一种并联电流源型IGCT融冰装置均流控制方法及系统与流程

一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及输电线路融冰装置的控制技术领域，属于电力电子变换器技术领域，特别是一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统。


背景技术：

2.输电线路覆冰问题是危害电力系统安全稳定运行的重大自然灾害之一，输电线路在低温天气下严重覆冰会导致其负重增加，机械性能和电气性能均严重下降，继而引起供电中断等事故。为了抵御冰雪危害，世界各国从防冰、除冰、融冰方面开展研究。其中，直流融冰装置电源容量小、融冰速度快、融冰效果好，广泛应用于输电线路覆冰过重的场合，成为易覆冰地区的标准配置。
3.作为一种输电线路自动除冰方法，直流融冰将交流电源通过电力电子变换器转化为直流，通过直流电流在输电线路上的热效应对其覆冰层进行加热，从而达到融冰目的。基于电流源型全控整流器的直流融冰装置是针对电网融冰场合提出一种新型解决方案，其中的开关器件采用pwm调制，谐波特性优秀，所需配置的滤波器体积更小；由于采用全控器件，该融冰装置的控制策略灵活，无冰期可以为交流系统提供无功补偿。同时由于逆阻型igct器件失效后可靠短路、可以承受双向电压、通态损耗小于其他全控器件，其器件特性恰好与电流源型全控换流器电流持续流通的需求相匹配。
4.在实际应用中，单台大功率融冰装置成本高，占地空间大，且往往受限于功率器件电流限制，无法满足在大容量高功率工况下使用，将两个融冰装置并联使用，扩大融冰系统的应用范围，降低单个装置电流负荷是经常使用的方法，但由于实际应用中无法保证两装置工况完全一致，在两套融冰装置间会有功率分配不均问题，严重时可能导致设备脱网。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述和/或现有的一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法中存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法，其包括，
9.分析第一个融冰装置和第二个融冰装置电流不平衡现象；
10.改变调制因数，进而影响换流器直流端口电压；
11.通过分析装置直流侧电流差，设计pwm脉冲修正控制；
12.通过设计的pwm脉冲修正进行igct融冰装置均流控制。
13.作为本发明所述一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法的一种优选方案，其中：所述不平衡现象包括，硬件制造过程中的误差以及控制信号不可能完全时序一致，两个融冰换流器直流端口电压不均衡，以及桥臂电流不均衡，同时并联电流源换流器间功率分配不均衡。
14.作为本发明所述一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法的一种优选方案，其中：所述改变调制因数包括，通过在pwm信号中插入旁路脉冲β0，可使得某桥臂上下开关管出现直通，降低调制因数，同样，改变脉冲信号相对电网电压的延时角α同样可以改变调制因数，进而影响换流器直流端口电压。
15.作为本发明所述一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法的一种优选方案，其中：所述消除第一个融冰装置和第二个融冰装置两端电压不均衡包括，量化分析可得，母线端口平均电压：
[0016][0017]
其中g1，g3，g5分别为开关管的驱动pwm脉冲信号，u
sa
，u
sb
，u
sc
为电网的三相电压，初始状态，三个脉冲信号间相位角差值为120
°
，三相电压间相位差也为120
°
，上式可化简为：
[0018][0019]
其中u
p_ave
为母线端口平均电压，um为峰值电压，θ为pwm信号五个初始自由角度，α为脉冲信号相对电网电压的延时角，β0为旁路脉冲。
[0020]
作为本发明所述一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法的一种优选方案，其中：设计所述pwm脉冲修正控制包括，将母线正极连接的两桥臂间电流分别与电流参考值比较，将差值经过pi控制器，再通过限幅保证合适的取值范围，作为脉冲延迟角，分别修正第一个融冰装置与第二个融冰装置的pwm脉冲信号，将母线负极连接的两桥臂间电流做差，经pi控制器积分，再通过限幅保证取值范围合适作为pwm信号的旁路脉冲输入当前电压较高的端口。
[0021]
鉴于上述和/或现有的一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统中存在的问题，提出了本发明。
[0022]
因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统。
[0023]
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统，其包括，
[0024]
滤波电路、融冰装置以及控制系统；
[0025]
所述融冰装置包括第一个融冰装置和第二个融冰装置，用于输电线路除冰，所述融冰装置采用电流源型换流器，所述电流源型换流器的直流侧通过电感与待融冰线路连接，可工作在有功直流电流控制以及无功功率控制模式，所述电流源型换流器的交流侧通过滤波器并入电网；
