CN112886797B - 一种直流高压输电逆变系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流高压输电逆变系统,采用输入串联输出并联拓扑结构,通过改变逆变器串联数量和逆变器模组并联数量来匹配直流电网电压等级和负载功率,并采用无需通讯总线,只需普通屏蔽线即可实现频率相位同步控制、输入电压均衡控制、输出电流均衡控制和功率均衡分配,结构简单、成本低,为高压/超高压/特高压直流输电的逆变提供了一种新的方案。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域,特别涉及一种直流高压输电逆变系统。
背景技术
高压直流输电具备远距离、大容量、非同步互联,功率损耗小,线路造价低,功率调节迅速灵活,系统稳定性好等优点,非常适合大规模可再生能源组网及富煤地区直接发电大跨度范围输电到经济发达的沿海地区。目前,我国绝大部分工农业企业和日常生活用电仍然是交流电。为满足日常生活及工农业生产领域用电需求,需将高压直流逆变为三相交流电。一方面,受逆变器直流输入电压范围的限制,逆变器不能直接接入高压/超高压/特高压直流电网,需要采用串联方式接入,实现分压。另一方面,随着用电设备功率的大幅增加,为了保证负载获取所需的电能,需要并联多组串联的逆变器模组。如何保证多个逆变器的串并联之后输出交流电频率相位同步、输入电压、输出电流的均衡控制是一个需要解决的问题。
发明内容
针对以上问题,本发明提供一种直流高压输电逆变系统。
一种直流高压输电逆变系统,包括高压直流电源输入端、若干个逆变模组、三相交流电源输出端,所述逆变模组的输入端相互并联并与高压直流电源输入端连接,所述逆变模组的输出端相互并联并与三相交流电源输出端相连,所述逆变模组包括若干个逆变器,所述逆变器的输入端依次串联后与高压直流输入端相连,所述逆变器的输出端相互并联并与三相交流电源输出端相连,所述逆变器的同步端子J通过同步信号线连接,所述逆变器包括:
电压RMS测量电路,与逆变器的输出端V、W连接,用于获取输出电压有效值Vrms;
电流测量电路,与逆变器的输出端U连接,用于获取输出电流有效值Irms;
电压测量电路,与逆变器输入端并联,用于获取输入电压有效值Vin;
同步电路,一端与三选一复用开关的CH0端连接,用于获取所有逆变器中最先产生的中断溢出信号OV,并生成唯一的同步信号Syn;
控制器,其分别与电压RNS测量电路、电流测量电路、电压测量电路、同步电路、输入电压平均电路、输出电流平均电路以及三选一复用开关连接,通过接收到的输入电压有效值、输出电流有效值、输入电压有效值平均值、输出电流有效值平均值及同步信号,根据逆变控制算法获得逆变电路开关管的占空比,并输出该占空比的PWM信号;
逆变电路,根据控制器输出的PWM信号将直流电逆变为交流电。
所述同步电路包括上电延时模块、PWM模块、三态门、PWM输出控制模块、同步信号Syn丢失定时/计数模块,所述上电延时模块连接PWM模块的EN端,实现电路在上电之后延时Td,Td大于PWM信号的周期Ts,所述PWM模块的PWM输出端与三态门输入端连接,所述PWM模块的OV端与PWM输出控制模块连接,所述PWM输出控制模块与三态门的控制端连接,所述同步信号Syn丢失定时/计数模块复位信号输出端与PWM输出控制模块连接,所述PWM输出控制模块及同步信号Syn丢失定时/计数模块分别通过获取同步端子J的同步信号Syn输出CTL信号及Reset信号。
所述同步电路的工作原理为:
PWM模块出现中断溢出信号OV,最早出现OV↑的同步电路触发PWM输出控制模块,将CTL锁存为高,三态门G1开通,PWM信号输出,从而产生同步信号Syn;
当所述同步信号Syn丢失定时/计数模块在Syn丢失时间或个数超过设定值时,输出Reset复位PWM输出控制模块,再次接收中断溢出信号OV,进而再次竞争出新的同步信号Syn。
所述三选一复用开关工作步骤为:第一步,syn↓定义为t0时刻,启动定时控制逻辑;第二步,启动定时控制逻辑后,设定了5个定时时间点t1~t5,分别实现:开关投切到CH1、采样开关投切到CH2、采样和定时结束,复位到CH0,返回第一步。
