專利名稱：一種動態(tài)電壓快速補償裝置的制作方法
技術領域：
一種動態(tài)電壓快速補償裝置
(—)技術領域本發(fā)明提供一種動態(tài)電壓快速補償裝置。該裝置能夠實時檢測電網電壓并對此進行分析和判斷，當電網電壓出現(xiàn)電能質量問題時，該裝置能夠產生補償電壓并對電網進行補償，從而保證負載工作正常。其中涉及電網數(shù)據(jù)采集，數(shù)字信號處理，電力切換，電力逆變技術以及補償策略算法和控制算法。
背景技術：
電能既是一種經濟實用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉換的能源形式，又是一種由電力部門向電力用戶提供，并由供、用雙方共同保證質量的特殊產品。供電電源的電能質量下降而影響電氣設備正常工作的問題，早在電力供應一開始就引起了供用電雙方的關注。目前，由于具有非線性負荷特征的設備在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用，這些設備的運行使得電網中電壓和電流波形畸變越來越嚴重，會使電網電壓產生一些較為嚴重的電能質量問題。同時另一方面，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和工業(yè)規(guī)模的擴大，尤其是以信息技術為先導的知識經濟時代的到來，社會對電能需求日益增加的同時，基于計算機、微處理器的管理、分析、檢測、控制的用電和各種電力電子設備在電力系統(tǒng)中大量投入使用。這些設備對電源的波動和各種干擾十分敏感，任何電能質量問題都可能會造成產品質量下降或管理秩序的紊亂，造成重大的經濟損失和不良的社會影響。因此，電力用戶對電能質量提出了更高的要求。在這些電能質量問題中，電壓凹陷問題受到的關注最多。據(jù)統(tǒng)計，在電能質量的諸多原因中，由于電壓凹陷問題引起的用戶投訴占到了 80%以上，而諧波，開關操作過電壓等問題投訴數(shù)量不到20%。電壓凹陷，即電網電壓均方根植下降到10% -90%范圍內，持續(xù)時間為O. 5個工頻周期至I分鐘的電壓短期下降。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明目前電網高達92%的擾動事故來源于電壓凹陷問題，且他們的凹陷時間不超過2s，凹陷范圍不超過20%。造成電壓凹陷最常見的原因有故障電流和感應電動機啟動以及變壓器勵磁涌流，開關操作等。這些都是電網系統(tǒng)中經常發(fā)生的事件。目前，電網凹陷問題主要有以下幾種方法解決一、靜止開關切換STS:電網負載由雙電源供電，當發(fā)生凹陷時，STS可將負載電源切換為備用電源。此種方案雖能保證負載電能質量，但造價過高。二、不間斷電源UPS :目前這種方案的應用較廣。在電網電壓發(fā)生凹陷時由UPS供電，提供給用戶合格的電壓，效率可達90 %以上。但是UPS大容量受限制，且維護費用較高。目前，隨著電力電子技術的發(fā)展，新型動態(tài)電壓恢復方法得到了廣泛關注 該方法通過在電網中串聯(lián)補償源補償電壓凹陷。只有在電網電壓發(fā)生凹陷時，補償源輸出補償電壓?；诖朔N方法，負載所需功率大部分仍由電網提供，因此動態(tài)電壓恢復裝置的工作效率較高，且容易實現(xiàn)大功率，維護費用低于UPS。針對以上問題，在方法三的基礎上，提出一種動態(tài)電壓快速補償裝置。該裝置可以實時監(jiān)測電網電壓，電網電流，并通過數(shù)字信號處理算法得到電網各項數(shù)值。當電網發(fā)生電壓凹陷問題時，通過DSP處理計算得到電網凹陷補償量。該補償量通過逆變輸出工頻交流與電網凹陷電壓串聯(lián)，實現(xiàn)電網凹陷的補償。同時，該裝置通過構造閉環(huán)控制系統(tǒng)并采用相關控制算法實現(xiàn)補償?shù)目焖贉蚀_與穩(wěn)定。

