專(zhuān)利名稱：一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的電壓諧波存在于各電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中，諧波會(huì)引起供電線路損耗增加，損壞電氣設(shè)備、降低供電的可靠性。因此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波》對(duì)不同電壓等級(jí)電力系統(tǒng)的電壓諧波含量都有嚴(yán)格要求。要使各電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中電壓諧波含量滿足該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，目前對(duì)于抑制電網(wǎng)的諧波有兩種解決辦法 使負(fù)載不產(chǎn)生諧波，或通過(guò)適當(dāng)裝置進(jìn)行補(bǔ)償。1)使負(fù)載不產(chǎn)生諧波的方法的本質(zhì)是通過(guò)改造負(fù)載，使其不向電力系統(tǒng)注入諧波，或注入的諧波含量很小，從而不會(huì)使得相關(guān)母線上電壓諧波含量不超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T14549-93《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波》的要求。這種方法是一種最直觀的解決辦法，但是改造負(fù)載并不適用于所有負(fù)載，而且有些負(fù)載根本無(wú)法通過(guò)改造而少產(chǎn)生諧波，因此不是特別通用。2)通過(guò)適當(dāng)裝置進(jìn)行補(bǔ)償是一種極具發(fā)展前途的解決方法。不間斷電源(UPS)可以用來(lái)串聯(lián)在供電電源與諧波源負(fù)載之間，除了在電網(wǎng)電壓故障時(shí)保證對(duì)敏感負(fù)載的供電外，還能補(bǔ)償諧波源負(fù)載產(chǎn)生的部分諧波，減小注入到電網(wǎng)電壓的諧波含量。以上兩種方法的清除電力系統(tǒng)電壓諧波裝置的清除電壓諧波的效果還不是很好， 且響應(yīng)時(shí)間還有待于提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，該裝置基于疊加原理通過(guò)串聯(lián)諧波電壓源可達(dá)到消除電源側(cè)高次諧波電壓源對(duì)負(fù)荷影響的目的，且響應(yīng)速度快。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，包括諧波電壓源檢測(cè)裝置、由電抗器一、 電抗器二、電容器串聯(lián)組成的基波濾波器、高頻變壓器、交流電源、功率單元、整流單元、濾波單元、控制器，諧波電壓源檢測(cè)裝置有兩個(gè)，一個(gè)設(shè)置在本裝置的輸入端，用來(lái)檢測(cè)含諧波的電壓源，另一個(gè)設(shè)置在本裝置的輸出端，用來(lái)檢測(cè)清除諧波后的電壓源；兩個(gè)諧波電壓源檢測(cè)裝置均將檢測(cè)的電壓源信號(hào)輸入控制器；諧波電壓源檢測(cè)裝置采集得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)諧波電壓，將諧波電壓信號(hào)輸入控制器，由控制器計(jì)算得出一個(gè)與諧波電壓大小相等、方向相反的電壓，由功率單元經(jīng)高頻變壓器輸入由電抗器、電容器串聯(lián)構(gòu)成的LC支路，該電壓與諧波電壓相疊加，使諧波輸出電壓為零，達(dá)到濾除電網(wǎng)諧波電壓的作用；控制器分別與交流電源、整流單元、功率單元相連接。所述的由電抗器一、電抗器二、電容器串聯(lián)組成的基波濾波器的輸入端與輸出端之間并聯(lián)有起保護(hù)作用的旁路開(kāi)關(guān)，在電容器與輸出端之間設(shè)有設(shè)備投入運(yùn)行開(kāi)關(guān)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是基于疊加原理，通過(guò)串聯(lián)諧波電壓源，可達(dá)到消除電源側(cè)高次諧波電壓源對(duì)負(fù)荷影響，響應(yīng)速度快。



圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是單組隔離電源的結(jié)構(gòu)圖；圖3是多組隔離電源的結(jié)構(gòu)圖；圖4是不可控整流單元的結(jié)構(gòu)圖；圖5是兩電平PWM整流單元的結(jié)構(gòu)圖；圖6是三電平PWM整流單元的結(jié)構(gòu)圖；圖7是兩電平PWM逆變器的結(jié)構(gòu)圖；圖8是三電平PWM逆變器的結(jié)構(gòu)圖；圖9是H橋單元多級(jí)串聯(lián)的多電平逆變器的結(jié)構(gòu)圖；圖10是控制器的原理框圖。
具體實(shí)施例方式見(jiàn)圖1，一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，包括諧波電壓源檢測(cè)裝置1、諧波電壓源檢測(cè)裝置2、由電抗器3、電抗器4、電容器5依次串聯(lián)組成的基波濾波器、高頻變壓器6、交流電源7、功率單元8、整流單元9、濾波單元C、控制器10，諧波電壓源檢測(cè)裝置1設(shè)置在本裝置的輸入端，用來(lái)檢測(cè)含諧波的電壓源，諧波電壓源檢測(cè)裝置2設(shè)置在本裝置的輸出端，用來(lái)檢測(cè)清除諧波后的電壓源，兩個(gè)諧波電壓源檢測(cè)裝置均將檢測(cè)的電壓源信號(hào)輸入控制器10 ；控制器10還分別與交流電源7、整流單元9、功率單元8相連接。諧波電壓源檢測(cè)裝置1采集得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)諧波電壓，將諧波電壓信號(hào)輸入控制器10，由控制器10計(jì)算得出一個(gè)與諧波電壓大小相等、方向相反的電壓，由功率單元8經(jīng)高頻變壓器6輸入由電抗器4、電容器5串聯(lián)構(gòu)成的LC支路，該電壓與諧波電壓相疊加，使諧波輸出電壓為零，達(dá)到濾除電網(wǎng)諧波電壓的作用。交流電源7為控制單元10、整流單元、濾波單元C、功率單元8提供電源。控制器10采集整流單元9的參數(shù)，控制整流單元9的輸出直流電流，以保證功率單元8的輸出結(jié)果。本裝置具有保護(hù)和旁路功能，由電抗器3、電抗器4、電容器5串聯(lián)組成的基波濾波器的輸入端與輸出端之間并聯(lián)有旁路開(kāi)關(guān)11，并且在電容器5與輸出端之間設(shè)有設(shè)備投入運(yùn)行開(kāi)關(guān)13。當(dāng)裝置有故障時(shí)通過(guò)控制旁路開(kāi)關(guān)11、設(shè)備投入運(yùn)行開(kāi)關(guān)13將設(shè)備退出運(yùn)行，對(duì)設(shè)備具有保護(hù)作用。本裝置的控制器10完成以下功能1)采集分析由諧波電壓源檢測(cè)裝置1采集得到的系統(tǒng)的諧波電壓；2)通過(guò)綜合串聯(lián)電抗器3、電抗器4、電容器5、高頻變壓器6的參數(shù)得出功率單元 8所產(chǎn)生的諧波電流(或綜合電流各次諧波電流之和)；3)采集和分析諧波電壓源檢測(cè)裝置2得到的諧波電壓及功率單元8的目標(biāo)諧波電流并通過(guò)計(jì)算調(diào)整，使諧波電壓源檢測(cè)裝置2的諧波電壓為“O”或滿足負(fù)荷要求；4)采集整流單元9的參數(shù)，并控制整流單元9的輸出直流電壓，保證功率單元8的輸出結(jié)果；5)保護(hù)和旁路功能，檢測(cè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)裝置有故障時(shí)通過(guò)控制旁路開(kāi)關(guān)11 和設(shè)備投入運(yùn)行開(kāi)關(guān)13來(lái)將設(shè)備退出運(yùn)行。諧波電壓源檢測(cè)裝置1和諧波電壓源檢測(cè)裝置2是任何一種能夠準(zhǔn)確傳遞和表征電壓及其諧波含量的裝置，它應(yīng)具有較高的響應(yīng)速度和很小的誤差；可采用電壓傳感器。電抗器3和電抗器4為工業(yè)用電抗器，其電抗不大于系統(tǒng)阻抗的10%且與電容器 5構(gòu)成50Hz濾波器，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電抗器4與電容器5綜合構(gòu)成LC支路，諧振點(diǎn)低于濾除諧波的最小次數(shù)，一般選 3次以下。高頻變壓器6的工作頻率高于逆變器的開(kāi)關(guān)援建工作頻率，最好是2倍以上，容量大于各次諧波的總?cè)萘恐?。功率單?的開(kāi)關(guān)器件一般選擇IGBT或更高開(kāi)關(guān)頻率的全控型器件，采用H橋或其他拓?fù)浞绞?，以電流作為控制目?biāo)。本發(fā)明的具體實(shí)施方式
