專利名稱：基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及節(jié)能控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著能源價格上漲和國家節(jié)能減排政策的引導(dǎo)，基于電力電子技術(shù)的一體化節(jié)能方案得到廣泛應(yīng)用。其中，高壓變頻器和靜止無功發(fā)生器由于結(jié)構(gòu)成熟、產(chǎn)品豐富、節(jié)能回報高，得到了業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可，成為節(jié)能領(lǐng)域的主要產(chǎn)品。電網(wǎng)中多數(shù)設(shè)備運(yùn)行時需要從電網(wǎng)吸收一部分感性無功，導(dǎo)致電網(wǎng)輸送電流增大、用戶側(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量變差，最為經(jīng)濟(jì)的解決方式為進(jìn)行無功的就近補(bǔ)償。但現(xiàn)有的高壓變頻器或靜止無功發(fā)生器，產(chǎn)品功能單一，價格較高。若在同時需要高壓變頻和無功補(bǔ)償?shù)膱龊希柰瑫r裝配兩種設(shè)備，導(dǎo)致節(jié)能成本高，現(xiàn)場安裝和后續(xù)維護(hù)任務(wù)復(fù)雜?，F(xiàn)有的技術(shù)方案包括以下兩種方式分別采用高壓變頻器控制電機(jī)和靜止無功發(fā)生器補(bǔ)償無功。用兩套設(shè)備分別實現(xiàn)電機(jī)控制和用戶側(cè)電能治理的要求。采用有回饋功能的高壓變頻器，將電機(jī)制動或發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋至電網(wǎng)， 通過對回饋電能的交-直-交變換，調(diào)整輸出電流的相位，實現(xiàn)對無功的部分補(bǔ)償。但由于需要電機(jī)回饋能量，使用場合受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)及方法，既能進(jìn)行高壓電機(jī)控制，又可進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而極大地提高節(jié)能效果，降低系統(tǒng)成本，實現(xiàn)最優(yōu)化的節(jié)能目標(biāo)。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括三相變壓器，包含原邊繞組和多個相互獨(dú)立的副邊繞組；功率單元，所述三相變壓器的每個副邊繞組與一個所述功率單元相連，同相功率單元輸出串聯(lián)后與負(fù)載連接；電壓互感器，用于檢測所述三相變壓器高壓側(cè)A相電壓；隔離變壓器，與所述電壓互感器二次側(cè)輸出相連，所述隔離變壓器二次側(cè)輸出接A 相功率單元，用于對采樣的電壓信號進(jìn)行硬件鎖相，得到A相電壓相位θ ；電流互感器，用于檢測用戶側(cè)電網(wǎng)電流，所述電流互感器二次側(cè)輸出接A相功率單元；主控制器，以雙數(shù)字信號處理器和超大規(guī)模集成電路可編程器件為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制及光纖通信回路構(gòu)成系統(tǒng)控制部分，主控制器通過光纖向功率單元驅(qū)動板發(fā)送PWM信號，控制H橋逆變電路輸出電壓；
功率單元控制器，所述每個功率單元包含一個所述功率單元控制器，所述功率單元控制器，由DSP、可編程邏輯門陣列(FPGA)及數(shù)據(jù)采集電路組成，負(fù)責(zé)電壓、電流的采樣和A相電壓鎖相，并據(jù)此產(chǎn)生三相全控橋的SVPWM信號。具體地，所述功率單元還包括全控三相橋、直流母線電容、單元驅(qū)動板、H橋逆變電路及旁路接觸器，所述三相變壓器的二次側(cè)與所述全控三相橋相連，所述全控三相橋的正負(fù)輸出端與所述直流母線電容的正負(fù)端相連，所述直流母線電容的正負(fù)端與所述H橋逆變電路的輸入端相連，所述單元驅(qū)動板與所訴H橋逆變電路連接，驅(qū)動H橋的IGBT，所述旁路接觸器與所述H橋逆變電路的輸出端相連，所述H橋的IGBT由所述單元驅(qū)動板驅(qū)動。