专利名称：并联变速恒频电力系统中直流含量保护的电路和方法
技术领域：
本发明涉及具有至少两个並联连接通道的直流耦接的变速恒频(下简称VSCF)电力系统，更详细讲，关系到用于控制这种系统输出中直流含量的，以及有选择地隔离那些向该並联系统提供过量直流含量的通道的一种方法和电路。
直流耦接VSCF电力系统包括一个可变速驱动的发生器，它产生可变频率的交流输出电压，该交流输出电压整流后送到一对直流耦接导线上。一台逆变器从该直流耦接导线上收到电压並将它转换成恒定频率的交流输出。在该逆变器中的电子开关是成对的，所以开关对中之一导通而发出电流波形的正半周，而该对中另一开关导通则发出电流波形的负半周。为了产生理想的波形，每一开关对必须在输出波形的每一周期总时间的一半时间导通，而另一半时间为关断。但是，由于各开关的特性不同，例如转换时间和饱和电压的不同，于是不可避免地是，开关对中之一将比另一个开关产生更大的伏-秒/周期。尽管在所产生的伏-秒中的这种差异一般很小(就一个周期而言)，但它会引起一项直流分量导入到输出波形中。美国专利4，500，837和4，370，702中阐述了用于检测这种直流分量和调节该逆变器通断过程以尽量降低直流含量的技术和电路。虽然这些电路对于单通道系统提供出合适的直流含量校正和控制，而並联连接的VSCF系统存在着特殊情况，现有的各种直流含量控制电路对这些情况并未予充分解决。
特别是已发现，因为在输出中有过量的直流含量而将一並联的VSCF系统的各通道分离，并不能保证仅将出事故的通道解除。为了理解这项问题，可以研究一下由许多VSCF通道组成的一个並联的VSCF系统。当该系统工作于並联结构方式时，所有连接于並联母线上的通道将力图促使在其检测点(通常为调节点)处的直流含量回到它们的被并联以前的直流含量水平。在各不同调节点之间存在有中间连接馈线的情况下，各个並联VSCF通道检测出的实际直流含量是不同的，所以，每个並联通道将力图把在其调节的检测点处的被並联以后的直流含量调节到被並联以前的数值上。
如果该VSCF通道之一在它被连接到该並联母线之前具有一个高值(但低于跳闸门槛)的直流含量，那么由于所连接的馈线电缆具有低直流电阻的缘故，该通道将企图把一个较高的直流含量引到所有的完好通道上，于是这些完好通道将力图减小其各自的直流含量使之还原到被並联以前的数值。由于现有的直流含量校正回路具有无限大的增益，当企图调节该直流含量时，在各完好通道上的一些直流含量校正电路可能饱和。最后，将可能达到平衡，而且没有一个被並联的通道具有高到足以引起跳闸的直流含量，因此，系统将继续以並联方式运行。
现在，若该系统的各通道是分列的，或一条完好通道脱离该並联母线，则将发生下面的情况。在並联后饱和的直流含量控制下的各完好通道经过一段时间将从饱和状态恢复，在这段时间中，这些通道将在其各检测点处发生最大的直流含量。在各直流含量校正回路的恢复期间，在各检测点处的直流含量将被激励到该直流含量校正回路的动态极限值。根据饱和的程度，各饱和通道达到恢复状态所需的时间可能超过跳闸门槛值，从而导致其它完好通道的跳闸。
另一种饱和情况也能引起完好通道跳闸的实例为，例如，假定在並联母线上的一个通道已经在其直流含量控制方面发生问题，这项问题，设若它发生在孤立的分列通道方式下，则已经造成直流含量超过了该跳闸门槛並随后断开该通道。在並联方式中，该不良通道将在所有完好通道的检测点处造成较高的直流含量，这是由于中间连接的馈线电缆具有低值直流电阻的缘故。然后这些完好通道将力图将其较高的並联后的直流含量调节到其並联前的数值。当校正各通道的直流含量时，这些完好通道可以使该故障通道检测点处的直流含量减小到低于该跳闸门槛值，並在此过程中，有些健康通道的直流含量校正电路可被饱和，这种现象与上述讨论相同，例外的是，当这些通道是分开的时候，该故障通道将一定跳闸，而某些完好通道也可能跳闸。