CN202917960U - 一种采用冗余控制的链式svg控制装置 - Google Patents

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Abstract

本新型涉及一种采用冗余控制的链式SVG控制装置，包括：H电桥多联型的多电平逆变器、分相电流独立控制电路、自动旁路电路和脉宽调制电路，多电平逆变器由连接于三相电源的三相H桥功率模块构成，每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路；脉宽调制电路，其用于根据正弦调制波的调制比M和相位角
Figure 201220503321X100004DEST_PATH_IMAGE002
对各H电桥单元电路之间采用的载波三角波移相SPWM进行控制；本新型通过每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路，使H桥功率模块发生损坏时，自动旁路故障模块，无需停机检修。

Description

一种采用冗余控制的链式SVG控制装置
技术领域
本新型涉及电力系统电能质量领域，特别涉及采用冗余控制的链式SVG控制装置。
背景技术
随着电力工业的迅猛发展，电力系统安全稳定问题日益凸显。静止无功发生器（SVG）作为柔性交流输电系统和定制电力系统中的新兴重要元件，能增强对电力系统的控制能力，并且体积小，调节速度快，在调节系统电压、校正功率因数、平衡负荷、滤除谐波等方面具有很大的优势。
链式SVG装置中，H桥功率模块是最主要的组成部分，也是最容易发生故障的部分。在现有技术中，当某一个功率模块发生故障时，工作人员往往要停机检修，这时候，整个线路必须处于断电状态，给生产生活带来了一定的不便，或者故障未及时发现造成整个电路损坏，所以如何能不切断电源进行检修，自动切除故障Ｈ桥单元电路是本领域的技术难题。
实用新型内容
本新型要解决的技术问题是提供一种能自动旁路故障Ｈ桥单元电路，保持H电桥多联型多电平逆变器正常工作的采用冗余控制的链式SVG控制装置。
本新型的思路是为了保证H电桥多联型的多电平逆变器的连续运行，该多电平逆变器的每一相采用N+1个H桥功率模块。当某一个功率模块发生故障时，将该模块自动旁路，其他N个功率模块可继续正常工作。工作人员可以不停机进行检修，确保链式SVG控制装置连续稳定运行。基于此，本新型设计了一种采用冗余控制的链式SVG控制装置。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种采用冗余控制的链式SVG控制装置，包括：
H电桥多联型的多电平逆变器，其由连接于三相电源的三相H桥功率模块构成，其中，在由若干H电桥单元电路组成的每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路；设于各H电桥单元电路的输出端的自动旁路电路;
适于跟踪所述三相电源的电压相位并输出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角                                                
Figure 395652DEST_PATH_IMAGE001
的分相电流独立控制电路； 
与所述分相电流独立控制电路相连的用于根据所述正弦调制波的调制比M和相位角对各H电桥单元电路之间采用的载波三角波移相SPWM进行控制的脉宽调制电路。
本新型具有以下优点：（1）通过每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路，使H桥功率模块发生损坏时，自动旁路故障模块，无需停机检修；（2）脉宽调制电路调节发生损坏的一相H桥功率模块的调制波，有效的避免了谐波产生；（3）通过分相电流独立控制实现了三相电源不平衡输出的补偿问题。
附图说明
为了使本新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本新型作进一步详细的说明，其中
图1 本新型的采用冗余控制的链式SVG控制装置框图；
图2本新型的H电桥多联型的多电平逆变器的电路结构图；
图3本新型的H电桥单元电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本新型进行详细说明：
实施例1
如图1-3所示，一种采用冗余控制的链式SVG控制装置，包括：
H电桥多联型的多电平逆变器，其由连接于三相电源的三相H桥功率模块构成，其中，每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路；
自动旁路电路，设于各H电桥单元电路的输出端，且当一H电桥单元电路发生损坏时，将该H电桥单元电路旁路；
适于跟踪所述三相电源的电压相位以输出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角
Figure 940345DEST_PATH_IMAGE001
的分相电流独立控制电路； 
与所述分相电流独立控制电路相连的脉宽调制电路，其用于根据所述正弦调制波的调制比M和相位角
Figure 908301DEST_PATH_IMAGE001
对各H电桥单元电路之间采用的载波三角波移相SPWM进行控制；即，当损坏的H电桥单元电路旁路后，该脉宽调制电路适于在所述分相电流独立控制电路采集所述三相电源的电压相位的采样周期不变的基础上，改变该损坏的H电桥单元电路所在的一相H桥功率模块的所述载波三角波移相SPWM的载波频率，以获得与该相H桥功率模块中剩余的H电桥单元电路数量相对应的载波三角波移相SPWM的脉冲调制波形。
