CN103280811A - 一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统及其控制方法，包括了三相H桥PWM整流器、三相四桥臂串联变流器、晶闸管控制短路支路、晶闸管控制旁路电抗支路及其对应的控制方法。PWM整流器和三相四桥臂串联变流器共用直流侧实现能量的双向交换，串联变流器补偿电网电压的跌落、抬升、三相不平衡以及谐波电压的电压质量问题，同时在电网发生不同类型的短路故障时，系统通过控制串联变流器、晶闸管控制短路支路、晶闸管控制旁路电抗支路进行限流，实现稳定负载供电电压、提高供电质量、短路故障下保护电网与负载设备，提高电力系统安全稳定性的目的。

Description

一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统及其控制方法。

背景技术

电力系统运行的基本要求是安全可靠、电能质量高、经济性好，影响电力系统安全稳定运行的因素主要是各种形式的短路故障及各种电能质量问题。短路故障发生时，系统电流突然增大、电压降低，不仅使电气设备不能正常工作，引起停电事故，而且破坏电气绝缘，烧毁电气设备，引发火灾，甚至造成系统解列、破坏系统的安全稳定运行。另一方面，近年来，各种非线性、冲击性和不平衡负载不断接入电网，引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网电压跌落等电能质量问题，这些电能质量问题增加线路损耗，使电能损失严重，由此引发的电力系统安全事故频现。因此，电网短路故障和电压波动、电压不平衡等电能质量问题都将对电力系统的安全稳定和用户产生不利影响。现有的比较成熟的限流技术方案主要是在母线上串联电抗器。

现有限流技术的主要特点：

1、母线串联电抗仅能实现故障限流的功能，不能解决电能质量问题对电网及用户的影响。

2、母线串联电抗会耗费大量有功、无功能量。

3、母线串联电抗利用率低下，仅在故障时起作用。

4、由于长期串接在电网内，串联电抗不能太大，使限流效果不够好。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统及其控制方法，能实现电网短路故障限流和电压波动补偿、不平衡补偿、谐波电压补偿的多功能拓扑结构、控制方法以及针对不同类型的短路故障的逻辑控制方式。

其技术方案如下：

一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统，主要由三相H桥PWM整流器、三相四桥臂串联变流器、晶闸管控制短路支路、晶闸管控制旁路电抗支路组成，其中三相H桥PWM整流器通过并联变压器T4并入电网，三相四桥臂串联变流器与PWM整流器通过共用直流侧实现能量双向交换，串联变流器输出采用LC滤波器，A、B、C三相桥臂输出点通过晶闸管控制短路支路连接到串联变压器二次侧中性点，串联变压器一次侧并联晶闸管控制旁路电抗支路，所述具备故障限流功能的新型电能质量控制系统串入到电网和负载之间。

进一步优选，所述串联变压器二次侧采用星形接法，串联变压器二次侧中性点引出接到三相四桥臂串联变流器的第四桥臂输出点o。

一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统其控制方法包括：对三相H桥PWM整流器的控制、三相四桥臂串联变流器控制、限流控制，其具体控制过程如下：

(1)对三相H桥PWM整流器采用工程无差拍控制，其具体控制步骤如下：

1、直流侧需要稳定到的电压值

与实际检测到的直流侧电压值U_dc做差后进行PI调节；

2、PI调节后的量乘以与并联变压器二次侧三相电压同频同相的正弦量sin，作为所需三相稳压电流的指令值

(即 $i_{\mathrm{wa}}^{*},i_{\mathrm{wb}}^{*},i_{\mathrm{wc}}^{*}$ )；

3、三相稳压电流的指令值与实际检测到的稳压电流i_w(a，b，c)(即i_wa，i_wb，i_wc)做差，得到的差值乘以其中L_z为PWM整流器输出电感的值，dt为离散下控制频率的周期；