[0026]
所述控制系统采用包括锁相环，有功功率控制与无功功率控制，svpwm调制波生
成，pwm脉冲修正控制，主要包括主控制系统和子控制系统两部分。
[0027]
作为本发明所述一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统的一种优选方案，其中：所述主控制系统包括有功功率控制环根据融冰换流器直流侧功率反馈值计算d轴调制比；无功功率控制环根据融冰换流器交流侧瞬时无功反馈值计算q轴调制比；d、q轴调制比经过电流型空间矢量pwm算法，得到初始融冰换流器的igct阀串控制脉冲。
[0028]
作为本发明所述一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统的一种优选方案，其中：所述子控制系统调节换流器pwm脉冲相对电网电压延时的角度来控制母线电流及实现正极桥臂均流；然后通过在主控生成的pwm脉冲波形中插入窄旁路脉冲的形式实现负极桥臂电流均衡。
[0029]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
[0030]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。
[0031]
本发明有益效果为能够在保证两台并联融冰装置扩大功率输出时，有效实现均流；而且拥有脉冲宽度，延时角度两个控制维度，可实现较大范围控制运行。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0033]
图1为实施例4中一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统的并联电流型igct的融冰装置均流控制框。
[0034]
图2为实施例1中一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统的并联电流型igct的融冰装置等效电路。
[0035]
图3为实施例1中一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统的并联电流型igct的融冰装置简化电路。
[0036]
图4为实施例1中一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统的延时角度与旁路脉冲宽度对端口输出电压的影响。
[0037]
图5为实施例2中一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统的脉冲修正控制结构框图。
[0038]
图6为实施例4中一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统不采用均流控制修正后的融冰装置直流侧电流图。
[0039]
图7为实施例4中一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法及系统采用均流控制修正后的融冰装置直流侧电流。
具体实施方式
[0040]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0041]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0042]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0043]
实施例1
[0044]
参照图2-4，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法，包括
[0045]
首先确定不平衡出现的原因，简化的并联融冰装置等效电路如图2，该电路中，每个换流器由六个具有反向阻断能力的igct开关管组成。其中，csr1和csr2代表融冰换流器1和融冰换流器2。融冰换流器1的六个开关管为s11～s16，融冰换流器2的六个开关管为s21～s26。在交流侧，通过一个滤波器将并联的换流器连接到电网中。电网的三相电压分别为usa、usb和usc，三相电流为isa、isb和isc。iout1、iout2和iout分别表示融冰变换器1、融冰变换器2和总输入pwm电流。在直流侧，融冰变换器1通过p1和n1两端点分别连接至直流电抗器l1和l2，融冰变换器2通过p2和n2两端点分别连接至直流电抗器l3和l4。r1～r4为直流母线内阻。upc1、unc1、upc2和unc2表示直流端口对地电压，ipc1、inc1、ipc2和i.为四个直流侧桥臂电流。r为直流母线阻抗，up和un为直流母线正负两端电压。
[0046]
根据电流源开关约束条件，可以用4个三选开关替代图2中的12个功率开关。通过简化并忽略滤波电感压降，得到并联电流源换流器的等效拓扑如图3所示。在图3中，v1～v4表示开关管管压降。可以看出，直流侧电压由开关状态及电网电压共同决定。例如，当csr1的s11和s16导通时，upc1和unc1分别为usa和usb。在实际应用中，由于硬件制造过程中的误差以及控制信号不可能完全时序一致，会导致两个融冰换流器直流端口电压upc1≠upc2，unc1≠unc2，从而使得桥臂电流不均衡，同时导致并联电流源换流器间功率分配不均衡。
