本發(fā)明涉及斷路器領(lǐng)域，尤其是一種高速三相軟斷路器控制裝置和方法。

背景技術(shù)：

交流斷路器是當(dāng)前現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用最為廣泛的交流電控制開(kāi)關(guān)裝置，已經(jīng)成為低壓供配電網(wǎng)絡(luò)終端中必不可少的低壓電氣設(shè)備。但因?yàn)閭鹘y(tǒng)低壓斷路器結(jié)構(gòu)為機(jī)械式開(kāi)關(guān)，其固有機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間相對(duì)起交流電變化速度較慢，導(dǎo)致機(jī)械式斷路器開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)慢。使其分?jǐn)鄷r(shí)易產(chǎn)生了強(qiáng)烈電弧。雖斷路器都有相應(yīng)的滅弧機(jī)構(gòu)，但硬開(kāi)斷動(dòng)作產(chǎn)生的大電流仍會(huì)損壞斷路器觸頭，且易引起交流電網(wǎng)產(chǎn)生操作過(guò)電壓等電能質(zhì)量危害。此時(shí)，不僅大幅影響斷路器壽命次數(shù)，還延緩了滅弧時(shí)間。斷路器滅弧裝置因其固有的機(jī)械熱特性的冷卻需要時(shí)間，導(dǎo)致其不可連續(xù)高速分段動(dòng)作，從而降低了斷路器的動(dòng)態(tài)特性及壽命。

電力電子開(kāi)關(guān)元件具有相對(duì)交流電變化頻率還高的開(kāi)斷速度，但目前因半導(dǎo)體材料工藝等因素制約了其開(kāi)關(guān)通斷容量仍較低、耐壓水平有待進(jìn)一步提高。而傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器較易制作成較大的開(kāi)關(guān)通斷容量，但機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作有延時(shí)速度滯后、不可精確控制，在硬分?jǐn)嘟涣骰芈窌r(shí)易產(chǎn)生電弧燒灼觸頭等問(wèn)題。此時(shí)，可通過(guò)優(yōu)化組合兩者裝置的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器上并聯(lián)電力電子開(kāi)關(guān)元件，可實(shí)現(xiàn)交流斷路器高速大容量軟開(kāi)斷供電。此時(shí)，若通過(guò)DSP控制器在交流電電壓或電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)精確控制交流電路的開(kāi)斷，就能實(shí)現(xiàn)斷路器超低功耗甚至于無(wú)損分?jǐn)?。這不僅能極大延長(zhǎng)斷路器工作壽命，同時(shí)也能大幅降低傳統(tǒng)斷路器操作時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓、分合閘沖擊過(guò)電流等事故故障。

但要實(shí)現(xiàn)二者開(kāi)關(guān)裝置的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，前提就是要能實(shí)現(xiàn)在電壓電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)的精確控制。而電壓電流過(guò)零點(diǎn)的精確捕捉及鎖定就必須依賴精確可靠的采樣算法。以往的過(guò)零點(diǎn)鎖相控制方案都是基于正弦對(duì)稱穩(wěn)態(tài)交流電情況下建立的，但當(dāng)交流電網(wǎng)產(chǎn)生相位突然改變、頻率突然變化、含有諧波干擾或不對(duì)稱運(yùn)行等問(wèn)題時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致過(guò)零檢測(cè)產(chǎn)生誤差，使斷路器在電壓或電流過(guò)零點(diǎn)精確控制動(dòng)作失效，嚴(yán)重影響斷路器控制效果。且傳統(tǒng)鎖相環(huán)控制中的CLARK、PARK坐標(biāo)變換都是取無(wú)功分量以鎖相定位控制，此方法運(yùn)算量較大、過(guò)零點(diǎn)的鎖相精度易受干擾影響。鑒于此，現(xiàn)有的斷路器鎖相控制方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種高速三相軟斷路器控制裝置和方法，解決現(xiàn)有斷路器過(guò)零點(diǎn)鎖相控制方法魯棒性低、可靠性不高等問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供一種高速三相軟斷路器控制裝置，包括斷路器、開(kāi)關(guān)元件和控制器；所述斷路器串接于交流電源和負(fù)載之間；所述開(kāi)關(guān)元件各自反向串聯(lián)成組后與斷路器并聯(lián)，也接于交流電源和負(fù)載之間；所述控制器分別與交流電源、開(kāi)關(guān)元件和斷路器相連；控制器包括信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)控制模塊；信號(hào)采集模塊用于采集交流電源的三相交流信號(hào)；信號(hào)處理模塊用于對(duì)采集到的三相交流信號(hào)進(jìn)行自然坐標(biāo)虛擬磁鏈運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成三相虛擬磁鏈信號(hào)，對(duì)三相虛擬磁鏈信號(hào)和交流電源信號(hào)進(jìn)行鎖相；信號(hào)控制模塊用于在鎖相成功后，監(jiān)測(cè)交流電源信號(hào)相位角，在交流電源信號(hào)相位角為2kπ時(shí)，控制開(kāi)關(guān)元件提前閉合，在開(kāi)關(guān)元件成功合閘后再控制斷路器合閘，斷路器斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)的操作順序相反，其中k為自然數(shù)。