發(fā)明內容I、目的本發(fā)明的目的是提供一種動態(tài)電壓快速補償裝置。該裝置能夠實時監(jiān)測電網各項參數(shù)，當電網電壓發(fā)生凹陷時產生逆變產生補償電壓對電網進行補償，同時采用閉環(huán)控制算法使得補償快速穩(wěn)定，從而為負載端提供高質量的電能。2、技術方案本發(fā)明一一種動態(tài)電壓快速補償裝置由硬件和軟件算法兩大部分構成硬件部分結構示意圖如圖I所示。該裝置硬件結構包括基于DSP (數(shù)字信號處理器) 的控制及處理單元，信號采集調理單元，AD轉換單元，直流交流逆變單元，補償主電路單元， 直流儲能單元，保護單元，裝置供電電源單元。該裝置軟件算法部分包括電網檢測算法，補償策略算法，系統(tǒng)閉環(huán)控制算法以及裝置硬件驅動。該裝置硬件部分負責電網信號的采集調理，并根據(jù)計算得到的補償電壓值逆變輸出補償電壓，將補償電壓可靠穩(wěn)定的加載到電網中。軟件算法部分負責將采集到的電網信號用相關算法進行檢測識別，并根據(jù)得到的電網信息通過補償策略算法進行補償，輸出補償電壓量。閉環(huán)控制算法保證補償?shù)臏蚀_性與穩(wěn)定性。(I)硬件結構一種動態(tài)電壓快速補償裝置硬件結構包括基于DSP (數(shù)字信號處理器)的控制及處理單元，信號采集調理單元，AD轉換單元，直流交流逆變單元，補償主電路單元，直流儲能單元，保護單元，裝置供電電源單元?；贒SP (數(shù)字信號處理器)的控制及處理單元是整個裝置的核心，它控制采集調理電路以及AD轉換電路對電網信息進行采集并進行分析計算， 并控制逆變電路輸出交流補償電壓進行補償。裝置硬件結構框圖如圖I所示。所述基于DSP的控制及處理單元由TMS320F2812DSP芯片構成。該芯片是專用于控制領域的高性能32位定點DSP芯片，工作主頻高達150MHz，處理能力可達150MIPS，它是整個裝置的核心，負責接收由采集調理單元和AD轉換單元輸出的電網信息數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相關算法，對采集的數(shù)據(jù)進行分析計算，輸出PWM信號控制逆變器輸出。 所述信號采集調理單元由電壓互感器，電流互感器，運算放大器，信號接口等組成。其結構框圖如圖2所示。6個電壓互感器分別采集三相電網、負載電壓，3個電流互感器采集三相負載電流。運算放大器0P07組成信號調理電路對9路信號進行放大，并輸出9路模擬信號至AD單元。電壓互感器采集的A相電壓信號進入由運算放大器LM358和74LS14 組成的過零點滯回比較器，輸出的相位信號輸入DSP數(shù)字接口供補償控制算法實現(xiàn)過零點補償。所述AD轉換單元由AD轉換器，譯碼器芯片，總線收發(fā)器及中斷邏輯器件組成。單元結構框圖如圖3所示。AD轉換器采用3片MAX125，其為4路14位AD轉換芯片。3片 MAX125的模擬輸入分別接信號米集調理單兀輸出的三相電網電壓信號、負載電壓信號和負載電流信號。譯碼器芯片74HC138對DSP地址線進行譯碼構成AD片選信號?？偩€收發(fā)器 74LVC4245對AD14位數(shù)據(jù)總線進行總線收發(fā)及電平轉換?