一種低壓svg的無衝擊軟啟動方法

2023-08-04 00:25:56 1

一種低壓svg的無衝擊軟啟動方法
【專利摘要】本發明公開了一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，屬於軟啟動【技術領域】。本發明的軟啟動過程為：一、閉合斷路器，判斷電網電壓值和頻率值是否正常；二、待電網電壓值和頻率值正常時，閉合主接觸器進行預充電；三、預充電結束後，DSP及控制電路對採集的電網電壓信號進行dq坐標變換和鎖相，獲得電壓頻率和相位信息；四、DSP及控制電路利用鎖相得到的電壓頻率和相位信息，通過運算產生與電網電壓同步的正弦PWM波輸出至IGBT三相逆變橋；五、採用開環控制方式逐步降低正弦PWM波的調製比，直至直流側電容器上電壓達到額定電壓值，將軟啟動電阻切除，低壓SVG的無衝擊軟啟動過程結束。本發明的軟啟動過程無任何過充，無任何湧流，啟動過程穩定可靠。
【專利說明】—種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於軟啟動【技術領域】，更具體地說，涉及一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法。
【背景技術】
[0002]當前，由於工業生產中大量的非線性、衝擊性和波動性負荷的存在給電網帶來了日益嚴重的電能質量問題，甚至威脅電力系統和用戶設備的正常運行。因此，電力系統提出了「用戶端電能質量就地補償」的方針，意即是說:如果負荷對電網產生了諸如無功、諧波等汙染，則用戶必需在負荷側配置相應的電能質量檢測與治理裝置來消除這些汙染的影響。無功補償技術一直以來都是電氣工程領域內的研究熱點，與SVC (Static VarCompensator)動態無功補償器相比，SVG (Static Var Generator)靜止無功發生器具有補償時間快、可連續補償、不易產生諧振、可以補償一定次的諧波等優點。因此，低壓SVG是目前解決上述用戶端電能質量問題的一種較佳途徑。
[0003]低壓SVG基本上都是採用全控型器件(如IGBT)和PWM控制。在低壓SVG的啟動過程中，由於逆變側和網側之間連接電抗器的電感值較小，直流側有較大電容，如果不加控制直接啟動SVG則會產生很大的啟動衝擊電流，該啟動衝擊電流所引起的電氣和機械衝擊將會導致啟動失敗，甚至會威脅到設備安全。軟啟動是抑制啟動過程中的電流衝擊和直流側電壓過充等不利因素，保證SVG能夠安全平穩的啟動並順利投入工作的關鍵技術。在低壓SVG的設計過程中，軟啟動技術一直是重點和難點。
[0004]為了降低啟動衝擊電流，眾多專家學者都進行了深入研究並提出了相應方法。但是這些方法都是基於一個前提:在預充電階段結束後切除軟啟動電阻並採用閉環控制的PWM整流方式完成直流側電壓的軟啟動。具體方法是:先將軟啟動電阻串聯接入系統中，用來限制系統在預充電階段(不控整流階段)時的充電電流，等到預充電階段結束後，再用接觸器將軟啟動電阻切除，讓SVG直接與電網相連；此時，採用閉環控制，經過PI調節後發出PWM波使裝置工作於PWM整流狀態從而使直流側電壓逐漸升高至給定值，進而完成SVG的軟啟動過程。但是，上述過程在剛開始發出PWM波的時候，由於死區等因素的影響，SVG的逆變側輸出電壓值要小於電網側的值，而軟啟動電阻此時已被切除，如此便會在連接電抗器上產生一個差壓，由於電抗器的感抗很小，電抗器上的差壓在切換瞬間會產生非常大的衝擊電流，對系統產生不利影響，甚至對功率器件的安全造成極大威脅，導致系統軟啟動失敗。此外，採用閉環PI控制的參數整定也比較困難，給軟啟動的調試帶來了難度。
