專利名稱：多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于有源電力濾波器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種多功率單元并聯(lián)式有源電力 濾波器。
背景技術(shù)：
隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的大大提 高，高密度的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，微機(jī)化的測控儀器，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不間斷電源，變 頻器及可控整流電源大量使用在電力系統(tǒng)中。這些裝置和系統(tǒng)在提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度和 改善系統(tǒng)可靠性的同時(shí)也在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生了大量的諧波，這些諧波的產(chǎn)生勢必極大的 降低電能質(zhì)量，從而引起各種事故飽不斷發(fā)生。如高壓線路的通訊嚴(yán)重干擾，電腦的 非正常死機(jī)，各種精密加工產(chǎn)品質(zhì)量的下降，繼電保護(hù)誤動(dòng)等等。
有源電力濾波器的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè) 與該諧波電流相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)中只含有基波電流。有源電力濾波器不受電 網(wǎng)阻抗的影響，且可以對(duì)頻率和幅值都變化的"準(zhǔn)"諧波進(jìn)行補(bǔ)償，因而受到廣泛的重 視。
實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)電力系統(tǒng)影響較大的諧波源往往來自于那些大功率的負(fù)載中，對(duì)這 些大功率的負(fù)載所帶來的諧波進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，要求相應(yīng)的濾波器也要具有較大的容量。然 而目前市場上的大容量電力電子器件存在散熱困難，大電流的高頻電抗器制作困難等問 題，不能滿足生產(chǎn)大容量濾波器的需求。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的問題是在實(shí)際應(yīng)用中，有源電力濾波器要求大容量，而大容 量有源電力濾波器存在散熱和高頻電抗器制作困難等問題，需要一種散熱好、對(duì)輸出電 抗器的要求低的大容量有源電力濾波器。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器，包括主控制器和至 少兩個(gè)功率單元，電網(wǎng)的諧波電流輸入主控制器，各功率單元并聯(lián)連接主控制器的輸出 端，各功率單元的輸出端并聯(lián)至電網(wǎng)，所述功率單元包括獨(dú)立的三相脈寬調(diào)制逆變器， 通過光纖與主控制器連接。本實(shí)用新型主控制器由數(shù)字控制板，無源傳感器板、電源板和光纖板組成，各板通 過母板和母線連接，電源板提供電源，無源傳感器板連接電網(wǎng)和各功率單元，測量電網(wǎng) 電壓、電流和各個(gè)功率單元的輸出電流、直流側(cè)電容、電壓；數(shù)字控制板包括DSP芯 片、FPGA芯片、AD采樣轉(zhuǎn)換電路和對(duì)外通訊接口，無源傳感器板連接AD釆樣轉(zhuǎn)換 電路，AD采樣轉(zhuǎn)換電路的輸出連接FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片的輸出分別連接光纖板和 DSP芯片，光纖板連接各功率單元，DSP芯片連接232/485通訊電路和USB接口電路。 AD采樣轉(zhuǎn)換電路將電網(wǎng)電壓、電流等模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；DSP芯片與FPGA芯片根 據(jù)采樣結(jié)果分析電網(wǎng)諧波含量、計(jì)算補(bǔ)償量、完成各種保護(hù)和通訊數(shù)據(jù)傳輸；對(duì)外通訊 接口包括232/485通訊電路和USB接口電路，232/485通訊電路用來同觸摸屏和PC機(jī) 通訊，完成人機(jī)交互的功能；USB接口可用來保存數(shù)據(jù)。
功率單元由一三相脈寬調(diào)制逆變器、 一輸出電抗器和一濾波電容組成，所述三相脈 寬調(diào)制逆變器由6個(gè)IGBT組成的三相逆變橋及其驅(qū)動(dòng)和控制電路、直流電容組成，三 相脈寬調(diào)制逆變器的輸出端連接輸出電抗器和濾波電容。本實(shí)用新型中使用的各功率單 元結(jié)構(gòu)、參數(shù)相同。
