CN1747275A - 变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器 - Google Patents

Abstract

一种变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，属于电器技术领域。本发明包括：同步过零信号控制器、触发控制字生成器、ABC三相触发脉冲控制器、ABC三相故障信号控制器和故障信号处理器，在同步过零信号控制器向触发控制字生成器发送同步过零信号后，触发控制字生成器向ABC三相触发脉冲控制器发送触发控制字和相应的同步过零信号，ABC三相触发脉冲控制器在接收到触发控制字和相应的同步过零信号后，向ABC三相故障信号控制器发送ABC三相脉冲触发信号，故障信号处理器分析设备故障反馈信号，并向故障信号控制器发送触发脉冲封锁或解除信号。本发明实现大量脉宽调制信号控制量的生成、保护反馈信号的处理和同步信号的生成及处理等功能。

Description

变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器

技术领域

本发明涉及的是一种电气技术领域的装置，具体地说，是一种变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器。

背景技术

目前，绝大多数的基于变压器多重化结构的静止式动态无功补偿器设备或多逆变单元串联、并联工作方式的静止式动态无功补偿器，大都采用数字信号处理器(DSP)或单片机等流水线处理方式的控制器作为其主控制单元，但是这些流水线处理方式的控制器会给STATCOM(静止式动态无功补偿器)装置带来以下问题：基于变压器多重化结构的STATCOM设备往往需要大量单相逆变全桥输出电压或电流叠加，以得到设计需求的输出电压或电流，而这样的结构往往需要大量的全控功率开关元件协同工作。

经对现有技术的文献检索发现，栗春，高辉和石建民等发表的“基于DSP的静止同步补偿器脉冲发生器及控制器的设计”，电力系统自动化，23(13)，1997年03期，pp.26-29)，就以四重化结构的静止式动态无功补偿器为例，该静止式动态无功补偿器装置需要48只全控功率开关协同工作，这也意味着在任意时刻主控制器需要产生48路控制信号，而且还不包括同时处理这些全控功率开关的保护装置的48路反馈信号等。值得注意的是作为动态无功功率发生器的静止式动态无功补偿器，其控制精度要求较高，一般要求达到0.01°(电网工频50Hz)——约为1.667us。对于只能进行流水线处理操作方式的处理器(例如DSP、单片机等)而言，在如此短暂的时间内完成众多控制量的生成和其它反馈信号的处理几乎是不可能的，尽管随着处理器计算速率的进一步提高，可缩小其不利影响，但随着静止式动态无功补偿设备电压等级和容量的大幅提升，其功率开关元件的数目也将大幅增加，该措施也将显得无能为力。在实际运行中上述问题往往会导致静止式动态无功补偿装置的输出电压和输出电流的暂态不对称，从而导致静止式动态无功补偿设备输出无功功率精度的较低，严重时可导致设备发生暂态过电流、暂态过电压的故障而停止运行，甚至发生无功补偿设备损坏事故。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，使其充分利用FPGA器件的事件并行处理能力和高速数据处理能力，实现大量脉宽调制信号控制量的生成、保护反馈信号的处理和同步信号的生成及处理等功能，消除目前处理器由于流水线处理事件的模式，而导致静止式动态无功补偿装置输出无功功率精度降低的问题和潜在的暂态过电流或暂态过电压问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：同步过零信号控制器、触发控制字生成器、ABC三相触发脉冲控制器、ABC三相故障信号控制器和故障信号处理器，它们之间是通过控制和数据信号的相互传递来实现的，在同步过零信号控制器向触发控制字生成器发送同步过零信号后，触发控制字生成器接收来自上位处理器的控制参数，同时根据这些控制参数生成触发控制字，并向ABC三相触发脉冲控制器发送触发控制字和相应的同步过零信号；ABC三相触发脉冲控制器在接收到触发控制字和相应的同步过零信号后，向ABC三相故障信号控制器发送ABC三相脉冲触发信号；故障信号处理器分析设备故障反馈信号，并向ABC三相故障信号控制器发送触发脉冲封锁或解除信号，同时向上位处理器发送设备故障状态字；ABC三相故障信号控制器接收ABC三相脉冲触发信号，并根据由故障信号处理器发送的脉冲封锁或解除信号，判断是否向外部IGBT驱动单元发送ABC三相脉冲触发信号；同步过零信号控制器为STATCOM设备提供同步过零信号和过零中断申请信号，使得STATCOM设备的输出电压与系统电压保持同步；触发控制字生成器生成各个单相逆变单元的触发脉冲控制字，这些触发脉冲控制字是各个IGBT触发脉冲信号形成的根据；ABC三相触发脉冲控制器根据触发脉冲控制字形成各个IGBT触发脉冲信号；ABC三相故障信号控制器实现正常工况下输出IGBT触发脉冲信号和故障工况下封锁各个IGBT触发脉冲信号前向通道的功能，以实现STATCOM设备故障停机的功能；故障信号处理器实现STATCOM故障工况的判别、故障中断信号的生成及IGBT触发脉冲信号前向通道的封锁。