；蜻壿嬮T對3片AD轉換完成邏輯信號進行或操作，可以實現(xiàn)當3片AD均轉換完成時才輸出總轉換完成信號，構成DSP外部中斷信號。譯碼器、總線收發(fā)器、邏輯或門構成總線接口與DSP相連接。[0013]所述直流交流逆變單元由IPM模塊PS21867，光藕芯片HCPL4504，供電芯片 M57120L，逆變?yōu)V波器組成。逆變單元的核心部件為IPM模塊PS21867，他的內部由三個橋臂、6個IGBT的驅動電路以及保護電路組成。PS21867可支持的直流母線最大電壓為600V， 直流母線最大電流為30A。本裝置采用2片PS21867，并且通過兩兩橋臂組成相互獨立的三相全橋逆變電路，分別為三相電提供補償電壓。逆變采用SPWM波調制，PWM信號載波頻率為 6. 4KHz，其通過由高速光藕芯片HCPL4504構成的光藕隔離后輸入PS21867構成控制信號。 供電芯片M57120可輸出4路相互隔離的15V直流電壓，分別為IPM模塊3個上橋IGBT和下橋IGBT提供驅動電壓。逆變?yōu)V波器采用LC型濾波器，濾波器所用電感磁環(huán)的磁導率為 60H/m，選定材料為鐵硅鋁，磁環(huán)上繞制多股漆包線，電感設計值為680uH。LC濾波器所選電容為200uF交流電容，耐壓為450V，設計截止頻率為O. 5Khz，可以將6. 4Khz載波濾除。所述直流儲能單元為多組蓄電池串聯(lián)。蓄電池為逆變單元提供直流母線電壓，電網電壓凹陷補償所需要的能量也從蓄電池提供。所述補償主電路單元包括變壓器和固態(tài)繼電器。變壓器將逆變產生的補償電壓串聯(lián)進電網。固態(tài)繼電器實現(xiàn)補償電壓的接入與斷開。正常情況下，固態(tài)繼電器閉合。當電網發(fā)生凹陷時，固態(tài)繼電器斷開，補償電壓串聯(lián)進入電網。其結構圖如圖所示采用這種補償主電路逆變器與電網實現(xiàn)了隔離，逆變器產生的高次諧波不會對電網造成影響，在電網工作正常時變壓器無銅損耗。如圖4所示，為逆變單元、補償主電路單元及直流儲能單元結構框圖。所述保護單元由散熱片，保險電路，溫度傳感器，三態(tài)門芯片74HC245構成。散熱片安裝在IPM模塊上，防止IPM模塊過熱。保險電路安裝在直流母線上，當母線電流過大時， 母線電路自動切斷。PWM控制信號通過三態(tài)門芯片74HC245，溫度傳感器和IPM模塊故障輸出信號線連接至三態(tài)門芯片輸出使能端，在有故障信號輸出時關閉PWM控制信號。所述裝置供電電源單元為交流直流電源模塊，以及線性電源芯片。供電電源交流取自補償后的電網電壓，電源模塊輸出直流再經線性電源芯片為本裝置各單元供直流電。(I)軟件算法結構一種動態(tài)電壓快速補償裝置軟件算法主要包括電網檢測算法、補償策略算法系統(tǒng)閉環(huán)控制算法以及裝置硬件驅動。裝置軟件算法工作流程如下由調理電路AD轉換得到的三相電壓電流波形經過電網檢測算法，可識別出各路信號的幅值，相位。補償策略算法根絕檢測到電網電壓電流信號幅值和相位進行分析判斷，并計算出各相電壓的補償量。在補償開始時，為提高快速性，首先進行開環(huán)控制進行補償，在開環(huán)階段后進入閉環(huán)控制。閉環(huán)控制算法根據(jù)補償策略算法計算出的補償量作為系統(tǒng)輸入，對整個補償系統(tǒng)進行PID控制并輸出PWM信號控制逆變器。算法控制流程圖如圖5所示所述電網檢測算法作用為對輸入的多路電網電壓電流信號進行識別，獲取基波幅值相位信息。算法基于dq變換原理。設A相輸入基波信號為UAsin (wt+θ Α+α )其中Ua為A相基波有效值，θ A為A相基波初相角，α為A相電壓基波