優(yōu)選的，信號(hào)控制模塊還用于在斷路器合閘后達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，控制開(kāi)關(guān)元件打開(kāi)。

優(yōu)選的，轉(zhuǎn)換得到的三相虛擬磁鏈信號(hào)為：

信號(hào)處理模塊用于依據(jù)三相虛擬磁鏈信號(hào)得到αβ坐標(biāo)系下的磁鏈為：

信號(hào)控制模塊用于當(dāng)磁鏈無(wú)功分量ψ_virβ＝0時(shí)，確定三相虛擬磁鏈信號(hào)和交流電源信號(hào)鎖相成功。

優(yōu)選的，所述開(kāi)關(guān)元件為兩個(gè)雙反向串聯(lián)的晶體管。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供一種高速三相軟斷路器控制方法，包括如下步驟：采集交流電源的三相交流信號(hào)；對(duì)采集到的三相交流信號(hào)進(jìn)行自然坐標(biāo)虛擬磁鏈運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成三相虛擬磁鏈信號(hào)，對(duì)三相虛擬磁鏈信號(hào)和交流電源信號(hào)進(jìn)行鎖相；在鎖相成功后，監(jiān)測(cè)交流電源信號(hào)相位角，在交流電源信號(hào)相位角為2kπ時(shí)，控制開(kāi)關(guān)元件提前閉合，在開(kāi)關(guān)元件成功合閘后再控制斷路器合閘，斷路器斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)的操作順序相反，其中k為自然數(shù)。

優(yōu)選的，在斷路器合閘后達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，控制開(kāi)關(guān)元件打開(kāi)。

優(yōu)選的，轉(zhuǎn)換得到的三相虛擬磁鏈信號(hào)為：

所述對(duì)三相虛擬磁鏈信號(hào)和交流電源信號(hào)進(jìn)行鎖相的步驟，包括：依據(jù)三相虛擬磁鏈信號(hào)得到αβ坐標(biāo)系下的磁鏈為：

當(dāng)磁鏈無(wú)功分量ψ_virβ＝0時(shí)，確定三相虛擬磁鏈信號(hào)和交流電源信號(hào)鎖相成功。

優(yōu)選的，所述開(kāi)關(guān)元件為兩個(gè)雙反向串聯(lián)的晶體管等電力電子元器件?？筛鶕?jù)斷路器的工作電壓及分?jǐn)嗳萘縼?lái)選擇。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明采用開(kāi)關(guān)元件與傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器并聯(lián)運(yùn)行，，還可在機(jī)械式斷路器動(dòng)作前控制開(kāi)關(guān)元件跟蹤交流電過(guò)零點(diǎn)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)斷路器裝置在分段時(shí)都達(dá)到零電壓或零電流的軟開(kāi)關(guān)特性，不僅可靠性更高，也極大提高了斷路器的速度和壽命，還大幅抑制電弧的產(chǎn)生和操作暫態(tài)過(guò)電壓的問(wèn)題，提升了系統(tǒng)的魯棒性。