另一方案是，各完好通道可以减小在故障通道检测点处的直流含量，但达不到低于该跳闸门槛的水平，而在此过程中，大多数完好通道的直流含量校正检测已达到饱和，在各测点处的直流含量将可能超过该跳闸门槛值。在这一瞬间，在至少一个通道的检测点处存在着越限的直流含量，如果不能有选择地隔离这条故障的通道，则该系统将被迫分列运行，並且所有的通道将工作于孤立方式。再者，该故障通道一定跳闸，而某些完好通道也会跳闸。由此可见，将一条完好通道脱离一组並联的母线，则该通道就会由于饱和的直流含量控制而可能误跳闸。此外，当因为过量的直流含量而将一並联的系统分开运行时，则不仅该故障通道会跳闸，而一些完好通道也会跳闸。因此，期望提供出一种直流含量控制电路，它能使一个並联连接的VSCF电力系统中有效的通道实现有选择地跳闸。
本发明即在于提供一种有选择地隔离一个电力系统中各故障通道的方法，该系统具有至少两个可控的交流电源连接成並联运行方式，其中产生一项直流含量信号，它代表该电源之一的交流输出中直流电压的大小，並将它与一项差分电流信号合并，后者代表流过该电源的连接相中的差分直流电流;一项误差信号(由该合并项产生的)用于控制第一电源的运行，使其减小输到该系统母线的直流电压大小。如果该误差信号超过一预定门槛值，则产生一项跳闸信号，利用该跳闸信号即可有选择地断开一个有缺陷的电源。如果该电源系统的各通道工作于分裂状态或孤立状态，则阻止该直流含量信号与差分电流信号的合并，以使该误差信号只代表直流含量信号。
本发明还包括了一个实现上述直流含量控制方法的电路。
通过最佳实施例结合下面附图所作的阐述将对本发明更易于明了，其中的实施例只作为举例而加以说明。
图1A和1B表示的是结合本发明的一个并联VSCF电力系统的方框图;
图2A、2B、2C和2D是用于解释本发明的运行的一系列向量;
图3A和3B为按本发明构成的电路的接线图;
图4为图3A的电路应用的一个总电流传感器的接线图;
图5为图4的总电流传感器应用的电流敏感元件示意图。
现参照各图来说明，图1A和1B表示的方框图是具有两条通道的並联VSCF电力系统，该系统包括按照本发明一个实施例构成的一个直流含量控制电路。该並联电力系统10包括一对VSCF通道12和14。通道12产生多相输出交流电压作用到母线16上，而通道14产生多相交流输出作用到母线18上。为了並联运行，这些电源母线通过馈线19由一台母线联络开关的触头20连接起来。因为各通道包含有相同的部件。所以用相同的项目编号来标志每一通道的等同元件。在下面的讨论中，电压信号用附加角注的字母V来标志，如在角注处无数字编号，则该信号标志适用于两条通道;如在角注处出现“1”，则该信号应用于通道12;如“2”出现于角注处，则该信号应用于通道14。
每条通道包括一对直流含量滤过器22和24，它们被接到多个逆变器开关28的输出26上，滤过器22产生一项电压信号Vdc，该信号代表每条通道输出电压中的直流含量。同样，滤过器24产生一项电压信号Vdp，它代表输出电压的直流含量。每一通道的直流含量控制四路包括有多个电流传感器30，各传感器感性耦合到每通道的相应输出相上，各相应相的电流传感器在电气上彼此串联相接，以在线路32上产生一项信号，该信号与两条通道各相应的相导线中流过的差分电流成正比。该信号由一个差分直流电流检测器34所检测，並由放大器36所放大以产生一项差分电流信号Vic，该信号代表流过各电源连接相的差分电流。在每条通道中，在总加点38处，该直流含量信号Vdc和差分电流信号Vic合并以产生一项误差信号Vec。该误差信号被送到积分器40，积分结果信号被一个边沿校正电路42利用来控制信号图形发生器44产生的该逆变器通断图。该边沿校正和图形发生器是按照已知技术完成的，例如在美国专利NO.4，443，842中所阐述的。