[0047]
通过在pwm信号中插入旁路脉冲0，可使得某桥臂上下开关管出现直通，降低调制因数，同样，改变脉冲信号相对电网电压的延时角同样可以改变调制因数，进而影响换流器直流端口电压。借此消除不均衡。量化分析可得，母线端口平均电压
[0048][0049]
其中g1，g3，g5分别为开关管的驱动pwm脉冲信号。初始状态，三个脉冲信号间相位角差值为120
°
，三相电压间相位差也为120
°
，上式可化简为
[0050][0051]
其中um为峰值电压，为pwm信号五个初始自由角度，图4体现了延时角度和旁路脉冲宽度对端口电压的影响。可以看出，随着延时角增加，旁路脉冲0增加都会降低端口电压。但是需要选取合适的取值范围，保证系统的稳定。对于其余直流侧端口的电压，道理相同，同时，插入旁路脉冲的位置是可以自由选择。通过分析并联融冰装置直流侧电流差产生的原因，设计pwm脉冲修正控制，将母线正极连接的两桥臂间电流分别与电流参考值比较，将
差值经过pi控制器，再通过限幅保证合适的取值范围，作为脉冲延迟角，分别修正第一个融冰装置与第二个融冰装置的pwm脉冲信号，将母线负极连接的两桥臂间电流做差，经pi控制器积分，再通过限幅保证取值范围合适作为pwm信号的旁路脉冲输入当前电压较高的端口。其控制结构如图4。当系统稳定时，正极桥臂电流均为电流参考值的1/2，实现桥臂均流，同时负极桥臂流入电流相等，两装置功率分配均衡。
[0052]
实施例2
[0053]
参照图5，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统，包括滤波电路100、融冰装置200以及控制系统300；
[0054]
所述融冰装置200包括第一个融冰装置和第二个融冰装置，用于输电线路除冰，所述融冰装置200采用电流源型换流器，所述电流源型换流器的直流侧通过电感与待融冰线路连接，可工作在有功直流电流控制以及无功功率控制模式，所述电流源型换流器的交流侧通过滤波器100并入电网；
[0055]
所述控制系统300采用包括锁相环，有功功率控制与无功功率控制，svpwm调制波生成，pwm脉冲修正控制，主要包括主控制系统301和子控制系统302两部分。
[0056]
所述主控制系统301包括有功功率控制环根据融冰换流器直流侧功率反馈值计算d轴调制比；无功功率控制环根据融冰换流器交流侧瞬时无功反馈值计算q轴调制比；d、q轴调制比经过电流型空间矢量pwm算法，得到初始融冰换流器的igct阀串控制脉冲。
[0057]
所述子控制系统302调节换流器pwm脉冲相对电网电压延时的角度来控制母线电流及实现正极桥臂均流；然后通过在主控生成的pwm脉冲波形中插入窄旁路脉冲的形式实现负极桥臂电流均衡。
[0058]
实施例3
[0059]
本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：还包括
[0060]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0061]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0062]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存
储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0063]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0064]
实施例4
[0065]
参照图1和图6-7，为本发明第四个实施例，其不同于前三个实施例的是：还包括
[0066]
本实施例中采用的并联融冰系统参数如下表
[0067]
电网电压(线电压有效值)380v(50hz)交流电网滤波电感3mh交流电网滤波电容0.2ω电感及线路等效电阻180uf融冰装置上下桥臂电感10mh直流母线等效电阻15ω开关频率600hz
[0068]
如图1所示的两台电流源型igct融冰装置的交流侧经由lc滤波器联接于交流电网，融冰装置的直流侧连接于待融冰线路。图中融冰装置中换流器的每个桥臂均由若干igct换流阀串联而成。控制系统包括功率外环，锁相环，spwm调制，pwm脉冲修正控制；所述并联融冰系统采用的控制方法具体包括以下过程：
[0069]
在融冰时，在外环功率控制的控制目标为融冰直流母线上的电流，将目标电流与直流母线电压相乘得到有功功率参考值，参考值与当前实际有功功率间的差值经pi控制器积分后得到d轴调制比；同理，非运行在融冰而是作为无功补偿装置运行时外环功率控制的目标为期望的无功功率，将无功功率参考值与当前实际输出无功功率间的差值经pi控制器积分后得到q轴调制比，将有功功率控制环和无功功率控制环的输出md、mq调制比过电流型空间矢量pwm算法，得到融冰换流器的igct阀串初始控制脉冲，同时，pwm脉冲修正控制通过将母线正极连接的两桥臂间电流分别于直流电流参考值比较，将差值经过pi控制器，再通过限幅保证合适的取值范围，作为旁路脉冲，将母线负极连接的两桥臂间电流做差，经pi控制器积分，再通过限幅保证取值范围合适作为pwm信号的延迟角度输入，使用旁路脉冲与延迟角度对初始igct阀串初始控制脉冲进行修正，在系统平衡时实现装置间有效的直流电流均衡与功率均衡。
[0070]