4、由3中得到的数据加上并联变压器二次侧检测到的各相电压U_w(a，b，c)(即U_wa，U_wb，U_wc)，再乘以

就得到了ABC三相的占空比d_{on(a，b，c)}(即d_ona，d_onb，d_onc)，三相占空比信号调制后经驱动控制三相H桥PWM整流器。

(2)三相四桥臂串联变流器的电压补偿采用单周控制，第四桥臂的回馈采用电流闭环PI控制，其具体控制步骤如下：

由于A，B，C三相桥臂的控制过程相同，以A相桥臂控制过程为例进行说明。

1、检测电路检测电源电压u_sa提取其中的基波电压同时，生成与电源电压同频率、同相位想要稳定到的标准正弦电压u_refa，利用瞬时功率ipiq算法检测负载电压U_L中的谐波分量U_Lh。

2、

与标准正弦信号u_refa相减得到的差值再加上负载电压中的谐波分量U_Lh之后乘以1/K(串联变压器的变比为K∶1)，该信号一路乘以-1，一路不变作为单周控制器的两路控制参考信号。

3、采样直流侧电容电压u_dc，通过可复位积分器对直流侧电压进行积分。

4、将2所得到的乘以-1后的控制参考信号送入电压比较器A1，另一路参考信号送入电压比较器A2，3中得到的积分信号送入A1，A2的另一输入端，A1的输出信号送入R-S触发器Aa1的R端，A2的输出信号送入R-S触发器Aa2的R端，两个触发器S端共用一个时钟脉冲源。当一个时钟脉冲到来时，R-S触发器的S触发，由Q端输出高电平信号，同时

端输出为低电平，积分器开始对电容电压进行积分。随着积分值的不断升高，当积分值上升到2所得到的控制参考信号值时，比较器输出结果发生变化，触发器R端使能，Q端输出低电平，同时

段输出高电平，复位积分器，使积分器清零，直到下一个时钟脉冲到来，再开始新的周期，重新积分。

5、将u_sa的信号与0比较，当u_sa大于0时输出高电平，小于0时输出低电平，步骤4中触发器Aa1，Aa2的两个Q输出送入选择开关，当u_sa大于0的高电平形成时选择Aa2的输出信号，小于零输出的低电平形成时选择Aa1的输出信号。

6、将步骤5中得到的PWM控制信号经过驱动后控制A相桥臂的开关管导通与关断。

第四桥臂其控制过程采用电流闭环PI控制。具体过程如下：

1、检测串联变压器耦合到二次侧的电流i_ca、i_cb、i_cc，计算i_ca、i_cb、i_cc的和，其乘以-1后得到i_refo作为第四桥臂的指令参考信号。

2、检测第四桥臂的输出电流i_co，i_refo与i_co做差后进行PI调节器，PI输出经限幅后进行三角波调制，得到的PWM控制信号经过驱动后控制第四桥臂的开关管。

(3)电网发生不同类型短路故障后的限流控制步骤如下：

1、当10kV中性点不接地系统的电网发生单相对地短路时短路电流很小，电网可以带一个接地点继续运行，本控制系统不动作；

2、当发生相间短路、相间对地短路故障时，故障相电流剧增，本控制系统检测到故障后，先封锁串联变流器的故障相工作桥臂，延时delay1后开通故障相晶闸管控制短路支路，晶闸管控制短路支路控制串联变流器的输出电感短路到变压器二次侧进行限流，自短路故障发生后延时delay2后控制该相闸管控制旁路电抗支路开通投入旁路电抗进行限流，最终形成串联变流器输出电抗和旁路电抗支路联合投入限流的效果，同时非故障相和第四桥臂联合运行仍工作在电能质量补偿状态；