所述输出电流平均电路包括电阻R1,电阻R2,电阻R3,运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3,所述输出电流平均电路由三级组成:
第一级电路由电阻R1和运算放大器A1组成,所述运算放大器A1的反向输入端与同步端子J相连,电阻R1连接在运算放大器A1的反相输入端与运算放大器A1输出端之间,运算放大器A1的同相输入端接地,用于将输入电流转换成电压;
第二级电路由运算放大器A2组成,所述运算放大器A2的同相输入端与运算放大器A1的输出端相连;
第三级由电阻R2、电阻R3和运算放大器A3组成,电阻R2连接在运算放大器A2输出端与运算放大器A3反相输入端之间,电阻R3连接在运算放大器A3反相输入端与运算放大器A3输出端之间,运算放大器A3同相输入端接地。
所述控制器的逆变控制算法包括幅值调节算法、相位调节算法、频率调节算法和SVPWM调制算法。
所述幅值调节算法包括均流补偿算法、均压补偿算法、补偿控制逻辑和电压控制算法,所述均流补偿算法如下:
所述均压补偿算法如下:
所述电压控制算法如下:
所述相位调节算法如下:
一、在获取环路执行周期Tp的基础上,得到执行逆变控制算法时间间隔对应的相位增量为2πf*Tp,其中f*为逆变调制信号频率,Tp为执行逆变控制算法间隔时间;
二、进而计算出当前环路执行时刻的相位α[k],满足:α[k]=α[k-1]+2πf*Tp,
同步信号Syn↑没有出现时,则相位输入量α*=α[k];
同步信号Syn↑出现,则执行α*=0,并且清零α[k-1]和更新f*。
所述频率调节算法如下:
一、在同步信号Syn↑时刻,计算出一个Syn周期的设定相位2Mπ与α[k]的偏差量Δα=2Mπ-α[k];
三、更新f*=fsin+Δf。
所述SVPWM调制算法根据幅值调节算法得出的SVPWM调制向量的模U*和相位调节算法得出的相位输入量α*,计算出逆变电路开关管的占空比。
本发明的有益效果:本发明采用输入串联输出并联拓扑结构,可通过改变逆变器串联数量和逆变器模组并联数量来匹配直流电网电压等级和负载功率,并采用无需通讯总线,只需普通屏蔽线即可实现频率相位同步控制、输入电压均衡控制、输出电流均衡控制和功率均衡分配,结构简单、成本低,为高压/超高压/特高压直流输电的逆变提供了一种新的方案。
附图说明
图1为直流高压输电逆变系统示意图
图2为逆变模组连接原理图
图3为逆变器原理图
图4为逆变控制算法原理图
图5为三选一复用开关的控制逻辑时序图
图6为输出电流平均电路图
图7为同步信号原理图
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明:
假定逆变器具有相同的型号,为不失一般性,本发明用第k组(1≤k≤n)逆变模组单元中序号为j(1≤j≤m)的逆变器作为阐述对象。
图1所示为直流高压输电逆变系统示意图,包括高压直流电源输入端、若干个逆变模组、三相交流电源输出端,所述逆变模组的输入端相互并联并与直流高压母线连接,所述逆变模组的输出端相互并联并与三相交流电源输出端相连,这种连接方式能满足负荷大范围变化及冗余控制要求,提高系统供电能力和供电稳定性。
图2为逆变模组连接原理图,逆变模组主要包含锁死/脱扣机构1、锁死/脱扣机构2、同步信号线和逆变器。逆变器的输入端依次串联后依序与锁死/脱扣机构1、高压直流输入端相连,锁死/脱扣机构1实现逆变器模组接入/脱离高压电网,所述逆变器的输出端相互并联并依序与锁死/脱扣机构2、三相交流电源输出端相连,锁死/脱扣机构2实现逆变器模组接入/脱离三相交流电网,所述逆变器的同步端子J通过同步信号线连接,通过改变串联逆变器的数量m的值,进而匹配不同电压等级的高压电网。逆变器完成将直流电逆变为满足要求的三相交流电。同步信号线实现同步信号syn、输入电压有效值平均值和输出电流有效值平均值传送。
