專利名稱：一種兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兼顧電壓支撐及故障限流的高效電力電子系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大以及電力設(shè)備使用的日益普及，電能已經(jīng)成為與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)的重要因素。而且隨著電力用戶對電能的依賴程度的加深，以及工業(yè)發(fā)展對生產(chǎn)提出的要求，對于電能質(zhì)量的關(guān)注也逐漸受到越來越多的重視。在諸多的電能質(zhì)量問題中，電壓凹陷是發(fā)生最為頻繁、損失最為嚴(yán)重的。這種故障可能造成電力系統(tǒng)中的供變電設(shè)備、用電設(shè)備的損壞，危及電力系統(tǒng)正常安全穩(wěn)定運(yùn)行，影響用戶的正常生產(chǎn)、生活活動。為解決這一問題，對抑制電壓凹陷的裝置提出了更高的要求能夠補(bǔ)償電網(wǎng)的電壓凹陷的同時還能快速限制短路電流。而現(xiàn)有的一些裝置存在不足對于電壓凹陷問題目前常采用的是動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR，單獨(dú)使用的DVR有串聯(lián)型和串并聯(lián)混合型的。雖然該裝置 能有效的補(bǔ)償電壓波動，但是對于串聯(lián)型的DVR，其補(bǔ)償?shù)潆妷撼掷m(xù)的時間受到直流儲能裝置的容量限制，而對于串并聯(lián)型的DVR，其造價較高而且占地面積大。并且當(dāng)負(fù)載側(cè)發(fā)生短路的時候，兩種型式的DVR都不能有效的抑制短路電流。如圖I所示為并聯(lián)型的DVR，其
工作原理為當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓Us發(fā)生電壓暫將時，DVR向線路中注入一個幅值、相位可控的
補(bǔ)償電壓，以保證負(fù)荷電壓穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法，降低低壓配電網(wǎng)的電能損耗和裝置成本，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和效果上的最優(yōu)化。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法，包括兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)，所述兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)包括電源、耦合變壓器、開關(guān)管、動態(tài)電壓恢復(fù)器、短路電流檢測電路、控制器、限流電感、負(fù)載，所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括依次連接的整流橋、逆變橋和濾波裝置，整流橋與電源連接，電源通過限流電感與負(fù)載連接，限流電感并接入耦合變壓器原邊，耦合變壓器通過開關(guān)管與濾波裝置連接，控制器控制整流橋和逆變橋的開關(guān)管，短路電流檢測電路通過驅(qū)動電路與耦合變壓器、濾波裝置之間的開關(guān)管連接，該方法為
1)檢測電源電壓和電流I、逆變橋直流側(cè)電容電壓R、負(fù)載側(cè)電流匕、動態(tài)電壓恢復(fù)器輸出補(bǔ)償電壓K以及動態(tài)電壓恢復(fù)器的輸入電流瞬時值A(chǔ) ;
2)根據(jù)檢測到的負(fù)載側(cè)電流值^，短路電流檢測電路判斷負(fù)載側(cè)是否出現(xiàn)短路故障，
并輸出相應(yīng)的開關(guān)信號G ;如果負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路，短路電流檢測電路輸出低電平，即< 為0，則第一驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器與耦合變壓器副邊之間的開關(guān)管全部斷開，同時第二驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器的整流橋部分的開關(guān)管全部關(guān)斷，第三驅(qū)動電路使逆變橋部分的開關(guān)管全部斷開，動態(tài)電壓恢復(fù)器完全退出運(yùn)行；如果負(fù)載側(cè)出現(xiàn)電壓波動故障，短路電流檢測電路輸出高電平，即G為1，則第一驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器與耦合變壓器副邊之
間的開關(guān)管全部導(dǎo)通，第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器工作在電壓補(bǔ)償狀態(tài)，動態(tài)電壓恢復(fù)器投入運(yùn)行，進(jìn)入3)；