所述的同步过零信号控制器，由同步变压器、低通滤波器、电压比较器和相位调理器构成，它们之间按照数据流的方向而依次连接和作用的，电网的正弦交流信号通过同步变压器变为同相位幅值为±12V的正弦交流信号，该信号由同步变压器的输出端进入低通滤波器的输入端，低通滤波器完成对±12V的正弦交流信号的低通滤波功能后，输出极为稳定的±12V工频正弦交流同步信号，该信号输入到电压比较器的同相端，而电压比较器的反相端接模拟信号地，电压比较器的输出信号输入到相位调理器，相位调理器将根据系统要求调整方波逻辑信号的相位，使其相位上符合STATCOM需求的同步过零信号，相位调理器在完成对方波逻辑信号的相位调整后，将向触发控制字生成器发送相应的同步过零信号。

所述的电压比较器的输出信号是紧随±12V正弦交流同步信号交变的方波逻辑信号，该信号与需求的同步过零信号在相位上存在着相位差。

所述的触发控制字生成器，实现各单相逆变全桥中各IGBT的导通、关断控制字生成的功能模块，这些控制字为各单相逆变全桥中各IGBT的导通、关断驱动信号的生成提供参考和依据。

所述的ABC三相触发脉冲控制器，根据各IGBT导通、关断控制字实现相对应IGBT导通、关断驱动信号生成的功能模块，该功能模块共分为A、B、C三相触发脉冲控制器，分别控制生成对应相位的单相逆变全桥IGBT所需的驱动信号。

所述的ABC三相故障信号控制器，共分为A、B、C三相故障信号控制器，实现静止式动态无功补偿器设备故障保护功能，该故障信号控制器模块通过在设备故障条件下封锁所有IGBT驱动信号的方式来实现设备保护的目的。

所述的故障信号处理器，由故障反馈信号识别器、脉冲封锁信号生成器和故障复位控制器构成，它们之间根据数据流的方向而相互作用的，具体的数据流程分为两种，一是故障信号判断、控制流程；二是故障复位判断、控制流程。在故障信号判断、控制流程中，故障反馈信号字始终输入到故障反馈信号识别器中，故障反馈信号识别器将锁存故障反馈信号字，当STATCOM设备发生故障时，相应的故障反馈信号字将发生跳变，此时故障反馈信号识别器将识别到STATCOM设备的故障状况，并根据故障状况向脉冲封锁信号生成器和故障复位控制器发送故障发生报警信号；脉冲封锁信号生成器接收到故障发生报警信号后立即产生触发脉冲封锁信号，并向ABC三相故障信号控制器发送该触发脉冲封锁信号；故障复位控制器接收到故障发生报警信号后，立即向上位处理器发送故障处理中断申请信号。在故障复位判断、控制流程中，当STATCOM设备的故障排除以后，上位处理器将向故障复位控制器发送故障复位信号，故障复位控制器接收到故障复位信号后，将向脉冲封锁信号生成器发送触发脉冲封锁解除信号，同时向故障反馈信号识别器发送故障状态字清除信号；脉冲封锁信号生成器在接收到触发脉冲封锁解除信号后立即产生触发脉冲封锁解除信号，并向ABC三相故障信号控制器发送该触发脉冲封锁解除信号；故障反馈信号识别器接收到故障状态字清除信号后立即清除锁存的故障反馈信号字，使其输入的状态字为故障排除后的故障反馈信号字。