另外，僅通過(guò)1次自然坐標(biāo)變換即可實(shí)現(xiàn)交流電相位鎖定，比傳統(tǒng)2次坐標(biāo)變換不僅更迅速，且避免了傳統(tǒng)2次坐標(biāo)在首次啟動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)換時(shí)相位角缺失的問(wèn)題，抗干擾能力和動(dòng)態(tài)特性更佳。且虛擬磁鏈1次自然坐標(biāo)變換的誤差累積要比傳統(tǒng)2次坐標(biāo)變換引入的正弦和余弦的誤差累積要更少，鎖相控制更精確。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的高速三相軟斷路器控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的自然坐標(biāo)虛擬磁鏈鎖相算法的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

一種高速三相軟斷路器控制裝置，如圖1所示，該裝置串接在交流電源1和負(fù)載2之間。交流電源1為三相交流電，負(fù)載2是需使用斷路器的任意負(fù)載。該裝置具體包括斷路器3、開(kāi)關(guān)元件4和控制器5。該斷路器3串接于交流電源1和負(fù)載2之間，斷路器3的開(kāi)閘和合閘可以控制交流電源1和負(fù)載2之間電路的導(dǎo)通與斷開(kāi)。所述開(kāi)關(guān)元件4與斷路器3并聯(lián)。所述控制器5分別與交流電源1、開(kāi)關(guān)元件4和斷路器3相連。

其中，所述開(kāi)關(guān)元件4可選用兩個(gè)雙反向串聯(lián)的晶體管41，該晶體管41根據(jù)實(shí)際具體需求可以選用I GBT。一個(gè)晶體管41的漏級(jí)與另一晶體管41的源級(jí)串接，兩個(gè)晶體管41的柵極均與控制器5相連。因此，控制器5通過(guò)向晶體管41的柵極輸送高低電平信號(hào)以控制晶體管41的導(dǎo)通與截止。即實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)元件4的打開(kāi)與關(guān)閉。

控制器5可以是DSP芯片或硬件電路，其包括信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)控制模塊。其中信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)控制模塊均可以是硬件電路、軟件模塊或硬件電路與軟件模塊的結(jié)合。信號(hào)采集模塊用于采集交流電源1的三相交流信號(hào)，三相交流信號(hào)分別為Ea、Eb、Ec。

在一種示例中，信號(hào)處理模塊包括兩個(gè)一階低通濾波器，一階低通濾波器幅相特性如下

當(dāng)ω_c＝ω時(shí)，一階低通濾波器的幅相特性為

可見(jiàn)相位滯后了45°，串聯(lián)兩個(gè)一階低通濾波器，得到傳遞函數(shù)：

此時(shí)幅相特性為：

兩個(gè)串聯(lián)的一階低通濾波器與積分相頻特性相同，但幅頻特性已經(jīng)變?yōu)?/2ω。為了達(dá)到信號(hào)的幅值和相位零誤差，還需要將幅值的改變補(bǔ)償回去，所以補(bǔ)償幅值后得到傳遞函數(shù)為：

此時(shí)的其幅相特性為：

當(dāng)ω_c＝ω時(shí)，計(jì)算轉(zhuǎn)換得到改進(jìn)后的三相交流電磁鏈：αβ坐標(biāo)系下的磁鏈為

αβ坐標(biāo)系下的磁鏈為：

由于虛擬磁鏈?zhǔn)噶勘入娋W(wǎng)電壓矢量滯后90度，故只取計(jì)算出的虛擬磁鏈的ψ_virβ分量作為鎖定交流電源信號(hào)相位的依據(jù)。當(dāng)ψ_virβ分量為0時(shí)，即表示虛擬磁鏈與交流電源信號(hào)鎖相成功。

如圖2所示，鎖相過(guò)程是通過(guò)計(jì)算出的虛擬磁鏈與磁鏈給定值0進(jìn)行不斷的比較，然后通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的無(wú)靜差調(diào)節(jié)最終可達(dá)到給定值0的狀態(tài)。此時(shí)的角速度與交流電源信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)50Hz時(shí)的角速度進(jìn)行做差后分別進(jìn)行運(yùn)算得到所需要的控制分量，當(dāng)角速度差值積分后取余計(jì)算，即可得到交流電源信號(hào)的相位角θ。