3)根據(jù)采樣電壓值、Ue、U5和電流值4iV、,按照專家推理判斷的規(guī)則,確定動態(tài)
電壓恢復(fù)器的補(bǔ)償電壓值，通過控制器給動態(tài)電壓恢復(fù)器工作信號，同時提供動態(tài)電壓恢復(fù)器的補(bǔ)償電壓給定值，動態(tài)電壓恢復(fù)器根據(jù)其給定的參考信號值，由第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路產(chǎn)生PWM信號給整流橋和逆變橋，同時將直流側(cè)電容電壓反饋回來，形成電壓內(nèi)環(huán)反饋，將逆變橋輸出的電壓反饋回來，形成獨(dú)立的外環(huán)電壓反饋。通過動態(tài)電壓恢復(fù)器及故障限流器(限流電感和與耦合變壓器串聯(lián)的開關(guān)管)的共同作用，實現(xiàn)了電壓實時補(bǔ)償和快速限流性能。 本發(fā)明的工作原理為所述兼顧電壓支撐及故障限流的高效電力電子系統(tǒng)包括動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR和故障限流器FCL。根據(jù)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，由專家推理判斷單元來得出DVR要補(bǔ)償?shù)碾妷汉拖拗频亩搪冯娏餍盘柕目刂颇Ｊ降葲Q策信息。由驅(qū)動電路的智能處理級(PI)控制器和比較模塊發(fā)出的PWM信號對執(zhí)行級的整流橋和電壓型逆變橋進(jìn)行控制；當(dāng)發(fā)生短路時，工作于FCL模式，當(dāng)負(fù)載正常運(yùn)行或發(fā)生電壓波動時，工作于DVR模式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是該系統(tǒng)在一臺DVR的基礎(chǔ)上增加了故障限流器，當(dāng)正常工作沒有發(fā)生短路時，該系統(tǒng)工作于DVR模式，可以補(bǔ)償來自電網(wǎng)側(cè)電壓波動，當(dāng)工作于短路狀態(tài)時，第一驅(qū)動電路會向串聯(lián)于耦合變壓器副邊的全控型器件發(fā)出斷開信號，同時第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路封閉整流橋逆變橋的觸發(fā)信號，DVR完全退出運(yùn)行，串聯(lián)變壓器二次側(cè)相當(dāng)于開路，阻抗極大，短路電流幾乎全部從電感L中流過，從而限制電網(wǎng)短路電流；基于電壓反饋的控制方法，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，具有較好的動態(tài)補(bǔ)償特性和控制精度。


圖I為傳統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復(fù)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明一實施例兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明一實施例電壓跟蹤控制結(jié)構(gòu)示意 圖4為本發(fā)明一實施例短路電流檢測電路結(jié)構(gòu)意圖。
具體實施例方式如圖2所示，本發(fā)明一實施例兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)包括電源、耦合變壓器、開關(guān)管、動態(tài)電壓恢復(fù)器、短路電流檢測電路、控制器、限流電感、負(fù)載，所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括依次連接的整流橋、逆變橋和濾波裝置；整流橋與電源連接，電源通過限流電感與負(fù)載連接，限流電感并接入耦合變壓器原邊，耦合變壓器通過開關(guān)管與濾波裝置連接，控制器通過第二驅(qū)動電路、第三驅(qū)動電路分別控制整流橋和逆變橋的開關(guān)管，短路電流檢測電路通過第一驅(qū)動電路與耦合變壓器、濾波裝置之間的開關(guān)管連接。
兼顧電壓支撐及故障限流的高效電力電子系統(tǒng)及控制方法，包括以下步驟
1)檢測單相電源電壓和電流、直流側(cè)電容電壓、負(fù)載側(cè)電流、DVR輸出補(bǔ)償電壓以及DVR的輸入電流瞬時值Us和I5 ; Uie , Ii .Ui和Iim ；
2)根據(jù)檢測到的負(fù)載側(cè)電流值^，短路電流檢測電路判斷負(fù)載側(cè)是否出現(xiàn)短路故障，
并輸出相應(yīng)的開關(guān)信號G ;如果負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路，短路電流檢測電路輸出低電平，即G為
0，則第一驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)與耦合變壓器副邊之間的開關(guān)管全部斷開，同時第二驅(qū)動電路使DVR的整流橋部分的開關(guān)管全部關(guān)斷，第三驅(qū)動電路使逆變橋部分的開關(guān)管全部斷開，DVR完全退出運(yùn)行；如果負(fù)載側(cè)出現(xiàn)電壓波動故障，短路電流檢測電路輸出