本實(shí)用新型各功率單元并聯(lián)，多個(gè)獨(dú)立的三相脈寬調(diào)制(PWM)逆變器分別連接一 輸出電抗器，然后直接并聯(lián)在一起，對(duì)電網(wǎng)的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。每個(gè)功率單元都是一 致的，可以互換，有源電力濾波器的總?cè)萘繛樗泄β蕟卧萘康目偤?，所有的功率?元由 一個(gè)主控制器通過光纖進(jìn)行統(tǒng)一控制。主控制器負(fù)責(zé)采樣、檢測電網(wǎng)中的諧波電流， 并運(yùn)用重復(fù)學(xué)習(xí)BOOST變換控制算法計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)姆至?，再將補(bǔ)償量分配給每個(gè) 功率單元，通過對(duì)各個(gè)功率單元的載波進(jìn)行移相控制，可以提高等效開關(guān)頻率，獲得更 好的補(bǔ)償效果；，同時(shí)，通過對(duì)各個(gè)功率單元的直流側(cè)電壓進(jìn)行單獨(dú)的BOOST控制， 可以維持直流電壓穩(wěn)定和一致，減小功率單元之間的環(huán)流。
本實(shí)用新型有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1) 通過多個(gè)功率單元直接并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流輸出，提高了補(bǔ)償能力又無需輸出變壓器；
2) 電路主結(jié)構(gòu)通過多個(gè)功率單元的輸出并聯(lián)，避免了直接制造大容量有源電力濾波器 時(shí)，需要對(duì)多個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)器件特別是IGBT的并聯(lián)使用這個(gè)復(fù)雜的問題；
3) 單個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)簡單、體積小，其散熱可以采用目前已有的成熟可靠的風(fēng)冷方式， 無需復(fù)雜又昂貴的水冷、油冷方式；
4) 輸出電流由各個(gè)功率單元平均分擔(dān)，每個(gè)功率單元的輸出電抗器只承載本功率單元 的輸出電流，輸出電抗器的加工難度大大降低，散熱也相對(duì)容易；5) 各個(gè)功率單元是并聯(lián)工作的，功率單元的故障不相互影響，可以實(shí)現(xiàn)冗余運(yùn)行，大 大提高裝置的整體可靠性，且各個(gè)功率單元是完全一致的，可以互換，提高了可維護(hù)性 能；
6) 通過對(duì)各個(gè)功率單元的三角載波進(jìn)行移相，可以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)控制，提高了等效開關(guān)頻 率，獲得更好的補(bǔ)償效果，也可以顯著減小開關(guān)頻率次高頻諧波對(duì)電網(wǎng)及用電設(shè)備的危 害；
7) 由主控制器對(duì)每個(gè)功率單元的直流側(cè)電壓均單獨(dú)檢測，并通過比例積分(PI)控制進(jìn)行 調(diào)節(jié)，確保各個(gè)功率單元直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和一致，進(jìn)而保證單元之間無環(huán)流；
8) 由同一個(gè)主控制器控制所有的功率單元，共用一套諧波檢測電路，避免了諧波檢測 電路的重復(fù)，簡化了結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型適用于大電流的有源電力濾波場合。


圖1為本實(shí)用新型原理電路圖。
圖2為本實(shí)用新型的主電路結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本實(shí)用新型功率單元的主回路電路圖。
圖4為本實(shí)用新型主控制器框圖。
具體實(shí)施方式
有源電力濾波器APF的基本工作原理是檢測電網(wǎng)的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)
算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流， 補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中需要補(bǔ)償?shù)闹C波以及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電
流。如圖1所示，有源電力濾波器通過數(shù)字控制模塊D檢測出補(bǔ)償對(duì)象&的負(fù)載電流/, 的諧波分量，設(shè)諧波分量為^，將其反極性后作為補(bǔ)償電流的指令，由補(bǔ)償電流發(fā)生 電路產(chǎn)生與^大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流^，從而達(dá)到抑制諧波的目的。用公式 可以表示如下