可以有多種電源類(lèi)型、整流拓?fù)?、逆變拓?fù)涞淖杂山M合，本發(fā)明主要敘述以下幾種方式1 單組隔離電源+不可控整流單元+兩電平PWM逆變器，見(jiàn)圖2、圖4、圖7。方式2 單組隔離電源+不可控整流單元+三電平PWM逆變器，見(jiàn)圖2、圖4、圖8。方式3 單組隔離電源+兩電平PWM整流單元+兩電平PWM逆變器，見(jiàn)圖2、圖5、 圖7。方式4 單組隔離電源+兩電平PWM整流單元+三電平PWM逆變器，見(jiàn)圖2、圖5、 圖8。方式5 單組隔離電源+三電平PWM整流單元+兩電平PWM逆變器，見(jiàn)圖2、圖6、 圖7。方式6 單組隔離電源+三電平PWM整流單元+三電平PWM逆變器，見(jiàn)圖2、圖6、 圖8。方式7 多組隔離電源+不可控整流單元+H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器，見(jiàn)圖3、圖4、圖 9。方式8 多組隔離電源+兩電平PWM整流單元+H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器，見(jiàn)圖3、圖
5、圖9。方式9 多組隔離電源+三電平PWM整流單元+H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器，見(jiàn)圖3、圖
6、圖9。圖4為三相不可控全橋整流單元的結(jié)構(gòu)圖，由二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6構(gòu)成三
相不可控全橋整流結(jié)構(gòu)，整流后將信號(hào)輸入由電容器C構(gòu)成的濾波單元，濾波后信號(hào)輸入功率單元8。圖5為兩電平PWM整流單元結(jié)構(gòu)圖，由六個(gè)IGBT全控型器件(IGBT1、IGBT2、 IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6)分別與二極管(D1、D2、D3、D4、D5、D6)反并聯(lián)組成兩電平 PWM
整流，整流后信號(hào)經(jīng)濾波單元C輸入功率單元8。
圖6為三電平PWM整流單元結(jié)構(gòu)圖，每相由4個(gè)IGBT器件組成，兩兩IGBT器件串聯(lián)，每個(gè)IGBT器件分別反并聯(lián)一個(gè)二極管；兩支串聯(lián)IGBT的中點(diǎn)通過(guò)二極管(Dl、D2 ；D3、 D4 ；D5、D6)連接在一起，并且二極管(D1、D2 ；D3、D4 ；D5、D6)中點(diǎn)與直流電容C1、C2中點(diǎn)連接起來(lái)，使得中性點(diǎn)電位直接鉗位，因此該整流拓?fù)湟卜Q為中性點(diǎn)鉗位型三電平PWM整流器。圖7是兩電平PWM逆變器功率單元的結(jié)構(gòu)圖，由六個(gè)IGBT全控型器件(IGBT1、 IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6)分別與二極管(Dl、D2、D3、D4、D5、D6)反并聯(lián)組成兩電平PWM逆變，逆變后信號(hào)經(jīng)高頻變壓器6輸入由電抗器4、電容器5串聯(lián)構(gòu)成的LC支路。圖8為三電平PWM逆變器功率單元結(jié)構(gòu)圖，每相由4個(gè)IGBT器件組成，兩兩IGBT 器件串聯(lián)，每個(gè)IGBT器件分別反并聯(lián)一個(gè)二極管；兩支串聯(lián)IGBT的中點(diǎn)通過(guò)二極管(D1、 D2 ；D3、D4 ；D5、D6)連接在一起，并且二極管(D1、D2 ；D3、D4 ；D5、D6)中點(diǎn)與直流電容C1、C2 中點(diǎn)連接起來(lái)，使得中性點(diǎn)電位直接鉗位。圖9為H橋多級(jí)串聯(lián)的多電平逆變器功率單元的結(jié)構(gòu)圖，由多個(gè)全控型器件反并聯(lián)二極管組成的H橋串聯(lián)組成。