专利名称：一种三相电力设备数字解耦监控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力设备控制技术，特别是一种三相电力设备数字解耦监控装置及控制方法，属于电力运行电能质量产品应用技术领域。
背景技术：
随着电力电子技术与工业技术的快速发展，催生出各种各样的电力装置，如变频 器、UPS、电弧炉、焊接设备、轨道交通变流装置、SVC、STATC0M、有源电力滤波装置、大功率信 号发生器、特种电源等，这些设备已经广泛或逐步进入电力输送、冶金、钢铁、化工、民用等 领域。这些电力电子装置，由于内在的结构及使用领域的不同，其被控参量既有单一频率的 参量，也有多频率的参量。现代自动控制技术正是通过对上述众多参量的调控，实现对各种 电力、电器装备的自动化控制过程的实现。目前，控制算法主要有经典的PID及其衍生算法、滞环控制、现代控制理论如重 复控制、自适应控制、模糊控制、滑模控制、无差拍控制、神经元网络控制等。由于现代控制 理论算法较为复杂，计算量大，研究较多；而经典的PID及其衍生算法以及滞环控制算法简 单，较易实现，实际应用较多。在实际应用中，对于单一频率参量的监控，利用被控量，滞环控制与PID及其衍生 算法即可实现控制目标。然而对于多频率被控对象，尤其是在被控对象中的频率较高时，由 于滞环控制算法要求控制环节延时足够小，这将导致开关器件频率过高；而单一的传统的 PID及其衍生算法因带宽限制，通常难以达到控制要求。另外，重复控制算法因其稳态控制 精度高、数字实现容易而在某些领域如UPS等获得了成熟的应用，但在其它某些领域，如跟 踪频繁波动的动态被控对象并进行补偿治理时，就会存在动态响应慢，稳定性不够强，甚至 严重影响设备的可靠性等问题。由于PID控制算法简单可靠，因此如何提高经典PID及其衍生算法在多频率被控 对象的性能非常重要。
实用新型内容本实用新型的目的旨在提出一种三相电力设备数字解耦监控装置。这种三相电力设备数字解耦监控装置，包括逆变桥4、高频滤波电路2、电压电流 采样电路1、数字信号处理器7、驱动电路8和人机接口 6，其特征是所述的三相电源分别 接入电压、电源采样电路1的相对应输入端，并通过输出接口与与数字信号处理器7电连 接，该数字信号处理器7的另外两个接口 其中的一个接口连接人机接口 6，另一个接口连 接驱动电路8、并通过驱动电路8连接逆变桥4 ；同时所述的三相电源接入电压、电源采样电 路1后的沿伸端分别接入高频滤波电路2的相应接口端、并又经该高频滤波电路2的三个 输出端连接组成逆变桥臂4上大功率开关管Sp S2、S3、S4、S5、S6相对应连接端，由此构成整 个三相电力设备监控装置。所述的高频滤波电路2，由6个电抗器与高频载波纹波滤除电路构成；其中第一电抗器L1与第四电抗器L4相连，第二电抗器L2与第五电抗器L5相连，第三电抗器L3与第 六电抗器L6相连，所述第一电抗器L1与第四电抗器L4的公共端、第二电抗器L2与第五电 抗器L5的公共端、第三电抗器L3与第六电抗器L6的公共端都接入高频载波纹波滤除电路 3。所述的高频载波滤除电路3，由采用三角形联接的三组C型滤波器构成，其中的C 型滤波器由电容器CfC6、电感器L7 L9、电阻器RfR3构成三支结构相同的滤波支路，三支 滤波支路采用三角形联接；三支滤波支路的上端分别通过电感器与三相输入电源及逆变电 路桥臂的中点联接。逆变桥臂4的正极端与储能电容5的正极端相连，逆变桥4的负极端与储能电容 5的负极端相连。所述的数字信号处理器7以数字信号处理芯片为核心构筑的数字信号处理电路， 包括DSP数字信号处理芯片及与其信号连接的AD转换芯片、电源芯片、电平转换芯片。所述的驱动电路8采用2sd315为核心构筑驱动电路。