脉宽调制电路涉及SPWM脉宽调制法，该方法是指，用一正弦波做调制波，以F倍于正弦调制波频率的三角波做载波进行波形比较而产生的一组幅值相等，宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲列来等效正弦波，从而控制开关器件（即多电平逆变器中的开关器件）的通断。
本新型采用载波三角波移相SPWM控制和载波三角波层叠式SPWM控制的混合控制算法：从整体而言，各H电桥单元电路之间采用载波三角波移相SPWM控制，而单个H电桥单元电路采用层叠式SPWM控制的方法，这种调制方法，输出谐波含量小，开关频率低，且能够很好地解决逆变效率低的问题。
载波三角波移相SPWM控制法，是指对于N个H电桥单元电路，采用N个相位不同，但频率和幅值相同的载波三角波与同一个正弦调制波进行比较，产生出N组SPWM控制脉冲波形分别去控制N个H桥，使各个H电桥单元电路都输出基波电压相同的SPWM电压波形，然后再将这N个H电桥单元电路输出的SPWM电压波形进行叠加而合成出SPWM多电平电压波形。
N个载波三角波的初相位角应该依次移开一个角度，若采用双极性载波三角波，这个角度为；若是单极性载波三角波，角度为
Figure 778354DEST_PATH_IMAGE004
。
载波三角波层叠式SPWM控制法是应用比较早的一种多电平逆变器的SPWM调制法。载波三角波层叠式SPWM调制法可以分为两种，即单层层叠式SPWM调制法和多层层叠式SPWM调制法，该两种方法都能达到本专利的技术效果。
载波三角波单层层叠式SPWM调制法根据两个三角载波的相位关系又可分为载波三角波反相单层层叠SPWM调制法（两个载波三角波的相位相反）和载波三角波同相单层层叠SPWM调制法（两个载波三角波的相位相同）。载波三角波反相单层层叠SPWM调制法和载波三角波同相单层层叠SPWM调制法这两中调制方法没有什么优劣之分，本新型采用载波三角波同相单层层叠SPWM调制法。
在载波三角波同相单层层叠SPWM调制法中，两个载波三角波和
Figure 844716DEST_PATH_IMAGE006
的相位相同。其中
Figure 490461DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 5756DEST_PATH_IMAGE006
为横轴上、下层的载波三角波，为正弦调制波。用正弦波与三角波进行比较，在正弦波
Figure 619498DEST_PATH_IMAGE007
大于三角波的部分会产生输出SPWM脉冲，在正弦波小于三角波的部分会产生输出电压的零脉冲。由于
Figure 805946DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 645726DEST_PATH_IMAGE006
是同相的，也就是说
Figure 188703DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 746723DEST_PATH_IMAGE006
不对称于坐标横轴，所以通过正弦波与三角波的比较，产生的输出电压SPWM波形的正半周与负半轴是不相同的。
任取一个H电桥单元电路进行研究，从功率角度分析。其中，
Figure 400558DEST_PATH_IMAGE008
为H电桥单元电路的输出电压，
Figure 94845DEST_PATH_IMAGE009
为相电流，
Figure 11985DEST_PATH_IMAGE010
为输出电压和相电流的夹角，则H电桥单元电路吸收的有功功率为：
Figure 355504DEST_PATH_IMAGE011
，可见，通过改变H电桥单元电路输出电压大小、相电流大小以及它们之间的夹角就能够改变H桥吸收的有功功率。因为相电流 Is 的大小和方向固定，所以只能改变H电桥单元电路输出电压的大小和方向，即对应到脉宽调制电路输出的调制比M和相位角
Figure 750714DEST_PATH_IMAGE001
。
链式SVG的控制采用分层的控制结构：上层控制主要确定总的有功和无功功率，下层控制主要是调节有功在该相各H桥之间的合理分配，保证直流侧电容电压平衡。本新型上层控制的方法采用分相电流独立控制，计算出期望的调制波的调制比和相位角，将各桥直流侧电压的误差量化为正弦函数叠加在该H电桥单元电路的调制波上，对每一个H电桥单元电路的调制波相位进行微调，调节有功在各H电桥单元电路之间的分配。
微调相位差实现电容电压平衡的原理，其中USVG为直流侧电容电压，由于相电流滞后或超前SVG输出电压90°，每个H桥的直流电容在半个周期内的充电量为0；在第二个周期时，对其微调
Figure 627403DEST_PATH_IMAGE012
角度，这时候，电容电量增加。可见，通过控制
Figure 449865DEST_PATH_IMAGE012
就可以控制电容充电或者放电，当
Figure 779215DEST_PATH_IMAGE012
>0时，电容充电，电压升高；反之，当
Figure 978116DEST_PATH_IMAGE012
<0时，电容放电，电压降低。因此每个H桥直流侧的电压都可以从过
Figure 709311DEST_PATH_IMAGE012
的微调进行合理调节，到达平衡控制。
链式SVG的三相直流侧不存在耦合关系，因而可以实现分相控制，对三相系统分别补偿，对平衡系统和不平衡系统都会有比较好的补偿效果。前段中提出的控制，其上层控制采用电流状态完全解耦控制，暂态响应快，稳定性好，但是控制器设计时只考虑了三相平衡时的情况，并没有考虑到三相系统不平衡的问题。对电网质量调查表明，电网电压或多或少存在相位或者幅值的不对称，也就是说在实际情况中，三相系统大多是不平衡的。
