
9.如权利要求7所述的双向晶闸管快速关断系统，其特征在于，所述控制模块为CPU，所述逆变器为TNPC拓扑的三电平逆变器。
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