專利名稱：一種電力電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電カ電子系統(tǒng)，特別是ー種電カ電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法。
背景技術：
近幾年來，我國電網(wǎng)的規(guī)模迅速擴張，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和結構的日益復雜化，勢必造成電カ系統(tǒng)短路電流水平的不斷増大，同時短路故障也會引起短路點電壓的大幅度下降，這將導致嚴重的后果。因此，采用切實有效的限流措施，將短路電流限制到合理的水平具有中意義。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，目前已經(jīng)涌現(xiàn)眾多的專門故障電流限制器，特別是超導限流器、固態(tài)限流器等己經(jīng)在ー些示范工程中采用，這極大推動了限流技術的深入研究和實用化進程。如圖I所示為帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器，其工作原理是正常運行時，三相橋晶閘管Tf T6各導通180°，T7、T8觸發(fā)脈沖常加，直流電感中的電流為負載電流耦合到二次側的電流峰值，近似恒定，直流電感兩端的電壓近似為零，所以耦合變壓器副邊電壓近似為零，耦合變壓器副邊等效阻抗為零，原邊相當于被短路，串聯(lián)電抗不起作用，不影響系統(tǒng)正常運行；當發(fā)生短路故障時，變壓器上承受電壓，旁路電感和通過變壓器耦合到原邊的等效直流電感并聯(lián)后串入主回路，限流電流的上升；控制系統(tǒng)封鎖各晶閘管脈沖，使橋路退出運行，副邊相當于短路，從而旁路電感自動串入被短路線路，起到限流的目的，因此，在電網(wǎng)正常運行時空載運行，這樣就増加了損耗，造成了資源浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術不足，提供一種電カ電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法，突破傳統(tǒng)固態(tài)限流器在電網(wǎng)正常運行時空載運行的現(xiàn)狀，充分利用開關器件，同時解決電網(wǎng)中短路電流限制以及諧波抑制的電能質(zhì)量問題，減少損耗，節(jié)約能源。為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是ー種電カ電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法，包括電カ電子系統(tǒng)，電カ電子系統(tǒng)包括三相電網(wǎng)、與三相電網(wǎng)連接的負載、串聯(lián)型有源電カ濾波器(SAPF)、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括短路電流檢測電路、驅(qū)動電路、電壓跟蹤控制電路和諧波電壓檢測電路，串聯(lián)型有源電カ濾波器包括主電路和耦合變壓器，主電路包括三個并聯(lián)的開關臂和三個電感，開關臂由兩個串聯(lián)的開關管組成，三個電感分別并聯(lián)接入三個開關臂的兩開關管之間，主電路與耦合變壓器副邊之間接有開關管，耦合變壓器原邊并聯(lián)有限流電感，限流電感接入三相電網(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)動主電路與耦合變壓器之間的開關管，諧波電壓檢測電路、電壓跟蹤控制電路、第二驅(qū)動電路依次連接，第二驅(qū)動電路驅(qū)動串聯(lián)型有源電カ濾波器主電路中的開關管，該方法為
(１)檢測三相電網(wǎng)側電流UUk，負載電壓L、Ua、Ub和負載側電流ら、Il,、Iu(2)根據(jù)檢測到的負載側電流值，短路電流檢測電路判斷負載側是否出現(xiàn)
短路故障，并輸出相應的開關信號G ;如果負載側出現(xiàn)短路，短路電流檢測電路輸出低電