根据数据流的方向，分析本发明的工作原理，即电网同步电压经同步变压器后变成幅值为±12伏的同步电压信号，该同步电压信号发送到由电阻和电容构成的一阶低通滤波器(截至频率≤10Hz)后，发送到电压比较器形成占空比为50％的方波信号，该信号与对应的电网电压同步，但在相位上滞后一定的角度，该滞后角度由低通滤波器的电阻和电容的参数所决定，因此相位调理器将根据低通滤波器的电阻和电容的参数来调节同步过零脉冲信号的相位，使得该同步过零脉冲信号与电网电压相位一致。与此同时该同步过零信号控制器根据调理后的同步过零脉冲信号产生过零中断信号，并向上位处理器发送过零中断信号。上位处理器在过零同步信号的上升沿到来前，把STATCOM运行中关键的三个控制参数(静止式动态无功补偿器输出功角δ、单相逆变全桥滞后角α和单相逆变全桥的导通角θ)发送至触发控制字生成器。当过零同步信号的上升沿到来时，触发控制字生成器按照设计的控制规律生成ABC三相各逆变单元的触发控制字，并同时把这些触发控制字发送给ABC三相触发脉冲控制器。A、B和C相触发脉冲控制器工作原理和方式是一致的，以A相触发脉冲控制器为例，当触发控制字生成器发送至A相触发脉冲控制器的A相同步过零信号上升沿到来时，A相触发脉冲控制器内部的计数器则开始计数(计数频率为3MHz)，当该计数值与A相某一单相逆变全桥的触发控制字相同时，触发脉冲控制器将向该单相逆变全桥发送导通或关断信号。当计数器的计数值达到设计的最大值时(要求保证该计数值能够覆盖该相所有触发控制字)该计数值将清零，并保持零值，一直到下一个A相同步过零信号上升沿的到来才开始重新计数。其它B、C相可根据上述工作原理推得。

上述工作过程和原理是基于静止式动态无功补偿器处于正常运行工况下进行的，但是当静止式动态无功补偿器处于故障运行工况时，为了防止静止式动态无功补偿器故障的进一步扩大，甚至发生设备损坏事故，故障信号处理器和ABC三相故障信号控制器将采取一定的故障处理措施以确保设备的安全，根据故障处理的数据流可分析其工作原理，即当静止式动态无功补偿器处于正常运行状态时，由外部IGBT触发系统反馈给故障反馈信号识别器的所有故障信号一直为高电平；当某些或某个IGBT处于短路运行状态时，其相应的故障反馈信号将变为低电平。此时故障反馈信号识别器将根据该故障反馈信号识别静止式动态无功补偿器逆变系统的运行状态，并编制相应的故障状态字以供上位处理器和脉冲封锁信号生成器来识别，当脉冲封锁信号生成器识别到该故障反馈信号后，将立即生成脉冲封锁信号，并向ABC三相故障信号控制器发送该脉冲封锁信号，此时ABC三相故障信号控制器将立即封锁所有的触发脉冲前向通道，实现静止式动态无功补偿设备的故障停机目的；当静止式动态无功补偿器逆变系统的短路故障排除后，运行人员通过上位处理器向故障复位控制器发送复位重启动信号，当故障复位控制器确认复位重启动信号后，它将向脉冲封锁信号生成器发送触发脉冲封锁解除信号至ABC三相故障信号控制器，此时ABC三相故障信号控制器将同时解除触发脉冲封锁信号，使得静止式动态无功补偿器逆变系统各单相逆变的触发脉冲信号得以前向输送至外部IGBT触发系统，实现静止式动态无功补偿系统重新启动的目的。

当静止式动态无功补偿器的逆变单元具有大量的功率开关元件协同运行时，本发明可以确保所有开关元件同时触发或关断，并消除由于流水线处理结构引起的触发延时和触发差异，这将大大提高静止式动态无功补偿装置输出无功功率精度，并消除由触发延时和触发差异引起的STATCOM暂态过电流或暂态过电压问题，极大地提高静止式动态无功补偿器系统的稳定性。同时本发明对于故障信号的集中处理方式，对基于变压器多重化静止式动态无功补偿设备故障后处理和保护及其有利，对于防止故障扩大具有重要意义。本发明不仅适用于基于变压器多重化静止式动态无功补偿设备，同样适用于具有多重化结构的电机拖动系统。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本发明单相逆变全桥的拓扑结构和工作原理图。