3、当发生三相短路、三相对地短路时，ABC三相故障相桥臂封锁后再封锁串联变流器的第四桥臂，检测到短路故障之后延时delay1后三相晶闸管控制短路支路导通，将串联变流器的输出电感短路到串联变压器二次侧进行限流，故障后延时delay2时间后三相晶闸管控制旁路电抗支路导通，最终形成串联变流器输出电抗和旁路电抗支路联合投入限流的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的具备故障限流的新型电能质量控制系统及其控制方法，可补偿电压抬升、跌落、三相电压不平衡，电压型谐波，提高电力系统供电可靠性、稳定性，提高用户侧的供电电能质量；限制短路电流，提高电力系统和供电设备的安全性，保护用户设备的安全，缩短短路故障发生到继电保护动作之间电网承受短路电流的时间，提高电网安全性；三相四桥臂输出电感与晶闸管控制旁路电抗支路联合限流可以起到降低串联变压器和输出电感设计容量的目的，且可根据电力系统要求灵活设置晶闸管控制旁路电抗大小实现不同等级的电流限流，提高了应用场合；先进行串联变流器输出电感短路到串联变压器二次侧进行限流，再投入晶闸管控制旁路电抗限流，由于输出电感一直通有与一次侧成K(K为串联变压器变比)倍的电流，其短路操作不会产生过电压，避免了对系统的冲击。

附图说明

图1是具备故障限流功能的新型电能质量控制系统拓扑结构；

图2是三相H桥PWM整流器控制过程；

图3是三相四桥臂串联变流器控制过程；

图4是第四桥臂的控制方式；

图5是不同故障类型下控制系统的动作方式；

图6是控制系统的信号处理过程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

图1为本发明提出的具备故障限流功能的新型电能质量控制系统拓扑结构。主要由三相H桥PWM整流器、三相四桥臂串联变流器、晶闸管控制短路支路、晶闸管控制旁路电抗支路等组成，其中三相H桥PWM整流器通过并联变压器T4并入电网，三相四桥臂串联变流器与PWM整流器通过共用直流侧电容实现双向能量交换，三相四桥臂串联变流器的串联变压器二次侧接成星形接法，中性点引出接到第四桥臂输出点o，A，B，C三相桥臂输出点通过晶闸管控制短路支路连接到串联变压器二次侧中性点，为了滤除由IGBT开通与关断过程中产生的开关谐波，串联变流器采用LC输出滤波器，串联变压器一次侧并联晶闸管控制旁路电抗支路。整个具备故障限流功能的新型电能质量控制系统串联接入到电网和负载之间。

三相H桥PWM整流器与三相四桥臂串联变流器共用直流侧实现能量的双向流动，当电网电压抬升时，能量从串联变流器流向PWM整流器，当电网电压跌落时，能量从PWM整流器流向串联变流器。

三相四桥臂串联变流器通过检测三相相电压的抬升、跌落、三相不平衡以及谐波电压情况，控制各相桥臂对电压抬升、跌落、不平衡以及谐波电压进行补偿，当三相不平衡时，不平衡电流通过第四桥臂的控制流回直流侧。

晶闸管控制短路支路设置在三相四桥臂串联变流器输出LC滤波器靠近开关管的一侧，在短路故障发生后短路电流上升到限值时，给晶闸管开通信号，将输出电抗短路到串联变压器二次侧，电感的等效阻抗折算到一次侧后进行限流。

晶闸管控制旁路电抗支路并联于三相四桥臂串联变流器的串联变压器一次侧，短路时线路电流高达十几千安，使输出电感和串联变压器的设计较为艰难。在短路后，先进行晶闸管控制短路支路进行动作，将输出电感短路到串联变压器二次侧进行限流，之后使晶闸管控制旁路支路动作导通，旁路电感投入进行限流，最后形成输出电感与旁路电感联合限流的效果，达到降低输出电感和串联变压器设计容量的目的。

PWM变流器的连接方式：电感连接到IGBT的交流端，直流侧电容连接到IGBT的直流端。

三相四桥臂串联变流器的连接方式：IGBT的直流端连接到三相H桥PWM整流器的直流侧电容两端，IGBT的交流端连接LC输出滤波器，LC输出滤波器连接串联变压器，串联变压器串接到电源和负载之间。

