一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧系统及方法与流程

本发明属于电力设备领域，涉及通过虚拟电压前馈控制算法控制电网并联型三相逆变器实现真空开关的快速灭弧，尤其是一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧系统及方法。

(二)

背景技术：

随着快速真空开关技术的发展，基于永久磁铁的快速真空开关在电力行业应用越来越广泛。开关的快速分闸与快速合闸不但可以大大缩小电力系统故障扩散范围，而且可以实现企业双回路供电的快速倒闸，为工况企业的工艺流程提供高可靠性供电。

目前，无论是基于涡流盘的快速真空开关还是基于永久磁铁的快速真空开关，在开关分闸时都会出现拉弧现象，由于弧光仍然具有导电特性，因此在拉弧过程中即使开关触点实现了物理分断，但并没有实现真正的绝缘分断。真空灭弧罩是目前快速开关的重要灭弧设备，但其只能在电流过零点后实现完全灭弧，从而导致灭弧时间仍然会持续最大10ms。

考虑到检测时间，这个10ms灭弧时间对一些电压敏感性负荷仍然是无法忍受的，同时如果能进一步缩短灭弧时间还可以缩小电力系统故障范围。然而目前依靠开关本体的真空灭弧技术发展已经到达瓶颈，因此通过与其他电力设备配合实现快速灭弧是一种可行的解决方案。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧系统及方法，它可以弥补现有技术的不足，利用工作在电流源模式下的并网电压源型逆变器对真空开关实施灭弧，通过将虚拟电压前馈控制与电流跟踪控制相结合，实现真空开关的快速灭弧，是一种结构简单，方法易行的方法。

本发明的技术方案：一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧系统，包括被控对象lcl滤波器和被控对象直流电容，其特征在于它包括电压外环目标值给定单元、比例积分算法单元、电压角频率生成及计算单元及电流跟踪虚拟前馈算法单元；其中，所述电压外环目标值给定单元采集逆变器直流侧电压瞬时值信号，生成控制目标值；所述比例积分算法单元的输入端分别与电压外环目标值给定单元的输出端及直流电容的输出端连接，其输出端与电流跟踪虚拟前馈算法单元连接；所述电压角频率生成及计算单元的输入端采集系统电源a、b、c三相的每一相的相电压瞬时值，其输出端连接电流跟踪虚拟前馈算法单元；所述电流跟踪虚拟前馈算法单元的输入端还与被控对象lcl滤波器连接，其输出端与被控对象lcl滤波器和被控对象直流电容连接。

所述电压角频率生成及计算单元是由锁相环模块和正弦信号生成模块构成；所述锁相环模块用于对系统电源的相电压瞬时值进行检测，得到实时相位，其输出端与正弦信号生成模块连接；所述正弦信号生成模块的输出端连接电流跟踪虚拟前馈算法单元。

所述锁相环模块为3个，分别用于对系统电源的a、b、c三相的每一相的相电压瞬时值的va、vb、vc进行检测，得到每相相电压的实时相位。

所述正弦信号生成模块为3个，分别用于由锁相环模块得到每相相电压的实时相位进行正弦信号的计算处理。

所述电流跟踪虚拟前馈算法单元为3个，用于实现对系统a、b、c三相的电流信号的跟踪和虚拟电压的前馈控制，其输入端分别与3个正弦信号生成模块连接，其输出端分别连接被控对象lcl滤波器的a、b、c三相及直流电容。

一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)基于逆变器直流电压瞬时值vdc的电压外环控制：

1-1由电压外环目标值给定单元采集逆变器直流电压瞬时值vdc，并将逆变器直流侧电压控制目标值vdc作为电压外环目标给定值；

1-2将电压外环目标给定值vdc与逆变器直流电压瞬时值vdc做差，得到偏差δv；

1-3将上述步骤得到的δv在比例积分算法单元进行比例积分运算得到电压外环pi控制器的控制值vpi，即：

其中kp为比例系数，ti为积分系数；

1-4使用电压角频率生成及计算单元中的锁相环模块对系统电源a、b、c三相的每一相的相电压瞬时值的va、vb、vc进行检测，得到每相相电压的实时相位ωa，ωb，ωc，并由正弦信号生成模块对所得实时相位进行计算，求其正弦值sin(ωa)、sin(ωb)、sin(ωc)；