高電平，即G為1，則第一驅(qū)動電路使DVR與耦合變壓器副邊之間的開關(guān)管全部導(dǎo)通，第二 驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路使DVR工作在電壓補(bǔ)償狀態(tài)，DVR投入運(yùn)行，進(jìn)入3)；
3)根據(jù)采樣電壓、電流值，按照專家推理判斷的規(guī)則，確定DVR的補(bǔ)償電壓值。通過決策處理級專家控制器(DSP控制器)給執(zhí)行級的DVR工作信號，同時提供DVR的補(bǔ)償電壓給定值，DVR根據(jù)其給定的參考信號值，由第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路產(chǎn)生PWM信號給執(zhí)行級的整流橋和逆變橋，同時將直流側(cè)電容電壓反饋回來，形成電壓內(nèi)環(huán)反饋，將逆變器輸出的電壓反饋回來，形成獨(dú)立的外環(huán)電壓反饋。4)通過DVR及故障限流器的共同作用，實現(xiàn)了低成本的高效的電壓實時補(bǔ)償和快速限流性能。所述第一驅(qū)動電路、第二驅(qū)動電路、第三驅(qū)動電路均為光電耦合驅(qū)動電路。本發(fā)明是在一臺DVR原有裝置和功能的基礎(chǔ)上，在DVR串聯(lián)逆變器的串聯(lián)耦合變壓器的原邊并有限流電感，副邊串聯(lián)有全控型器件(開關(guān)管)，起FCL的作用，并且DVR的儲能裝置采用全控橋整流方式，整流橋的輸入來自電網(wǎng)。短路電流檢測電路與第一驅(qū)動電路連接，第一驅(qū)動電路驅(qū)動DVR輸出側(cè)與串聯(lián)耦合變壓器之間的開關(guān)管。DVR逆變橋的直流側(cè)
大電容電壓和DVR輸出補(bǔ)償電壓送入DSP控制器，經(jīng)計算后給出DVR的整流橋和逆變橋
的開關(guān)管PWM驅(qū)動信號。DVR能抑制來自電網(wǎng)側(cè)的電壓波動，F(xiàn)CL裝置能限制短路，是發(fā)明的限流系統(tǒng)。參見圖3，電壓跟蹤控制電路均采用三角波比較方式。對于逆變橋，指令信號
與實際的電源電壓R作偏差，得到的偏差值再與DVR輸出電壓&做偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器之后，再經(jīng)過一限幅器之后與三角波比較，通過比較器之后輸出PWM信號，從而控制逆變橋的開關(guān)管；對于整流橋，指令信號％/與實際的電容電壓值作偏差后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器之后
經(jīng)一限幅器之后乘以與電壓同相位的正弦信號，就得到了交流電流的正弦指令信號!該指令信號和實際交流信號比較后得到的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器然后經(jīng)一限幅器之后與三角波作比較，再經(jīng)一比較器之后輸出PWM信號，從而控制整流橋的開關(guān)管。參見圖4，短路電流檢測電路包括一次電流互感器、感測模塊、控制模塊、電源模塊，感測模塊由二次電流互感器、A/D采樣模塊、比較器依次連接構(gòu)成，一次電流互感器、感測模塊、控制模塊依次連接，電源模塊與感測模塊、控制模塊連接，控制模塊采用單片機(jī)。通過一次電流互感器和二次電流互感器可將電力線上的大電流信號變換為適合運(yùn)放使用的電壓信號。該電壓信號與大電流信號成一定比例關(guān)系。然后將電壓信號送入A/D采樣電路 進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后與數(shù)字電位器提供的基準(zhǔn)電壓信號進(jìn)行比較，比較后的信號(低電平)觸發(fā)單片機(jī)中斷后，其內(nèi)部可通過定時器控制，并定時對中斷引腳進(jìn)行掃描，一旦發(fā)生中斷，單片機(jī)則輸出控制信號(高電平)去控制專用執(zhí)行電路。此時產(chǎn)生的電平信號驅(qū)動串聯(lián)耦合變壓器副邊串聯(lián)的全控器件斷開，同時封閉逆變器IGBT的驅(qū)動信號，使逆變器退出運(yùn)行，串聯(lián)變壓器二次側(cè)相當(dāng)于開路，阻抗極大，短路電流幾乎全部從電感L中流過，從而限制電網(wǎng)短路電流。此時，由于限流電感的投入，短路電流下降。
權(quán)利要求