[0005]經檢索，目前已有與軟啟動相關的技術方案公開，如中國專利號為ZL201110004360.5，授權公告日為2013年3月13日，發明創造名稱為:一種兼顧無功補償的電機軟啟動裝置及其控制方法；該申請案的電機軟啟動裝置包括功率變換器、切換開關和主控制器，切換開關包括電網側開關、電機側開關和併網開關；功率變換器包括三相移相變壓器、若干個整流模塊和逆變模塊、交流電抗器，三相移相變壓器的原邊繞組通過電網側切換開關與電網相連，副邊繞組與同級的整流模塊相連，整流模塊與逆變模塊相連，同相的逆變模塊依次串聯後與交流電抗器相連，交流電抗器通過電機與電網相連；主控制器分別與安裝在三相移相變壓器原邊和交流電抗器的電壓互感器和電流互感器相連，經過光纖與逆變模塊相連；該申請案還根據此軟啟動裝置公開了相應的軟啟動控制方法。該申請案可實現電機的軟啟動，且可根據電機的工況動態補償無功功率。但該申請案的軟啟動裝置及方法均較複雜，且軟啟動效果也不盡理想。
[0006]1.發明要解決的技術問題
[0007]本發明的目的在於克服傳統低壓SVG軟啟動過程易產生啟動衝擊電流，導致功率器件損壞或啟動失敗的問題，提供了一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法。本發明的技術方案採用開環控制的D軸定向帶電阻軟啟動方法，在整個低壓SVG軟啟動過程中完全不會產生衝擊電流，直流側電壓平緩上升，啟動過程安全可靠，且實現簡單。
[0008]2.技術方案
[0009]為達到上述目的，本發明提供的技術方案為:
[0010]本發明提出的一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，其步驟為:
[0011 ] 步驟一、閉合斷路器，DSP及控制電路判斷電網的電壓值和頻率值是否正常；
[0012]步驟二、待步驟一所述的電網電壓值和頻率值正常時，閉合主接觸器，將低壓SVG與電網連接，進入預充電階段；
[0013]步驟三、步驟二所述預充電階段結束後，DSP及控制電路對採集的電網三相電壓信號進行dq坐標變換和鎖相，獲得電網的電壓頻率和相位信息；
[0014]步驟四、DSP及控制電路利用步驟三獲得的電網電壓頻率和相位信息，通過運算產生與電網電壓同步的正弦PWM波輸出至IGBT三相逆變橋；
[0015]步驟五、採用開環控制方式逐步降低步驟四所述正弦PWM波的調製比，直至直流側電壓達到額定電壓值，停止輸出正弦PWM波並閉合軟啟動接觸器，切除軟啟動電阻，低壓SVG的無衝擊軟啟動過程結束，進入後續運行階段。
[0016]更進一步地，步驟二所述的預充電過程，電網通過IGBT三相逆變橋中的反並聯二極體構成三相不控整流電路對直流側電容器充電，DSP及控制電路實時檢測直流側電容器的電壓和充電電流值，待直流側電容器電壓值穩定且充電電流為零時，預充電階段結束。
[0017]更進一步地，步驟三所述的dq坐標變換和鎖相過程具體為:
[0018](a)DSP及控制電路對採集的電網三相電壓信號進行abc/ α β /dq旋轉坐標變換，獲得電網三相電壓信號在DQ坐標系中的q軸無功分量；
[0019](b)將步驟(a)獲得的q軸無功分量與給定值O進行比較，獲得的差值經PI控制後輸出；
[0020](c)將步驟(b)輸出的信號再與基準頻率Wn比較，比較獲得的差值經DSP及控制電路計算後即獲得電網的電壓頻率和相位值Θ。
[0021]更進一步地，步驟四中DSP及控制電路預先存儲有由標準正弦波製成的離散表格，DSP及控制電路實時讀取所述正弦波離散表格中與步驟三獲得的電網電壓相位值Θ相同的表格值，進而產生與電網電壓同步的正弦PWM波。
[0022]更進一步地，步驟四輸出的正弦PWM波的初始調製比接近於I。
[0023]3.有益效果
[0024]與已有的公知技術相比，本發明提供的技術方法具有如下顯著效果:[0025](I)本發明提出的一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，創新的採用開環控制、D軸定向PWM整流技術，捨去了 PI控制的參數整定，在整個軟啟動過程中始終帶軟啟動電阻運行，直流側電壓平緩上升，完全不會產生衝擊電流，極大程度的避免了功率器件損壞、軟啟動失敗等問題；
[0026](2)本發明提出的一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，其軟啟動過程安全可靠，控制方便，實現簡單，便於推廣應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發明實現低壓SVG無衝擊軟啟動過程的系統結構示意圖；