所述的电压电流采样电路1包括用于采集电网电压的电压互感器、采集储能电 容电压的电压霍尔、采集负载电流及设备输出电流的电流互感器，并将由电压互感器、采集 储能电容电压的电压霍尔、采集负载电流及设备输出电流的电流互感器所获取的信号输入 由运算放大器构成的信号调理电路；再有所述的信号调理电路将所采集到的电压、电流信 号调整至设定范围。根据以上技术方案提出的三相电力设备数字解耦监控装置，不仅能够解决多频率 被控对象的理想监控，而且具有动态响应快、理论上可实现稳态无静差，尤其是通过采用独 立控制各次频率被控对象，可通过设置各次频率的控制参数实现各次频率被控对象的优化 控制。
图1为三相电力设备数字解耦监控装置结构示意图；图2为组成C型滤波器的高频载波滤除电路图；图3为数字信号处理器的基本框图；图4-1为驱动电路图；图4-2为通道死区RC网络图；图4-3为通道输出外围电路图；图4-4为逻辑电平与复位接口图；图5本实用新型的数字解耦控制方法示意图。图中1-电压、电源采样电路 2-高频滤波电路 3-高频载波纹波滤除电路 4_逆变桥臂5-储能电容6-人机接口 7-数字信号处理器8-驱动电路
具体实施方式
以下结合附图进一步阐述本实用新型，并给出本实用新型的实施例。这种三相电力设备数字解耦监控装置，包括逆变桥4、高频滤波电路2、电压电流 采样电路1、数字信号处理器7、驱动电路8和人机接口 6，其特征是所述的三相电源分别接入电压、电源采样电路1的相对应输入端，并通过输出接口与与数字信号处理器7电连 接，该数字信号处理器7的另外两个接口 其中的一个接口连接人机接口 6，另一个接口连 接驱动电路8、并通过驱动电路8连接逆变桥4 ；同时所述的三相电源接入电压、电源采样电 路1后的沿伸端分别接入高频滤波电路2的相应接口端、并又经该高频滤波电路2的三个 输出端连接组成逆变桥臂4上大功率开关管Sp S2、S3、S4、S5、S6相对应连接端，由此构成整 个三相电力设备监控装置。所述的高频滤波电路2，由6个电抗器与高频载波纹波滤除电路构成；其中第一电 抗器L1与第四电抗器L4相连，第二电抗器L2与第五电抗器L5相连，第三电抗器L3与第 六电抗器L6相连，所述第一电抗器L1与第四电抗器L4的公共端、第二电抗器L2与第五电 抗器L5的公共端、第三电抗器L3与第六电抗器L6的公共端都接入高频载波纹波滤除电路 3。所述的高频载波滤除电路3，由采用三角形联接的三组C型滤波器构成，其中的C 型滤波器由电容器CfC6、电感器L7 L9、电阻器RfR3构成三支结构相同的滤波支路，三支 滤波支路采用三角形联接；三支滤波支路的上端分别通过电感器与三相输入电源及逆变电 路桥臂的中点联接。逆变桥臂4的正极端与储能电容5的正极端相连，逆变桥臂4的负极端与储能电 容5的负极端相连。所述的数字信号处理器7以数字信号处理芯片为核心构筑的数字信号处理电路， 包括DSP数字信号处理芯片及与其信号连接的AD转换芯片、电源芯片、电平转换芯片。其 中DSP为TMS320F1812数字信号处理芯片，AD转换芯片(转换器)可以是AD1674十二位 模数转换芯片，电平转换器可以是ALVC电平转换芯片，电源单元可以是PS76⑶301芯片提 供控制电源。所述的驱动电路8(见附图4-广4_4)，采用2sd315为核心构筑驱动电路。图中的 44引脚的芯片为2sd315，其它的如电阻(代号为R)、电容(代号为C)、二极管(代号为D)、 稳压管(代号为D)等均为常用器件。所述的电压电流采样电路1包括用于采集电网电压的电压互感器、采集储能电容 电压的电压霍尔、采集负载电流及设备输出电流的电流互感器，并将由电压互感器、采集储 能电容电压的电压霍尔、采集负载电流及设备输出电流的电流互感器所获取的信号输入由 运算放大器构成的信号调理电路，再有所述的信号调理电路将所采集到的电压、电流信号 调整至设定范围。