不采用均流控制修正后的融冰装置直流侧电流如图6所示，第一个融冰装置的上下桥臂电流约为5a，第二个融冰装置的上下桥臂电流约为25a，直流母线上电流约为30a；两融冰装置间电流不平衡度较高。采用均流控制修正后的融冰装置200直流侧电流如图7所示，第一个融冰装置与第二个融冰装置的上下桥臂电流均约为15a，直流母线上电流约为30a，大大降低了两融冰装置间的电流不平衡度，证明均流控制能有效实现直流电流均衡与
功率均衡。
[0071]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法，其特征在于包括：分析第一个融冰装置和第二个融冰装置电流不平衡现象；改变调制因数，进而影响换流器直流端口电压；通过分析装置直流侧电流差，设计pwm脉冲修正控制；通过设计的pwm脉冲修正进行igct融冰装置均流控制。2.如权利要求1所述的一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法，其特征在于：所述不平衡现象包括，硬件制造过程中的误差以及控制信号不可能完全时序一致，两个融冰换流器直流端口电压不均衡，以及桥臂电流不均衡，同时并联电流源换流器间功率分配不均衡。3.如权利要求1所述的一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法，其特征在于：所述改变调制因数包括，通过在pwm信号中插入旁路脉冲β0，可使得某桥臂上下开关管出现直通，降低调制因数，同样，改变脉冲信号相对电网电压的延时角α同样可以改变调制因数，进而影响换流器直流端口电压。4.如权利要求1所述的一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法，其特征在于：所述消除第一个融冰装置和第二个融冰装置两端电压不均衡包括，量化分析可得，母线端口平均电压：其中g1，g3，g5分别为开关管的驱动pwm脉冲信号，u
sa
，u
sb
，u
sc
为电网的三相电压，初始状态，三个脉冲信号间相位角差值为120
°
，三相电压间相位差也为120
°
，上式可化简为：其中u
p_ave
为母线端口平均电压，um为峰值电压，θ为pwm信号五个初始自由角度，α为脉冲信号相对电网电压的延时角，β0为旁路脉冲。5.如权利要求1或4所述的一种并联电流源型igct融冰装置均流控制方法，其特征在于：设计所述pwm脉冲修正控制包括，将母线正极连接的两桥臂间电流分别与电流参考值比较，将差值经过pi控制器，再通过限幅保证合适的取值范围，作为脉冲延迟角，分别修正第一个融冰装置与第二个融冰装置的pwm脉冲信号，将母线负极连接的两桥臂间电流做差，经pi控制器积分，再通过限幅保证取值范围合适作为pwm信号的旁路脉冲输入当前电压较高的端口。6.一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统，其特征在于：包括滤波电路(100)、融冰装置(200)以及控制系统(300)；所述融冰装置(200)包括第一个融冰装置和第二个融冰装置，用于输电线路除冰，所述融冰装置(200)采用电流源型换流器，所述电流源型换流器的直流侧通过电感与待融冰线路连接，可工作在有功直流电流控制以及无功功率控制模式，所述电流源型换流器的交流侧通过滤波器(100)并入电网；所述控制系统(300)采用包括锁相环，有功功率控制与无功功率控制，svpwm调制波生
成，pwm脉冲修正控制，主要包括主控制系统(301)和子控制系统(302)两部分。7.如权利要求6所述的一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统，其特征在于：所述主控制系统(301)包括有功功率控制环根据融冰换流器直流侧功率反馈值计算d轴调制比；无功功率控制环根据融冰换流器交流侧瞬时无功反馈值计算q轴调制比；d、q轴调制比经过电流型空间矢量pwm算法，得到初始融冰换流器的igct阀串控制脉冲。8.如权利要求6所述的一种并联电流源型igct融冰装置均流控制系统，其特征在于：所述子控制系统(302)调节换流器pwm脉冲相对电网电压延时的角度来控制母线电流及实现正极桥臂均流；然后通过在主控生成的pwm脉冲波形中插入窄旁路脉冲的形式实现负极桥臂电流均衡。9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种并联电流源型IGCT融冰装置均流控制方法及系统，涉及输电线路融冰装置的控制技术领域，包括，确定第一个融冰装置和第二个融冰装置电流出现不平衡的原因；改变调制因数，进而影响换流器直流端口电压；消除第一个融冰装置和第二个融冰装置两端电压不均衡；通过分析装置直流侧电流差，设计PWM脉冲修正控制。本发明提供的并联电流源型IGCT融冰装置均流控制方法应用于输电线路融冰装置的控制，能够在保证两台并联融冰装置扩大功率输出时，有效实现均流；而且拥有脉冲宽度，延时角度两个控制维度，可实现较大范围控制运行，通过子控制修正后的PWM脉冲可以有效地抑制装置电流不均，功率分配不均问题，提高系统稳定性和可靠性。和可靠性。和可靠性。


技术研发人员：曾华荣 吕黔苏 马晓红 杨旗 许逵 虢韬 黄欢 刘君 陈沛龙 吴建蓉
受保护的技术使用者：贵州电网有限责任公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/9/23