專利名稱：變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電氣技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體地說，是一種變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器。
背景技術(shù)：
目前，絕大多數(shù)的基于變壓器多重化結(jié)構(gòu)的靜止式動態(tài)無功補償器設(shè)備或多逆變單元串聯(lián)、并聯(lián)工作方式的靜止式動態(tài)無功補償器，大都采用數(shù)字信號處理器(DSP)或單片機等流水線處理方式的控制器作為其主控制單元，但是這些流水線處理方式的控制器會給STATCOM(靜止式動態(tài)無功補償器)裝置帶來以下問題基于變壓器多重化結(jié)構(gòu)的STATCOM設(shè)備往往需要大量單相逆變?nèi)珮蜉敵鲭妷夯螂娏鳢B加，以得到設(shè)計需求的輸出電壓或電流，而這樣的結(jié)構(gòu)往往需要大量的全控功率開關(guān)元件協(xié)同工作。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，栗春，高輝和石建民等發(fā)表的“基于DSP的靜止同步補償器脈沖發(fā)生器及控制器的設(shè)計”，電力系統(tǒng)自動化，23(13)，1997年03期，pp.26-29)，就以四重化結(jié)構(gòu)的靜止式動態(tài)無功補償器為例，該靜止式動態(tài)無功補償器裝置需要48只全控功率開關(guān)協(xié)同工作，這也意味著在任意時刻主控制器需要產(chǎn)生48路控制信號，而且還不包括同時處理這些全控功率開關(guān)的保護裝置的48路反饋信號等。值得注意的是作為動態(tài)無功功率發(fā)生器的靜止式動態(tài)無功補償器，其控制精度要求較高，一般要求達到0.01°(電網(wǎng)工頻50Hz)——約為1.667us。對于只能進行流水線處理操作方式的處理器(例如DSP、單片機等)而言，在如此短暫的時間內(nèi)完成眾多控制量的生成和其它反饋信號的處理幾乎是不可能的，盡管隨著處理器計算速率的進一步提高，可縮小其不利影響，但隨著靜止式動態(tài)無功補償設(shè)備電壓等級和容量的大幅提升，其功率開關(guān)元件的數(shù)目也將大幅增加，該措施也將顯得無能為力。在實際運行中上述問題往往會導(dǎo)致靜止式動態(tài)無功補償裝置的輸出電壓和輸出電流的暫態(tài)不對稱，從而導(dǎo)致靜止式動態(tài)無功補償設(shè)備輸出無功功率精度的較低，嚴重時可導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生暫態(tài)過電流、暫態(tài)過電壓的故障而停止運行，甚至發(fā)生無功補償設(shè)備損壞事故。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，使其充分利用FPGA器件的事件并行處理能力和高速數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)大量脈寬調(diào)制信號控制量的生成、保護反饋信號的處理和同步信號的生成及處理等功能，消除目前處理器由于流水線處理事件的模式，而導(dǎo)致靜止式動態(tài)無功補償裝置輸出無功功率精度降低的問題和潛在的暫態(tài)過電流或暫態(tài)過電壓問題。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括同步過零信號控制器、觸發(fā)控制字生成器、ABC三相觸發(fā)脈沖控制器、ABC三相故障信號控制器和故障信號處理器，它們之間是通過控制和數(shù)據(jù)信號的相互傳遞來實現(xiàn)的，在同步過零信號控制器向觸發(fā)控制字生成器發(fā)送同步過零信號后，觸發(fā)控制字生成器接收來自上位處理器的控制參數(shù)，同時根據(jù)這些控制參數(shù)生成觸發(fā)控制字，并向ABC三相觸發(fā)脈沖控制器發(fā)送觸發(fā)控制字和相應(yīng)的同步過零信號；ABC三相觸發(fā)脈沖控制器在接收到觸發(fā)控制字和相應(yīng)的同步過零信號后，向ABC三相故障信號控制器發(fā)送ABC三相脈沖觸發(fā)信號；故障信號處理器分析設(shè)備故障反饋信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送觸發(fā)脈沖封鎖或解除信號，同時向上位處理器發(fā)送設(shè)備故障狀態(tài)字；ABC三相故障信號控制器接收ABC三相脈沖觸發(fā)信號，并根據(jù)由故障信號處理器發(fā)送的脈沖封鎖或解除信號，判斷是否向外部IGBT驅(qū)動單元發(fā)送ABC三相脈沖觸發(fā)信號；同步過零信號控制器為STATCOM設(shè)備提供同步過零信號和過零中斷申請信號，使得STATCOM設(shè)備的輸出電壓與系統(tǒng)電壓保持同步；觸發(fā)控制字生成器生成各個單相逆變單元的觸發(fā)脈沖控制字，這些觸發(fā)脈沖控制字是各個IGBT觸發(fā)脈沖信號形成的根據(jù)；ABC三相觸發(fā)脈沖控制器根據(jù)觸發(fā)脈沖控制字形成各個IGBT觸發(fā)脈沖信號；ABC三相故障信號控制器實現(xiàn)正常工況下輸出IGBT觸發(fā)脈沖信號和故障工況下封鎖各個IGBT觸發(fā)脈沖信號前向通道的功能，以實現(xiàn)STATCOM設(shè)備故障停機的功能；故障信號處理器實現(xiàn)STATCOM故障工況的判別、故障中斷信號的生成及IGBT觸發(fā)脈沖信號前向通道的封鎖。
所述的同步過零信號控制器，由同步變壓器、低通濾波器、電壓比較器和相位調(diào)理器構(gòu)成，它們之間按照數(shù)據(jù)流的方向而依次連接和作用的，電網(wǎng)的正弦交流信號通過同步變壓器變?yōu)橥辔环禐椤?2V的正弦交流信號，該信號由同步變壓器的輸出端進入低通濾波器的輸入端，低通濾波器完成對±12V的正弦交流信號的低通濾波功能后，輸出極為穩(wěn)定的±12V工頻正弦交流同步信號，該信號輸入到電壓比較器的同相端，而電壓比較器的反相端接模擬信號地，電壓比較器的輸出信號輸入到相位調(diào)理器，相位調(diào)理器將根據(jù)系統(tǒng)要求調(diào)整方波邏輯信號的相位，使其相位上符合STATCOM需求的同步過零信號，相位調(diào)理器在完成對方波邏輯信號的相位調(diào)整后，將向觸發(fā)控制字生成器發(fā)送相應(yīng)的同步過零信號。
所述的電壓比較器的輸出信號是緊隨±12V正弦交流同步信號交變的方波邏輯信號，該信號與需求的同步過零信號在相位上存在著相位差。
所述的觸發(fā)控制字生成器，實現(xiàn)各單相逆變?nèi)珮蛑懈鱅GBT的導(dǎo)通、關(guān)斷控制字生成的功能模塊，這些控制字為各單相逆變?nèi)珮蛑懈鱅GBT的導(dǎo)通、關(guān)斷驅(qū)動信號的生成提供參考和依據(jù)。
所述的ABC三相觸發(fā)脈沖控制器，根據(jù)各IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷控制字實現(xiàn)相對應(yīng)IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷驅(qū)動信號生成的功能模塊，該功能模塊共分為A、B、C三相觸發(fā)脈沖控制器，分別控制生成對應(yīng)相位的單相逆變?nèi)珮騃GBT所需的驅(qū)動信號。
所述的ABC三相故障信號控制器，共分為A、B、C三相故障信號控制器，實現(xiàn)靜止式動態(tài)無功補償器設(shè)備故障保護功能，該故障信號控制器模塊通過在設(shè)備故障條件下封鎖所有IGBT驅(qū)動信號的方式來實現(xiàn)設(shè)備保護的目的。
所述的故障信號處理器，由故障反饋信號識別器、脈沖封鎖信號生成器和故障復(fù)位控制器構(gòu)成，它們之間根據(jù)數(shù)據(jù)流的方向而相互作用的，具體的數(shù)據(jù)流程分為兩種，一是故障信號判斷、控制流程；二是故障復(fù)位判斷、控制流程。在故障信號判斷、控制流程中，故障反饋信號字始終輸入到故障反饋信號識別器中，故障反饋信號識別器將鎖存故障反饋信號字，當STATCOM設(shè)備發(fā)生故障時，相應(yīng)的故障反饋信號字將發(fā)生跳變，此時故障反饋信號識別器將識別到STATCOM設(shè)備的故障狀況，并根據(jù)故障狀況向脈沖封鎖信號生成器和故障復(fù)位控制器發(fā)送故障發(fā)生報警信號；脈沖封鎖信號生成器接收到故障發(fā)生報警信號后立即產(chǎn)生觸發(fā)脈沖封鎖信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送該觸發(fā)脈沖封鎖信號；故障復(fù)位控制器接收到故障發(fā)生報警信號后，立即向上位處理器發(fā)送故障處理中斷申請信號。在故障復(fù)位判斷、控制流程中，當STATCOM設(shè)備的故障排除以后，上位處理器將向故障復(fù)位控制器發(fā)送故障復(fù)位信號，故障復(fù)位控制器接收到故障復(fù)位信號后，將向脈沖封鎖信號生成器發(fā)送觸發(fā)脈沖封鎖解除信號，同時向故障反饋信號識別器發(fā)送故障狀態(tài)字清除信號；脈沖封鎖信號生成器在接收到觸發(fā)脈沖封鎖解除信號后立即產(chǎn)生觸發(fā)脈沖封鎖解除信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送該觸發(fā)脈沖封鎖解除信號；故障反饋信號識別器接收到故障狀態(tài)字清除信號后立即清除鎖存的故障反饋信號字，使其輸入的狀態(tài)字為故障排除后的故障反饋信號字。
