CN110572068B - 一种附加控制信号的电流源接入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力***自动控制领域，提供一种附加控制信号的电流源接入装置，该装置输入附加控制器发出的SPWM信号，经过内部三相逆变和滤波后输出三相附加电流信号作为附加控制信号，直接耦合至变流器控制单元的三相电流采样回路中，在原有采样电流信号的基础上产生一定的幅值、相位偏差；通过对三相采样电流信号进行微调来调整变流器控制单元的控制特性，进而改善变流器主电路连接的受控对象(如光伏发电/电动汽车等)的动态特性。本发明提供的附加控制信号的电流源接入装置，可以应用在各种附加控制应用场景下，本发明满足了在不改变变流器控制单元物理结构的基础上装配附加控制装置的应用需求，其原理简单可靠，成本低廉。

Description

一种附加控制信号的电流源接入装置
技术领域
本发明属于电力***自动控制领域，更具体地，涉及一种附加控制信号的电流源接入装置。
技术背景
近年来，随着大量可再生能源发电、分布式电源、柔性负荷和有源负载等接入电力***，电力***不良动态问题逐渐成为影响其稳定运行的主要因素之一。此外，由于可再生能源发电***的间隙性功率波动以及优化调度***引入的调节作用，分布式电源、柔性负荷、电动汽车以及储能装置等***均有自身的反馈控制***，电力***的动态过程已经变得极为复杂。如今，针对电力***发电、配电环节的动态特性优化领域，采用附加控制原理实现动态特性优化控制是一种常见的思路。譬如，同步发电机自动励磁控制***中的调差***，通过调节发电机励磁电流或转子电流来实现电压调节和无功功率分配，采用电力***稳定器以抑制低频振荡等。
现有的附加控制策略主要为，通过对扰动信号进行直接或间接的测量，经转变后接入控制***，形成一条补偿扰动影响的附加通道。附加控制信号的耦合方式主要为将附加信号叠加在变流器控制单元的d、q轴参考信号上，例如udref、uqref、idref和iqref，通过调节变流器控制单元的参考信号影响整个控制***的控制特性。然而，由于该附加控制的实施方式采用将附加控制信号耦合在变流器控制单元的d、q轴参考信号上，该方法的实施过程较为繁琐。尤其是在某些变流器控制单元已经完成一体化封装且装配至变流器主电路控制侧的应用场合下，想进一步通过附加控制来改善变流器控制电路的控制特性，难以实现。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供了一种附加控制信号的电流源接入装置，旨在优化附加控制的接入策略，解决由于变流器控制单元已经封装完好无法耦合附加控制信号的难题；该附加控制信号的电流源接入装置输入附加控制器发出的SPWM信号，经过内部三相逆变和滤波后输出三相附加电流信号作为附加控制信号，直接耦合至变流器控制单元的三相电流采样回路中，在原有采样电流信号的基础上产生一定的幅值、相位偏差；通过对三相采样电流信号进行微调来调整变流器控制单元的控制特性，进而改善变流器主电路连接的受控对象(如光伏发电/电动汽车等)的动态特性。
本发明附加控制信号的电流源接入装置输出电流信号而非电压信号作为附加耦合信号，其主要原因在于，电压信号决定了变流器控制单元内部锁相环输出的相位信号θPLL，θPLL决定了变流器控制单元内部电压d、q轴分量ud、uq的相位，受电力***实际运行状态影响，若改变了变流器控制单元的三相电压采样信号，则其内部锁相环输出的θPLL无法正确反映电力***实际运行状态，会导致控制失效。
本发明附加控制信号的电流源接入装置，包含三相逆变电路及LC滤波电路两部分。
所述三相逆变电路，不同之处在于SPWM信号驱动桥臂上的开关管的方式，传统的三相逆变电路共有6组驱动信号分别控制A、B、C三相上、下桥臂上的开关管，由于同相上、下桥臂开关管互补导通，考虑到其驱动信号亦为互补，本发明提供的三相逆变电路仅采用三组驱动信号分别驱动三相桥臂，每一组驱动信号通过相应的驱动电路处理后同步驱动上、下桥臂上的开关管。
