一种高速三相软断路器控制装置和方法与流程

本发明涉及断路器领域，尤其是一种高速三相软断路器控制装置和方法。

背景技术：

交流断路器是当前现代工农业生产活动中应用最为广泛的交流电控制开关装置，已经成为低压供配电网络终端中必不可少的低压电气设备。但因为传统低压断路器结构为机械式开关，其固有机械开关动作时间相对起交流电变化速度较慢，导致机械式断路器开关动作过慢。使其分断时易产生了强烈电弧。虽断路器都有相应的灭弧机构，但硬开断动作产生的大电流仍会损坏断路器触头，且易引起交流电网产生操作过电压等电能质量危害。此时，不仅大幅影响断路器寿命次数，还延缓了灭弧时间。断路器灭弧装置因其固有的机械热特性的冷却需要时间，导致其不可连续高速分段动作，从而降低了断路器的动态特性及寿命。

电力电子开关元件具有相对交流电变化频率还高的开断速度，但目前因半导体材料工艺等因素制约了其开关通断容量仍较低、耐压水平有待进一步提高。而传统机械式断路器较易制作成较大的开关通断容量，但机械开关动作有延时速度滞后、不可精确控制，在硬分断交流回路时易产生电弧烧灼触头等问题。此时，可通过优化组合两者装置的优势，通过在传统机械式断路器上并联电力电子开关元件，可实现交流断路器高速大容量软开断供电。此时，若通过DSP控制器在交流电电压或电流过零点时精确控制交流电路的开断，就能实现断路器超低功耗甚至于无损分断。这不仅能极大延长断路器工作寿命，同时也能大幅降低传统断路器操作时产生的暂态过电压、分合闸冲击过电流等事故故障。

但要实现二者开关装置的优势互补，前提就是要能实现在电压电流过零点时的精确控制。而电压电流过零点的精确捕捉及锁定就必须依赖精确可靠的采样算法。以往的过零点锁相控制方案都是基于正弦对称稳态交流电情况下建立的，但当交流电网产生相位突然改变、频率突然变化、含有谐波干扰或不对称运行等问题时，就会导致过零检测产生误差，使断路器在电压或电流过零点精确控制动作失效，严重影响断路器控制效果。且传统锁相环控制中的CLARK、PARK坐标变换都是取无功分量以锁相定位控制，此方法运算量较大、过零点的锁相精度易受干扰影响。鉴于此，现有的断路器锁相控制方法有待进一步改进。

技术实现要素：

本发明提供一种高速三相软断路器控制装置和方法，解决现有断路器过零点锁相控制方法鲁棒性低、可靠性不高等问题。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种高速三相软断路器控制装置，包括断路器、开关元件和控制器；所述断路器串接于交流电源和负载之间；所述开关元件各自反向串联成组后与断路器并联，也接于交流电源和负载之间；所述控制器分别与交流电源、开关元件和断路器相连；控制器包括信号采集模块、信号处理模块和信号控制模块；信号采集模块用于采集交流电源的三相交流信号；信号处理模块用于对采集到的三相交流信号进行自然坐标虚拟磁链运算，转换成三相虚拟磁链信号，对三相虚拟磁链信号和交流电源信号进行锁相；信号控制模块用于在锁相成功后，监测交流电源信号相位角，在交流电源信号相位角为2kπ时，控制开关元件提前闭合，在开关元件成功合闸后再控制断路器合闸，断路器断开动作时的操作顺序相反，其中k为自然数。

优选的，信号控制模块还用于在断路器合闸后达到预定时间时，控制开关元件打开。

优选的，转换得到的三相虚拟磁链信号为：

信号处理模块用于依据三相虚拟磁链信号得到αβ坐标系下的磁链为：

信号控制模块用于当磁链无功分量ψ_virβ＝0时，确定三相虚拟磁链信号和交流电源信号锁相成功。

优选的，所述开关元件为两个双反向串联的晶体管。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种高速三相软断路器控制方法，包括如下步骤：采集交流电源的三相交流信号；对采集到的三相交流信号进行自然坐标虚拟磁链运算，转换成三相虚拟磁链信号，对三相虚拟磁链信号和交流电源信号进行锁相；在锁相成功后，监测交流电源信号相位角，在交流电源信号相位角为2kπ时，控制开关元件提前闭合，在开关元件成功合闸后再控制断路器合闸，断路器断开动作时的操作顺序相反，其中k为自然数。

优选的，在断路器合闸后达到预定时间时，控制开关元件打开。

优选的，转换得到的三相虚拟磁链信号为：

所述对三相虚拟磁链信号和交流电源信号进行锁相的步骤，包括：依据三相虚拟磁链信号得到αβ坐标系下的磁链为：

当磁链无功分量ψ_virβ＝0时，确定三相虚拟磁链信号和交流电源信号锁相成功。

优选的，所述开关元件为两个双反向串联的晶体管等电力电子元器件。可根据断路器的工作电压及分断容量来选择。

本发明的有益效果如下：

本发明采用开关元件与传统机械式断路器并联运行，，还可在机械式断路器动作前控制开关元件跟踪交流电过零点动作，以实现整个断路器装置在分段时都达到零电压或零电流的软开关特性，不仅可靠性更高，也极大提高了断路器的速度和寿命，还大幅抑制电弧的产生和操作暂态过电压的问题，提升了系统的鲁棒性。

另外，仅通过1次自然坐标变换即可实现交流电相位锁定，比传统2次坐标变换不仅更迅速，且避免了传统2次坐标在首次启动计算转换时相位角缺失的问题，抗干扰能力和动态特性更佳。且虚拟磁链1次自然坐标变换的误差累积要比传统2次坐标变换引入的正弦和余弦的误差累积要更少，锁相控制更精确。