该並联系统10的每一通道还设有一个保护电路，该电路包括有电流传感器46，该传感器是感性耦合到每一通道输出的相应相上，並在电气上串联相接以在线路48上产生一项信号，该信号代表各並联通道的相应各相中流过的差分电流，这项信号由差分电流检测器50检测出来，並由放大器52放大后产生一项信号Vip，该信号代表流过通道输出的各相应相中的差分电流，直流含量滤过器24产生一项信号Vdp，该信号代表在各自通道输出中的直流含量。直流含量信号Vdp和差分电流信号Vip在总加点54处合并而产生第二误差信号Vep，一个窗孔检测器56将这项信号与一预定门槛电平相比较，並在超过该预定门槛电平时，在端头58处产生一项输出。
须知，所述的直流含量滤过器22、积分器40、边沿校正电路42、图形发生器44和逆变器开关28全是单通道直流含量控制系统中早有的，本发明把差电流信号与直流含量信号以负反馈控制的方式合并以获得直流含量控制和有选择性地断开故障的通道。
由图1可证明在正常无故障运行期间，Vdc+Vic这项和数必等于零，否则，将产生一项误差信号Vec，它将造成在逆变器通断图中进行调节以在该积分器输入端产生零电压，因此，可归结为Vic+Vdc＝0 ……(1)Vdc＝-Vic……(2)在各极电压处的直流含量的相对值和差分直流电流的相对值是依靠该直流含量控制和差分电流控制回路的相对回路增益所决定的，因为该并联系统的有效直流含量的控制，该差分电流回路将比该直流含量电压回路具有较高的回路增益。
该差分电流控制回路力图激励该差分电流到零值，这是利用将在各並联逆变器的直流极电压之间的幅值差减到最小实现的。一项正的差分电流信号Vic意味着该通道是使电流流到另外通道的源，那么就在这一方向施加电压Vic，它使检测的直流电压相对于另些通道为电压降，並因此而减小了该项差分直流电流。
包含有电路24、50、52和56的直流含量保护电路相似于直流含量控制电路。该保护电路具有自身的电流检测器组，並检测出独立于该直流含量控制电路的总差分直流电流信号，它校验差分直流电流信号Vip和电压信号Vdp之和。任意偏离零值将指示在该直流含量控制电路中有问题。直流含量控制和保护回路的方程式如下Vdc+Vic＝0 ……(3)Vdp+Vip＝0 ……(4)在不正常运行条件下，方程式(4)变为Vdp+Vip≠0 ……(5)在分列方式运行期间，该差分电流控制回路将不起作用，所以直流含量跳闸时间的迟延仅从检测的直流电压来导出，在并联运行期间，用的是同一跳闸时间迟延电路，但是用的是将检测的直流电压与差分电流信号之和送到误跳闸电路。
上述方程式假设在控制回路中无偏移误差，偏移误差表示各极输出电压在並联以前的直流含量。在并联方式下，在该並联母线上的直流含量将为在该並联母线上所有通道並联前的直流含量的平均值。藉助于图2A、2B、2C和2D中所示的电压向量图解可以辨清正常与异常情况。图2A和2B的向量表示具有並联前直流含量的两条完好通道，该直流含量是用信号V′dc1和V′dc2表示，这个直流含量处于跳闸门槛电平之下。在母线联络开关触头关闭以后，产生了並联后的电压信号，如图2B所示，该並联后直流含量信号将是並联前各直流含量信号的平均值，该並联前的信号是由于控制回路中运算放大器和部件公差的偏差电压造成的。正常並联运行情况的直流含量回路控制/保护方程式如下Vdc+Vic-V′dc＝0 ……(6)Vdc+Vic＝V′dc……(7)Vdc＝(V′dc1+V′dc2)/2 ……(8)Vdp+Vip＝V′dc……(9)该保护电路将检测出该直流含量控制回路中的误差电压，所检测的误差电压等于並联前的直流含量，它低于跳闸门槛电平。因此，直流含量将不会造成跳闸，这指示该直流含量控制回路工作适当。