1-5将步骤1-3得到的vpi分别与步骤1-4的sin(ωa)、sin(ωb)、sin(ωc)相乘得到对应a，b，c三相的三个电流跟踪内环目标给定值ia、ib、ic；

1-6将电流跟踪内环目标给定值ia、ib、ic与逆变器三相交流输出电流瞬时值ia、ib、ic做差，分别得到偏差δia、δib、δic，分别作为电流跟踪虚拟前馈控制算法单元的三个输入信号；

(2)由电流跟踪虚拟前馈控制算法单元实现电流跟踪内环和虚拟电压前馈控制：

2-1将由步骤1-6得到的δia、δib、δic分别进行比例积分运算，分别得到电流跟踪内环pi控制器的控制值，记作ipia、ipib、ipic，即：

其中kp为比例系数，ti为积分系数；

2-2将步骤1-4中得到的正弦值sin(ωa)、sin(ωb)、sin(ωc)，分别与系统电源额定相电压峰值的vam、vbm、vcm相乘，并将得到的电压作为系统电源的虚拟电压，记作：vamsin(ωa)、vbmsin(ωb)、vcmsin(ωc)；

2-3将三相相电压的瞬时值va、vb、vc乘以系数k1，将步骤2-2中得到的vamsin(ωa)，vbmsin(ωb)，vcmsin(ωc)乘以系数k2，两部分分别相加，得到虚拟前馈电压，即：

vaf＝k1×va+k2×vamsin(ωa)

vbf＝k1×vb+k2×vbmsin(ωb)

vcf＝k1×vc+k2×vcmsin(ωc)

其中：k1+k2＝1；

2-4将步骤2-3中得到的vaf，vbf，vcf与步骤2-1中得到的ipia，ipib，ipic相加，可得到灭弧算法的最终控制值，即逆变器三相输出所需要的调制波ma、mb、mc，记作：

ma＝(vaf+ipia)，mb＝(vbf+ipib)，mc＝(vcf+ipic)；

(3)步骤(2)得到的调制波ma、mb、mc经过载波调制后，生成脉宽调制触发信号pwma、pwmb、pwmc分别作用在逆变器三相对应的各相桥臂上，此时，逆变器各相桥臂分别输出脉宽调制电压vpwma、vpwmb、vpwmc，该电压将与电网电压va、vb、vc分别共同作用在a、b、c三相的每一相的被控对象lcl滤波器上产生逆变器各相输出交流电流ia、ib、ic；

(4)调节步骤(3)得到的交流电流可以实现对逆变器直流电容充放电控制，进而实现了对直流电压vdc的控制。

所述步骤2-2中虚拟电压前馈时得到的vamsin(ωa)、vbmsin(ωb)、vcmsin(ωc)是根据系统电压相位计算所得，不会受到系统电源电压暂态畸变的影响，可以通过设定系数k1和k2的关系达到使逆变器交流输出具有电压源特性的目的；由于当开关产生的电弧具有阻感特性，流过电弧的电流会在电弧上产生暂态的电压，因此可以通过具有电压源特性逆变器的电压源钳位作用将电弧能量快速吸收，最终实现了灭弧功能。

本发明的优越性：基于虚拟电压前馈控制的灭弧方法不但可以确保在系统电源电压暂变时逆变器不会过流，还可以实现真空开关分闸时的快速灭弧，极大缩短了开关分闸的绝缘分断时间，实现了开关的真正快速断开功能；操作方便，容易实现，实用性强且使用场合广。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧方法的实施电路结构原理图。

图2为本发明所涉一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧方法中电压外环、电流跟踪内环和虚拟电压前馈控制的控制原理流程示意图。