附图说明

图1为本发明一种实施例的高速三相软断路器控制装置的结构示意图；

图2为本发明一种实施例的自然坐标虚拟磁链锁相算法的结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种高速三相软断路器控制装置，如图1所示，该装置串接在交流电源1和负载2之间。交流电源1为三相交流电，负载2是需使用断路器的任意负载。该装置具体包括断路器3、开关元件4和控制器5。该断路器3串接于交流电源1和负载2之间，断路器3的开闸和合闸可以控制交流电源1和负载2之间电路的导通与断开。所述开关元件4与断路器3并联。所述控制器5分别与交流电源1、开关元件4和断路器3相连。

其中，所述开关元件4可选用两个双反向串联的晶体管41，该晶体管41根据实际具体需求可以选用I GBT。一个晶体管41的漏级与另一晶体管41的源级串接，两个晶体管41的栅极均与控制器5相连。因此，控制器5通过向晶体管41的栅极输送高低电平信号以控制晶体管41的导通与截止。即实现开关元件4的打开与关闭。

控制器5可以是DSP芯片或硬件电路，其包括信号采集模块、信号处理模块和信号控制模块。其中信号采集模块、信号处理模块和信号控制模块均可以是硬件电路、软件模块或硬件电路与软件模块的结合。信号采集模块用于采集交流电源1的三相交流信号，三相交流信号分别为Ea、Eb、Ec。

在一种示例中，信号处理模块包括两个一阶低通滤波器，一阶低通滤波器幅相特性如下

当ω_c＝ω时，一阶低通滤波器的幅相特性为

可见相位滞后了45°，串联两个一阶低通滤波器，得到传递函数：

此时幅相特性为：

两个串联的一阶低通滤波器与积分相频特性相同，但幅频特性已经变为1/2ω。为了达到信号的幅值和相位零误差，还需要将幅值的改变补偿回去，所以补偿幅值后得到传递函数为：

此时的其幅相特性为：

当ω_c＝ω时，计算转换得到改进后的三相交流电磁链：αβ坐标系下的磁链为

αβ坐标系下的磁链为：

由于虚拟磁链矢量比电网电压矢量滞后90度，故只取计算出的虚拟磁链的ψ_virβ分量作为锁定交流电源信号相位的依据。当ψ_virβ分量为0时，即表示虚拟磁链与交流电源信号锁相成功。

如图2所示，锁相过程是通过计算出的虚拟磁链与磁链给定值0进行不断的比较，然后通过PI调节器的无静差调节最终可达到给定值0的状态。此时的角速度与交流电源信号标准50Hz时的角速度进行做差后分别进行运算得到所需要的控制分量，当角速度差值积分后取余计算，即可得到交流电源信号的相位角θ。

在锁相成功后，信号控制模块监测交流电源信号的相位角，在交流电源信号相位角为2kπ时，如要实现断路器闭合，则控制器先控制开关元件4提前闭合，在开关元件4闭合后的达到预定时间时，再控制断路3器合闸，即可降低传统机械式断路器动、静触头间的压差和冲击电流，在增大原电路开关容量的同时提高了分断速度。同时，信号控制模块还用于在断路器3合闸后达到预定时间时，控制开关元件4打开，降低开关元件4的热效应及其应力，就为下一次断路器3的再次动作做好准备。

因此，采用开关元件4与传统机械式断路器的精确锁相并联运行，不仅可在机械式断路器动作前控制开关元件4跟踪交流电过零点精确高速动作，还可实现整个断路器装置在闭合或断开时都可达到零电压或零电流的软开关特性，不仅可靠性更高，也极大提高了断路器的速度和寿命，还大幅抑制电弧的产生和操作暂态过电压的问题，提高了系统的鲁棒性。

另外，仅通过1次自然坐标变换即可实现交流电相位锁定，相比传统锁相环控制中的2次坐标变换不仅更迅速，且避免了传统2次坐标在首次启动计算转换时相位角缺失的问题，抗干扰性和动态特性更佳。且虚拟磁链1次自然坐标变换的误差累积要比传统2次坐标变换引入的正弦和余弦的误差累积要更少，锁相控制更精确。

本发明还提供一种高速三相软断路器控制方法，该方法从控制器的角度进行描述。其硬件电路包括断路器3、开关元件4和控制器5。该断路器3串接于交流电源1和负载2之间，断路器3的开闸和合闸可以控制交流电源1和负载2之间电路的导通与断开。所述开关元件4与断路器3并联。所述控制器5分别与交流电源1、开关元件4和断路器3相连。该方法具体包括如下步骤：

采集交流电源的三相交流信号；对采集到的三相交流信号进行自然坐标虚拟磁链运算，转换成三相虚拟磁链信号，对三相虚拟磁链信号和交流电源信号进行锁相；在锁相成功后，监测交流电源信号相位角，在交流电源信号相位角为2kπ时，控制开关元件提前闭合，控制断路器延时合闸，其中k为自然数。

在一种实施例中，还包括如下步骤：在断路器合闸后达到预定时间时，控制开关元件打开。

在一种实施例中，转换得到的三相虚拟磁链信号为：

所述对三相虚拟磁链信号和交流电源信号进行锁相的步骤，包括：依据三相虚拟磁链信号得到αβ坐标系下的磁链为：

当磁链无功分量ψ_virβ＝0时，确定三相虚拟磁链信号和交流电源信号锁相成功。

在一种实施例中，所述开关元件为两个双反向串联的晶体管等电力电子元器件。可根据断路器的工作电压及分断容量来选择。

上述为高速三相软断路器实现精确锁相控制方法部分的计算过程，可参考高速三相软断路器控制装置部分的实施，在此不做赘述。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。