图3为逆变模块内部原理图,主要包括:插头plug、三选一复用开关、输出电流平均电路、输入电压平均电路、同步电路、控制器、电压RMS测量电路、电流测量电路、电压测量电路、逆变电路和机构1输出侧插头。插头plug与插座J匹配,实现信号传送的物理连接;电压RMS测量电路,与逆变器的输出端V、W连接,用于获取输出电压有效值Vrms;电流测量电路,与逆变器的输出端U连接,用于获取输出电流有效值Irms;电压测量电路,与逆变器输入端并联,用于获取输入电压有效值Vin;三选一复用开关,一端与同步端子J连接,用于同步信号线分时传输同步信号syn、输入电压有效值平均值和输出电流有效值平均值同步电路,一端与三选一复用开关的CH0端连接,用于获取所有逆变器中最先产生的中断溢出信号OV,并生成唯一的同步信号Syn;输入电压平均电路,其一端与三选一复用开关的CH1端连接,输入端与电压测量电路连接,用于获取逆变器的输入电压有效值平均值输出电流平均电路,其一端与三选一复用开关的CH2端连接,输入端与电流测量电路连接,用于获取逆变器的输出电流有效值平均值控制器,其分别与电压RNS测量电路、电流测量电路、电压测量电路、同步电路、输入电压平均电路、输出电流平均电路以及三选一复用开关连接,通过接收到的输入电压有效值、输出电流有效值、输入电压有效值平均值、输出电流有效值平均值及同步信号,根据逆变控制算法获得逆变电路开关管的占空比,并输出该占空比的PWM信号;逆变电路,包括6个功率管,接收控制器的占空比信号d1~d6实现将直流电逆变为三相交流电;机构1输出侧插头与输出侧插座匹配,实现并网传送电能的物理连接。
图4所示为逆变模块控制算法原理图,包括幅值调节算法、相位调节算法、频率调节算法和SVPWM调制算法。
幅值调节算法确定SVPWM调制向量的模,从而调节三相交流电的有效值,包括均流补偿算法、均压补偿算法、补偿控制逻辑和电压控制算法。由于逆变器模块自身输出阻抗及并网线路上阻抗的差异,导致逆变器相同输出电压情况下输出电流存在差异,进而引起环路及负荷不均衡。为解决上述问题需设计均流补偿算法,通过获取输出电流与平均电流的偏差量,依据给定的算法计算出补偿量并与设定电压有效值参考量Uref叠加,动态调节输出电压有效值,实现逆变器输出电流的均衡控制。同理,因逆变器模块等效输入阻抗的差异,导致逆变器相同输入电流情况下输入电压存在差异,进而引起输入电压不均衡,甚至逆变器输入电压过高,损坏逆变器。为解决上述问题需设计均压补偿算法,通过获取输入电压与平均电压的偏差量,依据给定的算法计算出补偿量并与设定电压有效值参考量Uref叠加,动态调节输出电压有效值,实现逆变器输入电压的均衡控制。补偿控制逻辑根据输入S2S1的状态选择补偿还是完成均流补偿或均压补偿;电压控制算法对与VRMS之间偏差量进行调节,得到SVPWM调制向量的模U*,进而控制三相交流电压的有效值,实现输出电压的稳定及均压、均流功能。
相位调节算法用于确定SVPWM调制向量的相位α*,也就是调节三相交流电的相位。其原理为:第k次执行逆变控制算法的逆变相位为α[k]=α[k-1]+2πf*Tp。其中:α[k-1]为第k-1次(即上一次)的相位;2πf*Tp为执行逆变控制算法时间间隔对应的相位增量;f*为逆变调制信号频率;Tp为执行逆变控制算法间隔时间。当同步信号Syn↑没有出现时,调制向量的相位为α*=α[k],即由算法α[k]=α[k-1]+2πf*Tp确定。当同步信号Syn↑出现,则执行α*=0,并且清零α[k-1]和更新f*。
频率调节算法是为了消除因PWM模块定时器时钟频率不稳定导致逆变交流电频率和相位误差情况,实现交流电频率和相位的同步。f*计算的基本原理为:首先,在每个Syn↑时刻,求出一个Syn周期的设定相位2Mπ与α[k]的偏差量Δα=2Mπ-α[k];其次,计算PWM模块定时器时钟频率补偿量其中:fsin为三相交流电的设定频率;最后,更新f*=fsin+Δf。
SVPWM调制算法根据计算出的U*和α*,按照空间矢量的平行四边形法则,分解为相邻两个有效工作矢量和零矢量。根据分解后的基本矢量和零矢量的值以及死区时间,计算6个开关管的占空比d1~d6;
图5所示为三选一复用开关的控制逻辑时序图,其工作步骤为:①在Syn↓之前,定时控制逻辑不使能,S2S1为00,复用开关处于CH0;②Syn↓出现时刻定义为t0时刻,定时控制逻辑控制位str为高,开始定时,S2S1保持为00,一直持续到t1时刻;③t1时刻,S2S1翻转为01,复用开关投切到CH1,输入电压平均电路工作;④t2时刻,经过一段时间工作之后,平均值趋于稳定,控制器可对进行采样;⑤t3时刻,S2S1翻转为10,复用开关投切到CH2,输出电流平均电路工作;⑥t4时刻,经过一段时间工作之后,平均值趋于稳定,控制器可对进行采样;⑦t5时刻,定时控制逻辑控制位str为低,停止定时并将S2S1复位到00,并重复①。