图3为本发明的四重化技术拓扑结构原理图。

图4为本发明的四重化技术拓扑结构A相输出电压波形迭加原理图。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

图1中α为每一相的单项全桥相互间的滞后角——一般有α＝15°和20°；

θ为单相逆变全桥的输出电压脉冲宽度——一般有θ＝120°；

δ为静止式动态无功补偿器输出功角——一般在[-10°，+10°]。

图2中S1～S4为单相逆变全桥的各功率开关；

R1～R4，C1～C4为各功率开关的阻容突波吸收元件；

T为单相逆变单元输出曲折变压器(中频变压器)，原副边变比为k；

Cdc为直流侧电压支撑电解电容；

Ux为单相逆变全桥的输出电压。

脉宽调制为触发信号参考波形。

图3中A0°、A15°、A30°、A45°分别为A相各个单相逆变全桥；

B0°、B15°、B30°、B45°分别为B相各个单相逆变全桥；

C0°、C15°、C30°、C45°分别为A相各个单相逆变全桥；

V_AB、V_BC、V_BC分别为STATCOM装置的输出线电压

--V_AB＝V_A0+V_A15+V_A30+V_A45-V_A30-V_A45

--V_BC＝V_B0+V_B15+V_B30+V_B45-V_C30-V_C45

--V_CA＝V_C0+V_C15+V_C30+V_C45-V_A30-V_A45

V_S为电力系统电压；

Vdc为直流侧直流电压；

i_I为STATCOM装置的输出电流；

L为STATCOM装置的滤波电抗——一般取装置短路容量的15％左右。

图4中V_A0、V_A15、V_A30、V_A45分别为A相各个逆变全桥相对应的输出电压

——它们分别滞后α＝15°或20°，其它B、C相依次类推。

V_SAB为电力系统AB相线电压；

其它参考图1、2、3。

如图1所示，本发明包括：同步过零信号控制器、触发控制字生成器、ABC三相触发脉冲控制器、ABC三相故障信号控制器和故障信号处理器，同步过零信号控制器向触发控制字生成器发送同步过零信号，与此同时触发控制字生成器接收来自上位处理器的控制参数(α各单相逆变全桥的移相角，一般采用15弧度、θ为单相逆变全桥的导通角一般采用120弧度、δ为STATCOM设备的输出功角一般变化范围为-10弧度至+10弧度)，并根据这些控制参数生成触发控制字，并随即向ABC三相触发脉冲控制器发送触发控制字和相应的同步过零信号；ABC三相触发脉冲控制器接收到触发控制字和相应的同步过零信号后，立即生成相应的ABC三相触发脉冲信号，并向ABC三相故障信号控制器发送相应的ABC三相脉冲触发信号；与此同时故障信号处理器分析STATCOM设备故障反馈信号，并向ABC三相故障信号控制器发送触发脉冲封锁或解除信号，同时向上位处理器发送设备故障状态字；ABC三相故障信号控制器接收ABC三相脉冲触发信号，并根据由故障信号处理器发送的脉冲封锁或解除信号，判断是否向外部IGBT驱动单元发送ABC三相脉冲触发信号。

所述的同步过零信号控制器，由同步变压器、低通滤波器、电压比较器和相位调理器构成，其中同步变压器是输入为380V，输出为12V的交流同步变压器；低通滤波器是由电阻和电容构成的RC低通滤波器，其截止频率为100Hz；电压比较器是由LM319构成的高精度电压比较器；相位调理器由大规模可编程逻辑处理器(FPGA)作为硬件载体和硬件描述语言(VHDL)为软件载体所构成的相位超前或滞后调理器。该同步过零信号的形成由以下步骤构成，电网380VAC经380V/12V交流同步变压器转换后变成有效值为12V的交流同步正弦信号，该正弦信号输入到RC低通滤波器，滤除交流同步正弦信号中较高的谐波成分，使RC低通滤波器的输出为极为稳定的工频交流同步信号，该工频交流同步信号输入到由LM319构成的高精度电压比较器的同相输入端，而其反相输入端接模拟信号地，这样高精度电压比较器的输出将变成紧紧跟随工频交流同步信号过零交变的同步逻辑信号，即当工频交流同步信号小于模拟信号地时，该逻辑信号为低(‘0’)；当工频交流同步信号大于模拟信号地时，该逻辑信号为高(‘1’)；由于基于多重化结构STATCOM对于参考过零相位有特别要求，因此需要对该同步逻辑信号进行相位调整，此时同步逻辑信号输入到相位调理器中，相位调理器将根据STATCOM系统要求调整同步逻辑信号的相位，本发明以四重化的STATCOM为例，其过零同步参考相位需要超求相应的电网电压相60弧度，因此相位调理器将过零同步参考相位向前调整60弧度。该同步过零信号控制器模块实现了对电网电压的过零同步点进行跟踪，并为静止式动态无功补偿器输出电压的同步并网提供参考相位。