自动旁路电路，采用自动旁路技术，自动旁路技术就是直接将故障功率模块交流侧旁路，从而实现故障模块与装置的分离。通过在每个功率单元模块的输出侧设置一个旁路机构来实现自动旁路。
可以采用在各H电桥单元电路的输出端设有一继电器，利用控制常开和常闭状态来实现故障H电桥单元电路与该相H桥功率模块分离；也可以采用整流桥和晶闸管，各H电桥单元电路的输出端连接到两对二极管组成的整流桥，所以晶闸管始终处于正向压降下。当监控系统检测到功率模块内部故障时，立即封锁IGBT脉冲，并触发晶闸管导通，实现旁路分离；或者采用双向晶闸管。
当某一相H桥功率模块中有故障H电桥单元电路被旁路以后，如果脉宽调制电路输出的正弦调制信号的脉冲发送还是按照正常运行时发送，而该链式SVG控制装置的输出却只有N个H电桥单元电路输出电压叠加，谐波含量将会增加。因此，对于剩下的N个非故障H电桥单元电路，调制需作相应的调整。
因为载波三角波层叠式SPWM只是在单个H电桥单元电路内部起作用，因此故障模块分离对载波三角波层叠式SPWM调制没有影响，只对载波三角波移相SPWM造成影响。所以，为了方便分析，只对载波三角波移相SPWM进行分析。设N+1个H电桥单元电路串联时，该链式SVG控制装置的载波频率为1/Tc，采样周期为Ts，载波为单极性时，采样周期Ts = Tc /[2(N+1)] 。下面给出故障H电桥单元电路分离后两种常用的调整方法。
第一种方法：Tc不变，Ts变化
为了简化分析，选择故障前，设所述多电平逆变器个数为n+1=6，则各相H桥功率模块的采样周期Ts=Tc/12，在0/6Ts、Ts/7Ts、2Ts/8Ts、3Ts/9Ts、4Ts/10Ts、5Ts/11Ts时刻一次采样调制波，并比较生成相应的触发脉冲。
若某一H电桥单元电路因发生故障被分离后（假设第一个H电桥单元电路被分离），如不对调制作相应调整，则剩余N个非故障H电桥单元电路的脉冲生成时序的采样间隔是2Ts，但是其他功率H电桥单元电路之间的采样间隔是Ts，这明显不符合载波移相SPWM调制的基本原理。SVG装置的输出电压的谐波含量必然增加。
设载波周期不变，仍然为Tc，但是将采样周期在Tc内重新调整。由于故障后，所述多电平逆变器的数量变为5，从而调制后的采样周期为Ts’=Tc/10。这样将产生N=5的完整的载波移相输出脉冲。
该方法通过改变故障相（发生故障的H电桥单元电路所在的一相H桥功率模块）的采样周期来调整该相载波移相SPWM的开关调制。对该相来说，可以起到很好的调节作用。
第二种方法：Tc变化，Ts不变
当第一个H电桥单元电路发生故障被分离时，保持采样周期Ts不变，调整该相的载波三角波周期。
调整后故障相的载波周期为Tc’， 保持其他非故障相的载波周期Tc不变。在0/5Ts、Ts/6Ts、2Ts/7Ts、3Ts/8Ts、4Ts/9Ts时刻，一次采样调制波生成H桥功率模块的触发脉冲。这样，得到了完整的N=5的载波移相SPWM脉冲调制波形。由于故障相的采样周期在故障模块分离前后没有改变，故障分离后，仍能保证三相电流采样的同步性。
所述的链式SVG控制装置，还包括：分相电流独立控制电路，其包括：
锁相环，用来跟踪所述三相电源的电压相位；
无功电流给定模块，适于根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的余弦量并与一无功电流参考值相乘，以得到实际的无功电流输出；
有功电流给定模块，适于根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的正弦量，同时根据所述各相H桥功率模块的直流侧电容的电压平均值与一直流侧电容的电压参考值相减并经过PI控制后再与所述正弦量相乘，以得到实际的有功电流输出；
瞬时电流跟踪模块，用于先将所述无功电流给定模块和有功电流给定模块输出的电流叠加，然后减去三相电源中的瞬时电流，并通过控制器以计算出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角
Figure 702675DEST_PATH_IMAGE001
。
其中参考电流为期望的补偿电流，直流电压参考值为期望的补偿电压。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本新型所作的举例，而并非是对本新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本新型的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种采用冗余控制的链式SVG控制装置，其特征在于包括：
H电桥多联型的多电平逆变器，其由连接于三相电源的三相H桥功率模块构成，其中，在由若干H电桥单元电路组成的每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路；设于各H电桥单元电路的输出端的自动旁路电路;
适于跟踪所述三相电源的电压相位并输出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角                                                
Figure 803441DEST_PATH_IMAGE001
的分相电流独立控制电路； 
与所述分相电流独立控制电路相连的用于根据所述正弦调制波的调制比M和相位角
Figure 198651DEST_PATH_IMAGE001
对各H电桥单元电路之间采用的载波三角波移相SPWM进行控制的脉宽调制电路。
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