一种集中与分布式相结合的换流链控制器的制作方法

文档序号:7483058
专利名称:一种集中与分布式相结合的换流链控制器的制作方法
技术领域
本实用新型属于电力电子装置控制技术领域,具体涉及一种用于链式 STATC0M(静止无功补偿器)及其他采用链式换流器的FACTS(柔性交流输电)装置的集中与分布式相结合的换流链控制器。
背景技术
链式STATC0M在工程中应用广泛。其主电路的核心部分是链式结构的电压源逆变器,相单元为独立的换流链,由N个结构完全相同的基本单元串联而成,每个基本单元是一个可输出三电平的单相桥式电压源逆变器。N个基本单元串联可得到2N+1级的阶梯电压波形。链式电路基本结构如附图1所示。链式结构可以实现独立分相控制,有利于解决系统的相间平衡问题,在系统受到扰动时,更好地提供电压支撑。其所有链接的基本单元结构完全相同,可以实现模块化设计,便于扩容和维护,并避免了因开关器件直接串并联使用而产生的问题。链式STATC0M采用普通变压器接入系统,避免了多重化变压器带来的问题,减小了占地面积,降低了装置成本。此外,链式STATC0M输出的谐波可忽略,不需要滤波器。然而,链式结构引发的问题是直流侧电容电压波动剧烈及直流电容电压不平衡, 协调控制难度较大。针对链式STATC0M直流电压平衡问题,工程中通常采用三级直流电压控制,第一级为全局平均直流电压控制,生成换流器整体参考指令,解决装置整体直流侧电压的稳定问题;第二级控制为换流链平均直流电压控制,实现相间直流侧电压平衡,对各相换流链分别进行控制;第三级控制为链节直流电压控制,实现链节平衡,需要对每个链节分别进行控制。上述三级控制策略的控制对象分别为三相整体换流链,单相换流链以及单个链节,类型不同,受控量的数目也不同。若控制器采用集中式设计,各种控制功能都集中在控制保护层完成,第三级控制信号在控制保护层和阀组层之间的交换需要上百微秒,相对较大的延时会使控制器的稳定裕度降低,对控制方案的要求提高。为此,本文提出一种集中-分布式相结合的控制器结构在阀控层对应各个链节单元加入DSP,使阀组控制层具备就地处理的能力,可显著提高链式换流器的控制速度,具有层次合理,控制目标明确,响应速度快,控制效果良好等优点。

实用新型内容为了克服现有技术的上述缺陷,本实用新型的目的在于提出一种层次合理、控制目的明确、易于实现且控制效果良好稳定的集中与分布式相结合的换流链控制器。本实用新型的集中与分布式相结合的换流链控制器是通过下述技术方案实现的—种集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于,该控制器采用三层结构 包括监控层、控制保护层和阀组控制层,所述控制保护层与监控层通过以太网互联,所述控制保护层与阀组控制层通过基于工业以太网的光纤通信设备互联。[0008]其中,所述监控层包括本地监控计算机、远程监控计算机和以太网交换机,两个监控计算机分别通过以太网交换机与控制保护层实现以太网互联。其中,所述控制保护层包括电压电流采样器、调节保护器、录波回放器、开关量输入单元和开关量输出单元,所述电压电流采样器将采集到的电压、电流信号通过数据总线传至调节保护器,所述调节保护器分别与录波回放器、开关量输入单元和开关量输出单元相连接。其中,所述电压电流采样器包括用于采集电压信号的电压互感器和用于采集电流信号的电流互感器,A/D转换器。其中,所述调节保护器采用数字信号处理器DSP。其中,所述录波回放器采用数字信号处理器DSP。其中,所述开关量输入单元采用复杂可编程逻辑器件CPLD。其中,所述开关量输出单元采用继电器。其中,所述阀组控制层包括三相所有链节单元,每个链节单元包括阀体,数字信号处理器,光耦通道,电压、电流传感器和驱动器;所述阀体中包含若干IGBT阀,所述数字信号处理器,光耦通道和电压、电流传感器集成于DSP板卡上,所述驱动器通过光耦通道与数字信号处理器相连,所述驱动电路及电压、电流传感器直接与阀体相连,阀体状态由电压、 电流传感器检测并送至数字信号处理器,由数字信号处理器通过光耦通道将控制指令送至驱动电路,驱动电路依据控制指令驱动阀体中相应的IGBT阀。本实用新型的控制装置具有以下优点1)该控制器在原有三层控制器结构的基础上将集中型控制器设计改变为集中式控制与分布式控制相结合的结构,在阀组控制层模块中增加DSP实现就地控制,不但可以显著提高控制速度,还可以更好的与换流链三级直流电压控制策略相协调,很好满足实时控制要求;2)该控制器在阀组控制层和控制保护层间使用基于工业以太网的光纤通信技术 (即光纤以太网),具有信号传输速度快、隔离性好等优点;3)该控制器可应用于链式STATC0M(静止无功补偿器)及其他采用链式换流器的 FACTS(柔性交流输电)装置中,应用范围广泛,具有控制目的明确、易于实现且控制效果稳定等特点,优化了链式STATC0M控制技术。