[0028]圖2是本發明中IGBT三相逆變橋的電路原理圖；
[0029]圖3是本發明中對電網電壓進行鎖相的原理框圖；
[0030]圖4是本發明中對三相電網電壓進行abc/ α β /dq坐標變換的示意圖；
[0031]圖5是本發明中產生同步正弦調製波的原理示意圖；
[0032]圖6是本發明中帶軟啟動電阻進行PWM整流的交流側電壓原理圖。
[0033]圖7是本發明中帶軟啟動電阻進行PWM整流的交流側電壓矢量關係圖；
[0034]圖8是本發明中直流側電壓軟啟動過程實驗波形圖。
[0035]示意圖中的標號說明:
[0036]1、直流側電容器；2、IGBT三相逆變橋；3、電抗器；4、軟啟動電阻；5、熔斷器；6、電網；7、DSP及控制電路；8、軟啟動接觸器；9、主接觸器；10、斷路器。
【具體實施方式】
[0037]為了進一步闡明本發明的內容及效果，下面結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。
[0038]實施例1
[0039]結合附圖，本實施例的一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，其實現低壓SVG無衝擊軟啟動的系統結構如圖1所示，該低壓SVG無衝擊軟啟動系統包括直流側電容器1、IGBT三相逆變橋2、電抗器3、軟啟動電阻4、熔斷器5、DSP及控制電路7、軟啟動接觸器8、主接觸器9和斷路器10 ;所述的直流側電容器1、IGBT三相逆變橋2、電抗器3、軟啟動電阻4、熔斷器5、主接觸器9、斷路器10和電網6依次連接；所述的軟啟動電阻4兩端並聯有軟啟動接觸器8，該軟啟動接觸器8用於在軟啟動過程結束之後將軟啟動電阻4旁路；所述的直流側電容器I的兩端設置有電壓傳感器，直流側迴路中串聯有電流傳感器，所述的IGBT三相逆變橋2與電抗器3之間的連接線路上串聯有電流傳感器，所述的電網6與主接觸器9之間的連接線路上也設置有電壓傳感器和電流傳感器，所述的電壓傳感器和電流傳感器的輸出端均與DSP及控制電路7的輸入端相連；所述的DSP及控制電路7的輸出端與IGBT三相逆變橋2的輸入端相連，DSP及控制電路7輸出正弦PWM波至IGBT三相逆變橋2，該DSP及控制電路7同時控制軟啟動接觸器8和主接觸器9的開斷。
[0040]本實施例的低壓SVG無衝擊軟啟動方法，是發明人在對低壓SVG的研究和開發過程中發明的一種新方法。發明人指出，將SVG投入電網運行補償無功之前，完成軟啟動過程使直流母線側電壓達到額定工作值是非常重要也是必須要經歷的過程。然而，由於傳統的軟啟動方法通常只是用軟啟動電阻來限制系統在預充電階段的啟動電流，在預充電階段結束之後就會將軟啟動電阻旁路。如此，在初始發出PWM波時，感抗很小的電抗器3上會產生一個較大的差壓，進而產生非常大的衝擊電流，該衝擊電流不僅可能導致系統軟啟動的失敗，嚴重時還會導致功率器件的損壞，給生產帶來損失。發明人結合理論知識和實踐經驗創新的採用開環控制、D軸定向、帶電阻運行的PWM整流技術，在整個軟啟動過程中始終帶軟啟動電阻運行，由於軟啟動電阻的存在(其阻值遠大於電抗器3的等效感抗值)，且通過對發出的PWM波進行調控，使其從調製比接近於I的狀態逐漸減小，整個軟啟動過程中直流側電壓平緩上升，完全不會產生衝擊電流，極大程度的避免了功率器件損壞、軟啟動失敗等問題。
[0041]下面將對本實施例的軟啟動過程及操作原理進行具體描述，本實施例的無衝擊軟啟動過程分為三個階段，即電網異常判斷階段、預充電階段、帶電阻運行的D軸定向PWM整流階段。具體步驟為:
[0042]步驟一、手動閉合斷路器10，DSP及控制電路7通過電壓傳感器檢測出電網6的電壓值和頻率值，並判斷電網6的電壓值和頻率值是否正常。
[0043]步驟二、待步驟一所述的電網6電壓值和頻率值正常時，DSP及控制電路7控制主接觸器9閉合，將低壓SVG與電網6連接，電網6通過功率器件IGBT三相逆變橋2上的反並聯二極體構成三相不控整流電路對直流側電容器I預充電。圖2為IGBT三相逆變橋2的拓撲結構，六個反並聯二極體即構成了三相不控整流電路。電網電壓通過軟啟動電阻4、電抗器3和IGBT三相逆變橋2後成為脈動直流電對直流側電容器I充電。同時，DSP及控制電路7分別採用電壓傳感器和電流傳感器對直流側電容器I的電壓和電流值進行採樣，當低壓SVG的直流側電容器I電壓值達到穩定(約537V)且電流近似為零時，預充電階段結束。