所述三相逆变电路的拓扑结构为，电阻R1、R5、R9的一端共同连接直流电源VD的正极，另一端分别连接P沟道增强型MOS管Q1、Q3、Q5的栅极及电阻R2、R6、R10的一端，电阻R2、R6、R10的另一端分别连接光耦隔离元件OC1、OC2、OC3的输出端口高电平节点及电阻R3、R7、R11的一端，电阻R3、R7、R11的另一端分别连接N沟道增强型MOS管Q4、Q6、Q2的栅极及电阻R4、R8、R12的一端，电阻R4、R8、R12的另一端共同连接直流电源VD的负极。MOS管Q1、Q3、Q5的源极共同连接直流电源VD的正极，MOS管Q1、Q3、Q5的漏极分别连接电阻R13、R15、R17的一端，电阻R13、R15、R17的另一端分别连接电阻R14、R16、R18的一端，电阻R14、R16、R18的另一端分别连接Q4、Q6、Q2的漏极，Q4、Q6、Q2的源极共同连接直流电源VD的负极。逆变后的三相信号分别从R13与R14间节点、R15与R16间节点、R17与R18间节点输出。
所述三相逆变电路的工作原理为，通过合理选取电阻R1～R12的阻值，使得当光耦关断时下桥臂的NMOS管导通，当光耦开通时，上桥臂的PMOS管导通，SPWM信号由光耦输入端口输入。该驱动策略实现了三组驱动信号驱动下的三相逆变电路的上、下桥臂开关管互补导通，由于上桥臂PMOS管的源极与下桥臂NMOS管的源极分别连接至直流电源VD的正极和负极，驱动电路的电源可由直流电源VD提供，且电压驱动信号不会影响三相输出信号的电位。每个MOS管的漏极与源极间的反并联二极管起到反向续流的作用。电阻R13-R18的起到短路保护作用，由于开关管的延迟关断现象，上下桥臂在开关瞬间可能存在瞬时短路故障，电阻串联在桥臂回路中起到限流保护作用。此外，电阻R13-R18作为负载电阻，经过逆变后的交流压降绝大部分由负载电阻承担，有助于生成三相电流输出信号。
所述LC滤波电路，以A相为例，电感L1的一端连接A相输出电压信号，另一端连接电容C1，电容C1的另一端连接参考地。适当选择串联电感和并联电容的数值，二者组成的LC滤波电路可以使高次谐波电流在串联电感上的谐波阻抗压降远大于并联电容上的谐波阻抗压降，谐波电流几乎全部流入滤波电容，负载中几乎没有谐波电流。
本发明与现有技术相比，其有益效果如下：
1.本发明提供的附加控制信号的电流源接入装置，可以应用在各种附加控制应用场景下，通过将三相附加电流信号直接并联施加在变流器控制单元的三相采样电流上，实现附加控制信号的耦合，耦合后的采样电流信号幅值与相位产生一定的偏差，输入至变流器控制单元，不改变变流器控制单元的内部控制机理。
2.本发明附加控制信号的电流源接入装置中的耦合信号为电流信号而非电压信号，可以避免影响变流器控制单元内部电压锁相环的正常工作。
3.本发明由三相逆变电路与LC滤波电路构成，三相逆变电路上、下桥臂分别采用PMOS管与NMOS管作为开关元件，每相仅由经过光耦隔离的一组SPWM驱动信号驱动以实现上、下桥臂开关管互补导通，整个三相逆变电路由三组SPWM信号驱动，驱动电路的电源由三相逆变电路的直流电源提供，且电压驱动信号不会影响三相输出信号的电位。
4.本发明满足了在不改变变流器控制单元物理结构的基础上装配附加控制装置的应用需求，其原理简单可靠，成本低廉。
附图说明
图1是本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置的整体连接结构示意图。
图2是本发明实施例提供的三相电流信号耦合方式的向量图。
图3是本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置的电路原理图。
图4是本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置的三相附加电流信号的仿真波形。
图5是本发明实施例提供的网侧的三相采样电流ia、ib、ic的仿真波形以及放大10倍后的三相附加电流信号i'a、i'b、i'c的仿真波形。
图6是本发明实施例提供的经过耦合叠加后的三相电流信号幅值i”a_Mag、i”b_Mag、i”c_Mag以及网侧的三相采样电流幅值ia_Mag、ib_Mag、ic_Mag的仿真结果。