所述的触发控制字生成器，实现各单相逆变全桥中各IGBT的导通、关断控制字生成的功能模块，这些控制字为各单相逆变全桥中各IGBT的导通、关断驱动信号的生成提供参考和依据。

所述的ABC三相触发脉冲控制器，根据各IGBT导通、关断控制字实现相对应IGBT导通、关断驱动信号生成的功能模块，该功能模块共分为A、B、C三相触发脉冲控制器，分别控制生成对应相位的单相逆变全桥IGBT所需的驱动信号。

所述的ABC三相故障信号控制器，实现静止式动态无功补偿器设备故障保护功能，该三相故障信号控制器模块通过在设备故障条件下封锁所有IGBT驱动信号的方式来实现设备保护的目的。

所述的故障信号处理器，由故障反馈信号识别器、脉冲封锁信号生成器和故障复位控制器构成，它们的连接方式是根据数据流的方向而确定的，具体的数据流程分为两种，一是故障信号判断、控制流程；二是故障复位判断、控制流程。根据故障信号判断、控制流程可知，故障反馈信号字始终输入到故障反馈信号识别器中，故障反馈信号识别器将锁存故障反馈信号字，当STATCOM设备发生故障时，相应的故障反馈信号字将发生跳变，此时故障反馈信号识别器将识别到STATCOM设备的故障状况，并根据故障状况向脉冲封锁信号生成器和故障复位控制器发送故障发生报警信号；脉冲封锁信号生成器接收到故障发生报警信号后立即产生触发脉冲封锁信号，并向ABC三相故障信号控制器发送该触发脉冲封锁信号；故障复位控制器接收到故障发生报警信号后，立即向上位处理器发送故障处理中断申请信号。根据故障复位判断、控制流程可知，当STATCOM设备的故障排除以后，上位处理器将向故障复位控制器发送故障复位信号，故障复位控制器接收到故障复位信号后，将向脉冲封锁信号生成器发送触发脉冲封锁解除信号，同时向故障反馈信号识别器发送故障状态字清除信号；脉冲封锁信号生成器在接收到触发脉冲封锁解除信号后立即产生触发脉冲封锁解除信号，并向ABC三相故障信号控制器发送该触发脉冲封锁解除信号；故障反馈信号识别器接收到故障状态字清除信号后立即清除锁存的故障反馈信号字，使其输入的状态字为故障排除后的故障反馈信号字。该故障信号处理器模块主要实现静止式动态无功补偿器设备故障的检测、判断、保护和反馈功能。以四重化STATCOM为例，其输入的故障反馈信号字由48只功率开关(12只逆变全桥×4只功率开关/逆变全桥＝48只功率开关)的故障信号、直流侧过电压故障信号、系统过电流故障和系统过热故障信号等构成，正常时这些反馈信号为逻辑高(‘1’)，故障时这些反馈信号为逻辑低(‘0’)；其它控制信号都可于其它类型STATCOM的控制信号通用。该模块主要实现静止式动态无功补偿器设备故障的检测、判断、保护和反馈功能。

同步过零信号控制器由380V/12V的同步变压器、电阻(300欧姆)和电容(33微法)构成的低通滤波器、LM319构成的高精度电压比较器和大规模可编程逻辑处理器为硬件载体、VHDL语言为软件载体编制的相位调理器等构成。