图3为本发明所涉一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧方法中电流跟踪内环和虚拟电压前馈控制的具体控制原理图(其中图3-a为a相的控制原理图，图3-b为b相的控制原理图，图3-c为c相的控制原理图)。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧系统，如图2所示，包括被控对象lcl滤波器和被控对象直流电容，其特征在于它包括电压外环目标值给定单元、比例积分算法单元、电压角频率生成及计算单元及电流跟踪虚拟前馈算法单元；其中，所述电压外环目标值给定单元采集逆变器直流侧电压瞬时值信号，生成控制目标值；所述比例积分算法单元的输入端分别与电压外环目标值给定单元的输出端及直流电容的输出端连接，其输出端与电流跟踪虚拟前馈算法单元连接；所述电压角频率生成及计算单元的输入端采集系统电源a、b、c三相的每一相的相电压瞬时值，其输出端连接电流跟踪虚拟前馈算法单元；所述电流跟踪虚拟前馈算法单元的输入端还与被控对象lcl滤波器连接，其输出端与被控对象lcl滤波器和被控对象直流电容连接。

所述电压角频率生成及计算单元是由锁相环模块和正弦信号生成模块构成，如图2所示；所述锁相环模块用于对系统电源的相电压瞬时值进行检测，得到实时相位，其输出端与正弦信号生成模块连接；所述正弦信号生成模块的输出端连接电流跟踪虚拟前馈算法单元。

如图2所示，所述锁相环模块为3个，分别用于对系统电源的a、b、c三相的每一相的相电压瞬时值的va、vb、vc进行检测，得到每相相电压的实时相位。

如图2所示，所述正弦信号生成模块为3个，分别用于由锁相环模块得到每相相电压的实时相位进行正弦信号的计算处理。

如图2所示，所述电流跟踪虚拟前馈算法单元为3个，用于实现对系统a、b、c三相的电流信号的跟踪和虚拟电压的前馈控制，其输入端分别与3个正弦信号生成模块连接，其输出端分别连接被控对象lcl滤波器的a、b、c三相及直流电容。

一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧方法，如图2所示，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)基于逆变器直流电压瞬时值vdc的电压外环控制：

1-1由电压外环目标值给定单元采集逆变器直流电压瞬时值vdc，并将逆变器直流侧电压控制目标值vdc作为电压外环目标给定值；

1-2将电压外环目标给定值vdc与逆变器直流电压瞬时值vdc做差，得到偏差δv；

1-3将上述步骤得到的δv在比例积分算法单元进行比例积分运算得到电压外环pi控制器的控制值vpi，即：

其中kp为比例系数，ti为积分系数；

1-4使用电压角频率生成及计算单元中的锁相环模块对系统电源a、b、c三相的每一相的相电压瞬时值的va、vb、vc进行检测，得到每相相电压的实时相位ωa，ωb，ωc，并由正弦信号生成模块对所得实时相位进行计算，求其正弦值sin(ωa)、sin(ωb)、sin(ωc)；

1-5将步骤1-3得到的vpi分别与步骤1-4的sin(ωa)、sin(ωb)、sin(ωc)相乘得到对应a，b，c三相的三个电流跟踪内环目标给定值ia、ib、ic；

1-6将电流跟踪内环目标给定值ia、ib、ic与逆变器三相交流输出电流瞬时值ia、ib、ic做差，分别得到偏差δia、δib、δic，分别作为电流跟踪虚拟前馈控制算法单元的三个输入信号；

(2)由电流跟踪虚拟前馈控制算法单元实现电流跟踪内环和虚拟电压前馈控制：

2-1将由步骤1-6得到的δia、δib、δic分别进行比例积分运算，分别得到电流跟踪内环pi控制器的控制值，记作ipia、ipib、ipic，即：

其中kp为比例系数，ti为积分系数；

2-2将步骤1-4中得到的正弦值sin(ωa)、sin(ωb)、sin(ωc)，分别与系统电源额定相电压峰值的vam、vbm、vcm相乘，并将得到的电压作为系统电源的虚拟电压，记作：vamsin(ωa)、vbmsin(ωb)、vcmsin(ωc)；

2-3将三相相电压的瞬时值va、vb、vc乘以系数k1，将步骤2-2中得到的vamsin(ωa)，vbmsin(ωb)，vcmsin(ωc)乘以系数k2，两部分分别相加，得到虚拟前馈电压，即：

vaf＝k1×va+k2×vamsin(ωa)

vbf＝k1×vb+k2×vbmsin(ωb)

vcf＝k1×vc+k2×vcmsin(ωc)