图7是本发明实施例提供的经过耦合叠加后的三相电流信号相位i”a_Phase、i”b_Phase、i”c_Phase以及网侧的三相采样电流相位ia_Phase、ib_Phase、ic_Phase的仿真结果。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。附图中给出了本发明的一个实施方式，应当理解，此实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。提供此实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置旨在优化附加控制的接入策略，解决由于变流器控制单元已经封装完好无法耦合附加控制信号的难题；该附加控制信号的电流源接入装置输入附加控制器发出的SPWM信号，经过内部三相逆变和滤波后输出三相电流源作为附加耦合信号，直接耦合至变流器控制单元的三相电流采样回路中，在原有采样电流信号的基础上产生一定的幅值、相位偏差；该附加控制信号的电流源接入装置的控制效果为，通过调整三相采样电流信号来优化变流器控制单元的控制特性，进而改善变流器主电路连接的受控对象的动态特性。
本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置的整体连接结构示意图如附图1所示，其中，变流器主电路将光伏发电装置并入电力***配电网，变流器控制单元对变流器主电路施加变流器控制信号，并接收采样反馈信号。附加控制器采样变流器主电路并网点处的三相电压电流信号，经过内部比较放大、叠加处理等环节后生成SPWM附加控制信号，施加给附加控制信号的电流源接入装置，经过三相逆变、滤波等环节后，将三相附加电流信号耦合在变流器控制单元的三相电流采样回路中，过对三相采样电流信号进行微调来调整变流器控制单元的控制特性，进而改善有源配电网的动态特性。
本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置的电路原理图如附图3所示，包含三相逆变电路与LC滤波电路。
所述三相逆变电路，所用元器件型号分别为，PMOS管Q1、Q3、Q5为IRF9530，NMOS管为Q4、Q6、Q2为IRF840，快速二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6为FR207，MOS管驱动电路中电阻的阻值分别为，R1、R5、R9为1.5kΩ，R2、R6、R10为2.4kΩ，R3、R7、R11为12.5kΩ，R4、R8、R12为13.5kΩ，桥臂串联负载电阻R13～R18为20Ω，光耦隔离元件OC1、OC2、OC3的型号为TLP521-1，直流电源VD为30V。
所述三相逆变电路的拓扑结构为，电阻R1、R5、R9的一端共同连接直流电源VD的正极，另一端分别连接PMOS管Q1、Q3、Q5的栅极及电阻R2、R6、R10的一端，电阻R2、R6、R10的另一端分别连接光耦隔离元件OC1、OC2、OC3的输出端口高电平节点及电阻R3、R7、R11的一端，电阻R3、R7、R11的另一端分别连接NMOS管Q4、Q6、Q2的栅极及电阻R4、R8、R12的一端，电阻R4、R8、R12的另一端共同连接直流电源VD的负极。MOS管Q1、Q3、Q5的源极共同连接直流电源VD的正极，MOS管Q1、Q3、Q5的漏极分别连接电阻R13、R15、R17的一端，电阻R13、R15、R17的另一端分别连接电阻R14、R16、R18的一端，电阻R14、R16、R18的另一端分别连接Q4、Q6、Q2的漏极，Q4、Q6、Q2的源极共同连接直流电源VD的负极。逆变后的三相信号分别从R13与R14间节点、R15与R16间节点、R17与R18间节点输出。
