CN2759030Y

CN2759030Y - 基于dsp的桥式超导限流器控制装置

Info

Publication number: CN2759030Y
Application number: CNU2004200295137U
Authority: CN
Inventors: 马幼捷; 周雪松; 向龙瑞; 何彦民; 徐晓宁
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2014-08-11

Abstract

一种基于DSP的桥式超导限流器控制装置，其特征在于它是由信号整形变换处理电路、中央数据处理电路、功率驱动管电路和超导限流器可关断晶闸管单元电路组成。本实用新型的优越性和技术效果在于：利用高性能DSP数字信号处理芯片实现桥路式超导限流器的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，减少普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后和精度缺陷，使整个控制系统具有很好的调节性能和可靠性，增强电网的稳定性，可较好的保证输电线路故障时的保护动作，降低大面积停电事故的概率。

Description

基于DSP的桥式超导限流器控制装置

(一)技术领域：

本实用新型属于电力系统桥式超导限流器(SFCL)控制技术领域，是一种基于DSP的桥式超导限流器控制装置。

(二)背景技术：

桥式超导限流器(又称桥路型超导故障限流器)通常由GTO或者IGBT等大功率电力电子器件加超导电感器构成，其控制电路多由单片机组成。控制装置大多存在硬件电路复杂、调试困难、抗干扰能力差和存在温度漂移等缺点。DSP也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器，具有专门的硬件乘法器，可以快速实现各种数字信号处理算法。由于大功率电路对触发脉冲要求很高，传统控制装置无论在控制精度还是控制速度上都难以满足现代大功率电路的要求。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于DSP的桥式超导限流器控制装置，结合高性能的信号处理器，可较好的克服上述传统控制装置的缺点，是一种快速度、高精度的控制装置。

本实用新型的详细技术方案：一种基于DSP的超导故障限流器控制装置，其特征在于它以信号整形变换处理电路、中央数据处理电路、功率驱动管电路和超导限流器可关断晶闸管单元电路组成；所说的信号整形变换处理电路的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，中央数据处理电路的输出端连接的功率驱动管电路，功率驱动管电路的输出端连接超导限流器可关断晶闸管单元电路各个GTO门极输入端。

上述所说的信号整形变换处理电路由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变换电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将采集的正弦电压信号变换为方波信号后输入到中央数据处理电路中的捕捉模块。

上述所说的电压、电流交流采样前端电路用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的频率方波变换电路用R1、R2、R4、R5及比较器LM339构成迟滞电压比较器，用R7、R8构成分压电路，将采集的信号处理后送入中央数据处理电路中的捕捉模块进行采样。

上述所说的中央数据处理电路包括：DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；所编软件程序设定各种执行条件控制DSP芯片对输入信号进行辨识、处理并发出控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路负责数据缓冲和电平转换。

上述所说的DSP芯片包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，可提供多达16路的PWM控制脉冲信号；电源管理模块由双电源供电器件U3及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；数据总线驱动电路由数据缓冲器U4组成。

上述所说的功率驱动管电路包括光电隔离电路和功率放大电路，分别由光电耦合器和功率放大器组成；功率驱动管电路将输入脉冲信号经光电隔离、三极管进行放大，提供给超导限流器可关断晶闸管单元电路，对桥式超导限流器进行控制；所说的三相功率驱动管电路的一相包括放大“+A1”脉冲的驱动电路，含光耦U9、二极管D1、电阻和三极管N1；放大“-A1”脉冲的驱动电路，含光耦U10、二极管D2、电阻和三极管N2；放大“+A2”脉冲的驱动电路，含光耦U11、二极管D3、电阻和三极管N3；放大“-A2”脉冲的驱动电路，含光耦U12、二极管D4、电阻和三极管N4；同理另外两相共12个脉冲驱动电路。

上述所说的超导限流器可关断晶闸管单元电路包括：单相交流回路中的4个GTO单元，三相共计12个GTO单元；它们的控制信号来自功率驱动管电路。

本实用新型的工作原理：

本案所采用的超导限流器可关断晶闸管单元电路工作原理为：桥路型超导限流器(SFCL)中的超导线圈L的主要作用是提供偏流和限制短路电流。直流偏压电源V为超导线圈L提供偏流i_L，调节其大小，使正常工作状态下i_AL(以A相为例)大于线路正常电流i_ac的峰值；同时调节触发角使桥路类似于二极管桥路，并始终导通。此时超导线圈处于超导态，阻抗很小，整个限流器除了桥路上有小的正向压降外，装置不表现任何阻抗。在故障状况下，当i_ac幅值增大到设定值时，在i_ac正、负半周内，调节相关GTO的触发角，使超导线圈L串入线路，故障电流就被超导线圈L的大电感所限制；同时改变触发角使桥路工作于逆变状态，将使超导限流器中大电感的磁能反馈给电网，保护相关设备。