触发控制字生成器由大规模可编程逻辑处理器为硬件载体、VHDL语言为软件载体构成。

触发控制字生成器由大规模可编程逻辑处理器为硬件载体、VHDL语言为软件载体构成。

ABC三相故障信号控制器由大规模可编程逻辑处理器为硬件载体、VHDL语言为软件载体构成。

故障信号处理器由大规模可编程逻辑处理器为硬件载体、VHDL语言为软件载体构成。

其中相位调理器、触发控制字生成器、触发控制字生成器、ABC三相故障信号控制器和故障信号处理器集成在一块大规模可编程逻辑处理器中，用VHDL语言编制而成。该大规模可编程逻辑处理器为美国Altera公司Cyclone系列的EPC6Q240-8大规模可编程逻辑处理器，其软件编译环境为美国Altera公司Quartus4.2。

根据静止动态无功补偿器(STATCOM或ASVG)的工作原理可知，其输出无功功率Q为：

$Q=\frac{U_S}{2R}\sin 2\mathrm{\δ}---\left(1\right)$

其中：R为STATCOM装置的等效电阻，该阻值大小表征STATCOM装置能量转换效率大小，一般取值较小(＜0.01Ω)。由于本实用新型STATCOM装置输出无功功率Q对功角δ变化特别敏感，功角δ的变化范围一般为[-10°，+10°]，因此对STATCOM装置的功角调节要求较高的精度。

如图2所示，为某单相逆变全桥的开关时序图，根据该时序图可以得知任何一个单相逆变全桥各功率开关(S1、S2、S3和S4)的触发规律和其输出电压Ux的调制规律。设A相第n(0，1，2或3)个单相逆变全桥要求触发，则该单相逆变全桥相对与系统A相同步过零信号的所有功率开关导通、关断控制字(触发控制字)为：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{on}}\left(S1\right)=\mathrm{\δ}+n\·\mathrm{\α}\\ T_{\mathrm{off}}\left(S1\right)=\mathrm{\δ}+n\·\mathrm{\α}+\mathrm{\π}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{on}}\left(S3\right)=\mathrm{\δ}+n\·\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})+\mathrm{\π}\\ T_{\mathrm{off}}\left(S3\right)=\mathrm{\δ}+n\·\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})+2\mathrm{\π}\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{on}}\left(S2\right)=\mathrm{\δ}+n\·\mathrm{\α}+\mathrm{\π}\\ T_{\mathrm{off}}\left(S2\right)=\mathrm{\δ}+n\·\mathrm{\α}+2\mathrm{\π}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{on}}\left(S4\right)=\mathrm{\δ}+n\·\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})\\ T_{\mathrm{off}}\left(S4\right)=\mathrm{\δ}+n\·\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})\end{array}\right.\end{array}---\left(2\right)$

其中，S1和S4构成正向电压输出回路；S2和S3构成反相电压输出回路。因此该单相逆变单元的输出电压(周期为2π)表达式为：

$\mathrm{Ux}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{n\&alpha;}\&le;t<\mathrm{\&delta;}+(\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;})+\mathrm{n\&alpha;}\\ +k\&CenterDot;\mathrm{Udc}& \mathrm{\&delta;}+(\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;})+\mathrm{n\&alpha;}\&le;t<\mathrm{\&delta;}+\mathrm{\&pi;}+\mathrm{n\&alpha;}\\ 0& \mathrm{\&delta;}+\mathrm{\&pi;}+\mathrm{n\&alpha;}\&le;t<\mathrm{\&delta;}+\mathrm{\&pi;}+(\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;})+\mathrm{n\&alpha;}\\ -k\&CenterDot;\mathrm{Udc}& \mathrm{\&delta;}+\mathrm{\&pi;}+(\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;})+\mathrm{n\&alpha;}\&le;t<\mathrm{\&delta;}+2\mathrm{\&pi;}+\mathrm{n\&alpha;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

该输出电压波形通过傅立叶变换可得基波(工频50Hz)电压的表达式：

$\mathrm{Ux}=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}k{U}_{\mathrm{dc}}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\sin [\mathrm{wt}-(\mathrm{\&delta;}+\frac{(\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;})}{2}+\mathrm{n\&alpha;})]---\left(4\right)$