所述三相逆变电路的工作原理为，SPWM信号由光耦输入端口输入，当光耦关断时，上桥臂的PMOS管的源栅电压低于2V，PMOS管截止，下桥臂的NMOS管的栅源电压高于9V，NMOS管饱和，当光耦开通时，上桥臂的PMOS管的源栅电压高于9V，PMOS管饱和，下桥臂的NMOS管的栅源电压低于2V，NMOS管截止。该驱动策略实现了三组驱动信号驱动下的三相逆变电路的上、下桥臂开关管互补导通，由于上桥臂PMOS管的源极与下桥臂NMOS管的源极分别连接至直流电源VD的正极和负极，驱动电路的电源可由直流电源VD提供，且电压驱动信号不会影响三相输出信号的电位。每个MOS管的漏极与源极间的反并联二极管起到反向续流的作用。电阻R13-R18的起到短路保护作用，由于开关管的延迟关断现象，上下桥臂在开关瞬间可能存在瞬时短路故障，电阻串联在桥臂回路中起到限流保护作用，瞬时短路电流不会高于0.75A。此外，电阻R13-R18作为负载电阻，经过逆变后的交流压降绝大部分由负载电阻承担，三相电流源输出信号的幅值为0.1A左右。
所述LC滤波电路，所用元器件型号分别为，串联电感L1、L2、L3的电感值为40mH，并联电容C1、C2、C3的电容值为7.5uF。所述的LC滤波电路的连接方式为，以A相为例，电感L1的一端连接A相输出电压信号，另一端连接电容C1，电容C1的另一端连接参考地。适当选择串联电感和并联电容的数值，二者组成的LC滤波电路可以使高次谐波电流在串联电感上的谐波阻抗压降远大于并联电容上的谐波阻抗压降，谐波电流几乎全部流入滤波电容，负载中几乎没有谐波电流。
为验证本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置的技术可行性，利用板级的模拟/数字电路板仿真软件Multisim14.0搭建了与图3对应的仿真算例进行仿真验证。仿真算例中，输入的SPWM信号由有效值为10V、频率为50Hz的三相正弦波与峰峰值为20V、频率为10kHZ、占空比为50％的三角波调制而成。仿真时长设置为80ms，外接阻性负载采用Y型接法，负载大小为0.002Ω。最终输出的三相电流源信号如图4所示，设计的附加控制信号的电流源接入装置可以输出0.1A级别的三相附加电流信号，其相位受SPWM信号控制。上述仿真结果表明本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置是技术可行的。
为了验证本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置输出的电流信号的耦合方式的技术可行性，在耦合过程中电流源信号可有效输入至变流器控制单元而非流入电网，耦合后的采样电流信号幅值与相位能够产生微小偏差并输入至变流器控制单元，利用国际通用直流输电仿真软件PSCAD/EMTDC搭建了与图1对应的仿真算例进行仿真验证。仿真算例中，三相10kV电压源经过10kV/0.381kV的Δ/Y三相变压器为三相负载供电，三相负载功率因数为0.9，额定功率为60kVA，由0.726Ω电阻串联1.1193mH电感构成。本发明实施例提供的网侧的三相采样电流ia、ib、ic的仿真波形以及放大10倍后的三相附加电流信号i'a、i'b、i'c的仿真波形如图5所示，各相附加输出电流信号的有效值均按照耦合点原有电流的2％给定，各相附加输出电流信号的相位均按照滞后耦合点原有电流相位30°给定。在t＝1s时刻，将三相附加电流信号i'a、i'b、i'c耦合至三相电流信号采样回路中。本发明实施例提供的经过耦合叠加后的三相电流信号幅值i”a_Mag、i”b_Mag、i”c_Mag以及网侧的三相采样电流幅值ia_Mag、ib_Mag、ic_Mag的仿真结果如图6所示，可以看出，经过耦合叠加后的三相电流信号幅值i”a_Mag、i”b_Mag、i”c_Mag产生了0.1A左右的变化，而网侧的三相采样电流幅值ia_Mag、ib_Mag、ic_Mag没有发生变化。本发明实施例提供的经过耦合叠加后的三相电流信号相位i”a_Phase、i”b_Phase、i”c_Phase以及网侧的三相采样电流相位ia_Phase、ib_Phase、ic_Phase的仿真结果如图7所示，可以看出，经过耦合叠加后的三相电流信号相位i”a_Phase、i”b_Phase、i”c_Phase产生了0.5°左右的变化，而网侧的三相采样电流相位ia_Phase、ib_Phase、ic_Phase没有发生变化。因而，仿真验证结果表明，本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置输出的电流信号在耦合过程中能够有效输入至变流器控制单元而非流入电网。