CN102820655A

CN102820655A - 一种兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法

Info

Publication number: CN102820655A
Application number: CN2012103359229A
Authority: CN
Inventors: 帅智康; 涂春鸣; 盘宏斌; 蒋玲; 张杨; 肖凡; 姚鹏; 楚烺; 戴晓宗
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102820655B

Abstract

本发明公开了一种兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法，包括兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统，所述兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统包括电源、耦合变压器、开关管、动态电压恢复器、短路电流检测电路、控制器、限流电感、负载，所述动态电压恢复器包括依次连接的整流桥、逆变桥和滤波装置，动态电压恢复器的输出经开关管接耦合变压器的副边，耦合变压器的原边与限流电感并联后再与非线性负载串联后接到电网中。本发明利用故障限流器的快速限流性能并结合动态电压恢复器的连续补偿电压波动的性能，使得设备的利用率更高，经济性更好，克服了单独使用故障限流器和动态电压恢复器的不足。

Description

一种兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法

技术领域

本发明涉及一种兼顾电压支撑及故障限流的高效电力电子系统及其控制方法。

背景技术

随着电力系统规模的逐渐扩大以及电力设备使用的日益普及，电能已经成为与人类生产生活息息相关的重要因素。而且随着电力用户对电能的依赖程度的加深，以及工业发展对生产提出的要求，对于电能质量的关注也逐渐受到越来越多的重视。在诸多的电能质量问题中，电压凹陷是发生最为频繁、损失最为严重的。这种故障可能造成电力系统中的供变电设备、用电设备的损坏，危及电力系统正常安全稳定运行，影响用户的正常生产、生活活动。为解决这一问题，对抑制电压凹陷的装置提出了更高的要求：能够补偿电网的电压凹陷的同时还能快速限制短路电流。而现有的一些装置存在不足：对于电压凹陷问题目前常采用的是动态电压恢复器DVR，单独使用的DVR有串联型和串并联混合型的。虽然该装置能有效的补偿电压波动，但是对于串联型的DVR，其补偿跌落电压持续的时间受到直流储能装置的容量限制，而对于串并联型的DVR，其造价较高而且占地面积大。并且当负载侧发生短路的时候，两种型式的DVR都不能有效的抑制短路电流。如图1所示为并联型的DVR，其工作原理为：当电网侧电压

Figure 2012103359229100002DEST_PATH_IMAGE001

发生电压暂将时，DVR向线路中注入一个幅值、相位可控的补偿电压，以保证负荷电压稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法，降低低压配电网的电能损耗和装置成本，实现经济和效果上的最优化。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法，包括兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统，所述兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统包括电源、耦合变压器、开关管、动态电压恢复器、短路电流检测电路、控制器、限流电感、负载，所述动态电压恢复器包括依次连接的整流桥、逆变桥和滤波装置，整流桥与电源连接，电源通过限流电感与负载连接，限流电感并接入耦合变压器原边，耦合变压器通过开关管与滤波装置连接，控制器控制整流桥和逆变桥的开关管，短路电流检测电路通过驱动电路与耦合变压器、滤波装置之间的开关管连接，该方法为：

1）检测电源电压和电流

Figure 2012103359229100002DEST_PATH_IMAGE003

、逆变桥直流侧电容电压

、负载侧电流

、动态电压恢复器输出补偿电压以及动态电压恢复器的输入电流瞬时值

Figure 2012103359229100002DEST_PATH_IMAGE007

；

2）根据检测到的负载侧电流值，短路电流检测电路判断负载侧是否出现短路故障，并输出相应的开关信号

；如果负载侧出现短路，短路电流检测电路输出低电平，即

为0，则第一驱动电路使动态电压恢复器与耦合变压器副边之间的开关管全部断开，同时第二驱动电路使动态电压恢复器的整流桥部分的开关管全部关断，第三驱动电路使逆变桥部分的开关管全部断开，动态电压恢复器完全退出运行；如果负载侧出现电压波动故障，短路电流检测电路输出高电平，即

为1，则第一驱动电路使动态电压恢复器与耦合变压器副边之间的开关管全部导通，第二驱动电路和第三驱动电路使动态电压恢复器工作在电压补偿状态，动态电压恢复器投入运行，进入3）；