具體地，所述全控三相橋和H橋逆變電路均由IGBT構(gòu)成，所述全控三相橋采用 SVPWM控制方式，所述H橋逆變電路采用PWM控制方式。具體地，所述功率單元控制器、單元驅(qū)動板分別與主控制器通過光纖連接。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制方法，所述方法包括電壓互感器檢測三相變壓器高壓側(cè)A相電壓，通過隔離變壓器方式進(jìn)行電壓采樣，由功率單元控制器對采樣的電壓信號進(jìn)行硬件鎖相，并計算A相電壓相位；電流互感器檢測用戶側(cè)電網(wǎng)電流，獲得電網(wǎng)電流采樣值；功率單元控制器根據(jù)電壓相位和電網(wǎng)電流采樣值，經(jīng)坐標(biāo)變換，解耦得到無功電流和有功電流；功率單元控制器以用戶側(cè)電網(wǎng)無功電流等于0為控制目標(biāo)，通過PI調(diào)節(jié)，產(chǎn)生相應(yīng)的SVPWM控制信號，控制全控三相橋通斷，從而控制功率單元吸收或產(chǎn)生的無功電流大?。灰栽O(shè)定的直流母線電壓穩(wěn)定值為參考量，通過PI調(diào)節(jié)，使直流母線電容電壓平衡，從而控制功率單元輸入的有功電流。此步驟為無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ鬟^程。主控制器根據(jù)用戶設(shè)定的頻率值，按照設(shè)定的V/f曲線，采用載波移相SPWM技術(shù)， 產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，并通過光纖發(fā)送至功率單元的驅(qū)動板，驅(qū)動H橋逆變電路輸出電壓， 實現(xiàn)電機(jī)變頻控制。此步驟為變頻工作過程。具體地，所述方法還包括所述功率單元控制器還需要對無功電流分量進(jìn)行限幅控制。具體地，所述方法還包括當(dāng)某個功率單元發(fā)生故障時，通過旁路接觸器旁路該功率單元及其他兩相同級功率單元，直到故障解除。具體地，所述方法還包括當(dāng)某一級功率單元被旁路后，通過提高調(diào)制比，提高功率單元的輸出電壓，保證正常工作。本發(fā)明達(dá)到的有益效果如下本發(fā)明使用一套系統(tǒng)即可實現(xiàn)高壓電機(jī)控制和用戶側(cè)電網(wǎng)的無功就地補(bǔ)償。系統(tǒng)主控制器通過光纖向功率單元驅(qū)動板發(fā)送PWM信號，控制H橋逆變電路輸出電壓，以調(diào)節(jié)輸出電壓等級和頻率，可以實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速控制；通過功率單元中的功率單元控制器對電壓、電流的采樣和A相電壓鎖相，并據(jù)此產(chǎn)生三相全控橋的SVPWM信號，可調(diào)節(jié)無功電流滿足超前或滯后的補(bǔ)償要求，實現(xiàn)對用戶電能質(zhì)量的治理。無功補(bǔ)償作為本發(fā)明的獨(dú)立功能，由電網(wǎng)提供電容儲能，無功補(bǔ)償不依附于逆變側(cè)的電機(jī)能量回饋，從而有效提高了無功電流的穩(wěn)定性和無功補(bǔ)償?shù)姆秶?br>

圖1是本發(fā)明基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明功率單元主電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制方法流程圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。參見圖1，是本發(fā)明基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2是本發(fā)明功率單元主電路結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，所述系統(tǒng)包括三相變壓器1，包含原邊繞組和多個相互獨(dú)立的副邊繞組；其中，原邊繞組為高壓側(cè)，經(jīng)隔離開關(guān)或斷路器與電網(wǎng)相連；副邊繞組為低壓側(cè)，包括多個相互獨(dú)立的副邊繞組， 每個副邊繞組與一個功率單元2的輸入端直接相連，同相的功率單元2輸出端串聯(lián)后與負(fù)載相連。