所述的三相电力设备数字解耦监控装置的监控方法包含以下步骤1)用电压互感器获得电网电压、用电压霍尔获得储能电容5的电压、用电流互感 器获得负载电流以及设备输出电流，调理至设定范围值，经AD转换后变为数字量，送入数 字信号处理芯片。2)电网电压信号经软件锁相环9 (SPLL)后得到电网电压相位，由此生成各个频率 点下的正弦余弦参考信号 lGsinWit、cosWit、sinw2t、cosw2t> sinwnt、coswnt。3)用电流互感器获得负载电流和设备输出电流，二者差值A ia、A ib、A ic在各 个频率下经以下坐标正交变换分别获得解耦后的idl、iql、id2、iq2和idn、iqn。 其中i = 1、2......nidl、iql、id2、iq2 和 idn、iqn 经低通滤波 LPF 后得到直流量 idll、iqll、idl2、 iql2 和 idnl、iqn2。idll、iqll、idl2、iql2 和 idln、iqln 经 PI 调节器调节后得到调节器 输出idol、iqol、ido2、iqo2和idon、iqon，再分别经求和后得到ido和iqo 其中各频率下的PI调节器的参数可单独设置，优化控制。4) ido和iqo经内环电流调节后得到idr和iqr，再经软件空间矢量发生器控制驱 动电路8工作，驱动逆变桥臂4中的功率器件SI、S2、S3、S4、S5和S6。最终实现各次频率 被控对象的无静差控制。所述的三相电力设备的数字解耦控制方法，由软件锁相环9 (SPLL)、频率1的PI控 制10、频率2的PI控制11、频率i的PI控制12、外环电压调节13、内环电流调节14和空 间矢量发生器15构成。其中uga、ugb、ugc为电网A相、B相和C相电压，ila、ilb和ilc为负载电流，ifa、ifb、 ifc为设备输出的A相、B相和C相电流。A ia为ila与ifa的差值，A ib为ilb和ifb的 差值，A ic为ilc和ifc的差值。sinWlt、C0SWlt为频率1下的正弦和余弦参考信号。idl、iql分别为A ia、A ib、 A ic经坐标变换(C321)后的输出量。idll、iqll分别为idl、iql经低通滤波器(LPF)后 的输出量。idol、iqol分别为idll、iqll经PI控制器(PI)后的输出量。sinw2t, cosw2t为频率2下的正弦和余弦参考信号。id2、iq2分别为A ia、A ib、 A ic经坐标变换(C322)后的输出量。Idl2、iql2分别为id2、iq2经低通滤波器(LPF)后 的输出量。ido2、iqo2分别为idl2、iql2经PI控制器(PI)后的输出量。sinwnt, cosnnt为频率i下的正弦和余弦参考信号。idn、iqn分别为A ia、A ib、 A ic经坐标变换(C32n)后的输出量。idln、iqln分别为idn、iqn经低通滤波器(LPF)后 的输出量。idon、iqon分别为idln、iqln经PI控制器(PI)后的输出量。ido为所有频率下PI控制器的输出(idol、ido2……idon)的和，iqo为所有频率 下PI控制器的输出(iqol、iqo2……iqon)的和。idr、iqr分别为ido、iqo经内环电流调节14后的输出。udc为储能电容5的电压。udcr为给定电压。idcd为udcr与udc差值经外环电 压调节的输出。 i(l°= Hi(lli