图6所示为输出电流平均电路图,包括电阻R1,电阻R2,电阻R3,运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3和接线端子J。考虑到各个逆变模块接线端子J相互连接线长度较长及提高抗干扰,采用电流方式传送模拟量,获取其平均值。变量说明如下:ik为序号为k的电路输入电流,i'k为流过R2的电流。由电工学知识可知:
由于电路元件相同且对称,所以可认为:
i'1=i'2=L L=i'n-1=i'n (2)
联立(1)和(2)可得:
由于运算放大器满足“虚短”和“虚断”,所以有:
如果R1,R2,R3满足:R2=R1R3,则有:
图7为同步信号生成原理图,包括:上电延时模块、PWM模块、三态门、PWM输出控制模块、同步信号Syn丢失定时/计数模块和接线端子J组成。其中,上电延时模块连接PWM模块的EN端,实现电路在上电之后延时Td,Td必须满足:Td>Ts,其中,Ts为PWM信号的周期。为便于实现,令Td=KTs(K为大于1的正整数)。所述PWM模块的PWM输出端与三态门输入端连接,所述PWM模块的OV端与PWM输出控制模块连接,所述PWM输出控制模块与三态门的控制端连接,所述同步信号Syn丢失定时/计数模块复位信号输出端与PWM输出控制模块连接。PWM模块输出PWM信号和溢出信号OV,三态门接收PWM输出控制模块的输出信号CTL,控制PWM信号与端子的接通或断开,起到总线控制开关作用。Syn丢失定时/计数模块通过判断Syn连续丢失时间(或个数)是否达到设定触发值。如果达到设定触发值,则输出复位信号Reset信号给PWM输出控制模块。PWM输出控制模块通过接收PWM模块的输出OV、Syn丢失定时/计数模块的Reset和同步信号Syn,基于时间竞争关系得到输出控制信号CTL,实现对三态门的通断控制,进而确定同步信号Syn。
默认初始状态时,所有PWM模块的输出为低。同步电路工作原理为:由于每个电路的上电时间先后差异,导致n个PWM中断溢出信号OV出现时间不同。最早出现OV↑的同步电路触发PWM输出控制模块,将CTL锁存为高,三态门G1开通,PWM信号输出到接口端子J,Syn信号出现。只要Syn↑出现,PWM输出控制模块被锁死,不受OV的控制,CTL保持不变,保证其他非OV出现最早的同步电路的三态门G1锁死,进而实现系统能自动竞争出有且唯一的同步信号Syn。
在系统已经存在Syn的情况下,如果插入新的逆变器进入系统时,在Td时间内必然会出现Syn信号,新插入的逆变器其同步电路的三态门G1锁死,不影响现有的Syn信号。
已存在Syn的情况下,如果从系统中拔出逆变器,则存在以下两种不同情况:一、拔出的逆变器不产生Syn信号,对系统的Syn信号不产生影响;二、拔出的是产生Syn信号,则系统中Syn信号丢失。当Syn丢失时间超过丢失定时模块的设定时间,则输出Reset信号,复位PWM输出控制模块,再次接收OV溢出信号,进而再次竞争出新的Syn信号。当Syn丢失时间没有超过丢失定时模块的设定时间时,一定会出现Syn↑。只要出现Syn↑,Syn丢失定时模块的定时计数器被清零,不输出Reset信号,PWM输出控制模块不被复位,系统正常工作。
实施例不应视为对本发明的限制,任何基于本发明的精神所作的改进,都应在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种直流高压输电逆变系统,其特征在于:包括高压直流电源输入端、若干个逆变模组、三相交流电源输出端,所述逆变模组的输入端相互并联并与高压直流电源输入端连接,所述逆变模组的输出端相互并联并与三相交流电源输出端相连,所述逆变模组包括若干个逆变器,所述逆变器的输入端依次串联后与高压直流输入端相连,所述逆变器的输出端相互并联并与三相交流电源输出端相连,所述逆变器的同步端子J通过同步信号线连接,所述逆变器包括:
电压RMS测量电路,与逆变器的输出端V、W连接,用于获取输出电压有效值Vrms;
电流测量电路,与逆变器的输出端U连接,用于获取输出电流有效值Irms;