根據(jù)數(shù)據(jù)流的方向，分析本發(fā)明的工作原理，即電網(wǎng)同步電壓經(jīng)同步變壓器后變成幅值為±12伏的同步電壓信號，該同步電壓信號發(fā)送到由電阻和電容構(gòu)成的一階低通濾波器(截至頻率≤10Hz)后，發(fā)送到電壓比較器形成占空比為50％的方波信號，該信號與對應(yīng)的電網(wǎng)電壓同步，但在相位上滯后一定的角度，該滯后角度由低通濾波器的電阻和電容的參數(shù)所決定，因此相位調(diào)理器將根據(jù)低通濾波器的電阻和電容的參數(shù)來調(diào)節(jié)同步過零脈沖信號的相位，使得該同步過零脈沖信號與電網(wǎng)電壓相位一致。與此同時該同步過零信號控制器根據(jù)調(diào)理后的同步過零脈沖信號產(chǎn)生過零中斷信號，并向上位處理器發(fā)送過零中斷信號。上位處理器在過零同步信號的上升沿到來前，把STATCOM運行中關(guān)鍵的三個控制參數(shù)(靜止式動態(tài)無功補償器輸出功角δ、單相逆變?nèi)珮驕蠼铅梁蛦蜗嗄孀內(nèi)珮虻膶?dǎo)通角θ)發(fā)送至觸發(fā)控制字生成器。當過零同步信號的上升沿到來時，觸發(fā)控制字生成器按照設(shè)計的控制規(guī)律生成ABC三相各逆變單元的觸發(fā)控制字，并同時把這些觸發(fā)控制字發(fā)送給ABC三相觸發(fā)脈沖控制器。A、B和C相觸發(fā)脈沖控制器工作原理和方式是一致的，以A相觸發(fā)脈沖控制器為例，當觸發(fā)控制字生成器發(fā)送至A相觸發(fā)脈沖控制器的A相同步過零信號上升沿到來時，A相觸發(fā)脈沖控制器內(nèi)部的計數(shù)器則開始計數(shù)(計數(shù)頻率為3MHz)，當該計數(shù)值與A相某一單相逆變?nèi)珮虻挠|發(fā)控制字相同時，觸發(fā)脈沖控制器將向該單相逆變?nèi)珮虬l(fā)送導(dǎo)通或關(guān)斷信號。當計數(shù)器的計數(shù)值達到設(shè)計的最大值時(要求保證該計數(shù)值能夠覆蓋該相所有觸發(fā)控制字)該計數(shù)值將清零，并保持零值，一直到下一個A相同步過零信號上升沿的到來才開始重新計數(shù)。其它B、C相可根據(jù)上述工作原理推得。
上述工作過程和原理是基于靜止式動態(tài)無功補償器處于正常運行工況下進行的，但是當靜止式動態(tài)無功補償器處于故障運行工況時，為了防止靜止式動態(tài)無功補償器故障的進一步擴大，甚至發(fā)生設(shè)備損壞事故，故障信號處理器和ABC三相故障信號控制器將采取一定的故障處理措施以確保設(shè)備的安全，根據(jù)故障處理的數(shù)據(jù)流可分析其工作原理，即當靜止式動態(tài)無功補償器處于正常運行狀態(tài)時，由外部IGBT觸發(fā)系統(tǒng)反饋給故障反饋信號識別器的所有故障信號一直為高電平；當某些或某個IGBT處于短路運行狀態(tài)時，其相應(yīng)的故障反饋信號將變?yōu)榈碗娖?。此時故障反饋信號識別器將根據(jù)該故障反饋信號識別靜止式動態(tài)無功補償器逆變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并編制相應(yīng)的故障狀態(tài)字以供上位處理器和脈沖封鎖信號生成器來識別，當脈沖封鎖信號生成器識別到該故障反饋信號后，將立即生成脈沖封鎖信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送該脈沖封鎖信號，此時ABC三相故障信號控制器將立即封鎖所有的觸發(fā)脈沖前向通道，實現(xiàn)靜止式動態(tài)無功補償設(shè)備的故障停機目的；當靜止式動態(tài)無功補償器逆變系統(tǒng)的短路故障排除后，運行人員通過上位處理器向故障復(fù)位控制器發(fā)送復(fù)位重啟動信號，當故障復(fù)位控制器確認復(fù)位重啟動信號后，它將向脈沖封鎖信號生成器發(fā)送觸發(fā)脈沖封鎖解除信號至ABC三相故障信號控制器，此時ABC三相故障信號控制器將同時解除觸發(fā)脈沖封鎖信號，使得靜止式動態(tài)無功補償器逆變系統(tǒng)各單相逆變的觸發(fā)脈沖信號得以前向輸送至外部IGBT觸發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)靜止式動態(tài)無功補償系統(tǒng)重新啟動的目的。