图1是级联H桥链式STATC0M主电路拓扑结构图; 图2是链式STATC0M三级直流电压控制框图;图3是本实用新型的集中-分布式控制器的结构框图;图4是阀组控制层中单个链节单元的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的控制装置作进一步详细的说明。图1为级联H桥型链式STATC0M的主电路拓扑结构图。如图1所示,每相换流链由N个具有独立直流电容的级联型单相逆变器串联而成,三相换流链采用星型接法。
4[0026]图2为三级直流电压控制框图。图中包括第一级全局直流电压控制器,第二级换流链平均直流电压控制器以及第三级链节直流电压控制器,全局直流电压控制器的的输入为为全局直流电压平均值指令<,全局直流电压平均值vd。·,输出为有功电流参考指令 Isd* ;换流链平均直流电压控制器的输入为全局直流电压平均值vd。—■及各相换流链直流电压平均值vd。—a,Vdc ave b, vd。—。,输出为各相换流链的参考调制波电压’v:";链节直流电压控制器以A相为例,输入为换流链直流电压平均值vd。a以及A相N个链节的直流电压测量vd。—a—工,vd。—a—2··· vd。—a—N,输出为A相换流链每个链节的参考调制波电压^ lil, ^o2 ··(。从附图2中可见,若采用传统的集中式控制器,包括三级直流电压控制在内的所有控制功能都在控制保护层完成,而第三级直流电压控制输入的测量信号来自于阀层的各个模块,且第三级直流电压控制的输出指令又要传送到阀层的各个模块之中,这个过程需要上百微秒,造成控制器较大的延时,对控制器稳定裕度造成较大影响。因此采用本实用新型的集中与分布式相结合的控制器设计方案,将第三级控制在阀控制层实现,可大大缩短控制速度,该控制器的结构如下如图3所示,本实用新型的控制器采用三层结构第一层为监控层,第二层为控制保护层,第三层为阀组控制层。监控层与控制保护层通过以太网互联,控制保护层与阀组控制层通过光纤以太网互联。下面分别对三层结构中的各硬件部分进行详细说明(一 )监控层监控层主要包括用于实现就地监控的本地监控计算机、用于实现远程监控的远程监控计算机以及与控制保护层交换信息的以太网交换机。监控层使用以太网交换机,将本地监控计算机、远程监控计算机以及控制保护层中的数字信号处理器I、数字信号处理器 II通过以太网互联。监控层是主要功能是提供STATC0M装置的主线路图显示、开关状态显示、装置电压电流显示、阀体模块电压显示、阀体模块状态显示、参数查询与修改、开关分和操作、装置投入退出操作等等。(二)控制保护层控制保护层主要包括电压电流采样器、调节保护器、录波回放器、开关量输入单元和开关量输出单元。电压电流采样器包括用于采集电压信号的电压互感器(原副边比为100 1)和用于采集电流信号的电流互感器(原副边比为40 1),电压互感器和电流互感器将采集的电压、电流信号经高速AD数据转换卡变为14bit的数字信号,通过数据总线将数字信号传至数字信号处理器I。开关量输入单元采用复杂可编程逻辑器件CPLD实现,其用于将开关接点信号、温度接点信号、湿度接点信号和按钮信号等经过消抖处理后,传至数字信号处理器I。调节保护器是该控制装置的核心部分,主要完成对控制装置的动态无功功率的跟踪、直流侧电压平衡(三级稳压控制中的一级稳压控制和二级稳压控制)以及PWM脉冲角度数据的计算、系统状态过程的逻辑控制、装置保护等功能。调节保护器采用TI公司生产的、型号为TMS320F28335的数字信号处理器DSP,其工作频率为150MHz (单周期指令时间为 6. 67ns)。调节保护器对电压电流采样器传来的数字信号和开关量输入单元传来的各种信号进行计算后得到的补偿信号通过光纤传至阀组控制层。录波回放器采用数字信号处理器DSP实现,其用于记录STATC0M的投入、退出及故障时的波形和状态。开关量输出单元采用继电器实现,其用于接收数字信号处理器I传来的开关控制信号,以控制开关分合操作。(三)阀组控制层阀组控制层主要用于实现第三级稳压控制、阀触发输出的执行和阀的状态监测。 如图4,该阀组控制层包括换流器所有链节单元,每个链节单元均包括阀体、用于对该链节单元相对应的阀体进行就地控制的数字信号处理器DSP,光耦通道,驱动器以及电压、电流传感器,其中DSP,光耦通道和电压、电流传感器集成在DSP板卡上,DSP通过光耦通道与驱动器相连,驱动电路及电压、电流传感器直接与阀体相连。阀体状态由电压、电流传感器送至DSP中,DSP依据阀体状态及上层控制指令生成触发脉冲信号,并将触发脉冲信号通过光耦通道送至驱动电路,最后由驱动电路驱动该链节单元的阀体中相应的IGBT阀导通或关断。阀控系统通过通过基于工业以太网的光纤通信设备与控制保护层进行互联通信, 为了使阀组控制层具备就地处理的能力,在三相换流链中的每个链节单元中分别配有一数字信号处理器DSP。阀控系统采用的触发技术为PWM触发技术。