变流器限流保护系统控制装置及其限流控制方法

摘要

本发明公开了一种变流器限流保护系统控制装置及其限流控制方法，本发明的控制装置包括PWM逆变器、校正电抗器、逆变输出变压器、输出滤波器、交流信号采样电路、直流信号采样电路和处理器。本发明的装置相比其他变流器运行保护产品，能在变流器运行过程中有效限流保护，能快速响应，能抵抗瞬时和非瞬时短路等运行过程中的大电流冲击；本发明的方法可靠性高，能有效地保证变流器在故障期间维持限定电流输出，有效地保护变流器，同时使输出得到较好的电压电流波形，维持了供电的持续性。

主权项

一种变流器限流保护系统控制装置的限流控制方法，变流器限流保护系统控制装置包括依次连接的交流电抗器、电子开关、PWM整流器、直流电抗器、直流滤波器，其特征在于，所述直流滤波器依次通过PWM逆变器、校正电抗器、逆变输出变压器与输出滤波器连接；所述输出滤波器通过第一交流信号采样电路接入处理器，所述处理器与所述电子开关、PWM整流器、PWM逆变器连接；所述处理器连接直流信号采样电路输出端、第二交流信号采样电路输出端，所述直流信号采样电路输入端并联接入直流滤波器和PWM逆变器之间，所述第二交流信号采样电路输入端并联接入所述交流电抗器和电子开关之间；其特征在于，该方法为：1)第一交流信号采样电路将PWM逆变器的采样电流送入处理器中，若采样电流平均值大于所述处理器中预先设定的电流值，则处理器控制PWM逆变器发出故障报警信号，提示短路或有大电流冲击事故发生，处理器执行中断，启动软件限流保护子程序；2)判断故障是否解除，若解除，则中断结束；若未解除，则进入步骤3)；3)定义s_k＝1时PWM逆变器桥臂上IGBT导通，下IGBT关断，s_k＝0时PWM逆变器桥臂下IGBT导通，上IGBT关断，其中，k＝u，v，w，而u，v，w分别对应PWM逆变器的三个桥臂；4)依据KCL和KVL定律，得到PWM逆变器三相输出电压和三相输出电流对应的三相静止坐标系下的逆变输出回路方程：$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ou}}\\ u_{\mathrm{ov}}\\ u_{\mathrm{ow}}\end{array}\right]=(\frac{1}{C}-\frac{R_C}{L}{R}_L)\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]-\frac{R_C}{L}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ou}}\\ u_{\mathrm{ov}}\\ u_{\mathrm{ow}}\end{array}\right]+\frac{R_C{U}_{\mathrm{dc}}}{L}\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{3}& -\frac{1}{3}& \frac{2}{3}\\ -\frac{1}{3}& \frac{2}{3}& \frac{2}{3}\\ -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}& \frac{2}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_u\\ s_v\\ s_w\end{array}\right],$$\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_u\\ i_w\end{array}\right]=-\frac{R_L}{L}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]-\frac{1}{L}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ou}}\\ u_{\mathrm{ov}}\\ u_{\mathrm{ow}}\end{array}\right]+\frac{U_{\mathrm{dc}}}{L}\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{3}& -\frac{1}{3}& \frac{2}{3}\\ -\frac{1}{3}& \frac{2}{3}& \frac{2}{3}\\ -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}& \frac{2}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_u\\ s_v\\ s_w\end{array}\right],$其中，u_ou，u_ov，u_ow为输出滤波器的三相输出相电压，i_u，i_v，i_w为PWM逆变器输出相电流，L为校正电抗器等效电感值，R_L为逆变输出变压器等效电阻值，L与R_L大小一致，R_C和C分别为输出滤波器等效电阻值和电容值，定义O点为输出端零电位参考点，U_dc为PWM逆变器输入电压；5)依据PWM调制原理，取一个周期的平均值，定义变量d_j为平均占空比，即：$s_j=d_j+\frac{1}{2},j=u,v,w$6)利用d_j和逆变输出回路方程得到PWM逆变器三相输出电压和三相输出电流基于平均占空比的数学模型为：$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ou}}\\ u_{\mathrm{ov}}\\ u_{\mathrm{ow}}\end{array}\right]=(\frac{1}{C}-\frac{R_C}{L}{R}_L)\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]-\frac{R_C}{L}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ou}}\\ u_{\mathrm{ov}}\\ u_{\mathrm{ow}}\end{array}\right]+\frac{R_C{U}_{\mathrm{dc}}}{L}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_u\\ d_v\\ d_w\end{array}\right]\text{,}$$\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]=-\frac{R_L}{L}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]-\frac{1}{L}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ou}}\\ u_{\mathrm{ov}}\\ u_{\mathrm{ow}}\end{array}\right]+\frac{U_{\mathrm{dc}}}{L}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_u\\ d_v\\ d_w\end{array}\right],$7)将u_ou、u_ov、u_ow，i_u、i_v、i_w，变量d_j分别经变换矩阵T进行Clarke变换，得到两相静止αβ坐标系下电压u_oα、u_oβ，电流i_α、i_β，变量d_α、d_β；8)将步骤6)中所述数学模型通过等效映射Clarke变换，得PWM逆变器在αβ坐标系下数学模型为：$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{o\alpha }}\\ u_{\mathrm{o\beta }}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{C}-\frac{R_C}{L}{R}_L& 0\\ 0& \frac{1}{C}-\frac{R_C}{L}{R}_L\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\frac{R_C}{L}& 0\\ 0& \frac{R_C}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{o\alpha }}\\ u_{\mathrm{o\beta }}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\frac{R_C}{L}{u}_{\mathrm{dc}}& 0\\ 0& \frac{R_C}{L}{u}_{\mathrm{dc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_{\alpha }\\ d_{\beta }\end{array}\right],$$\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R_L}{L}& 0\\ 0& -\frac{R_L}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}-\frac{1}{L}& 0\\ 0& -\frac{1}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{o\alpha }}\\ u_{\mathrm{o\beta }}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\frac{u_{\mathrm{dc}}}{L}& 0\\ 0& \frac{u_{\mathrm{dc}}}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_{\alpha }\\ d_{\beta }\end{array}\right];$9)将上述步骤8)中的PWM逆变器在αβ坐标系下数学模型参量通过等效映射变换解耦成线性直流量，处理器通过控制线性直流量实现对PWM逆变器的控制；10)采样逆变输出变压器输出侧相电流，并计算所述相电流近n次平均有效值大小，取最大平均有效值与处理器中预先设定的电流阀值I_sf比较，将电流差值送入电流内环PI调节器中，电流差值经PI调节器调节后做为α轴控制量，与β轴的0调节量经坐标变换矩阵P还原成三相静止坐标控制量，随后经PWM逆变器调控控制IGBT栅极驱动信号，使逆变输出变压器输出侧相电压的相位差始终稳定，输出相电流逐步降低至处理器中预先设定的电流阀值。