當靜止式動態(tài)無功補償器的逆變單元具有大量的功率開關(guān)元件協(xié)同運行時，本發(fā)明可以確保所有開關(guān)元件同時觸發(fā)或關(guān)斷，并消除由于流水線處理結(jié)構(gòu)引起的觸發(fā)延時和觸發(fā)差異，這將大大提高靜止式動態(tài)無功補償裝置輸出無功功率精度，并消除由觸發(fā)延時和觸發(fā)差異引起的STATCOM暫態(tài)過電流或暫態(tài)過電壓問題，極大地提高靜止式動態(tài)無功補償器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時本發(fā)明對于故障信號的集中處理方式，對基于變壓器多重化靜止式動態(tài)無功補償設(shè)備故障后處理和保護及其有利，對于防止故障擴大具有重要意義。本發(fā)明不僅適用于基于變壓器多重化靜止式動態(tài)無功補償設(shè)備，同樣適用于具有多重化結(jié)構(gòu)的電機拖動系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明單相逆變?nèi)珮虻耐負浣Y(jié)構(gòu)和工作原理圖。
圖3為本發(fā)明的四重化技術(shù)拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。
圖4為本發(fā)明的四重化技術(shù)拓撲結(jié)構(gòu)A相輸出電壓波形迭加原理圖。
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實施例圖1中α為每一相的單項全橋相互間的滯后角——一般有α＝15°和20°；θ為單相逆變?nèi)珮虻妮敵鲭妷好}沖寬度——一般有θ＝120°；δ為靜止式動態(tài)無功補償器輸出功角——一般在[-10°，+10°]。
圖2中S1～S4為單相逆變?nèi)珮虻母鞴β书_關(guān)；R1～R4，C1～C4為各功率開關(guān)的阻容突波吸收元件；T為單相逆變單元輸出曲折變壓器(中頻變壓器)，原副邊變比為k；Cdc為直流側(cè)電壓支撐電解電容；Ux為單相逆變?nèi)珮虻妮敵鲭妷骸?br> 脈寬調(diào)制為觸發(fā)信號參考波形。
圖3中A0°、A15°、A30°、A45°分別為A相各個單相逆變?nèi)珮?；B0°、B15°、B30°、B45°分別為B相各個單相逆變?nèi)珮?；C0°、C15°、C30°、C45°分別為A相各個單相逆變?nèi)珮?；VAB、VBC、VBC分別為STATCOM裝置的輸出線電壓--VAB＝VA0+VA15+VA30+VA45-VA30-VA45--VBC＝VB0+VB15+VB30+VB45-VC30-VC45--VCA＝VC0+VC15+VC30+VC45-VA30-VA45VS為電力系統(tǒng)電壓；
Vdc為直流側(cè)直流電壓；iI為STATCOM裝置的輸出電流；L為STATCOM裝置的濾波電抗——一般取裝置短路容量的15％左右。
圖4中VA0、VA15、VA30、VA45分別為A相各個逆變?nèi)珮蛳鄬?yīng)的輸出電壓——它們分別滯后α＝15°或20°，其它B、C相依次類推。
VSAB為電力系統(tǒng)AB相線電壓；其它參考圖1、2、3。
如圖1所示，本發(fā)明包括同步過零信號控制器、觸發(fā)控制字生成器、ABC三相觸發(fā)脈沖控制器、ABC三相故障信號控制器和故障信號處理器，同步過零信號控制器向觸發(fā)控制字生成器發(fā)送同步過零信號，與此同時觸發(fā)控制字生成器接收來自上位處理器的控制參數(shù)(α各單相逆變?nèi)珮虻囊葡嘟?，一般采?5弧度、θ為單相逆變?nèi)珮虻膶?dǎo)通角一般采用120弧度、δ為STATCOM設(shè)備的輸出功角一般變化范圍為-10弧度至+10弧度)，并根據(jù)這些控制參數(shù)生成觸發(fā)控制字，并隨即向ABC三相觸發(fā)脈沖控制器發(fā)送觸發(fā)控制字和相應(yīng)的同步過零信號；ABC三相觸發(fā)脈沖控制器接收到觸發(fā)控制字和相應(yīng)的同步過零信號后，立即生成相應(yīng)的ABC三相觸發(fā)脈沖信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送相應(yīng)的ABC三相脈沖觸發(fā)信號；與此同時故障信號處理器分析STATCOM設(shè)備故障反饋信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送觸發(fā)脈沖封鎖或解除信號，同時向上位處理器發(fā)送設(shè)備故障狀態(tài)字；ABC三相故障信號控制器接收ABC三相脈沖觸發(fā)信號，并根據(jù)由故障信號處理器發(fā)送的脈沖封鎖或解除信號，判斷是否向外部IGBT驅(qū)動單元發(fā)送ABC三相脈沖觸發(fā)信號。