图2为PWM整流器的控制过程。PWM整流器的控制采用工程无差拍控制，设定直流侧需要稳定到的电压值为

实际检测到的直流侧电压值为U_dc，两者做差后进行PI调节，得到的直流量乘以与并联变压器二次侧三相电压同频同相的正弦量sin，作为所需三相稳压电流的指令值

(即

)，三相稳压电流的指令值与实际检测到的稳压电流i_w(a，b，c)(即i_wa，i_wb，i_wc)做差，乘以其中L_z为PWM整流器输出电感的值，dt为离散下控制频率的周期，之后再加上并联变压器二次侧检测到的各相电压U_w(a，b，c)(即U_wa，U_wb，U_wc)，再乘以

就得到了ABC三相的占空比d_{on(a，b，c)}(即d_ona，d_onb，d_onc)，三相占空比信号调制后驱动控制PWM整流器。

图3为三相四桥臂串联变流器ABC三相桥臂控制过程。

由于单周控制的电压补偿能够引入直流侧电压的波动，同时其具有响应速度快，误差不会累计到下一个周期，控制精度高的优点，所以在三相四桥臂串联变流器的电压补偿采用单周控制，第四桥臂的回馈采用电流闭环PI控制。具体控制过程为：

由于A，B，C三相桥臂的控制是相同的，以A相桥臂控制为例说明。

1、检测电路检测电源电压u_sa提取其中的基波电压

同时，生成与电源电压同频率、同相位想要稳定到的标准正弦电压u_refa，利用瞬时功率ipiq算法检测负载电压U_L中的谐波分量U_Lh。

2、

与标准正弦信号u_refa相减得到的差值再加上负载电压中的谐波分量U_Lh之后乘以1/K(串联变压器的变比为K∶1)，该信号一路乘以-1，一路不变作为单周控制器的两路控制参考信号。

3、采样直流侧电容电压U_dc，通过可复位积分器对直流侧电压进行积分。

4、将2所得到的乘以-1后的控制参考信号送入电压比较器A1，另一路参考信号送入电压比较器A2，3得到的积分信号送入A1，A2的另一输入端，A1的输出信号送入R-S触发器Aa1的R端，A2的输出信号送入R-S触发器Aa2的R端，两个触发器S端共用一个时钟脉冲源。当一个时钟脉冲到来时，R-S触发器的S触发，由Q端输出高电平信号，同时

端输出为低电平，积分器开始对电容电压进行积分。随着积分值的不断升高，当积分值上升到2所得到的控制参考信号值时，比较器输出结果发生变化，触发器R端使能，Q端输出低电平，同时

段输出高电平，复位积分器，使积分器清零，直到下一个时钟脉冲到来，再开始新的周期，重新积分。

5、将u_sa的信号与0比较，当u_sa大于0时输出高电平，小于0时输出低电平，步骤4中触发器Aa1，Aa2的两个Q输出送入选择开关，当u_sa大于0的高电平形成时选择Aa2的输出信号，小于零输出的低电平形成时选择Aa1的输出信号。

6、将步骤5中得到的PWM控制信号经过驱动后控制A相桥臂的开关管导通与关断。

图4为电压补偿过程和非故障相持续运行时第四桥臂的控制过程。

第四桥臂的作用主要是将ABC三相的不平衡电流回馈给电容，使不平衡补偿和非故障相运行时，其控制过程采用电流闭环PI控制。具体过程如下：

1、检测串联变压器耦合到二次侧的电流i_ca、i_cb、i_cc，计算i_ca、i_cb、i_cc的和，其乘以-1后得到i_refo作为第四桥臂的指令参考信号。

2、检测第四桥臂的输出电流i_co，i_refo与i_co做差后进行PI调节器，PI输出经限幅后进行三角波调制，得到的PWM控制信号经过驱动后控制第四桥臂的开关管。