3）根据采样电压值

、

、

和电流值

、

，按照专家推理判断的规则，确定动态电压恢复器的补偿电压值，通过控制器给动态电压恢复器工作信号，同时提供动态电压恢复器的补偿电压给定值，动态电压恢复器根据其给定的参考信号值，由第二驱动电路和第三驱动电路产生PWM信号给整流桥和逆变桥，同时将直流侧电容电压反馈回来，形成电压内环反馈，将逆变桥输出的电压反馈回来，形成独立的外环电压反馈。

通过动态电压恢复器及故障限流器（限流电感和与耦合变压器串联的开关管）的共同作用，实现了电压实时补偿和快速限流性能。

本发明的工作原理为：所述兼顾电压支撑及故障限流的高效电力电子系统包括动态电压恢复器DVR和故障限流器FCL。根据系统实时数据，由专家推理判断单元来得出DVR要补偿的电压和限制的短路电流信号的控制模式等决策信息。由驱动电路的智能处理级（PI）控制器和比较模块发出的PWM信号对执行级的整流桥和电压型逆变桥进行控制；当发生短路时，工作于FCL模式，当负载正常运行或发生电压波动时，工作于DVR模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该系统在一台DVR的基础上增加了故障限流器，当正常工作没有发生短路时，该系统工作于DVR模式，可以补偿来自电网侧电压波动，当工作于短路状态时，第一驱动电路会向串联于耦合变压器副边的全控型器件发出断开信号，同时第二驱动电路和第三驱动电路封闭整流桥逆变桥的触发信号，DVR完全退出运行，串联变压器二次侧相当于开路，阻抗极大，短路电流几乎全部从电感L中流过，从而限制电网短路电流；基于电压反馈的控制方法，可以提高系统的抗干扰能力，具有较好的动态补偿特性和控制精度。

附图说明

图1为传统的动态电压恢复器的拓扑结构示意图；

图2为本发明一实施例兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统结构示意图；

图3为本发明一实施例电压跟踪控制结构示意图；

图4为本发明一实施例短路电流检测电路结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明一实施例兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统包括电源、耦合变压器、开关管、动态电压恢复器、短路电流检测电路、控制器、限流电感、负载，所述动态电压恢复器包括依次连接的整流桥、逆变桥和滤波装置；整流桥与电源连接，电源通过限流电感与负载连接，限流电感并接入耦合变压器原边，耦合变压器通过开关管与滤波装置连接，控制器通过第二驱动电路、第三驱动电路分别控制整流桥和逆变桥的开关管，短路电流检测电路通过第一驱动电路与耦合变压器、滤波装置之间的开关管连接。

兼顾电压支撑及故障限流的高效电力电子系统及控制方法，包括以下步骤：

1) 检测单相电源电压和电流、直流侧电容电压、负载侧电流、DVR输出补偿电压以及DVR的输入电流瞬时值

和；；；

和；

2) 根据检测到的负载侧电流值

，短路电流检测电路判断负载侧是否出现短路故障，并输出相应的开关信号

；如果负载侧出现短路，短路电流检测电路输出低电平，即为0，则第一驱动电路使动态电压恢复器(DVR)与耦合变压器副边之间的开关管全部断开，同时第二驱动电路使DVR的整流桥部分的开关管全部关断，第三驱动电路使逆变桥部分的开关管全部断开，DVR完全退出运行；如果负载侧出现电压波动故障，短路电流检测电路输出高电平，即

为1，则第一驱动电路使DVR与耦合变压器副边之间的开关管全部导通，第二驱动电路和第三驱动电路使DVR工作在电压补偿状态，DVR投入运行，进入3）；

3）根据采样电压、电流值，按照专家推理判断的规则，确定DVR的补偿电压值。通过决策处理级专家控制器（DSP控制器）给执行级的DVR工作信号，同时提供DVR的补偿电压给定值， DVR根据其给定的参考信号值，由第二驱动电路和第三驱动电路产生PWM信号给执行级的整流桥和逆变桥，同时将直流侧电容电压反馈回来，形成电压内环反馈，将逆变器输出的电压反馈回来，形成独立的外环电压反馈。

4）通过DVR及故障限流器的共同作用，实现了低成本的高效的电压实时补偿和快速限流性能。

所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路均为光电耦合驱动电路。

本发明是在一台DVR原有装置和功能的基础上，在DVR串联逆变器的串联耦合变压器的原边并有限流电感，副边串联有全控型器件（开关管），起FCL的作用，并且DVR的储能装置采用全控桥整流方式，整流桥的输入来自电网。短路电流检测电路与第一驱动电路连接，第一驱动电路驱动DVR输出侧与串联耦合变压器之间的开关管。DVR逆变桥的直流侧大电容电压