若干功率單元2，所述三相變壓器1的每個副邊繞組與一個所述功率單元2相連， 同相功率單元2輸出串聯(lián)后與負(fù)載連接；電壓互感器4，用于檢測所述三相變壓器1高壓側(cè)A相電壓；隔離變壓器5，與所述電壓互感器4 二次側(cè)輸出相連，所述隔離變壓器5 二次側(cè)輸出接A相功率單元，用于對采樣的電壓信號進(jìn)行硬件鎖相，得到A相電壓相位θ ；電流互感器6，用于檢測用戶側(cè)電網(wǎng)電流，所述電流互感器6 二次側(cè)輸出接A相功率單元；主控制器3，以雙數(shù)字信號處理器和超大規(guī)模集成電路可編程器件為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制及光纖通信回路構(gòu)成系統(tǒng)控制部分，主控制器通過光纖向功率單元驅(qū)動板發(fā)送PWM信號，控制H橋逆變電路輸出電壓；功率單元控制器8，所述每個功率單元2包含一個所述功率單元控制器8，所述功率單元控制器8，由DSP、可編程邏輯門陣列(FPGA)及數(shù)據(jù)采集電路組成，負(fù)責(zé)電壓、電流的采樣和A相電壓鎖相，并據(jù)此產(chǎn)生三相全控橋的SVPWM信號。具體地，功率單元控制器8完成電壓相位計算和電網(wǎng)電流檢測，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動全控三相橋，完成直流母線電壓平衡及無功補(bǔ)償功能。功率單元控制器8無功提取和相位計算采用瞬時無功提取方式，經(jīng)坐標(biāo)變換解耦，通過控制無功分量調(diào)節(jié)單元吸收或產(chǎn)生的無功電流，控制有功分量保證直流母線電容的電壓平衡。主控制器3和每個功率單元控制器8之間通過一對光纖7相連，主控制器3的控制信號和功率單元控制器8的反饋信號均通過光纖通信。
請參見圖2，功率單元除了包括功率單元控制器8之外，還包括全控三相橋9、直流母線電容10、單元驅(qū)動板11、H橋逆變電路12及旁路接觸器13，三相變壓器1的二次側(cè)與所述全控三相橋9相連，一方面輸入有功電流供給輸出側(cè)電機(jī)拖動，另一方面產(chǎn)生無功電流補(bǔ)償用戶側(cè)電網(wǎng)所需無功；所述全控三相橋9的正負(fù)輸出端與所述直流母線電容10的正負(fù)端相連，全控三相橋9采用IGBT構(gòu)成，配合功率單元控制器8調(diào)節(jié)功率單元2的無功電流和直流側(cè)電壓，無功電流可在容性和感性范圍內(nèi)變化；所述直流母線電容10的正負(fù)端與所述H橋逆變電路12的輸入端相連，直流母線電容10 —方面作為逆變輸出的直流側(cè)，另一方面作為靜止無功發(fā)生器的儲能電容，所述旁路接觸器13與所述H橋逆變電路12的輸出端相連。當(dāng)某相功率單元2發(fā)生故障時，通過旁路接觸器13旁路該單元2及其他兩相同級單元，至故障解除。所述功率單元2的全控三相橋9和H橋逆變電路12均由IGBT構(gòu)成，其中，全控三相橋9采用SVPWM控制方式，H橋逆變電路12采用載波移相SPWM控制方式。結(jié)合圖3，是本發(fā)明基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制方法流程圖，如圖所示，所述方法包括由電壓互感器(PT)檢測三相變壓器高壓側(cè)(電網(wǎng))A相電壓，PT 二次側(cè)輸出接隔離變壓器后進(jìn)入功率單元控制器，對采樣的A相電壓信號進(jìn)行硬件鎖相，得到A相電壓相位 θ。由用戶側(cè)電網(wǎng)電流互感器(CT)檢測電網(wǎng)的三相電流，CT 二次側(cè)輸出到功率單元控制器的電流霍爾，并經(jīng)AD構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集電路測量電流值，得到Ia/Ib/I。。