本案所说的基于DSP的桥式超导限流器控制装置的工作原理为：信号整形变换处理电路把输电线路电压互感器二次侧电压及电流感器二次侧电流变换为较低幅值的交流电压信号，处理后送入到以DSP为核心的中央数据处理电路中。正常工作时，控制触发角，使GTO桥路类似于二极管桥路工作；当线路发生故障使电流增大到设定限值时，中央数据处理电路按照设定的控制规律计算出功率电路的触发角，延时发出脉冲，经功率驱动管电路放大后触发相关GTO，通过超导电感器大电感遏制短路电流，并通过控制触发角使桥路处于逆变状态，满足电力系统继电保护的需要，保护相关电力设备及线路，并有利于重合闸操作。

本实用新型的优越性和技术效果在于：利用高性能数字信号处理芯片实现桥路式超导限流器的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，减少普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后和精度缺陷，使整个控制装置具有很好的调节性能和可靠性，增强电网的稳定性，可较好的保证输电线路故障时的保护动作，降低大面积停电事故的概率，具有良好的市场前景。采用DSP组成控制装置，硬件电路简单、输出触发脉冲安全可靠、实时控制精度高，可较大提高装置的稳定性和可靠性。将DSP应用于桥路式超导限流器中，对GTO等组成的电子开关进行闭环控制，可充分发挥DSP的高速数据计算能力和高精确度数据处理能力。加上桥路式超导限流器无大电流交流损耗、无铁心、适于自动重合闸、动作电流值可控等特有优点，此超导限流器控制装置具有广阔的应用前景。

(四)附图说明：

附图1为本实用新型所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制装置”中的单机原理结构示意图。

附图2为本实用新型所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制装置”中的信号整形变换处理电路结构示意图。

附图3为本实用新型所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制装置”中的中央数据处理电路结构示意图。

附图4为本实用新型所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制装置”中的功率驱动管电路结构示意图。

附图5为本实用新型所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制装置”中的超导限流器可关断晶闸管单元电路的单相电路(图5-a)和三相电路结构示意图(图5-b)。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于DSP的数字式桥式超导限流器控制装置(见图1)，其特征在于它以美国德州仪器推出的高性能DSP芯片TMS320F2812为中央处理器，整个装置由信号整形变换处理电路、中央数据处理电路、功率驱动管电路和超导限流器可关断晶闸管单元电路组成；所说的信号整形变换处理电路的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，中央数据处理电路的输出端连接包含光电隔离电路的功率驱动管电路，功率驱动管电路的输出端连接超导限流器可关断晶闸管单元电路各个GTO门极输入端。

上述所说的信号整形变换处理电路(见图2)由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变换电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将采集的正弦电压信号变换为方波信号输入到中央数据处理电路中的捕捉模块。

上述所说的电压、电流交流采样前端电路(见图2)用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的频率方波变换电路用R1、R2、R4、R5及比较器LM339构成迟滞电压比较器，用R7、R8构成分压电路，将采集的信号处理后送入中央数据处理电路中的捕捉模块进行采样。

上述所说的中央数据处理电路(见图3)包括：DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；所编软件程序设定各种执行条件控制DSP芯片对输入信号进行辨识、处理并发出控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路负责数据缓冲和电平转换。

上述所说的DSP芯片(见图3)包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，提供12路PWM控制脉冲信号；电源管理模块由双电源供电器件TPS73HD301及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成。数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器74LVC16245构成；该电路工作过程为：将A/D转化所得的数字量接收到DSP后，对数据进行补偿、数字滤波后，对应相应的标准值转化为标么值，运算得出控制角，并转化计数值，产生4个(三相共计12个)不同的控制脉冲(+A1、-A1、+A2、-A2)。