上述仿真结果表明在耦合过程中电流源信号可有效输入至变流器控制单元而非流入电网，耦合后的采样电流信号幅值与相位能够产生微小偏差并输入至变流器控制单元，本发明实施例提供的附加控制信号的电流源接入装置的信号耦合策略是技术可行的。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种附加控制信号的电流源接入装置，其特征在于：该附加控制信号的电流源接入装置由三相逆变电路与LC滤波电路构成，三相逆变电路上、下桥臂分别采用PMOS管与NMOS管作为开关元件，每相仅由经过光耦隔离的一组SPWM驱动信号驱动以实现上、下桥臂开关管互补导通，通过合理选取MOS管驱动电路中电阻的阻值，使得当光耦关断时下桥臂的NMOS管导通，当光耦开通时，上桥臂的PMOS管导通，SPWM信号由光耦输入端口输入；整个三相逆变电路由三组SPWM信号驱动，驱动电路的电源由三相逆变电路的直流电源提供，且电压驱动信号不会影响三相输出信号的电位；该接入装置的输入信号为附加控制器输出的三相SPWM信号，经过三相逆变和滤波后，输出信号为三相附加电流信号，三相附加电流信号作为附加控制信号直接耦合至变流器控制单元的三相电流采样回路中，在原有采样电流信号的基础上产生一定的幅值、相位偏差，通过调整三相电流采样信号来优化变流器控制单元的控制特性，进而改善变流器主电路连接的受控对象的动态特性，并不改变变流器控制单元的内部控制机理。
2.如权利要求1所述的附加控制信号的电流源接入装置，其特征在于：所述三相逆变电路包括PMOS管Q1、Q3、Q5，NMOS管Q4、Q6、Q2，快速二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，MOS管驱动电路中电阻R1、R5、R9，电阻R2、R6、R10，电阻R3、R7、R11，电阻R4、R8、R12，桥臂串联负载电阻R13～R18，光耦隔离元件OC1、OC2、OC3，直流电源VD；其中，PMOS管Q1、Q3、Q5为IRF9530，NMOS管Q4、Q6、Q2为IRF840，快速二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6为FR207，MOS管驱动电路中电阻R1、R5、R9为1.5kΩ，电阻R2、R6、R10为2.4kΩ，电阻R3、R7、R11为12.5kΩ，电阻R4、R8、R12为13.5kΩ，桥臂串联负载电阻R13～R18为20Ω，光耦隔离元件OC1、OC2、OC3为TLP521-1，直流电源VD为30V；电阻R1、R5、R9的一端共同连接直流电源VD的正极，另一端分别连接PMOS管Q1、Q3、Q5的栅极及电阻R2、R6、R10的一端，电阻R2、R6、R10的另一端分别连接光耦隔离元件OC1、OC2、OC3的输出端口高电平节点及电阻R3、R7、R11的一端，电阻R3、R7、R11的另一端分别连接NMOS管Q4、Q6、Q2的栅极及电阻R4、R8、R12的一端，电阻R4、R8、R12的另一端共同连接直流电源VD的负极，MOS管Q1、Q3、Q5的源极共同连接直流电源VD的正极，MOS管Q1、Q3、Q5的漏极分别连接电阻R13、R15、R17的一端，电阻R13、R15、R17的另一端分别连接电阻R14、R16、R18的一端，电阻R14、R16、R18的另一端分别连接Q4、Q6、Q2的漏极，Q4、Q6、Q2的源极共同连接直流电源VD的负极，逆变后的三相信号分别从R13与R14间节点、R15与R16间节点、R17与R18间节点输出。
3.如权利要求1所述的附加控制信号的电流源接入装置，其特征在于：所述LC滤波电路包括串联电感L1、L2、L3，并联电容C1、C2、C3，其中，电感L1、L2、L3为40mH，电容C1、C2、C3为7.5uF，所述LC滤波电路的连接方式为，以A相为例，电感L1的一端连接A相输出电压信号，另一端连接电容C1，电容C1的另一端连接参考地。
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