图5为不同故障类型下具备故障限流功能的新型电能质量控制系统动作方式。当中性点不接地电网系统发生单相对地短路故障时控制系统不动作；当发生相间短路、相间对地短路时，控制系统封锁故障相桥臂，故障后延时delay1时间后晶闸管控制短路支路导通，故障相串联变流器输出电感被短路到串联变压器的二次侧进行限流，故障后经过delay2延时后晶闸管控制旁路电抗投入进行限流，形成输出电感与旁路电抗联合限流的效果，同时非故障相与第四桥臂联合运行进行非故障相的电能质量补偿控制。当电网发生三相短路或三相对地短路时，封锁三相桥臂和第四桥臂，故障后延时delay1后控制三相晶闸管短路支路导通，串联变流器输出电感串入线路限流，故障后延时delay2时间后三相晶闸管控制旁路电抗投入进行联合限流，以达到降低串联变流器输出电感和串联变压器的设计容量目的，也可以灵活更换旁路电抗来实现达到不同限流效果的目的，同时避免了过电压的问题。

图6为控制系统的信号处理过程。PWMa，PWMb，PWMc分别表示串联变流器ABC三相桥臂上下两管IGBT的控制信号，Faulta，Faultb，Faultc表示ABC三相线路的短路状况，高电平表示该相线路发生短路故障(已有很多检测方法，本发明不再叙述)。当某一相或几相发生短路故障时，该相故障信号Faultx为高电平，经低电平转换后与该相桥臂控制的PWM信号相乘得到低电平，使上下两管IGBT都封锁：同时该相故障信号Faultx信号经过delay1延时后的信号来控制串联变流器输出电感短路到串联变压器副边进行限流。且该相故障信号Faultx经过delay2时间的延时后经过驱动使晶闸管控制旁路电抗支路导通进行旁路限流，最终形成输出电感与旁路电抗联合限流效果。如果三相都发生了短路故障，除了封锁三相故障桥臂外，三相故障信号Faulta，Faultab，Faultc经过相与后得到的高电平经过反向后与第四桥臂的控制信号PWM4相乘，将第四桥臂的控制信号封锁，该桥臂上下IGBT都封锁，之后延时delay1进行三相晶闸管短路支路动作，延时delay2进行旁路电抗动作，最终形成输出电感与旁路电抗联合限流。

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统，其特征在于，主要由三相H桥PWM整流器、三相四桥臂串联变流器、晶闸管控制短路支路、晶闸管控制旁路电抗支路组成，其中三相H桥PWM整流器通过并联变压器T4并入电网，三相四桥臂串联变流器与PWM整流器通过共用直流侧实现能量双向交换，串联变流器输出采用LC滤波器，A、B、C三相桥臂输出点通过晶闸管控制短路支路连接到串联变压器二次侧中性点，串联变压器一次侧并联晶闸管控制旁路电抗支路，所述具备故障限流功能的新型电能质量控制系统串入到电网和负载之间。

2.根据权利要求1所述的具备故障限流功能的新型电能质量控制系统，其特征在于，所述串联变压器二次侧采用星形接法，串联变压器二次侧中性点引出接到三相四桥臂串联变流器的第四桥臂输出点o。

3.一种具备故障限流功能的新型电能质量控制系统的控制方法，其特征在于，包括对三相H桥PWM整流器的控制、三相四桥臂串联变流器控制、限流控制，其具体控制过程如下：

(1)对三相H桥PWM整流器采用工程无差拍控制，其具体控制步骤如下：

1.1)直流侧需要稳定到的电压值

与实际检测到的直流侧电压值U_dc做差后进行PI调节；

1.2)PI调节后的量乘以与并联变压器二次侧三相电压同频同相的正弦量sin，作为所需三相稳压电流的指令值

(即 $i_{\mathrm{wa}}^{*},i_{\mathrm{wb}}^{*},i_{\mathrm{wc}}^{*}$ )；

1.3)三相稳压电流的指令值与实际检测到的稳压电流i_{w(a，b，，c)}(即i_wa，i_wb，i_wc)做差，得到的差值乘以

其中L_z为PWM整流器输出电感的值，dt为离散下控制频率的周期；

1.4)由1.3)中得到的数据加上并联变压器二次侧检测到的各相电压U_w(a，b，c)(即U_wa，U_wb，U_wc)，再乘以

就得到了ABC三相的占空比d_{on(a，b，c)}(即d_ona，d_onb，d_onc)，三相占空比信号调制后经驱动控制三相H桥PWM整流器；

(2)三相四桥臂串联变流器的电压补偿采用单周控制，第四桥臂的回馈采用电流闭环PI控制，其具体控制步骤如下：

A相桥臂控制过程为：

2.1)、检测电路检测电源电压u_sa提取其中的基波电压同时，生成与电源电压同频率、同相位想要稳定到的标准正弦电压u_refa，利用瞬时功率ipiq算法检测负载电压U_L中的谐波分量U_Lh。