所述的同步過零信號控制器，由同步變壓器、低通濾波器、電壓比較器和相位調(diào)理器構(gòu)成，其中同步變壓器是輸入為380V，輸出為12V的交流同步變壓器；低通濾波器是由電阻和電容構(gòu)成的RC低通濾波器，其截止頻率為100Hz；電壓比較器是由LM319構(gòu)成的高精度電壓比較器；相位調(diào)理器由大規(guī)?？删幊踢壿嬏幚砥?FPGA)作為硬件載體和硬件描述語言(VHDL)為軟件載體所構(gòu)成的相位超前或滯后調(diào)理器。該同步過零信號的形成由以下步驟構(gòu)成，電網(wǎng)380VAC經(jīng)380V/12V交流同步變壓器轉(zhuǎn)換后變成有效值為12V的交流同步正弦信號，該正弦信號輸入到RC低通濾波器，濾除交流同步正弦信號中較高的諧波成分，使RC低通濾波器的輸出為極為穩(wěn)定的工頻交流同步信號，該工頻交流同步信號輸入到由LM319構(gòu)成的高精度電壓比較器的同相輸入端，而其反相輸入端接模擬信號地，這樣高精度電壓比較器的輸出將變成緊緊跟隨工頻交流同步信號過零交變的同步邏輯信號，即當工頻交流同步信號小于模擬信號地時，該邏輯信號為低(‘0’)；當工頻交流同步信號大于模擬信號地時，該邏輯信號為高(‘1’)；由于基于多重化結(jié)構(gòu)STATCOM對于參考過零相位有特別要求，因此需要對該同步邏輯信號進行相位調(diào)整，此時同步邏輯信號輸入到相位調(diào)理器中，相位調(diào)理器將根據(jù)STATCOM系統(tǒng)要求調(diào)整同步邏輯信號的相位，本發(fā)明以四重化的STATCOM為例，其過零同步參考相位需要超求相應(yīng)的電網(wǎng)電壓相60弧度，因此相位調(diào)理器將過零同步參考相位向前調(diào)整60弧度。該同步過零信號控制器模塊實現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓的過零同步點進行跟蹤，并為靜止式動態(tài)無功補償器輸出電壓的同步并網(wǎng)提供參考相位。
所述的觸發(fā)控制字生成器，實現(xiàn)各單相逆變?nèi)珮蛑懈鱅GBT的導(dǎo)通、關(guān)斷控制字生成的功能模塊，這些控制字為各單相逆變?nèi)珮蛑懈鱅GBT的導(dǎo)通、關(guān)斷驅(qū)動信號的生成提供參考和依據(jù)。
所述的ABC三相觸發(fā)脈沖控制器，根據(jù)各IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷控制字實現(xiàn)相對應(yīng)IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷驅(qū)動信號生成的功能模塊，該功能模塊共分為A、B、C三相觸發(fā)脈沖控制器，分別控制生成對應(yīng)相位的單相逆變?nèi)珮騃GBT所需的驅(qū)動信號。
所述的ABC三相故障信號控制器，實現(xiàn)靜止式動態(tài)無功補償器設(shè)備故障保護功能，該三相故障信號控制器模塊通過在設(shè)備故障條件下封鎖所有IGBT驅(qū)動信號的方式來實現(xiàn)設(shè)備保護的目的。
所述的故障信號處理器，由故障反饋信號識別器、脈沖封鎖信號生成器和故障復(fù)位控制器構(gòu)成，它們的連接方式是根據(jù)數(shù)據(jù)流的方向而確定的，具體的數(shù)據(jù)流程分為兩種，一是故障信號判斷、控制流程；二是故障復(fù)位判斷、控制流程。根據(jù)故障信號判斷、控制流程可知，故障反饋信號字始終輸入到故障反饋信號識別器中，故障反饋信號識別器將鎖存故障反饋信號字，當STATCOM設(shè)備發(fā)生故障時，相應(yīng)的故障反饋信號字將發(fā)生跳變，此時故障反饋信號識別器將識別到STATCOM設(shè)備的故障狀況，并根據(jù)故障狀況向脈沖封鎖信號生成器和故障復(fù)位控制器發(fā)送故障發(fā)生報警信號；脈沖封鎖信號生成器接收到故障發(fā)生報警信號后立即產(chǎn)生觸發(fā)脈沖封鎖信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送該觸發(fā)脈沖封鎖信號；故障復(fù)位控制器接收到故障發(fā)生報警信號后，立即向上位處理器發(fā)送故障處理中斷申請信號。根據(jù)故障復(fù)位判斷、控制流程可知，當STATCOM設(shè)備的故障排除以后，上位處理器將向故障復(fù)位控制器發(fā)送故障復(fù)位信號，故障復(fù)位控制器接收到故障復(fù)位信號后，將向脈沖封鎖信號生成器發(fā)送觸發(fā)脈沖封鎖解除信號，同時向故障反饋信號識別器發(fā)送故障狀態(tài)字清除信號；脈沖封鎖信號生成器在接收到觸發(fā)脈沖封鎖解除信號后立即產(chǎn)生觸發(fā)脈沖封鎖解除信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送該觸發(fā)脈沖封鎖解除信號；故障反饋信號識別器接收到故障狀態(tài)字清除信號后立即清除鎖存的故障反饋信號字，使其輸入的狀態(tài)字為故障排除后的故障反饋信號字。該故障信號處理器模塊主要實現(xiàn)靜止式動態(tài)無功補償器設(shè)備故障的檢測、判斷、保護和反饋功能。以四重化STATCOM為例，其輸入的故障反饋信號字由48只功率開關(guān)(12只逆變?nèi)珮颉?只功率開關(guān)/逆變?nèi)珮颍?8只功率開關(guān))的故障信號、直流側(cè)過電壓故障信號、系統(tǒng)過電流故障和系統(tǒng)過熱故障信號等構(gòu)成，正常時這些反饋信號為邏輯高(‘1’)，故障時這些反饋信號為邏輯低(‘0’)；其它控制信號都可于其它類型STATCOM的控制信號通用。該模塊主要實現(xiàn)靜止式動態(tài)無功補償器設(shè)備故障的檢測、判斷、保護和反饋功能。