[0044]步驟三、步驟二所述預充電階段結束後，DSP及控制電路7對採集的電網6三相電壓信號進行dq坐標變換和鎖相，獲得電網6的電壓頻率和相位信息。具體為:
[0045](a) DSP及控制電路7採用霍爾電壓傳感器檢測出電網6三相電壓瞬時值Usa、Usb和Us。，並對採集的電網6三相電壓信號進行abc/ α β /dq旋轉坐標變換，獲得電網6三相電壓信號在DQ坐標系中的q軸無功分量。圖4為abc/α β/dq坐標變換示意圖,變換過程如下:首先通過Clarke變換將三相電網電壓和電流瞬時值由三相abc靜止坐標系變換至兩相正交的ct β靜止坐標系,再採用park變換進一步變換至同步旋轉的DQ坐標系。Clarke變換矩陣(係數)如下式(I)所示。
【權利要求】
1.一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，其步驟為: 步驟一、閉合斷路器(10 )，DSP及控制電路(7 )判斷電網(6 )的電壓值和頻率值是否正常； 步驟二、待步驟一所述的電網(6)電壓值和頻率值正常時，閉合主接觸器(9)，將低壓SVG與電網(6)連接，進入預充電階段； 步驟三、步驟二所述預充電階段結束後，DSP及控制電路(7 )對採集的電網(6 )三相電壓信號進行dq坐標變換和鎖相，獲得電網(6)的電壓頻率和相位信息； 步驟四、DSP及控制電路(7 )利用步驟三獲得的電網(6 )電壓頻率和相位信息，並通過運算產生與電網(6)電壓同步的正弦PWM波輸出至IGBT三相逆變橋(2)； 步驟五、採用開環控制方式逐步降低步驟四所述正弦PWM波的調製比，直至直流側電壓達到額定電壓值，停止輸出正弦PWM波並閉合軟啟動接觸器(8 )，切除軟啟動電阻(4)，低壓SVG的無衝擊軟啟動過程結束，進入後續運行階段。
2.根據權利要求1所述的一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，其特徵在於:步驟二所述的預充電過程，電網(6)通過IGBT三相逆變橋(2)中的反並聯二極體構成三相不控整流電路對直流側電容器(I)充電，DSP及控制電路(7 )實時檢測直流側電容器(I)的電壓和電流值，待直流側電容器(I)上電壓值穩定時，預充電階段結束。
3.根據權利要求2所述的一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，其特徵在於:步驟三所述的dq坐標變換和鎖相過程具體為: (a)DSP及控制電路(7)對採集的電網(6)三相電壓信號進行abc/α β /dq旋轉坐標變換，獲得電網(6)三相電壓信號在DQ坐標系中的q軸無功分量； (b)將步驟(a)獲得的q軸無功分量與給定值O進行比較，獲得的差值經PI控制後輸出； (c)將步驟(b)輸出的信號再與基準頻率Wn比較，比較獲得的差值經DSP及控制電路(7)計算後即獲得電網(6)的電壓頻率和相位值Θ。
4.根據權利要求2或3所述的一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，其特徵在於:步驟四中DSP及控制電路(7)預先存儲由標準正弦波製成的離散表格，DSP及控制電路(7)實時讀取所述正弦波離散表格中與步驟三獲得的電網(6)電壓相位值Θ相同的表格值，進而產生與電網(6)電壓同步的正弦PWM波。
5.根據權利要求4所述的一種低壓SVG的無衝擊軟啟動方法，其特徵在於:步驟四輸出的正弦PWM波的初始調製比接近於I。
【文檔編號】H02J3/18GK103855717SQ201410120998
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月27日 優先權日:2014年3月27日
【發明者】鄭詩程, 方四安 申請人:安徽工業大學