5"=V + L = V + Z矽二 — 、fs 一 Z丄^尸二式中，^為負(fù)載電流的基波分量，4為電網(wǎng)系統(tǒng)電流，可看出經(jīng)過補(bǔ)償后，消除了負(fù)載電流的諧波分量。本實(shí)用新型多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器如圖2，包括主控制器1和至少兩個(gè) 功率單元2，電網(wǎng)的諧波電流輸入主控制器l，各功率單元2并聯(lián)連接主控制器1的輸 出端，主控制器l運(yùn)用重復(fù)學(xué)習(xí)BOOST變換控制算法計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)姆至?，再將補(bǔ) 償量分配給每個(gè)功率單元2，各功率單元2的輸出端并聯(lián)至電網(wǎng)，最終輸出的補(bǔ)償電流^是由多個(gè)功率單元共同提供的，所有的功率單元由一個(gè)主控制器統(tǒng)一控制，共用一 套諧波檢測電路。各個(gè)功率單元的三角載波之間可進(jìn)行移相處理，以達(dá)到提高等效開關(guān)頻率的目的； 第w個(gè)功率單元的移相角度如下所示A =180'J *"/^N為功率單元總個(gè)數(shù)，功率單元的個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要補(bǔ)償?shù)闹C波容量來確定。 本實(shí)用新型功率單元的核心是一個(gè)三相PWM逆變器，由6個(gè)IGBT組成的三相逆 變橋及其驅(qū)動(dòng)和控制電路、直流電容Qx;組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。例如，針對(duì)380V三 相交流電網(wǎng)系統(tǒng)，為達(dá)到最好的補(bǔ)償效果，逆變器直流側(cè)電壓取1000V，因此可采用3 組額定電壓為400V的電解電容作為直流電容CDC串聯(lián)來承受1000V直流電壓，每只電 解電容均并聯(lián)均壓電阻R，電解電容的容量根據(jù)輸出電流大小進(jìn)行選擇。功率單元的工 作電源取自其直流側(cè)1000V電壓，通過開關(guān)電源給各路IGBT驅(qū)動(dòng)和控制電路供電。功 率單元通過光纖接收來自主控制器的控制命令和PWM數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)各個(gè)IGBT 的控制信號(hào)，同時(shí)功率單元通過光纖上報(bào)自身的工作狀態(tài)和故障信息。三相PWM逆變 器輸出側(cè)連接一輸出電抗器丄/和一濾波電容C/，濾波電容C,用來濾除開關(guān)的次高頻諧 波，減少對(duì)電網(wǎng)的干擾。另外，各個(gè)功率單元的直流電容Coc是獨(dú)立的，其電壓是采用 BOOST整流的方式向功率單元注入一個(gè)有功電流進(jìn)行控制的，通過比例積分(PI)控制調(diào) 節(jié)該有功電流的大小和方向，即可以維持直流電壓的穩(wěn)定和一致。本實(shí)用新型主控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示，由數(shù)字控制板3，無源傳感器板4、電源板5和光纖板6組成，各板通過母板連接在一起，數(shù)據(jù)交換和模擬量傳輸均通過母線的方 式，便于擴(kuò)展-數(shù)字控制板3包括DSP芯片31 、 FPGA芯片32、 AD采樣轉(zhuǎn)換電路33和對(duì)外通訊 接口 34，對(duì)外通訊接口 34包括232/485通訊電路和USB接口電路，無源傳感器板4連 接AD采樣轉(zhuǎn)換電路33， AD采樣轉(zhuǎn)換電路33的輸出連接FPGA芯片32， FPGA芯片 32的輸出分別連接光纖板6和DSP芯片31，光纖板6連接各功率單元，DSP芯片31 連接對(duì)外通訊接口 34。 AD采樣轉(zhuǎn)換電路將電網(wǎng)電壓、電流等模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量； DSP芯片與FPGA芯片根據(jù)采樣結(jié)果分析電網(wǎng)諧波含量、計(jì)算補(bǔ)償量、完成各種保護(hù) 和通訊數(shù)據(jù)傳輸；232/485通訊電路用來同觸摸屏和PC機(jī)通訊，完成人機(jī)交互的功能； USB接口可用來保存數(shù)據(jù)。無源傳感器板4由交流電壓互感器、交流電流互感器、直流電壓互感器、溫度測 量電路組成，用來測量系統(tǒng)電壓、電流，各個(gè)功率單元的輸出電流、直流側(cè)電容電壓及 散熱器溫度。電源板5是將220V交流控制電源轉(zhuǎn)換為控制器所需的+5V/;tl2V直流電壓，提供 一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源。光纖板6是同各個(gè)功率單元進(jìn)行通訊的接口，主控制器通過光纖下發(fā)對(duì)功率單元 的控制命令和PWM數(shù)據(jù)，功率單元通過光纖上報(bào)自身的工作狀態(tài)和故障信息。