如图3所示的四重STATCOM，可分析其输出线电压的迭加原理，显然U_AB、U_BC、U_CA分别为：四重化迭加后的线电压波形如图4所示，可以看出迭加后四重化STATCOM输出线电压(如图4所示的线电压U_AB为例)波形，是一个较为接近正弦波形的迭加阶梯波，通过对该波形的傅立叶分析可知，该迭加波形的畸变率较低(＜5％)符合电压畸变率小于5％的行业标准。

根据各单相电压表达式(4)的迭加可得四重STATCOM输出线电压基波的数学表达式，

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{16\sqrt{3}}{\mathrm{\&pi;}}k\&CenterDot;\cos \frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}{U}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{wt}-\mathrm{\&delta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&alpha;}}{2})\\ U_{\mathrm{BC}}=\left(t\right)=\frac{16\sqrt{3}}{\mathrm{\&pi;}}k\&CenterDot;\cos \frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}{U}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{wt}-\mathrm{\&delta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&alpha;}}{2}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\\ U_{\mathrm{CA}}\left(t\right)=\frac{16\sqrt{3}}{\mathrm{\&pi;}}k\&CenterDot;\cos \frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}{U}_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{wt}-\mathrm{\&delta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&alpha;}}{2}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right.---\left(5\right)$

显然，上位处理器只需向触发控制字生成器发送三个控制量——滞后角α、输出功角δ和单相逆变全桥导通角θ，则触发控制字生成器将可根据公式(2)生成各单相逆变全桥的触发控制字。当触发控制字生成器完成触发控制字工作后，立即向ABC三相触发脉冲控制器发送这些触发控制字，当ABC三相触发脉冲控制器接收到这些触发控制字后，在各相同步过零信号上升沿到来时刻，把各单相逆变全桥的触发控制字锁存到锁存器中，并开始各相内部计数器(计数频率为3MHz)的增值计数工作，当该相计数器的计数值与某逆变全桥单元的触发控制字(导通或关断触发控制字)相同时，该相触发脉冲控制器将向A相故障信号控制器发送该单相逆变全桥各IGBT模块的触发信号，此后故障信号控制器将根据故障信号处理器发出的脉冲封锁信号(高或低)决定是否向前向IGBT驱动模块发送触发信号，当故障信号处理器发出的脉冲封锁信号为高时，意味着STATCOM的逆变系统不存在短路故障；当故障信号处理器发出的脉冲封锁信号为低时，意味着STATCOM的逆变系统存在短路故，ABC三相故障信号控制器将封锁各单相逆变单元的触发信号。当STATCOM故障后发生，并且该故障已经被排除，STATCOM控制系统将复位重启脉宽调制专用控制器，此时故障信号处理器将响应该复位重启信号，并解除它所发出的脉冲封锁信号，并置位为高电平。

Claims (9)

1.一种变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，包括：同步过零信号控制器、触发控制字生成器、ABC三相触发脉冲控制器、ABC三相故障信号控制器和故障信号处理器，其特征在于，它们之间是通过控制和数据信号的相互传递来实现的，在同步过零信号控制器向触发控制字生成器发送同步过零信号后，触发控制字生成器接收来自上位处理器的控制参数，同时根据这些控制参数生成触发控制字，并向ABC三相触发脉冲控制器发送触发控制字和相应的同步过零信号；ABC三相触发脉冲控制器在接受到触发控制字和相应的同步过零信号后，向ABC三相故障信号控制器发送ABC三相脉冲触发信号；故障信号处理器分析设备故障反馈信号，并向ABC三相故障信号控制器发送触发脉冲封锁或解除信号，同时向上位处理器发送设备故障状态字；ABC三相故障信号控制器接收ABC三相脉冲触发信号，并根据由故障信号处理器发送的脉冲封锁或解除信号，判断是否向外部IGBT驱动单元发送ABC三相脉冲触发信号；同步过零信号控制器为STATCOM设备提供同步过零信号和过零中断申请信号，使得STATCOM设备的输出电压与系统电压保持同步；触发控制字生成器生成各个单相逆变单元的触发脉冲控制字，这些触发脉冲控制字是各个IGBT触发脉冲信号形成的根据；ABC三相触发脉冲控制器根据触发脉冲控制字形成各个IGBT触发脉冲信号；ABC三相故障信号控制器实现正常工况下输出IGBT触发脉冲信号和故障工况下封锁各个IGBT触发脉冲信号前向通道的功能，以实现STATCOM设备故障停机的功能；故障信号处理器实现STATCOM故障工况的判别、故障中断信号的生成及IGBT触发脉冲信号前向通道的封锁。