同步過零信號控制器由380V/12V的同步變壓器、電阻(300歐姆)和電容(33微法)構(gòu)成的低通濾波器、LM319構(gòu)成的高精度電壓比較器和大規(guī)?？删幊踢壿嬏幚砥鳛橛布d體、VHDL語言為軟件載體編制的相位調(diào)理器等構(gòu)成。
觸發(fā)控制字生成器由大規(guī)模可編程邏輯處理器為硬件載體、VHDL語言為軟件載體構(gòu)成。
觸發(fā)控制字生成器由大規(guī)?？删幊踢壿嬏幚砥鳛橛布d體、VHDL語言為軟件載體構(gòu)成。
ABC三相故障信號控制器由大規(guī)模可編程邏輯處理器為硬件載體、VHDL語言為軟件載體構(gòu)成。
故障信號處理器由大規(guī)?？删幊踢壿嬏幚砥鳛橛布d體、VHDL語言為軟件載體構(gòu)成。
其中相位調(diào)理器、觸發(fā)控制字生成器、觸發(fā)控制字生成器、ABC三相故障信號控制器和故障信號處理器集成在一塊大規(guī)?？删幊踢壿嬏幚砥髦?，用VHDL語言編制而成。該大規(guī)?？删幊踢壿嬏幚砥鳛槊绹鳤ltera公司Cyclone系列的EPC6Q240-8大規(guī)模可編程邏輯處理器，其軟件編譯環(huán)境為美國Altera公司Quartus4.2。
根據(jù)靜止動態(tài)無功補償器(STATCOM或ASVG)的工作原理可知，其輸出無功功率Q為Q=US2Rsin2δ---(1)]]>其中R為STATCOM裝置的等效電阻，該阻值大小表征STATCOM裝置能量轉(zhuǎn)換效率大小，一般取值較小(＜0.01Ω)。由于本實用新型STATCOM裝置輸出無功功率Q對功角δ變化特別敏感，功角δ的變化范圍一般為[-10°，+10°]，因此對STATCOM裝置的功角調(diào)節(jié)要求較高的精度。
如圖2所示，為某單相逆變?nèi)珮虻拈_關(guān)時序圖，根據(jù)該時序圖可以得知任何一個單相逆變?nèi)珮蚋鞴β书_關(guān)(S1、S2、S3和S4)的觸發(fā)規(guī)律和其輸出電壓Ux的調(diào)制規(guī)律。設(shè)A相第n(0，1，2或3)個單相逆變?nèi)珮蛞笥|發(fā)，則該單相逆變?nèi)珮蛳鄬εc系統(tǒng)A相同步過零信號的所有功率開關(guān)導(dǎo)通、關(guān)斷控制字(觸發(fā)控制字)為Ton(S1)=δ+n·αToff(S1)=δ+n·α+πTon(S3)=δ+n·α+(π-θ)+πToff(S3)=δ+n·α+(π-θ)+2πTon(S2)=δ+n·α+πToff(S2)=δ+n·α+2πTon(S4)=δ+n·α+(π-θ)Toff(S4)=δ+n·α+(π-θ)---(2)]]>其中，S1和S4構(gòu)成正向電壓輸出回路；S2和S3構(gòu)成反相電壓輸出回路。因此該單相逆變單元的輸出電壓(周期為2π)表達式為Ux=0nα≤t<δ+(π-θ)+nα+k·Udcδ+(π-θ)+nα≤t<δ+π+nα0δ+π+nα≤t<δ+π+(π-θ)+nα-k·Udcδ+π+(π-θ)+nα≤t<δ+2π+nα--(3)]]>該輸出電壓波形通過傅立葉變換可得基波(工頻50Hz)電壓的表達式
Ux=4πkUdcsinθ2sin[wt-(δ+(π-θ)2+nα)]---(4)]]>如圖3所示的四重STATCOM，可分析其輸出線電壓的迭加原理，顯然UAB、UBC、UCA分別為四重化迭加后的線電壓波形如圖4所示，可以看出迭加后四重化STATCOM輸出線電壓(如圖4所示的線電壓UAB為例)波形，是一個較為接近正弦波形的迭加階梯波，通過對該波形的傅立葉分析可知，該迭加波形的畸變率較低(＜5％)符合電壓畸變率小于5％的行業(yè)標準。
根據(jù)各單相電壓表達式(4)的迭加可得四重STATCOM輸出線電壓基波的數(shù)學(xué)表達式，UAB(t)=163πk·cosα2sinθ2Udcsin(wt-δ-π-θ+α2)UBC=(t)=163πk·cosα2sinθ2Udcsin(wt-δ-π-θ+α2-2π3)UCA(t)=163πk·cosα2sinθ2Udcsin(wt-δ-π-θ+α2+2π3)---(5)]]>顯然，上位處理器只需向觸發(fā)控制字生成器發(fā)送三個控制量——滯后角α、輸出功角δ和單相逆變?nèi)珮驅(qū)ń铅?，則觸發(fā)控制字生成器將可根據(jù)公式(2)生成各單相逆變?nèi)珮虻挠|發(fā)控制字。