上述所说的功率驱动管电路(见图4)包括光电隔离电路和功率放大电路，分别由光电耦合器和功率放大器组成；功率驱动管电路将输入脉冲信号经光电隔离、三极管进行放大，提供给超导限流器可关断晶闸管单元电路，对桥式超导限流器进行控制；所说的三相功率驱动管电路的一相包括放大“+A1”脉冲的驱动电路，含光耦U9、二极管D1、电阻和三极管N1；放大“-A1”脉冲的驱动电路，含光耦U10、二极管D2、电阻和三极管N2；放大“+A2”脉冲的驱动电路，含光耦U11、二极管D3、电阻和三极管N3；放大“-A2”脉冲的驱动电路，含光耦U12、二极管D4、电阻和三极管N4；同理另外两相共12个脉冲驱动电路；该电路工作过程为：该电路把DSP输出的4个(三相共计12个)控制脉冲(+A1、-A1、+A2、-A2)进行放大，以便可靠地触发后面的GTO单元。二极管D1、D2、D3和D4的作用是防止脉冲反向输入，避免干扰DSP芯片的正常工作。

上述所说的超导限流器可关断晶闸管单元电路(见图5-a、图5-b)包括：单相交流回路(见图5-a)中的四个GTO单元，三相(见图5-b)共计12个GTO单元；该电路工作过程为：控制脉冲来自经过功率驱动管电路放大处理后的信号，电路中的4个GTO单元(三相共计12个)G1、G2、G3和G4，按照一定的时序接收来自功率驱动管电路的信号得以触发。正常工作时，桥路导通类似二极管桥路；发生短路故障后，调节相关GTO的触发角，使超导线圈L串入线路，故障电流就被超导线圈L的大电感所限制；同时改变触发角使桥路工作于逆变状态，将使超导限流器中大电感的磁能反馈给电网，保护相关设备。

Claims

1、一种基于DSP的桥式超导故障限流器控制装置，其特征在于它以信号整形变换处理电路、中央数据处理电路、功率驱动管电路和超导限流器可关断晶闸管单元电路组成；所说的信号整形变换处理电路的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，中央数据处理电路的输出端连接包含光电隔离电路的功率驱动管电路，功率驱动管电路的输出端连接超导限流器可关断晶闸管单元电路各个GTO门极输入端。

2、根据权利要求1所说的一种基于DSP的桥式超导故障限流器控制装置，其特征在于信号整形变换处理电路由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变换电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将采集的正弦电压信号变换为方波信号后输入到中央数据处理电路中的捕捉模块输入端。

3、根据权利要求2所说的一种基于DSP的桥式超导故障限流器控制装置，其特征在于所说的电压、电流交流采样前端电路用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的频率方波变换电路用R1、R2、R4、R5及比较器LM339构成迟滞电压比较器，用R7、R8构成分压电路，将采集的信号处理后送入中央数据处理电路中的捕捉模块进行采样。

4、根据权利要求1所说的一种基于DSP的桥式超导故障限流器控制装置，其特征在于所说的中央数据处理电路包括：DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；所编软件程序设定各种执行条件控制DSP芯片对输入信号进行辨识、处理并发出控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲和电平转换。

5、根据权利要求4所说的一种基于DSP的桥式超导故障限流器控制装置，其特征在于所说的DSP芯片包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，可提供多达16路的PWM控制脉冲信号；电源管理模块由双电源供电器件U3及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；数据总线驱动电路由数据总线收发器U4组成。

6、根据权利要求1所说的一种基于DSP的桥式超导故障限流器控制装置，其特征在于所说的功率驱动管电路包括光电隔离电路和功率放大电路，分别由光电耦合器和功率放大器组成；功率驱动管电路将输入脉冲信号经光电隔离、三极管进行放大，提供给超导限流器可关断晶闸管单元电路，对桥式超导限流器进行控制；所说的三相脉冲放大电路的一相包括放大“+A1”脉冲的驱动电路，含光耦U9、二极管D1、电阻和三极管N1；放大“-A1”脉冲的驱动电路，含光耦U10、二极管D2、电阻和三极管N2；放大“+A2”脉冲的驱动电路，含光耦U11、二极管D3、电阻和三极管N3；放大“-A2”脉冲的驱动电路，含光耦U12、二极管D4、电阻和三极管N4；同理另外两相共12个脉冲驱动电路。

7、根据权利要求1所说的一种基于DSP的桥式超导故障限流器控制装置，其特征在于所说的超导限流器可关断晶闸管单元电路包括：单相交流回路中的4个GTO单元，三相共计12个GTO单元；它们的控制信号来自功率驱动管电路。