平，即G為O，則第一驅(qū)動電路使主電路與耦合變壓器副邊之間的開關管全部斷開，同時第
ニ驅(qū)動電路使串聯(lián)型有源電カ濾波器主電路的開關管全部關斷，串聯(lián)型有源電カ濾波器完
全退出運行；如果負載側出現(xiàn)短路故障，短路電流檢測電路輸出高電平，即 < 為1，則第一
驅(qū)動電路使主電路與耦合變壓器副邊之間的開關管全部導通，第二驅(qū)動電路使串聯(lián)型有源電カ濾波器工作在諧波補償狀態(tài)，串聯(lián)型有源電カ濾波器投入運行，進入(3)；
(3)采用基于瞬時無功理論的i，I,方法檢測諧波電壓,將信號み=I；-Ula)
、U訪=Itz HKhi-Uii)、Uis = I； *(Khd)作為被檢測信號，經(jīng)諧波檢測電路后得到指令 イ■號Kf2i、um、ue￡k ;其中、Us、Ul,為負載電壓，K為開環(huán)放大倍數(shù)；
(4)采用三角波比較方式，指令信號、*4i經(jīng)過電壓跟蹤控制電路后得到串
聯(lián)型有源電カ濾波器主電路開關管的PWM控制信號，控制串聯(lián)型有源電カ濾波器主電路エ作。所述開關管為IGBT。所述短路電流檢測電路包括三個一次電流互感器、或非門和處理器，三個一次電流互感器各通過依次連接的二次電流互感器、A/D采樣電路、比較器接入或非門，或非門與處理器連接。本發(fā)明的電カ電子系統(tǒng)的工作原理是電網(wǎng)正常時，運行在串聯(lián)型APF模式，補償負載諧波，耦合變壓器兩端只有諧波電壓降，且由于耦合變壓器原邊并聯(lián)電感(限流電感)La、Lb、Lc電感值比較大，諧波阻抗較高，因此，電感上流過的電流很小，不影響串聯(lián)APF及電網(wǎng)正常運行，電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，關閉所有開關管，運行在限流模式，此時SAPF退出運行，串聯(lián)變壓器副邊呈極大阻杭，電網(wǎng)電流從限流電感La、Lb、Lc中流過，從而限制電網(wǎng)短路電流。本發(fā)明技術效果在于本發(fā)明突破了傳統(tǒng)固態(tài)限流器在電網(wǎng)正常運行時空載運行的現(xiàn)狀，充分利用了開關器件，同時解決了電網(wǎng)中短路電流限制以及諧波抑制的電能質(zhì)量問題，有效的提高了電網(wǎng)的供電可靠性和電網(wǎng)電能質(zhì)量，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益顯著，為有效解決電網(wǎng)短路電流限制及電能質(zhì)量問題提供理論和技術基礎。


圖I為帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器結構示意 圖2為本發(fā)明一實施例電カ電子系統(tǒng)電路結構不意 圖3為本發(fā)明一實施例控制系統(tǒng)結構示意 圖4為本發(fā)明一實施例短路電流檢測電路結構意 圖5為本發(fā)明ー實施例諧波電壓檢測電路結構示意 圖6為本發(fā)明ー實施例電壓跟蹤控制電路結構示意圖。
具體實施例方式如圖 2和圖3所示，本發(fā)明一實施例電カ電子系統(tǒng)包括三相電網(wǎng)、與三相電網(wǎng)連接的負載、串聯(lián)型有源電カ濾波器、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括短路電流檢測電路、驅(qū)動電路、電壓跟蹤控制電路和諧波電壓檢測電路，串聯(lián)型有源電カ濾波器包括主電路和耦合變壓器T，主電路包括三個并聯(lián)的開關臂和三個電感，開關臂由兩個串聯(lián)的開關管組成，三個電感分別并聯(lián)接入三個開關臂的兩開關管之間，主電路與耦合變壓器副邊之間接有開關管，耦合變壓器原邊并聯(lián)有限流電感，限流電感接入三相電網(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)動主電路與耦合變壓器之間的開關管，諧波電壓檢測電路、電壓跟蹤控制電路、第二驅(qū)動電路依次連接，第二驅(qū)動電路驅(qū)動串聯(lián)型有源電カ濾波器主電路中的開關管。