當觸發(fā)控制字生成器完成觸發(fā)控制字工作后，立即向ABC三相觸發(fā)脈沖控制器發(fā)送這些觸發(fā)控制字，當ABC三相觸發(fā)脈沖控制器接收到這些觸發(fā)控制字后，在各相同步過零信號上升沿到來時刻，把各單相逆變?nèi)珮虻挠|發(fā)控制字鎖存到鎖存器中，并開始各相內(nèi)部計數(shù)器(計數(shù)頻率為3MHz)的增值計數(shù)工作，當該相計數(shù)器的計數(shù)值與某逆變?nèi)珮騿卧挠|發(fā)控制字(導(dǎo)通或關(guān)斷觸發(fā)控制字)相同時，該相觸發(fā)脈沖控制器將向A相故障信號控制器發(fā)送該單相逆變?nèi)珮蚋鱅GBT模塊的觸發(fā)信號，此后故障信號控制器將根據(jù)故障信號處理器發(fā)出的脈沖封鎖信號(高或低)決定是否向前向IGBT驅(qū)動模塊發(fā)送觸發(fā)信號，當故障信號處理器發(fā)出的脈沖封鎖信號為高時，意味著STATCOM的逆變系統(tǒng)不存在短路故障；當故障信號處理器發(fā)出的脈沖封鎖信號為低時，意味著STATCOM的逆變系統(tǒng)存在短路故，ABC三相故障信號控制器將封鎖各單相逆變單元的觸發(fā)信號。當STATCOM故障后發(fā)生，并且該故障已經(jīng)被排除，STATCOM控制系統(tǒng)將復(fù)位重啟脈寬調(diào)制專用控制器，此時故障信號處理器將響應(yīng)該復(fù)位重啟信號，并解除它所發(fā)出的脈沖封鎖信號，并置位為高電平。
權(quán)利要求
1.一種變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，包括同步過零信號控制器、觸發(fā)控制字生成器、ABC三相觸發(fā)脈沖控制器、ABC三相故障信號控制器和故障信號處理器，其特征在于，它們之間是通過控制和數(shù)據(jù)信號的相互傳遞來實現(xiàn)的，在同步過零信號控制器向觸發(fā)控制字生成器發(fā)送同步過零信號后，觸發(fā)控制字生成器接收來自上位處理器的控制參數(shù)，同時根據(jù)這些控制參數(shù)生成觸發(fā)控制字，并向ABC三相觸發(fā)脈沖控制器發(fā)送觸發(fā)控制字和相應(yīng)的同步過零信號；ABC三相觸發(fā)脈沖控制器在接受到觸發(fā)控制字和相應(yīng)的同步過零信號后，向ABC三相故障信號控制器發(fā)送ABC三相脈沖觸發(fā)信號；故障信號處理器分析設(shè)備故障反饋信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送觸發(fā)脈沖封鎖或解除信號，同時向上位處理器發(fā)送設(shè)備故障狀態(tài)字；ABC三相故障信號控制器接收ABC三相脈沖觸發(fā)信號，并根據(jù)由故障信號處理器發(fā)送的脈沖封鎖或解除信號，判斷是否向外部IGBT驅(qū)動單元發(fā)送ABC三相脈沖觸發(fā)信號；同步過零信號控制器為STATCOM設(shè)備提供同步過零信號和過零中斷申請信號，使得STATCOM設(shè)備的輸出電壓與系統(tǒng)電壓保持同步；觸發(fā)控制字生成器生成各個單相逆變單元的觸發(fā)脈沖控制字，這些觸發(fā)脈沖控制字是各個IGBT觸發(fā)脈沖信號形成的根據(jù)；ABC三相觸發(fā)脈沖控制器根據(jù)觸發(fā)脈沖控制字形成各個IGBT觸發(fā)脈沖信號；ABC三相故障信號控制器實現(xiàn)正常工況下輸出IGBT觸發(fā)脈沖信號和故障工況下封鎖各個IGBT觸發(fā)脈沖信號前向通道的功能，以實現(xiàn)STATCOM設(shè)備故障停機的功能；故障信號處理器實現(xiàn)STATCOM故障工況的判別、故障中斷信號的生成及IGBT觸發(fā)脈沖信號前向通道的封鎖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，其特征是，所述的同步過零信號控制器，由同步變壓器、低通濾波器、電壓比較器和相位調(diào)理器構(gòu)成，它們之間按照數(shù)據(jù)流的方向而依次連接和作用的，電網(wǎng)的正弦交流信號通過同步變壓器變?yōu)橥辔环禐椤?2V的正弦交流信號，該信號由同步變壓器的輸出端進入低通濾波器的輸入端，低通濾波器完成對±12V的正弦交流信號的低通濾波功能后，輸出極為穩(wěn)定±12V的工頻正弦交流同步信號，該信號輸入到電壓比較器的同相端，而電壓比較器的反相端接模擬信號地，電壓比較器的輸出信號輸入到相位調(diào)理器，相位調(diào)理器將根據(jù)系統(tǒng)要求調(diào)整方波邏輯信號的相位，使其相位上符合STATCOM需求的同步過零信號，相位調(diào)理器在完成對方波邏輯信號的相位調(diào)整后，將向觸發(fā)控制字生成器發(fā)送相應(yīng)的同步過零信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，其特征是，所述的電壓比較器的輸出信號是緊隨±12V正弦交流同步信號交變的方波邏輯信號，該信號與需求的同步過零信號在相位上存在著相位差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，其特征是