功率單元控制器根據(jù)A電壓相位和電網(wǎng)電流采樣值，經(jīng)坐標(biāo)變換，解耦得到無功電流I,和有功電流Id，引入控制參數(shù)It; = 0，并對Itl進(jìn)行限幅，經(jīng)PI得到Uq參數(shù)。單元驅(qū)動板采用電阻采樣方式測量直流母線電容電壓ud。，經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到有功電流參數(shù)ΙΛ與解耦得到的有功電流Id比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到Ud參數(shù)。根據(jù)獲得的ud、uq參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的 SVPWM控制信號，控制電網(wǎng)電流的無功分量為零，控制直流母線電容的電壓值為設(shè)定值Udc*。主控制器根據(jù)用戶設(shè)定的頻率值，按照設(shè)定的V/f曲線，采用載波移相SPWM技術(shù)， 產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號，并通過光纖發(fā)送至功率單元的驅(qū)動板，驅(qū)動H橋逆變電路，并通過多單元級聯(lián)方式形成多電平疊加，產(chǎn)生諧波很小的正弦波，實現(xiàn)電機(jī)變頻控制。當(dāng)某相功率單元發(fā)生故障時，通過旁路接觸器旁路該單元及其他兩相同級單元， 至故障解除。為了保證系統(tǒng)采取旁路措施以后仍能正常工作，單元體電壓輸出能力和調(diào)制比都要留有足夠的裕量；當(dāng)某一級功率單元被旁路后，通過提高調(diào)制比，提高功率單元的輸出電壓，保證正常工作。本發(fā)明使用一套系統(tǒng)即可實現(xiàn)高壓電機(jī)控制和用戶側(cè)電網(wǎng)的無功就地補(bǔ)償。系統(tǒng)主控制器通過光纖向功率單元驅(qū)動板發(fā)送PWM信號，控制H橋逆變電路輸出電壓，以調(diào)節(jié)輸出電壓等級和頻率，可以實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速控制；通過功率單元中的功率單元控制器對電壓、電流的采樣和A相電壓鎖相，并據(jù)此產(chǎn)生三相全控橋的SVPWM信號，可調(diào)節(jié)無功電流滿足超前或滯后的補(bǔ)償要求，實現(xiàn)對用戶電能質(zhì)量的治理。無功補(bǔ)償作為本發(fā)明的獨(dú)立功能，由電網(wǎng)提供電容儲能，無功補(bǔ)償不依附于逆變側(cè)的電機(jī)能量回饋，從而有效提高了無功電流的穩(wěn)定性和無功補(bǔ)償?shù)姆秶?。以上所揭露的僅為本發(fā)明較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 三相變壓器，包含原邊繞組和多個相互獨(dú)立的副邊繞組；功率單元，所述三相變壓器的每個副邊繞組與一個所述功率單元相連，同相功率單元輸出串聯(lián)后與負(fù)載連接；電壓互感器，用于檢測所述三相變壓器高壓側(cè)A相電壓；隔離變壓器，與所述電壓互感器二次側(cè)輸出相連，所述隔離變壓器二次側(cè)輸出接A相功率單元，用于對采樣的電壓信號進(jìn)行硬件鎖相，得到A相電壓相位θ ；電流互感器，用于檢測用戶側(cè)電網(wǎng)電流，所述電流互感器二次側(cè)輸出接A相功率單元； 主控制器，以雙數(shù)字信號處理器和超大規(guī)模集成電路可編程器件為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制及光纖通信回路構(gòu)成系統(tǒng)控制部分，主控制器通過光纖向功率單元驅(qū)動板發(fā)送PWM信號，控制H橋逆變電路輸出電壓；功率單元控制器，所述每個功率單元包含一個所述功率單元控制器，所述功率單元控制器，由DSP、可編程邏輯門陣列(FPGA)及數(shù)據(jù)采集電路組成，負(fù)責(zé)電壓、電流的采樣和A相電壓鎖相，并據(jù)此產(chǎn)生三相全控橋的SVPWM信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率單元還包括全控三相橋、直流母線電容、單元驅(qū)動板、H橋逆變電路及旁路接觸器，所述三相變壓器的二次側(cè)與所述全控三相橋相連，所述全控三相橋的正負(fù)輸出端與所述直流母線電容的正負(fù)端相連，所述直流母線電容的正負(fù)端與所述H橋逆變電路的輸入端相連，所述單元驅(qū)動板與所訴H橋逆變電路連接，驅(qū)動H橋的IGBT，所述旁路接觸器與所述H橋逆變電路的輸出端相連，所述H橋的 