2.2)、

与标准正弦信号u_refa相减得到的差值再加上负载电压中的谐波分量U_Lh之后乘以1/K(串联变压器的变比为K∶1)，该信号一路乘以-1，一路不变作为单周控制器的两路控制参考信号。

2.3)、采样直流侧电容电压u_dc，通过可复位积分器对直流侧电压进行积分。

2.4)、将2.2)所得到的乘以-1后的控制参考信号送入电压比较器A1，另一路参考信号送入电压比较器A2，2.3)中得到的积分信号送入A1，A2的另一输入端，A1的输出信号送入R-S触发器Aa1的R端，A2的输出信号送入R-S触发器Aa2的R端，两个触发器S端共用一个时钟脉冲源，当一个时钟脉冲到来时，R-S触发器的S触发，由Q端输出高电平信号，同时

端输出为低电平，积分器开始对电容电压进行积分，随着积分值的不断升高，当积分值上升到2.2)所得到的控制参考信号值时，比较器输出结果发生变化，触发器R端使能，Q端输出低电平，同时

段输出高电平，复位积分器，使积分器清零，直到下一个时钟脉冲到来，再开始新的周期，重新积分：

2.5)、将u_sa的信号与0比较，当u_sa大于0时输出高电平，小于0时输出低电平，步骤2.4)中触发器Aa1，Aa2的两个Q输出送入选择开关，当u_sa大于0的高电平形成时选择Aa2的输出信号，小于零的低电平形成时选择Aa1的输出信号；

2.6)、将步骤2.5)中得到的PWM控制信号经过驱动后控制A相桥臂的开关管导通与关断，B，C两相桥臂的控制过程与A相桥臂控制过程相同；

第四桥臂其控制过程采用电流闭环PI控制，具体过程如下：

2.7)、检测串联变压器耦合到二次侧的电流i_ca、i_cb、i_cc，计算i_ca、i_cb、i_cc的和，其乘以-1后得到i_refo作为第四桥臂的指令参考信号，

2.8)、检测第四桥臂的输出电流i_co，i_refo与i_co做差后进行PI调节器，PI输出经限幅后进行三角波调制，得到的PWM控制信号经过驱动后控制第四桥臂的开关管；

(3)电网发生不同类型短路故障后的限流控制步骤如下：

3.1)、当10kV中性点不接地系统的电网发生单相对地短路时短路电流很小，电网可以带一个接地点继续运行，本控制系统不动作；

3.2)、当发生相间短路、相间对地短路故障时，故障相电流剧增，本控制系统检测到故障后，先封锁串联变流器的故障相工作桥臂，延时delay1后开通故障相晶闸管控制短路支路，晶闸管控制短路支路控制串联变流器的输出电感短路到串联变压器二次侧进行限流，自短路故障发生后延时delay2后控制该相闸管控制旁路电抗支路开通投入旁路电抗进行限流，最终形成串联变流器输出电抗和旁路电抗支路联合投入限流的效果，同时非故障相和第四桥臂联合运行仍工作在电能质量补偿状态；

3.3)、当发生三相短路、三相对地短路时，ABC三相故障相桥臂封锁后再封锁串联变流器的第四桥臂，检测到短路故障之后延时delay1后三相晶闸管控制短路支路导通，将串联变流器的输出电感短路到串联变压器二次侧进行限流，故障后延时delay2时间后三相晶闸管控制旁路电抗支路导通，最终形成串联变流器输出电抗和旁路电抗支路联合投入限流的效果。

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