，所述的觸發(fā)控制字生成器，實現(xiàn)各單相逆變?nèi)珮蛑懈鱅GBT的導(dǎo)通、關(guān)斷控制字生成的功能模塊，這些控制字為各單相逆變?nèi)珮蛑懈鱅GBT的導(dǎo)通、關(guān)斷驅(qū)動信號的生成提供參考和依據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，其特征是，所述的ABC三相觸發(fā)脈沖控制器，根據(jù)各IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷控制字實現(xiàn)相對應(yīng)IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷驅(qū)動信號生成的功能模塊，該功能模塊共分為A、B、C三相觸發(fā)脈沖控制器，分別控制生成對應(yīng)相位的單相逆變?nèi)珮騃GBT所需的驅(qū)動信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，其特征是，所述的ABC三相故障信號控制器，實現(xiàn)靜止式動態(tài)無功補償器設(shè)備故障保護功能，該ABC三相故障信號控制器模塊通過在設(shè)備故障條件下封鎖所有IGBT驅(qū)動信號的方式來實現(xiàn)設(shè)備保護的目的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，其特征是，所述的故障信號處理器，由故障反饋信號識別器、脈沖封鎖信號生成器和故障復(fù)位控制器構(gòu)成，它們之間根據(jù)數(shù)據(jù)流的方向而相互作用的，具體的數(shù)據(jù)流程分為兩種，一是故障信號判斷、控制流程；二是故障復(fù)位判斷、控制流程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，其特征是，所述的故障信號判斷、控制流程，是指故障反饋信號字始終輸入到故障反饋信號識別器中，故障反饋信號識別器將鎖存故障反饋信號字，當STATCOM設(shè)備發(fā)生故障時，相應(yīng)的故障反饋信號字將發(fā)生跳變，此時故障反饋信號識別器將識別到STATCOM設(shè)備的故障狀況，并根據(jù)故障狀況向脈沖封鎖信號生成器和故障復(fù)位控制器發(fā)送故障發(fā)生報警信號；脈沖封鎖信號生成器接收到故障發(fā)生報警信號后立即產(chǎn)生觸發(fā)脈沖封鎖信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送該觸發(fā)脈沖封鎖信號；故障復(fù)位控制器接收到故障發(fā)生報警信號后，立即向上位處理器發(fā)送故障處理中斷申請信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，其特征是，所述的故障復(fù)位判斷、控制流程，是指當STATCOM設(shè)備的故障排除以后，上位處理器將向故障復(fù)位控制器發(fā)送故障復(fù)位信號，故障復(fù)位控制器接收到故障復(fù)位信號后，將向脈沖封鎖信號生成器發(fā)送觸發(fā)脈沖封鎖解除信號，同時向故障反饋信號識別器發(fā)送故障狀態(tài)字清除信號；脈沖封鎖信號生成器在接收到觸發(fā)脈沖封鎖解除信號后立即產(chǎn)生觸發(fā)脈沖封鎖解除信號，并向ABC三相故障信號控制器發(fā)送該觸發(fā)脈沖封鎖解除信號；故障反饋信號識別器接收到故障狀態(tài)字清除信號后立即清除鎖存的故障反饋信號字，使其輸入的狀態(tài)字為故障排除后的故障反饋信號字。
全文摘要
一種變壓器無功補償器的脈寬調(diào)制專用控制器，屬于電器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括同步過零信號控制器、觸發(fā)控制字生成器、ABC三相觸發(fā)脈沖控制器、ABC三相故障信號控制器和故障信號處理器，在同步過零信號控制器向觸發(fā)控制字生成器發(fā)送同步過零信號后，觸發(fā)控制字生成器向ABC三相觸發(fā)脈沖控制器發(fā)送觸發(fā)控制字和相應(yīng)的同步過零信號，ABC三相觸發(fā)脈沖控制器在接收到觸發(fā)控制字和相應(yīng)的同步過零信號后，向ABC三相故障信號控制器發(fā)送ABC三相脈沖觸發(fā)信號，故障信號處理器分析設(shè)備故障反饋信號，并向故障信號控制器發(fā)送觸發(fā)脈沖封鎖或解除信號。本發(fā)明實現(xiàn)大量脈寬調(diào)制信號控制量的生成、保護反饋信號的處理和同步信號的生成及處理等功能。
文檔編號H02H3/26GK1747275SQ20051002907
公開日2006年3月15日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者姚鋼, 周荔丹, 陳陳 申請人:上海交通大學(xué)