IGBT由所述單元驅(qū)動板驅(qū)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述全控三相橋和H橋逆變電路均由 IGBT構(gòu)成，所述全控三相橋采用SVPWM控制方式，所述H橋逆變電路采用SPWM控制方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率單元控制器、單元驅(qū)動板分別與主控制器通過光纖連接。
5.一種對基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的方法，其特征在于，所述方法包括電壓互感器檢測三相變壓器高壓側(cè)A相電壓，通過隔離變壓器方式進(jìn)行電壓采樣，由功率單元控制器對采樣的電壓信號進(jìn)行硬件鎖相，并計算A相電壓相位； 電流互感器檢測用戶側(cè)電網(wǎng)電流，獲得電網(wǎng)電流采樣值；功率單元控制器根據(jù)電壓相位和電網(wǎng)電流采樣值，經(jīng)坐標(biāo)變換，解耦得到無功電流和有功電流；功率單元控制器以用戶側(cè)電網(wǎng)無功電流等于0為控制目標(biāo)，通過PI調(diào)節(jié)，產(chǎn)生相應(yīng)的 SVPWM控制信號，控制全控三相橋通斷，從而控制功率單元吸收或產(chǎn)生的無功電流大??；以設(shè)定的直流母線電壓穩(wěn)定值為參考量，通過PI調(diào)節(jié)，使直流母線電容電壓平衡，從而控制功率單元輸入的有功電流；主控制器根據(jù)用戶設(shè)定的頻率值，按照設(shè)定的V/f曲線，采用載波移相SPWM技術(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，并通過光纖發(fā)送至功率單元的單元驅(qū)動板，驅(qū)動H橋逆變電路輸出電壓， 實現(xiàn)電機(jī)變頻控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法還包括所述功率單元控制器還需要對無功電流分量進(jìn)行限幅控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當(dāng)某個功率單元發(fā)生故障時，通過旁路接觸器旁路該功率單元及其他兩相同級功率單元，直到故障解除。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當(dāng)某一級功率單元被旁路后，通過提高調(diào)制比，提高功率單元的輸出電壓，保證正常工作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括三相變壓器、功率單元、電壓互感器、隔離變壓器、電流互感器、主控制器、每個功率單元包含一個功率單元控制器。相應(yīng)地，本發(fā)明還公開了一種基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制方法。本發(fā)明提供的基于高壓電機(jī)控制和無功補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)及方法，既能進(jìn)行高壓電機(jī)控制，又可進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而極大地提高節(jié)能效果，降低系統(tǒng)成本，實現(xiàn)最優(yōu)化的節(jié)能目標(biāo)。
文檔編號H02J3/18GK102255603SQ20111021160
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者孫開發(fā), 崔鵬琨, 榮凡清, 許賢昶 申請人:廣州智光電機(jī)有限公司, 廣州智光電氣股份有限公司