根據(jù)功 率單元數(shù)目的不同，光纖板數(shù)量也有變化。本實(shí)用新型所有功率單元由同一個(gè)主控制器通過光纖進(jìn)行統(tǒng)一控制，通過輸出電 抗器連接到輸出母線上，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。每個(gè)功率單元都是一致的，可以互換， 容量為濾波器總?cè)萘康腘分之一，根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)娜萘康牟煌?，功率單元個(gè)數(shù)可以不 同。本實(shí)用新型由一個(gè)統(tǒng)一的主控制器控制所有的功率單元，主控制器負(fù)責(zé)采樣、檢 測電網(wǎng)中的諧波電流，并運(yùn)用重復(fù)學(xué)習(xí)BOOST變換控制算法計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)姆至浚?再將補(bǔ)償量分配給每個(gè)功率單元，通過對(duì)各個(gè)功率單元的載波進(jìn)行移相控制，可以提高 等效開關(guān)頻率，獲得更好的補(bǔ)償效果。在某一個(gè)功率單元出現(xiàn)故障的情況下，主控制器 可以分開該故障單元的連接開關(guān)，其余功率單元仍然正常工作，只是補(bǔ)償容量有些損失。 在有冗余備用功率單元的情況下，主控制器可以切除故障單元、投入備用單元，裝置整 體的可靠性大大提高。
權(quán)利要求1、多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器，其特征是包括主控制器和至少兩個(gè)功率單元，電網(wǎng)的諧波電流輸入主控制器，各功率單元并聯(lián)連接主控制器的輸出端，各功率單元的輸出端并聯(lián)至電網(wǎng)，所述功率單元包括獨(dú)立的三相脈寬調(diào)制逆變器，通過光纖與主控制器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器，其特征是主控制器 由數(shù)字控制板，無源傳感器板、電源板和光纖板組成，各板通過母板和母線連接，電源 板提供電源，無源傳感器板連接電網(wǎng)和各功率單元；數(shù)字控制板包括DSP芯片、FPGA 芯片、AD采樣轉(zhuǎn)換電路和對(duì)外通訊接口，無源傳感器板連接AD采樣轉(zhuǎn)換電路，AD 采樣轉(zhuǎn)換電路的輸出連接FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片的輸出分別連接光纖板和DSP芯片， 光纖板連接各功率單元，DSP芯片連接對(duì)外通訊接口。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器，其特征是對(duì)外通訊 接口包括232/485通訊電路和USB接口電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器，其特征是 功率單元由一三相脈寬調(diào)制逆變器、 一輸出電抗器和一濾波電容組成，所述三相脈寬調(diào) 制逆變器由6個(gè)IGBT組成的三相逆變橋及其驅(qū)動(dòng)和控制電路、直流電容組成，三相脈 寬調(diào)制逆變器的輸出端連接輸出電抗器和濾波電容。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器，其特征是 所述各功率單元結(jié)構(gòu)、參數(shù)相同。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器，其特征是所述各功 率單元結(jié)構(gòu)、參數(shù)相同。
專利摘要多功率單元并聯(lián)式有源電力濾波器，包括主控制器和至少兩個(gè)功率單元，電網(wǎng)的諧波電流輸入主控制器，各功率單元并聯(lián)連接主控制器的輸出端，各功率單元的輸出端并聯(lián)至電網(wǎng)，所述功率單元包括獨(dú)立的三相脈寬調(diào)制逆變器，通過光纖與主控制器連接。本實(shí)用新型通過多個(gè)功率單元直接并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流輸出，提高了補(bǔ)償能力又無需輸出變壓器，總體電路結(jié)構(gòu)簡單，單個(gè)功率單元的散熱可以采用目前已有的成熟可靠的風(fēng)冷方式，具有良好的整體可靠性和可維護(hù)性能，并聯(lián)式的功率單元降低了對(duì)電路元件的參數(shù)要求，且仍能保證良好的濾波補(bǔ)償效果；本實(shí)用新型適用于大電流的有源電力濾波場合。
文檔編號(hào)H02J3/01GK201290008SQ20082021597
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者徐衛(wèi)東, 查曉明, 陶桂洪 申請(qǐng)人:南京同步科技有限公司