跳變角度。根據(jù)A相電壓信號構造矩陣
權利要求1 一種動態(tài)電壓快速補償裝置，其特征在于基于DSP (數(shù)字信號處理器)的控制及處理單元，信號采集調理單元，AD轉換單元，直流交流逆變單元，補償主電路單元，直流儲能單元，保護單元，裝置供電電源單元；所述基于DSP的控制及處理單元由TMS320F2812DSP芯片構成，該芯片是專用于控制領域的高性能32位定點DSP芯片，工作主頻高達150MHz，處理能力可達150MIPS ；所述信號采集調理單元由電壓互感器，電流互感器，運算放大器，信號接口等組成，電壓互感器，電流互感器采集三相電網電壓，三相負載電壓，三相負載電流，運算放大器0P07 對信號進行放大，運算放大器LM358和74LS14組成比較器輸出相位信號；所述AD轉換單元由AD轉換器MAX125、總線收發(fā)器74LVC4245、三輸入或門74HC4075， 譯碼器74HC138組成，MAX125對9路信號進行AD轉換，74LVC4245對數(shù)據(jù)總線進行電平轉換，74HC138對地址總線譯碼，74HC4075處理中斷信號；所述直流交流逆變單元由IPM模塊PS21867，光藕芯片HCPL4504，供電芯片M57120L，逆變?yōu)V波器組成，2片IPM模塊PS21867組成相互獨立的三相全橋逆變電路，逆變采用SPWM波調制，PWM信號載波頻率為6. 4KHz，高速光藕芯片HCPL4504對輸入信號進行隔離，2片芯片 M57120為IPM模塊門級驅動供電，逆變?yōu)V波器采用LC型濾波器，電感值為680uH，磁環(huán)材料為鐵硅鋁，電容大小為200uF ；所述直流儲能單元為6個電壓為12V的鉛蓄電池串聯(lián)；所述補償主電路單元包括變壓器和固態(tài)繼電器，變壓器原邊連接逆變器輸出，逆變器副邊與負載相串聯(lián)接入電網，固態(tài)繼電器與變壓器副邊并聯(lián)；所述保護單元由散熱片，保險電路，溫度傳感器，三態(tài)門芯片74HC245構成，散熱片安裝在IPM模塊上，保險電路安裝在直流母線上，PWM控制信號通過三態(tài)門芯片74HC245，溫度傳感器和IPM模塊故障輸出信號線連接至三態(tài)門芯片輸出使能端；所述裝置供電電源單元為交流直流電源模塊HAT15-05V12-WFCI、HAS-24-ff,以及線性電源芯片LM1117-3. 3、LM7805、LM7905，供電電源交流取自補償后的電網電壓，電源模塊輸出直流再經線性電源芯片為本裝置各單元供直流電。
專利摘要本實用新型一種動態(tài)電壓快速補償裝置可對電網凹陷問題進行檢測分析并實現(xiàn)快速補償，從而提高負載端電能質量。本裝置可分為硬件軟件兩大部分。硬件部分包括基于DSP(數(shù)字信號處理器)的控制及處理單元，信號采集調理單元，AD轉換單元，直流交流逆變單元，補償主電路單元，直流儲能單元，保護單元，裝置供電電源單元。硬件電路實現(xiàn)電網信息采集以及逆變電壓輸出耦合進入電網。軟件算法部分包括電網檢測算法，補償策略算法，系統(tǒng)閉環(huán)控制算法以及裝置硬件驅動。軟件算法部分實現(xiàn)電網電壓電流的檢測及分析，補償策略實現(xiàn)以及對整個補償系統(tǒng)進行控制。
文檔編號H02J3/12GK202353217SQ20112042792
公開日2012年7月25日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權日2011年11月2日
發(fā)明者王建偉, 田思維, 肖瑾, 胡曉光, 陳松松 申請人:北京航空航天大學