1.一種兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法，包括兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)，所述兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)包括電源、耦合變壓器、開關(guān)管、動態(tài)電壓恢復(fù)器、短路電流檢測電路、控制器、限流電感、負(fù)載，所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括依次連接的整流橋、逆變橋和濾波裝置；整流橋與電源連接，電源通過限流電感與負(fù)載連接，限流電感并接入耦合變壓器原邊，耦合變壓器通過開關(guān)管與濾波裝置連接，控制器通過第二驅(qū)動電路、第三驅(qū)動電路分別控制整流橋和逆變橋的開關(guān)管，短路電流檢測電路通過第一驅(qū)動電路與耦合變壓器、濾波裝置之間的開關(guān)管連接，其特征在于，該方法為 1)檢測電源電壓U辦和電流I-、逆變橋直流側(cè)電容電壓Ue、負(fù)載側(cè)電流b、動態(tài)電壓恢復(fù)器輸出補(bǔ)償電壓K以及動態(tài)電壓恢復(fù)器的輸入電流瞬時值勾; 2)根據(jù)檢測到的負(fù)載側(cè)電流值U，短路電流檢測電路判斷負(fù)載側(cè)是否出現(xiàn)短路故障，并輸出相應(yīng)的開關(guān)信號G ;如果負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路，短路電流檢測電路輸出低電平，即^為O，則第一驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器與耦合變壓器副邊之間的開關(guān)管全部斷開，同時第二驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器的整流橋部分的開關(guān)管全部關(guān)斷，第三驅(qū)動電路使逆變橋部分的開關(guān)管全部斷開，動態(tài)電壓恢復(fù)器完全退出運(yùn)行；如果負(fù)載側(cè)出現(xiàn)電壓波動故障，短路電流檢測電路輸出高電平，即G為1，則第一驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器與耦合變壓器副邊之間的開關(guān)管全部導(dǎo)通，第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路使動態(tài)電壓恢復(fù)器工作在電壓補(bǔ)償狀態(tài)，動態(tài)電壓恢復(fù)器投入運(yùn)行，進(jìn)入3)； 3)根據(jù)采樣電壓值>Ue JJs和電流值,按照專家推理判斷的規(guī)則,確定動態(tài)電壓恢復(fù)器的補(bǔ)償電壓值，通過控制器給動態(tài)電壓恢復(fù)器工作信號，同時提供動態(tài)電壓恢復(fù)器的補(bǔ)償電壓給定值，動態(tài)電壓恢復(fù)器根據(jù)其給定的參考信號值，由第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路產(chǎn)生PWM信號給整流橋和逆變橋，同時將直流側(cè)電容電壓反饋回來，形成電壓內(nèi)環(huán)反饋，將逆變橋輸出的電壓反饋回來，形成獨(dú)立的外環(huán)電壓反饋。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述控制器為DSP控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述短路電流檢測電路包括一次電流互感器、感測模塊、控制模塊、電源模塊，感測模塊由二次電流互感器、A/D采樣模塊、比較器依次連接構(gòu)成，一次電流互感器、感測模塊、控制模塊依次連接，電源模塊與感測模塊、控制模塊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述控制模塊為單片機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述第一驅(qū)動電路、第二驅(qū)動電路、第三驅(qū)動電路均為光電耦合驅(qū)動電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)控制方法，包括兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)，所述兼顧電壓支撐及故障限流的電力電子系統(tǒng)包括電源、耦合變壓器、開關(guān)管、動態(tài)電壓恢復(fù)器、短路電流檢測電路、控制器、限流電感、負(fù)載，所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括依次連接的整流橋、逆變橋和濾波裝置，動態(tài)電壓恢復(fù)器的輸出經(jīng)開關(guān)管接耦合變壓器的副邊，耦合變壓器的原邊與限流電感并聯(lián)后再與非線性負(fù)載串聯(lián)后接到電網(wǎng)中。本發(fā)明利用故障限流器的快速限流性能并結(jié)合動態(tài)電壓恢復(fù)器的連續(xù)補(bǔ)償電壓波動的性能，使得設(shè)備的利用率更高，經(jīng)濟(jì)性更好，克服了單獨(dú)使用故障限流器和動態(tài)電壓恢復(fù)器的不足。
文檔編號H02J3/12GK102820655SQ20121033592
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者帥智康, 涂春鳴, 盤宏斌, 蔣玲, 張楊, 肖凡, 姚鵬, 楚烺, 戴曉宗 申請人:湖南大學(xué)