阀组控制层先接收控制保护层下发的补偿信号,由其中的DSP生成第三级稳压的控制指令,生成PWM脉冲触发信号,送到阀组控制层中的驱动器。阀控系统的电压、电流传感器检测位于三相换流链中各链节单元中阀体的直流母线电压信号、阀体电流信号、阀体故障状态信号和温度信号等等,当上述信号超过阈值时,则启动故障保护、封锁PWM脉冲, 并将产生的故障信号上报至控制保护层的数字信号处理器I,数字信号处理器I再根据故障信号启动该控制装置的保护动作,控制阀组控制层中的驱动器实现对IGBT阀的驱动和保护。阀组控制层中的驱动器主要实现IGBT阀的驱动和保护,实现对阀体中单个IGBT 阀的触发脉冲信号的生成,并直接驱动各功率开关模块,实现相关的控制技术。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本实用新型的具体实施方式
进行修改或者等同替换,而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于,该控制器采用三层结构 包括监控层、控制保护层和阀组控制层,所述控制保护层与监控层通过以太网互联,所述控制保护层与阀组控制层通过基于工业以太网的光纤通信设备互联。
2.如权利要求1所述的集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于所述监控层包括本地监控计算机、远程监控计算机和以太网交换机,两个监控计算机分别通过以太网交换机与控制保护层实现以太网互联。
3.如权利要求1所述的集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于所述控制保护层包括电压电流采样器、调节保护器、录波回放器、开关量输入单元和开关量输出单元,所述电压电流采样器将采集到的电压、电流信号通过数据总线传至调节保护器,所述调节保护器分别与录波回放器、开关量输入单元和开关量输出单元相连接。
4.如权利要求3所述的集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于所述电压电流采样器包括用于采集电压信号的电压互感器和用于采集电流信号的电流互感器,A/D 转换器。
5.如权利要求3所述的集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于所述调节保护器采用数字信号处理器DSP。
6.如权利要求3所述的集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于所述录波回放器采用数字信号处理器DSP。
7.如权利要求3所述的集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于所述开关量输入单元采用复杂可编程逻辑器件CPLD。
8.如权利要求3所述的集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于所述开关量输出单元采用继电器。
9.如权利要求1所述的集中与分布式相结合的换流链控制器,其特征在于所述阀组控制层包括三相所有链节单元,每个链节单元包括阀体,数字信号处理器,光耦通道,电压、 电流传感器和驱动器;所述阀体中包含若干IGBT阀,所述数字信号处理器,光耦通道和电压、电流传感器集成于DSP板卡上,所述驱动器通过光耦通道与数字信号处理器相连,所述驱动电路及电压、电流传感器直接与阀体相连,阀体状态由电压、电流传感器检测并送至数字信号处理器,由数字信号处理器通过光耦通道将控制指令送至驱动电路,驱动电路依据控制指令驱动阀体中相应的IGBT阀。
专利摘要本实用新型涉及一种集中与分布式相结合的换流链控制器,其采用三层结构包括监控层、控制保护层和阀组控制层,控制保护层与监控层通过以太网互联,控制保护层与阀组控制层通过基于工业以太网的光纤通信设备互联。该控制器在阀组控制层模块中增加DSP实现就地控制,可显著提高控制速度、更好的与换流链三级直流电压控制策略相协调,能够满足实时控制要求;此外在阀组控制层和控制保护层间使用基于工业以太网的光纤通信技术,信号传输速度快,隔离性好。该控制器可应用于链式STATCOM及其他采用链式换流器的FACTS装置中,具有控制目的明确、易于实现、控制效果稳定的特点,优化了链式STATCOM控制技术。
文档编号H02J13/00GK202042945SQ201120123690
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者刘隽, 包海龙, 吴家华, 周飞, 胡为进, 荆平, 蒋晓春, 蔡林海, 赵国亮 申请人:上海市电力公司, 中国电力科学研究院
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