所述開關管為IGBT。如圖4所示，短路電流檢測電路包括三個一次電流互感器、或非門和處理器，三個一次電流互感器各通過依次連接的二次電流互感器、A/D采樣電路、比較器接入或非門，或非門與處理器連接。通過短路電流檢測電路檢測負載側是否短路，并產(chǎn)生控制信號來控制SAPF耦合變壓器副邊IGBT的開斷，當負載側發(fā)生短路時，短路電流檢測電路產(chǎn)生低電平使SAPF耦合變壓器副邊IGBT關斷，原邊產(chǎn)生高阻杭，限流電感串入電網(wǎng)起限流作用，當負載未出現(xiàn)故障時，短路電流檢測電路產(chǎn)生高電平使副邊IGBT開通，SAPF主電路投入運行，補償諧波電壓，耦合變壓器兩端只有諧波電壓降，且由于耦合變壓器原邊并聯(lián)電感(限流電感)La、Lb、Lc電感值比較大，諧波阻抗較高，因此，電感上流過的電流很小，不影響串聯(lián)APF及電網(wǎng)正常運行。電網(wǎng)正常運行時，通過諧波電壓檢測電路和電壓跟蹤控制電路，產(chǎn)生PWM控制信號，使串聯(lián)APF補償諧波電壓。具體實施步驟如下
(I)檢測電網(wǎng)側電流、U、I父' ,負載電壓、Uli、Uu和負載側電流h、!ひ、Iu。(2)根據(jù)檢測到的負載側電流值、ん，短路電流檢測電路判斷負載側是否
出現(xiàn)短路故障，并輸出相應的開關信號G。如果負載側出現(xiàn)短路，則短路電流檢測電路輸出
低電平(即G為0)，第一驅(qū)動電路使主電路與耦合變壓器副邊之間的開關管全部斷開，同時
第二驅(qū)動電路使SAPF主電路的開關管全部關斷，串聯(lián)型有源電カ濾波器完全退出運行；如
果負載側為出現(xiàn)短路故障，短路電流檢測電路輸出高電平(即G為1)，第一驅(qū)動電路使主電
路與耦合變壓器副邊之間的開關管全部導通，第二驅(qū)動電路使SAPF工作在諧波補償狀態(tài)，串聯(lián)型有源電カ濾波器投入運行；
參見圖4，短路電流檢測電路主要完成對短路電流信號的采樣以及對電流幅值的判斷，并通過單片機輸出相應的控制信號，一次電流互感器和二次電流互感器可將電カ線上的大電流信號變換為適合運放使用的電壓信號。該電壓信號與大電流信號成一定比例關系，A/D采樣電路通過對變換后的電壓信號進行采樣，并將其轉換為數(shù)字信號，然后與比較器提供的基準電壓信號進行比較，比較后的信號(低電平)送入單片機進行中斷處理，比較后的信號(低電平)觸發(fā)單片機中斷后，其內(nèi)部可通過定時器控制，并定時對中斷引腳進行掃描，一旦發(fā)生中斷，單片機則輸出控制信號(低電平)，通過驅(qū)動電路，控制S7 S9關斷，否則單片機輸出高電平，通過驅(qū)動電路，使S7 S9開通。(3)根據(jù)短路電流檢測電路輸出的開關信號G，第二驅(qū)動電路工作在兩種不同的方式1、當檢測到負載側短路時，即^為0時，第二驅(qū)動電路使開關管Sf S6全部關斷，SAPF
主電路完全退出運行；2、當負載側未出現(xiàn)故障時，即G為I時，第二驅(qū)動電路使SAPF工作在
諧波補償狀態(tài)。第二驅(qū)動電路的工作需要由諧波電壓檢測電路和電壓跟蹤控制電路共同完成，其中諧波電壓檢測電路產(chǎn)生電壓跟蹤控制電路所需的指令信號，而電壓跟蹤控制電路產(chǎn)生PWM信號。參見圖5，諧波電壓檢測采用復合檢測方法，采用基于瞬時無功理論的&，^方法檢測諧波電壓，將信號
權利要求
1.一種電力電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法,包括電力電子系統(tǒng)，電力電子系統(tǒng)包括三相電網(wǎng)、與三相電網(wǎng)連接的負載、串聯(lián)型有源電力濾波器、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括短路電流檢測電路、驅(qū)動電路、電壓跟蹤控制電路和諧波電壓檢測電路，串聯(lián)型有源電力濾波器包括主電路和耦合變壓器，主電路包括三個并聯(lián)的開關臂和三個電感，開關臂由兩個串聯(lián)的開關管組成，三個電感分別并聯(lián)接入三個開關臂的兩開關管之間，主電路與耦合變壓器副邊之間接有開關管，耦合變壓器原邊并聯(lián)有限流電感，限流電感接入三相電網(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)動主電路與耦合變壓器之間的開關管，諧波電壓檢測電路、電壓跟蹤控制電路、第二驅(qū)動電路依次連接，第二驅(qū)動電路驅(qū)動串聯(lián)型有源電力濾波器的主電路中的開關管，其特征在于，該方法為 (1)檢測三相電網(wǎng)側電流L,負載電壓^4^和負載側電流、H辦、 (2)根據(jù)檢測到的負載側電流值、&，短路電流檢測電路判斷負載側是否出現(xiàn)短路故障，并輸出相應的開關信號G ;如果負載側出現(xiàn)短路，短路電流檢測電路輸出低電平，即il為O，則第一驅(qū)動電路使主電路與耦合變壓器副邊之間的開關管全部斷開，同時第二驅(qū)動電路使串聯(lián)型有源電力濾波器主電路的開關管全部關斷，串聯(lián)型有源電力濾波器完全退出運行；如果負載側出現(xiàn)短路故障，短路電流檢測電路輸出高電平，即^為1，則第一驅(qū)動電路使主電路與耦合變壓器副邊之間的開關管全部導通，第二驅(qū)動電路使串聯(lián)型有源電力濾波器工作在諧波補償狀態(tài)，串聯(lián)型有源電力濾波器投入運行，進入(3)； (3)采用基于瞬時無功理論的\，~方法檢測諧波電壓，將信號^=;〗*(喚,-^)、U訪=I； -Ub)、Uk = ζ HKix-U1,)作為被檢測信號，經(jīng)諧波檢測電路后得到指令信號心、u:m、心;其中、Ua、U。為負載電壓，K為開環(huán)放大倍數(shù)； (4)采用三角波比較方式，指令信號、 4 經(jīng)過電壓跟蹤控制電路后得到串聯(lián)型有源電力濾波器主電路開關管的PWM控制信號，控制串聯(lián)型有源電力濾波器主電路工作。
2.根據(jù)權利要求I所述的電力電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述開關管為IGBT。
3.根據(jù)權利要求I所述的電力電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述負載為容性整流負載。
4.根據(jù)權利要求I所述的電力電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述短路電流檢測電路包括三個一次電流互感器、或非門和處理器，三個一次電流互感器各通過依次連接的二次電流互感器、A/D采樣電路、比較器接入或非門，或非門與處理器連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電力電子系統(tǒng)協(xié)同控制方法，通過在串聯(lián)型有源電力濾波器的耦合變壓器原邊并聯(lián)一個比較大的限流電感，并通過其協(xié)同控制方法，在正常工作時使串聯(lián)型有源電力濾波器補償諧波電壓，在負載側出現(xiàn)短路故障時串聯(lián)型有源電力濾波器主電路退出運行，耦合變壓器副邊呈現(xiàn)高阻抗，從而通過并聯(lián)的限流電感限流；此系統(tǒng)不僅具有串聯(lián)型有源電力濾波器補償諧波電壓的功能，同時還具有限流功能，有效的提高電網(wǎng)的供電可靠性和電網(wǎng)電能質(zhì)量，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益顯著。本發(fā)明的方法解決了電網(wǎng)中的各種電能質(zhì)量問題，為有效解決電網(wǎng)短路電流限制及電能質(zhì)量問題提供理論和技術基礎。
文檔編號H02J3/01GK102820654SQ201210336050
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權日2012年9月12日
發(fā)明者涂春鳴, 帥智康, 盤宏斌, 張楊, 肖凡, 姚鵬, 戴曉宗, 蔣玲, 楚烺 申請人:湖南大學