权利要求一种三相电力设备数字解耦监控装置，包括逆变桥(4)、高频滤波电路(2)、电压电流采样电路(1)、数字信号处理器(7)、驱动电路(8)和人机接口(6)，其特征是所述的三相电源分别接入电压、电源采样电路(1)的相对应输入端，并通过输出接口与与数字信号处理器(7)电连接，所述数字信号处理器(7)的另外两个接口其中的一个接口连接人机接口(6)，另一个接口连接驱动电路(8)、并通过驱动电路(8)连接逆变桥(4)；同时，所述的三相电源接入电压、电源采样电路(1)后的沿伸端分别接入高频滤波电路(2)的相应接口端、并又经该高频滤波电路(2)的三个输出端连接组成逆变桥臂(4)上大功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6相对应连接端，由此构成整个三相电力设备监控装置。
2.如权利要求1所述的一种三相电力设备数字解耦监控装置，其特征在于所述的高 频滤波电路(2)，由6个电抗器与高频载波纹波滤除电路构成；其中第一电抗器L1与第四 电抗器L4相连，第二电抗器L2与第五电抗器L5相连，第三电抗器L3与第六电抗器L6相 连，所述第一电抗器L1与第四电抗器L4的公共端、第二电抗器L2与第五电抗器L5的公共 端、第三电抗器L3与第六电抗器L6的公共端都接入高频载波纹波滤除电路(3)。
3.如权利要求1所述的一种三相电力设备数字解耦监控装置，其特征在于所述的高 频载波滤除电路(3)，由采用三角形联接的三组C型滤波器构成，其中的C型滤波器由电容 器CfC6、电感器L7 L9、电阻器RfR3构成三支结构相同的滤波支路，三支滤波支路采用三 角形联接；三支滤波支路的上端分别通过电感器与三相输入电源及逆变电路桥臂的中点联 接。
4.如权利要求1所述的一种三相电力设备数字解耦监控装置，其特征在于所述的逆 变桥臂(4)的正极端与储能电容(5)的正极端相连，逆变桥(4)的负极端与储能电容(5) 的负极端相连。
5.如权利要求1所述的一种三相电力设备数字解耦监控装置，其特征在于所述的数 字信号处理器(7)以数字信号处理芯片为核心构筑的数字信号处理电路，包括DSP数字信 号处理芯片及与其信号连接的AD转换芯片、电源芯片、电平转换芯片。
6.如权利要求1所述的一种三相电力设备数字解耦监控装置，其特征在于所述的驱 动电路(8)采用2sd315为核心构筑驱动电路。
7.如权利要求1所述的一种三相电力设备数字解耦监控装置，其特征在于所述的电 压电流采样电路(1)包括用于采集电网电压的电压互感器、采集储能电容电压的电压霍 尔、采集负载电流及设备输出电流的电流互感器，并将由电压互感器、采集储能电容电压的 电压霍尔、采集负载电流及设备输出电流的电流互感器所获取的信号输入由运算放大器构 成的信号调理电路；再由所述信号调理电路将所采集到的电压、电流信号调整至设定范围。
专利摘要一种三相电力设备数字解耦监控装置，包括逆变桥、高频滤波电路、电压电流采样电路、数字信号处理器、驱动电路和人机接口，其特征是所述的三相电源分别接入电压、电源采样电路的相对应输入端，并通过输出接口与与数字信号处理器电连接，所述数字信号处理器的另外两个接口其中的一个接口连接人机接口，另一个接口连接驱动电路、并通过驱动电路连接逆变桥；同时，所述的三相电源接入电压、电源采样电路后的沿伸端分别接入高频滤波电路的相应接口端、并又经该高频滤波电路的三个输出端连接组成逆变桥臂上大功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6相对应连接端，由此构成整个三相电力设备监控装置。
文档编号H02J3/01GK201616711SQ201020036340
公开日2010年10月27日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者孙玉鸿, 彭良华 申请人:上海追日电气有限公司