其次考虑的是，例如在图1中通道14的直流含量控制回路中的问题。图2C和2D的向量图说明这种情况，並联状态前是由图2C的向量来表示。当通道被并联时，大的直流含量信号V′dc2将导致大的直流电流，如图2D所示，这项大的直流电流由该控制电路检测出，该控制电路力图调节在它的检测点处的直流电压，以便将此直流电流降低到零值。
该系统将运用使直流含量等于並联前直流含量的平均值来最终地稳定自己，运用V′dc2等于和数Vdc2+Vic2，Vdc2和Vic2的相对大小是与该直流含量电压控制回路和差分直流电流回路的增益相关，如图3D所示，显然是Vic1＝Vip1……(10)Vic2＝Vip2……(11)Vdc1＝Vdc2＝(V′dc1+V′dc2)/2 ……(12)Vdc1＝Vdp1……(13)
Vdc2＝Vdp2……(14)Vdp1+Vip1＝0 ……(15)Vdp2+Vip2≠0 ……(16)注意，对于NO.2通道，Vdp2和Vip2是在同一方向而不会相加等于零，该保护电路即检测NO.2通道中的这一问题，並将能使该跳闸时间延迟。当Vdp2与Vip2之和数超过预定的门槛电平时，即将NO.2通道从並联母线上隔离开来。图3A和3B包括了图1电力系统中一条通道的控制电路的接线图。在直流连络导线60和62上的直流电压受逆变器开关28的开闭转换而产生一恒频三相的交流输出到电源极64、66和68出现在各电源极上的三相交流输出由电感器70、72和74过滤和被滤过器电容器76过滤。一台中性点形成变压器78用于提供四线输出，在线路80、82和84处检测电源极输出电压，放大器电路86接受线路84上的A相电压並产生一项代表该电压的输出信号，设置线路112和114以分别连接其它通道的B相和C相的控制电路。电路88接受从线路90和92上的电流传感器TCS1来的第一电压输入信号，以及接受通过线路112耦合到其它通道的B相的一个电流传感器来的第二电压信号。电路88产生一项差分电流输出信号到线路94，电路96接受从线路98和100上电流传感器TCS2来的第一电压信号，以及接受经过线路114耦合到其它电力系统通道的C相上电流传感器来的第二电压信号。电路86、88和96的输出由电路102和104接受、合并及积分，其结果产生一对信号馈送到异或门106，而在端头108产生一项信号，该信号即被该边沿校正电路42所应用。当系统运行于分列状态或非並联时，开关110是断开的，致使电路88和96无效，以致通断图只受由电路86检测的直流电压电平的影响。
图3B电路所描绘的保护回路包含有几个电路，这些电路与图3A的直流含量控制回路相似，故在图3A和3B中以相同的数字指示相同的元件。在图3B中，用电路116和118将电路86′、88′和96′的输出合并和积分以产生信号送到端头120和122上，该端头连接到窗孔检测电路56，窗孔检测器可按已知技术诸如专利号NO.4，731，690中图4所描绘的结构构成。
图4为图3A中总电流传感器TCS1、TCS2、TCS3和TCS4之一的接线图。用于图4电路中的电流传感器123的接线图绘于图5。该相导线124(可以是通道之一的输出母线中A、B或C相导线)可穿过一个实质上为环形的磁铁芯126。一个商业有效的线性输出霍尔效应传感器128置放在铁芯126的间隙中，並在接头130处产生输出电压，该电压与流经相导线124中的直流电流成正比。该霍尔效应装置检测出流经相导线124的电流在该铁芯中造成的磁通，该磁通由调节一个闭环式样的零线圈132中通过的电流而调整到零值。从图4的电路可导出下述方程式Tp＝Is×N ……(17)Vout＝(Ip×R)/N ……(18)Vout×Ip……(19)式中，Ip是相导线中流过的电流;Is是检测电流;N是线圈132的圈数;Vout是跨在电阻器Rb上的电压;以及R是电阻器Rb的电阻。诸如项目号NO.128的线性输出霍尔效应传感器能用于检测的电流范围从250毫安到几千安培。由该传感器产生的该隔离的模拟电压可用诸如134和136之类的附加放大器来调节以获得电平移动、温度补偿、增益变化或其它所期望的参数。线性传感器同时提供高频响应和直流测量。