圖10是控制器原理圖，控制器由FPGA芯片、CPU芯片、A/D芯片組成，電壓信號(hào)或電流信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CPU芯片，經(jīng)CPU芯片處理后進(jìn)入FPGA芯片，經(jīng)FPGA芯片處理后輸出整流單元、功率單元的控制信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，其特征在于，包括諧波電壓源檢測(cè)裝置、由電抗器一、電抗器二、電容器串聯(lián)組成的基波濾波器、高頻變壓器、交流電源、功率單元、整流單元、濾波單元、控制器，諧波電壓源檢測(cè)裝置有兩個(gè)，一個(gè)設(shè)置在本裝置的輸入端，用來(lái)檢測(cè)含諧波的電壓源，另一個(gè)設(shè)置在本裝置的輸出端，用來(lái)檢測(cè)清除諧波后的電壓源；兩個(gè)諧波電壓源檢測(cè)裝置均將檢測(cè)的電壓源信號(hào)輸入控制器；諧波電壓源檢測(cè)裝置采集得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)諧波電壓，將諧波電壓信號(hào)輸入控制器，由控制器計(jì)算得出一個(gè)與諧波電壓大小相等、方向相反的電壓，由功率單元經(jīng)高頻變壓器輸入由電抗器、電容器串聯(lián)構(gòu)成的LC支路，該電壓與諧波電壓相疊加，使諧波輸出電壓為零， 達(dá)到濾除電網(wǎng)諧波電壓的作用；控制器分別與交流電源、整流單元、功率單元相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，其特征在于，所述的由電抗器一、電抗器二、電容器串聯(lián)組成的基波濾波器的輸入端與輸出端之間并聯(lián)有起保護(hù)作用的旁路開(kāi)關(guān)，在電容器與輸出端之間設(shè)有設(shè)備投入運(yùn)行開(kāi)關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，其特征在于，所述的整流單元可為三相不可控全橋整流、兩電平PWM整流、或三電平PWM整流結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，其特征在于，所述的功率單元可為兩電平PWM逆變器、三電平PWM逆變器、或H橋多級(jí)串聯(lián)的多電平逆變器結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，其特征在于，所述的交流電源可為單組隔離電源或多組隔離電源結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，其特征在于， 所述的控制器由FPGA芯片、CPU芯片、A/D芯片組成，電壓信號(hào)或電流信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CPU芯片，經(jīng)CPU芯片處理后進(jìn)入FPGA芯片，經(jīng)FPGA芯片處理后輸出整流單元、功率單元的控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于清除電力系統(tǒng)電壓諧波的裝置，包括諧波電壓源檢測(cè)裝置、由電抗器一、電抗器二、電容器串聯(lián)組成的基波濾波器、高頻變壓器、交流電源、功率單元、整流單元、濾波單元、控制器，諧波電壓源檢測(cè)裝置采集得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)諧波電壓，將諧波電壓信號(hào)輸入控制器，由控制器計(jì)算得出一個(gè)與諧波電壓大小相等、方向相反的電壓，由功率單元經(jīng)高頻變壓器輸入由電抗器、電容器串聯(lián)構(gòu)成的LC支路，該電壓與諧波電壓相疊加，使諧波輸出電壓為零，達(dá)到濾除電網(wǎng)諧波電壓的作用；控制器分別與交流電源、整流單元、功率單元相連接。該裝置基于疊加原理通過(guò)串聯(lián)諧波電壓源可達(dá)到消除電源側(cè)高次諧波電壓源對(duì)負(fù)荷影響的目的，且響應(yīng)速度快。
文檔編號(hào)H02J3/01GK102157940SQ201110074388
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者孫丹, 孟海星, 張銀山, 李曠, 牟文晶, 王軍, 王躍明, 董雪武, 郭自勇, 黃新明 申請(qǐng)人:榮信電力電子股份有限公司