2.根据权利要求1所述的变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，其特征是，所述的同步过零信号控制器，由同步变压器、低通滤波器、电压比较器和相位调理器构成，它们之间按照数据流的方向而依次连接和作用的，电网的正弦交流信号通过同步变压器变为同相位幅值为±12V的正弦交流信号，该信号由同步变压器的输出端进入低通滤波器的输入端，低通滤波器完成对±12V的正弦交流信号的低通滤波功能后，输出极为稳定±12V的工频正弦交流同步信号，该信号输入到电压比较器的同相端，而电压比较器的反相端接模拟信号地，电压比较器的输出信号输入到相位调理器，相位调理器将根据系统要求调整方波逻辑信号的相位，使其相位上符合STATCOM需求的同步过零信号，相位调理器在完成对方波逻辑信号的相位调整后，将向触发控制字生成器发送相应的同步过零信号。

3.根据权利要求2所述的变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，其特征是，所述的电压比较器的输出信号是紧随±12V正弦交流同步信号交变的方波逻辑信号，该信号与需求的同步过零信号在相位上存在着相位差。

4.根据权利要求1所述的变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，其特征是，所述的触发控制字生成器，实现各单相逆变全桥中各IGBT的导通、关断控制字生成的功能模块，这些控制字为各单相逆变全桥中各IGBT的导通、关断驱动信号的生成提供参考和依据。

5.根据权利要求1所述的变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，其特征是，所述的ABC三相触发脉冲控制器，根据各IGBT导通、关断控制字实现相对应IGBT导通、关断驱动信号生成的功能模块，该功能模块共分为A、B、C三相触发脉冲控制器，分别控制生成对应相位的单相逆变全桥IGBT所需的驱动信号。

6.根据权利要求1所述的变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，其特征是，所述的ABC三相故障信号控制器，实现静止式动态无功补偿器设备故障保护功能，该ABC三相故障信号控制器模块通过在设备故障条件下封锁所有IGBT驱动信号的方式来实现设备保护的目的。

7.根据权利要求1或6所述的变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，其特征是，所述的故障信号处理器，由故障反馈信号识别器、脉冲封锁信号生成器和故障复位控制器构成，它们之间根据数据流的方向而相互作用的，具体的数据流程分为两种，一是故障信号判断、控制流程；二是故障复位判断、控制流程。

8.根据权利要求7所述的变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，其特征是，所述的故障信号判断、控制流程，是指：故障反馈信号字始终输入到故障反馈信号识别器中，故障反馈信号识别器将锁存故障反馈信号字，当STATCOM设备发生故障时，相应的故障反馈信号字将发生跳变，此时故障反馈信号识别器将识别到STATCOM设备的故障状况，并根据故障状况向脉冲封锁信号生成器和故障复位控制器发送故障发生报警信号；脉冲封锁信号生成器接收到故障发生报警信号后立即产生触发脉冲封锁信号，并向ABC三相故障信号控制器发送该触发脉冲封锁信号；故障复位控制器接收到故障发生报警信号后，立即向上位处理器发送故障处理中断申请信号。

9.根据权利要求7所述的变压器无功补偿器的脉宽调制专用控制器，其特征是，所述的故障复位判断、控制流程，是指：当STATCOM设备的故障排除以后，上位处理器将向故障复位控制器发送故障复位信号，故障复位控制器接收到故障复位信号后，将向脉冲封锁信号生成器发送触发脉冲封锁解除信号，同时向故障反馈信号识别器发送故障状态字清除信号；脉冲封锁信号生成器在接收到触发脉冲封锁解除信号后立即产生触发脉冲封锁解除信号，并向ABC三相故障信号控制器发送该触发脉冲封锁解除信号；故障反馈信号识别器接收到故障状态字清除信号后立即清除锁存的故障反馈信号字，使其输入的状态字为故障排除后的故障反馈信号字。

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