和DVR输出补偿电压送入DSP控制器，经计算后给出DVR的整流桥和逆变桥的开关管PWM驱动信号。DVR能抑制来自电网侧的电压波动，FCL装置能限制短路，是发明的限流系统。

参见图3，电压跟踪控制电路均采用三角波比较方式。对于逆变桥，指令信号

Figure 2012103359229100002DEST_PATH_IMAGE009

与实际的电源电压

作偏差，得到的偏差值再与DVR输出电压

做偏差经PI调节器之后，再经过一限幅器之后与三角波比较，通过比较器之后输出PWM信号，从而控制逆变桥的开关管；对于整流桥，指令信号

与实际的电容电压值

作偏差后经过PI调节器之后经一限幅器之后乘以与电压同相位的正弦信号，就得到了交流电流的正弦指令信号

Figure 2012103359229100002DEST_PATH_IMAGE011

。该指令信号和实际交流信号比较后得到的差值经PI调节器然后经一限幅器之后与三角波作比较，再经一比较器之后输出PWM信号，从而控制整流桥的开关管。

参见图4，短路电流检测电路包括一次电流互感器、感测模块、控制模块、电源模块，感测模块由二次电流互感器、A/D采样模块、比较器依次连接构成，一次电流互感器、感测模块、控制模块依次连接，电源模块与感测模块、控制模块连接，控制模块采用单片机。通过一次电流互感器和二次电流互感器可将电力线上的大电流信号变换为适合运放使用的电压信号。该电压信号与大电流信号成一定比例关系。然后将电压信号送入A/D采样电路进行采样，并将其转换为数字信号，然后与数字电位器提供的基准电压信号进行比较，比较后的信号(低电平) 触发单片机中断后，其内部可通过定时器控制，并定时对中断引脚进行扫描，一旦发生中断，单片机则输出控制信号(高电平) 去控制专用执行电路。此时产生的电平信号驱动串联耦合变压器副边串联的全控器件断开，同时封闭逆变器IGBT的驱动信号，使逆变器退出运行，串联变压器二次侧相当于开路，阻抗极大，短路电流几乎全部从电感L中流过，从而限制电网短路电流。此时，由于限流电感的投入，短路电流下降。

Claims

1.一种兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法，包括兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统，所述兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统包括电源、耦合变压器、开关管、动态电压恢复器、短路电流检测电路、控制器、限流电感、负载，所述动态电压恢复器包括依次连接的整流桥、逆变桥和滤波装置；整流桥与电源连接，电源通过限流电感与负载连接，限流电感并接入耦合变压器原边，耦合变压器通过开关管与滤波装置连接，控制器通过第二驱动电路、第三驱动电路分别控制整流桥和逆变桥的开关管，短路电流检测电路通过第一驱动电路与耦合变压器、滤波装置之间的开关管连接，其特征在于，该方法为：

1）检测电源电压

Figure 2012103359229100001DEST_PATH_IMAGE001

和电流

、逆变桥直流侧电容电压

Figure 2012103359229100001DEST_PATH_IMAGE003

、负载侧电流

；

2）根据检测到的负载侧电流值

；如果负载侧出现短路，短路电流检测电路输出低电平，即

为0，则第一驱动电路使动态电压恢复器与耦合变压器副边之间的开关管全部断开，同时第二驱动电路使动态电压恢复器的整流桥部分的开关管全部关断，第三驱动电路使逆变桥部分的开关管全部断开，动态电压恢复器完全退出运行；如果负载侧出现电压波动故障，短路电流检测电路输出高电平，即为1，则第一驱动电路使动态电压恢复器与耦合变压器副边之间的开关管全部导通，第二驱动电路和第三驱动电路使动态电压恢复器工作在电压补偿状态，动态电压恢复器投入运行，进入3）；

3）根据采样电压值

、、

和电流值

、

2.根据权利要求1所述的兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法，其特征在于，所述控制器为DSP控制器。

3.根据权利要求1所述的兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法，其特征在于，所述短路电流检测电路包括一次电流互感器、感测模块、控制模块、电源模块，感测模块由二次电流互感器、A/D采样模块、比较器依次连接构成，一次电流互感器、感测模块、控制模块依次连接，电源模块与感测模块、控制模块连接。

4.根据权利要求3所述的兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法，其特征在于，所述控制模块为单片机。

5.根据权利要求1或2所述的兼顾电压支撑及故障限流的电力电子系统控制方法，其特征在于，所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路均为光电耦合驱动电路。