其中：k1+k2＝1；

2-4将步骤2-3中得到的vaf，vbf，vcf与步骤2-1中得到的ipia，ipib，ipic相加，可得到灭弧算法的最终控制值，即逆变器三相输出所需要的调制波ma、mb、mc，记作：

ma＝(vaf+ipia)，mb＝(vbf+ipib)，mc＝(vcf+ipic)；

(3)步骤(2)得到的调制波ma、mb、mc经过载波调制后，生成脉宽调制触发信号pwma、pwmb、pwmc分别作用在逆变器三相对应的各相桥臂上，此时，逆变器各相桥臂分别输出脉宽调制电压vpwma、vpwmb、vpwmc，该电压将与电网电压va、vb、vc分别共同作用在a、b、c三相的每一相的被控对象lcl滤波器上产生逆变器各相输出交流电流ia、ib、ic；

(4)调节步骤(3)得到的交流电流可以实现对逆变器直流电容充放电控制，进而实现了对直流电压vdc的控制。

所述步骤2-2中虚拟电压前馈时得到的vamsin(ωa)、vbmsin(ωb)、vcmsin(ωc)是根据系统电压相位计算所得，不会受到系统电源电压暂态畸变的影响，可以通过设定系数k1和k2的关系达到使逆变器交流输出具有电压源特性的目的；由于当开关产生的电弧具有阻感特性，流过电弧的电流会在电弧上产生暂态的电压，因此可以通过具有电压源特性逆变器的电压源钳位作用将电弧能量快速吸收，最终实现了灭弧功能。

以下结合附图，详细介绍本发明一种基于虚拟电压前馈控制的真空开关灭弧方法的工作原理和工作过程：

如图1所示为基于逆变器，lcl滤波器，直流电容，真空开关和控制器的电路原理图，逆变器为常规三相逆变器，逆变器输出三相电流ia,ib，ic经过各相lcl滤波器到与lcl滤波器并联的系统电源，控制器通过采集逆变器直流电容电压vdc，逆变器输出三相电流ia,ib，ic，系统电源电压va，vb，vc实现控制策略，控制器输出pwm信号到执行单元，即逆变器，实现逆变器各相对应igbt(绝缘栅型晶体管)的开通与关断控制，执行单元作用于被控对象，即直流电容和各相lcl滤波器，实现电压外环与电流跟踪内环的控制，通过在电流跟踪内环加入虚拟电压前馈控制调节逆变器的电压源强度，以最终实现对真空开关的灭弧功能。

图2为基于电压外环，电流跟踪内环和虚拟前馈控制原理图，电压外环实现对直流电容电压vdc控制，其原理是通过调节逆变器交流电流ia,ib，ic对直流电容的充电与放电实现直流电压控制，因此电压外环控制输出ia,ib，ic为电流内环的输入目标值，由于为三相逆变器，各相独立控制，因此如图2所示有三个电流跟踪内环，分别对应a，b，c三相，电流内环控制器输出ipia，ipib，ipic，通过直接对其叠加电压值实现电压前馈控制算法，通常做法是直接叠加系统电源瞬时值va，vb，vc，这样可以是逆变器输出电压跟随系统电源电压，避免当系统电源出现电压暂变后发生逆变器过流停止工作现象，但是当真空开关在分闸时，电弧会引起严重电压暂变，该电压暂变与系统电源引起的电压暂变不同，能量很弱，此时如果逆变器能够具备电压源特性便可以快速吸收该电弧能量，从而确保对真空开关的快速灭弧。

本发明的电压前馈控制算法首先根据系统电源电压额定峰值和实时相位计算推出虚拟电压vamsin(ωa)，vbmsin(ωb)，vcmsin(ωc)，即该电压是期望值，不是真实值，乘以一系数后再分别与系统电源瞬时值va，vb，vc乘以一系数值相加得vaf，vbf，vcf，将其分别与电流内环控制器输出ipia，ipib，ipic相加得到最终调制波ma,mb,mc，这样在真空开关断开过程中，由于逆变器保持了电压源特性，不但可以实现快速灭弧，而且可以实现逆变器从电流源无缝切换到电压源功能，为电压敏感负荷供电可靠性提供保证。