在鎖相成功后，信號(hào)控制模塊監(jiān)測(cè)交流電源信號(hào)的相位角，在交流電源信號(hào)相位角為2kπ時(shí)，如要實(shí)現(xiàn)斷路器閉合，則控制器先控制開(kāi)關(guān)元件4提前閉合，在開(kāi)關(guān)元件4閉合后的達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，再控制斷路3器合閘，即可降低傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器動(dòng)、靜觸頭間的壓差和沖擊電流，在增大原電路開(kāi)關(guān)容量的同時(shí)提高了分?jǐn)嗨俣?。同時(shí)，信號(hào)控制模塊還用于在斷路器3合閘后達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，控制開(kāi)關(guān)元件4打開(kāi)，降低開(kāi)關(guān)元件4的熱效應(yīng)及其應(yīng)力，就為下一次斷路器3的再次動(dòng)作做好準(zhǔn)備。

因此，采用開(kāi)關(guān)元件4與傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器的精確鎖相并聯(lián)運(yùn)行，不僅可在機(jī)械式斷路器動(dòng)作前控制開(kāi)關(guān)元件4跟蹤交流電過(guò)零點(diǎn)精確高速動(dòng)作，還可實(shí)現(xiàn)整個(gè)斷路器裝置在閉合或斷開(kāi)時(shí)都可達(dá)到零電壓或零電流的軟開(kāi)關(guān)特性，不僅可靠性更高，也極大提高了斷路器的速度和壽命，還大幅抑制電弧的產(chǎn)生和操作暫態(tài)過(guò)電壓的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

另外，僅通過(guò)1次自然坐標(biāo)變換即可實(shí)現(xiàn)交流電相位鎖定，相比傳統(tǒng)鎖相環(huán)控制中的2次坐標(biāo)變換不僅更迅速，且避免了傳統(tǒng)2次坐標(biāo)在首次啟動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)換時(shí)相位角缺失的問(wèn)題，抗干擾性和動(dòng)態(tài)特性更佳。且虛擬磁鏈1次自然坐標(biāo)變換的誤差累積要比傳統(tǒng)2次坐標(biāo)變換引入的正弦和余弦的誤差累積要更少，鎖相控制更精確。

本發(fā)明還提供一種高速三相軟斷路器控制方法，該方法從控制器的角度進(jìn)行描述。其硬件電路包括斷路器3、開(kāi)關(guān)元件4和控制器5。該斷路器3串接于交流電源1和負(fù)載2之間，斷路器3的開(kāi)閘和合閘可以控制交流電源1和負(fù)載2之間電路的導(dǎo)通與斷開(kāi)。所述開(kāi)關(guān)元件4與斷路器3并聯(lián)。所述控制器5分別與交流電源1、開(kāi)關(guān)元件4和斷路器3相連。該方法具體包括如下步驟：

采集交流電源的三相交流信號(hào)；對(duì)采集到的三相交流信號(hào)進(jìn)行自然坐標(biāo)虛擬磁鏈運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成三相虛擬磁鏈信號(hào)，對(duì)三相虛擬磁鏈信號(hào)和交流電源信號(hào)進(jìn)行鎖相；在鎖相成功后，監(jiān)測(cè)交流電源信號(hào)相位角，在交流電源信號(hào)相位角為2kπ時(shí)，控制開(kāi)關(guān)元件提前閉合，控制斷路器延時(shí)合閘，其中k為自然數(shù)。

在一種實(shí)施例中，還包括如下步驟：在斷路器合閘后達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，控制開(kāi)關(guān)元件打開(kāi)。

在一種實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換得到的三相虛擬磁鏈信號(hào)為：

所述對(duì)三相虛擬磁鏈信號(hào)和交流電源信號(hào)進(jìn)行鎖相的步驟，包括：依據(jù)三相虛擬磁鏈信號(hào)得到αβ坐標(biāo)系下的磁鏈為：

當(dāng)磁鏈無(wú)功分量ψ_virβ＝0時(shí)，確定三相虛擬磁鏈信號(hào)和交流電源信號(hào)鎖相成功。

在一種實(shí)施例中，所述開(kāi)關(guān)元件為兩個(gè)雙反向串聯(lián)的晶體管等電力電子元器件?？筛鶕?jù)斷路器的工作電壓及分?jǐn)嗳萘縼?lái)選擇。

上述為高速三相軟斷路器實(shí)現(xiàn)精確鎖相控制方法部分的計(jì)算過(guò)程，可參考高速三相軟斷路器控制裝置部分的實(shí)施，在此不做贅述。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換。