显然可见，本发明通过应用了差分电流反馈回路，既获得直流含量的控制，又实现了保护的功能。虽然本发明已利用目前所确信为其最佳的实施例进行了阐述，但对本技术领域人员来说显然可做出各种不同的改动，然而都将不会脱离本发明的范围，所以期望藉下述的权利保护来覆盖这些可能的改动。
权利要求
1.一种电路，用于有选择地隔离一个电力系统中的故障通道，该系统具有至少两个连接成并列运行的可控交流电源(12、14)，所述的电路包括有产生一项直流含量信号(Vdc1)的装置(22)，该信号代表所述电源的第一电源交流输出中直流电压的大小，其特征为，设有产生一项差分电流信号(Vic1)的装置(34)，该信号代表所述电源的连接相中流过差分直流电流；合并所述直流含量信号和所述差分电流信号以产生一项误差信号(Vec1)的装置(38)；控制所述第一电源响应所述误差信号以减小所述直流电压的大小的装置(44)；以及在所述误差信号超过一预定的门槛电平时产生一跳闸信号的装置(56)。
2.如权利要求1所述的一种电路，其进一步特征为，设有所述电源电气上相隔离的相应各相的装置(20);以及当所述相应各相被隔离时阻止所述直流含量信号与所述差分电流信号合并的装置(110)，以致使所述误差信号只代表所述直流含量信号。
3.如权利要求1所述的一种电路，进一步特征为，设有装置(22)，用于产生一项第二直流含量信号(Vdc2)，该信号代表所述电源的第二电源交流输出中一项第二直流电压的大小;装置(38)，用于合并所述第二直流含量信号和所述差分电流信号以产生一项第二误差信号(Vec2);装置(44)，用于控制所述第二电源响应所述第二误差信号的运行以减小所述第二直流电压的大小;以及装置(56)，用于在所述第二误差信号超过该预定门槛电平时产生一项第二跳闸信号。
4.一种有选择地隔离一个电力系统中故障通道的方法，该系统具有至少两个可控的交流电源连接成并列运行，所述的方法包括产生一项直流含量信号的步骤，该信号代表所述电源的第一电源交流输出中直流电压的大小，以及其特征步骤为产生一项差分电流信号，该信号代表流过所述电源的相连接各相的差分直流电流;合并所述直流含量信号与所述差分电流信号以产生一项误差信号;控制所述第一电源响应所述误差信号的运行以减小所述直流电压的大小;以及在所述误差信号超过一预定门槛电平时产生一项跳闸信号。
5.如权利要求4所述的一种方法，进一步的特征步骤为电气地隔离所述电源的各相应相;以及在所述相应各相被隔离时阻止所述直流含量信号与所述差分电流信号的合并，以便使所述的误差信号仅代表所述直流含量信号。
6.如权利要求4所述的一种方法，进一步的特征步骤为产生一项第二直流含量信号，该信号代表所述电源的第二电源交流输出中第二直流电压的大小;合并所述第二直流含量信号和所述差分电流信号以产生一项第二误差信号;控制所述第二电源响应所述第二误差信号的运行以减小所述第二直流电压的大小;以及在所述第二误差信号超过一预定门槛电平时产生一项第二跳闸信号。
全文摘要
在至少有两个可控AC电源并联的电力系统中有选择地隔离故障通道的方法包括步骤产生DC含量信号(VdC)代表该电源之一的AC输出中DC电压；产生差分电流信号(Vic)代表流经电源连接相的差分DC电流，合并此二信号产生一误差信号(Vec)去控制第一电源的运行，以减小其输出的DC电压。当误差信号超过一定门槛，产生跳闸信号有选择地隔离该故障通道。此后，差分电流信号失效而误差信号只代表分列通道运行的DC含量信号。
文档编号H02H3/50GK1040716SQ8910674
公开日1990年3月21日 申请日期1989年9月2日 优先权日1988年9月2日
发明者米尔扎·阿克马尔贝格 申请人:西屋电气公司