电压测量电路,与逆变器输入端并联,用于获取输入电压有效值Vin;
同步电路,一端与三选一复用开关的CH0端连接,用于获取所有逆变器中最先产生的中断溢出信号OV,并生成唯一的同步信号Syn;
控制器,其分别与电压RNS测量电路、电流测量电路、电压测量电路、同步电路、输入电压平均电路、输出电流平均电路以及三选一复用开关连接,通过接收到的输入电压有效值、输出电流有效值、输入电压有效值平均值、输出电流有效值平均值及同步信号,根据逆变控制算法获得逆变电路开关管的占空比,并输出该占空比的PWM信号,所述逆变控制算法包括幅值调节算法、相位调节算法、频率调节算法和SVPWM调制算法;
逆变电路,根据控制器输出的PWM信号将直流电逆变为交流电。
2.根据权利要求1所述的一种直流高压输电逆变系统,其特征在于:所述同步电路包括上电延时模块、PWM模块、三态门、PWM输出控制模块、同步信号Syn丢失定时/计数模块,所述上电延时模块连接PWM模块的EN端,用于实现电路在上电之后延时Td,Td大于PWM信号的周期Ts,所述PWM模块的PWM输出端与三态门输入端连接,所述PWM模块的OV端与PWM输出控制模块连接,所述PWM输出控制模块与三态门的控制端连接,所述同步信号Syn丢失定时/计数模块复位信号输出端与PWM输出控制模块连接,所述PWM输出控制模块及同步信号Syn丢失定时/计数模块分别通过获取同步端子J的同步信号Syn输出CTL信号及Reset信号。
3.根据权利要求2所述的一种直流高压输电逆变系统,其特征在于:所述同步电路的工作原理为:
PWM模块出现中断溢出信号OV,最早出现OV↑的同步电路触发PWM输出控制模块,将CTL锁存为高,三态门G1开通,PWM信号输出,从而产生同步信号Syn;
Syn↑将其他同步电路的PWM输出控制模块锁死,不受对应的中断溢出信号OV的控制,CTL保持不变,其他非OV出现最早的同步电路的三态门G1锁死,自动竞争出有且唯一的同步信号Syn;
当所述同步信号Syn丢失定时/计数模块在Syn丢失时间或个数超过设定值时,输出Reset复位PWM输出控制模块,再次接收中断溢出信号OV,进而再次竞争出新的同步信号Syn。
5.根据权利要求1所述的一种直流高压输电逆变系统,其特征在于:所述输出电流平均电路包括电阻R1,电阻R2,电阻R3,运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3,所述输出电流平均电路由三级组成:
第一级电路由电阻R1和运算放大器A1组成,所述运算放大器A1的反向输入端与同步端子J相连,电阻R1连接在运算放大器A1的反相输入端与运算放大器A1输出端之间,运算放大器A1的同相输入端接地,用于将输入电流转换成电压;
第二级电路由运算放大器A2组成,所述运算放大器A2的同相输入端与运算放大器A1的输出端相连;
第三级由电阻R2、电阻R3和运算放大器A3组成,电阻R2连接在运算放大器A2输出端与运算放大器A3反相输入端之间,电阻R3连接在运算放大器A3反相输入端与运算放大器A3输出端之间,运算放大器A3同相输入端接地。
6.根据权利要求1所述的一种直流高压输电逆变系统,其特征在于:所述幅值调节算法包括均流补偿算法、均压补偿算法、补偿控制逻辑和电压控制算法,所述均流补偿算法如下:
所述均压补偿算法如下:
所述电压控制算法如下:
7.根据权利要求1所述的一种直流高压输电逆变系统,其特征在于:所述相位调节算法如下:
一、在获取环路执行周期Tp的基础上,得到执行逆变控制算法时间间隔对应的相位增量为2πf*Tp,其中f*为逆变调制信号频率,Tp为执行逆变控制算法间隔时间;
二、进而计算出当前环路执行时刻的相位α[k],满足:α[k]=α[k-1]+2πf*Tp,
同步信号Syn↑没有出现时,则相位输入量α*=α[k];
同步信号Syn↑出现,则执行α*=0,并且清零α[k-1]和更新f*。
9.根据权利要求1或6或7所述的一种直流高压输电逆变系统,其特征在于:所述SVPWM调制算法根据幅值调节算法得出的SVPWM调制向量的模U*和相位调节算法得出的相位输入量α*,计算出逆变电路开关管的占空比。
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